JPS6312509B2 - - Google Patents

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JPS6312509B2
JPS6312509B2 JP57123440A JP12344082A JPS6312509B2 JP S6312509 B2 JPS6312509 B2 JP S6312509B2 JP 57123440 A JP57123440 A JP 57123440A JP 12344082 A JP12344082 A JP 12344082A JP S6312509 B2 JPS6312509 B2 JP S6312509B2
Authority
JP
Japan
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freon
working fluid
rankine cycle
weight
temperature
Prior art date
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Expired
Application number
JP57123440A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS5912994A (en
Inventor
Hisanori Enjo
Masahiro Noguchi
Satoru Ide
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Daikin Industries Ltd
Original Assignee
Daikin Kogyo Co Ltd
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Publication of JPS6312509B2 publication Critical patent/JPS6312509B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10Process efficiency

Landscapes

  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Lubricants (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明はランキンサイクル用の新規な動作流体
に関する。 熱エネルギーを用いて液状媒体を加熱蒸発させ
膨張装置内で膨張させることにより機械エネルギ
ーを得、ついでこの媒体を凝縮させ、ポンプによ
り加圧して液状媒体とするサイクルをくり返すこ
とにより熱エネルギーを機械エネルギーに変換す
るランキンサイクルにおいては、媒体すなわちラ
ンキンサイクル用動作流体として従来から使用さ
れてきたほとんど唯一のものは水である。動作流
体としての水は水蒸気機関に古くから実用化され
てきた。然しながら、水は凝固点が高く、蒸気比
容積が大きいためその使用範囲が限定され、とく
に低温熱源を使用する場合は設備が大きくなり効
率も低下するという欠点があり、更に低温で使用
するときは氷結するため使用温度に限界がある。 このような水の欠点を改善するものとして、多
くの有機動作流体が提案されているが、多くのも
のは可燃性であつたり、腐蝕性であつたりして、
いまだ満足して使用できるものは得られていな
い。しかしこれらのもののうち、実用化されてい
るものとしてトリクロロフルオロメタン(以下フ
ロン―11という)があるが、フロン―11からなる
ランキンサイクル用動作流体は熱エネルギーから
機械エネルギーへの変換効率が低い難点がある。
フロン―11は以上のような欠点があるためエネル
ギー変換効率がよい動作流体の出現が期待されて
いる。 本発明者らはそのような要望に応えるべく種々
研究を重ねた結果、従来の動作流体はすべて単一
物質が研究され用いられて来たが、異つた特性を
もつ物質を混合した混合系は単一物質に比べて優
れた特性を示すことを見出し、特にトリクロロフ
ルオロメタン(以下フロン―11という)とジフル
オロエタン(以下フロン―152という)との混合
物がランキンサイクル用の動作流体としてきわめ
てすぐれた特性を有していることを見出し本発明
を完成するにいたつた。 本発明のフロン―11とフロン―152との混合系
はランキンサイクル用動作流体として次の特性を
有している。 第一に、フロン―11とフロン―152との混合系
を用いたランキンサイクルは、熱源エネルギーか
ら得られる機械エネルギー、即ちエネルギー変換
効率が、従来ランキンサイクル用動作流体として
公知のフロン―11、フロン―114(ジクロロテトラ
フルオロエタン)、米国特許第4055049号明細書に
記載のフロン―152と1,1,2―トリクロロ―
1,2,2―トリフルオロエタン(フロン―113)
との共沸混合物、米国特許第4057974号明細書に
記載の1―クロロ―2,2,2―トリフルオロエ
タン(フロン―133)とオクタフルオロシクロブ
タン(フロン―C―318)との共沸混合物、米国
特許第4285211号明細書に記載のジクロジフルオ
ロメタン(フロン―12)とフロン―11との混合物
などに比して、優れている。 第二に、フロン―152は燃焼性をもつている。
しかしフロン―11と混合することによりその燃焼
性は小さくなり、フロン―11の混合比が69%以上
では全く燃焼しない。また、フロン―11の混合比
69〜50%では燃焼性は非常に小さく実用上大きな
障害とはならない。 また、フロン―11を95〜50重量%、フロン―
152を5〜50重量%の範囲の混合比率で特に出力
効率の顕著な向上が得られる。 第1図は本発明のフロン―11とフロン―152と
の混合物(混合比70重量%/30重量%)の圧力―
エンタルピ線図(P―H線図)であり、図中に記
入した点A,B,C,D,Eはそれぞれ下記実施
例で実施されたランキンサイクルの下記第2図及
び第3図に説明するランキンサイクルの各状態点
に対応する。 第2図は熱エネルギーを機械エネルギーに変換
するためのランキンサイクル系統図であり、第3
図はフロン―11とフロン―152との混合物を動作
流体として用いたランキンサイクルを温度エント
ロピ線図上に記入して示したものである。なお、
第2図における記号(A〜E)は、第3図におけ
る記号(A〜E)で示した各状態点に対応する。 蒸気発生装置4で加熱された動作流体は蒸発
し、高温高圧の蒸気となる。この状態は第3図に
おいてD,E,Aの変化で示される。この間で液
状動作流体は加熱され温度が上昇し、沸騰が始ま
り全量が気化する。この動作流体蒸気はつぎに膨
張装置1に入り、断熱膨張を行ない、温度、圧力
が低下し第3図に示すA―B間の仕事を行なう。
膨張装置1内で仕事を行ない低温低圧になつた動
作流体は次に凝縮装置2に入り、第3図のB―C
で示すように凝縮液化する。この液化した動作流
体はポンプ3に入り、昇圧されて再び蒸気発生装
置4に入り、前述の如きサイクルが繰り返され
る。なお、第3図中、点aは熱源である熱水がラ
ンキンサイクルの蒸気発生装置に入つたときの熱
水の状態を示し、bはこの熱水が蒸気発生装置を
出た時の熱水の状態を示し、点aから点bにひい
た直線上の矢印は熱水の流れの方向を示してい
る。また、点d、eは凝縮器内の冷却水の状態を
示し、dは凝縮器入口の冷却水の、eは凝縮器出
口の冷却水の状態を示し、点dから点eにひいた
直線上の矢印は冷却水の流れの方向を示してい
る。 上記のランキンサイクル用に用いられる膨張装
置としては、回転式または往復式の容積型膨張機
やタービン膨張機が使用可能であり、蒸気発生装
置としては水蒸気の発生に用いられるボイラーと
同じ形式のものも使用可能であり、また凝縮装置
としては冷凍装置に使用されている形式のものが
使用可能である。そしてポンプとしては、化学装
置に一般に用いられている有機溶剤の加圧送液ポ
ンプが使用可能である。 本発明のランキンサイクル動作流体は単独で使
用することが出来るが、他に添加剤を必要に応じ
て加えることが出来る。たとえばフロン―152が
可燃性でありフロン―11よりも沸点が低いので、
気相ではフロン―152の割合が大となり燃性が大
となる。そこで他のフロンガスたとえばフロン―
114、フロン―12、フロン―22またはフロン―
13BIを添加して燃性をおさえることが出来る。
添加量は通常フロン―152の量に対して50重量%
以下が好ましい。 次に、本発明を実施例、比較例及び各種の試験
例によつて本発明を説明する。なお各成分の配合
比は重量%を以て表示する。 実施例1〜3及び比較例1 前記の第1〜3図に示したランキンサイクルに
従い、本発明のフロン―11及びフロン―152の各
種混合比率の混合物およびフロン―114をそれぞ
れ動作流体として同一装置によりこのサイクルを
運転した。運転条件としては第3図a点における
熱水温度を120℃とし、d点で示される冷却水の
温度を25℃として、前記熱水の1000t/時の熱エ
ネルギーから得られる機械エネルギーによつて発
電する際の出力特性を求め、第1表に示す結果を
得た。なお、このサイクルの蒸発温度は80℃とし
凝縮温度は42℃である。
The present invention relates to a new working fluid for Rankine cycles. Mechanical energy is obtained by heating and evaporating a liquid medium using thermal energy and expanding it in an expansion device.Then, this medium is then condensed and pressurized by a pump to become a liquid medium.The cycle is repeated to convert thermal energy into mechanical energy. In the Rankine cycle for energy conversion, water is almost the only medium that has traditionally been used as a working fluid for the Rankine cycle. Water as a working fluid has been used in steam engines for a long time. However, water has a high freezing point and a large vapor specific volume, which limits its range of use.Especially when using a low-temperature heat source, the disadvantage is that the equipment becomes bulky and efficiency decreases, and furthermore, when used at low temperatures, it tends to freeze. Therefore, there is a limit to the operating temperature. Many organic working fluids have been proposed to improve the drawbacks of water, but many are flammable or corrosive.
I have not yet found anything that I can use with satisfaction. However, among these, trichlorofluoromethane (hereinafter referred to as Freon-11) is one that has been put into practical use, but the Rankine cycle working fluid made of Freon-11 has the disadvantage of low conversion efficiency from thermal energy to mechanical energy. There is.
Since Freon-11 has the above-mentioned drawbacks, it is hoped that a working fluid with high energy conversion efficiency will emerge. The inventors of the present invention have conducted various studies in response to such demands, and have found that although all conventional working fluids have been researched and used with a single substance, a mixed system in which substances with different characteristics are mixed has been developed. We have discovered that a mixture of trichlorofluoromethane (hereinafter referred to as Freon-11) and difluoroethane (hereinafter referred to as Freon-152) exhibits superior properties compared to single substances, and has demonstrated extremely superior properties as a working fluid for the Rankine cycle. The present invention was completed based on the discovery that the present invention has the following properties. The mixed system of Freon-11 and Freon-152 of the present invention has the following characteristics as a working fluid for Rankine cycle. First, in the Rankine cycle using a mixed system of Freon-11 and Freon-152, the mechanical energy obtained from the heat source energy, that is, the energy conversion efficiency, -114 (dichlorotetrafluoroethane), Freon-152 and 1,1,2-trichloro- described in U.S. Pat. No. 4,055,049
1,2,2-trifluoroethane (Freon-113)
an azeotrope of 1-chloro-2,2,2-trifluoroethane (Freon-133) and octafluorocyclobutane (Freon-C-318) described in U.S. Pat. No. 4,057,974. , is superior to the mixture of diclodifluoromethane (Freon-12) and Freon-11 described in US Pat. No. 4,285,211. Second, Freon-152 is flammable.
However, when mixed with Freon-11, its flammability decreases, and if the mixture ratio of Freon-11 is 69% or more, it will not burn at all. Also, the mixing ratio of Freon-11
At 69% to 50%, the flammability is very small and does not pose a major problem in practical use. In addition, 95 to 50% by weight of Freon-11, Freon-11
In particular, a remarkable improvement in output efficiency is obtained when the mixing ratio of 152 is in the range of 5 to 50% by weight. Figure 1 shows the pressure of the mixture of Freon-11 and Freon-152 of the present invention (mixing ratio 70% by weight/30% by weight).
This is an enthalpy diagram (PH diagram), and the points A, B, C, D, and E drawn in the diagram are respectively explained in the following Figures 2 and 3 of the Rankine cycle implemented in the following example. corresponds to each state point of the Rankine cycle. Figure 2 is a Rankine cycle system diagram for converting thermal energy into mechanical energy.
The figure shows a Rankine cycle plotted on a temperature entropy diagram using a mixture of Freon-11 and Freon-152 as the working fluid. In addition,
Symbols (A to E) in FIG. 2 correspond to state points indicated by symbols (A to E) in FIG. 3. The working fluid heated by the steam generator 4 evaporates and becomes high-temperature, high-pressure steam. This state is shown in FIG. 3 by the changes in D, E, and A. During this time, the liquid working fluid is heated, its temperature rises, and the entire amount begins to boil. This working fluid vapor then enters the expansion device 1, undergoes adiabatic expansion, lowers its temperature and pressure, and performs work between A and B shown in FIG.
The working fluid, which has performed work in the expansion device 1 and has become low temperature and low pressure, then enters the condensation device 2 and flows through B-C in Fig. 3.
It condenses and liquefies as shown in . This liquefied working fluid enters the pump 3, is pressurized, enters the steam generator 4 again, and the cycle as described above is repeated. In Figure 3, point a indicates the state of the hot water when it enters the Rankine cycle steam generator, and point b indicates the state of the hot water when it leaves the steam generator. The arrow on the straight line drawn from point a to point b indicates the direction of flow of hot water. In addition, points d and e indicate the state of the cooling water in the condenser, d indicates the state of the cooling water at the condenser inlet, and e indicates the state of the cooling water at the condenser outlet.A straight line drawn from point d to point e The arrow above indicates the direction of cooling water flow. As the expansion device used for the above-mentioned Rankine cycle, a rotary or reciprocating positive displacement expander or a turbine expander can be used, and the steam generator is of the same type as the boiler used to generate steam. It is also possible to use a condensing device of the type used in refrigeration equipment. As the pump, an organic solvent pressurized liquid pump commonly used in chemical equipment can be used. The Rankine cycle working fluid of the present invention can be used alone, but other additives can be added as necessary. For example, Freon-152 is flammable and has a lower boiling point than Freon-11, so
In the gas phase, the proportion of Freon-152 is large, making it highly flammable. Therefore, other fluorocarbon gases, such as fluorocarbons,
114, Freon-12, Freon-22 or Freon-
Flammability can be suppressed by adding 13BI.
The amount added is usually 50% by weight based on the amount of Freon-152.
The following are preferred. Next, the present invention will be explained using examples, comparative examples, and various test examples. The blending ratio of each component is expressed in weight %. Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 According to the Rankine cycle shown in FIGS. 1 to 3 above, mixtures of Freon-11 and Freon-152 of the present invention at various mixing ratios and Freon-114 were used as working fluids in the same apparatus. This cycle was run by: The operating conditions are that the temperature of the hot water at point a in Figure 3 is 120°C, and the temperature of the cooling water at point d is 25°C. The output characteristics during power generation were determined, and the results shown in Table 1 were obtained. Note that the evaporation temperature in this cycle is 80°C and the condensation temperature is 42°C.

【表】 第1表の結果より、フロン―11単独の場合に比
してフロン―11とフロン―152との混合系による
出力特性の向上が顕著であり、フロン―152の混
合比率が5〜50重量%の範囲で出力の増大が認め
られる。またフロン―114とフロン―152との混合
系に於ては蒸発器と凝縮器の圧力差が小さくポン
プ動力が小さくて済む特徴が認められた。 次にフロン―11単独及び本発明のフロン―11/
フロン―152(重量比70/30)の動作流体をそれぞ
れ硝子製シールドチユーブ中に鉄および潤滑油と
共に封入し、150℃で100時間加熱した後、シール
ドチユーブ中の動作流体のハロゲン濃度及び分解
生成物の量をガスクロマトグラフにより測定し
た。その結果を第2表に示す。
[Table] From the results in Table 1, it is clear that the output characteristics of the mixed system of Freon-11 and Freon-152 are significantly improved compared to the case of Freon-11 alone, and the mixing ratio of Freon-152 is 5 to 5. An increase in output is observed within a range of 50% by weight. In addition, the mixed system of Freon-114 and Freon-152 was found to have a small pressure difference between the evaporator and condenser, requiring less pump power. Next, Freon-11 alone and Freon-11/of the present invention
A working fluid of Freon-152 (weight ratio 70/30) was sealed together with iron and lubricating oil in a glass shield tube, and after heating at 150℃ for 100 hours, the halogen concentration and decomposition generation of the working fluid in the shield tube were determined. The amount of material was measured by gas chromatography. The results are shown in Table 2.

【表】 第2表に示すとおり、フロン―11単独の動作流
体に比し本発明のフロン―11とフロン―152との
混合系は高温におけるハロゲンイオン生成が少な
く、かつガスクロマトグラフ分析により検出され
る分解生成物が少ない。フロン―11/フロン―
152の混合系の場合、高温下でのハロゲンの生成
量が少ないということは装置の金属材料を腐蝕し
にくいことを意味し、また分解生成物がほとんど
ないということは使用中に分解生成物の増加によ
りランキンサイクル用動作流体としての熱力学的
特性が変化したり、効率が低下することが防止さ
れることを意味する。 以上のように、本発明のフロン―11とフロン―
152との混合系はエネルギー変換効率、熱交換特
性及び熱安定性等多方面において従来のフロン―
11に比して勝つており、すぐれたランキンサイク
ル用動作流体として使用することができる。 参考例 フロン―152 43重量%とフロン―113 57重量%
との共沸混合物(A)、フロン―133 22重量%とフロ
ン―C―318 86重量%との共沸混合物(B)、フロン
―12 20重量%とフロン―11 80重量%との混合物
(C)をそれぞれ使用して、実施例1〜3と同様にし
てランキンサイクルを運転した。 結果は、第3表に示す通りである。
[Table] As shown in Table 2, compared to the working fluid of Freon-11 alone, the mixed system of Freon-11 and Freon-152 of the present invention produces less halogen ions at high temperatures, and is less detected by gas chromatography analysis. There are fewer decomposition products. Freon-11/Freon-
In the case of the 152 mixed system, the small amount of halogen produced at high temperatures means that it is less likely to corrode the metal materials of the equipment, and the fact that there are almost no decomposition products means that the decomposition products are not produced during use. This means that the thermodynamic properties of the working fluid for the Rankine cycle are prevented from changing or the efficiency is prevented from decreasing. As mentioned above, Freon-11 and Freon-
The mixed system with 152 is superior to conventional fluorocarbons in many aspects such as energy conversion efficiency, heat exchange characteristics, and thermal stability.
11, and can be used as an excellent working fluid for Rankine cycles. Reference example Freon-152 43% by weight and Freon-113 57% by weight
(A), an azeotrope (B) of 22% by weight of Freon-133 and 86% by weight of Freon-C-318, a mixture of 20% by weight of Freon-12 and 80% by weight of Freon-11.
A Rankine cycle was operated in the same manner as in Examples 1 to 3 using each of (C). The results are shown in Table 3.

【表】 第1表と第3表とを比較すれば、本発明動作流
体による出力特性の著るしい改善が明らかであ
る。
[Table] Comparing Tables 1 and 3, it is clear that the working fluid of the present invention significantly improves the output characteristics.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明のランキンサイクル用動作流体
であるフロン―11/フロン―152混合系の圧力―
エンタルピ線図、第2図はランキンサイクルの系
統図、第3図はフロン―11/フロン―152混合系
を動作流体として用いたランキンサイクルを温度
―エントロピ線図に記入した図である。
Figure 1 shows the pressure of the Freon-11/Freon-152 mixed system, which is the working fluid for the Rankine cycle of the present invention.
The enthalpy diagram, Figure 2 is a systematic diagram of the Rankine cycle, and Figure 3 is a temperature-entropy diagram of the Rankine cycle using a Freon-11/Freon-152 mixed system as the working fluid.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 トリクロロフルオロメタンとジフルオロエタ
ンとの混合物からなるランキンサイクル用動作流
体。 2 トリクロロフルオロメタン95〜50重量%とジ
フルオロエタン5〜50重量%との混合物からなる
特許請求の範囲第1項に記載のランキンサイクル
用動作流体。
[Claims] 1. A working fluid for Rankine cycle consisting of a mixture of trichlorofluoromethane and difluoroethane. 2. The working fluid for the Rankine cycle according to claim 1, comprising a mixture of 95 to 50% by weight of trichlorofluoromethane and 5 to 50% by weight of difluoroethane.
JP57123440A 1982-07-14 1982-07-14 Working fluid for rankine cycle Granted JPS5912994A (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP57123440A JPS5912994A (en) 1982-07-14 1982-07-14 Working fluid for rankine cycle
EP83106843A EP0101856B1 (en) 1982-07-14 1983-07-12 Working fluids for rankine cycle
DE8383106843T DE3362538D1 (en) 1982-07-14 1983-07-12 Working fluids for rankine cycle
US06/632,276 US4557851A (en) 1982-07-14 1984-07-20 Working fluids for the Rankine cycle comprising trichlorofluoromethane and 1,1-difluoroethane, isobutane or octafluorocyclobutane

Applications Claiming Priority (1)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4997351A (en) * 1972-12-21 1974-09-13

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JPS4997351A (en) * 1972-12-21 1974-09-13

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