熱機関において効率を上げるにはどうすればよいのでしょう。
また、それに伴って生じる技術、環境上の問題点とは。
いろいろ調べたのですがどうにもわかりません。
よろしくお願いします。

このQ&Aに関連する最新のQ&A

A 回答 (3件)

どのような熱機関についてのご質問なのか不明ですので、あくまで概論程度にとどめます。

実際には各種の機関ごとその特性上、実際に行えることと行えない事がありますし種別によっても効果の程度も異なります。

もっとも基本的なことは冷却損と機械損を減らすことですが、これではあまりにも漠然としすぎているので、機械損の部分は割愛し、熱の利用についてのみ、ごく触りの部分だけを書いておきます。

熱機関とは熱エネルギーという物理エネルギーを運動エネルギーに変換する一種の変換装置です。この変換装置には必ず動作の仲立ちとなる動作流体が必要ですので、まず第一に燃料をできるだけ高い温度で燃焼させ、できるだけ無駄なく動作流体に伝達しできるだけ高い温度の動作流体(動作流体の持つエネルギーを利用できる下限の温度はほぼ決まっているため、温度を上げることで利用できる幅が広がる)を作りできるだけ低い温度で動作流体を排出する事が肝心です。この温度差自体が熱機関において利用可能なエネルギーとなるからです。ただし、いくら排出される温度が低くても機関その物の冷却や動作機構外での温度の低下は無意味であることは言うまでもありません。

さて、内燃機関では動作流体=燃焼ガスという構造が成り立ちますので動作流体への熱エネルギーの伝達という項目に関してはあまり問題がありませんが、外燃機関では燃焼によって得た熱エネルギーを動作流体(水蒸気やガス)に移動させる必要があります。これにはボイラーや熱交換器が利用されますが、この部分での熱のロスが大きな問題になります。これらの顕著な例が蒸気機関でこの部分でのロスがあまりにも大きいため、現在ではほとんど使用されていません。外燃機関といえるかどうかは判りませんが、燃焼以外の熱エネルギーを利用してはいますが原子炉もこの類です。これらの外燃機関で熱効率の向上を取るためには、機関の運転に直接利用できない温度の低い状態の熱源(タービンやレシプロ機関などの排気やボイラー外壁から逃げる熱や燃焼ガスの排気など)を如何に無駄にせず利用するかと言う事に尽きるでしょう。もちろんタービンやレシプロ機関そのもの効率の向上も重要ですし、できるだけ高い温度の動作流体を作ることも大切です。内燃機関ではできるだけ高い圧縮比で、できるだけ高圧の状態にし高温で燃焼させることが重要な点ですが、熱機関を構成する材料が耐えられる範囲の温度である必要があります。また、ここで機関の破損を防ぐために冷却を行うと冷却による熱の損失が発生します。したがってできるだけ高温の動作流体を扱いつつできるだけ冷却を行わないという極めて難しい(ほぼ無理といってもいいでしょう)条件が要求されます。機関そのもの動作としては動作流体の持つ圧力や速度をできるだけ低い圧力や速度になるまで利用する必要が生じますが、これは機関その物の大型化・重量化を招く要因であり定置型(発電用など)以外では大きな障害になります。このような定置型の内燃機関では廃熱を再利用したいわゆるコジェネレーションも行い熱効率の向上を取っています。

環境面での問題ですが高温での燃焼に伴う窒素酸化物(NOx)の発生の増加が主でしょう。また、熱機関の効率が向上するということは同じ仕事を発生する機関で消費する燃料が減少するということであり。その面での環境負荷は軽減されるといえるでしょう。

おまけにちょっと変わり種のディーゼルエンジンを紹介しておきます。ディーゼルとガスタービンのあいのこのようなエンジンで、基本的にはディーゼルエンジンですが排気の持っている速度エネルギーでタービンを回し(ここまではターボーチャージドエンジンと同じ)このタービンの回転を減速器で減速し、ディーゼルエンジンの回転軸に戻すというもので、カミンズエンジン社というメーカーが作っていました。

もし、特定の種類の熱機関についてご指定があれば、もう少し詳しく説明できるかと思いますが、いずれにせよ、このサイト上で記述できるのは、概論程度にならざるを得ないでしょう。
    • good
    • 0
この回答へのお礼

どのような熱機関かは指定がなかったんです。
だから概論程度でOKだと思います。
概論程度といっても、けっこうな量なのでびっくりしました。

詳しいご回答ありがとうございました。

お礼日時:2001/12/21 01:47

雑学的な回答ですが、2つばかり。



1.膨張比を上げる(下記例の蒸気機関車では圧縮比というものがないので、こう呼ばせていただきます)
あまり知られていないことですが、蒸気機関車でも復水器付き再加熱式2段膨張エンジンを持ったものがあります。 しかし、効率は上がるけれど、ほとんどの機関車では使われていません。
・復水器の容積が大きいため、ボイラを小さくせねばならず、出力や安定性が低くなる。
・2段目のエンジンの容積も大きく、機関の重量が増大する。
・ただでさえ複雑な蒸気機関車の整備が、さらに難しくなる。
技術上の問題というより、運用上の欠点ですね。

2.熱を逃がさないようにする
内燃機関には、熱伝導率の高いアルミ系の素材が使われたりしていますが、セラミック素材で作る場合は熱伝導率の低いものが使われます。 作動流体に熱がこもってくれた方が効率は上がるのですが、金属は高温に弱いため積極的に放熱しています。 これに対しセラミックは高温に強いので放熱せずに済みます。
問題点といえば、セラミックエンジンは作るのが難しくて高価ですね。 また部品同士の接合とか破損が一気に進むとかの問題もあるようです。(10年ぐらい前に傾斜性素材で解決する話もあったが、さらに高価になりそう)
    • good
    • 0
この回答へのお礼

蒸気機関車って複雑なんですね。
そういう知識がほとんどないので勉強になります。

ご回答ありがとうございました。

お礼日時:2001/12/21 01:14

まずお詫びを。


これは、この掲示板で書ききれない物ですね。(^^;)


例えば、熱機関の元となる状態変化の過程(これをサイ
クルといいますが)、その種類だけでも
 【ガスサイクル】
   カルノーサイクル、オットーサイクル、ディー
   ゼルサイクル、サバテサイクル、ブレイトン
   サイクル、エリクソンサイクル、スターリング
   サイクル
 【蒸気サイクル】
   ランキンサイクル、再生サイクル、再熱サイクル
 【その他のサイクル】
   冷凍サイクル
なんて数があります。

そして、これらを理解するためには、
 【熱力学の第一法則】
  エネルギー保存の法則、第一種の永久運動
  内部エネルギー、エンタルピー、可逆変化
  絶対仕事
 【熱力学の第二法則】
  エントロピー
 【熱力学の第三法則】
  最大仕事、閉じた系、開いた系、有効エネルギー
 【理想気体と実在気体と湿り空気】
  等温・等容・等圧・断熱の各変化
  飽和蒸気(乾き度、湿り度)
  T-s・h-s・P-Vの各線図
  相対・絶対の湿度
なんて知識が必要です。


で、参考までに代表的なサイクルの効率の上げ方を。
【ディーゼルサイクル、オットーサイクル】
 効率を上げるためには圧縮比εを上げる。
【ランキンサイクル】
 膨張過程入口での初温・初圧を上げる。
 膨張過程出口での終温・終圧を下げる。
 再生or再熱サイクルの採用
【再生サイクル、再熱サイクル】
 膨張過程入口での初温・初圧を上げる。
 膨張過程出口での終温・終圧を下げる。


環境問題は、熱機関の熱源(燃料)に依存します。
石油なら石油の問題、原子力なら放射性物質等に関わる
問題です。

なお、熱機関を理解するための入門書を紹介します。
これを理解できたら、熱機関の効率については楽勝。
逆に言えば、合計で400ページ程の容量がないと、熱
機関の説明は出来ないって事でお許しを。

 ○熱計算入門 1~3
  財団法人 省エネルギーセンター
  定価 各1,900円 (内税)

できたら、この本もしくは他の本で、先に書いた項目
の知識を得ていただいて、エネルギーへの理解を深めて
ください。
    • good
    • 0
この回答へのお礼

これほどもの知識が必要だったとは。(^-^;
さっそく紹介していただいた本を探して読みたいと思います。
どうもありがとうございました。

お礼日時:2001/12/20 02:24

このQ&Aに関連する人気のQ&A

お探しのQ&Aが見つからない時は、教えて!gooで質問しましょう!

このQ&Aを見た人が検索しているワード

このQ&Aと関連する良く見られている質問

Qエネルギー変換に関するおすすめの本

大学院入試でエネルギー変換に関する小論文が出題されます。

そのために、できる限りエネルギー変換に関する背景知識を身につけようと考えています。

ちなみに、自分が読んだ本は ダイヤモンド社 クリーン&グリーンエネルギー革命 東京大学サステイナビリティ学連携研究機構 著  だけです。

何かおすすめの本はありますか?教えてください。よろしくお願いします。

Aベストアンサー

「エネルギー変換」という言葉,いろんなイメージがありうるので,
要注意な言葉です。

質問者さんが目指す大学院では
「エネルギー変換」が,どんな範囲を指すのか,
よく調査されてから,
ある程度絞って勉強するとよいと思います。


一例ですが,
田村・田中「エネルギー変換応用システム」丸善
という本は,
いわゆる電気機器,パワーエレクトロニクスなど,電気エネルギー変換の本です。
しかし,この本には,太陽電池や燃料電池は出てきません。


ネットで引いてみると,
・エネルギー変換科学研究室(奈良先端科学技術大学)は
 光生物,生物物理,構造生物学の融合分野

・エネルギー変換研究室(筑波大学)は,
 直流ネットワーク,水素ネットワークなど,燃料電池やパワーエレクトロニクス

・エネルギー変換システム研究室(北海道大学)は,
 燃料電池,ディーゼルエンジン,クリーン燃焼

・エネルギー科学研究科(京都大学)だと,
 熱エネルギー,バイオエネルギー,電磁エネルギー,核融合エネルギーなど,
 エネルギーなら何でもあり(?)

・エネルギー変換細胞学(京都大学農学部)だと,
 酵母,酵素



つまり,電気系,機械系,農学系,化学系,原子力系など,
エネルギーに少しでも関連すると
「エネルギー変換」を名乗るようです。

「エネルギー変換」という言葉,いろんなイメージがありうるので,
要注意な言葉です。

質問者さんが目指す大学院では
「エネルギー変換」が,どんな範囲を指すのか,
よく調査されてから,
ある程度絞って勉強するとよいと思います。


一例ですが,
田村・田中「エネルギー変換応用システム」丸善
という本は,
いわゆる電気機器,パワーエレクトロニクスなど,電気エネルギー変換の本です。
しかし,この本には,太陽電池や燃料電池は出てきません。


ネットで引いてみると,
・エネルギー変換科学研究室(奈...続きを読む

Q不可逆機関の熱効率

熱力学に関する質問です。なぜ不可逆機関では可逆機関よりも熱効率が悪くなるのですか?
私が読んだ証明では同じ仕事をする不可逆機関と可逆機関を用意し、不可逆機関を動かすことで用意した可逆機関を逆に動かし、低熱源から高熱限へ熱を移動させることを考えたとき、もしも「不可逆機関が可逆機関よりも熱効率が良い」と仮定すると、熱力学第二法則のクラウジウスの原理に矛盾するから、と書いてありました。これは理解できましたがこの証明では
(不可逆機関の熱効率)<=(可逆機関の熱効率)
ということを証明しているだけで
(不可逆機関の熱効率)<(可逆機関の熱効率)
ということは証明できていないのではないかと思います。
色々な質問をみてみましたが、
(不可逆機関の熱効率)<(可逆機関の熱効率)
と、=が消える理由がわかりません。どなたか教えていただけないでしょうか。

Aベストアンサー

η=η'であるのなら、お示しの図の下の図のように動かせば各熱源にも外界にも何ら変化がないのですから不可逆機関(と呼んでいる方の機関)が実は可逆機関であった事を意味します。「可逆機関」の定義をきちんと確認してみてください。

Q細胞のエネルギー変換

ふと疑問に思ったので教えてください。

細胞のエネルギー変換はどのように行われるのでしょうか?
説明お願いします。

Aベストアンサー

こんにちは。
我々の身体を構成するあらゆる細胞の活動エネルギーは「ATP反応」によって賄われており、ATPの90%がミトコンドリア内で合成されています。
「ATP(アデノシン三リン酸)」は、「ADP(アデノシン二リン酸)」と「P(リン酸)」に分解されることにより、12Kcal/molのエネルギーが得られます。このエネルギーが細胞の活動に使われます。
分解されたあとのADPとPは、再びATPを再合成するための材料としてミトコンドリアに送り返されます。ミトコンドリアでは分解されたADPとPをくっつけて、それをATPに作り直すわけですね。この「ATPの再合成」に使われるエネルギーは、各細胞に栄養として分配される「グルコース」を分解・反応させることによって作られます。
ですから、細胞は送られて来るグルコースのエネルギーを一度ATPの合成に使い、そのATPを分解することによって自分が活動するためのエネルギーを得ているわけですね。ATP1molから得られるエネルギーが12Kcalであるのに対し、その再合成には18Kcalが必要ですから、ATP反応のエネルギー変換効率は66%ということになります。

ATP合成、即ちグルコースの分解過程には「無機代謝」と「有機代謝」がありますね。
「無機代謝(解糖)」では、細胞に送られたグルコースがピルビン酸に分解される過程でATP2mol分のエネルギーを放出します。この分解反応はミトコンドリアの外で行なわれ、酸素も必要としないので、合成されたATPは直ちに使用可能なのですが、量が少ないので長続きはしません。無酸素運動というやつですね。
このあと、ピルビン酸は水素とアセチルCoAに分解されてミトコンドリアに送られるのですが、この先が「有機代謝」になります。

水素と共にミトコンドリアに送り込まれたアセチルCoAも、そこで最終的に水素と二酸化炭素にまで分解されます。この過程でATP2molが合成できます。そして、このようにしてグルコースから取り出された水素を、呼吸によって取り込んだ酸素で燃焼させることによって、ミトコンドリアでは大量のエネルギーが得られます。これらを合計しますと、分配されたグルコース1molを完全に分解・燃焼させることによって、細胞内では456Kcal分のATPが使用可能になります。

こんにちは。
我々の身体を構成するあらゆる細胞の活動エネルギーは「ATP反応」によって賄われており、ATPの90%がミトコンドリア内で合成されています。
「ATP(アデノシン三リン酸)」は、「ADP(アデノシン二リン酸)」と「P(リン酸)」に分解されることにより、12Kcal/molのエネルギーが得られます。このエネルギーが細胞の活動に使われます。
分解されたあとのADPとPは、再びATPを再合成するための材料としてミトコンドリアに送り返されます。ミトコンドリアでは分解され...続きを読む

Q熱機関の効率

サイクルの熱機関の効率η=W/Q2=(Q2-Q1)/Q2
W:した仕事 Q2:加えた熱 Q1:捨てた熱
となっているのですがここでW/Q2=(Q2-Q1)/Q2となるのはW=(Q2-Q1)のときですよね。
ここについてなのですが、本には熱力学第一法則からW=(Q2-Q1)を
導いています。第一法則は
ΔU=(系に加えた熱)+(系に加えた仕事) で、
W=(Q2-Q1)は (系に加えた熱)-(系がした仕事)=0から出しているので
η=(Q2-Q1)/Q2となるのは可逆サイクルのときだけ、ということでいいのですか?

Aベストアンサー

>W=(Q2-Q1)は (系に加えた熱)-(系がした仕事)=0から出しているので・・

(系に加えた熱)-(系で利用できなかった熱)=(系がした仕事)
なのでは

η=(Q2-Q1)/Q2 は 可逆サイクルに限定されないと思いますが
(薬缶で湯を沸かす場合の効率にも適用できます)

Q熱機関の開発に関する問題

絶対温度400Kの高温熱源から熱量200Jを受け取り100Jの仕事をして残り100Jの熱を絶対温度300Kの低温熱源に捨てて動き続ける画期的な熱機関を開発したとする。

これは特許の認可ができるものかどうかという問題です。

熱効率の面で考察してみますと、この熱機関の熱効率は0.5つまり50%になりますよね?

普通のガソリンエンジンが確かだいたい20%くらいだったと思うので本当に開発できたとしたらこれってやっぱり問題ないですか?

ただひとつ疑問を抱くのは、熱機関では作業物質にサイクル運動をさせなければ繰り返し使えないはずだと思うので、問題分の「動き続ける」という部分から無理ではないかと思うのですが・・・

どなたか明確なアドバイスまたは確信のもてる意見を聞かせてください。

お願いします。

Aベストアンサー

>ただひとつ疑問を抱くのは、熱機関では作業物質にサイクル運動をさせなければ繰り返し使えないはずだと思うので、問題分の「動き続ける」という部分から無理ではないかと思うのですが・・・

この疑問が的中しています。
元に戻すという操作があることが低温熱源に熱を放出するということとつながっているのです。
一回限りで元の状態に戻す必要がないのであれば貰った熱を全て仕事に変えることも可能です。
熱をもらって膨張したとしたら体積を元に戻すときに熱を出さなければいけません。
その熱がどれくらいであるかはどういう系を考えたかで決まってしまいます。
膨張に使った熱の半分の熱を放出すれば元の状態に戻れるという保証はありません。

Q大学の熱力学の熱効率についてのことで質問です。

この前学校の授業で下記の問題をやったんです。

「ある発明家が大変熱効率の高いエンジンを発明したと報告した。報告書によれば、『本エンジンは300[℃]と30[℃]の間で作動し、100[PS]の動力を得るのに燃料消費率は3[g/s]である。用いた燃料の発熱量は10000[kcal/kg]である。』と記されている。この報告書を吟味せよ。」

というもので、先生がこれについて解説してくれたのですが、よくわかりませんでした。どなたか、これについて教えて下さい(式も使って教えてもらえると助かります)。

Aベストアンサー

議論する前に単位がそろっていないので単位をそろえておきましょう。
入力P1と出力P2の単位をW(ワット)で表してください。
P2/P1でこのエンジンの熱効率が得られます。

次に、熱機関の効率の限界について考えます。
熱機関はよく100%の効率にできないといわれていますが、実際には理想的な熱機関でさえ100%の効率を実現することは不可能です。

理想的な熱機関は全ての過程が可逆過程で構成されるものであり、代表的なものとしてカルノーサイクルが上げられます。
熱力学の第2法則から、カルノーサイクルよりも熱効率のよい熱機関を作ることは否定されます。

カルノーサイクルの熱効率は高温部の温度と低温部の温度から計算することができます。このことは適当な教科書なりWebなりで自分で調べてください。

あとは、問題の熱機関の効率と理想的な場合の熱効率を比較すればよい。

Qエネルギー変換効率について。

水素を燃料として使う場合には2通りあって、1つは水素を燃焼させて力学的エネルギーを取り出す方法、もう一つは燃料電池を使って電気化学的エネルギーを取り出す方法があると理解しています。燃料電池のエネルギー変換効率は40~60%と聞きますが、水素を燃焼させた場合の変換効率はどのくらいなのでしょうか?水素自動車の記事を読んでいて疑問を抱きました。

Aベストアンサー

この問題は、変換効率を理解することが必須ですね~。
で、その理解は後回しとして、水素を使って車を走らせる
場合に、燃料電池を使う場合と、「水素ガスエンジン」
を使った場合の効率は、どちらも大差有りません。

 ※:水素ガスエンジンが自動車で実用化されているか
   どうかは不勉強故不明です。(^^;)
   ただし、水素ガスエンジンでの発電効率が40%前後
   ですし、燃料電池での発電効率も40%前後なので
   「結局は同じ」ってことになりますわね。
   なお、どちらの方式も、最終の仕事を「車を
   走らせた仕事量」で捉えると、2%前後に
   なると思いますよ。


【従来型の燃焼を利用したもの】
 [元]水素

 [変換方法]エンジンによる燃焼で、熱エネルギーを
      回転エネルギーとして取り出し

[最終形態]車輪を回して車を走らせる

【燃料電池を利用したもの】
 [元]水素

 [変換第1段階]:燃料電池で電気と熱の形に変換

 [変換第2段階]:電気をモータによって回転に変換

[最終形態]車輪を回して車を走らせる


この場合、「車を走らせる」って仕事を「車輪を回して
実現」するなら、要は何らかの方法で元のエネルギーを
車輪の回転に変換する必要があるんですが、この変換に
伴って損失が出てくるんですが、水素ガスエンジン単体
の効率は恐らく40%前後で、他方の燃料電池も電気への
変換効率は、電気へは40%前後で、その後にモータの効率
が加わりますから、最終は40%弱になります。

 ※:で、車輪と地面との摩擦抵抗や、車体への風の
   抵抗を含めて最終は20%前後になるでしょう。


蛇足ですか....。
変換効率は「どの様なエネルギー源を、どの様な最終形
態に変換するか?」っていう意味で、公式としては

  変換後の有効エネルギー量
  ---------------------- × 100 (%)
  変換前の有効エネルギー量

で表されるんですが、最終形態を仕事量として捉えると

   最終段階での総仕事量
  ---------------------- × 100 (%)
  変換前の有効エネルギー量

になります。

で、最終段階をどのような形にしたいのか?
例えば、車を走らせる場合なら車輪の「回転力」に変換
しますし、飛行機ならガスタービンの回転力(と排ガス
の推力)に変換したいっと。

つまり、この「どの様な最終形」かが問題でして、質問
の中に「燃料電池は40~60%」とありましたが、これは
「電力として約40%、熱も含めると60%」って意味で
ご覧になった資料に書いてあったと思うんですね。

 ※:実際には、燃料電池は電力として40%前後
   熱も含めて80%前後が現在の主流です。

ところが、燃料電池で熱を取りだしても、そいつは車の
推進力には(現状では)使えませんから、ガスエンジン
と燃料電池の効率はトントンに落ちちゃいます。

 ※:現在でも、廃熱を回転力に変換する技術は
   大きな機械では実現できていまして、工場など
   では珍しくもなく稼働しているんですが、車に
   搭載できる軽量・小型の物は実用化されていない
   と思います。

この問題は、変換効率を理解することが必須ですね~。
で、その理解は後回しとして、水素を使って車を走らせる
場合に、燃料電池を使う場合と、「水素ガスエンジン」
を使った場合の効率は、どちらも大差有りません。

 ※:水素ガスエンジンが自動車で実用化されているか
   どうかは不勉強故不明です。(^^;)
   ただし、水素ガスエンジンでの発電効率が40%前後
   ですし、燃料電池での発電効率も40%前後なので
   「結局は同じ」ってことになりますわね。
   なお、どちらの方式も、...続きを読む

Q内燃機関の熱効率について

ガソリンエンジンとディーゼルエンジンの燃費の話の中で、
ガソリンエンジンの熱効率は20%程度、ディーゼルエンジンの熱効率は30%程度でディーゼルエンジンの方が燃費がよい
という話を聞くんですが、このことについて質問です。
この熱効率の話は、エンジンの構造に由来するものなのでしょうか?それは物理的に説明できる物なのでしょうか?(例えばディーゼルは点火の必要がない→熱効率が高い。とか)
もしくは逆に、それぞれのエンジンを使ってみたらディーゼルの方が燃費がよかった→ディーゼルの方が熱効率がいい。ということなのでしょうか?
教えてください。

Aベストアンサー

#1さんに補足します。
ボイルシャルルの法則 pV=nRTと
熱効率 η=1-√(T2/T1)を用いて
理想気体の断熱圧縮の体積-温度変化
T2/T1=(V1/V2)^(γ-1) ただしγ=Cp/Cv
を考えると解けるのではないかと思います。
いま、ガソリン又は軽油のγは知りませんが、7/5と仮定すると
圧縮比V1/V2が1/20(ディーゼルエンジン)だとすると
η=0.45
V1/V2が1/10(ガソリンエンジン)だとすると
η=0.37
でご質問より高めですが効率の考え方は理解できると思います。
あとは混合気のγ、圧縮比などを正確に代入すれば求まるのではないでしょうか。

Q熱機関の効率について

熱機関において効率を上げるにはどうすればよいのでしょう。
また、それに伴って生じる技術、環境上の問題点とは。
いろいろ調べたのですがどうにもわかりません。
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

どのような熱機関についてのご質問なのか不明ですので、あくまで概論程度にとどめます。実際には各種の機関ごとその特性上、実際に行えることと行えない事がありますし種別によっても効果の程度も異なります。

もっとも基本的なことは冷却損と機械損を減らすことですが、これではあまりにも漠然としすぎているので、機械損の部分は割愛し、熱の利用についてのみ、ごく触りの部分だけを書いておきます。

熱機関とは熱エネルギーという物理エネルギーを運動エネルギーに変換する一種の変換装置です。この変換装置には必ず動作の仲立ちとなる動作流体が必要ですので、まず第一に燃料をできるだけ高い温度で燃焼させ、できるだけ無駄なく動作流体に伝達しできるだけ高い温度の動作流体(動作流体の持つエネルギーを利用できる下限の温度はほぼ決まっているため、温度を上げることで利用できる幅が広がる)を作りできるだけ低い温度で動作流体を排出する事が肝心です。この温度差自体が熱機関において利用可能なエネルギーとなるからです。ただし、いくら排出される温度が低くても機関その物の冷却や動作機構外での温度の低下は無意味であることは言うまでもありません。

さて、内燃機関では動作流体=燃焼ガスという構造が成り立ちますので動作流体への熱エネルギーの伝達という項目に関してはあまり問題がありませんが、外燃機関では燃焼によって得た熱エネルギーを動作流体(水蒸気やガス)に移動させる必要があります。これにはボイラーや熱交換器が利用されますが、この部分での熱のロスが大きな問題になります。これらの顕著な例が蒸気機関でこの部分でのロスがあまりにも大きいため、現在ではほとんど使用されていません。外燃機関といえるかどうかは判りませんが、燃焼以外の熱エネルギーを利用してはいますが原子炉もこの類です。これらの外燃機関で熱効率の向上を取るためには、機関の運転に直接利用できない温度の低い状態の熱源(タービンやレシプロ機関などの排気やボイラー外壁から逃げる熱や燃焼ガスの排気など)を如何に無駄にせず利用するかと言う事に尽きるでしょう。もちろんタービンやレシプロ機関そのもの効率の向上も重要ですし、できるだけ高い温度の動作流体を作ることも大切です。内燃機関ではできるだけ高い圧縮比で、できるだけ高圧の状態にし高温で燃焼させることが重要な点ですが、熱機関を構成する材料が耐えられる範囲の温度である必要があります。また、ここで機関の破損を防ぐために冷却を行うと冷却による熱の損失が発生します。したがってできるだけ高温の動作流体を扱いつつできるだけ冷却を行わないという極めて難しい(ほぼ無理といってもいいでしょう)条件が要求されます。機関そのもの動作としては動作流体の持つ圧力や速度をできるだけ低い圧力や速度になるまで利用する必要が生じますが、これは機関その物の大型化・重量化を招く要因であり定置型(発電用など)以外では大きな障害になります。このような定置型の内燃機関では廃熱を再利用したいわゆるコジェネレーションも行い熱効率の向上を取っています。

環境面での問題ですが高温での燃焼に伴う窒素酸化物(NOx)の発生の増加が主でしょう。また、熱機関の効率が向上するということは同じ仕事を発生する機関で消費する燃料が減少するということであり。その面での環境負荷は軽減されるといえるでしょう。

おまけにちょっと変わり種のディーゼルエンジンを紹介しておきます。ディーゼルとガスタービンのあいのこのようなエンジンで、基本的にはディーゼルエンジンですが排気の持っている速度エネルギーでタービンを回し(ここまではターボーチャージドエンジンと同じ)このタービンの回転を減速器で減速し、ディーゼルエンジンの回転軸に戻すというもので、カミンズエンジン社というメーカーが作っていました。

もし、特定の種類の熱機関についてご指定があれば、もう少し詳しく説明できるかと思いますが、いずれにせよ、このサイト上で記述できるのは、概論程度にならざるを得ないでしょう。

どのような熱機関についてのご質問なのか不明ですので、あくまで概論程度にとどめます。実際には各種の機関ごとその特性上、実際に行えることと行えない事がありますし種別によっても効果の程度も異なります。

もっとも基本的なことは冷却損と機械損を減らすことですが、これではあまりにも漠然としすぎているので、機械損の部分は割愛し、熱の利用についてのみ、ごく触りの部分だけを書いておきます。

熱機関とは熱エネルギーという物理エネルギーを運動エネルギーに変換する一種の変換装置です。この変換...続きを読む

Qガスタービンの熱効率について

ガスタービンの熱効率は
タービン入口温度が高いほど、圧縮機入口温度が低いほど、大気圧力が高いほど熱効率が良いとされています。

ガスタービンでは大気圧力が高いほど熱効率が良いのですが、理論サイクルのブレイトンサイクルでは圧力比が大きいほど熱効率が高くなっています。
これを元に考えた場合は、大気圧力は低いほうが圧力比が大きくなるので熱効率が高くなるような気がするのですが、どこで考えが間違っているのでしょうか?

Aベストアンサー

ガスタービンでは定格運転速度が決められているのが普通です。
電力用では3000,3600rpm (1500,1800rpm) 等
大気圧力が低くなれば、取り込める空気流量==>酸素流量が少なくなり、低負荷状態での運転となると思われます。
(ガス/空気の流量比は一定に保たれている、定格出力での運転が要求されている等を仮定した場合)

ガスタービンの設計は標準大気圧の場合に対して最適設計がされており、それを外れると効率が低下するのだと思われます。
(素人ですが、詳しくは専門家の回答をお願いします)


人気Q&Aランキング

おすすめ情報