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 コージェネレーションシステムは熱と電気を同時に生産することができ、総合効率の高い優れたエネルギーシステムだと聞いています。

 しかし、発電効率自体はモノジェネの時よりも下がってしまうのではないかと思います。というのも熱力学的に考えた場合、排熱を利用した温水や蒸気の生成によって低熱源温度は高くなり、外気に排熱を捨てていたモノジェネのほうが発電効率が良さそうだからです。

 このことについてどなたかご存知の方がいらっしゃいましたら教えて下さい。宜しくお願いします。

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A 回答 (8件)

No.3 です。



原理的に違う機関を比べだしてしまうと、話がこんがらがってわからなくなると思います。とりあえず、同じ機関同士を比べた場合で話をしたほうがいいと思います。

まず、エンジン発電機(ガスタービンエンジンを含む)では、すでに申したように低温熱源は取り入れ空気ですから、コージェネでもモノジェネでも変わらないので、発電効率に大きな変化はありません。ですから、排熱をいかに「有効に利用する」か、が、省エネルギーの鍵になります。日本では、大多数のコージェネシステムは、このエンジン発電機を使用しています。

それに対して、蒸気タービン機関を使用する場合は、システムにもよりますが、低温熱源がコージェネとモノジェネで変わりますので、たしかに効率が変化します。実際の手法としては、高圧タービンを出て、低圧タービンに入る前の中間圧の蒸気を熱源にする場合が多いかと思います。この蒸気を、熱出力に合わせて抽出(横取り)すると、そのぶん、低圧タービンの出力が低下し、発電効率が低下します。
(念のため、熱を取ると発電効率は低下しますが、熱を取る代わりに別にボイラーなどで炊くよりは、エネルギーを節約できます。これが、コージェネレーションシステムの妙味です。)
いずれにせよ、このような事例は、普通、専門のエンジニアリング業者が特別に計画・設計するもので、運用もかなり限定されており、その効果等についても綿密な調査があるので、だいたいはそこそこ「最適化」されています。こういう事例の問題ではないと考えていたのですが...違いましたでしょうか。

要するに、コージェネシステムとして何を想定するかで話がえらく変わってきます。そして、計画段階、設計段階、運用段階でも、話が違います。
計画段階であれば、コージェネレーションシステムと、モノジェネ&ボイラ、買い電&ボイラ、買い電&ヒートポンプ等を比較検討します。主機関も、ディーセルエンジン、ガスタービン、汽力発電など、さまざまなものを、エネルギー、コスト、法規制など、さまざまな面から検討します。
設計段階であれば、排熱温度や熱需要等により、主機関の数や容量、温度や圧力を詳細に検討することになります。
運用段階であれば、何を増やせば何が減るのか、あるいは減らないのか、それをコンピューターもしくはカンピューター(笑)で演算しながら運用します。

コージェネシステムというのは、ことほど左様にバリエーションがあるため、一概にどうこうとは言いにくいものです。評価の手法もいろいろありますが、あんまりにもあんまりな仮定で「比較検討」する詐欺まがいの事例もありますし。

いずれにせよ、事例を少々限定して話をしないと、最新型の海水冷却の数MWクラスのACC発電所と、ビルの自家発レベルの発電システムを比べたりすることになりかねないので、もう一度、どのような事例、あるいは事象についての御質問であるのか、整理していただければと思います。
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この回答へのお礼

返信が遅くなって申し訳ありません。
事例を限定して話すべきでした。エンジン発電機(ガスタービンエンジンを含む)の排ガスを利用するCGSについて教えていただきたいと思います。また、(無理はあるかもしれませんが)最も簡単に発電効率を表すカルノー効率で説明をお願いします。

>>エンジン発電機(ガスタービンエンジンを含む)では、すでに申したように低温熱源は取り入れ空気ですから、コージェネでもモノジェネでも変わらないので、発電効率に大きな変化はありません。

確かに新しい空気を取り入れ続けることは出来そうですが、排ガス利用型コージェネでもその新しい空気の温度を低温熱源の温度とするのでしょうか?
蒸気タービン機関の低温熱源は復水器の冷却水であるように、エンジン発電機の低温熱源は排ガスを放出する場所になるのではないのですか?

お礼日時:2007/02/15 18:25

> 蒸気タービン機関の低温熱源は復水器の冷却水であるように、エンジン発電機の低温熱源は排ガスを放出する場所になるのではないのですか?



そんなことはありません。

蒸気タービン機関の冷却水も、基本的には、復水器入り口の温度が「低温熱源」の温度です。細かいことを言い出すときりが無いので大雑把に申しますが、排気ガスも冷却水も、機関の出口から先はどうなっていても、あまり関係ありません。

河の下流がどうなっていようと、河が詰まって逆流してこない限りは上流には関係ないのと同じことです。(あんまりめちゃくちゃな使い方をすると、「逆流」することもありますが...)
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>熱力学的な理由で発電効率が低下することはないのでしょうか。

排気ガスの放出先が大気ではなく高温の排熱回収機器になってしまうと理論的には効率が下がるように思うのですが。

なぜ発電効率にばかりこだわるのかがちょっと理解できないのですが。発電効率を犠牲にしても熱が必要な場面ではそのようにしますよ。
ま、発電方式の選択次第でしょうね。廃熱が高温の発電方式を選択すればいいんですよ。ガスタービンとか。
ガスタービンの廃熱以上の高温が欲しければ、エネルギーを使う順番を変えます。
たとえば、製鉄では鉄を溶かすのに熱を使った後、廃熱で蒸気発電を行います。捨てるエネルギーを熱の形で回収するか、電気の形で回収するかの違いでしかなく、全部ひっくるめればモノジェネより経済的。
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この回答へのお礼

>>なぜ発電効率にばかりこだわるのかがちょっと理解できないのですが。

すいません、たしかに理解できなかったかもしれません。
私が発電効率にこだわっていたのは、どこかの国際機関の発電技術に関する調査で、様々なコージェネ発電のコストを客観的に比較する手法の中で、排ガスから熱を回収する際に熱力学的に犠牲になる発電電力を推定する作業があるという風な話を聞いて不思議に思ったからなんです。

実際に経済的になるかどうかは導入状況によって大きく違いそうですね。

お礼日時:2007/02/03 16:03

>これは排気ガスを押し出すために動力が必要になり、


あらたな動力が必要なわけではありませんが、押し出すための力が必要になることがあります。

>排気ガスの放出先が大気ではなく高温の排熱回収機器になってしまうと理論的には効率が下がるように思うのですが。
 当然あってもおかしくないと思います。ただロシアや東欧ならともかく、日本でそこまで熱を必要とするケースがそんなにあるかな?と考えるとあまりそんな設計はとらないような気がします。
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この回答へのお礼

あってもおかしくないということですか。しかしやはり設計次第ということでしょうか。

お礼日時:2007/02/03 15:50

モノジェネ(発電)の場合熱効率45%、それがコージェネ(発電+熱)にすると35~40%(発電)+20%(熱)のケースが多いと思います。

ただ最新の発電システム(小規模火力発電所クラス)になると発電+発電(+発電)+熱みたいなシステムもあるようです。コジェネについても完全に冷却水の熱を利用するもの(主機に影響なし)もあれば、高温廃棄ガスにさらに水を噴霧して蒸気にしタービンを回すもの(廃棄するために物理エネルギーが必要になるため主機に影響あり)まで色々あり、一概には言い切れません。また規模にもよりますがマイホーム発電など発電効率を追求するには規模が小さすぎるが、熱に対する需要があるためコージェネに意味があるという場合もあります。
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この回答へのお礼

回答ありがとうございます。

>>モノジェネ(発電)の場合熱効率45%、それがコージェネ(発電+熱)にすると35~40%(発電)+20%(熱)のケースが多いと思います。
>>高温廃棄ガスにさらに水を噴霧して蒸気にしタービンを回すもの(廃棄するために物理エネルギーが必要になるため主機に影響あり)

これは排気ガスを押し出すために動力が必要になり、効率が低下するということでしょうか。やはり工学的な理由でコージェネ時の発電効率が多少は低くなることもあるのですね。

熱力学的な理由で発電効率が低下することはないのでしょうか。排気ガスの放出先が大気ではなく高温の排熱回収機器になってしまうと理論的には効率が下がるように思うのですが。

お礼日時:2007/02/02 11:53

> しかし実は熱エネルギーを40得ると発電効率が低下して電力エネルギーは20に下がってしまい、最終的には60のエネルギーしか得られない、というような状況にはならないのでしょうか?



そういう疑問でしたら、そこまで大きな変化はありません。むしろ、場合によってはモノジェネのほうが効率が下がるものもあります。

ご存知とは思いますが、コージェネシステムの多くは、エンジン発電機をベースにします。エンジン発電機の排気ガスや、ジャケット冷却水(自動車で言う「ラジエーター水」です。)の排熱を熱源として、熱を併給するのがコージェネシステムです。
熱力学的に言うと、エンジン発電機は取り入れ空気が「低温熱源」ですから、ジャケット冷却水や排気ガスから熱を回収しても、主機関であるエンジンの効率には関係ありません。したがって、コージェネ・モノジェネで効率は(原理的には)変化しないということになります。

で、熱力学的な問題ではなく、工学的な問題で、少々効率は変化します。
エンジン発電機の場合、コージェネで温水を使用しないモノジェネにしても、ジャケット冷却水は冷却しなければなりません。これは、エンジンに併設するラジエーターや冷却塔で冷却します。このケースでは、冷却のためにラジエーターを回さないといけない分、コージェネよりもモノジェネのほうが、むしろ送電端出力は低下します。
一方、排気ガスの熱を使う場合は、逆になります。と、いうのは、排気ガスから温水を回収する、温水ボイラーというものを設置すると、そのぶん、排気ガスの圧力損失が大きくなるので、要するに、排気ガスを押し出すために必要な動力の分、効率が低下します。
これは、ガスタービン発電機を用いるコージェネシステムでもいえることです。(もっとも、ガスタービンはモノジェネとすると小型軽量ということ以外にほとんどメリットはありませんが。)

とはいえ、どれでも発電効率で数%も違いません。「たいして変わらない」というほうが正確です。

蛇足ながら、コージェネシステムは、トータルで考えないと本当の優劣はなかなか評価しにくいものです。コージェネは万能の解決策ではなく、熱需要の読みを間違えて、かえって増エネになってしまった現場もありますし、かとおもうと、かなり恣意的な数字を使ってコージェネシステムをけなしまくる人もいます。巷にあふれるこの手の本も、どれもこれも正直我田引水で、うっかりすると筆者の「壷算」にはまってしまいますから、ご注意ください。老婆心ながら。

この回答への補足

すいません、参考URLがうまく表示されていないようですのでもう一度書き込みます。
http://www.ne.jp/asahi/wen/net/qabox/a1netsu1.htm

補足日時:2007/01/28 15:13
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この回答へのお礼

丁寧な説明をありがとうございます。

>>熱力学的に言うと、エンジン発電機は取り入れ空気が「低温熱源」ですから、ジャケット冷却水や排気ガスから熱を回収しても、主機関であるエンジンの効率には関係ありません。

そうだったのですか。コージェネシステムではありませんが以前に蒸気タービンの低温熱源と出力について調べたこととは違うようですね。エンジン発電機の高温排気ガスから温水や蒸気を生成する場合も同じように考えればいいと思っていたのですが。
(http://www.ne.jp/asahi/wen/net/qabox/a1netsu1.htm)

数%も違わないとはいえ、冷却水の必要性から場合によってはモノジェネのほうが効率が低くなるということはよく分かりました。

>>巷にあふれるこの手の本も、どれもこれも正直我田引水で、うっかりすると筆者の「壷算」にはまってしまいますから、ご注意ください。

気をつけたいと思います。ありがとうございます。

お礼日時:2007/01/28 15:08

●視点を変えてみたら如何でしょうか?


  >>ということは発電効率に影響が出ない程度に排熱を利用することも出来るということでしょうか?
●発電効率にこだわるのではなく、エネルギー全体の総合効率に注目する。
 例えば
 (1):風呂屋
 (2):病院
 (3):ホテル
 などで使用する主エネルギーは熱エネルギー>電気エネルギーと思われます。
 コジェネからの、熱エネルギー(排熱)を主と考えれば、発電(発電効率)は従であり、モノジェネの発電方式(電気のみ、排熱を利用しない)よりエネルギー総合効率は優れており、省エネルギーになると考えられます。
●発電効率を単純に熱力学的に追求することは、技術的な意味があるかも知れませんが、比較論であれば、エネルギーシステム全体としての利用形態(設置利用する内容)をまず比較検討することが重要なポイントだと考えています。
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この回答へのお礼

はい、コージェネは確かに総合的な効率は優れていると思います。ただ私が知りたいのは、排熱を利用することで熱力学的に発電効率、電力出力が低下するという現象があるのかどうかということなんです。

たとえば、モノジェネのみの発電方式で電力エネルギーが30得られるとして、これをコージェネにすれば熱エネルギーが40得られ、総合的には70のエネルギーを得ることができた、というような話をよく聞きます。

しかし実は熱エネルギーを40得ると発電効率が低下して電力エネルギーは20に下がってしまい、最終的には60のエネルギーしか得られない、というような状況にはならないのでしょうか?(総合的に60のエネルギーが得られるのであれば優れていると言えそうですが)

お礼日時:2007/01/23 20:54

それはシステムの設計しかいです、


発電効率のみを追求し、あまった廃熱だけを利用すればその分だけ効率は高くなります。
熱源が沢山いる場合は廃熱を高めに設定して発電量を抑え総合効率を高めればいいのです。
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この回答へのお礼

回答ありがとうございます。

>>あまった廃熱だけを利用すればその分だけ効率は高くなります。

ということは発電効率に影響が出ない程度に排熱を利用することも出来るということでしょうか?

発電効率を1-(低熱源温度/高熱源温度)で表すと、どうしても効率が悪くなりそうだったのですが、低熱源温度が上がらないくらいの排熱利用も可能だと考えればいいのですか。

お礼日時:2007/01/21 20:59

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まず原理と構造。
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つまり、「液体燃料でなく、最初から気体(ガス)を用いるエンジン」だからガスエンジンというわけですね。

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解る範囲での各国の差異です。


[ガスタービン]

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代表的なメーカーは、中~大容量ならGE・ウェスティングハウス等、極小容量ならキャプストン(マイクロガスタービンの代表的企業)


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ただし、自動車産業に適用できるほどの極小容量については、むしろアメリカより優位にあるので、この容量を転用できるマイクロガスタービンなどについてはアメリカと同等もしくは心持ちリートとも云えるでしょう。

代表的なメーカーは中~大容量ならロールスロイス、小容量~極小容量ならボーマン。(いずれもイギリス)


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参考URL:http://www.mhi.co.jp/gsh/gas/html/gt.html

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 基本式は、Q=UAΔtです。
 Q:交換される熱量
 A:伝熱面積
Δt:伝熱面内外の温度差
  (冷却水入出の差ではない)

 ここで曲者は、U(総括伝熱係数とか熱貫流係数とか呼ばれるもの)です。
 Uの内部構造は、1/U=1/h1+1/hs1+L/kav.+1/hs2+1/h2と表現され、hを見積もる事が大変難しいのです。
 h:伝熱面の境膜伝熱係数、内外2種類有る。
 hs:伝熱面の汚れ係数、内外2種類有る。
 L:伝熱面厚み
 kav:伝熱面の熱伝導率の異種温度の平均、熱伝面内外で温度が異なり、温度によって変化する熱伝導率を平均して用いる。
 hは、流体の種類や流れる速さ(主な指標はレイノルズ数)によって変化します。
 hsは、どの程度見積もるか、、、設備が新品ならZeroとしても良いのですが、使い込むとだんだん増加します。
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>冷却管はステンレス製(SUS304)です。
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 更には、熱交換機を設備改造せずに能力余裕を持たせるには、冷却水の温度を下げるか、流量を増やすか、くらいしか無いのではないでしょうか。

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 Q:交換される熱量
 A:伝熱面積
Δt:伝熱面内外の温度差
  (冷却水入出の差ではない)

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 Uの内部構造は、1/U=1/h1+1/hs1+L/kav.+1/hs2+1/h2と表現され、hを見積もる事が大変難しいのです。
 h:伝熱面の境膜伝熱係数、内外2種類有る。
 hs:伝熱面の汚れ係数、内外2...続きを読む

Q流量単位 Nm3→m3換算

流量単位 Nm3からm3への換算が分からず困ってます。

例)発熱量 9700kcal/Nm3のものがあるとして、これをkcal/m3になおしますと、ボイルシャルルの法則RV/T=RV/Tにて、
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  v=0.725 
*圧力0.15MPa  温度20度とします。

  9700÷0.725=13379.3kcal/m3でして
  9700kcal/Nm3→13379.3kcal/m3であってますか?

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大雑把にはその理解でいいのですが、
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9700kcal/Nm3というと都市ガス13A相当になりますが、
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精度をどの程度求めるかによりますが、便覧などを参考に、圧縮係数を見積もられることをお勧めします。

また普通は計測された流量(例m3/h)を温度、圧力補正をして
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Q3相電動機の消費電力の求め方

3相電動機の消費電力の求め方について質問です。

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上記の電動機ですが実際の電流計指示値は10Aです。
この場合の消費電力の求め方は
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こんにちは。
ポンプで回転数nと流量Q、回転数nと揚程H、回転数nと軸動力Lの関係について回転数n1、n2としたときQ1/Q2=n1/n2、H1/H2=(n1/n2)^2、L1/L2=(n1/n2)^3とそれぞれ1乗、2乗、3乗の関係がある
解説を見るのですがこの根拠を教えて下さい。

Aベストアンサー

 
根拠は「運動とエネルギーの関係」です。
ポンプを理想化した原理的な表現です。


1.流量。
直径Dの車輪がn回転/秒で回ってる場合の外周の速度は
  V = πD・n  です。
外周に羽根を付けて水を掻くと、水も同じ速度Vで動きますから、

(1) 流量Qは 『 回転数に比例 』 します。
(2) Q = k・n  比例式で表した。kは比例係数。
(3) Q1/Q2 = n1/n2 係数を使わない形の比例式。

 (3)は、(2)の適当な2カ所、Q1=k・n1、Q2=k・n2 を分数にしただけのものです。分数にするとkが消えますよね。kは水車の寸法とか水の抵抗などが絡む現実的なものだから、抽象的な話をするときには出て欲しくない、そこで(3)のように「出てこない形」にするのです。
さらに、分数にすればメートルとかkgとかの次元も約分されて消えてしまうので「ただの数」になります。10rpmと20rpm、1000rpmと2000rpm、分数ならどちらも「2倍」となり、理論的、抽象的に説明をやりやすいのです。



2.揚程
物理の「運動エネルギと位置エネルギの関係」そのものです。物理の教科書にある式、
  1/2・mV^2 = mgH  Hは高さ
これを上記の(3)をマネして、V1のときH1、V2のときH2、の記号を使って分数にすると、gもmも1/2もみんな消えて、
  (V1/V2)^2 = H1/H2
となりますね、見やすいでしょう?
Hは揚程そのものだし、回転数と流速Vは上記1から分かるように比例です(この比例計数も分数で消えてしまうことが理解できますか?)。
  (n1/n2)^2 = H1/H2
となります。



3.動力
動力(ワットとか馬力)は、単位時間のエネルギ量(ジュール)、すなわち ジュール/秒 です。
単位時間に運ばれる流体の質量は
  m =ρQ kg/s
ρは流体の密度kg/m^3、Qはm^3/s
連続して毎秒、位置エネルギmgHを与え続けるから、その動力は
  L = mgH = ρQgH J/s
これもまた分数化すると、
  L1/L2 = (Q1H1)/(Q2H2)
これにQとHの式を入れると、
(以降は自分で。)



(分数にしてただの数にする方法を、無次元化や基準化などとも言います)

 
根拠は「運動とエネルギーの関係」です。
ポンプを理想化した原理的な表現です。


1.流量。
直径Dの車輪がn回転/秒で回ってる場合の外周の速度は
  V = πD・n  です。
外周に羽根を付けて水を掻くと、水も同じ速度Vで動きますから、

(1) 流量Qは 『 回転数に比例 』 します。
(2) Q = k・n  比例式で表した。kは比例係数。
(3) Q1/Q2 = n1/n2 係数を使わない形の比例式。

 (3)は、(2)の適当な2カ所、Q1=k・n1、Q2=k・n2 を分数にしただけのものです。分数にするとkが...続きを読む

Q給水量と蒸発量について

ボイラーの給水量と蒸発量はほぼ同じと考えて差し支えないでしょうか。
また給水量は通常m3で、蒸発量はtで表記されると思うのですが、
両者の単位換算はどう行ったらよいのでしょうか・・。
たとえば、(ほぼ同じと仮定して)蒸発量から給水量を求めたいときはどうすればいいのでしょうか。

蒸気になってしまうと1t=1m3ではなくなりますよね。
ボイラーの圧力から換算できるのでしょうか。

大変困っているのでどなたかご教授いただけたら幸いです。
よろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

次のサイト
http://www.tlv.com/ja/introduction_lecture/introduction_lecture5.html
にある式の直後の段落での説明によると
実蒸発量 = 給水量 - 缶水ブロー量
であるようです。ブロー水については、次のサイト
http://www.kuritabuiltech.com/syouene/syouene02-02c2.html
に図があります。

缶水ブロー量が給水量に比べて無視できるほど小さければ
実蒸発量 ≒ 給水量 (1)
となりますが、次のサイト
http://ghg-guideline.env.go.jp/measures/view/27
の図1の横軸には 缶水ブロー量 ÷ 給水量 の値として 0~18% がとってありますから、(1)式が成り立つと考えて差し支えないかどうかは(その判断基準も含めて)場合によるということになるのではないでしょうか。

単位についてですが、1 m^3 の水の質量は約1 t ですから、両者は水の量としては同じです。つまり、1 m^3 の水がそのまま蒸発した場合の水蒸気の量は約1 t です。

素人ですので、間違いがあるかもしれません。

次のサイト
http://www.tlv.com/ja/introduction_lecture/introduction_lecture5.html
にある式の直後の段落での説明によると
実蒸発量 = 給水量 - 缶水ブロー量
であるようです。ブロー水については、次のサイト
http://www.kuritabuiltech.com/syouene/syouene02-02c2.html
に図があります。

缶水ブロー量が給水量に比べて無視できるほど小さければ
実蒸発量 ≒ 給水量 (1)
となりますが、次のサイト
http://ghg-guideline.env.go.jp/measures/view/27
の図1の横軸には 缶水ブロー量 ÷ 給水量 ...続きを読む

QHHVとLHVの使い方

お世話になります。
以前、高位発熱量(HHV)と低位発熱量(LHV)について、ここでお聞きして、
ガスが燃焼することによって水分が発生し、その蒸発潜熱をふくんだものがHHVで、
含まないものはLHVという定義を教えてもらいました。
しかし、この使い分けがよくわかっていません。
どういう場合にHHVを使い、どういう場合にはLHVを使うのか、具体例を挙げて、教えていただけると助かります。
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

HHVもLHVも、一番使われるのは「効率」の計算のときです。つまり、発熱量に対する熱出力が効率になるので、このときの分母としてHHVを使用するか、LHVを使用するかで、同じ機械なのに効率が変わってしまいます。ですので、だいたい業界ごとにどちらを使うのかが慣例的に決められており、多くの場合はLHVで計算します。ですので、機械によってはボイラー効率が100%を超える機械もありますが、これは潜熱まで使用しているからで、科学技術的にはHHVで計算すべきところ、ほかの機械との比較上、LHVで計算しているからです。

もう少し詳しく話すと、「蒸発潜熱」を使わないと言うことは、排気ガスが「乾いている」ということです。「蒸発潜熱」を使うと言うことは、排気ガスが「湿り」ます。つまり、排気ガスの温度が下がりすぎて、排気ガス中の水蒸気が水(結露水)になるのです。以前は、結露水は二酸化炭素を吸って酸性となるため、ここまで熱を使うことは煙突や排気ガス管を痛めるために「よくない」とされてきましたが、最近は結露水を化学処理するなどしてここまで使う機器も出始めています。

ご参考まで

HHVもLHVも、一番使われるのは「効率」の計算のときです。つまり、発熱量に対する熱出力が効率になるので、このときの分母としてHHVを使用するか、LHVを使用するかで、同じ機械なのに効率が変わってしまいます。ですので、だいたい業界ごとにどちらを使うのかが慣例的に決められており、多くの場合はLHVで計算します。ですので、機械によってはボイラー効率が100%を超える機械もありますが、これは潜熱まで使用しているからで、科学技術的にはHHVで計算すべきところ、ほかの機械との比較上...続きを読む


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