- ベストアンサー
熱機関の効率について
- みんなの回答 (3)
- 専門家の回答
質問者が選んだベストアンサー
- 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。
その他の回答 (2)
- tocoche
- ベストアンサー率36% (65/180)
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)
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。
- kenchin
- ベストアンサー率56% (398/700)
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。
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。
関連するQ&A
- 熱機関の効率などに関する質問です。
熱機関の効率に関する質問です。 物理学(改定版)という本で以下のような記述がありました。 『2つの熱源T_1,T_2(温度で熱源そのものを示すことにする)のあいだで働くものを考え、それをEと名づけよう。Eは高温熱源T_2から熱Q_2をとり、外にWだけの仕事をして、Q_1だけの熱を低熱源T_1に与えて1サイクルを終えるものとする。いま、同じ熱源で働き、1サイクルでWだけの仕事を要するカルノー冷凍機E_0を用意し、これをEと連結し、Eがする仕事WでこのE_0を運転することにする。E_0はT_1からQ_01だけの熱をとりQ_02だけの熱をT₂に与える。 (中略) EとE_0の効率をη,η_0とすると、 η=W/Q_2,η_0=W/Q_02 であるから、 Eが可逆機関なら η=η_0=(T_2‐T_1)/T_2 Eが不可逆機関なら η<η_0=(T_2‐T_1)/T_2 ということになる。つまり、2つの熱源T_1,T_2のあいだで働く可逆熱機関の効率はすべて(T_2‐T_1)/T_2に等しく、不可逆熱機関の効率は必ずこれより小さい。』 ここでいくつか質問があります。 質問(1) カルノー冷凍機E_0の効率が η_0=W/Q_02 となるのはどうしてですか?カルノー冷凍機の場合の熱効率の定義がわかりません。 質問(2) 『Eが可逆機関なら η=η_0=(T_2‐T_1)/T_2 Eが不可逆機関なら η<η_0=(T_2‐T_1)/T_2 ということになる。つまり、2つの熱源T_1,T_2のあいだで働く可逆熱機関の効率はすべて(T_2‐T_1)/T_2に等しく、不可逆熱機関の効率は必ずこれより小さい』 となるのはどうしてなのでしょうか? どうかよろしくお願いします。
- 締切済み
- 物理学
- 熱機関の効率の問題
・問題 シリンダー内の熱機関を状態A→B→C→Dと1サイクル回したとき, A→B,B→C,C→Aそれぞれの過程で吸収する熱がQ(A→B)>0,Q(B→C)=0,Q(C→A)<0,気体が外部にした仕事がW(A→B)>0,W(B→C)=0,W(C→A)<0のとき,熱効率を求めよ。 上の問題で,熱効率はW(A→B)+W(C→A) / Q(A→B) というふうに描いてありました。負の仕事も熱効率の式に入れていいのでしょうか?熱効率の定義の分子は「気体が外部にした仕事」であったはずで,分母同様,負となる数は無視して計算するのかと思っていました。そうなる理由を教えていただけないでしょうか?
- 締切済み
- 物理学
- 教えてください。 熱効率の問題
大学の物理の試験で次のような問題が出ました。終わった後に友人たちと答えを確認しあったらみんなバラバラで、どれが正解かわかりません。ですので、教えていただけると助かります。どうぞよろしくお願いします。 高熱源の温度が700℃、低熱源の温度が20℃の熱機関がある。 この熱機関の熱効率を測ったところ、35%であった。これは この熱機関が理想的な働きをしたときの熱効率の何%か。
- ベストアンサー
- 物理学
- 熱効率の求め方が分かりません。
熱効率の求め方が分かりません。 発熱量4.39×10^4J/kgの重油を用いて燃料効率250g/kWhで運転するディーゼル機関の熱効率は32.8%になるそうなのですが、導出過程が分かりません。 誰か教えて下さい。
- ベストアンサー
- 物理学
- 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。
- ベストアンサー
- 物理学
- 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。
- ベストアンサー
- 物理学
- 燃料電池車の熱効率は何%?
環境にやさしいということで研究されていますが、燃料電池車の熱効率は何%くらいでしょうか? また、将来的(燃料電池車が実用化される頃)にはどの程度まで改善されるのでしょうか? また、BMWやマツダが開発している内燃機関の水素エンジンの熱効率はどの程度でしょうか? 1/14の日刊工業新聞で廃熱利用(暖房・給湯)ができる家庭用の燃料電池でも37%という記事が載っていました。(外出先で読みましたので数値はうろ覚えの可能性あり) いずれにしても電気から水素を製造する現状では、発電・水素製造を考えると熱効率は低いと思うのですが・・・?
- 締切済み
- その他(車・バイク・自転車)
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。