熱機関は、熱エネルギー、すなわち熱量Qinを機械エネルギー、すなわち仕事Woutに変換します。 このタスクを完全に行うことはできないので、入力された熱エネルギーの一部は仕事に変換されず、廃熱 Qout として環境に放散されます
Q i n = W o u t + Q o u t {displaystyle Q_{in}=W_{rm {out}}+Q_{rm {out}} }}。
熱機関の熱効率は、熱エネルギーが仕事に変換された割合のことです。 熱効率は次のように定義されます。
η t h ≡ W o u t Q i n = Q i n – Q o u t Q i n = 1 – Q o u t Q i n {displaystyle } {eta _{rm {th}}equiv {frac {W_{rm {out}}{Q_{rm {in}}}={frac {{Q_{rm {in}}}- }} {frac _{{mrm {tQ_{rm {out}}{Q_{rm {in}}}=1-{{frac {Q_{rm {out}}{Q_{rm {in}}}}} {Q_{rm {out}}}{Q_{rm {in}}}}
最高の熱機関の効率でさえ低いのです。 通常は 50% 以下、多くの場合ははるかに低いです。 そのため、熱機関によって環境に失われるエネルギーは、エネルギー資源の大きな浪費となります。 世界中で生産される燃料の大部分は、熱機関の動力に使用されるので、おそらく世界中で生産される有用なエネルギーの半分までが、エンジンの非効率のために浪費されています（現代の熱電併給、複合サイクル、エネルギー再利用スキームにより、この熱が他の目的で使用され始めていますが）。 この非効率性には、3つの原因がある。 熱機関の効率には、カルノー効率と呼ばれる温度による全体的な理論限界がある。 第二に、特定の種類のエンジンでは、そのエンジンのサイクルが不可逆的であるため、効率の限界が低くなる。
カルノー効率 編集
熱力学の第 2 法則は、すべての熱機関の熱効率に基本的な制限を設けています。 摩擦のない理想的なエンジンでも、入力された熱の100%近くを仕事に変換することはできない。 制限要因は、熱がエンジンに入る温度 T H {displaystyle T_{rm {H}},}}
, と、エンジンが排熱する環境の温度T C {displaystyle T_{rm {C}},}
は、ケルビンスケールやランキンスケールのような絶対スケールで測定されます。 カルノーの定理から、この2つの温度の間で働くエンジンでは η t h ≦ 1 – T C T H {displaystyle {{th}leq 1-{frac {T_{rm {C}}}{T_{rm {H}}}}, }
この限界値は、カルノーサイクルという実現不可能な理想的な可逆エンジンサイクルの効率であるため、カルノーサイクル効率と呼ばれています。
T H {{displaystyle T_{rm {H}},}
の例は、蒸気発電所のタービンへの高温蒸気流入温度や内燃機関の燃料燃焼温度などです。 T C { {displaystyle T_{C}} ,}
は通常エンジンがある場所の周囲温度や、廃熱が放出される湖や河川の温度などである。 例えば、自動車のエンジンがT H = 816 ∘ C = 1500 ∘ F = 1089 Kの温度でガソリンを燃やす場合{displaystyle T_{rm {H}=816^{} }{C}=1500^{} }{text {F}=1089{text {K}}となります。}
, その最大可能効率は次の通りである。 η t h ≤ ( 1 – 294 K 1089 K ) 100 % = 73.0 % { {displaystyle ゙゙゙左(1-{후rac {294K}{1089K}}}right)100%=73.0%} { { {displaystyle ゙゙左}{{후rac}}となる。
T C {}displaystyle T_{rm {C}},}
は環境により固定されていると見ることができる。 設計者がエンジンのカルノー効率を上げる唯一の方法は、エンジンに熱が加えられる温度であるT H {displaystyle T_{03m {H}}, }
を上げることである。 また、一般的な熱機関の効率は運転温度に応じて上昇するため、より高温での運転を可能にする先進的な構造材料の研究が盛んに行われている。
以下に詳述する他の原因により、実用的なエンジンの効率はカルノー限界をはるかに下回っている。
カルノの定理は、熱エネルギーが機械的な仕事に変換される熱力学的サイクルに適用されます。
カルノの定理は、熱エネルギーが機械的な仕事に変換される熱力学的サイクルに適用されます。燃料電池など、燃料の化学エネルギーを電気仕事に直接変換するデバイスは、カルノ効率を超えることができます。
エンジン サイクルの効率編集
カルノ サイクルは可逆であるので、エンジン サイクルの効率における上限を表します。 実用的なエンジンサイクルは不可逆であるため、同じ温度T H {displaystyle T_{rm {H}} の間で運転した場合、カルノー効率よりも本質的に低い効率となる。
and T C {displaystyle T_{rm {C}},}
… … … 続きを読む 効率を決定する要因の一つは、サイクル内の作動流体にどのように熱を加え、どのように熱を取り除くかである。 カルノーサイクルでは、最高温度T H {displaystyle T_{rm {H}},}
、最低温度T C {displaystyle T_{C}},}
で削除される。 一方、内燃機関では、シリンダー内の混合気の温度は、燃料が燃え始めた時点ではピークに近く、燃料がすべて消費されて初めてピークに達するため、熱が加わる平均温度は低くなり、効率が低下する。
燃焼機関の効率で重要なパラメータは、混合気の比熱比γである。 これは燃料によって多少異なるが、一般に空気中の値に近い1.4である。 以下のエンジンサイクル式では、通常この標準値を用いており、この近似がなされているものを空気標準サイクルと呼ぶ。
- オットーサイクル：自動車 オットーサイクルは、ガソリンや水素を燃料とする自動車エンジンなどの火花点火式内燃機関で使用されるサイクルの名称である。 理論効率は、エンジンの圧縮比rと燃焼室内のガスの比熱比γに依存する。:558
η t h = 1 – 1 r γ – 1 {displaystyle \ _{rm {th}}=1-{frac {1}{r^{themegaum -1}}}},}
従って、圧縮比に応じて効率が上昇することがわかる。 しかし、オットーサイクルエンジンの圧縮比は、ノッキングと呼ばれる無秩序な燃焼を防ぐ必要性から制限されている。 現代のエンジンの圧縮比は8～11で、理想的なサイクル効率は56～61％である。 ラックや鉄道のディーゼルエンジンに使われるディーゼルサイクルは、シリンダー内で圧縮して燃料を点火させる。 ディーゼルサイクルの効率は、オットーサイクルと同様にrとγに依存し、さらに燃焼の始まりと終わりにおけるシリンダー容積の比であるカットオフ比rcにも依存する。 η t h = 1 – r 1 – γ ( r c γ – 1 ) γ ( r c – 1 ) {displaystyle \eta _{rm {th}}=1-{frac {r^{1-}}(r_{rm {c}}^{the_gamma }-1)}{the_gamma (r_{hrm {c}}-1)}},
ディーゼルサイクルは同じ圧縮比で使うとオットーサイクルと比べて効率が悪くなってしまいます。 しかし、実用的なディーゼルエンジンはガソリンエンジンより30～35％効率が良い。 これは、燃料が点火に必要なときまで燃焼室に導入されないため、ノッキングを回避する必要性から圧縮比が制限されず、火花点火エンジンよりも高い比率で使用されるためである。
- ランキンサイクル：蒸気発電所 ランキンサイクルは、蒸気タービン発電所で使用されているサイクルである。 世界の電力の大部分はこのサイクルで生産されている。 作動流体である水は、サイクルの途中で液体から蒸気に変化するため、その効率は水の熱力学的性質に依存する。 再熱サイクルを採用した最新の蒸気タービン発電所の熱効率は47％に達し、ガスタービンの排熱で蒸気タービンを駆動する複合サイクル発電所では60％近くまで達する。
- ブレイトンサイクル：ガスタービン、ジェットエンジン ブレイトンサイクルは、ガスタービンやジェットエンジンに使用されるサイクルである。 圧縮機で流入する空気を増圧し、その流れに燃料を連続的に加えて燃焼させ、高温の排ガスをタービンで膨張させる仕組みになっている。 効率は燃焼室内の圧力p2と室外の圧力p1の比に大きく依存する
η t h = 1 – ( p 2 p 1 ) 1 – γ {displaystyle \_{rm {th}}=1-{the_bigg (}{frac {p_{2}}{p_{1}}{the_bigg )}^{frac {1-}gamma }{the_gamma } },}
Other inefficiesEdit
エンジンについて議論するときに使用される他の効率と熱効率を混同してはいけません。 上記の効率式は、摩擦がなく、理想気体の法則と呼ばれる単純な熱力学的規則に従う作動流体がある、エンジンの単純な理想化された数学的モデルに基づいています。 実際のエンジンには、エネルギーを浪費する理想的な挙動から外れた部分が多くあり、実際の効率は上記の理論値よりも低くなってしまいます。
- 可動部品の摩擦
- 効率の悪い燃焼
- 燃焼室からの熱損失
- 作動流体の理想気体の熱力学的特性からのずれ
- エンジンを通過する空気の空力的抵抗
- オイルやウォーター ポンプなどの補助装置で使用されるエネルギー
- inefficient compressors and turbines
- imperfect valve timing
などです。
These factors may be accounted when analyzing thermodynamic cycles, however discussion of how to do so is outside the scope of this article.