熱効率

熱力学において、熱効率（）は、内燃機関、蒸気タービン、蒸気エンジン、ボイラー、炉、冷蔵庫、エアコンなど の熱エネルギーを使用する装置の無次元性能指標です。${\displaystyle \eta _{\rm {th}}}$

熱機関の場合、熱効率は正味仕事出力と熱入力の比です。ヒートポンプの場合、熱効率（成績係数またはCOPとも呼ばれる）は、正味熱出力（加熱の場合）または正味除去熱（冷却の場合）とエネルギー入力（外部仕事）の比です。熱機関の効率は分数で、出力は常に入力よりも小さいのに対し、ヒートポンプのCOPは1より大きくなります。これらの値は、カルノーの定理によってさらに制限されます。

一般的に、エネルギー変換効率は、エネルギーの観点から見た装置の有効出力と入力の比率です。熱効率の場合、装置への入力は熱、または消費される燃料の熱量です。望ましい出力は機械的仕事、または熱、またはその両方です。入力熱には通常、実際の経済的コストがかかるため、熱効率の覚えやすい一般的な定義は^[1]です。${\displaystyle Q_{\rm {in}}}$${\displaystyle W_{\rm {out}}}$${\displaystyle Q_{\rm {out}}}$

$${\displaystyle \eta _{\rm {th}}\equiv {\frac {\text{benefit}}{\text{cost}}}.}$$

熱力学の第一法則によれば、エネルギー出力は入力を超えることはできず、また熱力学の第二法則によれば、非理想的なプロセスでは出力と入力は等しくなることはないので、 $${\displaystyle 0\leq \eta _{\rm {th}}<1}$$

熱効率は、パーセンテージで表すと 0% から 100% の間になります。摩擦や熱損失などの非効率性によってエネルギーが別の形に変換されるため、効率は 100% 未満でなければなりません。たとえば、一般的なガソリン自動車エンジンは約 25% の効率で動作し、大規模な石炭燃料発電所はピーク時に約 46% の熱効率になります。ただし、F1モータースポーツの規制の進歩により、チームはピーク時に約 45～50% の熱効率を実現する高効率のパワー ユニットを開発するよう求められています。世界最大のディーゼル エンジンはピーク時に 51.7% になります。複合サイクルプラントでは、熱効率は 60% に近づきます。^[2]このような実際の値は、デバイスの 性能指標として使用できます。

燃料を燃焼させるエンジンの場合、熱効率には、図示熱効率とブレーキ熱効率の2種類があります。^[3]この形式の効率は、同様のタイプまたは同様のデバイスを比較する場合にのみ適切です。

他のシステムでは、効率の計算の詳細は異なりますが、無次元の入力は同じです。
効率 = 出力エネルギー / 入力エネルギー。

熱機関は熱エネルギー（熱Q _{in ）を}機械エネルギー（仕事W _{out ）}に変換します。このタスクを完璧に実行することはできないため、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 Q _out < 0として周囲に放散されます。

${\displaystyle Q_{in}=|W_{\rm {out}}|+|Q_{\rm {out}}|}$

熱機関の熱効率は、仕事に変換される熱エネルギーの割合です。熱効率は次のように定義されます。

${\displaystyle \eta _{\rm {th}}\equiv {\frac {|W_{\rm {out}}|}{Q_{\rm {in}}}}={\frac {{Q_{\rm {in}}}-|Q_{\rm {out}}|}{Q_{\rm {in}}}}=1-{\frac {|Q_{\rm {out}}|}{Q_{\rm {in}}}}}$

最も優れた熱機関の効率も低く、通常は 50% 未満、多くの場合ははるかに下回ります。そのため、熱機関によって環境に失われるエネルギーは、エネルギー資源の主要な浪費です。世界中で生産される燃料の大部分は熱機関の動力源となるため、おそらく世界中で生産される有用なエネルギーの最大半分がエンジンの非効率性で無駄になっていますが、現代のコジェネレーション、複合サイクル、エネルギーリサイクルスキームでは、この熱を他の目的に使用し始めています。この非効率性は、3 つの原因に起因します。温度による熱機関の効率には全体的な理論上の限界があり、これをカルノー効率と呼びます。第 2 に、特定の種類のエンジンでは、使用するエンジン サイクルの固有の不可逆性により、効率に下限があります。第 3 に、機械的摩擦や燃焼プロセスでの損失など、実際のエンジンの非理想的な動作により、効率がさらに低下します。

熱力学の第二法則は、すべての熱機関の熱効率に基本的な制限を課しています。理想的な摩擦のないエンジンでさえ、入力熱のほぼ100％を仕事に変換することはできません。制限要因は、熱がエンジンに入る温度、およびエンジンが廃熱を排出する環境の温度であり、ケルビンまたはランキンスケールなどの絶対スケールで測定されます。カルノーの定理から、これら2つの温度間で動作するすべてのエンジンについて、次のようになります。^[4]${\displaystyle T_{\rm {H}}\,}$${\displaystyle T_{\rm {C}}\,}$

${\displaystyle \eta _{\rm {th}}\leq 1-{\frac {T_{\rm {C}}}{T_{\rm {H}}}}}$

この限界値は、カルノー サイクルと呼ばれる、達成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ます。構造に関係なく、熱を機械エネルギーに変換する装置は、この効率を超えることはできません。

の例としては、蒸気発電所のタービンに入る高温蒸気の温度や、内燃機関で燃料が燃焼する温度が挙げられます。は通常、エンジンが設置されている周囲の温度、または廃熱が排出される湖や川の温度です。 たとえば、自動車のエンジンが の温度でガソリンを燃焼し、周囲温度が の場合、最大効率は次のようになります。 ${\displaystyle T_{\rm {H}}\,}$${\displaystyle T_{\rm {C}}}$${\displaystyle T_{\rm {H}}=816^{\circ }{\text{C}}=1500^{\circ }{\text{F}}=1089{\text{K}}}$${\displaystyle T_{\rm {C}}=21^{\circ }{\text{C}}=70^{\circ }{\text{F}}=294{\text{K}}}$

${\displaystyle \eta _{\rm {th}}\leq \left(1-{\frac {294K}{1089K}}\right)100\%=73.0\%}$

は環境によって固定されているため、設計者がエンジンのカルノー効率を高める唯一の方法は、熱がエンジンに加えられる温度を高めることであることがわかります。通常の熱エンジンの効率も一般に動作温度とともに高まり、エンジンをより高温で動作できるようにする高度な構造材料は活発に研究されている分野です。 ${\displaystyle T_{\rm {C}}}$${\displaystyle T_{\rm {H}}}$

以下に詳述する他の原因により、実際のエンジンの効率はカルノー限界をはるかに下回ります。たとえば、平均的な自動車エンジンの効率は 35% 未満です。

カルノーの定理は熱力学サイクルに適用され、熱エネルギーが機械的な仕事に変換されます。燃料電池など、燃料の化学エネルギーを直接電気的な仕事に変換する装置は、カルノー効率を超えることができます。 ^{[5] [6]}

カルノーサイクルは可逆であるため、エンジンサイクルの効率の上限を表します。実際のエンジンサイクルは不可逆であるため、同じ温度からの間で動作する場合、本質的にカルノー効率よりも効率が低くなります。効率を決定する要因の1つは、サイクルで作動流体に熱がどのように追加され、どのように除去されるかです。カルノーサイクルでは、すべての熱が最高温度で作動流体に追加され、最低温度で除去されるため、最大効率が達成されます。対照的に、内燃機関では、シリンダー内の燃料と空気の混合物の温度は、燃料が燃焼し始めるときのピーク温度にはほど遠く、すべての燃料が消費されて初めてピーク温度に達します。そのため、熱が追加される平均温度が低くなり、効率が低下します。 ${\displaystyle T_{\rm {H}}}$${\displaystyle T_{\rm {C}}}$${\displaystyle T_{\rm {H}}}$${\displaystyle T_{\rm {C}}}$

燃焼エンジンの効率における重要なパラメータは、空気と燃料の混合物の比熱比γです。これは燃料によって多少異なりますが、一般的には空気の値 1.4 に近くなります。この標準値は通常、以下のエンジン サイクル方程式で使用され、この近似値が使用されるサイクルは空気標準サイクルと呼ばれます。

• 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内燃機関で使用されるサイクルの名称です。理論上の効率は、エンジンの圧縮比rと燃焼室内のガスの比熱比γに依存します。 ^{[4] ：558}したがって、効率は圧縮比とともに増加します。ただし、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制御不能な燃焼を防止する必要性によって制限されます。現代のエンジンの圧縮比は8〜11の範囲であり、理想的なサイクル効率は56％〜61％です。 $${\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}}$$
• ディーゼルサイクル：トラックと電車ディーゼルトラックや電車のエンジンで使用されるディーゼルサイクルでは、燃料はシリンダー内で圧縮されて点火されます。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、また、燃焼プロセスの開始時と終了時のシリンダー容積の比であるカットオフ比r c によっても異なります。[ 4 ]_{ディーゼル}^サイクルは、同じ圧縮比を使用する場合、オットーサイクルよりも効率が低くなります。ただし、実際のディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンよりも30％～35％効率的です。^[7]これは、燃料は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によって圧縮比が制限されず、火花点火エンジンよりも高い比が使用されるためです。 $${\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\frac {r^{1-\gamma }(r_{\rm {c}}^{\gamma }-1)}{\gamma (r_{\rm {c}}-1)}}}$$
• 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るサイクルです。世界の電力の圧倒的多数は、このサイクルで生産されています。サイクルの作動流体である水は、サイクル中に液体から蒸気に、そして再び液体から蒸気に変化するので、その効率は水の熱力学的特性に依存します。再熱サイクルを備えた現代の蒸気タービン発電所の熱効率は47％に達する可能性があり、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％に近づく可能性があります。^[4]
• ブレイトンサイクル：ガスタービンとジェットエンジンブレイトンサイクルは、ガスタービンとジェットエンジンで使用されるサイクルです。これは、吸入空気の圧力を高めるコンプレッサーで構成され、その後、燃料が流れに継続的に追加されて燃焼し、高温の排気ガスがタービンで膨張します。効率は、燃焼室内の圧力p ₂と外部の圧力p _{1の比に大きく依存します}^[4] $${\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-\left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac {1-\gamma }{\gamma }}}$$

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ないでください。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規則に従う作動流体を備えた、エンジンの単純な理想化された数学モデルに基づいています。実際のエンジンは、理想的な動作から逸脱することが多く、エネルギーを浪費し、実際の効率を上記の理論値よりも低くします。例:

• 可動部品の摩擦
• 非効率な燃焼
• 燃焼室からの熱損失
• 作動流体が理想気体の熱力学的特性から逸脱すること
• エンジンを通過する空気の空気抵抗
• オイルポンプやウォーターポンプなどの補助装置によって使用されるエネルギー。
• 非効率なコンプレッサーとタービン
• 不完全なバルブタイミング

これらの要因は熱力学サイクルを分析する際に考慮される可能性がありますが、その方法についての議論はこの記事の範囲外です。

エネルギーを別の形態から熱エネルギーに変換する装置（電気ヒーター、ボイラー、炉など）の場合、熱効率は

${\displaystyle \eta _{\rm {th}}\equiv {\frac {|Q_{\rm {out}}|}{Q_{\rm {in}}}}}$

ここで、量は熱量に等しい値です。 ${\displaystyle Q}$

したがって、300 kW (または 1,000,000 BTU/h) の熱相当入力ごとに 210 kW (または 700,000 BTU/h) の出力を生成するボイラーの場合、その熱効率は 210/300 = 0.70、つまり 70% です。つまり、エネルギーの 30% が環境に失われていることになります。

電気抵抗ヒーターの熱効率は100％に近い。^[8]高効率の電気抵抗ヒーターと効率80％の天然ガス燃料炉などの加熱装置を比較する場合、最も費用対効果の高い選択を決定するには経済分析が必要である。

燃料の発熱量は、発熱反応（燃焼など）中に放出される熱量であり、各物質の特性です。発熱量は、通常、kJ/kg、 J / molなど、物質の単位質量あたりのエネルギー単位で測定されます。

燃料の発熱量は、相変化熱の扱いを区別するために、HHV、LHV、または GHV として表されます。

• 高位発熱量（ HHV ）は、燃焼生成物すべてを元の燃焼前温度に戻し、特に生成された蒸気を凝縮することによって決定されます。これは、熱力学的燃焼熱と同じです。
• 低位発熱量（ LHV）（または正味発熱量）は、高位発熱量から水蒸気の蒸発熱を差し引いて算出されます。したがって、水を蒸発させるために必要なエネルギーは熱として実現されません。
• 総発熱量は、排気ガス中の水が蒸気として排出されることを考慮し、燃焼前の燃料中の液体の水も考慮します。この値は、燃焼前に通常ある程度の水分を含む木材や石炭などの燃料にとって重要です。

発熱量のどの定義が使用されているかは、引用される効率に大きく影響します。効率が HHV か LHV かを明記しないと、そのような数値は非常に誤解を招くものになります。

ヒートポンプ、冷蔵庫、エアコンは、仕事を利用して熱を冷たい場所から暖かい場所へ移動させるため、その機能は熱機関の逆です。それらに適用される仕事エネルギー ( W _in ) は熱に変換され、このエネルギーと冷たい貯蔵庫から取り出される熱エネルギー ( Q _C ) の合計は、熱い貯蔵庫に放出される総熱エネルギーの大きさ (| Q _H |) に等しくなります。

${\displaystyle |Q_{\rm {H}}|=Q_{\rm {C}}+W_{\rm {in}}}$

効率は成績係数(COP) で測定されます。ヒートポンプは、高温の貯蔵庫に熱を放出する効率 (COP_加熱) で測定され、冷蔵庫とエアコンは、低温の空間から熱を取り込む効率 (COP_冷却) で測定されます。

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {heating} }\equiv {\frac {|Q_{\rm {H}}|}{W_{\rm {in}}}}={\frac {Q_{\rm {C}}+W_{\rm {in}}}{W_{\rm {in}}}}=\mathrm {COP} _{\mathrm {cooling} }+1\,}$

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {cooling} }\equiv {\frac {Q_{\rm {C}}}{W_{\rm {in}}}}\,}$

「効率」ではなく「性能係数」という用語が使用される理由は、これらのデバイスは熱を生成するのではなく移動させるため、移動する熱の量が入力作業よりも大きくなり、COP が 1 (100%) を超える可能性があるためです。したがって、ヒートポンプは、電気ヒーターや炉のように入力作業を単に熱に変換するよりも効率的な暖房方法です。

これらは熱機関であるため、カルノーの定理によっても制限されます。これらのプロセスのカルノー「効率」の限界値は、理想的な「可逆」サイクルでのみ理論的に達成可能な値であり、次のようになります。

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {heating} }\leq {\frac {T_{\rm {H}}}{T_{\rm {H}}-T_{\rm {C}}}}=\mathrm {COP} _{\mathrm {heating,Carnot} }}$

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {cooling} }\leq {\frac {T_{\rm {C}}}{T_{\rm {H}}-T_{\rm {C}}}}=\mathrm {COP} _{\mathrm {cooling,Carnot} }}$

同じ温度で使用される同じ装置は、冷蔵庫として考えるよりもヒートポンプとして考える方が効率的です。

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {heating} }=\mathrm {COP} _{\mathrm {cooling} }+1}$

これは、加熱時には、装置を作動させるのに使われた仕事が熱に変換され、望ましい効果に加わるのに対し、望ましい効果が冷却である場合、入力仕事から生じる熱は単なる望ましくない副産物となるためです。効率という用語は、達成されたCOPとカルノーCOPの比率に使用されることもあり、これは100%を超えることはできません。^[9]

「熱効率」はエネルギー効率と呼ばれることもあります。米国では、日常的に使用される場合、SEERは冷房装置や暖房モード時のヒートポンプのエネルギー効率のより一般的な指標です。エネルギー変換暖房装置の場合、ピーク時の定常熱効率が「この炉の効率は90%です」などと記載されることが多いですが、季節エネルギー効率のより詳細な指標は年間燃料使用効率（AFUE）です。^[10]

逆流熱交換器は、熱エネルギーをある回路から別の回路に伝達する最も効率的なタイプの熱交換器です。ただし、熱交換器の効率をより完全に把握するには、エクセルギーを考慮する必要があります。内燃機関の熱効率は、通常、外燃機関の熱効率よりも高くなります。

• カリーナサイクル
• 電気効率
• 機械効率
• 熱機関
• エネルギー効率に対する連邦屋根税額控除（米国）
• 低発熱量
• 電力源別のコスト
• 発熱量が高い
• エネルギー変換効率