物質の出入りを伴う開いた系では、熱力学第一法則(エネルギー保存則)により、出入りするエンタルピー、熱、仕事(工業仕事)の間に保存則が成り立つ。したがって、ある機器に流入するエネルギーと流出するエネルギーをリストアップし、両者の差を求めれば、それは、放熱や漏洩などにより(機器外へ逃げて)失われたエネルギーとなる。このような作業は通常、熱管理、熱勘定、熱収支、等とよばれている。ある機器のエネルギー(エンタルピー)の流れは右図のようになる。
ある機器のエクセルギーの流れは右図のようになる。エクセルギー評価は熱力学第二法則に基づく評価ということもできる。
各機器のエクセルギー評価を行うには、以下のような手順に沿えばよい。
エンタルピーを用いたエネルギー収支では、その機器内でどれだけの(エクセルギーの)損失があったかは分からない。この種の損失は、熱と動力の変換を伴う設備(熱機関、冷凍機、各種化学プラント等)で、設備を構成する全機器のエネルギー収支を集計した結果、外界へ放出する熱量の増加となって現れる。しかし、どの機器の何を改善すれば損失が減るかは、勘と経験をもとにして試行錯誤を行わなければ知ることができない。
これに対して、エクセルギーを用いた評価では、それぞれの機器ごとに原因別に損失の内訳が明らかになるので、これを用いて見通しよく改善策を立案することができる。ここにエクセルギー評価の最大のメリットがある。
外界との平衡状態の選び方.
エクセルギー評価の具体例.
対象設備.
右図のようなボイラとタービンを用いた自家発電(熱電併給)設備を例に、エクセルギー評価の方法について解説する(書籍を参考にしているが、大幅に変更簡略化している)。
また、比較のために、外界温度の復水器を用いて全て動力として取り出す場合(発電のみ)も並行して計算し、検討の材料とする。
また、用いた外界条件を下表に示す。
燃焼プロセス(ボイラ).
エンタルピー収支.
エンタルピー収支の結果を下表のエンタルピー欄に示す。
エクセルギー収支.
エクセルギー収支を上の表のエクセルギー欄に示す。
評価.
熱交換プロセス(ボイラ).
右図に示すように、燃焼ガスを用いて蒸気を発生する熱交換プロセスを取り上げる。
エンタルピー収支.
エンタルピー収支の結果を下表のエンタルピー欄に示す。
エクセルギー収支.