エクセルギー
↑ 実際は燃焼中の火炎からの放射伝熱で蒸発管内の水を加熱するので、燃焼と伝熱が同時に進行する。このため、ここでの計算で用いた燃焼ガスの温度などは、実際とはかなり異なった値になっていると思われる。
エクセルギー (英: exergy) とは、『系が外界とのみ熱・仕事を交換しながら、外界と平衡するまで状態変化するとき、系から理論上取り出せる最大の仕事量』のことである。availability、available energy、有効エネルギー などとよばれることもある。
熱力学第二法則によると、熱を仕事に変換するには常にカルノー効率による制約が伴うので、熱に関連したエネルギーを扱うときには、そのうちの有効に仕事に変換できる部分とできない部分とを区別して扱うことが必要である。前者がエクセルギーとよばれる。
熱力学第一法則(エネルギー保存則)は常に成り立つので、外界を含めた拡大系では、エネルギーの量は一定不変である。「省エネルギー」、「エネルギーを節約する」と言うときの「エネルギー」は、「エネルギーの価値」、「エネルギーの質」の意味であり、これがエクセルギーに対応していると考えられる。省エネルギーを念頭において機器の開発や改良を行う際には、エクセルギーを用いた評価法は極めて有力な手段となる。
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)。
ボイラで燃料を燃やして過熱蒸気を発生する。燃焼プロセスと熱交換プロセスを検討するために、ボイラを燃焼器と熱交換器に分けて扱う。ボイラで発生した過熱蒸気は長い管路を通って、蒸気タービンへ導かれる。タービンでは動力を取り出して発電すると共に、タービン途中から一部の蒸気を抽気し、またタービン背気(約 5 気圧)を用いて、工場内の種々の加熱用熱源として利用する(熱電併給、コジェネレーション)。
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。
このような自家発電設備は、実際はかなり複雑な構成となるが、ここではエクセルギー評価の概要と利点を紹介することを目的としているので,空気予熱器や脱気器などの副次的な機器はないものとし、できる限り簡略化した構成とする。対象とした設備の各部における蒸気等の条件を下表に示す。タービン出口の条件は、タービン内部効率が 80 % となるように定めた。
また、用いた外界条件を下表に示す。
右図に示すように、C 重油を燃料とする燃焼器(ボイラ)で、燃料の化学的エネルギーを熱エネルギーに変換するプロセスを取り上げる。燃料の C 重油の高位発熱量は Hh = 44200 kJ/kg, 低位発熱量は Hl = 41400 kJ/kg であり、燃料 1 kg/s あたり、20°C の燃焼用空気(比熱 1.30 kJ/(N m K) ) を12.2 N m/s 供給して燃焼させ、2560 °C の燃焼ガス 12.2 N m/s が発生したとする。燃焼ガスの比熱も空気と同じく 1.30 kJ/(N m K) として扱う。
多くの固体や液体では圧力の影響は無視することができ、狭い温度範囲であれば比熱は一定と見なすことができる。この場合は、dh = c dT, ds = (c/T) dT = c d(ln T) より、次式より比エクセルギーを求めることができる。
e = c [ T − T 0 − T 0 ln  ( T T 0 ) ] = ( h − h 0 ) [ 1 − T 0 T − T 0 ln  ( T T 0 ) ] ( 6 ) {\displaystyle e=c\left[T-T_{0}-T_{0}\ln \left({\frac {T}{T_{0}}}\right)\right]=(h-h_{0})\left[1-{\frac {T_{0}}{T-T_{0}}}\ln \left({\frac {T}{T_{0}}}\right)\right]\qquad (6)}
ある状態の物質の持つエネルギーは物質の出入のない系(閉じた系)では内部エネルギー、そうでない系(開いた系)ではエンタルピーであるが、この中には、仕事に変換できる部分とできない部分が含まれている。物質が外界と平衡するまで状態変化を行うとき、そこから取り出せる仕事の最大値が物質の持つエクセルギーである。