過熱蒸気と蒸気相図

過熱蒸気

蒸気ボイラーで生成された飽和蒸気がさらに熱交換面を通過すると、その温度は蒸発または飽和点を超えて上昇します。蒸気の温度が飽和温度よりも高い場合、それは過熱蒸気と呼ばれます。過熱度は、蒸気の温度が飽和温度を超えた部分と直接関連しています。

過熱は、水分を含む蒸気ではなく、飽和蒸気にのみ提供できます。過熱を達成するためには、飽和蒸気が別の熱交換器を通過しなければなりません。この熱交換器は、ボイラー内の二次熱交換器と呼ばれています。ボイラーから排出される高温の排ガスは、飽和蒸気を加熱する最良の方法と考えられています。

過熱蒸気は、電力の生成に使用される蒸気発電所において応用されます。蒸気タービンでは、過熱蒸気が一方の端から入り、他方の端からコンデンサー（水冷式または空冷式）に排出されます。過熱蒸気のエネルギー差により、タービンローターが回転します。蒸気がタービンローターを通るにつれて、徐々にエネルギーが減少します。

したがって、タービン入口での十分な過熱が必要であり、タービンローターの後半部での湿潤蒸気の凝縮を避けることができます。

基本的に、蒸気タービンローターは複数の段階を持ち、蒸気は各段階を通過してコンデンサーに到達します。したがって、タービン入口での十分な過熱が提供されない場合、蒸気はローターの後半部に到達するまで飽和し、その後の各段階でより湿潤になる可能性があります。

ローターの末端での湿潤蒸気は非常に危険であり、最後の段階のタービンブレードで水ハンマーや深刻な浸食を引き起こす可能性があります。この問題を克服するためには、タービン入口の蒸気パラメータを設計し、過熱蒸気がタービン入口に入り、タービン排気口が飽和条件に近い蒸気パラメータに一致するようにすることが推奨されます。

過熱蒸気を使用する主な理由の一つは、サイクルの熱効率の大幅な改善です。

熱エンジンの効率は、以下のいずれかを使用して見つけることができます：

カルノー循環効率： 入口と出口の温度差と入口温度の比。

ランキン循環効率： タービン入口と出口の熱エネルギーと総熱エネルギーの比。
2. カルノー循環とランキン循環効率の計算例。
例題による説明：
タービンには96 bar、490oCの過熱蒸気が供給されます。排気は0.09 bar、12%の湿潤度です。
飽和蒸気の温度：43.7oC
カルノー循環とランキン循環を決定し比較してください。
カルノー循環効率の決定手順：

ランキン循環効率の決定手順：
ただし、

0.09 barの排圧に対応する凝縮物の感熱量（KJ/Kg）= 183.3
3.
蒸気相図は、蒸気表に記載されているデータのグラフィカル表現です。蒸気相図は、様々な圧力に対するエンタルピーと温度の関係を提供します。液体エンタルピーhf。これは、相図上の線A-Bで表されます。水が0oCから熱を受け取ると、飽和水線A-B上で全ての液体エンタルピーを受け取ります。

飽和蒸気のエンタルピー（hfg): さらなる熱の追加により、相が飽和蒸気に変わり、これは相図上のB-Cで表されます。

乾度分数（x）： 熱が加えられると、液体は液体から蒸気に位相変化し始め、混合物の乾度分数が増加します。相図上で、混合物の乾度分数はBCの中点で0.5です。同様に、相図上のc点では乾度分数の値は1です。

C-Dライン C点は飽和蒸気線上にあり、さらなる熱の追加により蒸気の温度が上昇します。これは、C-Dラインで表される過熱蒸気の開始を示します。
液体ゾーン → 飽和液体線の左側の領域
過熱ゾーン → 飽和蒸気線の右側の領域
二相ゾーン → 飽和液体線と飽和蒸気線の間の領域は、液体と蒸気の混合物です。異なる乾度分数を持つ混合物。
臨界点 → 飽和液体線と飽和蒸気線が接する頂点です。臨界点で蒸発エンタルピーはゼロになり、それ以降は水が直接蒸気に変わります。
液体が存在できる最大温度は臨界点に等しいです。
臨界点のパラメータ → 温度 374.15oC
圧力 → 221.2 bar

これらの値以上は超臨界値であり、ランキン循環の効率を向上させるために有用です。

声明：原文を尊重し、良い記事は共有に値します。著作権侵害がある場合は削除をお願いします。