ランキンサイクル：何ですか？（理想的なものと実際のもの＋T-s図）

ランキンサイクルとは

ランキンサイクルは、蒸気タービンを通じて蒸気の圧力エネルギーを機械エネルギーに変換するために発電所で一般的に使用される機械サイクルです。ランキンサイクルの主要な構成要素には、回転する蒸気タービン、ボイラーポンプ、固定コンデンサー、およびボイラーがあります。

ボイラーは、タービンの発電要件に応じて必要な圧力と温度で水を加熱して蒸気を生成するために使用されます。

タービンからの排気は、放射状または軸方向のフローコンデンサーに導かれ、そこで蒸気は凝縮され、再びボイラーに戻されて再加熱されます。

これは、典型的な発電所サイクルがどのようなものか理解することでより明確になるかもしれません。

典型的な発電所サイクル

発電所では、石炭、リグナイト、ディーゼル、重油などの燃料を使用して蒸気サイクル発電を行います。蒸気パワーサイクルの流れは以下の通りです：

全体の発電所は以下のサブシステムに分解することができます。

• サブシステムA: 発電のために必要な主な構成要素（タービン、コンデンサー、ポンプ、ボイラー）。

• サブシステムB: 排気ガスが大気中に排出される煙突。

• サブシステムC: 機械エネルギーを電気エネルギーに変換するための電気発生器。

• サブシステムD: コンデンサーでの廃棄蒸気の熱を吸収し、蒸気の相を液体（凝縮液）に変えるための冷却水システム。

この発電所サイクル内でランキンサイクルに関連するサブシステムを分析します。

カルノー循環に関連する多くの実際的な制限は、ランキンサイクルでは容易に克服できます。

理想的なランキンサイクル

蒸気サイクルにおいて、作動流体が発電所の各部品を通過する際に不可逆性や摩擦による圧力損失なしに移動する場合、そのサイクルは理想的なランキンサイクルと呼ばれます。

ランキンサイクルは、作動流体が液体から蒸気へ、そしてその逆に連続的に相を変化させるすべての発電所の基本的な動作サイクルです。

(p-h)図と(T-s)図は、以下に示す説明と共にランキンサイクルの動作を理解するのに役立ちます：

1-2-3 等圧熱伝達またはボイラーでの定圧熱供給

ボイラーは、石炭、リグナイト、またはオイルなどの燃料によって解放された熱が、一定の圧力で水に間接的に熱を伝達する大型の熱交換器です。水は状態1で圧縮された液体としてボイラー給水ポンプからボイラーに入り、T-s図の状態3で飽和温度まで加熱されます。

ボイラーにおけるエネルギー平衡または蒸気発生器へのエネルギー供給は、
qin= h3-h1

3-4 焓等エントロピー膨張またはタービンでの等エントロピー膨張

ボイラー出口からの蒸気は状態3でタービンに入り、タービンの固定刃と回転刃で等エントロピー膨張し、タービンシャフトの機械的な回転という形で仕事を行います。これが発電機に接続されています。
タービンによって供給された仕事（周囲との熱伝達を無視）
Wturbine out= h3-h4

4-5 等圧熱放出またはコンデンサーでの定圧熱放出

状態4で蒸気がコンデンサーに入ります。コンデンサー内の管を通る循環水に蒸気の熱を伝達することにより、一定圧力で蒸気が液体に凝縮されます。コンデンサー内で相変化が起こり、コンデンサーを出た作動流体は液体の状態で、点5としてマークされます。
コンデンサーで放出されたエネルギー、qout= h4-h5

5-1 焓等エントロピー圧縮またはポンプでの等エントロピー圧縮

水は状態5でコンデンサーを出てポンプに入ります。このポンプは、プロセス中に仕事を与えることによって水の圧力を上昇させます。規模が小さく、比容積が低い場合、この小さな仕事は蒸気タービンの出力仕事と比較して無視できるほど小さいです。
単位質量あたりの水に対するポンプによる仕事、W51= h5-h1.

ランキンサイクルの熱効率は以下の通りです：