ランキンサイクル|蒸気原動機を理想化したサイクル

ランキンサイクル

ランキンサイクルとは、蒸気原動機を理想化して表したもので、等圧加熱、断熱膨張、等圧冷却、断熱圧縮の4つの可逆過程から構成されている熱機関である。水と蒸気の間の相変化による作動物質の状態変化を利用して、力学的仕事を取り出す仕組みとなっている。なお、蒸気原動機は、発電所で使われており、蒸気タービンから回転仕事として軸出力を取り出し、発電機から電気を発生させている。

蒸気原動機

蒸気原動機の構成要素は、ボイラーにより燃料を燃焼させ、水から高温・高圧の蒸気を作り、蒸気タービンにて、蒸気を膨張させ、動力を発生させる。仕事を終わった蒸気タービンから出た低圧蒸気を復水器で冷却させ、復水した水を給水ポンプで、再度ボイラーに送り返す仕組みとなっている。

P‐V線図

P-V線図は圧力と体積の関係を示している。

T-S線図

T-S線図は、温度エントロピーの関係を示している。

A→B 断熱圧縮

A→Bは断熱圧縮の過程である。給水ポンプによって断熱圧縮し、高圧水をボイラーに供給する。

B→C 等圧加熱

B→Cは等圧加熱の過程で、ボイラー内での加熱および蒸発させ、圧力一定の状態で加熱し、高圧水を過熱蒸気にする過程である。BからB´までは水の状態で等圧加熱されて、B´からC´までは湿り蒸気(水+蒸気の二相)の状態で等圧加熱されてから、C´からCまでは過熱蒸気になって等圧加熱される。

C→D 断熱膨張

C→Dは断熱膨張の過程で、熱エネルギーの流入を断ち、断熱膨張しながらタービンの羽根車を回転するさせる過程である。圧力低下によって過熱蒸気の温度も低下して、湿り蒸気となる。

D→E 等圧冷却

D→Eは等圧冷却の過程で、圧力が一定のまま、復水器で熱を排出させ、湿り蒸気から飽和水に戻す過程である。これにより、Aの状態に戻る。

ランキンサイクルの効率

ランキンサイクルの効率はタービンと復水器に大きな影響を受ける。一般的には、タービン入口の蒸気の圧力と温度が高ければ高いほど、あるいは、復水器で冷やせば冷やすほど、熱効率が高くなる。