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汽力発電とランキンサイクル

汽力発電のしくみ

汽力発電所では、石油や石炭、液化天然ガスなどの燃料を火炉で燃焼し、熱エネルギーによって高温・高圧の蒸気をボイラで発生させ、蒸気タービンに送ってタービンを回転させることにより、タービンに連結した発電機で発電をしています

汽力発電所のランキンサイクル

汽力発電所では、蒸気を動作流体としたサイクルが形成されています。蒸気は保有熱量が大きいことと、水を加熱することにより容易に作り出すことができるため広く用いられています。
① 給水ポンプで水をボイラに送ります。
② 水はボイラで熱せられ蒸気になります。蒸気はさらに加熱器で熱せられ過熱蒸気になります。
③ 過熱蒸気がタービンを回転させます。
④ 蒸気は復水器によって水に戻され、給水ポンプに送られます。

 

このような基本となる汽力発電所の理論蒸気サイクルをランキンサイクルといいます

 

気体の状態変化

飽和蒸気と過熱蒸気

水が沸騰する時の温度を飽和温度といいます。飽和温度に達した水を加熱しても、それ以上温度は上がりません。このように水が沸騰している最中に発生する蒸気を飽和蒸気といいます。

水が沸騰している最中に発生する飽和蒸気は水分を含んでいますので、湿り飽和蒸気といいます。この湿り飽和蒸気をさらに過熱すると、水分が完全に蒸発した乾き飽和蒸気になります。

乾き飽和蒸気をさらに過熱すると、蒸気の温度は飽和温度を超えて上昇します。この状態の蒸気を過熱蒸気といいます。

ボイルシャルルの法則

気体の体積は圧力に反比例し、絶対温度に比例します。この法則をボイルシャルルの法則といいます。ボイルシャルルの法則では、気体は体積、圧力、温度のどれかを一定に保つと、次のような状態を変化させることができます。

等積変化 … 体積を一定に保ったまま、温度や圧力を変化させる。
等温変化 … 温度を一定に保ったまま、体積や圧力を変化させる。
等圧変化 … 圧力を一定に保ったまま、温度や体積を変化させる。

また、外部と熱のやりとりをしないで、体積と圧力を変化させることを断熱変化といい、次の2つの場合があります。

断熱膨張 … 体積を増やす(圧力、温度減少)
断熱圧縮 … 体積を減らす(圧力、温度上昇)

汽力発電所での状態変化

汽力発電所の水や蒸気は、各過程で断熱変化と等圧変化を繰り返しています。このサイクルを縦軸に圧力 P、横軸に体積 V をとった P-V線図と、縦軸に温度 T、横軸にエントロピー s をとった T-s 線図で表すと次の図のようになります。


尚、エントロピーとは熱力学における物質の状態変化を表す量の一つで、熱の出入りの状態を表しています

場所過程変化
ボイラ水を飽和温度に達するまで加熱する。
飽和温度に達した水を加熱して飽和蒸気にする。
温度増(等積・等圧変化)
体積増(等温・等圧変化)
過熱器飽和蒸気をさらに過熱する温度増・体積増(等圧変化)
タービン蒸気の圧力でタービンを回転させる体積増・圧力減・温度減(断熱膨張)
復水器蒸気を冷却して水に戻す体積減(等温・等圧変化)
給水ポンプ給水を圧縮してボイラに送る圧力増・温度増(断熱圧縮)
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