Loading article…
ランキンサイクルは、蒸気タービンや往復動蒸気機関などの特定の熱機関が、流体が熱源と熱シンクの間を移動する際に、流体から機械的な仕事を取り出すプロセスを記述する理想化された熱力学サイクルである。ランキンサイクルは、グラスゴー大学のスコットランド人博学者教授、ウィリアム・ジョン・マクウォーン・ランキンにちなんで名付けられた。
熱エネルギーはボイラーを介してシステムに供給され、そこで作動流体（通常は水）が高圧の気体（蒸気）に変換され、タービンを回転させます。タービンを通過した流体は、廃熱エネルギーが放出される際に再び液体に凝縮し、ボイラーに戻されてサイクルが完了します。システム全体の摩擦損失は、計算を簡略化するためにしばしば無視されます。これは、特に大規模なシステムでは、摩擦損失が熱力学的損失よりもはるかに小さいためです。
ランキンサイクルは、火力発電所などで一般的に用いられる蒸気機関が、燃料やその他の熱源の熱エネルギーを利用して発電するプロセスを詳細に説明しています。熱源としては、石炭、天然ガス、石油などの化石燃料の燃焼、核分裂のための鉱物資源の利用、バイオマスやエタノールなどの再生可能燃料、集光型太陽光発電や地熱エネルギーなどの自然エネルギー源の回収などが考えられます。一般的な熱吸収源としては、施設の上空や周辺の空気、河川、池、海洋などの水域が挙げられます。
ランキンエンジンのエネルギー利用能力は、熱源とヒートシンク間の相対的な温度差に依存する。カルノーの定理によれば、温度差が大きいほど、熱エネルギーから効率的に機械動力を取り出すことができる。
ランキンサイクルの効率は、作動流体の蒸発熱が高いことによって制限されます。ボイラー内の圧力と温度が超臨界 レベルに達しない限り、サイクルが動作できる温度範囲は非常に狭くなります。2022年現在、ほとんどの超臨界発電所は蒸気入口圧力を24.1 MPa、入口温度を538 °C～566 °Cに設定しており、その結果、発電所の効率は40%になります。しかし、圧力をさらに31 MPaまで上げると、発電所は超超臨界と呼ばれ、蒸気入口温度を600 °Cまで上げることができ、熱効率は42%になります。[ 1 ]この蒸気タービン入口温度が低い（ガスタービンと比較して）ため、ランキン（蒸気）サイクルは、複合サイクルガスタービン発電所で、そうでなければ廃棄される熱を回収するためのボトムサイクルとしてよく使用されます。このアイデアは、非常に高温の燃焼生成物をまずガスタービンで膨張させ、その後、比較的高温の排気ガスをランキンサイクルの熱源として利用することで、熱源と作動流体との温度差を縮小し、不可逆性によって発生するエントロピー量を低減するというものである。
ランキンエンジンは一般的に、作動流体を再利用する閉ループで動作します。発電所から立ち上る凝縮した水滴を含む水蒸気は、冷却システムによって生成されるものであり（閉ループのランキン動力サイクルから直接発生するものではありません）、この「排気」熱は、下のT-s線図に示すように、サイクルの下側から流れ出る「Q out 」で表されます。冷却塔は、作動流体の蒸発潜熱を吸収し、同時に冷却水を大気中に蒸発させることで、大型の熱交換器として機能します。
作動流体として使用できる物質は多数ありますが、水は化学的性質が単純で、比較的豊富に存在し、コストが低く、熱力学的特性に優れているため、通常は水が選択されます。作動蒸気を液体に凝縮することで、タービン出口の圧力が低下し、給水ポンプに必要なエネルギーはタービン出力のわずか 1% ～ 3% しか消費しません。これらの要因により、サイクルの効率が向上します。この利点は、タービンに供給される蒸気の温度が低いことによって相殺されます。たとえば、ガスタービンで は、タービン入口温度が 1500 °C に近づきます。しかし、実際の大型蒸気発電所と大型の最新のガスタービン発電所の熱効率は同程度です。
ランキンサイクルには4つのプロセスがあります。状態はT-s図で番号（茶色）で示されています。
理想的なランキンサイクルでは、ポンプとタービンは等エントロピーになります。つまり、ポンプとタービンはエントロピーを生成せず、正味の仕事出力を最大化します。プロセス1-2と3-4 は、T-s 線図上の垂直線で表され、カルノーサイクルにより近いものになります。ここに示したランキンサイクルは、タービンでの膨張後に作動流体の状態が過熱蒸気領域に終わらないようにし、 [1]凝縮器によって除去されるエネルギーを減らします。
実際の蒸気動力サイクルは、流体摩擦や周囲への熱損失によって生じる構成要素の不可逆性のため、理想的なランキンサイクルとは異なります。流体摩擦はボイラー、凝縮器、および構成要素間の配管で圧力降下を引き起こし、その結果、蒸気はより低い圧力でボイラーから排出されます。熱損失は正味仕事出力を減少させるため、同じレベルの正味仕事出力を維持するには、ボイラー内の蒸気に熱を加える必要があります。
熱力学的効率は、正味出力と熱入力の比として定義されます。ポンプに必要な仕事はタービン仕事出力の約1%であることが多いため、次のように簡略化できます。
次の4つの式[1]はそれぞれ、制御体積のエネルギーと質量のバランスから導出されます。
タービンやポンプの効率を扱う際には、作業条件を調整する必要がある。
実際の発電所サイクル（「ランキン」サイクルという名称は理想的なサイクルにのみ使用される）では、ポンプによる圧縮とタービンでの膨張は等エントロピーではない。言い換えれば、これらのプロセスは不可逆であり、2 つのプロセス中にエントロピーが増加する。これにより、ポンプに必要な動力がいくらか増加し、タービンによって生成される動力が減少する。[ 2 ]
特に、蒸気タービンの効率は水滴の形成によって制限されます。水が凝縮すると、水滴が高速でタービンブレードに衝突し、ピッチングや侵食を引き起こし、タービンブレードの寿命とタービンの効率を徐々に低下させます。この問題を解決する最も簡単な方法は、蒸気を過熱することです。上記のT-s線図では、状態3は蒸気と水の二相領域の境界にあるため、膨張後の蒸気は非常に湿潤になります。過熱することで、状態3は線図上で右（上）に移動し、膨張後に乾燥した蒸気が生成されます。
平均熱入力温度を上げることで、全体の熱力学的効率を高めることができる。
そのサイクルにおいて、蒸気の温度を過熱領域まで上げることは、これを実現する簡単な方法です。また、この方法でサイクルの熱効率を高めるように設計された、基本的なランキンサイクルのバリエーションも存在します。そのうちの2つを以下に説明します。
再加熱サイクルの目的は、膨張プロセスの最終段階で蒸気に含まれる水分を除去することです。この方式では、2つのタービンが直列に動作します。最初のタービンは、ボイラーから高圧の蒸気を受け取ります。蒸気は最初のタービンを通過した後、ボイラーに戻って再加熱され、その後、低圧の2番目のタービンを通過します。再加熱温度は入口温度とほぼ同じか、または同等ですが、最適な再加熱圧力は元のボイラー圧力のわずか4分の1で済みます。この方式には、蒸気が膨張中に凝縮するのを防ぎ、タービンブレードの損傷を軽減するなど、多くの利点があります。また、サイクルへの熱流入の多くが高温で行われるため、サイクルの効率も向上します。再加熱サイクルは1920年代に初めて導入されましたが、技術的な問題から長くは運用されませんでした。 1940年代には、高圧ボイラーの製造増加に伴い再導入され、1950年代には平均温度の上昇を目的とした二段階再加熱が導入されました。再加熱の段階が2段階を超えると、次の段階のサイクル効率の向上は前の段階の半分程度にしかならないため、一般的には2段階以上の再加熱は不要であることが分かりました。現在では、超臨界圧で運転される発電所では二段階再加熱が広く用いられています。
再生ランキンサイクルは、凝縮器から出てきた作動流体（おそらく過冷却液）が、サイクルの高温部から取り出された蒸気によって加熱されることから、その名が付けられています。図では、2の位置にある流体が4の位置にある流体（どちらも同じ圧力）と混合され、最終的に7の位置にある飽和液になります。これは「直接接触加熱」と呼ばれます。再生ランキンサイクル（若干のバリエーションはあるものの）は、実際の発電所で広く使用されています。
別の方式では、タービン段間の抽気蒸気を給水加熱器に送り、復水器からボイラーへ送られる水を予熱します。これらの加熱器は入力蒸気と復水を混合せず、通常の管状熱交換器として機能し、「密閉型給水加熱器」と呼ばれます。
再生加熱は、再生加熱がない場合に存在する比較的低い給水温度でのボイラー／燃料源からの熱供給を排除することで、サイクルへの熱入力温度を上昇させます。これにより、サイクルへの熱流入の大部分が高温で行われるため、サイクルの効率が向上します。
有機ランキンサイクル（ORC）は、水や蒸気の代わりにn-ペンタン[ 3 ]やトルエン[ 4 ]などの有機流体を使用します。これにより、通常70～90 ℃程度で動作するソーラーポンドなどの低温熱源を使用できます[ 5 ] 。温度範囲が低いためサイクルの効率は大幅に低下しますが、この低温で熱を集めるコストが低いため、これは有益です。あるいは、水の沸点よりも高い沸点を持つ流体を使用することもできます。これは熱力学的に有利になる可能性があります（例えば、水銀蒸気タービンを参照）。実際の作動流体の特性は、膨張ステップ後の蒸気（蒸気）の品質に大きな影響を与え、サイクル全体の設計に影響を与えます。
ランキンサイクルはその定義において作動流体を限定しないため、「有機サイクル」という名称は単なるマーケティング上の概念であり、このサイクルを独立した熱力学サイクルとみなすべきではない。
超臨界流体を用いたランキンサイクル[ 6 ] は、熱再生と超臨界ランキンサイクルの概念を組み合わせた再生超臨界サイクル（RGSC）と呼ばれる統一プロセスです。125～450 ℃の温度源に最適化されています。
