ランキンサイクル

ランキンサイクル

ランキンサイクルは、ボイラ（蒸気発生器）と蒸気タービン（蒸気機関）を主要な構成要素とする熱力学サイクルです。この熱機関の理論を体系化し、サイクルとして確立したイギリスの工学者で物理学者、ウィリアム・ランキン（William John Macquorn Rankine, 1820-1872）の名にちなんで命名されました。クラウジウスサイクル、クラウジウス・ランキンサイクル、蒸気原動所サイクル、あるいは単に蒸気サイクルと呼ばれることもあります。

一般的にランキンサイクルと言う場合、後述する再熱や再生といった工程を含まない基本的なサイクルを指すことが多いです。しかし、より広義には、再熱サイクルや再生サイクルも含め、実際の蒸気を利用した発電所などで使われるサイクル全体をランキンサイクルと見なすことができます。

特徴

内燃機関など、他の熱機関の理論サイクルと比較していくつかの特徴があります。

通常は水を媒体とし、液体から蒸気への等圧での蒸発や、蒸気から液体への等圧での凝縮を利用します。これにより、サイクル中に等温に近い熱の授受を行う部分が増え、理論上最も効率が良いとされるカルノーサイクルに近づくことができます。この性質から、比較的狭い温度範囲でも良好な熱効率を保つことが可能です。
液体は気体に比べて体積変化が小さいため、液体状態での圧縮（ポンプが行う仕事）に必要なエネルギーは、タービンが生成する仕事に比べて非常に小さくて済みます。
* 蒸気を利用する動力は、原理的に大出力に適しています。特にタービン形式の場合、小型化すると効率が著しく低下するため、小出力用途にはあまり向きません。

主な用途

このサイクルの現在の主な用途は、石炭や石油などを燃焼させる火力発電、原子力の熱を利用する原子力発電における汽力発電、そして大型船舶の主機関などです。タービンの代わりにピストン式の外燃機関を用いても、熱力学的なサイクルとしては同一になります。

蒸気機関車で用いられたサイクルは、タービンではなく往復動式の蒸気機関が使われる点が異なります。また、復水器がないことも大きな違いです。これは、復水器が大きなスペースを占めることに加え、蒸気機関の排気を煙突から勢いよく放出することで、ボイラの燃焼に必要な通風を促進するという積極的な目的があったためです。排気は大気中に放出され、大気が復水器の役割を果たしていると見なせます。これは復水器圧力が大気圧であるサイクルと同等です。

単純ランキンサイクルの構成とプロセス

基本的なランキンサイクルは、給水ポンプ、ボイラ、蒸気タービン、復水器の4つの主要機器で構成されます。作動流体（水）はこれらを順に循環します。

1. 給水ポンプ (P): 復水器で凝縮した低圧の飽和水をボイラが必要とする高圧まで加圧します。理想的には、この過程はエントロピー一定（等エントロピー圧縮）で行われます。
2. ボイラ (B): 高圧になった水を加熱し、蒸発させてさらに過熱蒸気とします。燃料の燃焼熱や原子力で発生する熱を利用します。理想的には、この過程は圧力一定（等圧加熱）で行われます。
3. タービン (T): ボイラで生成された高温高圧の過熱蒸気を膨張させ、回転する翼から仕事を取り出します。このとき、蒸気の圧力と温度は低下します。理想的にはエントロピー一定（等エントロピー膨張）で行われますが、実際には膨張の終わりに蒸気中に水滴が混じる（湿り蒸気となる）ため、タービンの性能や寿命に影響することがあります。
4. 復水器 (C): タービンを出た低圧の湿り蒸気を冷却し、再び液体（飽和水）に戻します。冷却水（海水など）と熱交換させることで行われ、理想的には圧力一定（等圧冷却・凝縮）で行われます。

この一連の過程を経て、作動流体は再び給水ポンプに戻り、サイクルが繰り返されます。

原子力発電の場合、加圧水型炉では蒸気発生器が、沸騰水型炉では原子炉自体がボイラの役割を果たしますが、構造上の制約からタービンへ送られる蒸気が飽和蒸気に近い状態で供給される点が火力発電などと異なります。

熱効率

ランキンサイクルの熱効率（投入した熱量に対してどれだけ仕事を取り出せたかを示す指標）は、各プロセスにおける作動流体のエンタルピー（内部エネルギーと圧力・体積の積を合わせたもの）の変化から求めることができます。ポンプで圧縮された液体のエンタルピーをh₁、ボイラを出た過熱蒸気のエンタルピーをh₃、タービンを出た蒸気のエンタルピーをh₄とすると、おおまかな熱効率は以下の式で与えられます。（ポンプ仕事がタービン仕事に比べて非常に小さいことを利用した近似式）

η ≈ (h₃ - h₄) / (h₃ - h₁)

この式から、熱効率を向上させるためには、

1. 復水器の圧力（温度）を可能な限り低くすること。
2. タービン入口の蒸気の圧力や温度を高くすること。

が必要であることが分かります。復水器の温度を低く保つためには、低温の冷却水を利用したり、復水器の伝熱性能を高めたりする工夫がされます。高温高圧化は効率向上に有効ですが、単に高温高圧化するだけではタービン出口の蒸気が過度に湿ってしまい、効率低下やタービン翼の損傷（エロージョン）を招く問題が生じます。また、低温の水を加熱する部分が残るため、高温側をいくら上げても効率向上の度合いが鈍化するという熱力学的な限界もあります。

サイクルの改良

熱効率をさらに向上させるため、基本的なランキンサイクルに再熱や再生といった改良を加えたサイクルが実用化されています。

再熱サイクル

再熱サイクルでは、タービンを複数段（通常は高圧タービンと低圧タービン）に分け、高圧タービンで一度膨張した蒸気をすべてボイラに戻し、再び加熱（再熱）してから低圧タービンでさらに膨張させます。これにより、タービン出口の蒸気の温度や乾き度を高めることができ、タービン翼の保護や効率向上に貢献します。再熱を行うための配管での圧力損失などの課題があるため、実用上は1段または2段の再熱が行われるのが一般的です。

再生サイクル

再生サイクルでは、タービンの途中から一部の蒸気（抽気）を取り出し、これをボイラへ送る給水（水）の加熱に利用します。これにより、ボイラでの外部からの加熱量を減らすことができ、サイクル全体の平均的な加熱温度を上昇させる効果があります。これは、外部から熱を受け取る際の温度差を小さくすることで、熱力学的に効率を高めることに繋がります。給水加熱器には、抽気と給水を直接混ぜる混合形と、熱交換器を介して熱を伝える表面形があります。実際の発電設備では、効率を最大化するために複数段（4〜7段程度）の抽気を用いた再生サイクルが採用されています。

その他の応用

有機ランキンサイクル (ORC)

有機ランキンサイクルは、水や蒸気の代わりにn-ペンタンやトルエンのような、より低い温度で蒸発しやすい有機液体を作動流体として使用するサイクルです。これにより、地熱や工場の排熱、太陽熱など、比較的低温（70〜90℃程度）の熱源でも利用可能になります。熱効率は高くありませんが、これまで利用されていなかった低品位の熱エネルギーを活用できる点で意義があります。

超臨界流体ランキンサイクル (RGSC)

作動流体を臨界点以上の超臨界状態で利用するランキンサイクルです。熱再生の概念と組み合わせたシステムは再生超臨界サイクル（RGSC）と呼ばれ、125℃から450℃程度の温度範囲の熱源に対して最適化されています。

ランキンサイクルとその改良型は、世界の電力供給において重要な役割を果たしており、エネルギー効率の向上に向けた技術開発が進められています。

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