ランキンサイクル: 蒸気で動く発電所
世界の電気の大半は、水が蒸気に変わってまた戻る一つの輪から生まれます。ランキンサイクルは水をボイラー・タービン・復水器・ポンプの四つに順に通し、効率を高める秘訣はまさにその相変化にあります。
位相をドラッグして水を追い、輪を回ってください。ボイラーが熱を入れ、タービンが仕事を出し、復水器が熱を捨て、ポンプが液体を戻します。石炭を焚こうと原子炉を使おうと日光を集めようと、変えるのは熱源だけで、水が巡るこの輪そのものはほぼ同じままです。
T-s 平面でサイクルは飽和ドームに密着します。T-s 図では各段階でやりとりした熱がその経路の下の面積として表れるので、閉じた輪が囲む面積は正味の吸熱量となり、一巡ではそれがそのまま正味の仕事に等しくなります。ボイラー温度をドラッグすると輪が大きくなり、それが囲む面積、つまり正味の仕事も大きくなります。
正味の仕事はタービンの仕事からポンプの仕事を引いたものです。ポンプは液体を押すだけなのでその仕事はごく小さく、タービンが出した仕事のほぼ全部が残ります。液体はほとんど圧縮されないので、水を高い圧力まで押しても体積はわずかしか縮まず要する仕事はごくわずかですが、もし気体を圧縮しなければならなかったら、タービン出力の大きな分を食ってしまうはずです。ボイラー圧力をドラッグしてください。
蒸気をドームの上までさらに加熱する過熱は、熱を入れる平均温度を高めて効率を上げ、タービン出口をより乾かします。出口が湿っていると水滴が高速で回るタービン翼を叩いて削り取るため、蒸気を乾いた状態に保つとこの浸食を防いで翼の寿命を延ばします。飽和と過熱を切り替えてみてください。
三つを持ち帰ってください。装置は四つ、効率は η = WnetQH、そして水を使う理由は、相変化のおかげでほぼ一定温度で熱をやりとりしながらポンプ費用がほとんどないからです。次は相変化のない気体サイクル、オットーとディーゼルです。現代の蒸気発電所は熱の約40%を電気に変え、これにガスタービンを組み合わせた複合発電ではその値が60%を超えます。