カルーノサイクルを用いて火力発電所の発電効率を高くするためにはどのよう

質問

カルーノサイクルを用いて火力発電所の発電効率を高くするためにはどのようにすればよいかを詳しく説明してください。
よろしくお願いします。

回答No.5

htms42 · ベストアンサー

＃３です。
少し訂正をします。

＞一般の熱機関の効率は
η'≦１－ＴL／ＴH
です。

これは誤りです。
他の回答者様も同じような誤りをされているようです。
「一般の」の意味が「？」です。
ＴHは高温熱源の温度、ＴLは低温熱源の温度です。
したがって温度の決まった２つの熱源の間で働く熱機関という意味になります。
これに当てはまらない熱機関はたくさんあると思います。

ガソリンエンジンのモデルとされている可逆熱機関にオットーサイクルというのがあります。
温度は４つ出てきます。
出発物質（ガソリン、空気の混合気）の温度、Ｔ１
混合気が断熱的に圧縮（ピストンでの圧縮）されて到達する温度　Ｔ２
混合気が点火されて爆発し、圧力、温度が上昇　　　Ｔ３
燃焼ガスが断熱的に膨張し到達する温度　　　　　　Ｔ４

通常　Ｔ３＞Ｔ２＞Ｔ４＞Ｔ１　です。

ＴＨ、ＴＬによる表現が可能だと考えておられる方は多分、ＴＨとしてＴ３，ＴＬとしてＴ１を当てはめられるのではないでしょうか。
この可逆熱機関の効率は
η＝Ｗ（外部になされた仕事）／燃焼で生じた熱量
を計算すると
η＝１－Ｔ１／Ｔ２
になります。
オットーサイクルの効率は断熱圧縮の両端の温度で決まっているのです。燃焼によって生じた最高温度ではありません。燃焼温度が高くなると出力は大きくなります。でも効率は変わらないのです。（カルノーサイクルでも効率は断熱圧縮の両端の温度で決まっているという表現になっています。それが熱源の温度に一致しているのです。これによって熱源から系に入ってきた熱がすべて外部にする仕事に変わるということが実現しています。）

熱機関ごとに具体的なプロセスが異なります。
どの熱機関にも熱の入ってくるステップ、出て行くステップがあります。
でも熱の入ってくる所、出て行くところをカルノーサイクルの高温熱源、低温熱源と同じであるとみなすことができるとは限らないというのがオットーサイクルからわかることではないでしょうか。（カルノーサイクルでの「熱源」は作業物質に比べて熱容量の大きな物質（＝熱浴）の意味です。熱容量が大きいので熱の出入りによっての温度変化が生じません。それ自体が熱の発生源であるという意味ではありません。ガソリン、空気の混合気が燃焼によって発熱するという熱源とは扱いが異なります。ガスタービンでのガスの燃焼も同様でしょう。）

蒸気タービン、ガスタービン、・・・は別のシステムです。
まずその具体的なプロセスを明らかにして
対応するモデルサイクルを考えて
効率を求める
それが先でしょう。
いきなりカルノーサイクルに当てはめて考えるなどというのは無意味なことであるというように思います。
比較すら意味をなさないということになるかもしれません。

モデルの適合性の検証も当然必要になるでしょう。
効率を悪くしている原因は何かも解析する必要があります。

オットーサイクルでの　η＝１－Ｔ１／Ｔ２　は可逆サイクルを前提とした理論効率です。
可逆変化（準静的変化）でなくなれば効率が落ちます。
燃焼前と燃焼後で物質組成も物質量も変わっていることなどは考慮されていません。
燃焼ガスは排気されますので循環サイクルにはなっていません。

Ｔ－Ｓ線図に添えられた文章を読んでいると断熱変化であれば△Ｓ＝０であると思い込んでおられるのではないだろうか感じることがあります。
断熱変化であれば△Ｓ＝０であるのではありません。
断熱「可逆」変化の時に△Ｓ＝０になるのです。
△Ｓ＝０を使うときはに「可逆変化である」ということがどの程度成り立っているかの吟味が必要になるのですが、ほとんど触れられていません。

回答No.4

noname#160321

カルノーサイクルは高熱源と低熱源がある場合に取り出される最大の仕事(通常は電気)を与えます。
逆転させれば冷凍機、エアコンの最大効率を与えます。
他の方が述べられているように、低熱源は日本の場合海水温なので高熱源の温度を上げるしか燃焼から得られる電力量を増大させることができません。
また、現実のサイクルでは一段だけで熱効率を高く維持出来ないので、作動流体を変え三段ランキンサイクルなどが用いられます。
通常、最初の一段目はただの燃焼ではなくタービンエンジンを用い、二段目に高沸点有機媒体、三段目に低沸点有機媒体を使い、二段目と三段目の間に水を作動流体とする四段発電を行なうことが行なわれます。
もう三十年前から行なわれておりますが、冷熱源を液体天然ガス（ＬＮＧ）をもちいたりします。
最近は天然ガスを使うなら燃料電池をもちいるとカルノーサイクルの束縛から逃れられるので、その研究が二十年ほど必死に行なわれており、家庭へ入って来始めている段階です。

補足

質問の書き方を誤ってました。　すみません。
カルーノサイクルを参考にしてどのように発電効率を高くするか考えるようでした。　また熱機関も参考にしても良いそうです。

回答No.3

htms42

火力発電のシステムの中のどこでカルノーサイクルを使うのですか。

カルノーサイクルは気体を閉じ込めた循環システムです。
気体の体積、温度を「準静的」に変化させます。
等温膨張　→　断熱膨張　→　等温圧縮　→　断熱圧縮
これで元に戻ります。

火力発電は蒸気タービンを使っているはずです。
蒸気タービンは熱機関の一つでしょうがカルノーサイクルではありません。

長い歴史がありますから考察するための理論的な枠組みは出来上がっていると思います。
まずそれを勉強して下さい。

カルノーサイクルは可逆機関の効率を考えるための「モデルサイクル」です。
前提にカルノーの定理があります。（カルノーの定理は第２法則から導くことができます。）

カルノーの定理
　温度を決められた２つの熱源の間で働く可逆機関の効率はすべて相等しく、これらの熱源の間で働く不可逆機関の効率は可逆機関の効率よりも小さい。
　いいかえれば可逆機関の効率は２つの熱源の温度だけで決まり、これらの熱源の間で働く熱機関の中で最大の効率を持つ。

カルノーサイクルは可逆機関ですから求めた効率は他の可逆機関と同じになります。
その効率は
η＝Ｗ／Ｑ＝１－ＴL／ＴH
（Ｑ：高温熱源から系に入ってきた熱量、　Ｗ：系の行った仕事）
です。

カルノーサイクルの意義はここにあります。
気体の膨張・圧縮のサイクルをそのまま使って効率を改良することができると考えておられるのであれば勉強不足です。

一般の熱機関の効率は
η'≦１－ＴL／ＴH
です。

η'の値は実測で求めるしかないでしょう。
Ｗ／Ｑの中のＷとＱの測定です。（Ｗ／Ｑは「効率」の定義式です。）

蒸気タービンの効率を温度で表すことには無理があるように思います。
ＴLは仕事をした後の気体の温度ですからタービンを回した後の蒸気の温度になります。かなり温度が高いです。膨張による仕事ではありませんので仕事をした後温度が下がるということは顕著ではありません。この熱を回収する方が効率につながるでしょう（多分これはもうやられているでしょう）。
（流体が失うエネルギーは流速に対応する運動エネルギーです。この運動エネルギーは流体の温度だけで決まる量ではありません。温度で決まるとしていいのは気体の内部エネルギーです。）

私は専門家ではありません。
熱力学を勉強したことがあるというだけです。
普通の熱力学は平衡状態とそれに準ずる変化しか扱っていません。
平衡状態での枠組みには時間が入っていません。
流れのある場合は扱ってはいません。

回答No.2

jkpawapuro

カルノーサイクルだよ。
Nicolas Leonard Sadi Carnotさんが考えたから、カルノーサイクルね。

カルノーサイクルの理論熱効率 hは、高温源 TH、低温源 TL として
h＝１－TL/THね。
つまり低熱源を低く、高熱源の温度を高くすればいい。
低熱源は大気より低いものを確保するのは難しいので、燃焼効率を高めたりタービンブレードの耐熱性を高めたりして、高熱源の温度をより高くする努力が行われています。

回答No.1

ymt3

無理

　ところで、カルノーサイクル？(^^;