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【タービン】タービン効率の考え方、熱落差ってなに?

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タービンについて勉強していると「熱落差」という聞きなれない言葉が出てきます。

「熱落差」は、タービンの入口エンタルピーと出口エンタルピーの差のことを言っているんですが感覚的に理解しにくいという方も多いのではないでしょうか?

今回は、タービンの熱落差について解説してみたいと思います。

こちらの記事は動画でも解説しているので、動画の方がいいという方はこちらもどうぞ。

1. タービンとは?

タービンは、水や蒸気、ガスなどの力を使って動力を得る回転機の総称です。

駆動となる気体が蒸気であれば「蒸気タービン」、ガスであれば「ガスタービン」というように名前が変化します。

タービンの目的は、流体である蒸気やガスなどのエネルギーを運動(回転)エネルギーとして取り出し、これを水の加圧や発電を行うことです。

2. タービンの熱落差とは?

タービンの熱落差は、タービンを駆動させる流体の入口エンタルピーと出口エンタルピーの差です。これを式に表すと次のようになります。

$$熱落差ΔH=Hin-Hout$$

例えば、蒸気タービンの場合、供給する蒸気の比エンタルピー(kJ/kg)に蒸気流量(kg)を掛け合わせたものが、入口エンタルピーHinになり、出口の蒸気または復水(ドレン)の比エンタルピー(kJ/kg)に流量(kg)を掛け合わせたものが出口エンタルピーHoutになります。

つまりそれぞれの比エンタルピーをhin、houtとすると次のように表すことができます。

$$熱落差ΔH=(hin-hout)(kJ/kg)・m(kg)$$

タービンは「熱エネルギーと運動エネルギーを変換する機器」なので、この熱落差が運動エネルギーの元になります。

3. タービン効率の考え方

では、この熱落差はすべて運動エネルギーに変換できるのでしょうか?

すべて運動エネルギーに変換できれば理想的なのですが、実際にはすべてを変換することはできません。それは次の2つの損失が関係しています。

3-1. 内部損失

ノズルや翼と駆動流体の間に摩擦が発生したり、シール箇所から漏れが発生しエネルギーロスになることを内部損失といいます。

タービンは理想的には断熱膨張変化を行い、等エントロピー変化(摩擦がない)と考えますが、実際には、このような摩擦によってエントロピーは増大します。

3-2. 外部損失

回転機とポンプやモーターをつなぐ軸でも、摩擦によるエネルギーロスが発生します。また、排気流体の運動エネルギーも、回転エネルギーとしては活用できず無駄になります。このような損失を外部損失といいます。

この2つの損失によって、熱落差はすべてがエネルギーとして出力されるのではなく、何割かのエネルギーしか取り出せません。

この時の効率をタービン効率といいます。

4. 実際に計算してみよう

次の条件で、タービン効率が何%になるか計算してみます。

条件:入口蒸気比エンタルピー 2800kJ/kg  蒸気流量:1000kg/h  出口復水エンタルピー:300kJ/kg  タービン出力:500kW

まずは供給蒸気のエンタルピーHinを求めます。

$$Hin=2800(kJ/kg)×1000(kg/h)=2800000(kJ/h)$$

同様にHoutも求めます。

$$Hout=300(kJ/kg)×1000(kg/h)=300000(kJ/h)$$

この2つの差が熱落差なので

$$熱落差ΔH=Hin-Hout=2500000(kJ/h)$$

ここで、タービンの出力は500kWなので1時間あたりに取り出せる熱量は3600secをかけて

$$出力=500(kJ/sec)×3600(sec)=1800000(kJ/h)$$

よってタービン効率は

$$タービン効率=\frac{1800000}{2500000}=0.72$$

よって72%となります。

タービンで発電できる仕組みについては、こちらの動画をご覧ください。

5. まとめ

この記事のポイント

タービンの熱落差は入出のエンタルピー差のこと

内部損失と外部損失により100%のエネルギーは取り出せない

効率は熱落差と実際の出力で計算することができる

タービンの「熱落差」は感覚的にわかりにくいですが、タービンは「流体の熱エネルギーを運動エネルギーに変換する」ということを頭においておけば理解しやすいのではないでしょうか?

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エコおじい

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