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熱機関で媒体が循環する仕組みを教えてください
- 熱機関において、媒体は熱源によって気化し、体積の増加に伴って圧力や運動エネルギーを発生させます。これによりタービンが回転し、エネルギーを奪われることで媒体は液化し、再度タンクに戻されます。
- しかし、強制的な循環が行われていない場合、なぜ媒体は循環し続けるのか疑問です。気体が出て行く穴と液体が入ってくる穴があるタンクで同じ圧力がかかっているにも関わらず、どうしてこの違いが安定して続くのでしょうか。
- 可逆弁や減圧弁が効いていない場合でも、タンク側と冷却側からの圧力が異なる現象が発生することがあります。これによって媒体が循環し続ける原理や仕組みについて教えてください。
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タンクが２つあります。（仮にAとBと名付けます） 質問者様の言う通り、 それらのタンクA、Bは、下側と上側でお互いのタンクを配管でつないでいます。 そして、両方のタンクに水が入っていて、下側の配管（連通管）は水に浸かって、上側の配管は水に浸かっていません。 タンクAに水を加熱する加熱コイルが、水の中にあります。 また、タンクBには蒸気を凝縮させる為の冷却コイルが水面より上にあります。 タンクAの水を加熱すると水が蒸気となり、上側の連通管を通って、タンクBの冷却コイルで凝縮します。凝縮した水は、下側の連通管を通ってタンクAへ戻ります。 これが繰り返され、水が循環するのです。 ランキンサイクルや吸収式（吸着式）冷凍機はこの原理を利用いしています。
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- FT56F001
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>でも圧力 又は圧力から生じる運動エネルギーを用いている機関で >人為的にそのプロセス内の一部に圧力をかけるなんて ランキンサイクル(蒸気タービン)の場合には，給水ポンプが 圧力に打ち勝ってボイラに水を注ぐ仕事をしています。 同じように難しい熱機関がガスタービンですね。 ガスタービン(ジェットエンジン)では， 前段のコンプレッサで空気を圧縮して，燃焼後の高温の排ガスでタービンを回しています。 タービンから出たエネルギーの一部をコンプレッサーで使ってしまうわけですが， ・容積の小さい低温の空気を圧縮するコンプレッサに必要な動力 ・容積の大きい高温の排ガスで回されるタービンから得られる動力 に差があるから，ジェット機が飛ぶわけですね。
お礼
そうですね有り難うございます 私は実は 挙げられたジェットエンジンが回る仕組みも 理解に苦しんだことがあるのですが、 フィンにかかる力を力学分解した時の 回転軸にかかるモーメントの差と 中心軸からの距離の差から来る てこの原理的なモーメントの差だと 今では理解しています。 この世の中には小説より奇な事が溢れてますよね
- FT56F001
- ベストアンサー率59% (355/599)
火力発電所など，ランキンサイクルをとる熱機関には 「必ず，復水器からボイラーに注水するための循環ポンプが付く」と理解しています。 /*質問者さんの疑問は，ボイラ内で水をかき混ぜる循環ポンプについて，ではないと判断しました。*/ ボイラの入口(水)，ボイラの出口(蒸気)，タービンの入口(蒸気) は，ほぼ同じ圧力で高圧。(例えば30MPa) タービンの出口(蒸気)，復水器の入口(蒸気)，復水器の出口(水) は，ほぼ同じ圧力で低圧。(大気圧かそれ以下) 復水器から出た水は，循環ポンプで圧力を高めないと，ボイラーには注水できません。 同じ圧力差の間で媒体を送っているけれども， ・容積が大きい高圧蒸気で回されるタービンが出す動力 ・容積が小さくなった水の圧力を高める循環ポンプに必要な動力 はケタ違いに後者が小さく，だからこそ， 熱エネルギーの一部を機械エネルギーとして取り出せたことになります。
お礼
強制循環式(とでも言うのでしょうか？) なのですか？ でも圧力 又は圧力から生じる運動エネルギーを用いている機関で 人為的にそのプロセス内の一部に圧力をかけるなんて まあ 人為的に加えるものより リターンの方が大きければ良い訳ですね 有り難うございます。
- rnakamra
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まずタンク内で気体と液体の相変化が起こり、上に気体、下に液体と分離します。 気体は密度が低いため選択的に上昇、この際にタンク内に圧力勾配が発生し自然と水の循環が起こります。 相変化が起こらない超臨界で運転されるシステムはこの方法が取れないためポンプで強制的に方向付けをします。 タービンにかかる圧力差はもっと簡単。 水の飽和蒸気圧は温度とともに変化します。水を冷却すると飽和蒸気圧が急激に減少、結果ほとんどが液化し圧力が減少します。
お礼
ご回答有り難うございます。 ＞この際にタンク内に圧力勾配が… つまり 自重(？)により圧力差が出来るから ということですよね？ 私の理解では 液体用（戻り）はより下の位置に 気体用(出）はより上の位置に 穴が開けられるように認識しています。 (間違いですか？) 上の方は低圧で 下になるにつれ高圧になる より低圧の筈の 相対的上にある穴から出て行き より高圧の筈の 相対的下にある穴から戻る と 言うことですよね？ …・・・ ？ まだ解ってないみたいです 私(^_^;)A ＞飽和蒸気圧が急激に減少… この事なのですが タンクと冷却器のみを持つシステムでは その経路・菅に 遠心力等の外的要因（というのかな？）の差や高低の差 菅の形状・特性差等が無い限り その２本の管内に発生する圧力分布は 誤差を除けば その双方で類似性が保たれると思うのです もし仮に この経路・菅の片方 又は両方にタービンを加えた時… ………… ……… …… … そうか！ タンク側が高圧 冷却器側が低圧 圧力差があるからタービンが回る 菅いっぱいに広がって 菅をふさぐ形では 一方向のみから圧力 つまり力を受けるが 気体から液化した媒体は 体積も表面積も下がるので 菅いっぱいに広がらなくても 十分な範囲に容積が収まる 菅をふさがないので 圧力から受ける影響が 液化した媒体の 表面のそこここでほぼ均一となり 運動に繋がりにくい 結果 圧力を無視して動けるので 勾配などの影響で 容易にタンクに戻る ……… …… … て、 これで合ってます？ あ” でも 原子力発電とかの図だと 戻る側も 菅いっぱいに 液がふさいでますよね？ とほほ～ やっぱり理屈が違うのかな～ うむ～・・・？ 謎が謎を呼ぶ… (>_<)
お礼
ご回答有り難うございます 上側は如何は蒸気が、下側亜配管は水が 各々その断面を満たしていますよね？ この時当然 水が断面を占めている下側配管の方が 圧力は高くなっていると思います しかし尚 タンクＡ目線で観た場合 より低圧なはずの上側配管から流出し より高圧なはずの下側配管から流入するのは なぜですか？ 両タンクを視野に入れると更にややこしく思えます タンクＡ-タンクＢ上部配管間は相対的に圧力差が低い タンクＡ-タンクＢ下部配管間は相対的に圧力差が高い と思えます より圧力差が大きい方の下部配管に タンクＡ→タンクＢの動きが出そうなものですが 実際はこの真逆の動作が起こっています その原動力はどこから発生しているのですか？ 私の現時点での予想は 液状の時と気体状の時の 各々の単位力量に対する可動性の違いと 蒸気が素早く回り込むことによる圧力差の相殺と 両タンクの水位差なのですが… 確信が持てません (^_^;)A 合ってますか？ 間違ってますか？