過熱蒸気噴出孔の利用 シンプルな常時発電タイプ
過熱蒸気噴出孔は500℃の蒸気を噴出する間欠泉。噴出する物質が蒸気なので熱容量が4.179と大きいことに加え、温度も500℃と間欠泉の中でもトップクラスに大きい熱量を持っています。上手く飼いならすことが出来れば電力源として優秀であり、熱を発電に使い切った後も水としても利用できるので至れり尽くせりなあったら嬉しい間欠泉です。
しかしながら噴出する蒸気の温度が500度と高いことから、安易に利用しようとすると宇宙素材無しでは設備のオーバーヒート間違いなし。丁寧なアプローチが必要です。
この記事で紹介するのは
「発電タイミングの制御は出来なくてもとりあえず発電に利用してみたい」
「水を得るのを目的として発電効率は考慮しない」
「蒸気タービンは扱えるが難しい自動化制御はまだイマイチよく分からない」
といった方向けの入門編。構成や注意点などをかきたいと思います。
蒸気タービンと液体クーラーを用いた非常にシンプルな構造で、自動化している部分も少ないです。
＜構成例＞
＜状況説明＞
①間欠泉から蒸気が噴出
②蒸気タービンで蒸気を吸い込む
③蒸気タービンの排水は、ボイラー室の圧力が3kg未満であればボイラー室へ送りボイラー室の冷却、3kg以上であれば外部へ送りボイラー室の気圧を下げる
④蒸気タービンの排熱は液滝クーラーに移し、液体クーラーの排熱は別の蒸気タービンで処理する。
メリット
・非常に高い発電量を得られる
・仕組みが単純なので分かりやすい
デメリット
・蒸気タービンが常時稼働を前提としているため、最大限の蒸気を得ようとするとコロニーの電力状況に合わせての発電は出来ない。
・噴出量が多い間欠泉では圧力超過が発生し、最大限の資源を得られない
＜押さえておきたいツボ＞
・蒸気タービンの扱える温度
蒸気タービンは蒸気を95℃の水に変え、その時に奪った熱量に比例した電力を生み出し、奪った熱量の1/10が蒸気タービンの発熱に加わります。
発電量(W)＝85/21,000*M*(T-95)
蒸気→水の変換で減る熱量(DTU/s)=4.179*M*(T-95)
（M:吸気水蒸気質量=吸気口x400)(g/s) T:吸気水蒸気温度(℃) )
発電量は吸った蒸気が多いほど、そして吸った蒸気の温度が高いほど発電することが分かります。そしてこの発電量には上限があります。上限は850W。そしてこの発電量の上限を超えた場合、本来発電できるはずだった電力は発電されずに消滅してしまいます。非常にもったいない。よって蒸気タービンの発電量の上限を超えないような温度制御をするのが望ましいです。
ではどの程度までの温度の蒸気を扱えるか。上記式の発電量に上限850Wを代入して吸気口の数ごとの温度を計算すると下記になります。
| 吸気口 | 最大出力に達する温度(℃) | 吸気質量(g/s) |
| 5 | 200 | 2000 |
| 4 | 227 | 1600 |
| 3 | 270 | 1200 |
| 2 | 358 | 800 |
(吸気口1つの場合は吸気量が不十分な為、十分な発電できないので省いています）
吸気水蒸気質量(=吸気口の数)が少ないほど高い温度まで扱えることが分かりますね。
そのため蒸気の温度に合わせて機械式ドアを制御し、蒸気タービンの吸気量を制御することで幅広い温度で無駄な発電をしないような構成になります。
しかし間欠泉の噴出する蒸気の温度は500℃。そのまま蒸気タービンで扱うと、発電されずに消滅する電力が多いため発電効率が悪くなってしまいます。そのため蒸気タービンの排水を混ぜることで蒸気の冷却を行い、消滅する電力がないようにしています。
・ボイラー室の圧力の制御
蒸気タービンがの蒸気を吸い上げるボイラー室の圧力は蒸気タービンの吸気量が1口当たり400g/sなので最低限400gが必要です(実際には蒸気タービンの排水をボイラー室へ戻す構成にしても、排水される場所と蒸気タービンが吸い上げる場所とでは蒸気の移動時間による圧力のムラができるためもう少し必要）。
ではどの程度の気圧にすればいいかというところなんですが、ボイラー室の圧力(＝蒸気の量)というのは気圧が高いほど蒸気が多いということなのでその分熱容量も多く、温度変化が緩やかになり制御しやすくなります。温度変化がある程度緩やかにになる20~50kg前後での運用が多いかと思われます。（諸説あり）
今回の構成では熱源である過熱蒸気噴出孔がボイラー室内にあり、間欠泉には圧力限界というものがあります。過熱蒸気間欠泉の圧力限界は5kg。これ以上の圧力である環境下では熱源である蒸気を新しく得られません。そのため20~50kgといった高圧の環境下では運用できず、圧力限界が発生しない5kg以下での運用する仕組みが必要になります。
今回の構成では間欠泉の上部に気圧センサーを設置し、蒸気タービンの排水先を液体遮断機でコントロールしています。3kg未満であればボイラー室へ戻して冷却、3kg以上であれば、外部へ輸送という状態にしています。この制御によってボイラー室の気圧を制御します。
・間欠泉の噴出量
ここで１つ注意点があります。間欠泉が噴出されている期間に圧力超過を起こさせないようにするには十分蒸気を吸い続けられる構成である必要があります。画像の間欠泉の噴出量は約3.2kg/s。およそ平均的な噴出量です。
対して蒸気タービンの吸気量は1台当たり最大400g/s×5吸気口=2kg/sであり、4台あるので最大8kgです(2吸気の場合は400g/s×2吸気x4台=3.2kg/s）。また蒸気タービンの排水による冷却も必要なため、噴出量に対してかなり多めの吸気量を見込んだ方が良いです。概ねこの構成で制御しきれるのは噴出量が4kg/sまでの間欠泉になると思います。
＜その他＞
ボイラー室の温度が低いほど吸気口で吸える口が多くなり排水量も増えるのでその結果ボイラー室の冷却効率も上がります。画像ではやっていないですが、ボイラー室の下部に石油を撒くことによりボイラー室の熱容量を増やして温度変化を緩やかにする＋温度ムラを減らすようにすることは有効です。
今回の間欠泉(噴出量3.1kg/s)で蒸気タービン4台という構成では圧力超過にならず、ボイラー室の温度も高くなりすぎない状態に制御出来ました。しかし間欠泉によっては噴出量が6kg/sだったり8kg/sだったり12kg/sなんてものもあったりします。そんなヤンチャな間欠泉の場合は蒸気タービンをその分増やせば解決するかというえばそうでもありません。蒸気の移動はそこまではやくないため、たとえ設備全体で12kg/sの蒸気を吸い出せたとしても、10kg/sの間欠泉では圧力超過が発生してしまったりします。解決するには別の構成にする必要があります。
