HICニュース

2012年06月25日

シリーズ第1回　スチームトラップについて考える（3）

第3回目となる今回は、「ストール現象」についてご紹介していきます。

皆様方の工場において、空調設備で蒸気式の熱交換器を使用して、工場内の温度管理をしている場所は無いでしょうか？
また、生産設備においても蒸気の比例式調整弁を使用していませんか？
最近では、温度制御もシビアなものが求められています。
それに伴い従来のON-OFF制御から、温調計と温度センサーを使用した比例制御を用いているところが多くなっています。

このシビアな温度管理を行うために用いられる比例制御が、ON-OFF制御時では発生しなかった「ストール現象」の様な新たなトラブルを引き起こす事があります。

そして、その代表的な例が、先回でも少しご紹介しました「比例制御している空調用の熱交換器が定期的に破損してしまう」という事例なのです。

まず、この現象を理解する上で押さえておくべきポイントが2つあります。

1.　蒸気の急速冷却によるハンマー発生原理
2.　送気圧力とトラップのドレン排出能力の関係

1番目のポイントに関しては、第2回にてご紹介しておりますので説明は割愛させていただきます。
（参照：第2回　http://www.hic-news.com/admin/pre/blog.php/v/9/ ）

今回は2番目のポイントとなる送気圧力トラップ排水量の関係を簡単にですが説明致します。

スチームトラップは圧力差があって、初めて流れる様、設計されています。
そのため、排出能力は同じトラップでも入口と出口の圧力差が大きい程高くなるのです。
逆に、圧力差が0またはマイナスになると、いくら排出能力の高いトラップでも排出不良となります。

（クリックにて拡大）

ポイントとなる2つの点を抑えて頂いた上で、本題の「ストール現象」とは何かを解説していきたいと思います。

工場空調の一部を加温するために蒸気式熱交換器をダクトの間に入れて空調していたとします。
熱交換器に入る手前に比例式の蒸気制御弁があり、蒸気出口には温調トラップがついていました。
最初は部屋が冷えているので制御弁は全開状態です。トラップも順調にドレンを排出していきます。

次第に部屋の温度も上がり設定温度に近づくに連れて比例制御弁も少しずつ閉まっていきます。それに伴い熱交換器内の圧力も下がっていき、やがて0になります。従って蒸気ドレンも徐々に出にくくなり蒸気ドレンが熱交換器内に溜まって排出できない状態になります。

これが「ストール現象」です。

（クリックにて拡大）

このような状態になってしまうと熱交換器内の管路が冷やされ、また熱交換器自身も本来の能力を発揮できなくなってしまいます。
そうなると、部屋の温度も下がっていきますので、再加温しようと比例制御弁が解放されて熱交換器内に蒸気の送気が開始されます。
この時、冷えたドレンの中に蒸気が入る形となり、ウォーターハンマーが発生します。
また、熱交換器内に常にドレンが滞留している形となりますので腐食の原因にもつながります。この繰り返しが熱交換器の寿命を著しく短くしていくのです。

ストール現象の弊害をまとめてみます。

1.　熱交換器内にドレンの滞留による腐食・劣化
2.　熱交換器内ウォーターハンマーによる破損
3.　熱交換器内ドレン滞留による能力低下

ストール現象を防ぐ方法として3つ挙げられます。
1.　パワートラップや真空ポンプで強制的にドレンを排出する。
　　　　→これはウォーターハンマー及び腐食防止のためです。

2.　熱交換器とトラップとの落差を300ｍｍ以上とる。
　　　　→これは落差を設けることにより差圧ができてドレンが
　　　　　　抜けやすくなるためです。

3.　スチームトラップはフロート式を選定する。
　　　　→これはトラップの中でも１番差圧が少なくても作動するためです。

どうでしたか。「ストール現象」というものは他にも設計当初では問題がなくても稼働状況の変化によって起こる場合や、トラップの二次側に背圧がかかる場合など様々な状況で発生する可能性があります。このような現象でお困りでしたら、是非お気軽にご相談ください。

最後に、弊社ショールーム「スマートファクトリー」にて、お客様にもっと深く知っていただけるように、実演機を作って再現できるかを試してみました。

こういったトラブルというものは条件が揃わないと中々うまく再現することができません。
私達も色々なトラブルを再現させようと実験していますが、逆にトラブルを起こそうと思ってもうまくいかないことの方が多いのです。
そのことからも実際にトラブルが起きた時も原因を追究することはかなり難しいことが分かります。トラブルの原因というものはたいてい複数の要因が重なって起こることがほとんどだからです。

尚、弊社省ルームにて今回ご紹介したストール現象の再現をはじめとする、色々な実験を体験することができます。
お近くにお越しの際は、ぜひお立ち寄りください。

２回にわたって、ドレンの滞留によるトラブルについてご紹介してきましたが、次回、本シリーズ最後のテーマは、トラップが原因で起こるもう一つの要因である「蒸気漏れで引き起こすトラブル」に焦点をあてて、生産現場の改善を考えていきたいと思います。
次回をお楽しみに。

この記事に関してご意見・ご質問等ございましたら、GKC担当：永井までお気軽にお問合せください。

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　ストール現象

2012年05月23日

シリーズ第1回　スチームトラップについて考える（2）

先回はトラップの基礎について説明させていただきましたが、今回より実際の不具合事例をもとに、蒸気ドレンが引き起こす弊害について、わかりやすく説明していきます。

スチームトラップが原因でおこる弊害の要因は２つあります。

要因(1)：　ドレンが滞留して引き起こすトラブル
要因(2)：　蒸気が漏れて引き起こすトラブル

最初にご紹介させていただく現象として、
要因(1)の“ドレンが滞留して引き起こすトラブル”の中でも、非常に多くのお客様のもとで確認される『ウォーターハンマー』という現象を取り上げていきたいと思います。（要因(2)に関しては後日ご紹介）

　

↑　◇ウォーターハンマー　実験動画　中央の再生ボタンをクリック◇

こちらの映像がウォーターハンマーという現象です。弊社内にて再現してみました。
先回にも少し触れましたが蒸気使用時に大きな音や振動を伴う現象をウォーターハンマーといいます。
このウォーターハンマー現象は配管及び支持金物や蒸気設備などの破損、寿命の低下の原因になります。
では、なぜこのような現象が起こるのでしょうか？以下で具体的に説明していきます。

ウォーターハンマーの起きる原因は？

蒸気は冷えると当然、水に戻りドレンとなります。
そのため蒸気管路には液体と気体が同一管内に同時に流れることとなります。
液体と気体は流れるスピードが違うため（液体は通常2ｍ/sec、気体は30ｍ/sec程度の速度）、管底に溜まっているドレンが気体に押される形で波を発生させます。
このドレンの波が徐々に大きくなり、最終的にはドレンの壁が蒸気に押され継手等に衝突して、大きな音と衝撃を発生させるのです。
特に月曜日など仕事始めは蒸気配管内にドレンとして水が溜まってるため発生しやすく、バルブを開けるときには注意が必要です。

※上記のようなイメージでウォーターハンマー現象は起きています。

このウォーターハンマー現象は、蒸気配管の施工方法を的確に行われないと必ず発生するため、不具合事例も非常に多く、ご存知の方も多いのではないでしょうか？

以上が一般的に広く認知されているウォーターハンマーの原因ですが、蒸気自体が急激に冷やされることによっても、ウォーターハンマーは発生するということをご存知ですか？

蒸気は冷えるとドレン化します。蒸気とドレンの比体積差は1640倍です。蒸気は冷たいドレンに触れると一気に凝縮して蒸気体積がほぼゼロになります。
この凝縮過程で今まで蒸気で充満していた空間は一気に真空状態になります。この真空部分に向かって一気にドレンが押し寄せドレン同士がぶつかり合うことによりウォーターハンマーが発生します。

『比例制御している空調用の熱交換器が定期的に破損してしまう。』

このようなことに心当たりはありませんか？

この現象は水質によることも多くありますが、実は先ほどの蒸気の急速冷却によって発生するウォーターハンマーが原因である可能性があります。
この現象は一般的に「ストール現象」と呼ばれています。
これは身近に発生しておりますが、間違った原因として処理され、結果的に改善できずに放置されていることが多い現象です。

次回は身近にありながら意外と知られていない、この『ストール現象』についてお話させていただきます。

尚、弊社省ルームにて今回のウォーターハンマーの再現を始めとする蒸気設備の実機を、見て体感して頂けます。お近くにお越しの際は、是非お立ち寄りください。

この記事に関してのご意見、ご質問等ございましたら、
GKC担当、永井までお気軽にお問合せ下さい。