これまで多くのInfo-Tecでは、バルブ、レギュレータ、トラップ、制御機器など、蒸気システムに使用されるアイテムについて説明してきました。 今回のInfo-Tecでは、蒸気そのものを扱います。

蒸気とは何でしょうか。

蒸気は気体の状態の水です。 水の温度を沸点まで上げ、さらに熱を加えて、温度を上げずに蒸気に変化させることができます。

水を沸点まで上げるのに必要な熱量を顕熱といいます。 水を水蒸気に変化させるのに必要な熱量を気化潜熱という。 気化潜熱は「凝結潜熱」と全く同じです。 これが、蒸気システムが利用する原理である。 後述するように、蒸気が熱エネルギーの伝達媒体として利用されるのは、この潜熱が主な理由です。 BTUは、1ポンドの水を華氏1度上げるのに必要な熱量と定義される。

顕熱は、容易に感知できる熱である。 温度計を使うことで感じることができ、「見る」ことさえできる。 潜熱は、「そこに」あるが、容易に感知できない熱である。

簡単な実験で顕熱と潜熱を説明します。

図1は、1ポンドの水が入ったガラスビーカーです。 水の中に温度計を入れることができます。 温度計は水の温度が室温の70°Fであることを示している。 このビーカーをバーナーの上に置き、バーナーを点ける。 バーナーは1ポンドの水の温度を212°Fまで上昇させます。 これには142BTUが必要でした。 212 – 70 = 142. (BTUの定義を覚えておきましょう。)

図1.

この142BTUは顕熱である。 バーナーによって水に加えられた熱は、温度計によって「見る」ことができます。 水の中に手を入れて、加えられた熱を「感じる」こともできます。 (お勧めしません。)

熱を加え続けると、水は沸騰しますが、温度計はそれ以上上がらないのです! 大気圧では、212°Fのままです! これはどうしてでしょうか。 バーナーはまだついています。 バーナーはまだついていて、水に熱が加わっているのがわかります。 この追加された熱はどこに行くのでしょうか。

それは状態の変化を引き起こすことに行くのです。 水は蒸気に変化しています。 この状態変化には大量の熱が必要で、水の温度を70°Fから212°Fに上げるのに必要な熱よりはるかに多くの熱が必要です。 大気圧で1ポンドの水を1ポンドの蒸気に変えるには、さらに970BTUが必要です！

私たちは、この熱を「見る」ことはできません。 この熱を「感じる」ことはできませんが、そこにあるのです。 それは「潜熱」であり、隠れた熱である。 正確には「気化潜熱」と言います。

気化潜熱は凝結潜熱と全く同じです。 つまり、212°Fの蒸気1ポンドを凝縮して212°Fの水1ポンドに戻すと、蒸気から970BTUを取り出さなければならないのです。 これが蒸気が広く使われている理由である。 大量の熱エネルギーを含んだ1ポンドの蒸気を、配電システムによって遠隔地に迅速かつ容易に輸送し、そこでエネルギーを回収して有用な仕事に利用することができるのだ。 水の圧力を変化させることで沸点を変化させることができます。 そのためには、圧力を制御できる閉鎖系が必要です。 50°Fの水を、例えば500°Fまで、212°Fの水と同じように簡単に沸騰させることができるのです。 必要なのは、水の上の圧力を目的の沸点に対応するものに変えることだけである

例として、ボイラーの圧力を52 psig. (67psia.)まで上げると、水は300°Fで沸騰する。 逆に、水銀柱29.6インチの真空まで圧力を下げると、水は40°Fで沸騰する。

圧力を変えて水の沸点を変えると、他の物理的性質も変化することになる。 大気圧下では気化潜熱は1ポンドあたり970BTUだったが、100psigでは1ポンドあたり889BTUになる。

蒸気の特性を示す表が添付されている。 表1と表2は基本的に同じで、表1は1列目の温度表、表2は1列目の圧力表という違いがあります。

Table 1.

Table 2.

240°Fの蒸気の気化潜熱が必要な場合、表1を参照すると240°Fの線はないことがわかります。 212°Fまたは250°Fの項目がある。 表2の2列目を使うと240.07°Fと表示される。 (これは25psiaの水が240.07°Fで沸騰することを示している。)潜熱は1ポンドあたり952.1BTUと表示される。

Enthalpy

蒸気はエンタルピー抜きにしては語れない。 エンタルピーとは全熱量のことである。 エンタルピーは物質の性質で、その熱量の尺度である。 ある処理に必要な熱量を求めるのに便利である。 表1より、大気圧（0 psig.または14.696 psia）での蒸気の総熱量は1150.4 BTU per Lb.と与えられる。 この総熱量は顕熱と潜熱の2つの部分から構成されています。 顕熱は水の温度を32°Fから212°Fまで上昇させ、180.07BTU/Lb.となります。 (コラム6)。 水の気化潜熱は212°Fで、970.3BTU/Lb.である。 (コラム7)。 合計すると1150.4BTU/Lb.となる。 となる(コラム8)。 この情報は、任意の温度と圧力で水を蒸気に変えるためにどれだけの熱が必要かを決定するために使用することができます。 例えば、70°Fの水を250°Fの蒸気に変えるにはどれくらいの熱量が必要でしょうか？ 表1、250°F、8列目から、蒸気のエンタルピーは1164BTU/Lb.です。 6列目70°Fから、水のエンタルピーは38.04BTU/Lb.です。 1164は蒸気の全熱量、38.04は70°Fの水の熱量を表します。 この差、1164-38.04、すなわち1125.96BTU/Lb.は70°Fの水を250°Fの蒸気に変えるために加えなければならない熱量である。

過熱蒸気

過熱蒸気について少し触れておく。 図1で見たように、水の温度は水がすべて沸騰するまで一定である。 沸騰している水と同じ温度の蒸気は「飽和蒸気」です。 同じ圧力で沸騰水より高温の蒸気が「過熱蒸気」である。 過熱蒸気は主に発電に利用される。 過熱蒸気を利用することで、タービンの効率が上がり、メンテナンスが不要になり、長持ちする。 通常、業務用工業加熱やプロセス作業では飽和蒸気を扱います。

（空調に関する余談ですが、大気中の水分はすべて非常に低い圧力で過熱蒸気として存在するという事実が興味深いです。 この蒸気を脱熱する潜熱負荷は、エアコン負荷の50％以上を占めることもある。 空気と過熱蒸気の混合物を冷却する場合、蒸気は凝縮して水となるまで過熱を解除される。 この点を “露点 “と呼ぶ。 実際には、低圧蒸気の凝縮温度です）

蒸気は広く使われています。 ほとんどすべての工場で1台以上のスチームユニットが稼動しているはずである。 図2は典型的なプラントにおける用途の一部を示している。

図2ボイラーで発生した蒸気は配管システムを通して遠隔地に送られ、多くの有用な仕事をこなすことができる。 ボイラー内の高い圧力が蒸気を必要な場所に押し出し、どんな分配システムでも多少の損失は発生するが、注意深く設計され断熱されたシステムはこの無駄を最小限に抑え、蒸気を加熱しようとする場所に供給することができる。 ここで、同じ気化潜熱が今度は凝縮潜熱となり、空気、水、調理容器などを加熱するのに使われます

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