テクニカルコラムTY型蒸気加湿器

空調機で使用されている加湿方式は「水噴霧式」「気化式」「蒸気式」の3種類に大別されます。その中の蒸気式についての説明と、蒸気加湿付空調機の小型化と蒸気使用量のムダを省く新型加湿装置「TY型蒸気加湿器」の紹介です。

ドレン飛散が無く蒸気の吸収距離が短い蒸気加湿器

加湿の重要性

空気が乾燥すると、ドアノブを触って静電気を感じたり、かぜをひきやすくなったりします。冬期の湿度低下は人の快適性を阻害するだけでなく、健康にも影響を与えます。産業分野においても湿度低下は様々な問題を引き起こします。農作物を乾燥した環境で貯蔵すると傷みやすく、印刷工場では紙の収縮やほこりの付着、繊維工場では糸切れや伸縮ムラを起こし生産性を悪化させます。多くの分野で湿度制御を行う加湿器は不可欠です。

加湿方式は「水噴霧式」「気化式」「蒸気式」の3種類に大別され、用途によって使い分けられています。その中で蒸気式は、
①加湿による温度降下がない
②不純物が混入しにくい(=クリーンな加湿)
③制御性と応答性に優れる
④高湿度設定が可能
という長所があり、幅広く採用されています。その一方で、ドレン飛散や加湿吸収距離不足による再凝縮といった問題があります。

蒸気の特性

蒸気とは水を加熱して発生する無色透明の気体(ガス)です。水を沸点まで上げるエネルギーを顕熱と呼び、沸騰している水を蒸気に変化させるエネルギーを潜熱と呼びます。これらの熱量は圧力や温度条件により異なった値を示します。潜熱変化中は水分を含んだ蒸気であり「湿り蒸気」と呼ばれます。完全に水分が蒸発した蒸気を「飽和蒸気」と呼び、さらに熱を加え続けたものが「過熱蒸気」です。
ボイラーを出た直後の蒸気は「飽和蒸気」であり、飽和蒸気は僅かな放熱で凝縮水が発生します。

ドレン飛散の原因

加湿管内部は凝縮水が含まれた湿り蒸気の状態となり、加湿ノズルから蒸気と共に水滴が噴霧され、加湿不良や漏水事故の原因になります。

蒸気加湿器には一般的に凝縮水の水飛び対策が施されています。
<例>
①加湿管を2重にして凝縮水と蒸気を分離する。
②高圧蒸気を減圧し、フラッシュ効果で凝縮水を再蒸発させる。
③遮蔽版(エリミネータ)に湿り蒸気を衝突させ、凝縮水と蒸気を分離する。
④加湿管を別の蒸気で加熱し、凝縮水を再蒸発させると同時に過熱蒸気にする。

また、上記対策を組み合わせて用いることもあります。
遮蔽版(エリミネータ)による水滴除去は、エネルギーを残した水滴を廃棄することでもあり、エネルギーロスにつながります。(蒸気は高価なガスです)

加湿吸収距離と蒸気の再凝縮

噴霧した蒸気が空気に取り込まれるためには状況に応じたある一定の空間が必要です。噴霧ノズルから空気に取り込まれるまでの距離を加湿吸収距離と言い、この間にファンやフィルタなどの障害物があるとその表面を濡らしてしまいます。
加湿吸収距離は周辺空気の状態によって変わり、その距離は温度が低いほど長く高くなれば短くなります。
低温の場合2m以上の加湿吸収距離を見込む場合もあります。

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(写真の説明)

Ⅰ区間 噴霧直後の蒸気は飽和蒸気なので無色透明です。
Ⅱ区間 蒸気が空気に冷やされ凝縮して細かい水滴になります。(俗に言う湯気)
白く見えるのは水滴が光で乱反射しているからです。
Ⅲ区間 水滴が気化して、無色透明となります。
Ⅰ区間からⅢ区間までの距離が加湿吸収距離です。

蒸気を空気中に噴霧すると、蒸気は直接空気に取り込まれると考えがちですが、周辺空気の冷却により凝縮して一旦水滴に戻り、その水滴がもう一度気化して吸収されるのです。
無数の水滴を伴ったⅡ区間の過飽和空気は、噴霧により誘引された周辺空気に水滴が次々に気化し、Ⅲ区間で過飽和状態が解消されます。蒸発に必要な気化熱は蒸気が持っていたエネルギーを使うので、温度降下はおこしません。

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TY型蒸気加湿器(特許申請中)

TY型蒸気加湿器は、下図に示す部材から構成されています。

その特徴は、①ドレン飛散、②加湿吸収距離不足による再凝縮を特殊ノズルで解決した事です。更に高機能と省エネ性を追求して③スチームトラップを装備しました。

ドレン飛散の防止

TY型蒸気加湿器は次の効果を組み合わせ、飽和点に近い蒸気を噴霧することで水飛びを防止します。

  1. 特殊ノズル装置により管壁を伝う凝縮水の噴霧を防止
  2. 減圧によるフラッシュ効果
    加湿管の中と外では非常に大きな圧力差があります。水が保有できるエネルギーは圧力が高いほど大きく、圧力が低い程小さくなります。そのため加湿管中の高温高圧の水滴が大気に放出されると保有できる熱量差により一部が自己蒸発します。
  3. 特殊ノズルによる水滴の破砕効果
    孔径を最適化した特殊ノズルにより水滴は細かく破砕されます。
    細かくなった水滴は空気との接触面積を増加させ蒸発しやすくなります。

加湿吸収距離

加湿吸収距離を短くするには、周囲空気をできるだけ速く誘引することが必要です。
下図で、ノズル径D0 吹出流量Q0 蒸気速度V0 誘引された周囲空気の流量と吹出流量Q0との和Qχ 距離Xにおける速度Vχとすると、Qχ/Q0を誘引流量比(エントレーンメント比)と呼び、式(1)で表されます。蒸気速度V0が速くノズル径D0が小さいほど周囲空気はより多く誘引されます。

また、下図のように気流が干渉すると誘引量が低下し、加湿吸収距離が長くなります。

TY型蒸気加湿器はノズル孔径の最適化により蒸気流速を上げ、誘引比を大幅に増やすことに成功しました。また気流が干渉しないようにノズルの取り付けピッチも最適化しています。その結果加湿吸収距離は従来に比べ約1/3に短縮することが可能です。 また、設計加湿量に対して適切なノズル数を選定することで、加湿量の微調整が可能となります。

スチームトラップについて

スチームトラップは以下の目的で漏れ蒸気を無くすために設けております。

  1. 過加湿の防止
    漏れ蒸気も加湿の一部となります。
    ノズル選定が適正であっても加湿後空気が過飽和になる恐れがあります。
  2. 再凝縮の防止
    漏れ蒸気は流速が遅いため誘引比が小さく、ノズルから噴霧された蒸気より長い加湿吸収距離が必要です。この範囲内にファンやフィルタなどの障害物があれば再凝縮します。
  3. エネルギーロスの防止
    空気に吸収されない漏れ蒸気は凝縮水となり大きなエネルギーロスです。蒸気の消費量を減らせます。

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