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過熱蒸気とは、温度が測定される 絶対圧力における蒸発点よりも高い温度の蒸気のことです。
したがって、過熱蒸気はある程度冷却（内部エネルギーを失う）できるため、状態が変化（凝縮）することなく温度が下がり、ガスから飽和蒸気と液体の混合物になります。飽和蒸気（水蒸気と液体の水滴の両方を含む混合物）を一定圧力で加熱すると、蒸気の質（乾燥度、または飽和蒸気の割合）が 100% に近づくにつれて温度も一定に保たれ、乾燥した（飽和液体のない）飽和蒸気になります。その後、熱入力が継続すると、乾燥した飽和蒸気が「過熱」されます。これは、飽和蒸気が高温の表面に接触すると発生します。
熱力学的平衡の下では、過熱蒸気と液体の水は共存できません。これは、熱が加わると単に水分がさらに蒸発し、蒸気が飽和蒸気になるからです。ただし、この制限は、動的 (非平衡) 状況では一時的に破られることがあります。発電所やプロセス (紙の乾燥など)で過熱蒸気を生成するには、ボイラーから取り出された飽和蒸気を別の加熱装置 (過熱器)に通し、接触または放射によって蒸気に追加の熱を伝えます。
過熱蒸気は滅菌には適していません。[1]これは過熱蒸気が乾燥しているためです。乾燥蒸気は、同じ効果、つまり同等のF0 殺菌値を得るためには、はるかに高い温度に達し、より長い時間さらされる材料でなければなりません。過熱蒸気は加熱にも役立ちません。過熱蒸気は飽和蒸気よりもエネルギーが多く、より多くの仕事をすることができますが、その熱量ははるかに少なくなります。これは、過熱蒸気の熱伝達係数が空気と同じであるため、断熱材、つまり熱伝導率が低いためです。飽和蒸気の壁面熱伝達係数ははるかに高くなります。[2]
わずかに過熱した蒸気は、硬質表面のバイオフィルムの抗菌消毒に使用できる。[3]
過熱蒸気の最大の価値は、タービンブレードと往復ピストンに対する機械的膨張による運動反応に使用できる膨大な内部エネルギーにあります。これにより、シャフトの回転運動が生み出されます。これらの用途における過熱蒸気の価値は、膨大な量の内部エネルギーを放出しながらも、水蒸気の凝縮温度以上、つまり反応タービンと往復ピストンエンジンが動作する圧力を維持できることです。
これらの用途で最も重要なことは、同伴された液滴を含む水蒸気は、通常、その圧力では圧縮できないという事実です。往復エンジンまたはタービンでは、仕事をしている蒸気が液滴が形成される温度まで冷却されると、流体の流れに同伴された水滴が機械部品に衝突し、それらを曲げたり、ひび割れたり、破壊したりするのに十分な力がかかります。[4]膨張による過熱と圧力低下により、蒸気流はタービンまたはエンジンを通過する間ずっと圧縮可能なガスのままであり、内部の可動部品の損傷を防ぎます。
飽和蒸気
飽和蒸気は、同じ圧力で加熱された水と平衡状態にある蒸気です。つまり、その圧力での沸点以上に加熱されていません。これは、蒸気（蒸気）が水滴から分離され、さらに熱が加えられた過熱蒸気とは対照的です。
これらの凝縮液滴は蒸気タービンブレードの損傷の原因となるため、 [5]このようなタービンは乾燥した過熱蒸気の供給に依存しています。
乾き蒸気は、わずかに過熱された飽和蒸気です。これは、蒸気のエネルギーを大きく変えるほどではありませんが、蒸気供給回路全体の平均温度低下を考慮すると、結露の問題を回避するのに十分な温度上昇です。19 世紀末、過熱がまだ確実とは言えない技術であった頃、このような蒸気乾燥は、完全な過熱に必要な高度なボイラーや潤滑技術を必要とせずに、過熱による結露防止の利点をもたらしました。[6]
対照的に、水滴を含む水蒸気は湿り蒸気と呼ばれます。湿り蒸気がさらに加熱されると、水滴は蒸発し、十分に高い温度（圧力に依存）ですべての水が蒸発し、システムは気液平衡状態になり、[7]飽和蒸気になります。
飽和蒸気は、蒸発潜熱が高いため、熱伝達に有利です。これは非常に効率的な熱伝達モードです。簡単に言えば、飽和蒸気は対応する温度と圧力で露点にあります。大気圧での飽和蒸気の典型的な蒸発潜熱（または凝縮潜熱）は、970 BTU/lb（2,256 kJ/kg）です。[8]
用途
蒸気機関
過熱蒸気は、幹線蒸気機関車で広く使用されていました。 飽和蒸気は、蒸気エンジンにおいて主に 3 つの欠点があります。小さな水滴が含まれているため、定期的にシリンダーから排出する必要があります。使用中のボイラー圧力に対してちょうど水の沸点にあるため、ボイラーの外側の蒸気管とシリンダーで必然的にある程度凝縮し、その際に蒸気量の不均衡な損失を引き起こします。そして、ボイラーに大きな負担がかかります。
蒸気を過熱すると、蒸気は効果的に乾燥し、凝縮の可能性がはるかに低くなるまで温度が上昇し、蒸気量が大幅に増加します。これらの要素を組み合わせると、機関車のパワーと経済性が向上します。主な欠点は、過熱器の配管が複雑になりコストがかかることと、「乾燥した」蒸気が蒸気バルブなどの可動部品の潤滑に悪影響を与えることです。 入換機関車では、一般に過熱は使用されませんでした。
通常の構成では、調整弁の後で蒸気を取り、それをボイラーの特別に大きい火管内の長い過熱管に通します。過熱管は火室の端で逆（「魚雷型」）に曲がっているため、蒸気はボイラーの全長を少なくとも 2 回通過する必要があり、その際に熱を受け取ります。
処理
過熱蒸気のその他の潜在的な用途には、乾燥、洗浄、層形成、反応工学、エポキシ乾燥、および 1 気圧または高圧で飽和から高度に過熱された蒸気が必要なフィルムの使用などがあります。蒸気乾燥、蒸気酸化、化学処理に最適です。表面技術、洗浄技術、蒸気乾燥、触媒、化学反応処理、表面乾燥技術、硬化技術、エネルギー システム、ナノテクノロジーで使用されます。
乾燥食品加工工場の環境衛生のために過熱蒸気を応用した事例が報告されている。[9]
過熱蒸気は熱伝達係数が低いため、通常は熱交換器には使用されません。[10]精製産業や炭化水素産業では、過熱蒸気は主に剥離や洗浄の目的で使用されます。
害虫駆除
蒸気は 1890 年代から土壌蒸しに使われてきました。蒸気は土壌に注入され、ほぼすべての有機物が劣化します (「殺菌」という用語が使用されていますが、すべての微生物が必ずしも死滅するわけではないため、厳密には正しくありません)。土壌蒸しは、農業における多くの化学物質の効果的な代替手段であり、温室栽培者によって広く使用されています。このプロセスでは主に湿り蒸気が使用されますが、水の沸点である 212 °F (100 °C) を超える土壌温度が必要な場合は、過熱蒸気を使用する必要があります。[11]
参照
参考文献
- ^ William D. Wise、「蒸気滅菌に成功」、「化学処理」。2005 年 11 月 27 日。2010 年 10 月 10 日閲覧。
- ^ 「飽和蒸気条件と過熱蒸気条件」。nationalboiler.com 。2019年12月5日閲覧。
- ^ Song, L.; Wu, J.; Xi, C. (2012). 「環境表面上のバイオフィルム: 新しい蒸気システムの消毒効果の評価」American Journal of Infection Control . 40 (10): 926–930. doi :10.1016/j.ajic.2011.11.013. PMID 22418602.
- ^ Leyzerovich, AS,原子力発電所向け湿り蒸気タービン、PennWell、米国、2005 年。[ページが必要]
- ^ Roy, GJ (1975).蒸気タービンとギアリング. キャンディ海洋工学シリーズ. スタンフォード海洋. pp. 36–37. ISBN 978-0-540-07338-2。
- ^ ヒルズ、リチャード L. (1989)。蒸気動力。ケンブリッジ大学出版局。p. 203。ISBN 978-0-521-45834-4。
- ^ Singh, R Paul (2001).食品工学入門. アカデミックプレス. ISBN 978-0-12-646384-2。[ページが必要]
- ^ 「飽和蒸気計算機」Spirax Sarco . 2017年9月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年9月13日閲覧。
- ^ Hyeon Woo Park、Jie Xu、VM Balasubramaniam、Abigail B. Snyder。2021年。過熱蒸気衛生処理中のピーナッツバター中のEnterococcus faeciumの不活性化に対する水分活性と温度の影響。食品管理。第125巻、記事107942
- ^ 過熱蒸気：Spirax Sarco の国際サイト。Spiraxsarco.com。2012 年 1 月 25 日に取得。
- ^ Arthur H. Senner (1934年8月1日). 「土壌の殺菌における蒸気の応用」.米国農務省. 2019年12月5日閲覧。