JP2006515050A - 復水トラップ - Google Patents

Abstract

本発明の蒸気トラップ（１）は、円筒形の側壁を有する室（８）と、側壁の上部端に向かって設けられた入口２０と、その基部に設けられた逃し孔（１６）とを備える。入口（２０）は、室（８）内での流体の回転流を促進するべく流体を室（８）内に導き、逃し孔（１６）の上流に低圧区域を生成して孔（１６）の排出速度を制限する。即ち、冷たい水は急速に排出し、流体が飽和温度に近づきフラッシュ蒸気が発生すると排出速度を急速に減少させる。

Description

本発明は復水トラップに関する。

蒸気を利用するプラントや装置からの復水の除去に、一般に復水トラップが利用されており、この関係で、それらは通常蒸気トラップと称されている。様々な状況に適合させるべく、多くの異なる設計の蒸気トラップが開発されてきた。トラップの多くは、トラップ内に復水が存在することを検知し、必要時、復水を排出するために開く自己作動機構を含む。これらトラップは、可動部品を有する故、機械的故障を起こしやすい。トラップの代案形態は、固定オリフィストラップである。これらは可動部品がなく、最も簡単な形態では復水を排出する孔を備えるだけなのでほぼ信頼性がある。孔を通って圧力が低下するときに蒸気がフラッシュし、孔を通って抜ける蒸気のフラッシュ蒸気量を低減する。

固定されたオリフィストラップが持つ問題は、孔が詰まる場合があることである。他の問題は、復水負荷に正しく適合するオリフィスのサイズを選択し、生の蒸気が孔を通って漏洩するのを防止しつつ復水を排出するのが困難なことである。実際には、固定オリフィストラップは、復水が殆ど又は全くないときに、結果的に生じる蒸気の損失を受容しつつ復水を効果的に取り除くべく大きめにされる傾向にある。

本発明の第１の態様は、渦巻き室と、該室の長手軸の周りに室内に流体の回転流れを生成するように流体を前記室の中に流入させるべく配設される入口と、前記室の軸端に備えるられ逃し孔を含む復水トラップを提供する。

側壁は、少なくとも部分的にほぼ円形断面を有し、円筒形であるとよい。一実施形態では、円筒部は、切頭台形の直径が大きい方の端部に隣接する。例えば室の長手軸上において切頭台形の直径が小さい方の端部に逃し孔を設けてもよい。

室は、円形の横方向端壁を有し、この端壁の中心に逃し孔を持つ。

本発明の蒸気トラップの一実施形態では、渦巻き室を、室への入口及び逃し孔に各々連通する入口及び出口通路を備える本体に支持された制御要素内に設ける。本体は、入口通路と出口通路を、蒸気を利用するプラントの配管に接続する手段を備えてもよい。

制御要素と本体が、平坦且つ円形の各接触面で互いに接するとよい。本体中の入口及び出口通路と制御要素中の各入口及び逃し孔とを連通させるべく、接触面にポートを設けると好ましい。

制御要素は、接触面が上述のように例えば円形であるなら、複数の異なる回転位置の内の一つにおける接触面で本体と係合可能としてもよい。逃し孔と連通するポートは、異なる回転位置間の回転中心として機能を果たし得る。全ての可能な回転位置において入口通路と入口の間を連通させるべく、入口と連通するポートは、中心が逃し孔と連通するポート上にある円形の溝の形態をとってもよい。

入口は、室の周りに均等に分配されると共に、渦巻きを生ずるべく室の接線方向に配向している複数、例えば三つの入口の一つであってもよい。

制御要素は、キャップで本体に固定してもよい。該キャップは、制御要素を本体の接触面に固定する。室は、接触面に対向する制御要素の面に開口してもよい。この場合、室をキャップで閉鎖すると好ましい。

流体を室の中心長手軸に向かって導く第２の入口を設けてもよい。

第１の入口と同様に、第２の入口を渦巻き室に沿う同じ長手軸上に設けてもよい。流体を室に導くべく、切り替え手段を第１又は第２の入口のいずれかを選択するように設けてもよい。切り替え手段は、トラップの上流で流体の温度を検知するバイメタル片のような温度を検知する手段に応答するものであり得る。

逃し孔は、復水の要求排出速度に従う適宜な直径とする。多くの実施形態では、逃し孔の直径は３０ｍｍ未満、場合により１０ｍｍ未満であるが、殆どの状況で該直径は１〜４０ｍｍの範囲になろう。逃し孔の直径は、例えば５ｍｍとする。

本発明の第２の態様は、蒸気トラップの逃し孔を介して蒸気の流れを低減する方法であって、蒸気及び復水の混合物を含む流体を室内に、そこに渦巻きを生成するような方向で導くステップ、渦巻き内の低圧圧力区域の下流に直接逃し孔を設けるステップを含む。

本発明の理解を一層深め、かつ本発明が如何様に実行されるかを更に明確に示すべく、以下に、一例として添付図面を参照する。

図１の蒸気トラップ１は、上部フランジ２と、下部フランジ６と、上部フランジ２及び下部フランジ６の間に固定された本体４とを備える。

本体４は、上部部分１０と下部部分１２を有する渦巻き室８を画定する。渦巻き室の上部部分１０は円筒形であり、その上部縁は上部フランジ２で閉鎖されている。下部部分は上部部分１０の円筒壁から連続すると共に、平坦な基部１４がより小さい直径に先細りになった切頭台形である。トラップ１の中心軸３０上の、基部１４の中心に逃し孔１６があり、該孔１６は、ここから下方に鉛直方向に伸びる導管１８に通じている。逃し孔１６は、この例では、直径が約５ｍｍである。この孔は、その下部開口が、下部フランジ６の円形開口５を経て周囲環境又は復水リターンパイプ（図示せず）に連通している。

導管１８は、逃し孔の直径以上、例えば逃し孔の直径の２倍より大きな長さを持つ。図示の実施形態では、導管１８の長さは１２ｍｍである。

ほぼ円筒形の入口通路２０が本体４に設けられ、室８の上部部分１０の下部領域で室８の壁に開口している。図２において、円筒形の入口通路２０の最外縁２２は、室８の円筒形壁から接線方向に連続している。入口通路２０の最内縁２４は、室８の中心軸３０から外側縁２２に向かってオフセットしている。入口２０を蒸気及び復水の源に接続すべく、室８の反対側の入口２０の一端にコネクタ２６がある。

使用時、蒸気及び復水は、入口２０を経て接線方向に室８に導入される。入口２０を図２に示すように配向すると、蒸気と復水は、反時計方向に室８の壁の回りを流れて渦巻きとなる。渦巻きの中心軸は、室８の中心軸３０上又は近くにある。

渦巻きは、当然に、その中心が低圧になる。逃し孔１４が中心軸３０上に位置するときは、渦巻きは、孔１６の上流に直接低圧を発生する。この結果逃し孔を介する排出速度が低下し、より大きな逃し孔を使用することで、孔が詰まる可能性を低減できる。加えて渦巻きの自己制御機構は、孔から漏洩する蒸気の排出に関連して復水の排出を促す。トラップが、次の特性を示すからである。

即ち、プラントの始動中、このシステム全体に冷えた復水が存在し、トラップ上の復水の水位はこの時点で最も高い状態にある。水が冷えているとき、フラッシュ蒸気は殆どないか、全くない。なぜなら、水は蒸気の飽和温度付近になく、渦巻き中心の低圧又は外部環境の圧力から被る圧力では蒸気がフラッシュしないからである。従って、冷えた水は、逃し孔１６を通って自由に流れる。

しかし蒸気トラップの温度が上昇すると、水は、最終的には渦巻きの中心に行き渡る圧力に対する飽和温度に達する。この時点で、水蒸気、即ちフラッシュ蒸気が生じ始める。逃し孔１６を経て該フラッシュ蒸気が放出される。この結果、逃し孔１６を通る排出が減少する効果がある。フラッシュ蒸気の密度は、水のそれよりかなり小さいからである。

渦巻き中心に生じた低圧は、逃し孔１６の上流から下流の圧力低下をも減らす。それ故上述のフラッシュ蒸気の生成に加え、孔１６の排出速度を低減できる効果もある。

トラップにおける流れは、実際は、大変複雑である。本発明によれば、渦巻き室は、逃し孔の上流側に低圧領域を生じる。従来技術で周知の如く、渦巻き中心では、圧力エネルギは、速度が増加すると圧力の低下が増大するように、ベルヌーイのエネルギ保存の式から運動エネルギに変換される。従って、低圧は、任意の所与の位置、この場合は渦巻きの中心で密度を低下させる。この状態を作り出すことで、蒸気が逃しオリフィスに達した際に、質量排出速度は、単一相の流れについての流れ式に従って減少する。

Ｑ＝Ｃ_d×（πｄ²／４）×（ρ×Δｐ_c）^1/2
式中、Ｑは流速、Ｃ_dは排出係数、ｄはオリフィスの直径、ρは流体密度、Δｐ_cは臨界圧力低下である。

２０℃での水の密度が９９８ｋｇ／ｍ³であり、５×１０⁵Ｐａにおける蒸気の密度が３．２ｋｇ／ｍ³なので、蒸気と水の質量排出速度比は下記のとおりとなる。
（ρ_w／ρ_S）^1/2＝（９９８／３．２）^1/2＝１７．７

このように、フラッシュ蒸気が、逃し孔１６の上流直下で発生したとき、蒸気の質量排出速度は、１７以上の比率だけ水のそれより小さい。

テストでは、１１×１０⁵Ｐａの蒸気ライン圧力（即ち、入口２０における圧力）に対して、渦巻きの中心で圧力が７×１０⁵Ｐａに低下することが分かった。７×１０⁵Ｐａでの飽和温度が１６５°なので、トラップに入って来る復水の温度が１６５℃未満ならフラッシュ蒸気は発生せず、復水が迅速に排出される。この温度を超えると、発生するフラッシュ蒸気の量が確実に増加し、漸次逃し孔１６の排出速度を低下させる。質量の排出速度は、復水温度が大気温度から飽和温度近くに増加するので、その初期（冷水）の値の５０％に低下することが分かった。

従って、本発明による固定オリフィストラップは、ベルヌーイの効果を利用し、自然自己調整式の排出特性を提供する。冷えた水は急速に排出されるが、その排出は、流体が飽和温度に近づきフラッシュ蒸気が発生すると、急速に減少する。一旦排出速度が復水負荷を越えると、幾らかの蒸気が必然的に失われるが、渦巻きの高い流動抵抗は、これを最小にし、復水が存在しないという極端な場合には、その損失は、逃し孔の冷水排出容量の丁度５％である。熱復水負荷が、排出逃し孔の容量の６０％である更に典型的な用途では、その損失は、冷水容量の２％程度である。

図３は、本発明の第２の実施形態を示す。図３と４の参照番号は、図１と２に示すものに対応する。

図３と図４に示す蒸気トラップは、蒸気及び復水を室８内に、その中心軸３０に向かって導くように室８の半径方向に伸びる第２の入口３２を備える。

使用時は、切り替え機構（図示せず）をトラップ１の上流に配設し、一体的に又は別な部品として、第１の入口２０及び第２の入口３２の間で流れを切り替える。これは、トラップ１の配管上流で流体のタイプを検知する手段で制御される。これは、電子システムでも、例えばバイメタル要素を用いて温度に応答する自己作動システムでもよい。

流れが第１の入口２０に導かれると、蒸気と復水が入口２０を通って室８内に接線方向に流入する。蒸気と復水は、図４において反時計回りに室８の壁の周りを流れて渦巻きを生じる。渦巻きの中心は、室８の中心軸３０に沿っている。上述の如く、逃し孔１６の上流で渦巻きにより生じた低圧部分は、逃し孔１６を通る排出を制限する。

流れを第２の入口３２に導いた際、入口３２が室８の中心軸に向いているので、渦巻きは発生しない。トラップは、次いで従来の固定オリフィストラップとして働く。逃し孔１６の上流の圧力は、渦巻きによる場合の圧力より高く、孔に対する制限が少ない。このように、流れトラップの特性は、負荷に応じ変化する。例えば入口の上流の流れが低温なら、殆ど又は全てが復水である可能性があり、その際、第２の入口２０を使用すると、室８内に渦巻きが生ずるのを回避し、もってフラッシュ蒸気の発生による逃し孔１６に関連する制限を防止できる。この結果復水をできる限り迅速に吐出できる。

入口上流の流れの大部分が蒸気であるなら、第１の入口２０を選択する。この結果室内に渦巻きが生成される分、逃し孔１６を制限し、周囲に失われる蒸気の量を低減できる。

かくして、逃し孔を通る排出の制限は、トラップ内に流入する流れの温度に応じて制御できると共に、排出される生蒸気に対する復水の比率を改善できる。

図５〜７は、渦巻き室８を含む蒸気トラップの実際の実施形態を示す。室８は、ボルト４４（図６）で本体４０に締め付けられたキャップ４２により本体４０に固定されている。本体４０は、入口通路４６と、更なる配管への接続のための整列したねじ孔５０、５２を有する出口通路４８とを備える。通路４６、４８は、本体４０に形成された円形の平坦接触面５８上の各ポート５４、５６に伸びている。

室８は、対向軸方向端面６２、６４を有するほぼ円筒形の制御要素６０内に形成されている。端面６２は、接触面を形成すると共に、本体４０の接触面５８に接する。室８は面６４に開口し、入口２０は面６４内の溝として形成されている。図７に示す如く、室８の周りに均等に分配されると共に、室８の横方向に配向した三つの入口２０がある。

室８は全長に亘り略円筒形であるが、逃し孔１６が位置する狭い切頭台形端壁を持つ。代替案では、切頭台形端壁を、半径方向に伸びる横方向端壁で置換できる。

各入口２０に、円形溝の形態のポート６８を、各通路６６で接続している。この溝６８の中心は、ポート７０及び逃し孔１６の反対側における導管１８の端部上にある。ポート７０と溝６８の配置は、制御要素６０が、入口２０及び逃し孔１６と入口通路４６及び出口通路４８各々との間の連通をポート５４、５６を介して維持しつつ、ポート７０の周りの何れかの方向における接触面５８上に設置可能となっている。シール７２、７４及び７６は、面６２、６４における漏洩を防止する。

キャップ４２は、制御要素６０を本体４０の接触面５８に押し付ける。キャップ４２は室８と入口２０を閉鎖する。作動時、蒸気及び復水が、矢印７８で示すようにトラップ内に流入し、入口通路４６を通過し、更にポート５４、溝６８及び通路６６を経て入口２０に至る。図１〜図４を参照して説明したように、入口２０を通過する流れは、室８内に逃し孔１６を通る流れを調整する渦巻きを生ずる。通路１８を通過した復水と蒸気は、ボイラへの排出、即ちリターンのためにポート７０、５６を経て出口通路４８に入る。

図５に示す構成は、本体４０と回りの配管との接続を阻害することなく、一の制御要素６０から他のものへの交換を簡単にする。かかる交換は、例えば異なる特性の制御要素６０（例えば、異なる直径の逃し孔１６を持つもの）への交換や、摩耗や損傷した制御要素６０の、他のものへの交換の場合に望ましい。

本発明の第１の実施形態に係る固定オリフィス蒸気トラップの断面図。 図１の線ＩＩ−ＩＩから見た図１の固定オリフィス蒸気トラップの平面図。 本発明の第２の実施形態に係る固定オリフィス蒸気トラップの断面図。 図３の線ＩＶ−ＩＶから見た図３の固定オリフィス蒸気トラップの平面図。 蒸気トラップの他の実施形態の断面図。 図の蒸気トラップの平面図。 図５及び図６の蒸気トラップの部品の平面図。

符号の説明

１ 蒸気トラップ、２、６ フランジ、４、４０ 本体、５ 開口、８ 渦巻き室、１０ 上部部分、１２ 下部部分、１４ 基部、１６ 逃し孔、１８ 導管、２０、３２ 入口、２２ 外側縁、２４ 内側縁、２６ コネクタ、３０ 中心軸、４２ キャップ、４４ ボルト、４６ 入口通路、４８ 出口通路、５０、５２ ねじ孔、５４、５６、７０ ポート、５８ 接触面、６２、６４ 端面、６６ 通路、６８ 溝、７２、７４、７６ シール

Claims (25)

1. 渦巻き室と、入口と、単一の出口とを備え、前記入口が、前記室の長手軸の周りに前記室内に流体の回転流れを生成するように流体を前記室の中に流入させるべく配設されており、前記出口が、前記室の軸端に逃し孔を備える復水トラップ。
2. 前記渦巻き室が、少なくとも部分的に円筒状である請求項１に記載の復水トラップ。
3. 前記渦巻き室が、少なくとも部分的に切頭台形である請求項１又は２記載の復水トラップ。
4. 前記円筒部が、前記切頭台形の長い方の直径端に隣接する請求項２又は３記載の復水トラップ。
5. 前記入口が、円筒部分に開口する請求項４に記載の復水トラップ。
6. 前記逃し孔が、前記切頭台形の短い方の直径端に隣接する請求項３から５の１つに記載の復水トラップ。
7. 前記逃し孔が、前記渦巻き室の長手軸上に位置する請求項１から６の１つに記載の復水トラップ。
8. 前記逃し孔が、前記渦巻き室の横方向端壁に配設された請求項１から７の１つに記載の復水トラップ。
9. 前記渦巻き室が、前記室への入口に連通する入口通路及び前記逃し孔に連通する出口通路を備える本体で支持された制御要素に配設された請求項１から８の１つに記載の復水トラップ。
10. 前記制御要素及び前記本体が各接触面で互いに接し、前記入口通路及び出口通路が、前記本体の接触面上の各ポートに開口し、前記入口及び前記逃し孔が、前記制御要素の接触面において各ポートと連通する請求項９記載の復水トラップ。
11. 前記制御要素が、前記逃し孔と連通するポートの周りの複数の異なる回転位置のうちの一つにおいて前記本体と係合可能である請求項１０記載の復水トラップ。
12. 前記入口と連通するポートが、前記逃し孔と連通するポートの中心に、前記接触面内に円形の溝を備える請求項１１記載の復水トラップ。
13. 前記入口が、前記室の接線方向に配向していると共に、前記室の回りに等しく分配された複数の入口の一つである請求項９から１２の１つに記載の復水トラップ。
14. 前記制御要素が、キャップによって前記本体に固定された請求項９から１３の１つに記載の復水トラップ。
15. 前記室が、前記接触面に対向して前記制御要素の面に開口し、前記室が、前記キャップによって閉鎖された請求項１４記載の復水トラップ。
16. 更に、前記流体を前記室の長手軸に向かって導く第２の入口を備える請求項１から１５の１つに記載の復水トラップ。
17. 前記第２の入口が、前記第１の入口として前記渦巻き室に沿って同じ長手方向位置に配設された請求項１６記載の復水トラップ。
18. 更に、前記流体を前記室にすべく前記第１の入口又は前記第２の入口のいずれかを選択する切り替え手段を備える請求項１６又は１７記載の復水トラップ。
19. 前記切り替え手段が、前記トラップの上流側で前記流量の温度を検知する温度検知手段に応答する請求項１８記載の復水トラップ。
20. 前記逃し孔の直径が４０ｍｍ以下である請求項１から１９の１つに記載の復水トラップ。
21. 前記逃し孔の直径が３０ｍｍ以下である請求項２０記載の復水トラップ。
22. 添付図１及び図２、又は図３及び図４、又は図５から図７を参照して記載され、且つそれらに示された復水トラップ。
23. 請求項１から２２の１つに記載の復水トラップを備える蒸気プラント。
24. 請求項１から２３の１つに従う復水トラップを使用し、蒸気及び復水の流れを制御する方法において、前記蒸気及び復水の流れを、前記室内に渦巻きを生成すべく前記渦巻きに導き、前記渦巻きが、前記逃し孔に隣接して位置する低圧領域を有する方法。
25. 請求項２４に記載されると共に、本明細書に記載された蒸気の流れを制御する方法。
    
    

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