JP2007093128A - 蒸気質モニタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一定の安定した条件で蒸気を凝縮水としてサンプリングし、凝縮水の水質を計測することにより、蒸気の質を正確に判定することができる蒸気質モニタリング装置を提供する。
【解決手段】隔壁を隔てて流通する冷媒との熱交換によって蒸気を冷却・液化する蒸気質モニタリング装置において、蒸気が冷却・液化されて凝縮水となって流出する凝縮水出口に流量計及び温度計を設け、該流量計の計測値信号を元に演算を行い、凝縮水出口に設けた自動弁の開度を制御することにより、凝縮水の流量を所定の値に制御するとともに、該温度計の計測値信号を元に演算を行い、冷媒の入口又は出口に設けた自動弁の開度を制御することにより、蒸気の冷媒との熱交換率を制御し、凝縮水の温度を所定の値に制御することを特徴とする蒸気質モニタリング装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気質モニタリング装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、常に一定の安定した条件で蒸気を凝縮水としてサンプリングし、凝縮水の水質を計測することにより、蒸気の質を正確に判定することができる蒸気質モニタリング装置に関する。

従来は、製品の加熱や殺菌に、ボイラで発生させた蒸気により、熱交換器を用いて製品と間接的に熱交換する場合が多かった。近年、この蒸気を熱交換器を使用せず、直接製品に吹き込んで製品の加熱や殺菌を行うことが一般化してきた。

食品製造工場では、原材料のおいしさや新鮮さをできるだけ維持するために、蒸気を直接食品に吹き込み、殺菌することが行われ始めた。このような状況下では、蒸気に万一異物が含まれると、この蒸気を吹き込んだ食品は品質が維持できないために出荷されず、廃棄されてしまう。従来は、きちんと水処理され、かつ十分に管理されたボイラが使用されているので、このような蒸気の質はほとんど注目されることがなく、最終製品の品質を経験者が試験により判定し、合格品のみを出荷していた。このような状況は、コーンフレークなどのシリアル、レトルト食品や缶詰などの製造工程でも発生する他に、病院におけるガーゼ、包帯などの殺菌などでも発生する。

従来、きちんと水処理され、管理されたボイラを使用する限りは、蒸気の質はあまり問題にならなかった。しかし、近年、比較的価格が安く、無人運転が可能な小型貫流ボイラが普及してきた。小型貫流ボイラ（ＪＩＳ Ｂ ８２２３では特殊循環ボイラと定義されている。）においては、経済性が重視され、性能的にあまり優れていない汽水分離機が設けられているために、蒸気に不純物が含まれやすい傾向がある。従って、このような小型貫流ボイラで作った蒸気を製品と直接接触させるような用途に使用するためには、蒸気の質をモニタリングする必要がある。また、きちんと水処理され、かつ十分に管理されたボイラを使用するケースでも、運転開始から相当な時間の間に発生した蒸気は廃棄し、相当な時間経過後の蒸気を使用していた。もし蒸気の質が計測できるならば、問題ない時間からただちに、食用に供することができることになり、蒸気のムダを防止することができる。

従来より、ボイラの蒸気を凝縮させて、水質を評価することは行われている。例えば、ボイラ復水系用腐食監視装置として、ボイラから蒸気を受け入れて凝縮させる蒸気冷却器と、復水出口を有し、内部にテストピースを装着可能な、透明材料で構成されたテストピースカラムと、蒸気冷却器からの復水をテストピースカラムに供給する配管とを備えてなるボイラ復水系用腐食監視装置が提案されている（特許文献１）。しかし、従来の蒸気の冷却装置は、凝縮水の流量制御にスチームトラップを用いているために、蒸気圧力及び温度の変化や、冷媒温度や流量の変化によって、凝縮水流量が不規則に変化していた。また、冷媒の流量制御に手動弁を一定の開度で用いているために、冷媒の送圧の変化及び温度の変化により、冷媒の熱交換容量が変化し、凝縮水の温度が不規則に変化していた。腐食性を見るためには、蒸気を凝縮水にしさえすれば測定できるが、この方法で蒸気の質を見ようとすると、凝縮水の水質の計測結果と、蒸気成分の関係が一定とならず、計測結果の再現性が良好でなくなる。
特開平８−２８８０３号公報

本発明は、常に一定の安定した条件で蒸気を凝縮水としてサンプリングし、凝縮水の水質を計測することにより、蒸気の質を正確に判定することができる蒸気質モニタリング装置を提供することを目的としてなされたものである。

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、隔壁を隔てて流通する冷媒との熱交換によって蒸気を冷却・液化する蒸気質モニタリング装置において、凝縮水出口に流量計及び／又は温度計を設け、流量計及び／又は温度計の計測値信号を元に演算を行い、凝縮水の流量及び／又は温度を所定の値に制御することにより、凝縮水の水質が計測される条件を一定に保って、蒸気の質を正確に判定することができることを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、
（１）隔壁を隔てて流通する冷媒との熱交換によって蒸気を冷却・液化する蒸気質モニタリング装置において、蒸気が冷却・液化されて凝縮水となって流出する凝縮水出口に流量計を設け、該流量計の計測値信号を元に演算を行い、凝縮水出口に設けた自動弁の開度を制御することにより、凝縮水の流量を所定の値に制御することを特徴とする蒸気質モニタリング装置、
（２）隔壁を隔てて流通する冷媒との熱交換によって蒸気を冷却・液化する蒸気質モニタリング装置において、蒸気が冷却・液化されて凝縮水となって流出する凝縮水出口に温度計を設け、該温度計の計測値信号を元に演算を行い、冷媒の入口又は出口に設けた自動弁の開度を制御することにより、蒸気の冷媒との熱交換率を制御し、凝縮水の温度を所定の値に制御することを特徴とする蒸気質モニタリング装置、
（３）隔壁を隔てて流通する冷媒との熱交換によって蒸気を冷却・液化する蒸気質モニタリング装置において、蒸気が冷却・液化されて凝縮水となって流出する凝縮水出口に流量計及び温度計を設け、該流量計の計測値信号を元に演算を行い、凝縮水出口に設けた自動弁の開度を制御することにより、凝縮水の流量を所定の値に制御するとともに、該温度計の計測値信号を元に演算を行い、冷媒の入口又は出口に設けた自動弁の開度を制御することにより、蒸気の冷媒との熱交換率を制御し、凝縮水の温度を所定の値に制御することを特徴とする蒸気質モニタリング装置、
（４）冷媒が、冷却水である(１)ないし(３)のいずれか１項に記載の蒸気質モニタリング装置、及び、
（５）蒸気が、小型貫流ボイラにより製造されたものである(１)ないし(４)のいずれか１項に記載の蒸気質モニタリング装置、
を提供するものである。

本発明の蒸気質モニタリング装置によれば、蒸気の凝縮水の水質が計測される流量条件及び／又は温度条件を一定に保つことにより、凝縮水の水質の計測結果と蒸気の質が常に一定の関係となり、凝縮水の水質の計測結果から、蒸気の質を正確に判定することができる。このために、質の低い蒸気を食品、飲料などの製品に誤って直接吹き込んで、不良品を発生させるような事故を未然に防止することができる。また、常時蒸気質をモニタリングできるため、基準内の蒸気をムダに系外に放出することがない。さらに、蒸気を冷却・液化するための熱交換に、必要以上の冷媒を消費することがないために、冷媒の使用量や、冷媒の冷却に要するエネルギーを節約することができる。

本発明の蒸気質モニタリング装置の第一の態様においては、隔壁を隔てて流通する冷媒との熱交換によって蒸気を冷却・液化する蒸気質モニタリング装置において、蒸気が冷却・液化されて凝縮水となって流出する凝縮水出口に流量計を設け、該流量計の計測値信号を元に演算を行い、凝縮水出口に設けた自動弁の開度を制御することにより、凝縮水の流量を所定の値に制御する。

本発明の蒸気質モニタリング装置の第二の態様においては、隔壁を隔てて流通する冷媒との熱交換によって蒸気を冷却・液化する蒸気質モニタリング装置において、蒸気が冷却・液化されて凝縮水となって流出する凝縮水出口に温度計を設け、該温度計の計測値信号を元に演算を行い、冷媒の入口又は出口に設けた自動弁の開度を制御することにより、蒸気の冷媒との熱交換率を制御し、凝縮水の温度を所定の値に制御する。

本発明の蒸気質モニタリング装置の第三の態様においては、隔壁を隔てて流通する冷媒との熱交換によって蒸気を冷却・液化する蒸気質モニタリング装置において、蒸気が冷却・液化されて凝縮水となって流出する凝縮水出口に流量計及び温度計を設け、該流量計の計測値信号を元に演算を行い、凝縮水出口に設けた自動弁の開度を制御することにより、凝縮水の流量を所定の値に制御するとともに、該温度計の計測値信号を元に演算を行い、冷媒の入口又は出口に設けた自動弁の開度を制御することにより、蒸気の冷媒との熱交換率を制御し、凝縮水の温度を所定の値に制御する。

図１は、本発明の蒸気質モニタリング装置の一態様の系統図である。蒸気配管１を経由して蒸気が熱交換器２に送られ、冷媒により冷却・液化されて凝縮水となる。蒸気配管には圧力計３が設けられ、圧力計の計測値により電磁弁５が作動し、ボイラの運転が終ったときなど、蒸気系の圧力変動があった場合は、圧力計３で変動を検出し、電磁弁５を閉じ計測動作を停止する。なお、逆止弁４は、ボイラが負圧になったときに、モニタリング装置から逆流するのを防止するために設ける。

図１に示す態様の装置において、熱交換器から流出する凝縮水は、凝縮水配管７を経由して、計測部８に導かれる。凝縮水出口に流量計９が設けられ、流量計の計測値信号が演算装置１０に送られ、計測値信号を元に演算が行われて、凝縮水出口に設けられた自動弁１１の開度が制御され、凝縮水の流量が所定の値に制御される。図１に示す態様の装置においては、流量計９が凝縮水配管の上流側、自動弁１１が凝縮水配管の下流側に設けられているが、流量計と自動弁を入れ替えて、自動弁を凝縮水配管の上流側、流量計を凝縮水配管の下流側に設けることもできる。

図１に示す態様の装置において、凝縮水出口に温度計１２が設けられ、温度計の計測値信号が演算装置１０に送られ、計測値信号を元に演算が行われて、熱交換器の冷媒入口に設けられた自動弁１３の開度が制御され、蒸気の冷媒との熱交換率が制御され、凝縮水の温度が所定の値に制御される。図１に示す態様の装置においては、自動弁１３が冷媒入口に設けられているが、自動弁１３を冷媒出口に設けることもできる。

熱交換器から流出する所定の温度の凝縮水は、所定の流量で計測部８に導かれる。計測部には、蒸気の質として着目したい成分を分析することができる分析機器が設けられる。そのような分析機器としては、例えば、溶存酸素計１４、電気伝導率計１５、ｐＨ計１６及び有機体炭素（ＴＯＣ）測定装置１７などが挙げられる。これらの機器で分析された測定値は、記録計１８に記録される。さらに、この測定値をパネルに映し出すこともできる。さらにモデムを介して測定値を遠隔地に送って、集中管理することも可能である。図１に示す態様の装置によれば、常に所定の流量で所定の温度の凝縮水について計測を行うことができるので、再現性よく正確な測定値を得ることができる。なお、演算装置１０と記録計１８は、機能を兼ね備えた装置を用いてもよい。

本発明装置において、隔壁を隔てて冷媒と蒸気の熱交換を行う隔壁式熱交換基の型式に特に制限はなく、例えば、多管式熱交換器、二重管式熱交換器、液膜式熱交換器、コイル式熱交換器、フィン形熱交換器などを挙げることができる。これらの中で、コイル式熱交換器は、構造が簡単なので、メンテナンスも安易であり、かつ安価なので好適に用いることができる。

本発明装置に用いる冷媒に特に制限はないが、冷却水を特に好適に用いることができる。水と水蒸気の熱交換においては、総括熱伝達係数が大きいので、熱効率を高め、装置を小型化することができる。また、水と水蒸気の熱交換においては、全汚れ係数が小さいので、熱交換器の清掃時期の間隔を延ばし、メインテナンスコストを低下することができる。さらに、冷媒としての冷却水は、入手しやすく安価であり、毒性がなく、熱安定性が良好であり、寒冷地を除いて冬季も凍結することがない。使用済冷却水は廃棄してもよいし、ボイラ用の補給水として再利用してもよい。

本発明の蒸気質モニタリング装置において、凝縮水の流量は、３０〜２００ｍＬ／ｍｉｎであることが好ましく、５０〜１５０ｍＬ／ｍｉｎであることがより好ましい。凝縮水の流量が３０ｍＬ／ｍｉｎ未満であると、凝縮水の水質の計測が不正確になるおそれがある。凝縮水は、流量２００ｍＬ／ｍｉｎ以下で正確な水質の計測が可能であり、通常は２００ｍＬ／ｍｉｎを超える流量は必要とされない。本発明の蒸気質モニタリング装置において、凝縮水の設定温度は１０〜４０℃であることが好ましく、２０〜３０℃であることがより好ましい。凝縮水の設定温度が１０℃未満であっても、４０℃を超えても、凝縮水出口から計測部までの移送中に凝縮水の温度が変化し、凝縮水の水質の計測が不正確になるおそれがある。

本発明の蒸気質モニタリング装置においては、得られた凝縮水の着目したい項目に従って、例えば、溶存酸素、ｐＨ、電気伝導率及び有機体炭素（ＴＯＣ）など、１つ以上の項目を測定する。蒸気を食品、飲料などの製品に直接吹き込んで加熱、殺菌などを行う場合、蒸気中の不純物の量は、一応水道水の水質基準以内をメドとする。溶存酸素は、水道水の水質基準項目には挙げられていないが、蒸気の質を判定する上で重要な項目である。凝縮水の溶存酸素が多いことは、蒸気の中に酸素が多量に存在することを意味するので、酸素含有量の多い高温の蒸気を食品、飲料などの製品に直接吹き込むと、製品が酸化により劣化するおそれがある。また、蒸気配管の腐食の原因となり、腐食した配管から剥離した錆が製品に混入するなどの事故を引き起こす可能性がある。

ｐＨは、蒸気に含まれるｐＨ影響成分を検出するために測定される。水質基準には、１８種の無機化合物が個別に取り上げられ、それぞれについて基準値が定められている。本発明装置においては、凝縮水の電気伝導率を測定することにより、凝縮水中に存在するイオンの量を総合的に判定し、電気伝導率が所定の値以下であれば、凝縮水中にイオン性物質は少なく、したがって蒸気の中の無機性の不純物も少ないと判定することができる。凝縮水の電気伝導率が上昇した場合には、個別の化合物について原因を追究し、対策を立てることができる。

水質基準には、２２種の有機化合物が個別に取り上げられ、それぞれについて基準値が定められている。本発明装置においては、凝縮水の有機体炭素を測定することにより、凝縮水中に存在する有機化合物の量を総合的に判定し、有機体炭素が所定の値以下であれば、凝縮水中に有機化合物は少なく、したがって蒸気の中の有機性の不純物も少ないと判定することができる。凝縮水の有機体炭素が上昇した場合には、個別の化合物について原因を追究し、対策を立てることができる。

本発明の蒸気質モニタリング装置において、溶存酸素、電気伝導率、ｐＨ、有機体炭素などを測定する項目は、ボイラ用水の水質、蒸気の使用目的などに応じて適宜選択することができる。

本発明の蒸気質モニタリング装置は小型で軽量とすることができるので、例えば、キャスターのついたステンレス鋼製などのアングルに組み込んだ装置とし、必要に応じて蒸気を発生させる現場に運び込み、現場において凝縮水の水質を計測し、蒸気の質を判定することができる。

以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。
実施例１
伝熱面積７.９４ｍ²、最高圧力０.９８ＭＰａの多管式小型貫流ボイラ［(株)サムソン製］を常温常圧起動する際に発生する蒸気について、図１に示す構成の蒸気質モニタリング装置を用いて凝縮水を得て、蒸気質モニタリング装置により凝縮水の電気伝導率を計測した。
用いた蒸気質モニタリング装置の熱交換器は、伝熱面積０.１３ｍ²のコイル式熱交換器であり、熱交換器の冷却水の温度を２０℃とし、凝縮水の流量を１００ｍＬ／ｍｉｎ、凝縮水の設定温度を２５℃に設定した。ボイラ補給水は軟水である。
結果を図２に示す。この図から、小型貫流ボイラの常温常圧起動の際、起動後の凝縮水の水質、即ち蒸気質が迅速にトレースできることがわかる。このデータを用いて、例えば、蒸気凝縮水の電気伝導率の基準を２ｍＳ／ｍと決めると、１５：４０以降の蒸気を製品と接触させればよいことがわかる。
実施例２
伝熱面積７.９４ｍ²、最高圧力０.９８ＭＰａの多管式小型貫流ボイラを常温常圧起動する際に発生する蒸気について、図１に示す構成の蒸気質モニタリング装置を用いて凝縮水を得て、蒸気質モニタリング装置により凝縮水の電気伝導率とＮａイオン濃度を測定した。なお、Ｎａイオン濃度は、ＪＩＳ Ｋ ０１０１ ４７.３イオン電極法によった。
用いた蒸気質モニタリング装置の熱交換器は、伝熱面積０.１３ｍ²のコイル式熱交換器であり、熱交換器の冷却水の温度を２０℃とし、凝縮水の流量を１００ｍＬ／分、凝縮水の設定温度を２５℃に設定した。なお、ボイラ補給水は軟水である。
結果を図３に示す。これから、小型貫流ボイラの常温常圧起動の際、起動後の凝縮水の水質、即ち蒸気質が迅速にトレースできることがわかる。実施例１と同様に、例えば、蒸気凝縮水の電気伝導率とＮａイオン濃度とも基準２ｍＳ／ｍ、２ｍｇ／Ｌと決めると、１４：３０以降の蒸気を製品と接触させればよいことがわかる。

本発明の蒸気質モニタリング装置によれば、蒸気の凝縮水が計測される流量条件及び／又は温度条件を一定に保つことにより、凝縮水の水質の計測結果と蒸気の質が常に一定の関係になり、凝縮水の水質の計測結果から、蒸気の質を正確に判定することができる。蒸気の成分を計測する際に、蒸気を冷却・液化して計測すると扱いやすく便利である。本発明装置を用いることにより、質の低い蒸気を食品、飲料などの製品に誤って直接吹き込んで、不良品を発生させるような事故を未然に防止することができる。また、蒸気を冷却・液化するための熱交換に、必要以上の冷媒を消費することがなくなるために、冷媒の使用量や、冷媒の冷却に要するエネルギーを節約することができる。

本発明の蒸気質モニタリング装置の一態様の系統図である。 実施例１における缶水と凝縮水の電気伝導率の経時的変化を示すグラフである。 実施例２における凝縮水の電気伝導率とＮａイオン濃度の経時的変化を示すグラフである。

符号の説明

１ 蒸気配管
２ 熱交換器
３ 圧力計
４ 逆止弁
５ 電磁弁
７ 凝縮水配管
８ 計測部
９ 流量計
１０ 演算装置
１１ 自動弁
１２ 温度計
１３ 自動弁
１４ 溶存酸素計
１５ 電気伝導率計
１６ ｐＨ計
１７ 有機体炭素測定装置
１８ 記録計

Claims (5)

1. 隔壁を隔てて流通する冷媒との熱交換によって蒸気を冷却・液化する蒸気質モニタリング装置において、蒸気が冷却・液化されて凝縮水となって流出する凝縮水出口に流量計を設け、該流量計の計測値信号を元に演算を行い、凝縮水出口に設けた自動弁の開度を制御することにより、凝縮水の流量を所定の値に制御することを特徴とする蒸気質モニタリング装置。
2. 隔壁を隔てて流通する冷媒との熱交換によって蒸気を冷却・液化する蒸気質モニタリング装置において、蒸気が冷却・液化されて凝縮水となって流出する凝縮水出口に温度計を設け、該温度計の計測値信号を元に演算を行い、冷媒の入口又は出口に設けた自動弁の開度を制御することにより、蒸気の冷媒との熱交換率を制御し、凝縮水の温度を所定の値に制御することを特徴とする蒸気質モニタリング装置。
3. 隔壁を隔てて流通する冷媒との熱交換によって蒸気を冷却・液化する蒸気質モニタリング装置において、蒸気が冷却・液化されて凝縮水となって流出する凝縮水出口に流量計及び温度計を設け、該流量計の計測値信号を元に演算を行い、凝縮水出口に設けた自動弁の開度を制御することにより、凝縮水の流量を所定の値に制御するとともに、該温度計の計測値信号を元に演算を行い、冷媒の入口又は出口に設けた自動弁の開度を制御することにより、蒸気の冷媒との熱交換率を制御し、凝縮水の温度を所定の値に制御することを特徴とする蒸気質モニタリング装置。
4. 冷媒が、冷却水である請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の蒸気質モニタリング装置。
5. 蒸気が、小型貫流ボイラにより製造されたものである請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の蒸気質モニタリング装置。

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