【ディスク・フロート】スチームトラップの種類とバッチ系化学工場での使用場所

配管配管

NEONEEETです。

スチームトラップからドレンが流れません。

どうせ設計ミスでしょ。

この記事では、スチームトラップの種類とバッチ系化学工場での使用場所を解説します。

スチームトラップの種類

今回の記事ではスチームトラップについて解説します。

スチームトラップというとTLVが有名でしょう。

現に、サイトには非常に多くの情報が載っています。

多すぎて何を選べばいいのか分からない。

設備系あるあるですね。

そこでバッチ系化学工場で使用する範囲に限定して解説しようと思います。

ディスクかフロートか。これだけです。

ディスク

まずはディスク式について解説します。

ディスクは蒸気とドレンの熱力学的性質を利用したもの。

何のことか良く分かりませんよね。

結局は圧力の話になります。熱力学的性質というからややこしくなるだけです。

少し解説を進めましょう。

ディスク式は以下のような構造をしています。

蒸気ドレンが通る道のある部分に、ディスク(赤部分)があります。

このディスクが弁としての開閉機能を持っています。

蒸気を通し始めてから、トラップが作動するまでのプロセスを見てきましょう。

ステージ1:空状態

最初は蒸気が通っていない空の状態です。

この状態ではディスクは閉まった状態です。

ディスクの上面も下面も空気で満たされた状態で、ディスクに掛かる力とディスクの重みで下に押されている状態です。

ディスクの上面と下面で圧力を受ける面積が大きく違うのは、

下面がケーシングと接触する割合が大きいから。

言い方を変えると、ドレンが通る面積が少ないから。

ディスクの上面と下面で圧力を受ける部分は、下の図のように大きく変わります。

上面も下面も同じ空気の圧力を受けていると、下面に押される力の方が当然大きくなります。

これにディスク自身の重力も加わるので、ディスクは当然閉まる方向に動きます。

ステージ2:ドレン排出

蒸気を使い始めて、ドレンが発生した時の動きを見ましょう。

ドレンは蒸気の圧力を付加された状態で、高い圧力を持っています。

ディスクの下面にドレンの圧力が加わり、上面には空気の低い圧力しか加わっていません。

ここで

(ディスクの重み) < (ディスク下面の力) – (ディスク上面の力)

となれば、ディスクは浮きます。

ディスクが浮くと、ドレンは外部に排出されます。

ステージ3:凝縮開始時

ステージ2の段階になると、その瞬間にステージ3が発生します。

この状態ではディスクが収まっている部屋はドレンで満たされます。

ドレンで満たされた瞬間に、

(ディスクの重み) < (ディスク下面の力) – (ディスク上面の力)

という力関係は破綻します。

(ディスク上面の圧力) = (ディスク下面の圧力)となるので、

(ディスク上面の力) > (ディスク下面の力)となるからですね。

ディスクの重みも加わって、ディスクは下がっていきます。

ディスク上面はドレンだけで満たされることは無く、蒸気を含みます。

この状態でずっと放置していると、蒸気はドレンに変化します。

外部に熱が放散されるからです。

蒸気がドレンに変化すると、圧力は急に減少します。

体積が急に減少するからですね。

ステージ4:凝縮完了時

ステージ4はステージ3とほぼ同じ段階です。

ステージ3で蒸気が凝縮していきますが、それが終わると圧力は極端に少なくなります。

この瞬間にステージ2に戻ります。

トラップ入口のドレンの圧力でディスクは開く方向に動きます。

このステージ2~4を繰り返すことで、ドレンを排出するディスク式スチームトラップは機能します。

凝縮という工程を含むから「熱力学的性質」と呼んでいます。

実際には、蒸気やドレンの圧力でディスクの上下をしていますよね。割と単純ですよ。

フロート

フロート式は密度差を利用したものです。

ディスク式に比べても単純です。

ディスク式の方を先に紹介したのは、ディスク式の方が圧倒的多数だから。

フロート式も登場しますので、原理は理解しておきたいところです。

フロート式のイメージを下に示します。

フロートという浮きがあって、

蒸気ドレンという液体に対して浮いて、蒸気という期待に対しては沈む

というフロートの構造をしています。

フロートが沈むとケーシングのオリフィスを閉めて、フロートが浮くとオリフィスを開くという機構を持ちます。

単純ですね。

バッチ系化学工場での使用場所

バッチ系化学工場で使用するディスク式とフロート式のトラップの使用場所を紹介します。

大半はディスク

バッチ系化学工場で使用するスチームトラップの大半はディスク式です。

というのも、ほとんどすべての場所は主管やトレース配管だから。

主管やトレース配管で発生するドレン量は少ないので、ディスク式で対応できます。

スチームトラップと言えばディスク

と妄信するエンジニアが大量発生するくらい、ディスク式は圧倒的に使用します。

装置周りはフロート

フロート式は装置周りに使用します。

これはドレン発生量が多いから。

ディスク式とフロート式の使い分けは、ドレン発生量にあります。

ドレン発生量で比較すると

ディスク < フロート

となります。

装置周りではフロートを使うのが無難です。

バッチ系化学工場では装置周りに使用する蒸気として、500kPaG、500kg/hという条件が付くことが多いです。

カタログスペック上はディスク式でも対応できそうな気がしますが、これは危険。

スチームトラップでは余裕率を2~3倍取るのが普通です。

500kg/hだと3倍の余裕率を取って1500kg/hと考えた瞬間に、ディスク式は使えないという判断になります。

バッチ系化学工場では汎用的な設計思想を好むので、特定の条件で500kPaG、500kg/hであったとしても、

他の製品では蒸気圧力や使用量を上げたいという場合は多いです。

500kg/hだからディスクでも運良く対応できていた場合でも、

新製品を入れた時に使用量が増えて、フロート式にすべきだったのにディスク式のままで使用して問題になった。

こんなケースは山のようにあります。

最後に

スチームトラップの種類とバッチ系化学工場での使用場所を解説しました。

ディスク式は熱力学的差、フロートは密度差を利用したもの。

バッチ系化学工場ではディスク式は一般蒸気ラインに、フロート式は装置周りに使用します。

この記事が皆さんのお役に立てれば嬉しいです。

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