熱交換器、凝縮、凝縮曲線、蒸発潜熱、蒸気圧、凝縮熱伝達、不凝縮ガス、イナートガス

6.2 熱交換器と物性
6.2.6 凝縮熱伝達と不凝縮ガスの影響 NEW

前回は凝縮熱伝達についてお話ししましたが、扱う流体中に凝縮しないガス、つまり、水蒸気中の空気などの不凝縮ガス（まれにイナートガスと言うこともある）が存在する場合には、不凝縮ガスが伝熱抵抗となるために熱伝達係数が低下します。

ただし、どれほど影響を受けるかというのは、圧力や不凝縮ガスの割合によっても大きく変わります。

例えばコンデンシングタイプのスチームタービンでは、排気スチームをコンデンサーで冷却凝縮させることにより大きなスチームのエンタルピー落差を作り、他形式のタービンに比べ大きな動力を回収しております。そのためにはコンデンサーの温度を45～70℃に保っていますが、この温度（圧力）を一定値以下にするために、エジェクターや真空ポンプを使って漏れ込んできた空気を抜きだしています。これを怠りますと復水器の温度圧力が上昇し、排気スチームのエンタルピー落差が減少して回収できる動力が急激に減少することになります。

実際にコンデンシング・スチームタービンの排気圧力を上げていきますと、コンデンサーで凝縮しなかったスチームが大気中に放出されはじめ、あたかも背気タービンのような様相を呈していきます。勿論、回収動力は急激に低下していきます・・・。

ここで不凝縮ガスの熱伝達に対する影響を定量的に見るために、以下に示す条件を設定致しました。

1. 被凝縮流体：スチーム＋空気（約1wt.%）、約7200kg/h、380～55℃
2. 冷却側流体：冷却水、約367000kg/h、41～55℃
3. 運転圧力：大気圧
4. 冷却凝縮熱量：約6000kW

これと比較するために、不凝縮ガスを一切含まないケースを考えます。その結果を下表に示します。

項目	単位	不凝縮ガス含む	不凝縮ガス含まず
熱負荷	kW	5964	5958
伝熱面積	m2	67.6	76.9
総括熱伝達係数	kW/m2-C	1459	1636
温度差	deg.C	53.2	53.7

このように不凝縮ガスをわずか１％でも含みますと、総括熱伝達係数が低下し所要の伝熱面積が増加します。この例では、総括伝熱係数は約１０％低下し、伝熱面積がその割合で逆に増加しています。
この現象はプラントの蒸留塔のコンデンサーに多く見られますが、特にメインコンデンサーの下流に位置して不凝縮ガスを多く含むセカンドコンデンサーにて顕著に表れます。そこで、コンデンサーの設計を行う場合には、記載が無くても不凝縮ガスの存在を一応疑ってみて、必要ならば流体の物性を決定して下さい。

追記
先ほどの例では、不凝縮ガスを含む流体と不凝縮ガスを含まない流体のdew pointはそれぞれ55℃と100℃でしたが、不凝縮ガスを含まない流体の圧力を下げて不凝縮ガスを含むケースと同じdew point（55℃）にした場合には、伝熱特性はどうなるでしょうか？