密閉配管回路

Question

高温水の密閉配管回路について、教えてください．
?水温上昇による圧力変化は、液の膨張量による膨張タンク内の空気の圧縮だけを考えればよいでしょうか？水の蒸気圧は関係しますか？
?高さが10ｍ以上だと、循環ポンプが止まっている場合、上部に真空部が発生してしまう気がしますが、間違いでしょうか？ポンプが回ってしまえば問題ないでしょうか？
?密閉回路についての挙動がまだ掴みきれていません。参考書等あれば教えてください．

Answer

私の考え方を記します。 
密閉配管回路＝配管中には水が充満しており外気とは遮断されている（最上部のエア抜き弁から空気を排出した状態で給水停止・エア抜き弁閉止）。 
配管回路には最下部にポンプ、あるレベルに密閉型の膨張タンク（隔膜式）が配置されている。 
一例として、配管の最高レベル10ｍ、膨張タンクレベル3ｍ、ポンプレベル0ｍとし、水温20℃とします。 
この状態では、配管最高レベルでの圧力はゼロ（大気圧）膨張タンクレベルでの圧力は0.7Kg/Cm2、ポンプレベルでの圧力は1Kg/Cm2。この状態で温度が90℃に上昇すると水の膨張マイナス配管の膨張分だけ膨張タンクの圧力が上昇（タンク容量が大きければ圧力上昇は僅か）し、配管各部の圧力もその分プラスになる。仮にこの状態で水温が100℃になると沸騰が起こり、配管最高レベルの圧力が1Kg/Cm2となり、配管各部の圧力もその分加算される。 
水温が何度であれ、ポンプを回すと配管系の圧力損失とポンプのＰＱ特性に応じた流量の水が循環する。 
水を幾らか抜いて膨張タンク内の空気（隔膜の外）を負圧にしない限り密閉回路に真空が発生することはない。 
・・・と思うのですが如何でしょうか。

Answer

>質問の仕方が悪くてすみません．

回答も判りにくいようで恐縮しています。
図面があると，お互いに理解しやすいと思うのですが，この段階に及んでも配置関係がまだ十分理解できていません。

>液温の上昇により液体の体積が膨張し空気が圧縮されて内圧が上がりますが(容量、温度によって変化)、その内圧が蒸気圧より低ければ蒸気圧まで上がり、高ければそのままの内圧ですか？という意味の関係です。

意味が理解できません。空気層の内圧は，強制的に加圧や減圧をしていなければ，常に飽和蒸気圧力です。強制的に加圧や減圧をしていれば，常に加圧や減圧したその圧力です。

>上部は大気圧以下になるとの事ですが、液面より上は大気圧以下になり、上になるにしたがってどんどん圧力が小さくなりますか？

液面の上は空気だけではないのですか？　空気だけならば，空気層の圧力は同じです。（厳密に言うと，空気分子の質量分だけ上にいくほど圧力は下がりますが，この場合は空気分子の質量は無視できるほど小さい。）

>大気圧と吊り合う水頭圧10ｍとは関係ないですか？

密閉回路ですから，大気圧は作用していなのではありませんか？！（想像している回路と違うのか？）

>管内の高さ方向の圧力分布はどのように考えればよいでしょう？

圧力は，空気層及び液面では飽和蒸気圧力，液面から下は飽和蒸気圧力＋液面高さ（比重量が1.0ならば，液面高さ1mにつき約1Paです。液面から下にいくほど，圧力は高くなります。

>100℃未満だと上部は真空との事ですが、100度以上で沸騰しているときは、蒸気圧の１気圧という事ですか？

100℃以上でも，飽和蒸気圧力は液温とともに大きくなっていきます。沸騰状態では液面は部分的に常時不規則に動いていますから，常時変化しています。恐らく平均圧力は，沸騰している液温の飽和蒸気圧力になると思います。

Answer

＞?空気の圧縮と?飽和蒸気圧の違いはなんですか？

飽和蒸気圧力は，ある温度において液が蒸発しない状態の最低圧力です。空気は気体なので圧縮性があって，圧力が上昇すると空気は圧縮されます（体積が減る）。いわば，両者は体積と圧力の関係にあると思います。
　密閉循環配管内の液面について，液が沸騰していない限り，温度が変らなければ液面の高さは一定に保持されるので，液の飽和蒸気圧力と空気層の圧力が釣り合っています。液温が変化しても，常に，液の飽和蒸気圧力と空気層の圧力が釣り合った状態になります。液温が上昇すると，飽和蒸気圧力は高くなるので，空気が圧縮されて空気層の圧力も上昇します。この高温状態から，液温が低下すると，飽和蒸気圧力が低くなるので，空気が膨張して空気層の圧力は低下します。

＞?の補足ですが、ポンプは最下位置です。密閉循環配管はハートマークの逆さの形態
で　下方中央部の浮き上がったところに膨張タンクがあり、その液面より下に行き戻
り配管口があるので膨張タンクが開放でも密閉回路になります．今回は、膨張タンク
は密閉とした場合です．この逆さハートマークの高さが10ｍ以上あった場合上部は真
空になりますか？

液の飽和蒸気圧力表がないので断定できませんが，水と同じと仮定すれば，液温が１００℃未満のとき，上部は真空（大気圧以下）になります。ハートマークの高さには依存しません。この高さが何百メートルあっても，液温が１００℃未満のとき，上部は真空（大気圧以下）になります。
　ハートマークの高さが10ｍ以上あれば，２極以下の回転速度で運転する口径１００ｍｍ以下のポンプでは，キャビテーションの問題はないと思います。

＞参考ＵＲＬ早速見てみました。ポンプがらみではありましたが密閉回路の状態の情報
はありませんでした．

密閉も開放も考え方は同じです。液面の圧力は，密閉では飽和蒸気圧力（液面に加圧しない場合，加圧すればその加圧圧力），開放では大気圧になります。そして，ポンプ吸込側の配管損失が小さいとすれば，概略の有効吸込ヘッド（ＮＰＳＨ　Ａ．）は，密閉では液面高さ，開放では液面高さに大気圧を加えた値になります。

Answer

状態が把握できませんが，想像を加えて答えます。

?空気の圧縮だけです。ボイル（ーシャルル）の法則だったか，PV=P'V'になると思います。

?「高さが10ｍ」のポンプとの位置関係がよく判らないのですが，循環ポンプの吸込液面が，ポンプの下１０ｍならば問題が出ます。「上部」の場所もどこかよく判らないのですが，液中にある溶存酸素が高温になると，空中に出てくるので，空気層ができます。空気をポンプに入れると問題が発生します。

?参考URL
http://www.eccj.or.jp/he_qa/heat/n0011.html
http://cm.mech.kyushu-u.ac.jp/~uragami/reporta.doc
密閉回路の場合，液の飽和蒸気圧力＝空気層の圧力です。

Answer

?下記を前提条件として回答します。
膨張タンク＝アキュムレータと考えます。
停止時は常温、大気圧、使用時に高温、加圧。

使用時９０度では沸騰しないので、基本的に蒸気は発生しません。
しかも使用時に温度上昇すると、体積が膨張することにより、圧力も上昇しますので、より沸騰しにくくなります。
従って加熱部で局所的に１００度を超え、沸騰する恐れがあるのであれば別ですが、通常は蒸気圧は考慮の必要はありません。
因みに普通乗用車の冷却水は、１．１気圧、プロピレングリコール使用で１１０度程度まで沸騰しません。

?停止時に大気圧まで下げてしまうと、真空部分の発生が起こりますが、常時循環しているのであれば、当然その高さ以上の揚程のポンプを使用するのですから、真空は発生しません。
また停止時も、アキュムレータにより、与圧を確保することで、真空の発生は防ぐことが可能です。

上記の回答は、かつての私の経験と、物理学の基本からの話ですので、生憎と?の参考書等については判りません。
大手書店の専門書のコーナーには、その手の本が並んでいるのを見たことは有りますので、そちらで探してみてはいかがでしょうか。

密閉配管回路についての教えてください