(57)【要約】【課題】蒸気が流れる配管においても適用することができ、且つ防爆設備においても好適に使用することが可能な熱量計および熱量計測方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明にかかる熱量計の代表的な構成は、配管（蒸気配管２１０）内を流れる蒸気の熱量の変動を計測する熱量計１００であって、配管中心部の蒸気の温度を測定する第１温度センサ１１０と、第１温度センサより下流側において配管の表面を冷却する冷却装置１２０と、冷却装置と同じ位置に配置され配管の表面から流出する熱流束を測定する熱流束センサ１３０と、冷却装置と同じ位置に配置され配管の表面温度を測定する第２温度センサと、第１温度センサおよび第２温度センサにおいて測定された温度の差および熱流束から配管内を流れる蒸気の熱量の変動を算出する算出部１４０と、を備えることを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管内を流れる蒸気の熱量の変動を計測する熱量計であって、
前記配管中心部の蒸気の温度を測定する第１温度センサと、
前記第１温度センサより下流側において前記配管の表面を冷却する冷却装置と、
前記冷却装置と同じ位置に配置され前記配管の表面から流出する熱流束を測定する熱流束センサと、
前記冷却装置と同じ位置に配置され前記配管の表面温度を測定する第２温度センサと、
前記第１温度センサおよび前記第２温度センサにおいて測定された温度の差および熱流束から前記配管内を流れる蒸気の熱量の変動を算出する算出部と、
を備えることを特徴とする熱量計。
【請求項２】
前記第１温度センサは、前記配管の表面に取り付けられ、保温材によって被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の熱量計。
【請求項３】
前記第１温度センサは、前記配管の表面に面接触する金属板に溶接された金属棒に取り付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱量計。
【請求項４】
配管内を流れる蒸気の熱量の変動を計測する熱量計測方法であって、
前記配管中心部の蒸気の温度を測定し、
前記温度の測定箇所よりも下流側において前記配管の表面を冷却し、
前記冷却箇所と同じ位置で前記配管の表面から流出する熱流束および前記配管の表面温度を測定し、
前記測定された蒸気の温度と配管の表面温度との温度差および熱流束から前記配管内を流れる蒸気の熱量の変動を算出することを特徴とする熱量計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管内を流れる蒸気の熱量の変動を計測する熱量計および熱量計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工場等の施設では、例えばボイラー等によって生成した蒸気によって設備を動作させることがある。このとき、ボイラー等において生成された蒸気は、配管を通じて設備に供給される。この配管における蒸気の熱量を計測する方法としては、例えば特許文献１の入力エネルギーの計測方法を挙げることができる。特許文献１の入力エネルギーの計測方法では、設備機器に流入する蒸気の温度を測定し、設備機器から出る蒸気還水の温度を測定し、超音波流量計によって蒸気還水の流量を求める。そして、入口側蒸気エンタルピーから出口側蒸気エンタルピーを減算し、その結果に蒸気還水の流量を乗算することにより設備機器に入力された蒸気エネルギーを求めている。
【０００３】
上記のように熱量を計測するにあたり、配管内の流体の流量を測定することに困難性がある。特許文献１では、よく知られた方法として、超音波流量計によって配管内の上記流量を求めている。
【０００４】
また配管内の流量を測定する手法として、例えば非特許文献１や、特許文献２に開示されている流量計測装置がある。非特許文献１では、配管の外表面をヒータで加熱し、ヒータに生じた温度変化を計測することにより、流体の流速および流量を算出している。これは、流体に奪われる熱量は流体の流速と一定の相関があるため、流速が速いほどヒータの温度が下がることを利用していると述べられている。非特許文献１では、かかる構成により、特許文献１のように超音波流量計を用いる場合に比してコストダウンが可能となるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４６９４１８５号
【特許文献２】特開２０１３−２０５３１０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】省エネの実現に向けた新兵器  配管表面設置型簡易熱量計を商品化、高砂熱学工業株式会社ホームページ、[平成２６年３月２７日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.tte-net.co.jp/corporate/pressrelease/20140117.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１および特許文献２の流量計測装置は、比較的低温な冷温水が流れる配管へは好適に用いることが可能であると考えられる。しかしながら、配管を流れる流体が蒸気であった場合、ヒータでは、蒸気（飽和蒸気または過熱蒸気）の温度を超えるほどの温度で熱を加えなくてはならない。ヒータの熱は配管内の流体に奪われる必要があるため、ヒータの外側は断熱材で被覆する必要がある。しかし蒸気の温度を超えるほどの温度で熱を加えると、断熱材に損傷が生じてしまう可能性がある。このため、蒸気が流れる配管に非特許文献１の熱量計を適用することは困難である。また仮に断熱材が高温に耐えられる素材であったとしても、ヒータをそのような高温にするためには高出力の電源、すなわち系統電源が必要となる。すると、引火物を扱っている設備等、火気厳禁の現場において非特許文献１の熱量計を使用することはできない。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑み、蒸気が流れる配管においても適用することができ、且つ防爆設備においても好適に使用することが可能な熱量計および熱量計測方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明にかかる熱量計の代表的な構成は、配管内を流れる蒸気の熱量の変動を計測する熱量計であって、配管中心部の蒸気の温度を測定する第１温度センサと、第１温度センサより下流側において配管の表面を冷却する冷却装置と、冷却装置と同じ位置に配置され配管の表面から流出する熱流束を測定する熱流束センサと、冷却装置と同じ位置に配置され配管の表面温度を測定する第２温度センサと、第１温度センサおよび第２温度センサにおいて測定された温度の差および熱流束から配管内を流れる蒸気の熱量の変動を算出する算出部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
上記構成では、冷却装置によって配管の表面を冷却し、冷却されることにより配管の表面から流出する熱流束を用いて蒸気の流速を計測し、これを用いて蒸気の熱量を計測する。すなわち従来では配管を加熱して奪われる熱を利用していたのに対し、本発明では配管を冷却して温度勾配を形成し、熱流束を利用して流速を計測する。なお非特許文献１では過熱は顕熱となって温度変化するが、本発明では蒸気を冷却すると凝縮するため、凝縮熱伝達である。このように配管を冷却して流速を計測することにより、従来のように蒸気の温度を超えるほどの熱を加える必要がないため、蒸気が流れる配管においても好適に適用することができる。また配管の表面を加熱する場合と異なり、冷却の場合には、高出力の電源は必要ない。このため、本発明の熱量計であれば防爆設備においても内蔵するバッテリーを用いることで、安全に使用することが可能である。
【００１１】
上記第１温度センサは、配管の表面に取り付けられ、保温材によって被覆されているとよい。これにより、第１温度センサの周囲における放熱が抑制されるため、配管の表面温度を配管中心部の温度とみなすことができる。
【００１２】
上記第１温度センサは、配管の表面に面接触する金属板に溶接された金属棒に取り付けられているとよい。これにより、第１温度センサの取付を容易としつつ、かかる第１温度センサにおいて配管の表面温度を正確に測定することが可能となる。
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明にかかる熱量計測方法の代表的な構成は、配管内を流れる蒸気の熱量の変動を計測する熱量計測方法であって、配管中心部の蒸気の温度を測定し、温度の測定箇所よりも下流側において配管の表面を冷却し、冷却箇所と同じ位置で配管の表面から流出する熱流束および配管の表面温度を測定し、測定された蒸気の温度と配管の表面温度との温度差および熱流束から配管内を流れる蒸気の熱量の変動を算出することを特徴とする。上述した熱量計の技術的思想に基づく構成要素やその説明は、当該熱量計測方法にも適用可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、蒸気が流れる配管においても適用することができ、且つ防爆設備においても好適に使用することが可能な熱量計および熱量計測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態にかかる熱量計および熱量計測方法を適用する施設を例示する図である。
【図２】本実施形態にかかる熱量計を例示する図である。
【図３】図２に示す第１温度センサの蒸気配管への取付を説明する断面図である。
【図４】図２に示す冷却装置の詳細図である。
【図５】熱流束の測定原理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本実施形態にかかる熱量計および熱量計測方法を適用する施設２００を例示する図である。なお、以下の実施形態に示す、寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。
【００１７】
図１に例示する施設２００では、ボイラ２０２によって蒸気が生成され、生成された蒸気は蒸気配管２１０を通じて生産設備２０２ａ・２０２ｂに供給される。なお、本実施形態では、蒸気生成設備としてボイラ２０２を例示し、蒸気が供給される設備として生産設備２０２ａ・２０２ｂを例示したが、これに限定するものではなく、蒸気が流れる蒸気配管２１０を備える設備であれば、他の設備であっても本実施形態にかかる熱量計および熱量計測方法を適用することが可能である。
【００１８】
図２は、本実施形態にかかる熱量計１００を例示する図であり、熱量計１００を模式的に表している。図３は、図２に示す第１温度センサ１１０の蒸気配管２１０への取付を説明する断面図であり、図２のＡ−Ａ位置における断面を図示している。図４は、図２に示す冷却装置１２０の詳細図である。以下、図２、図３および図４に示す熱量計１００について詳述しながら、本実施形態にかかる熱量計測方法についても併せて説明する。なお、図３では、説明の都合上、図２に示す保温材１１６を不図示としている。
【００１９】
図２に示す熱量計１００は、配管（蒸気配管２１０）内を流れる蒸気の熱量の変動を計測する。図２に示すように、本実施形態の熱量計１００は、第１温度センサ１１０、第２温度センサ（不図示）、冷却装置１２０、熱流束センサ１３０（図４参照）および算出部１４０を含んで構成される。
【００２０】
第１温度センサ１１０は、蒸気配管２１０の中心部の蒸気の温度を測定する。図３（ｃ）に示すように、本実施形態では、第１温度センサ１１０を、蒸気配管２１０の表面に面接触する金属板１１２に溶接された金属棒１１４に取り付けている。これにより、金属板１１２を蒸気配管２１０に巻きつけることにより、第１温度センサ１１０を金属板１１２および金属棒１１４を介して蒸気配管２１０に容易に取り付けることができる。金属板１１２および金属棒１１４は熱伝導性に優れているため、それらに伝わった熱は第１温度センサ１１０に好適に伝達される。したがって、第１温度センサ１１０の取付を容易にしつつ、蒸気配管２１０の温度を正確に測定することが可能となる。
【００２１】
蒸気配管２１０へ第１温度センサ１１０を取り付ける際には、図３（ａ）に示すように、まず第１温度センサ１１０が取り付けられた金属板１１２を蒸気配管２１０の外面（表面）を覆うように配置する。金属板１１２の一方の端部１１２ａは、折り曲げられたタブ状となっていて、かかる端部１１２ａに挿通孔１１２ｂが形成されている。図３（ａ）に示すように金属板１１２を蒸気配管２１０に巻き回したら、図３（ｂ）に示すように、１１８を金属板１１２の外側に巻き回し、締結バンド１１８の端部１１８ａを挿通孔１１２ｂに挿通する。そして、端部１１８ａを締結バンド１１８の締結部１１８ｂに挿通し、締結バンド１１８を締め付けることにより、図３（ｃ）に示すように金属板１１２が蒸気配管２１０に巻き付けられる。
【００２２】
すなわち本実施形態では、金属板１１２を蒸気配管２１０に巻き付けて締結バンド１１８によって締め付けることにより、第１温度センサ１１０を蒸気配管２１０に固定している。このような構成によれば、蒸気配管２１０の配管径に応じた金属板を個々に用意する必要なく、様々な配管径に対応することが可能となる。
【００２３】
また図２に示すように、本実施形態では、第１温度センサ１１０は、蒸気配管２１０の表面に取り付けられ、保温材１１６によって被覆されている。これにより、第１温度センサ１１０の周囲における放熱が抑制されるため、蒸気配管２１０の表面温度を蒸気配管２１０の中心部の温度とみなすことができる。
【００２４】
また本実施形態では、蒸気配管２１０を保温材１１６によって被覆した後、かかる保温材１１６を締結バンド１０２ａ・１０２ｂによって更に締め付けている。これにより、第１温度センサ１１０をより良好に固定することができ、且つ保温材１１６による保温効果を高めることが可能となる。なお、本実施形態では、図２に示すように蒸気配管２１０全体を保温材１１６によって被覆しているが、これに限定するものではなく、第１温度センサ１１０の周辺のみを保温材１１６によって被覆する構成としてもよい。
【００２５】
冷却装置１２０は、第１温度センサ１１０より下流側において蒸気配管２１０の表面を冷却する。図４（ａ）に示すように、本実施形態の冷却装置１２０は、２つに分割された装着部１２０ａ・１２０ｂによって構成される。装着部１２０ａ・１２０ｂは、接触部１２２ａ・１２２ｂをそれぞれ備え、接触部１２２ａ・１２２ｂの外面には、それぞれヒートシンク１２４ａ・１２４ｂ・１２４ｃ・１２４ｄ・１２４ｅ・１２４ｆが設けられている。またヒートシンク１２４ａ〜１２４ｆの外側にはファン１２６ａ・１２６ｂ・１２６ｃ・１２６ｄが配置されている。
【００２６】
図４（ａ）に示す接触部１２２ａ・１２２ｂを対向するように蒸気配管２１０（図４では不図示）に接触させ、装着部１２０ａの係合部１２８ａ・１２８ｂに装着部１２０ｂのスナップ１２８ｃ・１２８ｄを係合させることにより、冷却装置１２０は図４（ｂ）に示す状態となる。これにより、本実施形態の冷却装置１２０では、蒸気配管２１０の表面の熱が接触部１２２ａ・１２２ｂを介してヒートシンク１２４ａ〜１２４ｆによって放熱され、そのヒートシンク１２４ａ〜１２４ｆの放熱がファン１２６ａ〜１２６ｄによって促進される。すなわち本実施形態では、冷却装置１２０を構成するヒートシンク１２４ａ〜１２４ｆおよびファン１２６ａ〜１２６ｄによって蒸気配管２１０の表面が冷却される。
【００２７】
特に本実施形態のように装着部１２０ａ・１２０ｂを係合部１２８ａ・１２８ｂおよびスナップ１２８ｃ・１２８ｄによって係合することにより、それらを蒸気配管２１０に対して密着させながら固定することができる。したがって、蒸気配管２１０の熱をより効率的に接触部１２２ａ・１２２ｂひいてはヒートシンク１２４ａ〜１２４ｆに伝達させることが可能となる。また蒸気配管２１０の表面が粗い場合には、蒸気配管２１０の表面と、接触部１２２ａ・１２２ｂの蒸気配管２１０と接触する面との間に熱伝達シート（不図示）を介在させるとよい。これにより、蒸気配管２１０の表面と接触部１２２ａ・１２２ｂとの密着度を高めることができ、熱伝達率を高めることが可能となる。なお、本実施形態の冷却装置１２０におけるヒートシンクおよびファンの数は例示に過ぎず、適宜変更することが可能である。
【００２８】
また図４（ａ）に示すように、接触部１２２ｂの蒸気配管２１０に接触する面には熱流束センサ１３０が配置されている。熱流束センサ１３０は、冷却装置１２０と同じ位置に配置され、冷却装置１２０によって冷却されることにより蒸気配管２１０の表面から流出する熱流束を測定する。また本実施形態では、熱流束センサ１３０は、冷却装置１２０と同じ位置に配置され蒸気配管２１０の表面温度を測定する第２温度センサとしても機能する。すなわち本実施形態の熱流束センサ１３０には第２温度センサが内蔵されている。
【００２９】
なお、本実施形態では、熱流束センサ１３０と第２温度センサとを一体とする構成を例示したが、これに限定するものではなく、それらを別体とすることも当然にして可能である。その場合、図４に示す冷却装置１２０において、蒸気配管２１０と接触部１２２ａ・１２２ｂとの間に第２温度センサを配置することが好ましい。
【００３０】
また蒸気配管２１０において、上述した冷却装置１２０の取付箇所は、配管の鉛直部または水平部すなわち直管部であり、且つ取付箇所の前後の直管部の長さは配管径の２０倍以上確保されていることが好ましい。これにより、冷却装置１２０によって蒸気を冷却した際に、乱流の発生を抑制し、蒸気の二相流を好適に発生させることが可能となる。なお、蒸気配管２１０の水平部に冷却装置１２０を取り付ける場合には、熱流束センサ１３０が蒸気配管２１０の上面に面するように設置することが好ましい。これにより、蒸気が凝縮した際の水滴の熱流束センサ１３０への付着を防ぐことが可能となる。
【００３１】
図２に示す第１温度センサ１１０および図４（ａ）に示す熱流束センサ１３０は算出部１４０にそれぞれ接続されている。算出部１４０は、第１温度センサ１１０によって測定された蒸気の温度、第２センサ（不図示）によって測定された蒸気配管２１０の表面温度、および熱流束センサ１３０によって測定された熱流束から蒸気配管２１０内を流れる蒸気の熱量の変動を算出する。
【００３２】
図５は、熱流束の測定原理を説明する図である。図５に示すように、蒸気配管２１０内を流れる蒸気には、温度分布および速度分布が存在し、蒸気配管２１０の内面に接する流体において温度が変化する温度境界層、および速度が変化する速度境界層が生じる。速度境界層および温度境界層は、蒸気の流速が速くなるにしたがって薄くなる。そして、温度境界層が薄くなるにしたがって熱勾配が大きくなるために蒸気配管２１０の表面温度が上昇し、その上昇にともなって熱流束が増大する。したがって、熱流束センサ１３０によって測定された熱流束により、蒸気配管２１０を流れる蒸気の流速を算出することができる。
【００３３】
詳細には、冷却箇所（冷却装置１２０が設置されている箇所）における蒸気配管２１０の表面温度をＴｗ、かかる蒸気配管２１０を流れる蒸気の温度をＴｆとし、熱流束ｑとしたとき、それらの関係は式（１）によって示される。式（１）におけるｈは熱伝達率である。したがって、蒸気配管２１０の表面温度Ｔｗ、蒸気配管２１０を流れる蒸気の温度Ｔｆ、および熱流束ｑを計測することにより、熱伝達率ｈを算出することができる。
ｑ=ｈ（Ｔf?Ｔｗ）      …式（１）
【００３４】
本実施形態のように蒸気配管２１０内に蒸気（流体）が流れる際には、それらの間に強制対流が生じる。このときの熱伝達率ｈは以下の式２によって表される。式２におけるＮｕはヌセルト数であり、ｒiは蒸気配管２１０の内径である。λｗは流体の熱伝導率であり、流体の種類と流体の温度によって定められる。したがって、この式（２）に式（１）によって算出した熱伝達率ｈを代入することにより、ヌセルト数Ｎｕを算出することができる。
ｈ＝Ｎu×λｗ／ｒi      …式（２）
【００３５】
レイノルズ数Ｒｅ＞１０，０００の乱流時には、式（３）に示すように、ヌセルト数Ｎｕはレイノルズ数Ｒｅとプラントル数Ｐｒの関数として表される。プラントル数Ｐｒは、流体の種類と流体の温度によって定められる。ｘは、平板前縁からの距離または二相流における蒸気のクオリティであり、Ｐは圧力、Ｐcrは臨界圧力である。
したがって、式（２）によって算出したヌセルト数Ｎｕを凝縮熱伝達の式（３）に代入することにより、レイノルズ数Ｒｅを算出することができる。
Ｎｕ＝ｆ（Ｒｅ，Ｐｒ）
＝０．０２３Ｒｅ0.8Ｐｒ0.4［（１−ｘ）0.8＋３．８ｘ0.76×（１−ｘ）0.04／（Ｐ／Ｐcr）0.38］      …式（３）
【００３６】
上記式（３）によって算出したレイノルズＲｅと流速Ｖとの関係は、式（４）に示すとおりである。この式（４）において、動粘性係数νは、流体の種類と流体の温度によって定められる。したがって、式（３）において算出したレイノルズＲｅを式（４）に代入することにより、蒸気配管２１０を流れる蒸気の流速が算出される。
Ｒｅ＝Ｖ×ｒi／ν      …式（４）
【００３７】
上述した式（１）〜式（４）によって蒸気の流速が算出されたら、かかる流速に蒸気配管２１０内の断面積を乗算することにより蒸気の単位時間あたりの流量を算出することができる。そして、単位時間当たりの蒸気の流量に蒸気潜熱を乗算することにより、単位時間あたりの蒸気の熱量を算出することができるため、単位時間ごとに熱量を比較することによってその変動を算出することができる。
【００３８】
上記説明したように、本実施形態にかかる熱量計１００および熱量計測方法によれば、冷却装置１２０によって冷却されることにより蒸気配管２１０の表面から流出する熱流束を用いて蒸気の流速を算出することができ、その流速を用いて蒸気の熱量を計測する。本実施形態のように蒸気配管２１０の冷却時の熱流束を利用することにより、蒸気の温度を超えるほどの熱を加える必要がないため、蒸気が流れる配管においても好適に適用することが可能となる。また蒸気配管２１０の冷却には、ファンを駆動させる程度の電力でよく、配管の表面を加熱する際のような高出力の電源は不要である。したがって本実施形態にかかる熱量計１００は電池で駆動させることも十分に可能であり、火気に対して注意を払う必要がある防爆設備においても安全に使用することができる。
【００３９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、室内の空気の温度を調節する熱交換器および加湿器として利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１００…熱量計、１０２ａ・１０２ｂ…締結バンド、１１０…第１温度センサ、１１２…金属板、１１２ａ…端部、１１２ｂ…挿通孔、１１４…金属棒、１１６…保温材、１１８…締結バンド、１１８ａ…端部、１１８ｂ…締結部、１２０…冷却装置、１２０ａ…装着部、１２０ｂ…装着部、１２２ａ…接触部、１２２ｂ…接触部、１２４ａ…ヒートシンク、１２４ｂ…ヒートシンク、１２４ｃ…ヒートシンク、１２４ｄ…ヒートシンク、１２４ｅ…ヒートシンク、１２４ｆ…ヒートシンク、１２６ａ…ファン、１２６ｂ…ファン、１２６ｃ…ファン、１２６ｄ…ファン、１２８ａ…係合部、１２８ｂ…係合部、１２８ｃ…フック、１２８ｄ…フック、１３０…熱流束センサ、１４０…算出部、２００…施設、２０２…ボイラ、２０２ａ…生産設備、２０２ｂ…生産設備、２１０…蒸気配管
【図１】
2015197313.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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