過熱蒸気を飽和蒸気まで下げる必要があるのはなぜですか?

01. 飽和蒸気
一定の圧力下で水を沸騰させると、水は蒸発し始め、徐々に蒸気に変化します。この時の蒸気温度は飽和温度であり、「飽和蒸気」と呼ばれます。理想的な飽和蒸気状態とは、温度、圧力、蒸気密度が一対一の関係にある状態を指します。

02.過熱蒸気
この圧力下で飽和蒸気が加熱され続け、温度が上昇して飽和温度を超えると、蒸気はある程度の過熱度を持つ「過熱蒸気」となります。このとき、圧力、温度、密度は一対一で対応しなくなります。そのため、依然として飽和蒸気を基準として計測を行うと、誤差が大きくなります。

実際の生産においては、ほとんどのユーザーは集中加熱に火力発電所を選択します。発電所で生成される過熱蒸気は高温高圧であるため、過熱蒸気を飽和蒸気に変換するために、過熱除去・減圧ステーションシステムを通過する必要があります。ユーザーにとって、過熱蒸気は飽和状態まで冷却されたときにのみ、最も有用な潜熱を放出できます。

過熱蒸気は長距離輸送後、動作条件（温度、圧力など）が変化すると、過熱度が高くない場合は熱損失により温度が低下し、過熱状態から飽和または過飽和状態になり、その後変化して飽和蒸気になります。

過熱蒸気を飽和蒸気まで下げる必要があるのはなぜですか?
1.過熱蒸気は、蒸発エンタルピーを放出する前に、飽和温度まで冷却する必要があります。過熱蒸気が飽和温度まで冷却される際に放出される熱量は、蒸発エンタルピーに比べて非常に小さいです。蒸気の過熱度が小さい場合、この部分の熱量は比較的容易に放出されますが、過熱度が大きい場合、冷却時間は比較的長くなり、その間に放出できる熱量はごくわずかです。飽和蒸気の蒸発エンタルピーと比較すると、過熱蒸気が飽和温度まで冷却される際に放出される熱量は非常に小さいため、生産設備の性能を低下させます。

2.飽和蒸気とは異なり、過熱蒸気の温度は一定ではありません。過熱蒸気は熱を放出する前に冷却する必要がありますが、飽和蒸気は相変化によってのみ熱を放出します。高温蒸気が熱を放出すると、熱交換装置内に温度勾配が発生します。生産において最も重要なのは蒸気温度の安定性です。蒸気の安定性は加熱制御に有利です。なぜなら、熱伝達は主に蒸気と温度との温度差に依存するため、過熱蒸気の温度を安定させることは難しく、加熱制御に不利だからです。

3.同じ圧力下では、過熱蒸気の温度は常に飽和蒸気よりも高くなりますが、その熱伝達率は飽和蒸気よりもはるかに低くなります。そのため、同じ圧力下での熱伝達において、過熱蒸気の効率は飽和蒸気よりもはるかに低くなります。

したがって、装置の運転中、過熱蒸気を減温器で飽和蒸気に変換することの利点は、欠点を上回ります。その利点は以下のようにまとめられます。

飽和蒸気の熱伝達率は高く、凝縮過程においては「過熱→伝熱→冷却→飽和→凝縮」という過程を経て、過熱蒸気の熱伝達率よりも高い熱伝達率が得られます。

飽和蒸気は低温であるため、機器の運転においても多くの利点があります。蒸気を節約でき、蒸気消費量の削減に非常に効果的です。一般的に、飽和蒸気は化学製造における熱交換蒸気として使用されます。