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暖房・冷房システムの脱気〜基礎理論及び実用的解決法〜(第二章)

ガスは密閉システムにどのようにして入り込むか

水張り水および補給水の中にはガスが溶解している。

水張り水および補給水には水道水がよく使われる。これらの水は通常「空気が飽和」した状態になっている。ヘンリーによれば、理論上そこに溶存している酸素含有量は約11 mg/l で、窒素含有量は約18 mg/l である。

さらに微量ではあるが二酸化炭素も溶解している。図5はドレスデンでの実測値がこれらの数値と極めてよく一致していることを示している。もちろん地域的なばらつきはある。システムの気密性が最もその値に影響を与えることは言うまでもない。というのも補給水1リットルにつき29 mgの「エア」(窒素と酸素の合計)がシステム内に入り込むからである。

改修工事後の新たな水張り給水時および部分的補給水時に
配管内の残存空気が閉じ込められる。

システム内の機器のエア抜きが不十分であると、閉じ込められた残存空気が水圧の高い循環水に溶解することが起き得る。実験では、水張り工程の後では水中ガス含有量がほぼ二倍になった。調査観察によれば、ガスによる運転トラブルの発生頻度は改修工事の後にも増えている。これは補給水として理想的な、ガスを含まない地域暖房1次側水配管から補給した場合でもある。

改修工事の箇所は、遊離ガス生成の起き易い場所(多くは建物上層部)とは遠く離れた場所で行われるかもしれない。しかし溶解したガスは循環水とともに運ばれ圧力の低いところで遊離する。このような事情からエアトラブルの因果関係の究明が一層困難になることがある。

空気は機器を通してシステム内に浸入拡散することがある。

空気中のガス(およそ窒素が78%、酸素が21%)と水中のガスの濃度差がシステム内への侵入拡散の推進力になる。運転中の温水の酸素濃度はほとんどゼロに近い(→第一章:図1)ので、大気中からと配管網へ拡散しようとする潜在的な力が強まることとなる。

鉄や銅のような金属材料のガス透過性は工学的にゼロと無視できるほど小さいが、化学合成品、ゴム、シール材のような非金属材料についてはその透過性がむしろ高いと言える。そのため、たとえばDIN 4726 (※1) には酸素非透過樹脂管に関する酸素透過性の最大限界値を水1リットル、1日につき0.1 mgと定めている。

図6は、各種暖房システムへの透過拡散O2量を示したものである。このように樹脂パイプ床暖房の場合、透過拡散酸素量は銅管または鋼管による従来の配管に比べて千倍から10万倍も多くなっている。特に鋼管と樹脂管が混在して使われた床暖房では、すでに鋼管の腐食の問題を現実に起こすところまできている。

化学反応および腐食によってガスが生成することがある。

材料の組み合わせ、水質、化学添加物、内容成分、圧力および温度といった多くの境界条件によって、システム水中にガスが生成されることがある。前述の(空気から取り込まれる)窒素ガスにほかに、水素ガスとメタンガスが現場調査中検出されている例がある。

化学反応によるガスの生成メカニズムはすべてが解明されているわけではない。いまだ仮説に基づくしかない部分がある。この分野にも行動を起こす必要がある。

鉄材料を使うシステムでは、水素H2がいわゆる「Schikorr反応」によって生成され、それが過飽和になるまで続くことがある。亜硫酸ナトリウムNa2SO3の配分割合によっては硫化水素H2Sの生成をもたらすことがある。(※2) また、いわゆる硫酸塩還元菌によって硫化水素が発生することもある。(※3) 銅材料を使用した装置(熱交換器のコイル、銅ろう付けされたプレート式熱交換器など)が組み込まれているシステムでは、生成したH2Sが酸化銅Cu2Oと反応して硫化銅Cu2Sに変成しうる。Cu2Oと異なりCu2Sは保護膜を形成しない。結果は、数年の運転でしばしば腐食兆候が現れ、事故の発生となる。

油脂が分解劣化する際に生物学的プロセスによって水素が生成するという仮説もある。これらの仕組みはある種のチューブシステムを製造するのに利用されている。

アルミニウムの使用(アルミニウム製放熱器など)は問題が生じる可能性がある。アルミニウムには製造時から十分な保護皮膜を生成させておかねばならない。アルミニウムの自然保護皮膜はpH 8.5以下で不動態として安定しているが、鉄材料を使うシステムはpH 8.5以上で運転すべきとされている。アルミニウム製放熱器を設置したシステムでは、3.2 mg/lの水素含有量で明らかな腐食の徴候が確認された。この含有量は大気圧、温度30℃ですでに水素の気泡が生じる溶存濃度である。

メタンガスCH4の生成は、一般的にバクテリアや腐敗発酵ガスによるところが多い。

続く→

文献目録
  • ※1ドイツ工業規格 DIN4726:温水床暖房用の樹脂パイプ、一般的要件
  • ※2AGFWセミナー「地域暖房熱供給の水工学」1998年9月、ロストック/ヴァルネミュンデクルーゼ博士:腐食および防食
  • ※3AGFWセミナー「地域暖房熱供給の水工学」1998年9月、ロストック/ヴァルネミュンデホップ:種々の異なる水質における地域暖房ネットワーク
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