JP2507642B2

JP2507642B2 - 水分補集装置

Info

Publication number: JP2507642B2
Application number: JP33262089A
Authority: JP
Inventors: 政司青木
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-12-25
Filing date: 1989-12-25
Publication date: 1996-06-12
Anticipated expiration: 2011-06-12
Also published as: JPH03194437A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］〔産業上の利用分野〕本発明は、例えば原子力施設において排ガス等のガス
中の水分に含まれている物質を測定するときに用いるこ
とのできる水分補集装置に関する。

〔従来の技術〕

原子力発電所等の原子力施設においては、施設からの
排ガス中に含まれるトリチウムの量を測定することが安
全管理上重要である。一般に、トリチウムは排ガス中の
水分に含まれているので、トリチウムの量を測定するた
めには、排ガス中の水分を補集する必要がある。

第５図は従来の水分補集装置の構成例である。

この水分補集装置は冷媒配管系とサンプリング配管系
とから構成されている。冷媒配管系は、コンプレッサ1,
凝縮機2,アキュムレータ３等からなる冷凍機４で圧縮さ
れた冷媒が配管６を介して膨脹弁７に伝えられる。この
膨脹弁７で急激に膨脹されて冷却された冷媒は、補集容
器８の外側に巻回されて配管された補集部冷却管９に流
通される。なお、補集容器８には温度検出器T1および解
凍用ヒータ10が設けられている。補集部冷却管９を通っ
た冷媒は過熱器配管11に導かれ、ここで過熱器12の過熱
器ヒータ13によって完全に蒸発させられる。そして、プ
レクーラ14の外側に巻回されて配管されたプレクーラ冷
却管15を通り、配管16を介して冷凍機４に戻る。なお、
膨脹弁７からプレクーラ14までの冷媒配管系は断熱材26
に被覆されている。この様な冷媒配管系の冷凍サイクル
によって補集容器８内温度を冷却する。なお、サンプリ
ングガスの露点温度が−５℃〜40℃の範囲であれば90％
以上の補集効率を実現するためには、補集容器８の温度
は−40℃以下に冷却し、プレクーラ14の温度は０℃〜10
℃に冷却する必要がある。なお、プレクーラ冷却管15に
流通する冷媒の温度は、過熱器12に設けられた温度検出
器T2および温度調節器（不図示）によって温度制御され
る。

一方、サンプリング配管系は、サンプリングポンプ17
によって取込まれたサンプリングガスがプレクーラ14内
を通り、さらにプレクーラ14と補集容器８とを結ぶサン
プリング配管18,入口側バルブ19を介して補集容器８内
に流入する。補集容器８内を通ったサンプリングガスは
出口側バルブ20,排出配管21,サンプリング流量計22を介
して排出される。

そして、第６図に示すように、上記冷媒配管系によっ
て、所定の予冷期間を経て補集容器８内温度が常温から
−40℃程度まで冷却したら、この状態を保ったまま、上
記サンプリング配管系によって補集容器８内にサンプリ
ングガスを一定期間流通させる。その結果、補集容器８
内にはサンプリングガス中の水分が凝固する。サンプリ
ングが終了したならば、補集容器８に設けた解凍用ヒー
タ10を動作させて補集容器８内に凝固した水分を解凍す
る。

補集容器８およびプレクーラ14で補集された水は、サ
ンプリング配管18を通って補集バルブ23の一次側にたま
り、補集モード時に補集バルブ23を開いて補集タンク24
へ流し込む。そして、補集水を回収する場合は、水回収
バルブ25を開いて回収する。

ところが、従来の水分補集装置は、低露点域から高露
点域までの広範囲に対応させるために補集容器８とプレ
クーラ14とを分離し、補集容器８およびプレクーラ14か
ら補集される水をそれぞれサンプリング配管18を介して
補集タンク24へ導入する構成としていた。そのため、サ
ンプリング配管18の経路が長くなり、配管中に存在する
水量が多くなることから補集容器８側で補集される中低
露点域での補集効率が低かった。また、装置が大型化す
るという欠点もあった。

また、プレクーラ14内の温度が０℃以下になると、サ
ンプリング配管内で氷結して閉塞する恐があるため、過
熱器12内の冷媒温度を確実に０℃以上に制御する必要が
あり、よって信頼性の高い過熱器12が必要となり、コス
ト的に高価なものとなっていた。

さらに、環境温度が高いときにはプレクーラ14の熱交
性能も低下するため、高露点ガスが流入するような場合
には、露点温度が下らないまま補集容器８に流入するた
め、補集容器８入口で急激に冷されて、局部的に大量の
水分が氷結して閉塞する可能性が高かった。

さらにまた、補集容器８の外側から補集部冷却管９が
巻かれているため、サンプリングガス，冷媒間の熱交換
量よりも外部に吸収される熱量のほうが大きく，外部か
らの熱的影響を受けやすい。しかも、補集容器８の大型
化により、必要熱量も大きく、予冷，解凍時間が長く作
業性が悪いという問題があった。

また、補集容器８内の氷結水を回収するために過熱ヒ
ータ10を用いているので、温度検出器T1の他に温度調節
器等の温度制御用の付属装置が必要となり、装置が大型
化すると共にコスト高になるという問題もあった。

〔発明が解決しようとする課題〕

したがって、従来の水分補集装置は、局部的な氷結に
より閉塞する可能性が高いので、装置としての信頼性が
低く、また予冷，解凍時間が長いことから作業性も悪
く、さらに装置が大型化しコスト高になるという問題が
あった。

本発明は以上のような実情に鑑みて成されたもので、
氷結による閉塞を防止して信頼性を向上でき、装置の小
型化，低コスト化を図ると共に作業性，補集効率も向上
することのできる水分補集装置を提供することを目的と
する。

［発明の構成］〔課題を解決するための手段〕本発明は上記課題を解決するために、上下方向に所定
の長さを有し、下方側となるサンプリングガス供給側か
ら上方側となるサンプリングガス排出側にかけて容器内
の伝熱面積密度を徐々に大きくした補集容器と、この補
集容器の下方側端部に設けられ前記補集容器からの補集
水が貯溜される溜水部と、この溜水部の周囲に配管され
た加熱管と、前記補集容器のサンプリングガス供給部よ
り上下方向に所定距離隔てた中間部からサンプリングガ
ス排出部にかけて配管され、上記中間部では前記補集容
器外側から巻回され、その中間部からサンプリングガス
排出部にかけては前記補集容器内側から巻回された冷却
管と、この冷却管の一端部に配管途中に開閉弁が設けら
れた冷媒配管を介して接続され上記冷却管に冷媒を流通
させる冷凍機と、この冷凍機から吐出された高温ガスを
前記加熱管に送出し、かつこの加熱管を通った高温ガス
を前記冷却管へ導くホットガス配管と、このホットガス
配管に設けられた切換え弁とを備える構成とした。

〔作用〕

本発明は以上のような手段を講じたことにより、冷媒
配管に設けられた開閉弁を開いて冷凍機を動作させる
と、補集容器の冷却管に冷媒が送出される。補集容器の
サンプリングガス排出部では冷却管が容器内に露出され
ていることから短時間のうちに極めて低い温度まで冷却
され、中間部は容器外部より間接的に冷却され、さらに
サンプリングガス供給部は冷却管によっては冷却されな
い。よって、補集容器内のサンプリングガス排出部の温
度が極めて低くなり、そこからサンプリングガス供給側
にかけて徐々に高くなるといった温度勾配が形成され、
予冷が短時間のうちに終了する。そして、補集容器内に
サンプリングガスを流入すると、補集容器のサンプリン
グガス供給部は、伝熱面積密度が小さくしかも冷却管に
よって冷却されないので、補集容器内に流入されたサン
プリングガスは急激に冷却されずに、高露点の水蒸気が
サンプリングガス供給部で直接水として補集される。そ
して、補集容器の中間部では、冷却管によって容器外側
より冷却され、中低露点の水蒸気が凝固する。さらに、
サンプリングガス排出部では、伝熱面積密度が広くしか
も容器内部に配管された冷却管によって直接冷却される
ので、低露点の水蒸気までがほとんど凝固する。よっ
て、プレクーラを設けなくても高露点から低露点までの
水蒸気が徐々に露点に達していくので氷結による閉塞を
生じることなく低露点の水分を高効率で補集できるもの
となる。

また、解凍時には、冷媒配管の開閉弁を閉じ、切換え
弁を開くことにより、冷凍機からの高温ガスがホットガ
ス配管を介して溜水部の加熱管に流通されると共に、冷
却管に流通される。補集容器のサンプリングガス排出部
では、容器内に露出した冷却管によって直接加熱され、
中間部では容器外部より間接的に加熱されて、補集容器
内で凝固した氷が解凍される。しかも、解凍途中で氷の
固まりが溜水部に落下しても加熱管によって直接加熱さ
れるので閉塞することなく速やかに液化される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は本発明の一実施例に係る水分補集装置の構成
図である。同図に示す30は補集容器である。この補集容
器30の下方側端部には、一端がサンプリングポンプ31に
接続されたガス供給配管32が補集部入口バルブ33を介し
て接続されている。また補集容器30の上方端には一端が
サンプリング流量計34に接続されたガス排出配管35が補
集部出口バルブ36を介して接続されている。さらに補集
容器30の下方には溜水部37が形成されていて、この溜水
部37は補集配管38および補集バルブ39を介して補集タン
ク40に接続されている。

補集容器30は、第２図に示すように、サンプリングガ
ス入口部分となる高温領域30a,容器30の中間部分となる
中温領域30b,サンプリングガス出口部分となる低温領域
30cが形成されていて、各領域はそれぞれl₁〜l₃の長さ
を有している。各領域の温度は、後述する容器内の伝熱
面積密度および冷却管によって高温（０℃以上），中温
（−20℃〜０℃），低温（−40℃〜−20℃）のそれぞれ
に調節される。中温領域30bから低温領域30cにかけては
冷却管51が配管されていて、中温領域30bには容器外側
から巻回され、低温領域30cには容器内側に巻回されて
いる。また、補集容器30内の伝熱面積密度は第３図
（ａ）に示す様になっている。すなわち、補集容器30の
下側から上側に向けて徐々に大きくなるように設定され
ている。また、溜水部37は加熱管52が巻回されている。

また、冷却管51には冷凍機60からの冷媒および高温ガ
スが流通され、加熱管52には高温ガスが流通される構成
となっている。冷凍機60は、コンプレッサ61,凝縮機62,
アキュムレータ63,ファン64から構成されている。冷凍
機60の凝縮機62には冷媒配管65の一端が接続されてい
て、他端が膨脹弁66に接続されている。冷凍機60で圧縮
された冷媒はこの冷媒配管65を通りライン弁67を介して
膨脹弁66に到達する。膨脹弁66は配管68を介して冷却管
51の上方側端部に接続されている。また、冷却管51の下
方側端部は配管69を介して過熱器70の過熱器配管71に接
続されている。なお、過熱器70には過熱器配管71を通る
冷媒を完全に蒸発させるための過熱器ヒータ72が設けら
れている。この過熱器70は配管73を介して冷凍機60のア
キュムレータ63に接続されている。また、コンプレッサ
61の出口側はホットガス配管74を介して過熱管51の一端
に接続されている。加熱管52の他端はホットガス配管75
の一端に接続されている。ホットガス配管75の他端は、
配管68の膨脹弁67と冷却管51との間に接続されている。
このホットガス配管75には切換え弁76が設けられてい
る。なお、膨脹弁67から過熱器70までの冷媒配管系およ
びホットガス配管74,75には断熱材80が被覆されてい
る。

次に、本実施例の動作について説明する。

先ず、予冷を行う。切換え弁76を閉じ、ライン弁66を
開き、冷凍機60で圧縮された冷媒が冷媒配管65,ライン
弁66を介して膨脹弁67に送られる。そして、膨脹弁67で
膨脹されて配管68を介して補集容器30に設けられている
冷却管51内を流通する。冷媒は冷却管51内を通るときに
気化されて補集容器30を冷却する。冷却管51を通った冷
媒は過熱器70で完全に蒸発して冷凍機60に戻される。そ
のため、冷凍機60のへの液バックは有効に防止される。
このような冷凍サイクルによって、補集容器30内の温度
は第３図（ｂ）に実線で示す温度分布となる。すなわ
ち、補集容器30のサンプリングガス入口からサンプリン
グガス出口に向けて10℃〜−40℃の温度勾配となる。ま
た低温領域30cは容器30内に配管された冷却管51によっ
て直接冷却され、中温領域30bは容器30外側より巻回さ
れた冷却管51によって間接的に冷却されるので、第４図
に示すように、予冷に要する時間は、極めて短な時間と
なる。

補集容器30内の温度が所望の温度勾配となったなら
ば、サンプリングを開始する補集部入口バルブ33,補集
部出口バルブ36を開き、サンプリングポンプ31,サンプ
リング流量計34を動作させる。補集容器30内に送り込ま
れるサンプリングガスは、第３図（ｃ）に実線で示すよ
うに、０℃〜10℃に保たれたサンプリングガス入口部分
となる高温領域30aで高露点の水蒸気の80％以上が直接
水として補集され、溜水部37に溜る。そして、−20℃〜
０℃に保たれた中温領域30bでサンプリングガス中の水
分が多量に凝固する。なお、中温領域30bは領域温度と
伝熱面積密度が適当な値に設定されているので、容器30
内が閉塞することはない。この中温領域30bでは第３図
（ｃ）に破線および一点鎖線で示すように、中露点，低
露点の水蒸気の70％以上が凝固して補集される。そし
て、さらに−40℃にまで冷却されたサンプリングガス出
口部分の低温領域30cでは、サンプリングガス中の低露
点の水蒸気でも90％以上の補集効率で補集される。

このようにして一定量のガスをサンプリングしたなら
ば、次に補集容器30内に凝固した氷を解凍する。補集部
入口バルブ33,補集部出口バルブ36,ライン弁66を閉じる
と共に、切換え弁76を開ける。ライン弁66を閉じて切換
え弁76を開けると、コンプレッサ61の出口から高温ガス
が吐出される。この高温ガスはホットガス配管74を通っ
て溜水部37の加熱管52に送られる。溜水部37は加熱管52
内に送込まれた高温ガスによって例えば70℃以上に加熱
される。そして、加熱管52を通った高温ガスはホットガ
ス配管75を通り、配管68を通って冷却管51内に送込まれ
る。補集容器30の各低温領域30c,中温領域30b,高温領域
30aは60℃〜70℃以上に加熱される。すなわち、−40℃
近い温度で冷却された低温領域30cは容器30内に配管さ
れた冷却管51で直接加熱され、中温領域30bは容器30外
側から巻回されている冷却管51によって間接的に加熱さ
れる。そのため、補集容器30内に凝縮されていた氷は、
第４図に示すように、短時間で解凍され、補集容器下部
に設けられた溜水部37に溜められる。溜水部37には、コ
ンプレッサ61からの高温ガスが直接送込まれるので、補
集容器30より氷の塊のまま溜水部37に落下した氷は、速
やかに溶される。

そして、一定時間解凍後、補集バルブ39を開いて補集
水を補集タンク40に回収し、さらに水回収バルブ41を開
いて補集水を回収する。

このような本実施例によれば、補集容器30の構造を、
サンプリングガス入口部分からサンプリングガス出口部
分にかけて伝熱面積密度を徐々に大きくし、かつ中温領
域30bに容器30外側より冷却管51を巻回し、低温領域30c
には容器30内に冷却管51を巻回させるようにしたので、
急速冷却が可能になると共に、補集容器30内が第３図
（ｂ）に示す温度分布となり、サンプリングガス中の水
蒸気を容器30内に均一に付着させる事ができ、よって容
器30または配管を閉塞させること無く、高露点から低露
点までの広い範囲のサンプリングガスを高い補集効率で
補修することができる。さらに、閉塞が無いことから装
置の信頼性も向上させることができる。また、プレクー
ラ部を削減する事ができ、補集容器30と補集タンク40を
サンプリング配管を用いること無く直結できてドレン用
の配管経路を短縮することができ、コストダウンおよび
装置の小型化を図ることができる。また、プレクーラ部
を削除することができるので、従来のように高機能の加
熱器を用いる必要がなくなり、コストダウンを図ること
ができる。

また、補集容器30の下方端に溜水部37を設け、この溜
水部37に巻回して設けた加熱管52にコンプレッサ61から
の高温ガスを供給する構成としたので、サンプリングガ
ス入口で直接水となった補集水を蓄えることができ、ま
た解凍時に氷の塊が落下しても直ちに解かすことができ
るので解凍時間を短縮することができる。

さらに、ホットガス配管74,75を介して冷却管51に高
温ガスを流通させる構成としたので、解凍用のヒータ等
の装置を削除することができ、コストダウンおよび装置
の小型化を図ることができると共に、さらに冷却管51を
上記した構成に配管したので、急速解凍が可能となっ
た。

［発明の効果］以上詳記したように本発明によれば、急速冷却，急速
解凍が可能となり作業性を向上させることができ、また
氷結による閉塞を確実に防止でき装置の信頼性を向上で
きると共に、装置の小型化，低コスト化を図ることがで
きる補集効率の高い水分補集装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の構成図、第２図は補集容器部
分の構成図、第３図（ａ）は補集容器の伝熱面積密度を
示す図、第３図（ｂ）は補集容器の温度分布を示す図、
第３図（ｃ）は水分補集効率を示す図、第４図は実施例
の動作説明図、第５図は従来よりある水分補集装置の構
成図、第６図は第５図に示す水分補集装置の動作説明図
である。 30……補集容器、31……サンプリングポンプ、34……サ
ンプリング流量計、37……溜水部、39……補集バルブ、
40……補集タンク、51……冷却管、52……加熱管、60…
…冷凍機、67……膨脹弁、70……過熱器。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】上下方向に所定の長さを有し、下方側とな
るサンプリングガス供給側から上方側となるサンプリン
グガス排出側にかけて容器内の伝熱面積密度を徐々に大
きくした補集容器と、この補集容器の下方側端部に設けられ前記補集容器から
の補集水が貯溜される溜水部と、この溜水部の周囲に配管された加熱管と、前記補集容器のサンプリングガス供給部より上下方向に
所定距離隔てた中間部からサンプリングガス排出部にか
けて配管され、上記中間部では前記補集容器外側から巻
回され、その中間部からサンプリングガス排出部にかけ
ては前記補集容器内側から巻回された冷却管と、この冷却管の一端部に開閉弁が設けられた冷媒配管を介
して接続され上記冷却管に冷媒を流通させる冷凍機と、この冷凍機から吐出される高温ガスを前記加熱管に送出
し、かつこの加熱管を通った高温ガスを前記冷却管へ導
くホットガス配管と、このホットガス配管に設けられた切換え弁と、を具備し
たことを特徴とする水分補集装置。