蒸気の乾き度とは？乾き度計の原理・種類と測定条件

蒸気の乾き度とは、湿り蒸気全体の質量に占める、気体の水蒸気の質量割合です。配管を満たす気体の体積割合や、空気の湿度とは異なり、加熱に使える潜熱を評価する指標になります。

蒸気の温度が正常でも、水滴が多ければ同じ質量で運べる熱は減ります。乾き度の定義と計算、絞り熱量計・管底の液層・光吸収を利用する測定例を確認し、方式ごとの成立条件まで整理します。

乾き度とは

ボイラーから送る蒸気に液体の水が混じった状態を、湿り蒸気と呼びます。蒸気が配管で熱を失って凝縮する場合のほか、ボイラーから水滴を持ち出す場合もあるため、発生源と輸送中の変化を分けます。

乾き度90%とは、混合物100kgのうち水蒸気が90kg、液体の水が10kgあるという意味です。管内の空間の10%が水で満たされる、という読み方ではありません。

図1：質量の90%と、空間の90%は違う

気液の比容積が大きく違うため、見える液面の高さから乾き度は読めません。

体積比は本文のIF97比容積による閉じた平衡系の例。実配管の断面率や気液の速度比を示す図ではありません。

同じ質量でも、蒸気は液体の水より大きな体積を占めます。絶対圧1.0MPaの飽和状態では、IF97による比容積は蒸気が約0.19435m³/kg、水が約0.0011272m³/kgです。

この値で100kgの内訳を体積へ直すと、蒸気は約17.49m³、水は約0.01127m³となります。気相の体積割合は約99.94%でも、質量で見た乾き度は90%のままです。

この計算は、気液が同じ圧力で平衡にある閉じた系の例です。流れる配管では蒸気と水の速度が異なることがあるため、写真に写った液層の面積比を、そのまま質量流量の比へ置き換えることもできません。

水と蒸気が平衡にある二相域では、圧力が決まると飽和温度も決まります。同じ圧力で乾き度が80%でも95%でも、温度は同じ飽和温度なので、温度計だけでは乾き度を区別できません。

図2：同じ飽和温度でも、乾き度と比エンタルピーは変わる

純水を一定圧力で加熱する模式線図。横方向の長さは実物性の縮尺ではありません。

乾き度の式は二相域で使います。乾き飽和蒸気の先にある過熱蒸気を、乾き度100%超とは表しません。

液体を含まない乾き飽和蒸気がx＝1であり、それより高温の過熱蒸気は別の状態です。過熱の判定は、過熱器と過熱度の考え方のように、測定圧力に対応する飽和温度との比較で行います。

湿り蒸気の比エンタルピーは、同じ圧力の気相と液相を質量割合で平均して求めます。値の意味と単位は比エンタルピーの解説も参考になり、乾き度を蒸気側の値だけに掛けて終えないことが要点です。

1.0MPa absでは、丸めた物性はh_f＝762.7、h_fg＝2014.4kJ/kgです。x＝0.90ならhは約2575.7kJ/kgとなり、湿り蒸気1kg中の気相0.9kgが凝縮して放出する潜熱は約1813.0kJです。

水滴にも顕熱はあるので、乾き度90%だから蒸気の全エネルギーが単純に90%になるわけではありません。熱交換器で使える熱は出口ドレンの状態まで含む差であり、乾き度だけで設備全体の効率を断定しないようにします。

直接噴霧では、水滴の付着による製品の濡れやシミも確認対象です。ただし乾き度と不純物の少なさは別なので、乾いていることだけで食品などへの直接接触に適した蒸気とは判断できません。

放熱する飽和蒸気の配管では凝縮が進みますが、乾き度が全区間で必ず単調に下がるとは限りません。圧力損失、途中の液体分離、加熱や減圧によっても状態と流量の内訳が変わるためです。

保温の欠損や濡れを補修して放熱を抑えることは有効ですが、厚さは無制限に増やしません。使用温度と施工条件を守り、放熱量と経済性から決める保温厚さを使って対策を比較します。

減圧では、条件によって残った水の一部が蒸発し、乾き度が上がる場合があります。必ず乾き切るという意味ではなく、蒸気を減圧したときの乾き度と過熱の計算で、入口の比エンタルピーと出口圧力を組み合わせて判定します。

乾き度計の原理

乾き度の測定には、熱量、液相がセンサーへ与える影響、気液の光吸収差などを利用します。ここでは三つの測定例を取り上げますが、すべての計器を三分類に限定するものではありません。

測定方法を選ぶときは、表示項目に乾き度があるだけでなく、その値が実測から求められるかを確認します。流量補正のために固定の乾き度を入力する機能は、乾き度そのものを測る機能とは区別します。

比較する観点	絞り熱量計	管底の液相を利用	光吸収を利用
乾き度を得る情報	絞り後の圧力・温度から得るh	液層が与える渦センサー信号の変化	気液の吸収差と補正した透過光
適用時の確認点	下流が過熱域、放熱と試料の代表性	専用機能、水平下向き、流速・圧力範囲	光学窓、流動状態、校正と評価範囲

絞り熱量計

絞り熱量計は、本流から取り出した試料を小さな流路や弁で減圧し、下流の温度と圧力を測る方法です。膨張容器を用いる構成では、試料配管や容器の放熱を抑えて、入口から持ち込まれた状態を評価します。

図3：絞り後に「過熱している」と確認してから逆算する

断熱は成立仮定の一つ。保温しただけで、どんな湿り蒸気も過熱域に入るわけではありません。

試料採取・排出は高温高圧の設備として設計します。運転中に配管を開放して試す手順を示すものではありません。

定常流で、周囲との熱移動と外部への軸仕事がなく、前後の運動・位置エネルギー差を無視できるとします。この条件なら入口と出口の比エンタルピーはほぼ等しくなり、温度やエントロピーが一定になるとは限りません。

必要なのは、下流の温度が下流圧力の飽和温度を上回っていることです。下流も湿り蒸気なら、圧力と温度は飽和の組合せになるため、その二つの測定だけでは比エンタルピーも乾き度も一つに決まりません。

計算例として、上流は1.0MPa absの湿り蒸気と仮定します。下流は0.1MPa abs、120℃とし、IAPWS-IF97では下流の飽和温度が約99.61℃なので、過熱蒸気表を使う条件になります。

この下流状態のh₂は約2716.61kJ/kgです。上流のh_f1＝762.68、h_fg1＝2014.44kJ/kgを使えば、次のように乾き度約97.0%を得られます。

下流のhを上流の乾き飽和蒸気のhで割る方法では、液体も持つエンタルピーが正しく引かれません。まず飽和水の分を引き、蒸発に対応するh_fg1で割るという、混合式の逆算に戻って確認します。

対して、上流が同じ圧力でx＝0.90ならhは約2575.7kJ/kgです。これは0.1MPa absの乾き飽和蒸気のh約2674.95kJ/kgより低く、同じ出口圧力へ絞っても湿りが残るため、この測定だけでは解けません。

圧力の取り違えも結果を変えます。0.1MPa absは絶対圧力であり、圧力計の0.1MPaGとは異なり、後者は大気圧を約0.1013MPaとすれば約0.2013MPa absです。

蒸気表は絶対圧を基準にそろえ、飽和水と飽和蒸気、過熱蒸気の各値に同じ物性体系を使います。熱力学の表の基準を混用せず、表示の丸め値と内部計算値の違いも計算表に残します。

容器や試料管の温度が安定する前は、金属の蓄熱と放熱が結果へ入り込みます。応答時間は装置構成で変わるため、大きさだけで一律に測定速度を決めず、安定判定と補正の仕様を確認します。

本流の水滴が管底へ偏ると、取り出した試料が本流の乾き度を代表しない問題もあります。試料が乾き過ぎても湿り過ぎても誤差になるので、採取口、採取量、配管の放熱を含めて測定系を評価します。

下流温度が飽和温度に近い場合は、計器の誤差や応答遅れで過熱の判定が変わることにも注意します。温度差の表示桁だけを増やすのではなく、圧力と温度の不確かさを含めて、過熱域だと判断できる条件を確認します。

圧力測定では高温の蒸気から計器を保護する構成も必要です。サイフォン管による圧力計の保護のように、圧力の伝達と温度の影響を分け、取り出し部の仕様も合わせます。

管底液相測定式*

ここでいう管底液相測定式は、管底の液層を利用する方式を説明するための便宜名です。規格で統一された計器分類ではなく、渦流量計の特定の測定機能を例に原理を見ていきます。

水平配管の湿り蒸気では、液体の一部が底部を流れる液層になります。TLVのEF200F-Cの説明では、下向きに取り付けたセンサーの根元へ液層が当たる影響と、乾き度の相関を利用しています。

図4：管底の液層が渦センサーへ与える影響を利用

流速を測る渦信号と、乾き度を求める追加の信号処理を区別します。

TLV EF200F-CとEndress+Hauser Prowirl F 200の公式説明に基づく原理図。全渦流量計の共通機能ではありません。

渦流量計は、渦発生体の後ろに生じる周期的な渦を検出して流速を求めます。乾き度は単純な温度・圧力の換算値ではなく、液相の影響が現れるセンサー信号を専用に処理して得る点が重要です。

Endress+HauserのProwirl F 200の専用資料も、渦信号から乾き度を導く方法を説明しています。次に示すのは、センサーの仕組みと湿り蒸気測定の様子を紹介するメーカー動画です。

TLVの製品説明では、乾き度80〜100%の計測を案内しています。ただし搭載できる型式、サイズ、圧力などに条件があり、この範囲と精度を他の計器やオプションのない機器へ当てはめることはできません。

水平下向きの取付けや必要な直管長、流速範囲を守ることも測定の一部です。一般の流量測定で許される向きと、湿り蒸気測定の向きが同じとは限らないため、機能別の設置条件を確認します。

飽和蒸気の密度を温度から補償することと、乾き度を実測することも別です。圧力変動がある用途では対応する圧力補償を選び、過熱域と判定されたときの出力や、低流量時の動作も確認します。

計測範囲外になると、設定済みの固定乾き度で流量補正を続ける仕様もあります。数値が表示され続けても有効な乾き度測定とは限らないので、診断信号と計算に採用された値を一緒に記録します。

総質量流量、水蒸気の質量流量、ドレン流量のどれを出力しているかも確認します。日量を集計する際は瞬時流量と積算流量の違いを押さえ、同じ名称の表示でも物理量が違わないか照合します。

吸光度分析式*

吸光度分析式も、光の吸収を利用する例を表すための便宜名です。水蒸気と液体の水は近赤外域の吸収スペクトルが異なるため、その差を使って気液の割合を推定する研究が行われています。

アズビルの2014年の開発論文では、水蒸気測定用、水測定用、補正用という三つの光源を使います。透過光を補正してから吸光度へ変換し、気液の吸収が重なった成分を分け、係数を用いて乾き度へ換算する構成です。

図5：光が弱まった量を、そのまま水分量とはしない

三つの波長帯の信号を使い、気液の吸収と散乱・窓の影響を分ける開発例。

アズビル2014年開発論文に基づく説明図。現行の全光学計器に共通する構造や、販売仕様を示すものではありません。

光が弱くなる原因は、水の吸収だけではありません。水滴による屈折や散乱、光学窓の汚れも透過光を変えるため、同論文では補正用の信号を使ってそれらの影響を抑えています。

蒸気用の波長帯でも水の吸収が重なるため、気液それぞれが信号へ与える影響を分けます。光路長や吸収係数、基準光強度といった装置側の条件を含む換算が必要です。

開発報告では、試験配管の圧力・流量・加熱冷却条件を制御し、乾き度をおよそ0.9〜1の範囲で変えて相関を評価しています。この結果を、別の圧力、流動状態、窓の汚れ条件での保証精度へ広げてはいけません。

導入時には、光が配管のどこを通るか、液体が偏る流れでも全体の質量割合を代表するかを確認します。窓の点検や基準確認、校正方法まで計画に含め、実際の流体と設置条件で性能を相談します。

光を用いるために本流から試料を取り出さない構成でも、設備への窓や測定部の設置は必要です。2014年の研究発表と現在購入できるシステムの仕様は分け、対応する圧力・温度・口径を個別に確認します。

測定場所と評価する熱量をそろえる

測定器を全装置へ付ける前に、何を改善するための測定かを決めます。供給点の品質、長い輸送配管の変化、特定の加熱工程の濡れ不良では、同じ乾き度でも必要な測定位置と記録期間が異なります。

図6：入口・分離ドレン・使用点を同じ境界で記録する

セパレーターで水を抜いた後は、乾き度とともに本流の全質量流量も変わります。

凝縮と分離を混同しないための測定境界例。設置位置・直管長などは採用機器の取扱説明書を優先します。

乾き度だけが改善しても、同じ熱量が届いたとは限りません。分離ドレンを系外へ出す場合は、前後の蒸気と排出水の質量を数え、質量収支とヒートバランスを同じ範囲で取ります。

IAPWSは、ボイラー水と蒸気試料のナトリウム濃度を比べ、持出しを評価する方法を示しています。気相へ移る成分の補正や代表性のある採取が前提であり、導電率だけで全配管の乾き度を測る方法とは異なります。

ボイラー由来の水滴が疑われる場合は、プライミングとフォーミングによる持出しを調べます。ボイラー水の濃縮・水処理管理も確認し、輸送中に新しく凝縮した水とは原因を分けます。

記録には圧力、温度、質量流量、乾き度に加え、生産負荷、起動停止、ドレン排出と警報を残します。異なる負荷の日を単純比較せず、同じ生産量や運転状態で保温補修などの前後を評価します。

費用の比較には本体だけでなく、配管改造、停機、校正と保守を含めます。長距離・長時間運転の系統や品質不良が集中する枝管を候補に、得られる判断と維持費を比べてメーカーの技術者へ相談します。

乾き度測定のよくある質問

圧力と温度を測れば乾き度も分かりますか？

平衡状態の湿り蒸気では分かりません。同じ圧力で異なる乾き度でも飽和温度になるので、熱量や専用センサーの情報など、別の測定が必要です。

乾き度100%は過熱蒸気と同じですか？

x＝1は乾き飽和蒸気の境界です。過熱蒸気は同じ圧力の飽和温度を超える状態なので、過熱度や比エンタルピーで評価し、乾き度110%などとは表しません。

絞り熱量計はどんな湿り蒸気にも使えますか？

下流が過熱域へ入らなければ、圧力・温度だけで乾き度を逆算できません。上流の湿り量と出口圧力、放熱を含む装置条件で成立範囲を確認します。

普通の蒸気流量計に温度計を足せば測れますか？

温度による密度補償だけでは、乾き度の測定にはなりません。液相の影響を測る専用機能と、対応するセンサー・設置条件・演算仕様が必要です。

乾き度が高ければ蒸気の純度も高いですか？

水が液体か気体かという割合と、不純物の種類や量は別の指標です。製品へ直接触れる用途では、乾き度に加えて水質、持出し成分と用途別の品質条件を管理します。

まとめ

乾き度は気相の質量分率であり、湿り蒸気の潜熱と輸送状態を評価する手掛かりになります。温度や見た目だけで判断せず、必要な測定精度と運転条件に合う方式を選びます。

出典・参考資料

• IAPWS：Industrial Formulation 1997：本文物性はIF97による計算。圧力は絶対圧、物性値は表示桁へ丸めています。
• TLV：乾き度・湿り度：質量割合、湿り蒸気の物性と配管での凝縮。
• TLV：渦流量計EF200製品概要：専用機能の計測範囲と適用条件。
• TLV：蒸気乾き度計測機能を搭載した渦流量計：2022年、管底液層がセンサー根元へ与える影響と乾き度の相関。
• Endress+Hauser：Prowirl F 200湿り蒸気測定資料：2015年版、渦信号処理と取付け、範囲外時の動作。
• アズビル：蒸気乾き度センシングシステムの開発：2014年、絞り法の式と近赤外光による開発例。
• Spirax Sarco：Controlling TDS in the Boiler Water：濃縮とキャリーオーバー、水質の管理。
• IAPWS：Procedures for the Measurement of Carryover of Boiler Water into Steam：ナトリウム濃度による持出し評価と試料採取条件。