循環比と水循環の仕組み【一級ボイラー技士】

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循環比（循環倍率）と水循環の仕組みは、水管ボイラーの構造を理解する上で欠かせない概念です。一級ボイラー技士試験では、循環比の計算・各方式での循環推進力・循環障害の原因と対策が出題されます。

循環比とは

循環比（循環倍率）は、水管内を循環する水量と実際に蒸気となって発生する量の比です。

循環比 = 循環水量（kg/h）÷ 発生蒸気量（kg/h）

例えば循環比が10の場合、水管内を循環している水の量は実際に発生する蒸気量の10倍です。水管内に常に十分な水が存在することで、局部的な過熱（ドライアウト）を防ぎます。

自然循環は水管ボイラー固有の現象で、加熱された水と加熱されていない水の密度差が循環の原動力となります。

循環推進力は以下の要因で決まります：

循環推進力（Pa）= H × g × (ρ降水管 – ρ昇水管)

H：昇水管の高さ（m）、g：重力加速度（9.8 m/s²）、ρ：密度（kg/m³）

圧力	水密度	蒸気密度	密度差	循環比（目安）
1 MPa	約887 kg/m³	約5.2 kg/m³	大きい	20〜30程度
10 MPa	約688 kg/m³	約55 kg/m³	中程度	6〜10程度
16 MPa	約582 kg/m³	約110 kg/m³	小さい	3〜5程度

臨界圧（22.1 MPa）に近づくほど水と蒸気の物性差がなくなり、自然循環は成立しなくなります。これが超高圧域で貫流式が用いられる理由です。

強制循環式ではポンプで任意の流量を確保するため、高圧域でも一定の循環比を維持できます。一般に循環比は3〜10程度に設計されます。ポンプの能力を超えた状態（ポンプ故障等）が循環障害の原因となるため、ポンプの状態監視が重要です。

貫流式は給水が管内を一方向に流れるだけで循環しません。そのため循環比は常に1です。1回の通過で水→蒸気→過熱蒸気と変化するため、管内でのドライアウト（水が完全に蒸発して管壁が過熱される現象）の防止と水質管理が特に重要です。