JP2000005642A

JP2000005642A - 固液二相流固相濃縮装置

Info

Publication number: JP2000005642A
Application number: JP10175071A
Authority: JP
Inventors: Kiyoyuki Horii; 清之堀井; Hidemasa Ogose; 英雅生越; Kazuo Koda; 和郎幸田
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1998-06-22
Filing date: 1998-06-22
Publication date: 2000-01-11

Abstract

(57)【要約】【課題】旋回翼などの強制旋回手段を配置せずにフィ
ルターの目詰まりや固体粒子の停滞を防止し、流量や固
液比に特別な制限を加えることなしに、旋回流により効
率的な固相濃縮を行う。【解決手段】旋回流生成部（１）と抽出部（２）とを
管路に設けた固液二相流固相濃縮装置であって、旋回流
生成部（１）では、固液二相流が主管路（１１）に対し
て管路径方向断面の内壁に対し接線方向より流入されて
旋回流が生成されるようにノズルまたは二次管路（１
２）が配設されているとともに、抽出部では、円筒多孔
フィルター（２１）とその外周に空間を介して配置した
円筒容器（２２）並びに円筒容器（２２）に連通接続さ
れた排出管（２３）とが備えられているものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、固液二相
流固相濃縮装置に関するものである。さらに詳しくは、
この出願の発明は、各種産業分野における固液二相流の
固体濃縮に有用な固液二相流固相濃縮装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術とその課題】従来より、各種産業分野にお
いては固体と液体との混合物である固液二相流を管路内
で搬送する固液二相流搬送方式が知られている。例え
ば、地域冷暖房システムなどの大規模な空調システムに
おいては、氷と水とからなる固液二相流を用いている場
合があり、氷水スラリーやその他潜熱物質を混入したス
ラリーを利用することにより、他の冷水のみのに比べて
熱輸送密度が大きくなり、輸送動力が大幅に減少できる
といった利点があることが知られている。

【０００３】そして、この氷水の固液二相流において
は、輸送熱量はその固相分率によって変化し、固相分率
が大きいほど輸送熱量は大きくなるので、固相分率を可
変とし、これを制御するための固液二相流固相濃縮装置
が開発されてきている。このような場合の従来の固液二
相流固相濃縮装置としては、例えば、図８に例示したよ
うに、管路（５０）に分岐管（５１）を設け、管路（５
０）の分岐部にパンチングメタルや網などのフィルタ
（５２）を備えたものが知られている。

【０００４】固液二相流（５３）が、フィルタ（５２）
を通過することにより、管路（５０）の分岐部より下流
側には、高濃度固体の固液二相流（５４）が得られ、分
岐管（５１）には液相（５５）または非常に固体濃度の
低い固液二相流が得られることになる。しかしながら、
フィルタを用いた従来の固液二相流固相濃縮装置におい
ては、フィルタに固体粒子が付着して目詰まりをおこ
し、圧力損失が増大してしまい、場合によっては、管路
が閉塞するという危険性があった。

【０００５】このため、搬送することができる固液二相
流における固相の割合には、おのずと制限があり、装置
の汎用性を妨げる足かせとなっていた。最近になって、
このような従来の固液二相流固相濃縮装置の欠点を補う
ために、固液二相流に旋回流を与えて、固体を管路の軸
中心付近に集中させることで、フィルタに固体粒子が付
着して目詰りを生じるという問題を解決することが考え
られている。

【０００６】例えば、特開平０３−２３５５３７に記載
されている「冷熱搬送分配装置」や、特開平０４−１７
４２３０に記載されている「冷熱搬送分配装置」がその
例である。これらいずれの場合にも、管路内に強制旋回
手段としての翼、すなわち、管路内壁面に装着した複数
の翼により旋回流を与えて、固体粒子を管路の軸中心に
集中させることでフィルターのスラリーの目詰まりを防
止しながら、高濃度のスラリーを得ようとしている。

【０００７】また、この装置においては、フィルターの
スラリーの目詰まりだけではなく、旋回流を用いない装
置に発生しがちであったスラリーを形成する固体粒子の
管底沈下に起因するスラリーの輸送効率の低下をも解決
しようとしている。しかしながら、このような強制旋回
手段を配置した固液二相流固相濃縮装置においてフィル
ターの目詰りの防止や、固体粒子の管底沈下の防止に一
定の効果が期待されるものの、一方では、かえって大き
な問題が生じるという不都合があった。

【０００８】すなわち、ア）強制旋回手段を配置した場
所で固液二相流中の固体粒子が停滞し、場合によっては
閉塞する危険性があり、イ）強制旋回手段を内部に備え
た管路が非常に複雑な構造となり、その製作およびメン
テナンスが難しく、ウ）固液二相流の流量やその固体粒
子の濃度に一定の制限があり、その制限を越えると旋回
流を付与しても効果が得られないということであった。

【０００９】そこでこの出願の発明は、以上の通りの従
来技術の欠点に鑑み、管路内に旋回翼などの強制旋回手
段を配置することなく、旋回流の特徴を生かし、固体粒
子の付着や停滞を防止して、流量や固体粒子濃度に特別
な制限が加わることなしに、効率的に固相濃度を高める
ことのできる、新しい固液二相流固相濃縮装置を提供す
ることを課題としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この出願は、上記の課題
を解決するために、第１の発明として、旋回流生成部と
抽出部とを管路に設けた固液二相流固相濃縮装置であっ
て、旋回流生成部では、固液二相流が管路径方向断面の
内壁に対し接線方向より流入されて旋回流が生成される
ノズルまたは管路が配設されているとともに、抽出部で
は、円筒多孔フィルターとその外周に空間を介して配置
した円筒容器並びに円筒容器に連通接続された排出管と
が備えられていることを特徴とする固液二相流固相濃縮
装置を提供する。

【００１１】また、この出願は、第２の発明として、旋
回流生成部と抽出部とを管路に設けた固液二相流固相濃
縮装置であって、旋回流生成部では、固液二相流が管路
径方向断面の内壁に対し接線方向より流入されて旋回流
が生成されるノズルまたは管路が配設されているととも
に、抽出部では、管路端部が挿入されている円筒容器と
この円筒容器に連通接続された排出管が備えられてお
り、また、前記管路に対向する同心の別の管路端部が円
筒容器に挿入されていることを特徴とする固液二相流固
相濃縮装置をも提供する。

【００１２】さらにこの出願においては、第３の発明と
して、旋回流生成部と抽出部とを管路に設けた固液二相
流固相濃縮装置であって、旋回流生成部では、固液二相
流が管路径方向断面の内壁に対し接線方向より流入され
て旋回流が生成される管路が配設されているとともに、
抽出部では、管路よりも小径の抽出管が管路と同心で配
置され、抽出管周囲の管路には排出管が接続配置されて
いることを特徴とする固液二相流固相濃縮装置をも提供
する。

【００１３】そしてこの出願は、前記第３の発明につい
て、第４の発明として、抽出管周囲の管路に向って、管
路内径が漸拡大されていることを特徴とする固液二相流
固相濃縮装置を、前記第１ないし第４のいずれかの発明
について、第５の発明として、旋回流生成部には、下流
側の容器または抽出管の方向に向ってその内径が漸縮小
する管路が設けられていることを特徴とする固液二相流
固相濃縮装置をも提供する。

【００１４】さらにこの出願においては、旋回流生成部
と抽出部とを管路に設けた固液二相流固相濃縮装置であ
って、旋回流生成部では、固液二相流が管路径方向断面
の内壁に対し接線方向より流入されて旋回流が生成され
る管路が配設されているとともに、下流側に向ってその
内径が漸縮小する管路が設けられており、また、抽出部
では、抽出管が、旋回流が生成される管路に同心で配置
され、管路内の流れ方向とは逆方向の流れが形成される
ことを特徴とする固液二相流固相濃縮装置をも提供す
る。

【００１５】すなわち、この出願の発明においては、従
来技術のように管内に旋回翼などの強制旋回手段を設け
ることなく、固液二相流の流れに旋回流を与えて固体粒
子濃度を効率的に高めることを特徴としている。生成さ
れた旋回流は、その流れ方向の中心部分の圧力が、管壁
付近の圧力分布よりも低くなり、その結果、固液二相流
中の固体粒子に求心力が作用する。そのため、固液二相
流中の固体粒子は、管路の軸中心に集中して流れるよう
になり、前記のこの出願の第１〜第６の発明手段の適用
によって、発明の目的が達成され、顕著な効果が得られ
ることになる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面に沿って説明する。この発明の固液二相流固相
濃縮装置は、例えば図１に例示したものをひとつの実施
形態として示すことができる。すなわち、この図１の固
液二相流固相濃縮装置では、管路に旋回流生成部（１）
と抽出部（２）とが設けられており、旋回流生成部
（１）では、円筒状の主管路（１１）に対し、固液二相
流がその管路径方向断面の内壁に対し接線方向より流入
されて旋回流が生成されるノズルまたは管路（１２）が
配設されている。抽出部（２）では、円筒多孔フィルタ
ー（２１）とその外周に空間を介して配置した円筒容器
（２２）並びに円筒容器に連通接続された排出管（２
３）とが備えられている。

【００１７】主管路（１１）に対する円筒状の二次管路
（１２）との関係は、例えば図２に例示したように、主
管路（１１）の内壁の接線上に二次管路（１２）の内壁
が位置するように配置する。すなわち、両者の図１のＡ
−Ａ矢視断面における中心線の交点における角度（α）
が直角ないしは略直角となるようにする。図３に例示し
たように、この際の水平断面の設置の角度（β）につい
ては、鋭角または直角であればよい。

【００１８】また、図２に例示したように、主管路（１
１）の内壁（Ｄ）と二次管路（１２）の内壁（ｄ）との
関係については、旋回流の旋回速度を効率よく生成する
ためには、Ｄ／２＞ｄの関係が望ましい。二次管路（１
２）の主管路（１１）への接続部に管径の縮小部または
拡大部を設けて、その関係を満足させてもよい。以上の
主管路（１１）と二次管路（１２）との関係によって、
旋回流生成部（１）では固液混相流に強い旋回流を与え
る。これにより流れの中心部分の圧力は低くなるため、
求心力が働き液体より密度が小さい固体は主管路（１
１）の軸中心付近に集まる。

【００１９】なお、主管路（１１）においては、図１に
例示したように、抽出部（２）に向って、その内径の漸
縮小部（１３）を設けることにより、旋回流の旋回強度
をより高め、固体粒子の流れの軸中心への集中作用と、
液体への遠心作用を強めることができる。そして、下流
側に設置された抽出部（２）の円筒多孔フィルター（２
１）を介して、排出管（２３）より液体（５）を排出す
る。このとき、ポンプ等の排出装置を用いて液体を排出
してもよい。固体が軸中心付近に集まっているため、円
筒多孔フィルタ（２１）には固体の接触が少なく、液体
を排出してもこのフィルタ（２１）で目詰まりしたり、
さらには管路が閉塞することもない。

【００２０】二次管路（１２）に導入した固液二相流
（３）から、円筒多孔フィルター（２１）を経由してそ
の下流側には固相分率の高い高濃度の固液二相流（４）
を得ることができる。また固液二相流中の各固体粒子の
付着力が高く固体粒子群をなしている場合には、この発
明の旋回流により、固体粒子をばらばらにすることもで
きる。

【００２１】なお、この発明の固液二相流固相濃縮装置
においては、主管路（１１）の図１に示した閉止部を開
放して上流側から固液二相流を供給してもよいし、二次
管路（１２）から主管路（１１）に対して固液二相流を
供給してもよい。二次管路（１２）から固液二相流を供
給する場合、主管路（１１）の上流側からは、液体のみ
を供給してもよいし、または固液二相流を供給してもよ
い。

【００２２】より具体的には、主管路（１１）は、図１
のように閉止し、二次管路（１２）から固液二相流を供
給することができる。円筒多孔フィルター（２１）は、
固体粒子の径に応じた大きさの開孔、より具体的には、
一般的には、平均的な固体粒子径よりも小さな開孔とす
る。実際に、図１の構成の装置により氷水の濃縮を行う
ことにより、極めて効果的に高濃度な固相を含有する氷
水二相流が回収される。

【００２３】そして従来のように強制旋回手段を管路内
に備えていないため、ア）強制旋回手段を配置した場所
で固液二相流中の固体粒子が停滞し、場合によっては閉
塞する危険性は全くなく、イ）強制旋回手段を内部に備
えた場合のように複雑な構造となって製作およびメンテ
ナンスが難しくなるという問題もなく、ウ）固液二相流
の流量やその固液比に特段制限もない。

【００２４】氷等の固体粒子は管路の軸中心に収斂しな
がら流れるので、管路の閉塞を防止することができ、圧
力損失をも低下させることができる。また、比重の大き
い固体粒子においても、同様に求心力が働くため、下内
壁面を摺動せずに搬送することができ、そのため、管路
の摩耗をも抑えることもできる。

【００２５】図４は、この発明の別の実施態様を示した
ものである。図１の場合と同様に、旋回流生成部（１）
と抽出部（２）とを管路に設けた固液二相流固相濃縮装
置であって、旋回流生成部（１）では、固液二相流
（３）が管路径方向断面の内壁に対し接線方向より主管
路（１１）に流入されて旋回流が生成されるノズルまた
は二次管路（１２）が配設されているとともに、抽出部
（２）では、管路端部（１１Ａ）が挿入されている円筒
容器（２２）とこの円筒容器（２２）に連通接続された
排出管（２３）が備えられており、また、前記管路に対
向する同心の別の管路端部（１１Ｂ）が円筒容器（２
２）に挿入されている。

【００２６】円筒容器（２２）内においては、図４に示
したように、主管路（１１）に間隙（２４）が生じるこ
とになる。この例においては、固体は主管路（１１）の
流れの軸中心付近に集まっているため、円筒状の間隙
（２４）を通り抜ける割合は少なく、排出管（２３）か
らは液体が主に回収される。

【００２７】この例においては、図１の場合のような円
筒多孔フィルター（２１）を使用する必要がない。間隙
（２４）の幅（長さ）をどの程度の大きさとするかは、
旋回流による固体粒子の軸中心への集中の観点から、間
隙（２４）の存在による遠心力作用による固体粒子の飛
出しが生じないように定めることができる。

【００２８】また、この発明では、例えば図５の実施形
態を例示することができる。すなわち、旋回流生成部
（１）と抽出部（２）とを管路に設けた固液二相流固相
濃縮装置であって、旋回流生成部（１）では、固液二相
流が大径円筒部を持つ主管路（１１）に対して管路径方
向断面の内壁に対し接線方向より流入されて旋回流が生
成されるための二次管路（１２）が配設されているとと
もに、抽出部では、主管路（１１）よりも小径の抽出管
（２５）が主管路（１１）と同心で配置され、抽出管
（２５）周囲の主管路（１１）には排出管（２６）が接
続配置されている高濃度の固相が、流れの軸中心に集中
したものとして、抽出管（２５）により抜出される。排
出管（２６）からは低濃度固体の二相流、もしくは液体
のみが排出されることになる。

【００２９】図６は、図５の実施の形態の変形例を示し
たものであって、抽出管（２５）周囲の管路に向って、
主管路（１１）内径が漸拡大されている。この例におい
ては、さらに高濃度に固相を濃縮することが可能とな
る。図７はさらに別のこの発明の実施の形態を示したも
のである。旋回流生成部（１）と抽出部（２）とを管路
に設けた固液二相流固相濃縮装置であって、旋回流生成
部（１）では、固液二相流が大径円筒を持つ主管路（１
１）に対して管路径方向断面の内壁に対し接線方向より
流入されて旋回流が生成されるように二次管路（１２）
が配設されているとともに、下流側に向ってその内径が
漸縮小する管路（１３）が設けられており、また、抽出
部では、抽出管（２５）が、旋回流が生成される主管路
（１１）に同心で配置され、管路内の流れ方向とは逆方
向の流れが形成され抜出しが行われるようにしている。

【００３０】この図７の形態では、たとえば比重の小さ
い固体粒子は、旋回流を与えると中心付近に集合し、こ
のとき中心付近の軸方向流れは、中心外より小さく、中
心に集まった粒子は止まったような状態になることか
ら、抽出管（２５）により、比較的低流量でも抜出すこ
とが可能となる。これは、旋回流が強いほどその傾向は
大きく、旋回流を生成する付近ではより多くの粒子が集
合するため、下から抽出管（２５）により抜く方が効率
がよい。

【００３１】もちろん、この発明は以上の例に限定され
ることはなく、その細部の構成において様々に可能であ
る。たとえば排出管（２３）においてはポンプ等による
負圧吸引力手段を備えてもよいし、図１〜図７の例によ
うに、二相流の流れは、上方へ向う態様だけでなく、水
平、あるいは傾斜された方向に向うものであってもよ
い。

【００３２】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
り、管路内に旋回翼などの強制旋回手段を配置させず
に、フィルターの目詰りや固体粒子の停滞を生じさせる
ことなく、流量や固液比に特別な制限を加えずに、旋回
流の作用により高効率で固相濃縮が可能とされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態一例を示した概略図であ
る。

【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。

【図３】図１の水平断面図である。

【図４】別の実施形態を示した概略図である。

【図５】また、別の実施形態を示した概略図である。

【図６】さらに別の実施形態を示した概略図である。

【図７】より別の実施形態を示した概略図である。

【図８】従来の固液二相流固相濃縮装置を示した概略図
である。

【符号の説明】

１旋回流生成部１１主管路１２二次管路１３漸縮小管路２抽出部２１円筒多孔フィルタ２２容器２３排出管２４間隙２５抽出管２６排出管３固液二相流４高濃度固相の固液二相流５液体５０管路５１分岐管５２フィルタ５３低濃度の固液二相流５４高濃度の固液二相流５５液相

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者幸田和郎東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内Ｆターム(参考） 4D053 AA03 AB04 BA01 BB04 BC01 BD01 CA01 CC05 CC07 CD11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】旋回流生成部と抽出部とを管路に設けた
固液二相流固相濃縮装置であって、旋回流生成部では、
固液二相流が管路径方向断面の内壁に対し接線方向より
流入されて旋回流が生成されるノズルまたは管路が配設
されているとともに、抽出部では、円筒多孔フィルター
とその外周に空間を介して配置した円筒容器並びに円筒
容器に連通接続された排出管とが備えられていることを
特徴とする固液二相流固相濃縮装置。
【請求項２】旋回流生成部と抽出部とを管路に設けた
固液二相流固相濃縮装置であって、旋回流生成部では、
固液二相流が管路径方向断面の内壁に対し接線方向より
流入されて旋回流が生成されるノズルまたは管路が配設
されているとともに、抽出部では、管路端部が挿入され
ている円筒容器とこの円筒容器に連通接続された排出管
が備えられており、また、前記管路に対向する同心の別
の管路端部が円筒容器に挿入されていることを特徴とす
る固液二相流固相濃縮装置。
【請求項３】旋回流生成部と抽出部とを管路に設けた
固液二相流固相濃縮装置であって、旋回流生成部では、
固液二相流が管路径方向断面の内壁に対し接線方向より
流入されて旋回流が生成される管路が配設されていると
ともに、抽出部では、管路よりも小径の抽出管が管路と
同心で配置され、抽出管周囲の管路には排出管が接続配
置されていることを特徴とする固液二相流固相濃縮装
置。
【請求項４】抽出管周囲の管路に向って、管路内径が
漸拡大されていることを特徴とする請求項３の固液二相
流固相濃縮装置。
【請求項５】旋回流生成部には、下流側の容器または
抽出管の方向に向ってその内径が漸縮小する管路が設け
られていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれ
かの固液二相流固相濃縮装置。
【請求項６】旋回流生成部と抽出部とを管路に設けた
固液二相流固相濃縮装置であって、旋回流生成部では、
固液二相流が管路径方向断面の内壁に対し接線方向より
流入されて旋回流が生成される管路が配設されていると
ともに、下流側に向ってその内径が漸縮小する管路が設
けられており、また、抽出部では、抽出管が、旋回流が
生成される管路に同心で配置され、管路内の流れ方向と
は逆方向の流れが形成されることを特徴とする固液二相
流固相濃縮装置。