JP2001520571A - セパレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 気液混合物から液体を分離するためのセパレータ（１）である。このセパレータは、両端に開いた細長いパイプからなっている。このパイプは、第１、第２、第３の部分（ａ，ｂ，ｃ）に分けられる。第１の部分（ａ）は、混合物の出入口と混合物を回転させる手段（２）とを具備している。第２の部分は、回転している混合物の出入口を具備し、第４、第５、第６の部分（ｄ，ｅ，ｆ）に分けられる。第４および第６の部分（ｄ，ｆ）は、隙間のない壁面を有している。第５の部分（ｅ）は、ほぼ円筒状の断面を有し、混合物から分離された液体の排出用の出口（３）を具備している。第３の部分は、混合物の残りの部分の出入口を具備している。

Description

【発明の詳細な説明】 セパレータ 技術分野 この発明は、気液混合物から液体を分離するセパレータに関する。このセパレ ータは、特に、水冷却式原子炉内の蒸気と水の混合物からの水の分離に適してい る。水の分離は、後続の発電用タービンに、可能な限り蒸気のみを導くために行 われる。実際には、水を分離して、その水を適当な収容部材まで送るために、複 数の同様のセパレータが配置される。 背景技術 例えば、原子炉内の気液混合物から液体を分離するセパレータを設計するとき に考慮に入れる１つの重要なファクターは、セパレータから出る気体（特に蒸気 ）が、できる限り液体（特に水）を含まないようにすることである。他の重要な ファクターは、セパレータにおける圧力降下を可能な限り低く維持することであ る。セパレータの分離能力は、混合物を高速回転させることができるようになる につれて向上してきた。混合物の高速回転が達成されるほど、セパレータにおけ る圧力降下が大きくなる。したがって、上述した高分離能力と低圧力降下という ２つのファクターは、相反する効果である。 スウェーデン国特許第３７３４５１号は、下側部分ａ、中央部分ｂ、上側部分 ｃに分けられるセパレータ１を開示している（図１参照）。下側部分ａは、セパ レータ１を通過して上方に流れる、流入する二相混合物を回転させるための回転 翼装置２を具備している。流入する二相混合物を回転翼装置２によって回転させ ることにより、液膜がセパレータ１に内壁、特に、セパレータ１の中央部ｂに沿 って得られる。この液膜によって、分離された液体を主排出口を通して排出する のに必要な放出圧力が達成される。 中央部分ｂには、主排出用、すなわち、混合物から分離された液体の大部分を 排出するための出口が設けられている。中央部分ｂは、細い円筒部分と、流れの 方向 に先細に形成されてほぼ円形の断面を有する円錐状部分とを有する細長いパイプ として構成されている。この中央部分ｂには、前記円錐状部分に、分離された液 体を中央部分ｂの外部に排出する部材を構成する複数の孔３からなる複数の出口 が設けられている。 前記上側部分ｃは、残りの混合物、すなわち、気体を持ち去るために設けられ ている。この上側部分ｃは、ほぼ直円筒状の上流部分と、流れの方向に広がる下 流部分とを有するパイプとして構成されている。前記上側部分ｃの前記円筒部分 は、前記円錐状部分よりも長い長さにわたって前記中央部分ｂ内に部分的に挿入 配置されている。前記上側部分ｃは、前記中央部分ｂに対して同軸に配置されて いる。 ほぼ円筒状の外側ケーシング４が、セパレータ１との間に環状の隙間５を形成 するように、前記下側部分ａ、中央部分ｂ、上側部分ｃを取り囲んで設けられて いる。前記隙間５は、中央部分ｂの孔３を通して排出された液体の戻り通路を構 成している。 スウェーデン特許第５０２７６５号（図２参照）は、上述したセパレータと同 様のセパレータ１を示しているが、中央部分ｂには円錐状部分および円筒部分の 両方に孔３が設けられている。円筒状部分にも孔３が設けられているのは、円錐 状部分において実際に得ることができるよりも大きな開口断面を得るためである 。 上述したセパレータの欠点は、円錐状部分に設けられた孔の位置が高ければ高 いほど、該孔３を通して液体を排出させる放出圧力が低くなるということである 。円錐状部分における放出圧力が円筒状部分におけるよりも低くなるのは、液膜 内に広がる一定圧力の等圧面に原因がある。液膜中の圧力分布は、セパレータの 中心からの距離が大きくなれば圧力が増大するようになっている。したがって、 圧力は、セパレータの壁面の最も近くに配された等圧面において最も大きい。し かしながら、セパレータの円錐状部分においては、セパレータの円筒部分におい て壁面の最も近くに配置されていた等圧面は減少し、それによって、二相混合物 が円錐状部分内を上昇するほど、液体を排出するための、液膜内に広がる圧力は 低下する。 上述したセパレータの他の欠点は、主として気体の流れが非常に大きい場合に 発生する。円錐状部分において、気体の速い流れは、液膜を薄くし、かつ、押し やりあるいは分離し、それによって、孔が露出して気体がそこから流れ出してし まうこ とになる。この状態は、セパレータの壁面の孔を通して、分離された液体ととも に排出される気体の比率の大きさを示す、「キャリーアンダー」の概念によって 説明される。液膜内の圧力が減少すると、キャリーアンダー値は増加する。セパ レータの設計においては、できるだけ小さいキャリーアンダー値を有すること、 すなわち、液体とともに排出される気体ができる限り少ないことが目標の１つと される。 公知のセパレータの他の欠点は、円錐状部分の孔が、単独で、そして、上側部 分への入口孔とともに、液膜のための空間を制限することによってセパレータの 動作範囲を制限することである。液膜の厚さは、セパレータを通過する気液混合 流れの大きさの関数である。回転によって、セパレータの内壁に沿って形成され る液膜はかなりの厚さを有し、その場合には、液膜の内表面がセパレータの上側 部分への入口孔に接触することになる。液膜が、セパレータの上側部分への入口 孔に接触する場合には、気体とともにセパレータを出る液体の比率は劇的に増加 する。気体とともにセパレータを出る液体の比率を説明する概念は、いわゆるキ ャリーオーバー値である。セパレータの設計においては、キャリーオーバー値を できるだけ小さく維持することが目標の一つである。 この発明は、公知のセパレータよりも液体の分離能力を向上したセパレータに 関するものである。 発明の概要 この発明は、気体と液体とからなる混合物から液体を分離するセパレータに関 する。このセパレータは、両側に開放された細長いパイプから構成されており、 第１の下側部分、第２の中央部分、第３の上側部分に分けられる。 前記下側部分は、混合物の入口と、該混合物に回転を与える部材と、回転して いる混合物の出口とを具備している。回転は、従来の翼装置によって得られる。 前記中央部分は、回転している混合物の入口を具備し、該混合物から液体を分 離するように設計されている。該中央部分は、第４、第５および第６の部分に分 けられる。この第４、第６の部分は、隙間のない壁面を有するように設計されて いる一方、第５の部分は、分離された液体を排出する孔からなる出口を有するよ うに設計されている。少なくとも第５の部分は、ほぼ円筒状の部分として設計さ れている。 第６の部分は、残りの混合物の出口である。 前記上側部分は、前記残りの混合物、すなわち、気体の出入口として機能する 。 直円筒状部分のみに孔を有するようにセパレータを設計することにより、分離 された液体が排出される出口断面、すなわち、孔を横切って均一な圧力差を生成 することができるので有利である。さらに正確にいえば、放出圧力は、各液体排 出孔において同等の大きさに生起される。出日断面を横切る均一な圧力差は、従 来技術と比較して、放出効率が向上することを意味している。この出口断面のよ り効率的な利用によって、上記において定義されたキャリーオーバーおよびキャ リーアンダーの値をそれぞれ低く維持することができる。 円筒状部分のみに孔を有するセパレータの設計における他の利点は、孔の大き さ、位置および広がりを、流動する気体および液体の流れに適合させることがで きることである。 セパレータの上側部分は、残留混合物の輸送通路を構成し、セパレータの分離 能力に大きな影響を及ぼすものではないので、任意の設計とすることができる。 この上側部分は、例えば、直円筒状または円錐状のものでよい。 セパレータパイプ全体をほぼ直円筒状に設計する利点は、円錐状部分を含める 必要がなく、さらに、孔を有する円錐状部分が不要であるので、公知のセパレー タよりも、かなり簡易に製造することができることである。円錐状部分は、幾何 学的に制限されており、ほぼ円形の断面を有する直円筒として設計された部分に 孔を配列した場合と比較すると、孔を円錐表面に最適に配列する方法を計算する ことが非常に困難である。 セパレータの上側部分を、その入口が中央部分の排出孔の下流に配置されるよ うに、中央部分の内部に延ばして配置することにより、分離後に残っている混合 物内の液体量は最小化される。上側部分への入口を出口の下流に配置することに より、該液膜の内面が上側部分への入口に接触しないように、液膜の厚さを大幅 に低減することができる。 さらに、中央部分をほぼ直円筒状の部分として設計することの他の利点は、上 側部分の出口の断面積を増加させることができることである。気体の出口流の断 面が広がるということは、セパレータを横切る圧力降下が、背景技術において説 明した 公知のセパレータよりも低減されることを意味している。 セパレータの動作範囲は、キャリーオーバー値とキャリーアンダー値について それぞれ計算される境界曲線の間に最適に配置されるように適当に選択される。 セパレータの動作範囲は、直円筒状部分の孔の大きさおよび位置を、流動する気 体および液体の流れに適合させかつ最適化するように適正に選択することができ る。 図面の簡単な説明 以下に、添付図面を参照して、この発明をより詳細に説明する。 図１は、背景技術において説明した、孔からなる出口を円錐状部分に有するセ パレータを示している。 図２は、孔からなる出口を円錐状部分および円筒状部分の両方に有する他のセ パレータを示している。このセパレータも、背景技術において説明されている。 図３は、両端において開口する、ほぼ直円筒状のパイプからなる、この発明に 係るセパレータの縦断面を示している。円筒状部分の一部のみに、孔からなる出 口が設けられている。 図４は、流れの方向に増大する断面を有するセパレータの他の実施形態を示し ている。破線は、流れの方向の減少する断面を有するように上側部分が設計され た他の実施形態を示している。 図５は、流れの方向に向かって断面が拡大するように設計され、円筒状の中央 部分の内部に挿入された上側部分を具備するこの発明に係るセパレータの一実施 形態を示している。 図６は、中央部分に円錐状部分を有し、上側部分がその内部に挿入配置され、 該上側部分の断面が流れの方向に増大するように設計された、この発明に係るセ パレータの一実施形態を示している。破線は、前記上側部分が直円筒状のパイプ として設計された他の実施形態を示している。 図７は、セパレータとともに環状の隙間を形成するほぼ円筒状のケーシングが セパレータの周りに配置された、この発明に係るセパレータの一実施形態を示し ている。 図８は、複数グループのセパレータが配列され、かつ、各々のグループが複数 の セパレータをケーシングで取り囲むことによって構成されている一実施形態を示 す平面図である。 図９は、図７に示されたスクレーパリングの一実施形態を詳細に示している。 好ましい実施形態の説明 図３は、両端に開口した細長いパイプからなるセパレータ１を示している。セ パレータ１は、第１の下側部分ａと、第２の中央部分ｂと、第３の上側部分ｃと に分けられる。 下側部分ａは、気液混合物の入口を具備している。該下側部分ａは、流入混合 物を回転または旋回させる翼装置２をさらに具備している。回転する混合物の遠 心力の影響で、二相混合物内の液体は、中央部分ｂの壁の内側と接触し、明確な 、良好に凝集した液膜を形成する。 中央部分ｂは、回転している混合物の入口と、分離された液体の排出口と、残 留混合物の出口とを具備している。 中央部分ｂは、第４の部分ｄ、第５の部分ｅおよび第６の部分ｆに分けられる 。第５の部分ｅは、混合物から液体を分離するように設計されている。この目的 を達成するために、第５の部分ｅは、分離された液体が排出される複数の孔３か らなる出口が設けられた、ほぼ直円筒状の部分から構成されている。この第５の 部分ｅの孔３を有する壁は、例えば、原子炉等の、使用されるプラントの形式に 応じて寸法が定められている。このことは、例えば、中央部分ｂには、多量の気 体の流れを有するプラントに対してはより小さい合計面積の孔３が設けられ、多 量の液体の流れを有するプラントに対してはより大きい合計面積の孔３が設けら れることを意味している。 第４の部分ｄおよび第６の部分ｆは、分離された液体が排出されないように隙 間のない壁を有している。 上側部分ｃは、残りの混合物、すなわち、気体の出入口に使用される。図３に おいて、上側部分ｃおよび中央部分ｂは一体化されており、かつ、同じパイプの 部分として設計され、ほぼ直円筒状の形状が与えられている。 図３，４，７において、セパレータ１の外部の液位は参照符号７で示されてい る。 中央部分ｂにおいて分離された液体の主な排出は、液面７下の高さで行われる。 このことは、流れ出す液体が液面上の気体と接触できず、また、気泡が形成され るように表面を撹拌することもないので、キャリーアンダーのレベルを抑制でき ることを意味している。 図５は、中央部分ｂの内部に挿入配置された、別の上側部分ｃを有するセパレ ータ１を示している。残りの混合物の出口として、上側部分ｃを中央部分ｂの内 部に挿入配置することによって、セパレータ１の壁の内面に沿って流れる液体が 、セパレータを貫通して上方に流れる残りの混合物の影響を受けることを確実に 防止することができる。孔３を覆うように配される液膜の少なくとも一部は、残 りの混合物によって、少なくとも第５の部分ｅの内壁に沿って上方に流れ続ける 。上側部分ｃの入口は、孔３を有する壁面部分の下流の高さに配置されている。 残りの混合物用の別の出口を孔３の下流に配置することによって、残りの混合物 、すなわち気体は、主排出口によって大幅に低減された液膜を気体とともに排出 することなくセパレータ１から除去される。このことは、液体が気体を再び湿ら せてしまうことを防止し、キャリーオーバー値をさらに低く維持することができ ることを意味している。 図６は、中央部分ｂが部分的に円錐状に形成された、図５のセパレータ１の他 の実施形態を示している。さらに詳細には、第６の部分ｆが円錐状である。上側 部分ｃは、円錐状の中央部分ｂ内に挿入配置されており、流れの方向に拡大する 断面を有している。上側部分ｃの他の実施形態は、破線の輪郭、さらに詳細には 、円筒形状を有する上側部分ｃによって示されている。 図７は、ケーシング４が、少なくとも第５の部分ｅを取り囲むように適合され たセパレータ１の他の実施形態を示している。ケーシング４と第５の部分ｅとの 間には、孔３を通して分離された液体の戻り通路用に、環状の隙間が形成されて いる。このように外部ケーシング４を配置すると、隣接配置されたセパレータが 、このセパレータ１からの液体の排出を妨げてしまうことを防止することができ る。また、図８に示されるように、ケーシング４によって一群の複数のセパレー タ１を取り囲むこともできる。この場合に、ケーシング４には、セパレータ１の グループに適合させるために任意形状の断面が与えられる。図８は、各々が、例 えば、原子炉１０の上部に配置された、５つのセパレータ１を含む複数のグルー プを示している。 さらに、図７は、セパレータ１の上側部分ｃに、いわゆるスクレーパリング６ が設けられていることを示している。スクレーパリング６は、第１の分離、すな わち、孔３による分離の後に気体とともに通過した液体の第２の分離のために配 置されている。したがって、図９に、より詳細に示されているスクレーパリング ６は、孔３の下流において混合物から分離された液体を掻き落として排出するよ うになっている。このスクレーパリング６は従来形式のものであり、気体に伴っ て排出される液体の量を低減するように、すなわち、背景技術において定義され たキャリーオーバー値を低く保持するようになっている。 図３は、先端を切り取った円錐の形状をした分離部材１１を示している。この 分離部材１１は、中央部分ｂに配置され、第５の部分ｅの半径方向内方に配置さ れている。分離部材１１は、流れの方向に拡大する断面を有するように配置され ている。該分離部材１１の上流端におけるセパレータ１の内側断面と該分離部材 １１の外側断面との差は、少なくとも中央部分ｂの内壁に沿って流れる液膜の断 面に一致している。分離部材１１の目的は、不安定になって崩壊するところまで 、液膜がセパレータの内壁に沿って上方に流れることを防止することにより、液 体の分離をさらに向上することである。分離部材１１の長さは、セパレータ１の 軸方向に第５の部分ｅの軸方向の範囲にほぼ一致している。この分離部材１１の 下流端は、セパレータ１の内壁に隙間なく連結されている。一実施形態（図示略 ）において、分離部材１１は、任意の断面形状のパイプ形状を有していてもよい 。 図７は、孔３の下流に配置された内鍔状の分離部材１２を示している。分離部 材１２は、セパレータ１の内壁から、少なくとも該セパレータ１のこの部分にお ける液膜の厚さに一致する長さだけ半径方向内方に延びるように適合されている 。この分離部材１２の目的は、図３に係る分離部材１１の目的と同じである。一 実施形態（図示略）において、分離部材１２は、鍔部に接続して上流方向に延び る管状部分を有していてもよい。該管状部分は、任意の断面形状でよい。 上記において示された中央部分ｂ、上側部分ｃ、ケーシング４、スクレーパリ ング６および分離部材１１，１２の異なる実施形態が、複数の異なる方法（図示 略）で組み合わせられてもよいことは言うまでもない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 気液混合物から液体を分離するセパレータ（１）であって、両端に開放さ れた細長いパイプからなり、該パイプが、第１の部分（ａ）と、第２の部分（ｂ ）と、第３の部分（ｃ）とに分けられ、前記第１の部分（ａ）が、混合物の入口 および出口と、混合物を回転させる部材（２）とを有し、前記第２の部分が、回 転している混合物の入口および出口と、混合物から分離された液体の排出用の出 口（３）とを有し、前記第３の部分が、残りの混合物の入口および出口を有する セパレータにおいて、 前記第２の部分（ｂ）が、第４の部分（ｄ）と、第５の部分（ｅ）と、第６の 部分（ｆ）とに分けられ、第４および第６の部分（ｄ，ｆ）が隙間のない壁から なり、第５の部分（ｅ）が、円筒状の断面を有し、前記出口（３）が、第５の部 分（ｅ）に配置されていることを特徴とするセパレータ。 ２． 前記第２の部分（ｂ）および第３の部分（ｃ）が、一体的、かつ、直円筒 状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のセパレータ。 ３． 前記第３の部分（ｃ）は、該第３の部分（ｃ）への入口が、完全に、また は、部分的に前記第５の部分（ｅ）の下流に配置されるように、前記第２の部分 （ｂ）の内部に部分的に挿入配置されていることを特徴とする請求項１記載のセ パレータ。 ４． 前記第５の部分（ｅ）との間に、環状の隙間（５）を形成するように、ケ ーシング（４）によって取り囲まれていることを特徴とする請求項１から請求項 ３のいずれかに記載のセパレータ。 ５． 複数のセパレータ（１）を含むグループが、ケーシング（４）によって取 り囲まれて配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに 記載のセパレータ。 ６． 前記第３の部分（ｃ）が、直円筒状、または、流れの方向に増加または減 少する断面を有する形状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項 ５のいずれかに記載のセパレータ。 ７． 前記第３の部分（ｃ）が、少なくとも１つのスクレーパリング（６）を有 することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のセパレータ。 ８． 前記出口（３）の半径方向内方に、その下流端においてセパレータ（１） の内壁に隙間なく接続する任意の断面のパイプ状の分離部材（１１）が配置され ていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載のセパレータ。 ９． 前記分離部材が、流れの方向に拡大する断面積を有する錐台状に形成され ていることを特徴とする請求項８記載のセパレータ。 １０． 前記出口（３）の下流に、セパレータ（１）の壁面から半径方向内方に 延びる内鍔状の分離部材（１２）が配置されていることを特徴とする請求項１か ら請求項７のいずれかに記載のセパレータ。