JP2004163256A - 高温流体挙動計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流動層内に挿入され、流動粒子の挙動を計測する流体挙動計測装置について、従来より高温での使用を可能とする。
【解決手段】高温粒子による圧力検出部に、高温用カプセル型ひずみゲージを用い、さらに、前記ひずみゲージに応力を伝える検出ビーム等の各構成要素の材質および形状に検討を重ね、最適なものとした。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温流動層内の流体の粒子挙動を計測する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
混合、混煉、攪拌等の処理を伴うプラント機器において、流動の原因となる、気固系、或は、固液系などの混相流体の構成要素である固体粒子の動的挙動を正確に把握すること。また、粒子の動的挙動を検出・監視しつつ、これを制御する技術を確立することは、混相流体を取り扱う装置の機能を高め、さらに製品の品質を高める上から極めて重要な課題である。
流動層内の流体の挙動を調べる方法としては、内部の粒子挙動の観察が可能なアクリル等で作成されたモデル内の常温での粒子挙動を観察し、実際の炉内の粒子挙動を推定する方法であるモデルテスト。流動層内にセンサを配置し、流動槽内の圧力分布を計測する方法などがあった。
しかし、モデルテストでは、温度条件等の違いから、局部的に実際の実施例との相関が困難な部分がある。検証のためにモデルを別に作成する必要があるといった問題があった。
また、流動層内にセンサを配置する方法においては、ダイヤフラムの径に対して流体の粒子径の比率が十分に小さくなくてはならず、圧力センサの受圧面積に制限があるなど、条件面での制約が多かった。また、ダイヤフラムに粒子が繰り返し衝突することにより、ダイヤフラム表面の摩耗により測定精度が悪化するなどの問題があった。
この問題に関し、特許文献１では、炭材流動層型溶融還元炉において、カメラを備えたプローブを挿入し、炉内の
温度を同時に測定後、演算処理することにより粒子挙動を把握する方法が公開されている。この方法では、カメラおよび画像処理を用い、間接的に粒子挙動が把握されているが、実際に測定された粒子挙動と特許文献１で得られた粒子挙動の相関については、何ら言及されていない。
すなわち、混相流が内在する容器内の、任意の計測点における固体粒子の動的挙動を、定量的に把握する方法に関し、定評のある従来技術は存在しなかった。そこで、本出願発明者は新たに考案した技術を特許文献２および３を出願した。これらの文献に記述の流体挙動測定装置によれば、計測器によって受圧体に作用する流体の力を計測することにより、その計測箇所における流体の挙動を把握できる。前記流体挙動測定装置は、測定対象となる装置において、許容される使用温度範囲において実用に供し成果を挙げてきた。
【０００３】
【特許文献１】特開平０６−１０８１３１号公報
【特許文献２】特許出願Ｊ８９９８５Ａ１号明細書
【特許文献３】特許出願Ｊ８９９８６Ａ１号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実際に騒動中のプラント等の装置において、混相流体の動的挙動を実測するには、粒子挙動センサの耐熱性が劣るため実用に供することが困難であった。すなわち、従来技術による前記流体挙動測定装置によれば、室温から最高３００℃までが使用温度範囲であった。これにより、測定対象物が例えば、比較的騒動温度の低い装置やプラント、室温近傍の温度で行う前述のモデルテスト等と制限されていた。
これに対し、例えば、ガス発生形流動層においては、混相流体温度が８００℃を超える環境温度となり、従来技術による使用温度では適応できなくなる。
これら高温環境下で動作する装置においては、前述のモデルテストにおいて混相流の挙動が把握されているとはいえ、実際の装置内での粒子挙動の検証を行うことが重要であった。そのために、流体挙動測定装置の耐熱性を高めることは極めて重要な課題であった。
本発明は上述した種々の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、流体挙動測定装置の使用温度を制限する高温用カプセル型ひずみゲージの耐熱性を向上させるために、センサの構成および使用素材について耐熱性の向上を目的とした機能改善を行うことを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の目的を達成するため、容器内に挿入される円筒状受圧ユニット（２）と、
前記受圧ユニットの前端に設けられ流体粒子からの応力を受ける平板状の受圧体（４）と、前端が該受圧体後端に固定され、該受圧体に受けた力によりたわみを発生する、検出ビーム（５）と、前記検出ビーム後端を保持する固定ブロック（６）と、該検出ビーム上に取りつけられ、該検出ビームによるたわみを電気信号に変換する高温用カプセル型ひずみゲージ（７）と、
前記受圧ユニットへの応力により変形し、かつユニット内部を外部と隔離する金属ベローズ（８）と、該金属ベローズに連結された保護チューブ（９）と、前記受圧ユニット後端にて前記保護チューブに固定されたキャップ部（１０）と、を有し、
前記受圧ユニットが、容器壁（１）に設けられ、容器内部と外部を隔離するシール金具（３）を介して容器内に挿入されることを特徴とした。
【０００６】
本発明では、流動粒子により受圧体（４）に与えられた力を測定することにより、プラント容器内部の流動層の粒子の挙動を計測している。受圧体は、測定のために炉内に挿入される受圧ユニット（２）の先端に取りつけられている。
受圧体（２）に与えられた力は、受圧体を保持する金属ベローズ（８）に伝えられ金属ベローズを変形させる。金属ベローズの変形により、受圧体（２）が移動し、その動きは受圧ユニット内部の検出ビーム（５）の前端部に伝えられる。検出ビームはその後端を固定ブロック（６）により受圧ユニット内部に固定されており、自身の前端部に与えられた受圧体（２）の移動によりたわみを発生する。このたわみは、検出ビーム（５）上に溶接により取りつけられた高温用カプセル型ひずみゲージ（７）に伝えられる。高温用カプセル型ひずみゲージは、自身に発生した力を電気信号に伝える。
この構成により、実際に粒子からの力を受ける受圧体（２）と、その力を検知し電気信号に変換する高温用カプセル型ひずみゲージ（７）を分離することが可能となる。すなわち、これら二つの要素を分離することにより、特に耐熱性を持たせた受圧体（２）と、耐熱性を持つものの、直接粒子にはさらされない高温用カプセル型ひずみゲージ（７）を分離することが可能となる。
【０００７】
また、受圧ユニット（２）はシール金具（３）を介して流動層内に挿入されている。本構成により、プラント容器内部からの流体の流出を防ぐことができ、測定対象である流動層への影響を少なくすることができる。さらに、内部が高温となる粒子循環型流動層還元炉等へ適用する場合には、炉内の高温流体から、後述する駆動機構等を保護することが可能となる。
【０００８】
また、受圧体（２）を平板状としたことにより、粒子が受圧体に力をおよぼす際の力の方向を特定することができる。すなわち、図１に示す様に、ＦＸ方向およびＦＹ方向等、受圧体平面部の法線方向と異なる方向からの力を受けた場合、その応力は最終的には平面部の法線方向である主・作用荷重方向Ｆに分解され受圧体に与えられる。
図１を用いて説明すると、まず図（ａ）中受圧面に力Ｆが与えられ、角度θが回転方向に回転したと仮定すると、出力される圧力信号は圧力検知特性図（ｂ）のようになる。力Ｆが、図中受圧面の法線方向と一致した場合に最大値となることから、測定時に適宜に受圧板を回転させ、検知される信号の最大値を得ることにより、粒子から受ける圧力の正確な方向と大きさを知ることができる。
【０００９】
上記本発明の目的を達成するため、前記受圧ユニットは前記容器内の移動手段として、前記受圧ユニットを前記保護チューブの中心軸に沿い前後に移動するための直進トラバース装置（１１）と、前記保護チューブの中心軸を中心として該受圧ユニットを回転させるための回転トラバース装置（１２）と、回転角を高精度で検知する回転角検出指示装置（１４）と、を備えたことを特徴とした。
【００１０】
上記本発明の構成によれば、受圧ユニット（２）を、直進トラバース装置（１１）により任意の流動層内の位置に挿入することができ、粒子により受ける力を測定することができる。
また回転トラバース移動装置（１２）により、受圧体を回転させ、受圧体を中心とする同心円内での圧力の分布を電気信号として測定することができる。さらに、回転角検出指示装置（１４）に角度を精密に測定可能なセンサとを用い、より精密な測定が可能となる。
【００１１】
上記本発明の目的を達成するため、前記高温用カプセル型ひずみゲージの近傍には、温度センサ（１５）が取りつけられ、前記高温用カプセル型ひずみゲージからの信号が、前記温度センサからの信号により補償されることで、使用温度範囲を拡張したことを特徴とした。
【００１２】
上記本発明の構成によれば、高温用カプセル型ひずみゲージ（７）からの出力信号を、温度センサ（１５）からの信号を用いて補償することが可能となる。つまり、高温用カプセル型ひずみゲージからの一定の力に対する信号が温度の変化に対して変動する特性を、温度センサからの信号により補償することが可能となる。すなわち、高温環境下でも、正確に高温用カプセル型ひずみゲージ（７）に与えられた力を信号として取り出すことが可能となる。
【００１３】
上記本発明の目的を達成するため、前記高温用カプセル型ひずみゲージの近傍には、前記キャップ部を介し外部から接続された冷却ノズル（１９）を備え、前記冷却ノズルより流出する気体が直接前記高温用カプセル型ひずみゲージを冷却し、冷却後の気体がさらに前記受圧ユニットの内部を冷却し、前記キャップ部から外部に流出することを特徴とした。
【００１４】
上記本発明の構成によれば、高温用カプセル型ひずみゲージ（７）および受圧ユニット内部を、強制的に冷却することが可能となる。これにより、温度による高温用カプセル型ひずみゲージの検出特性の変化、検出ビーム（５）の弾性定数および機械的強度の変化等による測定への影響、高温用カプセル型ひずみゲージ（７）と検出ビーム間の機械的特性の変化による測定への影響および高温用カプセル型ひずみゲージから信号を取り出す線材への影響等を抑えることができ、より精密な測定が可能となる。
【００１５】
上記本発明の目的を達成するため、前記検出ビームは、受圧体との接続部が、固定ブロック（６）との接続部よりも幅が狭い形状をもつことにより、前記検出ビーム上各点での受圧体（４）による加重による応力が等しく、ステンレス、インコネルおよびハステロイ等の耐熱性を有する合金鋼よりなりことを特徴とした。
【００１６】
上記本発明の構成によれば、検出ビーム（５）に取りつけられた高温用カプセル型ひずみゲージ（７）の各部に均等にひずみ応力を伝えることが可能となる。また、耐熱性を有する合金により構成されることにより、温度による材料強度および弾性係数の変化を低く抑えることが可能となる。
つまり、高温用カプセル型ひずみゲージは高温環境下でも与えられた力に対し良好な条件で、信号を出力することが可能となる。
【００１７】
上記本発明の目的を達成するため、前記受圧体が、ステンレス、インコネルおよびハステロイ等の耐熱性を有する合金鋼よりなり、交換可能であることを特徴とした。
【００１８】
上記本発明の構成によれば、直接高温の粒子にさらされる受圧体（２）を耐熱性のよい材料にて構成することが可能となる。また、固体粒子の衝突により摩耗が生じた場合にも、受圧体のみを交換することにより、摩耗による測定への影響を受けること無く測定を継続できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施形態を図２を参照して説明する。
符号１は、粒子循環型流動層還元炉等の高温環境下で騒動する、流動粒子を含むプラント容器の壁面を示しており、このプラント容器内では一定の方向に流動する流動層が形成されている。本例では、高温流体挙動計測装置は、上記プラント容器壁に開口を設け取りつけられている。
高温流体挙動計測装置は、粒子から圧力を受ける受圧体４と受圧体２を含みかつ保持する受圧ユニット２と、受圧体を流動槽内任意の場所に配置する直進トラバース装置１１および回転トラバース装置１２と、測定された信号を処理するデータ解析装置およびデータ表示収録装置を含んで構成されている。
【００２０】
前記の受圧ユニット２は、前端にとりつけられた受圧体４と、前端が該受圧体後端に固定され、該受圧体に受けた力によりたわみを発生する、検出ビーム５と、前記検出ビーム後端を保持する固定ブロック６と、該検出ビーム上に取りつけられ、該検出ビームによるたわみを電気信号に変換する高温用カプセル型ひずみゲージ７と、受圧ユニットへの応力により変形し、かつユニット内部を外部と隔離する金属ベローズ８と、該金属ベローズに連結された保護チューブ９と、前記受圧ユニット後端にて前記保護チューブに固定されたキャップ部１０を含んで構成されている。
【００２１】
以降受圧ユニット内の各構成部の詳細について図２および図３を用いて説明する。
前記受圧体は図２に示す円形平板状であり、ステンレス、インコネルおよびハステロイ等の耐熱性を有する合金鋼よりなり、交換可能である。この形状により受圧体は一方向の粒子からの圧力に対し感度を持つ。また、本材質により、直接高温の粒子にさらされる受圧体２を耐熱性のよい材料にて構成できる。さらに、交換可能であることから、固体粒子の衝突により摩耗が生じた場合にも、受圧体のみを交換することにより、摩耗による測定への影響を受けること無く測定を継続できる。
また、検出ビームは、図３に示すように、受圧体との接続部が、固定ブロックとの接続部よりも幅が狭い形状をもっている。つまり、前記検出ビーム上各点での受圧体（４）による加重による応力が等しい構造となっている。これにより、検出ビーム５に取りつけられた高温用カプセル型ひずみゲージ７の各部に均等にひずみ応力を伝えることが可能となる。また、本実施例では、高温雰囲気にて材料強度および弾性係数の低下が少ない素材として耐熱性ステンレス、インコネルおよびハステロイ等を用いている。よって、高温用カプセル型ひずみゲージは与えられた力に対し高温下でも良好な条件で、信号を出力することが可能となっている。
高温用カプセル型ひずみゲージ７には、溶接により検出ビームに取りつけられる溶接型高温ひずみゲージが用いられており、本実施例では９５０℃までの使用温度で動作可能なものを用いている。さらに、この部分の小型化を要する場合には、セラミック容射またはセラミック接着剤による固着を行うフリーフィラメント型高温ひずみゲージの使用も有効である。また、図２の前記高温用カプセル型ひずみゲージの近傍には、温度センサ１５が取りつけられ、前記高温用カプセル型ひずみゲージからの信号が、前記温度センサからの信号により補償されるようになっている。なお、高温用カプセル型ひずみゲージおよび温度センサからの出力信号ケーブルは図１中キャップ部１０を介し受圧ユニット外部に設けられた、信号処理データ解析装置１７へ接続される。
さらに、図１の前記高温用カプセル型ひずみゲージの近傍には、キャップ部１０を介し外部から接続された冷却ノズル１９を備え、前記冷却ノズルより流出する気体が直接前記高温用カプセル型ひずみゲージを冷却し、冷却後の気体が前記受圧ユニットの内部を冷却した後パイプ２０から外部に流出するようになっている。
【００２２】
図２中直進トラバース装置１１および回転トラバース装置１２については、特に回転角を精度良く測定するために、回転角検出指示装置１４を併用する。
これは、一方向について感度を持つ受圧体を、流動層内で正確な角度で回転させることにより、粒子の流動方向をより正確に得るためである。
【００２３】
本実施の形態によれば、従来の流体挙動測定装置に耐熱性を具備することにより、８００℃を超える高温中においても、使用することが可能となる。
【００２４】
上記の発明では、高温用カプセル型ひずみゲージを用い、各構成要素の材質の吟味および、形状および構成の検討を行うことにより、従来の流体挙動測定装置を高温環境下で使用することを可能とした。なお、測定の目的に合わせて受圧体の形状を変更する、他の種類のひずみゲージを適用する等、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００２５】
【発明の効果】
以上の説明によりわかるように、本発明によれば、従来の流体挙動測定装置に耐熱性を具備することにより、流動層、噴流層および移動層等を利用したボイラ、焼却炉、乾燥機および各種反応器の装置内における流動状況の把握に用いることができる。これにより、上記装置内における流れの強さや偏流の度合いを知り、燃焼不良を生じない流動状況の評価等に適用される。
さらに、ボイラ、燃焼炉など、燃焼を伴う装置においては、伝熱管の局所摩耗や伝熱性能の評価に、乾燥機や各種反応器においては、乾燥の度合いや反応性の評価および粒子流量の計測等に適用できる。
これにより、本願の高温流体挙動測定装置は各種粉体関連機器の設計および不具合対策に不可欠な精度の高い実証データの採取に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】受圧板の位置（ａ）と感度特性（ｂ）を示した図である。
【図２】本発明の好ましい実施の形態の主要部断面図である。
【図３】本発明の好ましい実施の形態の主要部断面図中Ａ部の部分詳細図である。
【符号の説明】
１ 容器壁
２ 受圧ユニット
３ シール金具
４ 受圧体
５ 検出ビーム
６ 固定ブロック
７ 高温用カプセル型ひずみゲージ
８ 金属ベローズ
９ 保護チューブ
１０ キャップ部
１１ 直進トラバース装置
１２ 回転トラバース装置
１４ 回転角検出指示装置
１５ 温度センサ
１９ 冷却ノズル

Claims (8)

1. 容器内に挿入される円筒状受圧ユニット（２）が、
   前記受圧ユニットの前端に設けられ流体粒子からの応力を受ける平板状の受圧体（４）と、前端が該受圧体後端に固定され該受圧体に受けた力によりたわみを発生する、検出ビーム（５）と、前記検出ビーム後端を保持する固定ブロック（６）と、該検出ビーム上に取りつけられ該検出ビームによるたわみを電気信号に変換する高温用カプセル型ひずみゲージ（７）と、
   前記受圧ユニットへの応力により変形しかつユニット内部を外部と隔離する金属ベローズ（８）と、該金属ベローズに連結された保護チューブ（９）と、を有し、
   前記受圧ユニットは、容器壁（１）に設けられ、容器内に挿入されることを特徴とする高温流体挙動計測装置。
2. 前記受圧ユニットは前記容器内の移動手段として、前記受圧ユニットを前記保護チューブの中心軸に沿い前後に移動するための直進トラバース装置（１１）と、前記保護チューブの中心軸を中心として該受圧ユニットを回転させるための回転トラバース装置（１２）と、回転角を高精度で検知する回転角検出指示装置（１４）と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の高温流体挙動計測装置。
3. 前記高温用カプセル型ひずみゲージの近傍には、温度センサ（１５）が取りつけられ、前記高温用カプセル型ひずみゲージからの信号が、前記温度センサからの信号により補償されることで、使用温度範囲を上昇させたことを特徴とする請求項１及び２に記載の高温流体挙動計測装置。
4. 前記高温用カプセル型ひずみゲージの近傍には、前記キャップ部を介し外部から接続された冷却ノズル（１９）を備え、前記冷却ノズルより流出する気体が直接前記高温用カプセル型ひずみゲージを冷却し、冷却後の気体がさらに前記受圧ユニットの内部を冷却し、前記キャップ部から外部に流出することを特徴とする請求項１乃至３に高温流体挙動計測装置。
5. 前記検出ビームは、受圧体との接続部が、固定ブロック（６）との接続部よりも幅が狭い形状をもつことにより、前記検出ビーム上各点での受圧体（４）による加重による応力が等しく、ステンレス、インコネルおよびハステロイ等の耐熱性を有する合金鋼よりなることを特徴とする請求項１乃至４に記載の高温流体挙動計測装置。
6. 前記受圧体が、ステンレス、インコネルおよびハステロイ等の耐熱性を有する合金鋼よりなり、交換可能であることを特徴とする請求項１乃至５に記載の高温流体挙動計測装置。
7. 前記受圧ユニット後端には、保護チューブ（９）に固定されたキャップ部（１０）をもつことを特徴とする請求項１乃至６に記載の高温流体挙動計測装置。
8. 前記受圧ユニットは、容器内部と外部を隔離するシール金具（３）を介して容器内に挿入されることを特徴とする請求項１乃至７に記載の高温流体挙動計測装置。

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