JP2005205349A

JP2005205349A - 気液分配方法及びその装置

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Publication number: JP2005205349A
Application number: JP2004016353A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Kanamaki; 裕一金巻
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2004-01-23
Publication date: 2005-08-04

Abstract

【課題】多数の流入管からの気液二相流体を混合して複数の分配管路に分配するに当たり、該気液二相流体を分配管路に流量のばらつきを生ずることなく均等に分配して、火炉出口の蒸気温度を均一化し得る気液分配方法及びその装置を提供する。
【解決手段】多数の流入管からの気液二相の流体を混合し、この混合された前記流体を複数の分配管路に分配するにあたり、前記流入管からの気液二相の流体を混合した後、気体分と液体分とに分離して該気体分を複数の気体通路に液体分を複数の液体通路にそれぞれ送り込み、前記各気体通路からの気体分及び前記各液体通路からの液体分を該気体通路及び液体通路毎に混合することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボイラにおいて多数の管から流出する蒸気と水の混合流体を混合、分配する装置、冷媒の気液二相流体を取り扱う冷凍機や空調機における冷媒の混合、分配装置、あるいは化学プロセスにおける種々の気液二相流体や濃度の異なる流体同士等を扱う熱交換器等に適用され、火炉内の高温ガス中に設置された多数の流入管からの気液二相の流体を混合手段で混合し、この混合された流体を複数の分配管路に分配する気液分配方法及び気液分配装置に関する。

ボイラにおいて、多数の蒸発管からの水蒸気と水の気液二相流体の混合、分配手段である気液分配装置の１つとして、特許文献１（特開平１１−３５１５０６号公報）の技術が提供されている。
かかる技術においては、ボイラ火炉内の高温ガス中に設置された多数の流入管に連結され該流入管からの流体が集合する集合管寄せと、該集合管寄せから流入する流体を混合する混合器と、該混合器に接続されて該混合器内で混合された流体を分配する複数の分配管とを備えている。

図７は前記特許文献１に開示されているボイラにおける気液分配装置の要部構成を示す斜視図であり、図において、１は集合管寄せで、軸線が水平に配置されて両端が閉じた円筒形状に形成され、該集合管寄せ１には蒸発管を構成する多数の流入管６が接続されている。
該集合管寄せ１の中央部上部には、接続管２を介して混合器０３が接続されている。該混合器０３は軸線が鉛直に配置され、一端側（上端側）が閉じた円筒形状に形成されている。前記混合器０３の円筒面には同一の高さに分配管０４が複数本接続されている。前記各分配管０４の他端は、軸線が水平に配置されて両端が閉じた円筒形状に形成された分配管寄せ０１５に接続されている。該分配管寄せ０１５の円筒面には同一の高さに多数の流出管７が接続されている。
かかる気液分配装置において、多数の流入管６からの気液二相流体は、集合管寄せ１に集められた後、接続管２を通して混合器０３へ軸線方向に流入し、該混合器０３で混合された流体は該混合器０３と同じ高さに接続された分配管０４を通して分配管寄せ０１５に集められた後、多数の流出管７に均等に分配される。

特開平１１−３５１５０６号公報

特許文献１に開示されているようなボイラにおいては、流入管６から集合管寄せ１に集められた気液二相流体を混合器０３において混合させ、該気液二相流体を、前記混合器０３へ同じ高さで接続された複数の分配管０４に分配するようになっている。
このため、かかる従来技術においては、気相と液相とが混ざった状態にある流体（気液二相流体）を、混合器０３から該混合器０３へ同じ高さで接続された複数の分配管０４に分配するので、混合器０３の振動や集合管寄せ１、混合器０３、及び分配管０４の傾斜が大きくなると、気液二相流体が複数の分配管０４に均等に分配されずに、各分配管０４における気液二相流体の流量のばらつきが生じ易い。そして、かかる気液二相流体の流量のばらつきが発生すると、火炉出口の蒸気温度の不均一を誘起する。
殊に、混合器０３が振動するような場合には、該混合器０３内における分配管０４への流出気液面が波立つことにより、前記気液二相流体の均等な分配がさらに阻害される。

従って、本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、多数の流入管からの気液二相流体を混合して複数の分配管路に分配するに当たり、該気液二相流体を分配管路に流量のばらつきを生ずることなく均等に分配して、火炉出口の蒸気温度を均一化し得る気液分配方法及びその装置を提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、多数の流入管からの気液二相の流体を混合し、この混合された前記流体を複数の分配管路に分配する気液分配方法において、前記多数の流入管からの気液二相の流体を混合した後、この混合体を気体分と液体分とに分離して該気体分を複数の気体通路に該液体分を複数の液体通路にそれぞれ送り込み、前記各気体通路からの気体分及び前記各液体通路からの液体分を該気体通路及び液体通路毎に混合することを特徴とする。

また、本発明はかかる気液分配方法を実施する装置として、多数の流入管からの気液二相の流体を混合する混合手段と、該混合手段で混合された前記流体を複数の分配管路に分配する分配手段とを備えた装置であって、前記混合手段は、前記多数の流入管からの気液二相の流体を混合する混合部、及び、混合後の流体を気体分と液体分とに分離して該混合手段に接続された複数の気体通路及び複数の液体通路に該気体分及び液体分をそれぞれ送り出す分離部を備え、前記分配手段は、前記複数の分配管路を前記気体通路及び液体通路毎に接続して前記各気体通路からの気体分及び前記各液体通路からの液体分を該分配管路にて混合するように構成されたことを特徴とする気液分配装置を提供する。

かかる発明によれば、多数の流入管からの気液二相の流体を混合手段において混合し、かかる混合後の流体を一旦気体分と液体分とに分離し、分離した前記気体分及び液体分を複数の気体通路及び液体通路にそれぞれ送り込むことにより、前記混合手段において分離した気体分を所定の分配数の気体通路に分配し、液体分を所定の分配数の液体通路に分配することとなって、気体分と液体分とを完全に分けて分配するので、気液二相の流体の気体分と液体分とを気体通路及び液体通路毎に均等に分配することが可能となる。

そして、前記のようにして気体分と液体分とに分けて均等に分配されている所定の分配数の気体通路と液体通路とを、該気体通路及び液体通路毎に合流させることにより気体分と液体分とを該気体通路及び液体通路単位で再混合した気液二相流体を流出管側に送り込むので、流出管側には、温度、気液の割合、流量等が均等に分配された気液二相流体を流すことができ、これによって火炉出口の蒸気温度を均一化することができる。

かかる発明において、前記混合手段は具体的には次のように構成するのが好ましい。
即ち、前記混合手段は、内部に前記混合部が形成された筒状体からなり、前記分離部が、該筒状体の鉛直方向上部に開口して前記気液二相の流体の気体分を取り出して前記気体通路に供給する気体分取出口と、該筒状体の鉛直方向下部に開口して前記気液二相の流体の液体分を取り出して前記液体通路に供給する液体分取出口とより構成される。

また、かかる発明において、前記分配手段は具体的には次の（１）〜（５）のように構成するのが好ましい。
（１）前記分配手段は、鉛直方向上方に配置された前記気体通路と鉛直方向下方に配置された前記液体通路とを１個の混合通路に合流させてなるＴ字状通路にて構成される。
（２）前記分配手段は、前記気体通路が形成された気体管の内部に、前記液体通路が形成された液体管の管端部を該気体通路の下流側に向けて開口してなる噴出口を備え、前記噴出口から前記液体分を噴出せしめることによるエジェクタ作用によって前記気体通路を流れる気体分と前記噴出口から噴出される液体分とを混合するように構成される。

（３）前記分配手段は、内部に前記気体通路が形成された気体管に、内部に前記液体通路が形成された液体管の管端部を固着して、該管端部に前記気体通路の斜め下流方向に開口する噴出口を形成してなり、該噴出口から前記液体分を噴出せしめることによるエジェクタ作用によって前記気体通路を流れる気体分と前記噴出口から噴出される液体分とを混合するように構成される。
（４）前記分配手段は、内部に前記気体通路が形成された気体管に、内部に前記液体通路が形成された液体管の管端部を前記気体管及び液体管の軸心を直交せしめて固着するとともに、該管端部を前記気体通路内に突出せしめてその先端部に前記気体通路の斜め下流方向に開口するように切断されて形成された噴出口を設けてなる。
（５）前記分配手段は、内部に前記気体通路が形成された気体管の周囲に密閉された環状通路を形成し、該環状通路を前記液体通路に接続するとともに、該環状通路と前記気体通路とを連通して前記液体通路から環状通路に導入された液体分を前記気体通路内に噴出する噴出口を備えてなる。

本発明によれば、混合手段において分離した気体分を所定の分配数の気体通路に分配し、液体分を所定の分配数の液体通路に分配することにより気体分と液体分とを完全に分けて分配するので、気液二相の流体の気体分と液体分とを気体通路及び液体通路毎に均等に分配することが可能となり、さらに前記のように気体分と液体分とに分けて均等に分配されて流れている所定の分配数の気体通路と液体通路とを合流させることにより気体分と液体分とを該気体通路及び液体通路単位で再混合した気液二相流体を分配管路に送り込むので、各分配管路には均等に分配された気液二相流体を流すことができ、これによって火炉出口の蒸気温度を均一化することができる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は本発明の実施例に係るボイラにおける気液分配装置の混合器および分配手段の第１例を示す要部断面図である。図２は前記実施例における分配手段の第２例を示す要部断面図、図３は分配手段の第３例を示す要部断面図、図４は分配手段の第４例を示す要部断面図である。図５は分配手段の第５例を示し、（Ａ）は気体管の軸線に沿う要部断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。図６は本発明が適用されるボイラの要部構造図である。

本発明が適用されるボイラの要部構造を示す図６において、２５は火炉で、多数の蒸発管２２を並べて構成された壁によって４周を囲んで形成されている。２６は該火炉２５の壁部に周方向及び軸方向に複数個配設されたバーナで、該バーナ２６から噴出される燃料と図示しない空気供給ノズルからの空気とによる該火炉２５内での燃焼によって、前記蒸発管２２内の水を加熱して蒸気を発生させるようになっている。
２１は前記蒸発管２２に接続される入口管寄せ、２８は過熱器、２３は該過熱器２８の蒸気出口に接続される出口管寄せである。

１は集合管寄せで、軸線が水平に配置されて両端が閉じた円筒形状に形成され、該集合管寄せ１には前記蒸発管２２を構成する多数の流入管６が接続されている。
該集合管寄せ１の中央部上部には、接続管２を介して軸線が鉛直に配置された混合器３が接続されている。４は該混合器３に接続される複数の分配管である。該混合器３及び分配管４の詳細については後述する。
前記各分配管４の他端は、軸線が水平に配置されて両端が閉じた円筒形状に形成された分配管寄せ０１５に接続されている。そして、該分配管寄せ０１５の円筒面には同一の高さに多数の流出管７が接続され、該流出管７の出口側は前記過熱器２８（図６参照）に接続されている。

本発明の実施例を示す図１において、１は集合管寄せで、該集合管寄せ１には前記蒸発管２２を構成する多数の流入管６が接続されている。尚、この実施例においては、前記分配管寄せ０１５を設置せずに、後述する各分配管４からの気液二相流体を流出管７及び過熱器２８（図６参照）に送り込むように構成する。
３は該集合管寄せ１の中央部上部に接続管２を介して接続された混合器３である。該混合器３は、上部及び下部が閉じた円筒形状に形成されており、中心部に前記接続管２に連通される噴出管１４が設けられている。該噴出管１４の先端部寄りには多数の噴出孔１５が開口され、前記集合管寄せ１から導入された気液二相流体が該噴出孔１５から前記混合器３内部の混合室３ａ内に噴出されるようになっている。

３ｃは前記混合器３の鉛直方向上部に複数個（つまり分配管４の数）開口された気体分取出口、３ｄは前記混合器３の鉛直方向下部に前記気体分取出口３ｃと同数個開口された液体分取出口である。各気体分取出口３ｃはこれと同数の気体管１０に接続され、各液体分取出口３ｄはこれと同数の液体管１１に接続されている。
１３は混合管で、鉛直方向上方に配置された前記気体管１０と鉛直方向下方に配置され前記液体管１１とを合流して、鉛直方向（上下方向）にＴ字状に接続している。前記気体管１０、液体管１１、及び混合管１３によって複数の前記分配管４を構成している。

かかる実施例において、前記集合管寄せ１の内部１ａから前記接続管２内の接続通路２ａを通った気液二相流体は、図１の矢印のように流れて混合器３の前記噴出管１４内に入り、該噴出管１４に形成された多数の噴出孔１５から該混合器３内部の混合室３ａ内に噴出されて第１次の混合がなされる。

かかる気液二相流体の混合室３ａ内への噴出によって、該気液二相流体は比重差によって気体分と液体分とに分離され、比重の小さい気体分は複数の前記気体分取出口３ｃから各気体管１０内の気体通路１０ａに送り込まれ、比重の大きい液体分は複数の前記液体分取出口３ｄから各液体管１１内の液体通路１１ａに送り込まれる。
これにより、気体分と液体分とを、上部の気体分取出口３ｃ及び各気体管１０と下部の液体分取出口３ｄ及び各液体管１１とに完全に分けて、気体分のみを複数に分配するとともに液体分のみを複数に分配するので、前記気液二相流体の気体分と液体分とを気体通路１０ａ及び液体通路１１ａ毎に均等に分配することが可能となる。

前記のようにして、各気体管１０内の気体通路１０ａに分配された気体分と、各液体管１１内の液体通路１１ａに分配された液体分とは混合管１３内の混合通路１３ａにて合流されて、前記気体分と液体分とが再度混合されて気液二相流体となる。分配管４毎にかかる混合がなされた気液二相流体は、前記流出管７及び過熱器２８（図６参照）に送り込まれる。
従って、前記混合器３において、気体分と液体分とに分けて均等に分配されている所定の分配数の気体通路１０ａと液体通路１１ａとを、該気体通路１０ａ及び液体通路１１ａ毎に混合通路１３ａにて合流させることにより、気体分と液体分とを該気体通路１０ａ及び液体通路１１ａ単位で再混合した気液二相流体を前記流出管７側に送り込むので、各分配管４において均等に分配された気液二相流体を流出管７側に送り込むことができ、これによって火炉出口の蒸気温度を均一化することが可能となる。

また、前記各分配管４は、図２ないし図５に示される第２例ないし第５例のように構成することができる。
図２に示される第２例において、３０は気体管で、内部の気体通路３０ａが前記混合器３の気体分取出口３ｃに連通されている。３１は液体管で、内部の液体通路３１ａが前記混合器３の液体分取出口３ｃに連通されている。前記液体管３１の管端部は前記気体通路３０ａ内に突出され、該管端部には該気体通路３０ａの下流側に向けて開口された噴出孔３２が設けられている。
かかる第２例においては、前記混合器３から液体通路３１ａに導入された液体分を前記噴出孔３２から気体通路３０ａに噴出せしめることによるエジェクタ作用によって、前記気体通路３０ａを流れる気体分と前記噴出口３２から噴出される液体分とを混合して気液二相流体として、混合通路４０ａに送り込む。

図３に示される第３例においては、内部に気体通路３０ａが形成された気体管３０に、内部に液体通路３１ａが形成された液体管３１の管端部を固着して、該管端部に前記気体通路３０ａの斜め下流方向（前記気体通路３０ａ中心に対して角度α傾斜）に開口する噴出口３３を形成している。そしてかかる第３例においては、前記混合器３から液体通路３１ａに導入された液体分を前記噴出口３３から気体通路３０ａに噴出せしめることによるエジェクタ作用によって、前記気体通路３０ａを流れる気体分と前記噴出口３３から噴出される液体分とを混合して気液二相流体として、混合通路４０ａに送り込む。

図４に示される第４例においては、内部に気体通路３０ａが形成された気体管３０に、内部に液体通路３１ａが形成された液体管３１を前記気体管３０及び該液体管３１の軸心を直交せしめて固着するとともに、該液体管３１の管端部を前記気体通路３０ａ内に突出せしめてその先端部に前記気体通路３０ａの斜め下流方向（角度θ）に開口するように切断されて形成された（角度θにて切断）噴出口３４を設けている。
そしてかかる第４例においては、前記混合器３から液体通路３１ａに導入された液体分を前記噴出口３４から気体通路３０ａに噴出せしめることによるエジェクタ作用によって、前記気体通路３０ａを流れる気体分と前記噴出口３４から噴出される液体分とを混合して気液二相流体として、混合通路４０ａに送り込む。

図５に示される第５例においては、内部に気体通路３０ａが形成された気体管３０の周囲に、外管３５内に密閉形成された環状通路３５ａを設け、該環状通路３５ａを前記液体管３１内の液体通路３１ａに接続している。３６は前記気体管３０に円周方向に沿って複数個（この例では４個）穿孔され前記環状通路３５ａと気体通路３０ａを連通する噴出口である。
かかる第５例においては、前記混合器３から液体通路３１ａを通って環状通路３５ａに導入された液体分は、複数個の噴出口３６から前記気体通路３０ａ内に噴出されて、前記気体通路３０ａを流れる気体分と混合されて気液二相流体として、混合通路４０ａに送り込まれる。

以上の実施例においては、本発明を図６に示される混合器３および分配管４に適用したが、本発明は図６に示される分配管寄せ０１５を混合手段として該分配管寄せ０１５の出口に接続される流出管を分配管として適用することもできる。
また、本発明は、前記実施例に係るボイラに限らず、冷媒の気液二相流体を取り扱う冷凍機や空調機における冷媒の混合、分配装置、あるいは化学プロセスにおける種々の気液二相流体や濃度の異なる流体同士等を扱う熱交換器等の、多数の流入管からの気液二相流体を混合して複数の分配管路に分配する気液分離装置に広く適用できる。

本発明によれば、多数の流入管からの気液二相流体を混合して複数の分配管路に分配するに当たり、該気液二相流体を分配管路に流量のばらつきを生ずることなく均等に分配することが可能となり、分配管路出口の蒸気温度を均一化した気液分配装置を得ることができる。

本発明の実施例に係るボイラにおける気液分配装置の混合器および分配手段の第１例を示す要部断面図である。前記実施例における分配手段の第２例を示す要部断面図である。前記実施例における分配手段の第３例を示す要部断面図である。前記実施例における分配手段の第４例を示す要部断面図である。前記実施例における分配手段の第５例を示し、（Ａ）は気体管の軸線に沿う要部断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。本発明が適用されるボイラの要部構造図である。従来技術にかかる気液分離装置の斜視図である。

符号の説明

１集合管寄せ
２接続管
３混合器
３ｃ気体分取出口
３ｄ液体分取出口
４分配管
６流入管
７流出管
１０、３０気体管
１０ａ、３０ａ気体通路
１１、３１液体管
１１ａ、３１ａ液体通路
１３混合管
１３ａ、４０ａ混合通路
１４噴出管
１５噴出孔
２２蒸発管
２５火炉
２６バーナ
３２、３３、３４、３６噴出口
３５ａ環状通路

Claims

多数の流入管からの気液二相の流体を混合し、この混合された前記流体を複数の分配管路に分配する気液分配方法において、前記多数の流入管からの気液二相の流体を混合した後、この混合体を気体分と液体分とに分離して該気体分を複数の気体通路に該液体分を複数の液体通路にそれぞれ送り込み、前記各気体通路からの気体分及び前記各液体通路からの液体分を該気体通路及び液体通路毎に混合することを特徴とする気液分配方法。
多数の流入管からの気液二相の流体を混合する混合手段と、該混合手段で混合された前記流体を複数の分配管路に分配する分配手段とを備えた気液分配装置において、前記混合手段は、前記多数の流入管からの気液二相の流体を混合する混合部、及び、混合後の流体を気体分と液体分とに分離して該混合手段に接続された複数の気体通路及び複数の液体通路に該気体分及び液体分をそれぞれ送り出す分離部を備え、前記分配手段は前記複数の分配管路を前記気体通路及び液体通路毎に接続して前記各気体通路からの気体分及び前記各液体通路からの液体分を該分配管路にて混合するように構成されたことを特徴とする気液分配装置。
前記混合手段は、内部に前記混合部が形成された筒状体からなり、前記分離部が、該筒状体の鉛直方向上部に開口して前記気液二相の流体の気体分を取り出して前記気体通路に供給する気体分取出口と、該筒状体の鉛直方向下部に開口して前記気液二相の流体の液体分を取り出して前記液体通路に供給する液体分取出口とより構成されてなることを特徴とする請求項２記載の気液分配装置。
前記分配手段は、鉛直方向上方に配置された前記気体通路と鉛直方向下方に配置された前記液体通路とを１個の混合通路に合流させてなるＴ字状通路にて構成されたことを特徴とする請求項２記載の気液分配装置。
前記分配手段は、前記気体通路が形成された気体管の内部に、前記液体通路が形成された液体管の管端部を該気体通路の下流側に向けて開口してなるを備え、前記噴出口から前記液体分を噴出せしめることによるエジェクタ作用によって前記気体通路を流れる気体分と前記噴出口から噴出される液体分とを混合するように構成されたことを特徴とする請求項２記載の気液分配装置。
前記分配手段は、内部に前記気体通路が形成された気体管に、内部に前記液体通路が形成された液体管の管端部を固着して、該管端部に前記気体通路の斜め下流方向に開口する噴出口を形成してなり、該噴出口から前記液体分を噴出せしめることによるエジェクタ作用によって前記気体通路を流れる気体分と前記噴出口から噴出される液体分とを混合するように構成されたことを特徴とする請求項２記載の気液分配装置。
前記分配手段は、内部に前記気体通路が形成された気体管に、内部に前記液体通路が形成された液体管の管端部を前記気体管及び液体管の軸心を直交せしめて固着するとともに、該管端部を前記気体通路内に突出せしめてその先端部に前記気体通路の斜め下流方向に開口するように切断されて形成された噴出口を設けてなることを特徴とする請求項２記載の気液分配装置。
前記分配手段は、内部に前記気体通路が形成された気体管の周囲に密閉された環状通路を形成し、該環状通路を前記液体通路に接続するとともに、該環状通路と前記気体通路とを連通して前記液体通路から環状通路に導入された液体分を前記気体通路内に噴出する噴出口を備えてなることを特徴とする請求項２記載の気液分配装置。