JP2018076936A - パイプラインによる流体移送方法及び流体移送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パイプライン内の流れに脈動を付与して乱流を層流化するに際して、既設のパイプラインへの適用を可能にすると共に、流体を動的に駆動する際のエネルギー消費を抑える。【解決手段】設定された配管長を有するパイプライン内で流体を移送するパイプラインの流体移送方法であって、パイプラインの一端側にパイプライン内の流体に脈動を付与する脈動付与部を設け、脈動付与部は、配管長から求められるパイプラインの固有周期以上の周期で脈動を付与する。【選択図】図１

Description

本発明は、パイプラインによって流体を移送する方法及び装置に関するものである。

ガスや液体の移送に用いられるパイプラインは、都市ガスパイプラインや水道などのライフライン、石油など流体燃料などを輸送する工業用ライン、空調設備における冷媒輸送、温水輸送などの排熱利用ラインなど、各種分野で利用されている。このようなパイプラインは、流体移送時のエネルギー消費の大半を占めている乱流摩擦抵抗によるエネルギー損失の抑制が大きな課題になっている。

この課題に対して、流体の流れを加速することで乱流を層流化できること、この層流化によって乱流摩擦抵抗によるエネルギー損失の低減が可能になることが知られており、管路内の流体に速度変化を加えるポンプを設け、流れを脈動させて加速時間と減速時間を周期的に発生させることの有効性が検討されている（下記特許文献１参照）。

また、下記特許文献２には、流体輸送管において、流体の断面平均流速を増加する流路と減少する流路とを直列に複数配することで、これら流路内での流れを脈動させて乱流を層流化することが提案されている。

国際公開第２００９／０４４７６４号 特開２０１５−２１５４７号公報

特許文献２に記載された従来技術は、流体を動的に駆動することなく、管内での流れを脈動させることができる利点はあるものの、流路の断面形状を管軸方向に沿って変化させる必要があるので、既設のパイプラインには採用し難い問題がある。これに対して、既設のパイプライン内の流れに層流化が可能な脈動を付与するには、特許文献１に記載されるように、流体を動的に駆動することが必要になり、駆動に要するエネルギー消費が不可欠になる。

本発明は、このような問題に対処するために提案されたものである。すなわち、本発明は、パイプライン内の流れに脈動を付与して乱流を層流化するに際して、既設のパイプラインへの適用を可能にすると共に、流体を動的に駆動する際のエネルギー消費を抑えることを課題としている。

このような課題を解決するために、本発明は、以下の構成を具備するものである。

設定された配管長を有するパイプライン内で流体を移送するパイプラインの流体移送方法であって、前記パイプラインの一端側に前記パイプライン内の流体に脈動を付与する脈動付与部を設け、前記脈動付与部は、前記配管長から求められる前記パイプラインの固有周期以上の周期で脈動を付与することを特徴とするパイプラインの流体移送方法。

設定された配管長を有するパイプライン内で流体を移送するパイプラインの流体移送装置であって、前記パイプラインの一端側に前記パイプライン内の流体に脈動を付与する脈動付与部を備え、前記脈動付与部は、前記配管長から求められる前記パイプラインの固有周期以上の周期で脈動を付与することを特徴とするパイプラインの流体移送装置。

本発明の実施形態に係るパイプラインの流体移送方法及び装置を示した説明図である。 パイプラインの流体移送方法及び装置の実施形態を示す説明図（（ａ）が脈動付与部として圧力調整器を用いた例、（ｂ）が脈動付与部としてコンプレッサを用いた例、（ｃ）が脈動付与部としてバルブを用いた例）である。 パイプラインの流体移送方法及び装置の実施形態を示す説明図（（ａ）が脈動付与部として圧力調整器を用いた例、（ｂ）が脈動付与部としてコンプレッサを用いた例、（ｃ）が脈動付与部としてバルブを用いた例）である。 パイプラインの流体移送方法及び装置の実施形態を示す説明図（（ａ）が脈動付与部として圧力調整器を用いた例、（ｂ）が脈動付与部としてコンプレッサを用いた例、（ｃ）が脈動付与部としてバルブを用いた例）である。 パイプラインの流体移送方法及び装置の実施例となる試験装置（ａ）とその気柱振動モデル（ｂ）を示した説明図である。 試験結果を示した説明図（（Ａ）が周期１ｓの脈動を付与した例、（Ｂ）が周期２ｓ（固有周期）の脈動を付与した例）である。 他の実施例の試験結果を示した説明図である。 試験結果を示した説明図である。 試験結果を示した説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明で、異なる図における同一符号は同一機能の部位を示しており、各図における重複説明は適宜省略する。

図１によって、本発明の実施形態に係るパイプラインの流体移送方法及び流体移送装置の概要を説明する。パイプラインＰは、設定された配管長（延長）Ｌを有している。パイプラインＰの一端には、パイプラインＰ内を流れる流体に脈動を付与する脈動付与部１が設けられている。脈動付与部１は、パイプラインＰの配管長Ｌにおける上流側に設けてもよいし、下流側に設けてもよい。

脈動付与部１がパイプラインＰを流れる流体に付与する脈動は、略一定の脈動周期Ｔ、脈動振動数ｆ（＝１／Ｔ）を有しており、脈動周期Ｔが、パイプラインＰの配管長Ｌによって求められる固有周期Ｔ₀以上に設定されている。このように脈動周期Ｔを固有周期Ｔ₀以上に設定することで、パイプラインＰの一端側に設けられる脈動付与部１の直近で生じる流体の脈動（入力流速）に対して、パイプラインＰの他端側で生じる脈動（出力流速）を増幅（振幅増加）させることができる。

図１に示すように、固有周期Ｔ₀以上の脈動周期Ｔで脈動付与部１を動作させた場合、脈動付与部１の直近であるパイプラインＰの一端側での脈動は、加速時間Δｔにおける流速差がΔｖ１であるとすると、パイプラインＰの他端側では、加速時間Δｔにおける流速差はΔｖ２となり、（Δｖ１／Δｔ）＜（Δｖ２／Δｔ）となる振幅増加が得られる。このような振幅増加は、気柱振動によるものであり、脈動付与部１の動作エネルギーを抑えながら、パイプラインＰの他端側で大きな振幅（加速度）の脈動を得ることができる。

パイプラインＰ内での乱流を層流化するには、流体加速度を閾値以上にすることが必要になる。この閾値をＦｒとすると、（Δｖ１／Δｔ）＜Ｆｒ＜（Δｖ２／Δｔ）の関係にすることで、（Δｖ１／Δｔ）を得る脈動付与部１の作動エネルギーを抑えながら、閾値Ｆｒを超える流体加速度の脈動をパイプラインＰ内に生じさせることができる。これによると、乱流摩擦抵抗によるエネルギー損失の抑制を、比較的小さな脈動付与部１の作動エネルギーで実現することができる。ここでの閾値Ｆｒは、実験的に求めることができる。

脈動付与部１は、図２、図３、図４に示すように、圧力調整器１Ｐ、コンプレッサ１Ｃ、バルブ１Ｖなどで構成することができる。圧力調整器１Ｐで脈動付与部１を構成する場合には、圧力の増減を前述した固有周期Ｔ₀以上の脈動周期Ｔ（脈動振動数ｆ）で行う。コンプレッサ１Ｃで脈動付与部１を構成する場合には、コンプレッサ１Ｃの出力変動を前述した固有周期Ｔ₀以上の脈動周期Ｔ（脈動振動数ｆ）で行う。バルブ１Ｖで脈動付与部１を構成する場合には、バルブ１Ｖの開閉動作を固有周期Ｔ₀以上の脈動周期Ｔ（脈動振動数ｆ）で行う。

図２の（ａ）〜（ｃ）は、パイプラインＰの一端側に圧力調整器１Ｐ、コンプレッサ１Ｃ、バルブ１Ｖによる脈動付与部１を設け、パイプラインＰの他端側を需要家２とした例である。この場合には、パイプラインＰの両端が固定端になるので、パイプラインＰの固有振動数ｆ₀（固有周期Ｔ₀）は、ｆ₀＝（ｖ₀・ｎ）／（２Ｌ）＝１／Ｔ₀となる（ここでのｖ₀は音速、Ｌは配管長、ｎはモード数（ここでは１とする））。

図３及び図４の（ａ）〜（ｃ）は、パイプラインＰの一端側に圧力調整器１Ｐ、コンプレッサ１Ｃ、バルブ１Ｖによる脈動付与部１を設け、パイプラインＰの他端側を大容量タンク（或いは大口径パイプ）３とした例である。図３の例では上流側に脈動付与部１を設けており、図４の例では下流側に脈動付与部１を設けている。これらの場合には、パイプラインＰの一端側が固定端になり、他端側が自由端になるので、パイプラインＰの固有振動数ｆ₀（固有周期Ｔ₀）は、ｆ₀＝ｖ₀・（２ｎ−１）／（４Ｌ）＝１／Ｔ₀となる（ここでのｖ₀は音速、Ｌは配管長、ｎはモード数（ここでは１とする））。

以下、図５及び図６によって、本発明の実施例を説明する。図５（ａ）は、実施例となる試験装置の配管構成を示している。試験条件としては、流体：空気／１．２９３［ｋｇ／ｍ³］、平均流速：０．９〜１．８［ｍ／ｓ］、Ｒｅ数：３０００〜６０００、圧力：５．０［ｋＰａＧ］、口径：５２．９［ｍｍ］、配管長（延長）：１７７ｍであり、図５（ｂ）に示すように、サーボバルブユニットを脈動付与部１とする一端側を固定端と仮定し、タンクに連通する他端側を自由端と仮定した気柱振動のモデルを想定している。

この試験装置における固有振動数ｆ₀は、音速を３４０ｍ／ｓとすると、ｆ₀＝３４０／（４×１７７）＝０．４８［Ｈｚ］であり、固有周期Ｔ₀は、Ｔ₀（＝１／ｆ₀）≒２［ｓ］である。

図６は、図５に示した試験装置による試験結果を示している。（Ａ）は、脈動付与部１であるサーボバルブユニットを周期１ｓの圧力変動で作動した場合の入力流速ａ（サーボバルブ中心流速）と出力流速ｂ（流速計測箇所での中心流速）を示しており、（Ｂ）は、脈動付与部１であるサーボバルブユニットを固有周期Ｔ₀に略等しい周期２ｓの圧力変動で作動した場合の入力流速ａ（サーボバルブ中心流速）と出力流速ｂ（流速計測箇所での中心流速）を示している。

図から明らかなように、（Ａ）においては、入力流速ａと出力流速ｂの間で振幅増加はみられないが、（Ｂ）においては、入力流速ａと出力流速ｂの間で約３倍の振幅増加が表れている。ここでは、脈動付与部１の脈動周期Ｔを固有周期Ｔ₀と等しく設定したが、脈動周期Ｔを固有周期Ｔ₀以上に設定することで、（Ｂ）と同様の振幅増加を得ることができる。

このように、パイプラインＰの一端側に脈動付与部１を設けて、パイプラインＰを流れる流体に脈動を付与する場合には、気柱振動を利用することで、小さな入力脈動で、大きな出力脈動を得ることができ、乱流を層流化するのに要する加速度の閾値より小さい加速度となる入力流速に対して、前述の閾値より大きい加速度となる出力流速を得ることができる。このように気柱振動を利用して乱流を層流化することで、乱流摩擦抵抗によるエネルギー損失の抑制を、比較的小さな脈動付与部１の作動エネルギーで実現することができる。

図７は、他の実施例を示している。この実施例では、脈動付与部１が付与する脈動が、１周期Ｔの減速時間より加速時間を長くしている。このように１周期内で加速時間を減速時間より長くすることで、乱流を層流化する加速時間を長くとれるので、効果的に層流化を進めることができ、乱流摩擦抵抗によるエネルギー損失の抑制を、より効果的に行うことができる。

図８は、図５に示した試験装置による試験結果を１周期分抜き出して、入力流速と計測流速ｖ_cを重ねて示している（横軸のＴ^※は、経過時間をｔ、入力流速の周期をＴとすると、Ｔ^※＝ｔ／Ｔ）。図示のように、入力流速の周期Ｔを、１．０ｓ，２．０ｓ，３．０ｓ，５．０ｓ，７．０ｓと変化させた場合、計測流速ｖ_cの増幅がＴ＝２．０ｓ（＝Ｔ₀）以上で確認できており、特に、固有周期Ｔ₀に近いＴ＝２．０Ｓ或いはＴ＝３．０ｓで大きな増幅が確認できる。

図９は、計測流速の乱れ強さ（ＲＭＳ値）を、下記の式（１）で示されるｕ_t’で求め、これを各入力周期に対応して示している。

図９から明らかなように、入力流速の周期Ｔが２．０ｓ（固有周期）以上の場合には、矢印の範囲で示すように、乱れ強さ（ＲＭＳ値）が低くなる時間が存在し、その時間範囲内で再層流化が進んでいることが確認できる。

以上説明したように、本発明は、パイプラインＰ内の流れに脈動を付与して乱流を層流化するに際して、既設のパイプラインへの適用が可能であり、更には、脈動を付与するために流体を動的に駆動する際のエネルギー消費を抑えることができる。本発明によると、パイプラインＰによる流体移送を省エネルギー化が可能になる。

１：脈動付与部，２：需要家，３：大容量タンク（大口径パイプ），
１Ｐ：圧力調整器，１Ｃ：コンプレッサ，１Ｖ：バルブ，
Ｐ：パイプライン，Ｌ：配管長

Claims (7)

1. 設定された配管長を有するパイプライン内で流体を移送するパイプラインの流体移送方法であって、
   前記パイプラインの一端側に前記パイプライン内の流体に脈動を付与する脈動付与部を設け、前記脈動付与部は、前記配管長から求められる前記パイプラインの固有周期以上の周期で脈動を付与することを特徴とするパイプラインの流体移送方法。
2. 前記脈動付与部が付与する脈動の流体加速度は、乱流を層流化する閾値より小さく、前記パイプラインの他端側に生じる脈動の流体加速度は、乱流を層流化する閾値より大きいことを特徴とする請求項１に記載されたパイプラインの流体移送方法。
3. 前記脈動付与部が付与する脈動は、１周期内の加速時間が減速時間より長いことを特徴とする請求項１又は２に記載されたパイプラインの流体移送方法。
4. 設定された配管長を有するパイプライン内で流体を移送するパイプラインの流体移送装置であって、
   前記パイプラインの一端側に前記パイプライン内の流体に脈動を付与する脈動付与部を備え、前記脈動付与部は、前記配管長から求められる前記パイプラインの固有周期以上の周期で脈動を付与することを特徴とするパイプラインの流体移送装置。
5. 前記脈動付与部は、圧力調整器であることを特徴とする請求項４に記載されたパイプラインの流体移送装置。
6. 前記脈動付与部は、コンプレッサであることを特徴とする請求項４に記載されたパイプラインの流体移送装置。
7. 前記脈動付与部が付与する脈動の流体加速度は、乱流を層流化する閾値より小さく、前記パイプラインの他端側に生じる脈動の流体加速度は、乱流を層流化する閾値より大きいことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載されたパイプラインの流体移送装置。

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