JP2575621Y2

JP2575621Y2 - 流動実験装置

Info

Publication number: JP2575621Y2
Application number: JP1992047439U
Authority: JP
Inventors: 辰也尾中; 博人斉藤; 栄一新林; 儀澄泉; 悦司梶田
Original assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Priority date: 1992-07-07
Filing date: 1992-07-07
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2007-07-07
Also published as: JPH0610816U

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、流動実験装置に係り、
特にベルヌーイの定理を検証するための流動実験装置に
関し、企業や学校における研修・教育用に利用できる。

【０００２】

【背景技術】近年、石油精製、石油化学工業等をはじめ
とする化学プラントは、多種多様な装置を用いて複雑か
つ大規模となっている。このため、プラントを制御管理
するオペレータ等は化学プラントの運転でよく経験する
流体関係の事象、特に流体の挙動および圧力損失につい
て十分理解する必要があり、流体挙動の基本原理である
ベルヌーイの定理を実験的に検証できる実験装置が求め
られている。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】しかしながら、ベルヌ
ーイの定理を検証できる実験装置としては僅かに学校教
材用のものが存在するのみであった。この教材用の実験
装置は、構成を簡易にするため高さ位置は同じ場所で、
つまり位置エネルギーは同じものとして無視して実験す
るものであり、位置エネルギーも異なる実プラントの挙
動等の理解には適したものではなかった。

【０００４】本考案の目的は、実プラントと同等の挙動
を再現できて流体挙動、特にベルヌーイの定理を容易に
かつ短時間に習得できる流動実験装置を提供することに
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本考案の流動実験装置
は、液体が溜められる液体タンクと、この液体タンクに
接続された液体循環用配管と、この配管内に液体タンク
内の液体を循環させるポンプとを備えるとともに、前記
液体循環用配管を管路内において高さ位置が異なるよう
に設け、この配管の異なる高さ位置における流体の総エ
ネルギー、位置エネルギー、速度エネルギー、圧力エネ
ルギーを計測する計測手段を設けたことを特徴とするも
のである。

【０００６】この際、流動実験装置の前記液体タンクお
よびポンプは架台の下部に固定され、前記液体循環用配
管は、架台の下部に水平配置された下部水平部と、この
下部水平部から架台の上下方向中間部まで斜めに配管さ
れた斜面部と、この斜面部の上端から水平に配管された
上部水平部と、この上部水平部から架台上端側を通して
液体タンクまで配管された還流部とを備え、少なくとも
前記配管の下部水平部には前記計測手段としてのピトー
管が設けられ、下部水平部、斜面部、上部水平部には圧
力検出用の圧力孔が形成され、前記ピトー管および圧力
孔は架台前面の計測操作パネルに設けられたマノメータ
に接続され、このマノメータの一端は架台上端に設けら
れて大気開放された基準レベル設定箱に接続可能に設け
られていることが好ましい。

【０００７】

【作用】このような本考案では、液体循環用配管にポン
プを用いて液体タンクから液体を循環させ、この配管の
異なる高さ位置に設けられた計測手段によって流体の総
エネルギー、位置エネルギー、速度エネルギー、圧力エ
ネルギーを計測し、ベルヌーイの定理を検証する。

【０００８】この際、流動実験装置として、液体タンク
およびポンプが固定された架台に下部水平部、斜面部、
上部水平部を備えて高さ位置が異なるように設けられる
とともに、上部水平部から液体タンクまで還流部を設け
た液体循環用配管を取付ければ各機器を効率良く配置す
ることが可能となる。また、前記計測手段としてピトー
管、圧力孔を設けてそれらの部分の圧力をマノメータで
検出するようにしたときは、マノメータの一端を架台上
端の大気開放された基準レベル設定箱に接続し、この基
準レベル設定箱を基準レベルとすることで各検出部分の
高さ位置が異なる場合でも大気圧を基準にして圧力エネ
ルギー等の正確な測定が可能となる。

【０００９】

【実施例】以下、本考案の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１，２には本実施例の流動実験装置１の正面
図および側面図が、図３にはその配管系統図がそれぞれ
示されている。

【００１０】流動実験装置１は、実験に必要な各機器が
取付けられた架台２を備え、この架台２には装置１を移
動するためのキャスタ３が設けられ、また装置１を水平
状態で固定するための図示しないレベル調整ボルトが設
けられている。また、流動実験装置１は、液体タンク５
から吐出ポンプ６によって水が循環される液体循環用配
管７と、計測操作パネル８と、図４に示すように実験デ
ータの取り込みや各機器の制御、さらにはデータの解析
等を行う制御装置９とを備えている。

【００１１】液体タンク５は、図３に示すようにオーバ
フロー構造とされて給水管１０から給水バルブ１１を介
して供給される水が一定容量以上となったときに溢れた
水を排水管１２を介して排水することで一定容量に維持
されるようになっている。また、タンク５には水のレベ
ルを検出するレベル計１３が設けられている。

【００１２】液体タンク５に接続された配管７には、ご
み等を取り除くストレーナ１４およびポンプ６が設けら
れている。配管７は、ポンプ６の先でタンク５に水を戻
す系統７Ａと実験用の系統７Ｂとに分岐されている。配
管７の系統７Ａには、タンク５に戻す水の流量調整用の
バルブ１５が設けられている。

【００１３】一方、配管７の系統７Ｂには、脈動を防止
するための圧力制定タンク１６と、系統７Ｂの流量調整
用のバルブ１７と、ポンプ６の吐出圧力を測定する圧力
計１８と、配管７を流れる水の温度を測定する温度検出
器１９とが順次設けられている。さらに、配管７の系統
７Ｂは、架台２の下端側に水平に設けられた下部水平部
２０と、下部水平部２０から架台２の高さ方向中間部ま
で斜めに設けられた斜面部２１と、斜面部２１から水平
に設けられた上部水平部２２とを備えている。

【００１４】下部水平部２０にはピトー管２３、第１圧
力孔２４が設けられ、斜面部２１には第２圧力孔２５が
設けられ、上部水平部２２には第３圧力孔２６、第４圧
力孔２７、流量検出オリフィス２８、ピトー管２９が設
けられている。なお、図３に示すように、ピトー管２３
および第１圧力孔２４が設けられた高さ位置をレベル０
とすると、第２圧力孔２５はレベル０から４００mm高い
位置であるレベル４００に配置され、第３，４圧力孔２
６，２７、流量検出オリフィス２８およびピトー管２９
はレベル０から８００mm高い位置であるレベル８００に
配置されている。

【００１５】配管７の上部水平部２２に設けられたピト
ー管２９には、架台２の上端を通して液体タンク５まで
設けられた還流部３０が設けられている。還流部３０
は、上部水平部２２よりも高い位置で分断されて大気開
放されている。この開放部の上側の配管７にはバルブ３
１が設けられ、一方開放部の下側の配管７には水受け漏
斗３２が設けられて分断された配管７からの水を受ける
ことができるように形成されている。

【００１６】また、還流部３０には、オリフィス２８の
流量検定を行うためのバルブ３３が設けられている。す
なわち、オリフィス２８の流量検定は、バルブ３１を閉
めてバルブ３３を開き、その先に適当な容器を接続する
ことで所定時間実際に配管７を流れた流量を容器に入れ
て計量する重量法で流量を測定し、オリフィス２８での
検出流量と比較することで行われる。

【００１７】また、架台２の前面に設けられた計測操作
パネル８には、主電源スイッチ４０、温度指示計４１、
ポンプスイッチ４２、手動測定と自動測定との切換スイ
ッチ４３、制御装置９であるコンピュータとの接続コネ
クタ４４等が設けられている。また、図４の流動実験装
置１の信号系統図にも示すように、計測操作パネル８に
は、ピトー管２３の総圧測定部２３Ａおよび静圧測定部
２３Ｂに電磁弁を介して接続される水銀マノメータ５１
および逆Ｕ字形水マノメータ５２と、ピトー管２９の総
圧測定部２９Ａおよび静圧測定部２９Ｂに電磁弁を介し
て接続される水銀マノメータ５３および逆Ｕ字形水マノ
メータ５４と、第１〜４圧力孔２４〜２７に電磁弁を介
して接続される水銀マノメータ５５と、流量検出オリフ
ィス２８に電磁弁を介して接続された水銀マノメータ５
６とが設けられている。

【００１８】各ピトー管２３，２９に接続された水銀マ
ノメータ５１，５３および水マノメータ５２，５４は、
電磁弁を適宜切り換えることでその両端をピトー管２
３，２９の総圧測定部２３Ａ，２９Ａおよび静圧測定部
２３Ｂ，２９Ｂにそれぞれ接続されて差圧つまり動圧を
測定することができるように構成されている。また、各
マノメータ５１〜５４は、電磁弁を適宜切り換えること
でその一端を総圧測定部２３Ａ，２９Ａあるいは静圧測
定部２３Ｂ，２９Ｂの何れか一方に接続し、他端を図
１，２および測定原理を示す図５に示すように、架台２
の上端に固定され、大気開放されるとともに水が注入さ
れた基準レベル設定箱６０に接続されるようになってお
り、この基準レベル設定箱６０内の水面を計測基準レベ
ルとしてピトー管２３，２９での総圧や静圧を測定でき
るように構成されている。

【００１９】さらに、各マノメータ５１〜５４は、両端
を連通させる電磁弁が設けられ、均圧操作が行えるよう
になっている。なお、水銀マノメータ５１，５３は高圧
検出用であり、水マノメータ５２，５４は低圧検出用で
あり、検出圧力の大きさによって適宜切り換えて使用さ
れる。

【００２０】一方、水銀マノメータ５５は、一端が電磁
弁を介して各圧力孔２４〜２７に接続され、他端は基準
レベル設定箱６０に接続されて計測基準レベルの大気圧
を基準に圧力孔２４〜２７での静圧を測定できるように
構成されている。また、水銀マノメータ５６は、流量検
出オリフィス２８の差圧を測定できるように設けられて
いる。

【００２１】また、ピトー管２３，２９の総圧測定部２
３Ａ，２９Ａおよび静圧測定部２３Ｂ，２９Ｂと、各圧
力孔２４〜２７とは電磁弁を介して高圧用圧力伝送器６
１および低圧用圧力伝送器６２に接続され、流量検出オ
リフィス２８は圧力伝送器６３に接続され、各圧力伝送
器６１〜６３に接続されたディストリビュータ６４〜６
６を介して制御装置９に測定データを送ることができる
ようになっている。制御装置９には、さらに圧力変換器
６７を介してポンプ吐出圧力データが送られるととも
に、温度指示計４１を介して流水温度データが送られる
ようになっている。

【００２２】なお、計測操作パネル８には、手動測定を
行う際に第１〜４圧力孔２４〜２７の中から測定点を選
択するための静圧測定孔切換器６８も設けられている。

【００２３】次に、このような流動実験装置１を用いた
ベルヌーイの定理検証実験の手順について説明する。ま
ず、実験準備として、空気抜きを行う。空気抜きは、ま
ずバルブ１７，３３を閉じ、バルブ１５，３１を開き、
ポンプスイッチ４２を入れてポンプ６を作動させる。そ
して、バルブ１７を徐々に開き、水受け漏斗３２から水
が溢れない程度に流す。次に、バルブ３１を徐々に絞
り、圧力計１８の指示が1.0 〜1.5kg/cm²になるまで圧
力を上げる。この状態でマノメータ５１〜５６の管路の
空気を抜く。そして、マノメータ５１，５３，５５，５
６に水銀が入っていない時は水銀を注入する。さらに、
架台２の上端の基準レベル設定箱６０に注水し、実験準
備を完了する。

【００２４】次に、実験計測を行うには、バルブ１７，
３３を閉じ、バルブ１５，３１を開いてポンプ６を作動
し、バルブ１７，１５の開度を調整して配管７の経路７
Ｂの流量を調整する。この際、配管７の流量は、流量検
出オリフィス２８の差圧から求められるので、マノメー
タ５６を見ながら予定流量に調整する。また、試験時の
吐出圧力が流量に応じて約0.6 〜0.3kg/cm²の範囲内と
なるようにバルブ３１を調整する。そして、バルブ１７
を調整して流量を変えて実験を行う。

【００２５】手動実験を行う場合には、圧力計１８で吐
出圧力を測定し、マノメータ５６でオリフィス２８の差
圧を測定し、温度検出器１９で水温を測定する。そし
て、マノメータ５１〜５４を用いて各ピトー管２３，２
９での総圧、静圧、動圧（差圧）を測定し、静圧測定孔
切換器６８で順次測定点を切り換えて第１〜４圧力孔２
４〜２７での管路静圧をマノメータ５５で測定する。な
お、ピトー管２３，２９での総圧、静圧および第１〜４
圧力孔２４〜２７での管路静圧は基準レベル設定箱６０
にマノメータ５１〜５５の一端を接続することで大気圧
を基準に測定する。

【００２６】一方、切換スイッチ４３で自動測定を選択
した場合には、接続コネクタ４４を介して接続される制
御装置９によって各電磁弁を制御することで手動測定と
同じ項目のデータを測定し、制御装置９にデータを転送
する。これらの測定した各データに基づいて実流量、管
内流速、全水頭、ピトー管２３，２９部分での総圧、静
圧、動圧、および各圧力孔２４〜２７での静圧、総圧を
計算し、ベルヌーイの定理を検証する。

【００２７】ここで、実流量および管内流速は、オリ
フィスの差圧から求めることができる。また、ピトー管
２３，２９部分でのベルヌーイの定理は次の数式１で表
すことができる。

【数１】ここで、数式１の左辺第１，２，３項はそれぞれ速度
項、位置項、静圧項を示し、ピトー管２３，２９で測定
した動圧、静圧およびピトー管２３，２９の高さ（ピト
ー管２３はＺ＝０mm、ピトー管２９はＺ＝800mm)から求
められる。従って、各ピトー管２３，２９で測定された
データを当てはめて計算すればベルヌーイの定理が成り
立っていることが検証できる。

【００２８】また、ピトー管２３，２９の総圧、静圧お
よび各圧力孔２４〜２７での静圧は、図５にも示すよう
に基準レベル設定箱６０の水面を基準に測定する。この
際、計測位置とマノメータおよび基準面との関係は次の
数式２となる。

【数２】Ｐo −Ｐa ＝ｇ（ρ₁・Ｈ₁＋ρ₂・Ｈ₂＋ρ₃・Ｈ₃）ここで、Ｐo は計測圧力、Ｐa は大気圧、ρ₁〜ρ₃は
流体密度、Ｈ₁〜Ｈ₃は図５に示す各高さ寸法である。
この数式２を水の比重量を1000kg/m³として整理すると
計測点の圧力水頭Ｈ_POは次の数式３で表される。

【数３】Ｈ_PO ＝（Ｈ−Ｈ₂）＋γ₂'・Ｈ₂ 但し、Ｈ＝Ｈ₁＋Ｈ₂＋Ｈ₃である。従って、各マノメータ５１〜５５の一端を基準レベル設
定箱６０に接続することで、大気圧を基準として各高さ
位置での各ピトー管２３，２９の総圧、静圧および各圧
力孔２４〜２７での静圧を測定することができる。

【００２９】なお、ピトー管２３，２９、圧力孔２４〜
２７での前記数式１に示すベルヌーイの定理を図示する
と図６に示すようになる。図６は、ピトー管２３の位置
を基準点とすると、各測定点での配管高低差（位置水頭
Ｚ）、静圧水頭、動圧水頭、管路抵抗を加えた全水頭が
等しくなり、ベルヌーイの定理が成り立つことが検証さ
れる。

【００３０】ここで、管路抵抗に係る圧力損失ヘッドΔ
ｈは、次の数式４で表される。

【数４】ここで、Ｌは直管長さ、Ｎ_Eはエルボ個数、Ｌ_Eはエル
ボ相当長さ、λ_Pは管の摩擦係数である。従って、管路
の長さおよび流体速度を測定すればΔｈを求めることが
できる。なお、使用するエルボの種類が異なる場合など
には若干の補正を行えばよい。

【００３１】また、オリフィス２８の絶対圧力損失は、
オリフィス２８の前後に設けられた第３圧力孔２６およ
び第４圧力孔２７の静圧と、圧力孔２６，２７間の管路
損失によって求められる。すなわち、圧力孔２６，２７
間では高さ位置が変わらず、かつ動圧も一定であるか
ら、その静圧の変化は管路損失とオリフィス２８の圧力
損失によるものである。従って、オリフィス２８の圧力
損失は次の数式５によって求めることができる。

【数５】オリフィスの絶対圧力損失＝第３圧力孔静圧−第４圧力孔静圧 −第３,4圧力孔間の管路損失なお、このオリフィス２８の概略圧損は図６からも求め
ることができる。

【００３２】流動実験を終了する場合には、弁１５，３
１を全開とし、バルブ１７を全閉とした後でポンプ６を
停止すればよい。

【００３３】このような本実施例によれば、液体循環用
配管７に下部水平部２０、斜面部２１、上部水平部２２
を設けて高さ位置を異ならせ、これらの高さ位置が異な
る部分にピトー管２３，２９、圧力孔２４〜２７を設け
たので、高さ位置が異なる各測定点での総エネルギー、
位置エネルギー、速度エネルギー（動圧）、圧力エネル
ギー（静圧）を測定することができる。このため、水平
方向だけでなく上下方向へも配置される実プラントの配
管での流体挙動と同様の挙動を再現でき、流体挙動の基
本原理であるベルヌーイの定理と実プラントでの流体挙
動とを簡単にかつ短時間で習得することができる。

【００３４】また、マノメータ５１〜５６や温度指示計
４１を設けたので流体実験を手動で行うこともでき、ま
た制御装置９等を設けたので実験を自動的に行うことも
できる。この手動実験あるいは自動実験は切換スイッチ
４３で簡単に切り換えることができるので、実験者のレ
ベルや要望に合わせて適宜選択して最適な実験を行うこ
とができる。

【００３５】さらに、実験に必要な各機器は全て架台２
上に固定されてまとめられており、各機器を効率良く配
置することができるとともに、実験にあたって各機器を
接続するなどの組立作業が不要なため、実験を簡単に行
うこともできる。また、架台２はキャスタ３で簡単に移
動できるので、適切な実験場で実験を行うことができ
る。

【００３６】また、架台２の上に基準レベル設定箱６０
を設けたので、マノメータ５１〜５５で総圧や静圧を測
定する際に大気圧の基準レベルを設定して測定すること
ができる。このため、測定点の高さ位置が異なる場合で
もそのレベルでの総圧、静圧を測定することができ、各
測定点の高さ位置が異なる場合でもベルヌーイの定理の
検証を簡単に行うことができる。

【００３７】さらに、配管７の還流部３０に大気開放部
を設け、この大気開放部を上部水平部２２よりも高い位
置でつまり測定区間よりも高い位置に設けたので、試験
終了時には大気開放部のレベルまでは配管７中に水を残
すことができ、ピトー管２３，２９等からの水抜けを防
止できる。このため、実験を再開する際に、管路内の空
気抜きを再度行う必要がなく、かつ大気圧が加わるレベ
ルを一定にすることができる。

【００３８】また、流量は、流量検出オリフィス２８で
も簡単に検出することができるとともに、各オリフィス
２８を重量法によって検定できるようにバルブ３３を設
けたので常に正確な流量を測定することができ、実験を
高精度に行うことができる。さらに、オリフィス２８の
前後に圧力孔２６，２７を設けたのでオリフィス２８で
の圧力損失を測定することもでき、流体挙動の理解を一
層深めることができる。

【００３９】なお、本考案は前述の実施例に限定される
ものではなく、本考案の目的を達成できる範囲での変
形、改良等は本考案に含まれるものである。例えば、前
記実施例では、計測手段としてピトー管２３，２９、圧
力孔２４〜２７、マノメータ５１〜５６、圧力伝送器６
１〜６３等を設けて各高さ位置における総エネルギー、
位置エネルギー、速度エネルギー、圧力エネルギーを計
測していたが、これら以外の他の計測手段で計測しても
よい。

【００４０】また、圧力制定タンク１６や流量調整用の
バルブ１５，１７等は設けなくてもよいが、設けたほう
が実験を高精度にかつ様々な状況で行うことができると
いう利点がある。さらに、流量や流体速度の測定は前記
実施例のようにピトー管２３，２９やオリフィス２８を
用いるものに限らず、他の計測手段を用いてもよく、こ
れらは実施にあたって適宜設定すればよい。さらに、配
管７も前記実施例のように各水平部２０，２２および斜
面部２１を備えて側面略Ｚ字状に形成されたものに限ら
ず、高さ位置が異なるように配置されていればよい。

【００４１】

【考案の効果】以上説明したように、本考案の流動実験
装置によれば、実プラントと同等の挙動を再現できて流
体挙動、特にベルヌーイの定理を容易にかつ短時間に習
得できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例の流動実験装置を示す正面図
である。

【図２】本実施例の流動実験装置を示す側面図である。

【図３】本実施例の流動実験装置の配管系統図である。

【図４】本実施例の流動実験装置の信号系統図である。

【図５】本実施例の流動実験装置の総圧および静圧の測
定原理図である。

【図６】本実施例の流動実験装置での実験結果を示す図
である。

【符号の説明】

１流動実験装置２架台５液体タンク６吐出ポンプ７液体循環用配管８計測操作パネル９制御装置２０下部水平部２１斜面部２２上部水平部２３，２９ピトー管２４〜２７圧力孔２７流量検出オリフィス３０環流部５１〜５６マノメータ６０基準レベル設定箱６１〜６３圧力伝送器６７圧力変換器６８静圧測定孔切換器

フロントページの続き (72)考案者新林栄一千葉県市原市姉崎海岸26番地出光興産株式会社内 (72)考案者泉儀澄東京都大田区久が原二丁目11番５号東京メータ株式会社内 (72)考案者梶田悦司東京都大田区久が原二丁目11番５号東京メータ株式会社内 (56)参考文献特開平４−70517（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−35721（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】液体が溜められる液体タンクと、この液
体タンクに接続された液体循環用配管と、この配管内に
液体タンク内の液体を循環させるポンプとを備えるとと
もに、前記液体循環用配管を管路内において高さ位置が
異なるように設け、この配管の異なる高さ位置における
流体の総エネルギー、位置エネルギー、速度エネルギ
ー、圧力エネルギーを計測する計測手段を設けたことを
特徴とする流動実験装置。
【請求項２】前記液体タンクおよびポンプは架台の下
部に固定され、前記液体循環用配管は、架台の下部に水平配置された下
部水平部と、この下部水平部から架台の上下方向中間部
まで斜めに配管された斜面部と、この斜面部の上端から
水平に配管された上部水平部と、この上部水平部から架
台上端側を通して液体タンクまで配管された還流部とを
備え、少なくとも前記配管の下部水平部には前記計測手段とし
てのピトー管が設けられ、下部水平部、斜面部、上部水
平部には圧力検出用の圧力孔が形成され、前記ピトー管および圧力孔は架台前面の計測操作パネル
に設けられたマノメータに接続され、このマノメータの
一端は架台上端に設けられて大気開放された基準レベル
設定箱に接続可能に設けられていることを特徴とする請
求項１記載の流動実験装置。