JP3795240B2 - Water jet nozzle - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャビテーションを利用するウォータージェットノズルに関するもので、付着物除去・洗浄・有害物分解及び反応促進に応用できる技術に係わるものである。
【0002】
【従来の技術】
高強度付着物の代表例として燃焼炉の炉壁や伝熱管に付着して固化したクリンカ状灰を取り上げて説明する。石炭焚ボイラや重質油焚ボイラでは、灰粒子が高温で溶融し、伝熱面に付着する。ボイラ火炉の上部にある吊下げ型の過熱器(2次過熱器)に付着した灰は大きな塊状に成長し、ハードクリンカとなる。この付着ハードクリンカの一部は、ボイラ停止時に、熱衝撃のために伝熱管から剥離し、炉底ホッパへ落下するが、剥離・落下することなくそのまま伝熱管に付着して残るハードクリンカも多い。
【0003】
このような付着ハードクリンカの成長は、ボイラ火炉の熱負荷、ガス温度や燃料種の性状(灰の融点)等の複合作用によるとされているが、詳細なメカニズムまでは未だ分かっていない。
【0004】
付着ハードクリンカが著しく成長すると、ボイラが稼働中の場合は、炉内ガス流の流動抵抗となるし、炉底へ落下すればホッパ伝熱管に損傷を与えたり、あるいはクラッシャにとって過大な負担となる場合もある。さらにこのハードクリンカは、定期点検時の火炉保修作業の大きな支障となり、突然落下すれば炉内作業者にとって大変に危険である。したがって、この付着ハードクリンカを除去するために、これまでに多大な労力が費やされてきている。
【0005】
このハードクリンカの除去法の一例は、ノーズの上部に簡易足場を組み、作業者が水洗用のガン(ノズルアーム)を操り、水噴流をハードクリンカに向けて吹きつける方法である。
【0006】
この方法によれば、比較的脆弱なクリンカは除去できるが、ハードクリンカの全てを破壊することはかなり難しく、長大な水洗時間が必要になる。また、簡易足場を組むことはボイラ火炉内の高所作業であり、特殊な技能を有する作業者が必要である。しかしこの方法は、簡易足場の組立及び解体作業に多くの時間と費用を要するし、炉内足場上の作業は、狭いスペースにおいて、ダスト、湿気、暑さなどのために環境的に良いとはいえない。したがって、できるだけ短い時間で除去施工を完了させることのできる新しい技術が求められている。
【0007】
このハードクリンカは著しく大きな塊状に成長し、さらにきわめて高強度になる場合もある。これは、灰の融点の低い石炭を長期にわたり使い続けた場合などによくあらわれる。融点が低いために、さほど高温でなくとも灰が融けて流れ出すが、これが冷えて固化した場合、高強度となる。また、いったんこのような溶融灰が伝熱管に付着し始めると、次々と付着して成長する。
【0008】
吊下げ型伝熱管において、大きな塊状の高強度のクリンカを、ウォータージェットノズルで効率良く除去するために新しい工夫が必要である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術としてのウォータージェットは、図11に示すように、気相中においてノズル1から高圧水2を噴射するものであって、ウォータージェット6による高圧の衝撃力がクリンカ7に作用する原理を利用するものである。このウォータージェット6には乱れがあるから、高圧の衝撃力が変動し、高強度付着物7に破壊痕(壊食部)8が生じるわけである。図11で、3は噴出孔、4は高圧水供給流路、5は径収縮部(絞り部)、をそれぞれ表す。
【0010】
一方、先行技術には、キャビテーションを利用する方法がある。図12に構造を断面図として示すノズル10は、高圧水2を噴射する中心噴出孔12の先にカップ型の空洞部11を設け、この空洞部11の内部に水中高速水噴流を作り出し、中心噴出孔12から噴出する噴流にキャビテーションを発生させようとするものである。中心噴出孔12からいくら高圧で噴射しても空洞部11の内部は水で充満しないので、このノズルでは、中心噴出孔12の外周に環状開口部13を設け、ここから比較的低速の水9を噴射し空洞部11の内部を水で充満させようとするものである。
【0011】
このノズルの空洞部11の内部において生じる現象を図13に模式的に示す。中心噴出孔12から噴出する中心噴流14と、環状開口部13から噴出する周囲流15の間には、これらの速度差に起因して小規模なせん断渦16が生じる。このせん断渦16が、中心噴流14に気泡核を供給したり、あるいは圧力脈動を与えたりして、キャビテーションの発生に係るわけであるが、図12に示す構造のノズルでは、せん断渦16の作用が弱く不安定であって中心噴流14に発生するキャビテーションは発達が不十分である。そのため、破壊対象物に衝突した際に生じる衝撃力も強いとはいえない。
【0012】
本発明の目的は、高強度付着物を効率良く破壊除去するために、キャビテーションを利用するウォータージェットを活かすに際し、キャビテーションの強さを高めるための新しい構成、手法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
【0014】
中心の噴出孔から高速水噴流を噴射し、中心噴出孔の先端に略カップ型の空洞部を設け、付着物の破壊除去、又は水中有害物の分解を行うウォータージェットノズルにおいて、
前記略カップ型空洞部の内壁に開口する複数の噴出孔または前記略カップ型空洞部の内壁に設けたスリット状の開口部を設け、
前記中心噴出孔からの高速水噴流に対して逆行するような角度で、前記複数噴出孔または前記スリット状開口部から低速水流を前記高速水噴流へ向けて、前記高速水噴流と同時に噴出させるように構成するウォータージェットノズル。
【0016】
また、前記ウォータージェットノズルにおいて、
前記ノズルで作り出される水噴流の軸方向における衝撃圧分布での最初のピーク位置又は第2番目のピーク位置に前記付着物が存すように、前記ノズル位置を設定するウォータージェットノズル。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施形態に係るウォータージェット用ノズルを、燃焼炉内の伝熱管に付着する高強度付着物の除去へ適用した場合の全体系統を示す一例である。ウォータージェットとなる水38は、水槽39に貯えられている。この水は、2台のプランジャポンプ36及び37に送られ、所定の圧力まで昇圧され、それぞれの耐圧ホース34及び35を通じてノズル本体17へと送給される。
【0018】
プランジャポンプ36からは、相対的な低圧水9が送り出される。一方、もう一台のプランジャポンプ37からは、相対的な高圧水2が送り出される。2本の耐圧ホースは管体であるノズルアーム31内を通り、ノズル本体17に接続している。ノズル本体17においては、後述するように高圧水と低圧水が混合してウォータージェットとなり、除去対象物である高強度付着物7に衝突する。ノズルアーム31は、移動機構32に取り付いていて、ノズル本体17の位置を調整する。このノズルアーム31は、燃焼炉29に開口する検査孔33から挿入し、ノズル本体17を対象にアプローチできるようにしている。
【0019】
図2には、本発明を具体化したウォータージェット用ノズルの構造を、軸方向の断面図、及び正面からの視図として示す。ノズル本体17において、高圧水2は、中心の高圧水流路18を通じて供給され、細い噴出孔19において急減圧・急加速されて噴出し、中心噴流14となる。噴出孔19の先端には、ドーム状の空洞部11が開口しているので、この中心噴流14は、空洞部11内に水が充満したときには、水中の高速水噴流となる。
【0020】
一方、低圧水9は、ノズル本体17における外周側の環状流通部である低圧水流路20を通じて導かれ、前出の空洞部11の出口において開口するスリット状の環状開口部21を通じて噴出する。この環状開口部21からは、低速水流22が、噴出角度θで、中心噴流14の噴出方向に逆らうように噴出する。中心に吹き出す中心噴流14と低速水流22は、このようにして、空洞部11内において混合し、混合したまま空洞部11の出口から吹き出して、後述するように複合的なウォータージェットとなる。低速水流を中心噴流に対して逆行させる外に直角方向に噴出しても良い。
【0021】
図2に示す実施形態では、スリット状の環状開口部21から低速水流22が噴き出す。これに限らず、低速水流22’は複数の噴出孔23から吹き出させることもできる。図3は、その実施形態を示すものであって、低速水流22’は、ノズル本体17の円周方向に等間隔で6個開口する低速水流噴出孔23から噴出する。空洞部11の内部において、中心噴流14と低速水流22’が混合することは、図2に示した実施形態と同様である。
【0022】
図4の(1)は、本発明の実施形態に係るノズル内の挙動を模式的に描いたものである。空洞部11の出口端に開口する環状開口部21より吹き出す低速水流22は、中心噴流14は流れの方向が逆であるため、相対速度も大きくなり、中心噴流14の界面には、強力なせん断作用のためにせん断渦24が生じる。
【0023】
一方、低速水流22の中には、キャビテーションの「種」となる気泡核が多量に含まれているので、中心噴流14には周囲から気泡核が供給されることになる(25)。
【0024】
このように、本発明は、パワフルなせん断渦24を作り出し、また強制的な気泡核供給25によって、キャビテーションを促進させるものであって、従来技術並びに先行技術には無い特徴を有する。なお、空洞部11の内部12は低速水流22によって水が充満するので、中心噴流14は、水中高速水噴流となる。また、前記低速水流の流速が、前記高速水噴流の流速の1/3以上4/5以下の範囲であって、前記低速水流の噴出流量が高速水噴流の流量の1.2倍以上3.0倍以下の範囲から選定すると、キャビテーションを一層促進することが分かった。
【0025】
図4の(2)は、中心噴流14の挙動を模式的に描いたものである。噴出孔19から噴出した直後は、水芯部26があり、その周囲にはキャビテーション40が発生する。上記したせん断渦24とキャビテーション40の作用によって、水芯部26は分裂し、高速の水塊27となって、高強度付着物7に断続的に衝突する。水塊27は、マシンガンから弾丸のように次々と衝突し、高強度付着物7の内部に破壊しながらくい込み(α)、鋭いクレバスのような破壊部8’をつくり出す。
【0026】
本発明を具体化した際の効果を、図5に示すように、ウォータージェットの衝突により破壊痕(壊食部)8の幅Wと深さhをもって評価することにした。図6は、破壊対象の材料としてレンガを用いた実験結果であり、本発明実施形態、従来技術(図11)ないし先行技術(図12)の特性を比較したものである。スタンドオフ距離Xs(ノズル出口と対象材料との距離)を変化させて、ウォータージェットの衝突によって生じた壊食溝の深さを調べた。横軸のスタンドオフ距離Xsは、噴出孔径Dで割ることにより無次元化した。一方、縦軸における壊食溝の深さhは、従来技術における溝の深さho で割ることにより無次元化した。
【0027】
従来技術(図11)では、Xs/D≒60において、h/ho はピークを示すものの、そのレベルは、他の例による特性に比べるとはるかに低い。本発明になるウォータージェットノズル(図2)を用いた場合には、スタンドオフ距離が短い条件において、つまりノズル出口をレンガに近接させた場合、壊食溝が著しく深まることがわかる。このhのレベルに関する結果は、類似の傾向を示す先行技術(図12)の特性に比べても2倍以上あって圧倒的である。これは、本発明の実施形態に係るノズルにおいて、水塊27の衝突(図4の(2))の威力が増強したからに他ならない。
【0028】
図7には、同様にして破壊痕の幅Wを比較して示す。縦軸における壊食溝の幅Wは、従来技術における壊食溝の最大幅WO で割ることにより無次元化した。従来技術では、スタンドオフ距離Xs/D≒60において、壊食溝の幅がピークとなる。これに対して、本発明実施形態では、ノズルをレンガに近づけた条件において壊食溝の幅Wがピークを示すが、従来技術における最大値に比べると明らかに低い。前出の図6の結果とともに考察すると、本発明になるウォータージェットノズルを用いた場合には、従来技術と比べて、要するに狭く深く切断したかのような壊食溝が生じるということになる。
【0029】
これらの特徴を模式的に描いて比較したのが図8である。従来式のウォータージェット法により生じる破壊痕(壊食部)8は、浅く広がるようになり、結局硬質材の破壊には不向きである。これに対して、本発明になるウォータージェットノズルによる壊食痕14は、狭く深く切断するかのようになるので、硬質材の破壊除去に適しているといえる。
【0030】
また、本発明の実施形態である、例えば図2に示すノズルで作り出される水噴流の軸方向における衝撃圧の分布を観察すると、ノズルの開口端から破壊除去される付着物にかけて、衝撃圧は一様ではなくて大きなピーク値を示す第1番目と第2番目のピークが存在する。このような水噴流のピーク値を示す箇所に付着物が存するようにノズルの位置を設定すれば、付着物を効果的に破壊除去できる。
【0031】
図9は、本発明のウォータージェットノズルを用いることによる効果を、高強度付着物除去の施工時間tを用いて、従来技術あるいは先行例と比較したものである。高強度付着物除去の施工時間tは、従来技術(図11)における高強度付着物除去の施工時間t*で割ることにより無次元化した。要するに、従来技術を適用した際の時間を「1」として比較する。図12に示した先行例でも6割以下まで施工時間を短縮できるが、本発明を実施する場合には、1/5にまで施工時間を短くできることが分かる。
【0032】
ウォータージェットによる施工時間を短縮できるということは、使用水量も低減できるということである。図10には使用水量を比較した結果を示す。高強度付着物の除去に使用する水流量Qwは、従来技術(図11)において高強度付着物の除去に使用する水流量Qw*で割ることにより無次元化した。従来技術に対して、先行例と本発明実施形態では低速水流を使うために、前出の図9の施工時間と比例的に合致する関係にはならないが、本発明実施形態では、使用水量を1/3以下にまで著しく低減できることがわかる。この特性は、先行例(図12)の使用水流量が従来技術とあまり違わないのに比べると対照的である。本発明になるウォータージェットノズルを用いれば、短い時間で少ない水流量で施工が完了するので、プラントの予防保全の効率化を図ることができるようになる。
【0033】
本発明になるウォータージェットノズルは、ボイラ伝熱管に付着するクリンカ状アッシュの除去のみならず、全く異なる次のような分野へも直接適用することが可能である。
【0034】
(1)半導体シリコンウェハの洗浄
特殊な薬品を用いる必要の無い洗浄法として、図14に示すようにな水中水噴流に発生するキャビテーションの利用法がある。これによると、低圧水9のジェット中に、同軸並行に高圧水2を噴射する。キャビテーションの生じた水中水噴流をウェハ28に衝突させて、キャビテーションの作用で洗浄する。しかしながらこの方法によると、高圧水2と低圧水9が並行に流れるために相対速度が小さく、せん断作用は乏しい。結果的に、キャビテーションも十分には発達しない。このようなシリコンウェハの洗浄に対しても、水中水噴流のキャビテーションを促進する本発明の適用は大変に有効である。
【0035】
(2)有害物を含む水の浄化処理
キャビテーションを起こさせて有害物を分解・駆除する技術がある。本発明は、中心からの高速水噴流に加えて、その周囲の環状口から低圧水を噴射して多量の水の浄化処理に適している。
【0036】
上記(1)、(2)ともに、図2あるいは図3になるウォータージェットノズルをほぼそのまま使用することが可能である。
【0037】
以上説明したように、本発明の実施形態は、次のような構成と機能並びに作用を奏するものを含むものである。
【0038】
ノズルにおいて高速水噴流を噴出する中心噴出孔の出口先端側に略カップ型の空洞部を設け、空洞部の外縁・出口端側から、中心噴出孔からの高速水噴流に逆行させるように低速の周囲流を噴出する。要するに、カップ型空洞部内は水で充満され、中心軸上を高速水噴流が噴出し、これに逆行するように周囲流が吹き出す、という状況を作り出す。
【0039】
中心の高速水噴流とこれに逆行する周囲流の界面には、大きな速度勾配に起因して乱れの激しいせん断層が作り出され、キャビテーションが著しく促進される。また周囲流からは、中心の高速水噴流へ、キャビテーションの核(Nuclei)が多量に供給される。この核供給も、周囲から中心高速流に対し逆行するように流入させるのが効果的である。キャビテーションの核供給によっても、キャビテーションは大幅に促進される。
【0040】
ノズルの噴出孔先端におけるカップ型空洞部内で、キャビテーションを促進させる新しい手段を提供するものである。そして、ノズルの先端に設けた略カップ型の空洞部内において、空洞出口開口端近くから上流側へ逆流する水流と、中心から高圧で吹き出す高速水噴流の界面には、強いせん断作用が生じて、キャビテーションが著しく活発になる。このようなキャビテーションの促進効果が、互いに連成し合う2つの作用、即ち、キャビテーション作用並びに水塊の分裂作用、の威力を自己増幅的に高めている。
【0041】
空洞部の開口端の近くから、上流へ逆流する周囲流は、中心の高速水噴流へキャビテーション発生の核を多量に供給している。また、周囲流と中心の高速水噴流の間には大きな速度勾配が生じて、この作用もキャビテーションを促進する。キャビテーションの増幅によって、水流の乱れも強まるため、中心の高速水噴流が断続的に水塊に分裂する作用も強まる。
【0042】
結果的に、キャビテーションと水塊の断続的分裂の作用が活発になるため、カップ型空洞部から噴出する水流が付着物に衝突すると、これまでの先行技術に比べて衝撃力が著しく強まり、付着物が用意に破壊しやすくなって、付着物除去の効率が高まる。なお、図12の方法に比べると、本発明による方法の方が、ノズルにおける圧力損失が3〜6%ほど高くなる。
【0043】
【発明の効果】
本発明の奏する効果をまとめると以下のようになる。
【0044】
(1)特に曲げ強度が15MPaを超えて塊状に付着しているような高強度付着物に対しても、本発明になるノズルを用いれば容易に破壊して伝熱管から離脱させることができる。
【0045】
(2)上記(1)の効果と関連し、高強度付着物の除去し残しが無くなるので、炉内作業時に高強度付着物が落下するようなトラブルは無くなる。したがって、安全対策上有効である。
【0046】
(3)上記(1)の効果によって、高強度付着物除去の施工時間が短縮するので、コスト的に有利である。
【0047】
(4)ウォータージェットを同一の水量で噴射しても、従来法に比べると短い時間で施工を終わらせることができる。使用水量を減らせるので、コスト的にも有利である。また、排水処理のコストも減らすことができる。
【0048】
(5)特殊な超高圧水を用いないので、汎用のプランジャポンプや耐圧ホースの利用が可能であり、設備コスト的に有利である。
【0049】
(6)カップ型空洞部材の内面を、例えば熱CVD法によりダイヤモンドコーティングしておけば、キャビテーションによる損耗が無くなり、ノズルの交換が不要になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るウォータージェットノズルを利用して高強度付着物を除去する場合の全体構成図である。
【図2】本発明の実施形態に係るウォータージェットノズルの構造を示す断面図である。
【図3】本発明の他の実施形態に係るウォータージェットノズルの構造を示す断面図である。
【図4】本発明に係るウォータージェットノズル内のメカニズムを模式的に描いた図である。
【図5】高強度付着物に生じる破壊痕(壊食部)の形状と寸法を定義する図である。
【図6】本発明と従来技術並びに先行技術を比較した実験結果を示す図である。
【図7】本発明と従来技術並びに先行技術を比較した実験結果を示す図である。
【図8】本発明による高強度付着物の破壊部の形状を従来技術と比較した図である。
【図9】試験結果であり、本発明を実施することによる効果を実証した図である。
【図10】試験結果であり、本考案を実施することによる効果を実証した図である。
【図11】従来技術を示す図である。
【図12】先行技術のノズルを示す図である。
【図13】先行技術のノズルにおける現象を模式的に描いた図である。
【図14】洗浄分野における先行技術の例である。
【符号の説明】
2 高圧水
7 高強度付着物
9 低圧水
11 空洞部
14 中心噴流
17 ノズル本体
18 高圧水流路
19 噴出孔
20 低圧水流路
21 環状開口部
22 低速水流
24 せん断渦
25 気泡核供給
27 水塊
30 伝熱管
31 ノズルアーム
36,37 プランジャポンプ
39 水槽
40 キャビテーション[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a water jet nozzle that uses cavitation, and relates to a technique that can be applied to removal of deposits, cleaning, decomposition of harmful substances, and reaction promotion.
[0002]
[Prior art]
As a representative example of high-strength deposits, clinker-like ash that adheres and solidifies on the furnace wall and heat transfer tube of the combustion furnace will be described. In coal fired boilers and heavy oil fired boilers, ash particles melt at high temperatures and adhere to heat transfer surfaces. The ash adhering to the suspended superheater (secondary superheater) at the top of the boiler furnace grows into a large lump and becomes a hard clinker. Part of this attached hard clinker is peeled off from the heat transfer tube due to thermal shock when the boiler is stopped and falls to the furnace bottom hopper, but there are many hard clinkers that remain attached to the heat transfer tube without peeling or dropping. .
[0003]
The growth of such attached hard clinker is said to be due to combined actions such as the heat load of the boiler furnace, gas temperature, and fuel type properties (melting point of ash), but the detailed mechanism is still unknown.
[0004]
If the attached hard clinker grows significantly, if the boiler is in operation, it will become the flow resistance of the gas flow in the furnace, and if it falls to the furnace bottom, it will damage the hopper heat transfer tube, or it will be an excessive burden on the crusher In some cases. Furthermore, this hard clinker is a major obstacle to furnace maintenance work during regular inspections, and if it falls suddenly, it is very dangerous for the workers in the furnace. Therefore, much effort has been expended so far to remove the attached hard clinker.
[0005]
An example of this hard clinker removal method is a method in which a simple scaffold is built on the top of the nose, the operator operates a water-washing gun (nozzle arm), and sprays a water jet toward the hard clinker.
[0006]
Although this method can remove relatively fragile clinker, it is quite difficult to destroy all of the hard clinker, requiring a long washing time. In addition, assembling a simple scaffold is a high-place work in a boiler furnace, requiring an operator with special skills. However, this method requires a lot of time and cost to assemble and dismantle the simple scaffold, and the work on the in-furnace scaffold is environmentally good due to dust, moisture, heat, etc. in a small space. I can't say that. Accordingly, there is a need for a new technique that can complete removal work in as short a time as possible.
[0007]
This hard clinker grows into a remarkably large lump and can be very strong. This often occurs when coal with a low melting point of ash is used for a long time. Since the melting point is low, the ash melts and flows out even if the temperature is not so high, but when it cools and solidifies, it becomes high strength. Moreover, once such molten ash begins to adhere to the heat transfer tube, it adheres and grows one after another.
[0008]
In a suspended heat transfer tube, a new device is required to efficiently remove a large lump of high-strength clinker with a water jet nozzle.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As shown in FIG. 11, the conventional water jet is a jet of high-
[0010]
On the other hand, the prior art includes a method using cavitation. A
[0011]
A phenomenon that occurs inside the
[0012]
An object of the present invention is to provide a new configuration and method for increasing the strength of cavitation when utilizing a water jet utilizing cavitation in order to efficiently destroy and remove high-strength deposits.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention mainly adopts the following configuration.
[0014]
Injecting high velocity water jets from the spray hole in the center, providing a cavity of a substantially cup-shaped in the front end of the center jet holes, the water jet nozzle for performing decomposition of destruction removal or water harmful substances of the deposit,
Provided with a plurality of ejection holes opening in the inner wall of the substantially cup-shaped cavity or a slit-shaped opening provided in the inner wall of the substantially cup-shaped cavity,
A low- speed water stream is jetted from the plurality of nozzle holes or the slit-shaped opening toward the high-speed water jet at the same time as the high-speed water jet at an angle reverse to the high-speed water jet from the central jet hole. The water jet nozzle to configure.
[0016]
In the water jet nozzle,
A water jet nozzle that sets the nozzle position so that the deposit is present at the first peak position or the second peak position in the impact pressure distribution in the axial direction of the water jet produced by the nozzle.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is an example showing an entire system when a water jet nozzle according to an embodiment of the present invention is applied to removal of high-strength deposits adhering to a heat transfer tube in a combustion furnace.
[0018]
The relative
[0019]
FIG. 2 shows a structure of a water jet nozzle embodying the present invention as an axial sectional view and a front view. In the
[0020]
On the other hand, the low-
[0021]
In the embodiment shown in FIG. 2, the low-
[0022]
FIG. 4A schematically illustrates the behavior in the nozzle according to the embodiment of the present invention. The low-
[0023]
On the other hand, since the low-
[0024]
As described above, the present invention creates a
[0025]
FIG. 4B schematically illustrates the behavior of the
[0026]
As shown in FIG. 5, the effect of embodying the present invention was evaluated by the width W and the depth h of the fracture mark (erosion part) 8 by the collision of the water jet. FIG. 6 is an experimental result using brick as a material to be destroyed, and compares the characteristics of the embodiment of the present invention, the prior art (FIG. 11) to the prior art (FIG. 12). By changing the standoff distance Xs (distance between the nozzle outlet and the target material), the depth of the erosion groove caused by the impact of the water jet was examined. The stand-off distance Xs on the horizontal axis was made dimensionless by dividing by the ejection hole diameter D. On the other hand, the depth h of the erosion groove in the vertical axis, dimensionless by dividing by the grooves of depth h o in the prior art.
[0027]
In the prior art (FIG. 11), at Xs / D≈60, h / ho shows a peak, but its level is much lower than the characteristics of other examples. When the water jet nozzle according to the present invention (FIG. 2) is used, it can be seen that the erosion groove deepens significantly when the stand-off distance is short, that is, when the nozzle outlet is brought close to the brick. The result regarding the level of h is overwhelming with more than twice the characteristic of the prior art (FIG. 12) showing a similar tendency. This is because the power of the collision of the water mass 27 ((2) in FIG. 4) is enhanced in the nozzle according to the embodiment of the present invention.
[0028]
FIG. 7 shows the comparison of the width W of the fracture mark in the same manner. The width W of the erosion groove on the vertical axis was made dimensionless by dividing by the maximum width W O of the erosion groove in the prior art. In the prior art, the width of the erosion groove has a peak at a standoff distance Xs / D≈60. On the other hand, in the embodiment of the present invention, the width W of the erosion groove shows a peak under the condition that the nozzle is close to the brick, but is clearly lower than the maximum value in the prior art. Considering together with the result of FIG. 6 described above, when the water jet nozzle according to the present invention is used, an erosion groove as if it was cut narrowly and deeply is produced in comparison with the prior art.
[0029]
FIG. 8 schematically compares these features. The fracture mark (erosion part) 8 generated by the conventional water jet method spreads shallowly and is not suitable for the destruction of the hard material after all. On the other hand, since the
[0030]
Further, when the distribution of the impact pressure in the axial direction of the water jet produced by the nozzle shown in FIG. 2, for example, according to the embodiment of the present invention is observed, the impact pressure is reduced from the opening end of the nozzle to the deposit removed by destruction. There are first and second peaks that are not like but show large peak values. If the position of the nozzle is set so that the deposits are present at the location showing the peak value of such a water jet, the deposits can be effectively destroyed and removed.
[0031]
FIG. 9 compares the effect of using the water jet nozzle of the present invention with the prior art or the prior art using the construction time t for removing high-strength deposits. The construction time t for removing high-strength deposits was made dimensionless by dividing by the construction time t * for removing high-strength deposits in the prior art (FIG. 11). In short, the time when the prior art is applied is compared as “1”. Although the construction time can be shortened to 60% or less in the prior example shown in FIG. 12, it can be seen that the construction time can be shortened to 1/5 when the present invention is implemented.
[0032]
The fact that the construction time by the water jet can be shortened means that the amount of water used can also be reduced. FIG. 10 shows the result of comparing the amount of water used. The water flow rate Qw used for removal of high-strength deposits was made dimensionless by dividing by the water flow rate Qw * used for removal of high-strength deposits in the prior art (FIG. 11). Compared to the prior art, since the low speed water flow is used in the preceding example and the embodiment of the present invention, it does not have a proportional relationship with the construction time of FIG. 9 described above. It turns out that it can reduce remarkably to 1/3 or less. This characteristic is in contrast to the previous example (FIG. 12) in which the water flow rate used is not much different from the prior art. When the water jet nozzle according to the present invention is used, the construction is completed in a short time and with a small water flow rate, so that the efficiency of preventive maintenance of the plant can be improved.
[0033]
The water jet nozzle according to the present invention can be directly applied not only to the removal of the clinker-like ash adhering to the boiler heat transfer tube but also to the following completely different fields.
[0034]
(1) Cleaning of semiconductor silicon wafer As a cleaning method that does not require the use of special chemicals, there is a method of using cavitation generated in an underwater water jet as shown in FIG. According to this, the high-
[0035]
(2) There is a technology for decomposing and removing harmful substances by purifying cavitation of water containing harmful substances. The present invention is suitable for purifying a large amount of water by injecting low-pressure water from the surrounding annular port in addition to the high-speed water jet from the center.
[0036]
In both (1) and (2), the water jet nozzle shown in FIG. 2 or 3 can be used almost as it is.
[0037]
As described above, the embodiment of the present invention includes the following configurations, functions, and operations.
[0038]
A substantially cup-shaped cavity is provided at the outlet tip side of the central jet hole that ejects a high-speed water jet at the nozzle, and the low-speed water jet from the central jet hole is reversed from the outer edge / outlet side of the cavity. Spouts the surrounding flow. In short, the inside of the cup-shaped cavity is filled with water, creating a situation in which a high-speed water jet spouts on the central axis, and an ambient flow blows out against it.
[0039]
A turbulent shear layer is created at the interface between the central high-speed water jet and the surrounding flow, which is opposite to the high-speed water jet, and cavitation is remarkably promoted. Also, a large amount of cavitation nuclei (Nuclei) is supplied from the surrounding flow to the central high-speed water jet. It is also effective to allow this nuclear supply to flow backward from the surroundings to the central high-speed flow. Cavitation is also greatly promoted by the nuclear supply of cavitation.
[0040]
The present invention provides a new means for promoting cavitation in the cup-shaped cavity at the tip of the nozzle ejection hole. And, in the substantially cup-shaped cavity provided at the tip of the nozzle, a strong shearing action occurs at the interface between the water flow that flows backward from the vicinity of the cavity outlet opening end to the upstream side and the high-speed water jet that blows out at a high pressure from the center, Cavitation becomes extremely active. Such a cavitation promoting effect self-amplifies the power of the two actions coupled to each other, that is, the cavitation action and the water mass splitting action.
[0041]
The ambient flow that flows backward from the vicinity of the open end of the cavity supplies a large amount of cavitation-generating nuclei to the central high-speed water jet. There is also a large velocity gradient between the ambient flow and the central high-speed water jet, and this action also promotes cavitation. As the cavitation amplification increases the turbulence of the water flow, the action of intermittently splitting the central high-speed water jet into water bodies is also strengthened.
[0042]
As a result, since the action of cavitation and intermittent breakup of the water mass becomes active, when the water flow ejected from the cup-shaped cavity collides with the deposits, the impact force is remarkably increased compared with the prior art. The kimono is easily destroyed and the efficiency of deposit removal increases. Compared with the method of FIG. 12, the method according to the present invention increases the pressure loss at the nozzle by about 3 to 6%.
[0043]
【The invention's effect】
The effects produced by the present invention are summarized as follows.
[0044]
(1) Particularly for a high-strength deposit that has a bending strength exceeding 15 MPa and adhered in a lump, the nozzle according to the present invention can be easily broken and detached from the heat transfer tube.
[0045]
(2) In connection with the effect of (1) above, since the high-strength deposit is not removed and left behind, there is no trouble that the high-strength deposit falls during the operation in the furnace. Therefore, it is effective for safety measures.
[0046]
(3) Since the construction time for removing the high-strength deposit is shortened by the effect (1), it is advantageous in terms of cost.
[0047]
(4) Even if the water jet is jetted with the same amount of water, the construction can be completed in a shorter time than the conventional method. Since the amount of water used can be reduced, it is advantageous in terms of cost. In addition, wastewater treatment costs can be reduced.
[0048]
(5) Since no special ultra-high pressure water is used, a general-purpose plunger pump or pressure-resistant hose can be used, which is advantageous in terms of equipment cost.
[0049]
(6) If the inner surface of the cup-shaped cavity member is diamond-coated by, for example, a thermal CVD method, wear due to cavitation is eliminated and nozzle replacement is not necessary.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram in the case of removing a high-strength deposit using a water jet nozzle according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a water jet nozzle according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of a water jet nozzle according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a mechanism in a water jet nozzle according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram for defining the shape and dimensions of fracture marks (erosion portions) generated in a high-strength deposit.
FIG. 6 is a diagram showing experimental results comparing the present invention with the prior art and the prior art.
FIG. 7 is a diagram showing experimental results comparing the present invention with the prior art and the prior art.
FIG. 8 is a diagram comparing the shape of a fracture portion of a high-strength deposit according to the present invention with that of a conventional technique.
FIG. 9 is a diagram showing test results and demonstrating the effect of implementing the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing test results and demonstrating the effects of implementing the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a conventional technique.
FIG. 12 shows a prior art nozzle.
FIG. 13 is a diagram schematically illustrating a phenomenon in a prior art nozzle.
FIG. 14 is an example of prior art in the field of cleaning.
[Explanation of symbols]
2 High-
Claims (4)
前記略カップ型空洞部の内壁に開口する複数の噴出孔または前記略カップ型空洞部の内壁に設けたスリット状の開口部を設け、
前記中心噴出孔からの高速水噴流に対して逆行するような角度で、前記複数噴出孔または前記スリット状開口部から低速水流を前記高速水噴流へ向けて、前記高速水噴流と同時に噴出させるように構成する
ことを特徴とするウォータージェットノズル。Injecting high velocity water jets from the spray hole in the center, providing a cavity of a substantially cup-shaped in the front end of the center jet holes, the water jet nozzle for performing decomposition of destruction removal or water harmful substances of the deposit,
A plurality of ejection holes opening in the inner wall of the substantially cup-shaped cavity, or a slit-shaped opening provided in the inner wall of the substantially cup-shaped cavity,
A low- speed water stream is jetted from the plurality of nozzle holes or the slit-shaped opening toward the high-speed water jet at the same time as the high-speed water jet at an angle reverse to the high-speed water jet from the central jet hole. A water jet nozzle characterized by comprising:
前記低速水流の流速が、前記高速水噴流の流速の1/3以上4/5以下の範囲であって、前記低速水流の噴出流量が高速水噴流の流量の1.2倍以上3.0倍以下の範囲から選定することを特徴とするウォータージェットノズル。The water jet nozzle according to claim 1,
The flow rate of the low-speed water flow is in the range of 1/3 to 4/5 of the flow rate of the high-speed water jet, and the flow rate of the low-speed water flow is 1.2 times to 3.0 times the flow rate of the high-speed water jet. A water jet nozzle selected from the following ranges.
前記ノズルで作り出される水噴流の軸方向における衝撃圧分布での最初のピーク位置に前記付着物が存すように、前記ノズル位置を設定することを特徴とするウォータージェットノズル。The water jet nozzle according to claim 1,
The water jet nozzle, wherein the nozzle position is set so that the deposit is present at a first peak position in an impact pressure distribution in an axial direction of a water jet produced by the nozzle.
前記ノズルで作り出される水噴流の軸方向における衝撃圧分布での第2番目のピーク位置に前記付着物が存すように、前記ノズル位置を設定することを特徴とするウォータージェットノズル。The water jet nozzle according to claim 1,
The water jet nozzle, wherein the nozzle position is set so that the deposit is present at a second peak position in an impact pressure distribution in an axial direction of a water jet produced by the nozzle.
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