JP4245273B2 - パイプおよびダクトにおける流体抵抗を減少するための方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、流体または粉体が単相または多相で流れるパイプおよびダクトにおける流体抵抗を減少させるための方法および装置に関する。本方法では、流体抵抗は、パイプ壁またはダクト壁に電場を印加することによって減少される。また、電場の強さは、流体または粉体を電場に曝露するユニットの前および後での流動様式の測定に従って調節される。この流体は、純流体、コロイド流体であり得るか、または粒子形状の含有物を包含し得る。
【０００２】
（背景）
多くの重要な工業プロセスおよび社会事業（ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｗｏｒｋｓ）は、パイプでの流体の輸送を含む。例には、とりわけ、水力発電所、上水道、浄水場、および下水処理等の浄化プラントへの水の供給、または地域暖房プラント用の供給網、パイプでのオイルおよびガスの輸送、ならびにプロセス化学、食品工業、および石油化学工業のプロセスライン（ｐｒｏｃｅｓｓ ｌｉｎｅ）がある。
【０００３】
パイプおよびダクトでの流体のすべての輸送の形態と関連する共通の問題は、流体抵抗による流体圧力の損失である。この圧力の損失は、流体のパイプ輸送を含むすべてのプロセスに対してエネルギー損失を引き起こす。より長い輸送距離の場合、これは、重要な経済的な要因となり得る。なぜならば、この圧力損失は、１個または数個のポンプ場によって、流体圧力を再生することで補填されなければならないからである。従って、環境的および経済的視点の両方から、流体抵抗を減少することが目的である。
【０００４】
（技術状況）
１９世紀から、パイプ中の水流に磁場を印加することによって、パイプの内壁における石灰質析出物の形成が減少および／または回避され得ることは公知であった。この効果は、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ ９６０（１９８５年９月）において十分に議論されている。この効果と本発明との間には類似点があるが、その目的および手段の両方は、これが本発明との限定的な類似性のみ有するという十分に遠いものである。
【０００５】
パイプ／ダクトを流れる流体の流速は、パイプ／ダクトの断面によって変化する。最も高い速度はその真ん中で得られ、最も低い速度は流体とパイプ／ダクトの壁との間の境界で得られる。パイプにおける層流および乱流についての典型的な速度プロフィール［１］は図１に示される。
【０００６】
速度プロフィールの形状は、流体流れのレイノルズ数および摩擦係数によって決定される。レイノルズ数は、流体の密度、動粘度、平均流速、およびパイプ／ダクトの直径によって決定される。レイノルズ数が２３００未満である場合、その流れは層流（放物線形状の速度プロフィール）となり、それが２３００を超える場合、乱流となる。摩擦係数は、パイプ／ダクト壁の粗さおよびレイノルズ数によって決定される。その粗さは、パイプ／ダクト壁の形状、サイズ、その表面の物理的特性、および電気的状態等のパラメータに依存する複合的な量である［２］。これらのすべてのパラメータは、流速を減少する傾向にある。この粗さは、流体圧力損失の測定によって、普通は決定される。多数の材料についてのレイノルズ数および摩擦係数の関数としての粗さは、図２のＭｏｏｄｙダイアグラム［２］に示される。
【０００７】
一片の金属が水中に沈められた場合、その金属のいくらかは、陽金属イオンとして溶解され、その金属片は負に荷電される。電磁気引力により、正に荷電した金属イオン、水素イオン（ｐＨ依存性）、水中に存在する他の正に荷電したイオン、およびその金属片に面する正の末端を有する極性分子の層が、形成される［３］。この層である場合の例が図３に示される。従って、標準参照セル（例えば、標準カロメル電極、ＳＣＥ）に対して測定され得る電圧は、この層にわたって形成し、これは、腐食電位と呼ばれる［４］。この層は、電気二重層と呼ばれ、１０^-9ｍのオーダーの厚さを有する。この層をわたる電位は１Ｖのオーダーであるが、電場は１０⁹Ｖ／ｍのオーダーで非常に大きい［３］。
【０００８】
この腐食電位を維持するために、溶液から電極へのイオンの小さな流れが発生しなければならず、その時、濃度勾配が確立される。この濃度勾配は、拡散層と呼ばれ、約０．１ｍｍの厚さを有する。この厚さは、撹拌速度、すなわち、流速に依存する。拡散速度（すなわち、流速）が高くなればなるほど、拡散層がより薄くなる。拡散層が薄くなればなるほど、電極へのイオンの流れはより高くなり、従って、腐食電位はより高くなる［３］。
【０００９】
ＥＰ ０ ６６１ ２３７ Ａ１は、流体をイオン化するためのＤＣ電位を印加することによって、パイプ壁でのカルシウムおよびマグネシウム片の堆積を防止する方法を開示する。しかし、流体のイオン化は腐食電位を大きくし、従って、この方法は本発明に関連するものではない。
【００１０】
米国特許第５，４８０，５６３号は、液体の汚染を回避するために、液体に接触することなしに、高抵抗液体における帯電を除去する方法を開示する。このような液体の例には、半導体デバイスおよび液晶デバイスの製造に用いられる超純水がある。このような水は、テフロンベースのパイプを通った後に１０００Ｖまで荷電され得、製造状況下のデバイスに損傷を与え得る。この解決法は、トンネル電子が液体中に通過することを可能にする薄い不活性層を用いて被覆された電極を用いることである。しかし、この作業を行うために必要とされる大きな電位は、必然的に腐食電位を増大し、それによって、流体抵抗を増大し、従って、本発明に関連するものではない。
【００１１】
本発明が基づいている発想は、腐食電位によりイオンおよび極性分子が流体−壁境界に集まることによって、摩擦係数が増加し、それによって、流体流れが遅くなるということである。
【００１２】
（発明の目的）
本発明の全般的な目的は、流体流れとパイプ／ダクト壁との間に存在する腐食電位に起因する摩擦係数の増加を防止する方法を提供し、従って、パイプ／ダクト中の流体流れの圧力損失を減少させることである。
【００１３】
本発明の別の目的は、この方法を行うための装置を提供することである。
【００１４】
（発明の要旨）
本発明の全般的な発想は、流体−固体境界におけるイオンの生成が、パイプ／ダクト壁へのＤＣ電位の印加によって打ち消され得るということである。この電位の大きさは、その壁における電荷の生成に正確に釣り合うようなものであるべきである。その時、イオンおよび極性分子を引きつける電磁力は減少し、そのイオンおよび極性分子は、流れる流体に自由に付随し得る。すなわち、摩擦係数への電気的寄与はゼロとなる。
【００１５】
印加した電位が電荷の生成よりも大きくなった場合に、逆の状況が起こる。その時、パイプ／ダクト壁には逆の値を有する電荷の生成があり、そしてイオン（逆に荷電した）および極性電極（壁と向かい合う逆の末端を有する）が壁に付着し、従って、摩擦係数を増加する。それゆえ、電荷の生成と釣り合う印加電位の大きさを見いだすことが重要である。
【００１６】
本発明の目的は、例えば、図４に図式的に示されるような実施態様によって、達成される。この図は、流体が矢印の方向に流れているパイプを示す。そのパイプ壁の短い部分は、両端のパイプ壁の残りからは電気的に絶縁されている。このパイプの内径およびパイプの絶縁された部分は、流体流れの不必要な圧力損失を妨害または誘導しないように、等しくあるべきである。ＤＣ電位発生器は、一方の極性で、絶縁されたパイプ部分へと接続され、他方の極性で、絶縁された部分のパイプ下流へとまたは第１の絶縁された部分の下流のパイプの別の絶縁された部分へと接続される。この絶縁された部分は、第１の絶縁された部分と類似する。ＤＣ電位発生器は、制御ユニットによって連続的に調節され、この制御ユニットは、電位に曝されるパイプ部分の上流のどこかで、流体の性質の測定に反応する。このことは、いずれの流体が用いられるかに関わらずまた流れの最終的な変化に関わらず、システムが電位の正しい値を印加し得ることを保証する。
【００１７】
流体の性質によって、本発明者らは、流体流れの速度、実際のパイプに対する腐食電位、ｐＨ、特定のイオンの濃度、導電率、圧力、および流体温度のような量を意味する。制御ユニットは、印加される電位の正しい値を計算する場合に、これらの測定された量のいくつかまたはすべてを使用し得る。この制御ユニットは、測定されたデータを受信し、またＤＣ電位発生器を制御し得る、標準的なコンピュータユニットであり得る。
【００１８】
（好ましい実施態様の詳細な説明）
図４に概略的に与えられる好ましい実施態様において、参照番号１は一体型ＤＣ発生器を備える制御ユニットであり、２は電位を伝達するための導線であり、３は制御ユニットに測定されたデータを伝達するための導線であり、４はパイプの絶縁された部分であり、５はパイプの残りであり、そして６は絶縁体である。矢印は流れ方向を示す。流れの性質を測定するためのセンサはパイプ４の絶縁部分上に配置される（図示せず）。
【００１９】
この絶縁されたパイプ部分は、５０ｃｍまでの長さであり得、流体流速、腐食電位、ｐＨ、イオン濃度、導電率、および水温を測定するためのセンサが取り付けられている。この絶縁されたパイプ部分は、パイプ入口のすぐ後ろであるが、流れが安定化されていることを確実にするために十分な距離で配置されるべきである。制御ユニット、導体、ＤＣ電位発生器および流体の性質を測定するためのセンサは、全て標準型であり得、さらに詳細には説明しない。しかし、センサの形状および配置は、流体流れを顕著に乱さないようにすべきであることに注意するべきである。
【００２０】
上述のように、本発明の目的は、パイプ壁において電位（これは、パイプ壁における電荷の生成に釣り合わせる）を印加することによって摩擦係数への電気的寄与を、なくすことである。好ましい実施態様において、これはＤＣ発生器からユニットの下流のパイプ壁に一方の極性を接続し、絶縁したパイプ部分に他方の極性を接続することによって行われる。正の電場は、発生器からパイプ壁５へ正の極性を接続し、絶縁したパイプ部分４へ負の極性を接続することに対応する。
【００２１】
印加された電位は、腐食電位に等しくはないが接近している。海水における異なる材料の多数の異なる腐食電位を、表１に示す［４］。この表から腐食電位が０〜−１Ｖの範囲にあることがわかる。発明者によって実施された実験は、レイノルズ数への依存性を示すが、パイプ壁における電荷の生成の正確な本質は、現在分かっていない。しかしながら、この実験は、印加された電位が±１．５Ｖのオーダーであるべきであることを示す。水力発電所において使用されるスチールパイプ中を流れる淡水の場合、電位は、５５０〜６５０ｍＶの範囲にあるべきであり、そして同じスチールパイプを流れるオイルの場合、１００〜１５０ｍＶの範囲であるべきである。全ての電位は、標準カロメル電極（ＳＣＥ）に比較してである。本発明は、１〜５，０００，０００の範囲にあるレイノルズ数、および流体の全ての種類（例えば、単相または多相の、淡水、海水、オイル、ガス、粉末およびこれらの１つ以上の混合物）を有する流れのために使用され得る。
【００２２】
（実験的検証）
印加した電位の効果を確認するために、実験的装置（例えば、図５に示されるもの）が使用された。淡水は、保持タンクから直径５０ｍｍのステンレス鋼の管を通って収集タンクへ流れた。絶縁部分の後ろの鋼管の長さは、１７．５ｍであり、落差が８ｍであった。絶縁したパイプは、入り口（保持タンクからの出口）の後ろの約１．５ｍに配置された。収集タンク中の水は、分離したパイプを通ってポンピングされて、流れが閉ループし続けるように保持タンクに戻した。
【００２３】
水流は、平均流速、水温、ｐＨ、および導電率を測定することにより、絶縁されたパイプ部分でモニターした。さらに、パイプ出口の約１ｍ前のパイプの底部部分における流速プロフィールおよびパイプに沿った流れの圧力降下を、測定した。この流れを、音波測定によっても測定した。レーザードップラー風速計を、流速プロフィール測定において使用した。測定した値を、多変数校正によって分析した。
【００２４】
測定は、レイノルズ数５０，０００を有する流れについて示され、印加電位は、５０〜１００ｍＶ（ＳＣＥ）で流体抵抗に影響を有した。他の全ての電位は有意な効果を示さなかった。腐食電位は、５５ｍＶ（ＳＣＥ）まで測定された。この効果の例は、図６に示され、これは＋７５ｍＶ（ＳＣＥ）の印加電位に曝してまたは曝さないで測定された流速プロフィールを示す。このプロフィールは、パイプ壁からパイプの中央まで与えられる。印加電位に曝すことなしのプロフィールは、番号７と記され、そして曝したプロフィールは番号８と記される。図からわかり得るように、流速は壁で増加し、そして中央で減少するが、この場合の全体的な効果は、２．３％の平均流速の増加である。別の実験において、５％より多い平均流速の増加が、観測された。
【００２５】
この系において時間依存性があることに注意すべきであり、そしてこの影響は、目に見える前に時間がかかり得る。この装置の場合、この影響が目に見え始める前に２０分かかり、それがその最大に達する前にほぼ１．５時間かかる。
【００２６】
本発明は、ステンレス鋼のパイプ中を流れる淡水の例として記載されてきたが、本発明が全ての流れ（粒子の流れを含む）について、摩擦係数に対する電気的寄与を除去するための一般的な方法を包含することを理解すべきである。また、本発明は、特定の用途には限定されず、パイプ／ダクトにおける流体圧力の損失が問題を構成する全ての適用について使用されることが意図される。
【００２７】
（参考文献）
１）Ｇｅｒｈａｒｔ，Ｐ．Ｍ．およびＧｒｏｓｓ，Ｒ．Ｊ．、「Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ」、Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ、Ｒｅａｄｉｎｇ Ｍａｓｓ．、１９８５。
２）Ｍａｓｓｅｙ、Ｂ．Ｓ．、「Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ ｆｌｕｉｄｓ」、Ｖａｎ Ｎｏｓｔｒａｎｄ Ｒｅｉｎｈｏｌｄ，Ｌｏｎｄｏｎ、１９８９。
３）Ｂｏｃｋｒｉｓ，Ｊ．Ｏ．Ｍ．、Ｂｏｎｃｉｏｃａｔ，Ｎ．、およびＧｕｔｍａｎｎ，Ｆ．、「Ａｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｃｉｅｎｃｅ」、Ｗｙｋｅｈａｍ、Ｌｏｎｄｏｎ、１９７４。
４）Ｄｅｌｉｎｄｅｒ，ｖａｎ Ｌ．Ｓ．、「Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｂａｓｉｃｓ」、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｈｏｕｓｔｏｎ、Ｔｅｘａｓ、１９８４。
【００２８】
【表１】

【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、パイプ中の層流および乱流についての典型的な速度プロフィールの図である。
【図２】 図２は、摩擦係数およびレイノルズ数の関数として多数の材料についての相対的な粗さを示すＭｏｏｄｙダイヤグラムである。
【図３】 図３は、電気二重層を示す。
【図４】 図４は、本発明による装置の好ましい実施態様の概略図である。
【図５】 図５は、スチールパイプ中を流れる淡水を曝す効果における測定のための実験的な配置の図である。
【図６】 図６は、電位に曝しておよび曝さずに、スチールパイプ中で流れる淡水に対する測定された流速プロフィールを示す。レイノルズ数は５０，０００であった。

Claims (11)

1. パイプ／ダクトにおける流体抵抗を、電気二重層から生じる摩擦係数への電気的寄与を取り除くために、該パイプ／ダクトの壁に直流（ＤＣ）電位を印加することによって、減少する方法であって、該印加されたＤＣ電位が、測定された流体特性の情報を供給される制御ユニットによって調節される、方法であって、
   該印加されたＤＣ電位が、流れる流体と壁材料との間の相互作用からの該壁への電荷の生成に起因する該電気二重層の電位と、正確に同じ強度であるが反対の極性を有するように、絶えず調節される、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記制御ユニットが、ＤＣ領域に曝されているパイプ／ダクトの部分の上流の測定された流体特性の情報を供給され、該測定された流体特性は、平均流速、腐食電位、ｐＨ、該流体に含まれる特定のイオンの濃度、導電率、圧力、および温度を包含する群に含まれる特性のうちの１つ以上であり得る、方法。
3. 前記ＤＣ電位が、−１．５〜＋１．５Ｖ（飽和カロメル電極、ＳＣＥ）の範囲である、請求項１または２に記載の方法。
4. 請求項１〜３に記載の方法であって、水力発電所および淡水において使用される型のスチールパイプの場合、前記ＤＣ電位が、５５０〜６５０ｍＶ（ＳＥＣ）の範囲であるべきであり、そして、該パイプを流れるオイルの場合、１００〜１５０ｍＶ（ＳＣＥ）の範囲であるべきである、方法。
5. ステンレス鋼を流れる淡水の場合、前記ＤＣ電位が、５０〜１００ｍＶ（ＳＣＥ）の範囲である、請求項１〜３に記載の方法。
6. ステンレス鋼を流れる淡水の場合、前記ＤＣ電位が、７５ｍＶ（ＳＣＥ）である、請求項１〜３に記載の方法。
7. 前記流れが、単相または多相の、流れる純流体、コロイド流体、粒子形状の含有物を含む流体、いくつかの流体の混合物、またはこれらの１つ以上の混合物である、請求項１〜６に記載の方法。
8. 前記流れが粒子の流れである、請求項１〜６に記載の方法。
9. 前記流れが、１〜５，０００，０００の範囲のレイノルズ数を有し得る、請求項１〜７に記載の方法。
10. 請求項１〜９に記載の方法を行うための装置であって、
    ＤＣ電位発生器が、一方の極性で、該パイプ／ダクトの壁の電気的に絶縁された部分に接続され、他方の極性で、該絶縁された部分の下流にある該パイプの部分に接続されている、装置であって、該ＤＣ電位発生器が、該ＤＣ電位に曝されている部分の上流の流体特性の測定値を供給される制御ユニットによって、制御される、装置。
11. 請求項１０に記載の装置であって、前記制御ユニットが、平均流速、腐食電位、ｐＨ、前記流体中に含まれる特定のイオンの濃度、導電率、圧力、および温度を包含する群に含まれる流体特性のうち１つ以上を供給される、装置。

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