JP4664496B2 - 流体中の改良された混合方法および装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
本発明は流体中の改良された混合方法および装置を提供し、特に流体の殺菌のための紫外線（ＵＶ）照射を使用する系における改良された混合方法および装置を提供する。
【０００２】
空気または流体系中の微生物を死滅させるための紫外線（ＵＶ）照射の使用は周知である。しかしながら、従来のＵＶ殺菌系はエネルギー利用の点で非常に効率的なものではない。ＵＶ光は短い距離（例えば、水中の２．５センチメートル以下）だけに進入した後流体に吸収され、ＵＶランプに接近していない流体は処理されないので、理論必要量よりも多い２倍までの強力な出力が使用される。本発明は、均一な処理のために全容量の流体が実質的にランプに接近されるようなＵＶランプの長さ下での大スケールな混合持続を作り出す方法を提唱する。
【０００３】
従来の並列型低圧／低ランプ出力ＵＶ殺菌系は、達成されるべき十分な混合を許容する流体の流れ方向の長さの混合装置およびＵＶランプ内での比較的長い流体滞在時間を有し、低いエネルギー利用効率を生ずる。中圧／高出力ランプ系の導入により、エネルギー利用効率がさらに減少されるような隣接並列型ランプ間の流体の流れに垂直な空間を増加させながら、流体滞在時間とランプの長さの両者を減少させる。混合バッフルがエネルギー利用効率を改良できることが示されてきた。しかしながらバッフルにより作られた混合渦流は短命であり、高エネルギー入力（圧力降下）を必要とする。廃水殺菌系は、通常混合に使用できる大容量の上部圧力を有しない重力供給系である。大部分の下水処理プラントにおいてはスペアーとなる流れエネルギー（すなわち圧力降下）がほとんどないので、流れエネルギーを処理される流体を効果的に混合させる渦に効果的に変換する必要性が生ずる。プラントは特定な圧力降下を考慮して建造される。改装適用において、要求される混合を達成するために水の１５センチメートル以下の圧力降下を有するであろう。
【０００４】
エネルギー効率とエネルギー入力との望ましくないトレードオフを排除するために、本発明は、流体の流れがＵＶランプに曝される長さにわたり渦を持続させる流体の流れ方向に本質的に垂直に配置された一組の渦を提唱し、その結果入力エネルギーの浪費である短命で小スケールの渦流の発生を最小限にする。それらの渦は、特に特定な形状のバッフル、プロペラおよび輪郭を形成する流れチューブのような流路に置かれた可動性のまたは固定された構造を使用することを含むいくつかの手段によって発生させることができる。
【０００５】
本発明の好ましい態様は、逆回転する渦を発生するための並列型反応器の導入端での好適な対のデルタ翼の使用を提唱する。同時回転または逆回転する渦を作るためのデルタ翼の使用によって、本発明は、流体殺菌を生ずる化学反応における加熱および／または質量移動を刺激する上でのＵＶ光のより有効な使用に対し、低圧力降下を使用する有効な混合を許容し、結果的にＵＶ殺菌系の資金および作動コストを減少する。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、並列型または非並列型流体流れ系内での増大した混合を達成する方法および装置を提供し、系のエネルギー入力要求を減少させることなくそのような系におけるエネルギー利用効率を増大させることである。
【０００７】
本発明の更なる目的は、系中での流体運動の全期間中に渦を維持する同時回転または逆回転する一組の渦を作ることによって、並列型または非並列型流体の流れ系内での増大した混合を達成する方法および装置を提供することである。
【０００８】
本発明の更なる目的は、系内での増大した混合を達成する目的のために同時回転または逆回転する渦を発生するための配列型または非配列型流体の流れ系の導入端でのデルタ形状の翼を使用することである。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、系のエネルギー入力要求を減ずることなく、系におけるエネルギー利用効率を増加させる紫外線（ＵＶ）流体殺菌系内での増大した混合を達成する方法および装置を提供することである。
【００１０】
本発明の更なる目的は、流体がＵＶ照射に曝されている全期間中実質的に渦を持続させるＵＶ流体殺菌系における同時回転または逆回転する一組の渦を作る方法および装置を提供することである。
【００１１】
本発明の更なる目的は、系内での増大した混合を達成する目的のために同時回転または逆回転する渦を発生するＵＶ流体殺菌系の導入端でのデルタ形状の翼を使用することである。
【００１２】
本発明をＵＶ殺菌系における具体化で特に説明したが、当業者であれば増大した流体混合が所望される他のタイプの並列型または非並列型流れ系に本発明が同等に適用されることは理解されよう。
【００１３】
本発明の好ましい実施態様は、流体の流れのための流路を規定する、流体の流れ方向に沿って本質的に配置された並列型紫外線ランプ中に流体の流れを通過させることによる、流体混合を達成するための装置および方法を提供する。各チューブに対し上流域にまたは隣接して配置されたものは、流体の流れ方向に対して斜めの角度の表面を有する三角形状のデルタ翼である。流体の流れと各デルタ翼との相互作用は、一対の渦が互いに反対の方向に逆回転する一対の渦を作る。それらの逆回転する渦は、流路下で運動する混合力の消失を最小化するように互いに補強し合っている。それらの共補強特性により、逆回転する渦は流体の混合をより効果的に促進し、ＵＶ殺菌系での光のより効果的な使用を達成する。
【００１４】
本発明をＵＶ殺菌系における具体化で特に説明したが、当業者であれば、増大した流体混合が所望される他のタイプの並列型または非並列型流れ系に本発明が同等に適用されること、さらに特に特定な形状のバッフル、プロペラおよび輪郭を表す流れのチューブのような流路に配置された可動性のまたは固定された構造の使用を含む、デルタ翼以外のいくつかの手段によって、流体の流れ方向に垂直に配置された持続性の同時回転または逆回転する渦を発生できることは、当業者に理解されよう。
本発明のその他の詳細、目的および利点は、以下の本願の好ましい実施態様の記載から明らかとなるであろう。
【発明の実施の形態】
【００１５】
図１は並列型流体混合装置１を示し、これは好適には紫外線（ＵＶ）照射殺菌系に用いられるものである。この流体混合装置は複数の有節アーム３が付設されたフレーム２からなる。各有節アームは一連の電力ランプ５を有し、それらは各個に紫外線（ＵＶ）照射を透過する材料たとえば石英からなるチューブ１３によって囲まれている。アーム３は、ランプを取り外したり交換したりするための第１の位置３ａと、ランプが並列に配され流体４たとえば水がそれらの長軸に対してほぼ平行に流れる第２の位置３ｂとの間を移動可能である。ランプ５が並列位置にあるときには、それらは殺菌を行うのに十分な時間、流体４をＵＶ照射に曝すことになる。ＵＶ殺菌装置１のアーム３の一部はランプチューブ１３の代わりにスペーサモジュール６を取り付けるようになっている。このスペーサモジュール６は、チューブ１３から最も離れた間隙空間を充填することにより、渦流れのプロファイルを保持し流体がＵＶ光に曝されずにバイパスしてしまうのを防止する。スペーサモジュールを使用することにより、ランプ間隔を大きくとれ、したがって流体流れに対して断面積を大きくとれるため、流速とそれに伴う圧力降下を小さくすることが可能になる。また流速を小さくすれば入口側遷移領域を設ける必要がなくなるため、入口側圧力損失を防ぐことにもなる。図１に示される装置では、４本のランプチューブモジュール１３と３本のスペーサモジュール６とが列をなしている。流体流れ４は隣り合うチューブ１３あるいはスペーサモジュール６の間の流路に生ずる。ＵＶ曝露の劣化を防止するため、エアシリンダ８がクリーニング機構を作動させて流体４によりチューブ１３上に堆積した異物を除去する。
【００１６】
図２Ａ〜２Ｂに示すように、好適な態様では、各チューブ１３に三角形状のデルタ翼９が設けられる。これはチューブ１３とスペーサ６からなる配列への流体流入位置に当たるランプ５の上流側に対をなして取り付けられる。各デルタ翼９は、図３に示すように、その後端１２から一対の同一方向または反対方向にまわる流体の渦１０を発生させるように設計される。各渦の中心線１１はそれぞれの翼の後端から翼幅の約２５％の位置にあり、その垂直位置はデルタ翼９の流れに対する傾斜角（アタック角）により制御される。デルタ翼９を通り過ぎる流体により消散されるエネルギーは実質的にすべてが後方にできる大きな尺度の渦１０に変わる。図３に示されるように、逆向きの傾斜をもつ一対のデルタ翼９ａ及び９ｂ（一方のアタック角を＋θとすれば他方のアタック角は−θとなる）は、上記に述べた性格をもつ４つの逆に回転する流体の渦１０をつくる。図３に示すように多数のデルタ翼の対を規則的に配列することにより、チューブとスペーサの配列の上流に静止型混合プロペラの配列を設けたのと同様な効果を得ることができ、したがってプロペラの羽根のピッチと形状を適当に選択すれば小さな尺度の乱流渦を抑えることができる。図３〜６に示されるような配列は好ましいものであるが、流れに渦を誘起するに際して本質的なことは、渦を発生させるために用いられる構造体が、それにより生じた渦の軸線が流体の流れ４の方向にほぼ揃うように、その形状および向きが定められているということである。したがって、デルタ翼９を用いて非並列型渦流れ系をつくることもできるし、デルタ翼９以外の手段により並列型あるいは非並列型の系をつくることもできる。そのような手段には、流路中におかれた可動型または静止型の構造体、たとえば特別な形状の邪魔板、プロペラ、あるいな所定の輪郭をもったフローチューブなどがある。また、図６の三角配列に示されるように、これらの機構によれば互いに同一方向にまわる渦１４も互いに反対方向にまわる渦１０もつくることができる。
【００１７】
デルタ翼９によってつくられる互いに反対方向にまわる渦１０の混合作用は、図３−５に示されるようにチューブ１３およびスペーサ６を正方配列（碁盤目配列）にすることによって高められる。正方配列では、図３に示されるように、デルタ翼９によってつくられる渦１０の回転方向が交互に時計回りおよび反時計回りとなる。この反対回りのメカニズムにより、隣り合う渦同士が互いに強めあうように働き、渦が流路７を下って行くに伴って混合強度が失せていくのを防止する。この協調強化作用のため、正方配列によってつくられた大きな尺度の渦１０は、比較的長い時間、比較的長い距離にわたって流路７中に存在し、したがって所定量の混合を生じさせるために必要なエネルギーが低減される。
【００１８】
本発明のデルタ翼９を風洞内で試験してそれらの流体流れ特性を確認した。図７は、アタック角θがデルタ翼９の抗力係数（与えられた流体流れ４が翼９を横切るときに生じる圧力降下量を決める）に与える影響を示す。デルタ翼の揚力係数ＣＬ及び抗力係数ＣＤはアスペクト比に拘わらず次の式を用いて計算した。
（１） ＣＬ＝ＫＰｓｉｎθ（ｃｏｓθ）２＋ＫＶ（ｓｉｎθ）２ｃｏｓθ
（２） ＣＤ＝ＣＬｔａｎθ
θ：アタック角
ＫＰ、ＫＶ ：Bertin and Smith による
図８ａは、デルタ翼９によってつくられる渦１０の安定性に対する、アスペクト比ＡＲとアタック角θの関係を示す。アスペクト比ＡＲは図８ｂに示される寸法の下に次の式から計算した。
（３） ＡＲ＝２ｂ／ｃ
ｂ：翼幅（センチメートル）
ｃ：根翼弦（センチメートル）
図９は渦中心線１１の水平位置とアスペクト比の関係を示す。このとき、渦中心線１１の垂直位置はすべてのアスペクト比についてアタック角θの半分とする。中心線の水平位置は次の式を用いて計算した。
（４） ＨＣ＝９．８２ＡＲ０．７０９
ＨＣ：翼中心線から渦中心までの角度（度）
及び θＶＣ＝ａ／２
渦の流れ頻度（voltex shedding frequency）ｆ（単位時間に得られる渦回転の数）とアタック角θ及び流速Ｕとの関係は、ストローハル数Ｓｔとアタック角θの関係として図１０に示される。ストローハル数は流れ頻度と翼幅及び流速との関係を次の式に従って定める。
（７） Ｓｔ＝ｆｂ／Ｕ
ｆ：流れ頻度（Ｈｚ）
ｂ：デルタ翼幅（ｍ）
Ｕ：自由流速（ｍ／ｓ）
流速Ｕが低下すると、渦の流れ頻度ｆも低下する。しかし、これに対しては、流体の流路７内滞留時間の増大の効果がこれを打ち消す方向ではたらき、その結果として有効ランプ長当たりの渦回転数ＶＲは同じになり、そのため従来の設計と比較して流速Ｕが小さいときの混合強度の低下は少なくなる。有効ランプ長当たりの渦回転数ＶＲと流路内滞留時間Ｔの関係は、次の式で表すことができる。
（８） ＶＲ＝Ｔｆ
Ｔ：流路内滞留時間（ｓ）
ｆ：渦の流れ頻度（Ｈｚ）
ＶＲ：有効ランプ長当たりの渦回転数
（９） Ｔ＝有効ランプ長／Ｕ
有効ランプ長：ランプの長さ（ｍ）
Ｕ：流速
デルタ翼９を横切る際の圧力降下の予測値は次の式を用いて計算した。
【００１９】
（１０）Ｄp＝ＣDｒＵ2Ａwing／（２Ａflow）
ＣD：抗力係数（式１）
ｒ：流体の密度（ｋｇ／ｍ3）
Ｕ：流速（ｍ／ｓ）
Ａwing：翼面積（ｍ2）
Ａflow：流れ室面積（m2）
Ｄｐ：圧力降下（Ｐａ）
【００２０】
表１および図１１は、アスペクト比が１である本発明のデルタ翼９について、アタック角θを４０度までの範囲で変え、流速Ｕをある範囲で変えて行ったテストの結果を示す。実際のテストの結果と予測値とを比較してみると、この理論的なモデルが望ましい操作範囲におけるデルタ翼の性能を正確に予測していることがわかる。表２は、流路７中に２枚のデルタ翼９が存在する場合に生じる圧力降下は翼が１枚だけのときの理論値の２倍に等しくはないことを示す。圧力降下が予測される値よりも大きいのは、おそらく２枚のデルタ翼から生じる渦の相互作用によると思われる。結果として、４枚のデルタ翼９を含む系全体の圧力降下は翼が１枚だけの場合に期待される圧力降下の約５倍になると予想される。表３は大きなアタック角（少なくとも４０度）でデルタ翼について行ったテストの結果を示す。
【００２１】
表１
試験デルタ翼についての実験的観測
ΔＰゼロの読み＝１３．０ｍｍＨ2Ｏ
ΔＰの乗数＝０．０５
電圧計ゼロの読み＝０．００７Ｖ
温度＝２４度
密度＝１．１９１１ｋｇ／ｍ3
最小二乗法（図９）より、サポートスタンド及び開放流路の圧力降下は０．１９８ｍｍＨ2Ｏに等しい。
【表１】
Figure 0004664496
【００２２】
表２
一対の試験デルタ翼に対する実験的観測
ΔＰゼロの読み＝１４．９ｍｍＨ２Ｏ
ΔＰの乗数＝０．０５
電圧計ゼロの読み＝０．００５Ｖ
温度＝２４度
密度（空気）＝１．９１１ｋｇ／ｍ３
一対のデルタ翼はいずれも後端を１９．０５ミリメートル離して付着角１５度に設定し、試験時に実際の操作条件をシミュレートするようにした。
【表２】
Figure 0004664496
【００２３】
表３
大きな付着角をもつ試験デルタ翼に対する実験的観測
ΔＰゼロの読み＝１４．２ｍｍＨ２Ｏ
ΔＰの乗数＝０．０５
電圧計ゼロの読み＝０．０１１１Ｖ
温度＝摂氏２４度
密度＝１．１９１１ｋｇ／ｍ３
【表３】
Figure 0004664496
デルタ翼流れの可視化
アタック角 流速 記事
４０ ４．２７ デルタ翼の末端で渦崩壊が生じた模様
この点で激烈な鞭打ち挙動
５０ ４．２１ デルタ翼長の２／５で渦崩壊が生じた模様
この点で激烈な鞭打ち挙動
【００２４】
テストの結果、ランプチューブ１３又はスペーサ６１本当たりデルタ翼９を４枚備え、全体で８列の渦１０をつくりだす本発明の好適な態様においては、デルタ翼９の最適設計は以下の仕様となった。
根翼弦ｃ＝１８．７２センチメートル
翼幅ｂ＝９．３６０センチメートル
前端斜角＝４５度（図８ｂ）
アタック角θ＝２０度
現在の時点における好適な態様を添付の図面に即して説明してきたが、本発明は特許請求の範囲内において他の態様をもとりうるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好適な態様である紫外線殺菌装置の斜視図である。
【図２ａ】 本発明のデルタ翼の断面図である。
【図２ｂ】 本発明のデルタ翼の斜視図である。
【図３】 本発明で使用できる正方配列流れの一例の断面を示す。
【図４】 本発明で使用できる正方配列流れの一例の断面を示す。
【図５】 本発明で使用できる正方配列流れの一例の断面を示す。
【図６】 変法である三角配列の断面を示す。
【図７】 デルタ翼のアタック角がデルタ翼の抗力係数に与える影響を示す。
【図８ａ】 デルタ翼のアスペクト比及びアタック角がデルタ翼によってつくられる渦の安定性に与える影響を示す。
【図８ｂ】 デルタ翼のアスペクト比及びアタック角がデルタ翼によってつくられる渦の安定性に与える影響を示す。
【図９】 渦中心線の水平位置とデルタ翼のアスペクト比との関係を示す。
【図１０】 ストローハル数とデルタ翼のアタック角との関係を示す。
【図１１】 デルタ翼を横切る際の圧力降下を流速の関数として示す。
【符号の説明】
１ 流体混合装置（ＵＶ殺菌装置）
２ フレーム
３ 有節アーム
４ 流体
５ ランプ
６ スペーサモジュール
７ 流路
８ エアシリンダ
９ デルタ翼
１０ 渦（特に反対方向にまわるものを表す）
１１ 渦の中心線
１２ デルタ翼の末端
１３ チューブ
１４ 渦（特に同一方向にまわるものを表す）

Claims (9)

  1. 流体系を流れる少なくとも一つの流体を混合するための装置において、
    Ａ．少なくとも一つの次元に伸びたチューブ部材であって、前記伸びたチューブ部材の一つの軸が前記流体流れの方向に配されているものを各々有し、かつ、それぞれのチューブ部材が間隔をあけて配されている、チューブ部材の配列と、
    Ｂ．前記チューブ部材に対し上流域にまたは隣接して対をなして設けられ、かつ、前記流体流れの方向に配された、複数のデルタ翼と
    からなり、
    少なくとも一つの前記デルタ翼の形状及び向きは、前記流体流れと相互作用して前記流体流れの方向に沿って配された軸について回転する少なくとも一つの渦を前記流体中に生じるように定められていることからなる装置。
  2. 前記デルタ翼が、三角形状に形作られており、前記流体流れの方向にある角度で傾斜していて、かつ、前記形作られかつ傾斜しているデルタ翼により一対の渦が生じて、前記一対の渦が互いに反対の方向で回転する請求項１に記載の装置。
  3. 少なくとも二対の渦が生じて、一方の一対の渦の各々が同じ方向で回転し、他方の一対の渦が互いに反対の方向で回転する請求項１に記載の装置。
  4. 前記配列が均一である請求項１に記載の装置。
  5. 前記チューブ部材の軸が、正方配列で配置されているものである請求項１に記載の装置。
  6. 一対の前記デルタ翼の各々の角度が等しい大きさであり、かつ、前記一対のデルタ翼が互いに逆向きのアタック角を持つ請求項２に記載の装置。
  7. 前記チューブ部材が紫外線を発生するランプを有する、請求項１に記載の装置。
  8. ４つの前記デルタ翼が、前記チューブ部材の各々に隣接する８つの渦を発生させるために設けられており、
    根翼弦＝１８．７２センチメートル
    翼幅＝９．３６０センチメートル
    前端斜角＝４５度
    アタック角＝２０度
    であり、前記チューブ１本当たりデルタ翼を４枚備える、請求項１に記載の装置。
  9. 少なくとも３つの前記チューブ部材の軸が、三角形状で配置されている請求項１に記載の装置。
JP2000511580A 1997-09-19 1998-09-21 流体中の改良された混合方法および装置 Expired - Lifetime JP4664496B2 (ja)

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