JP4690836B2 - 高温流体と低温流体を混合させる配管構造 - Google Patents

Description

本発明は火力及び原子力プラントの配管に係り、特に、高温流体と低温流体を混合させる配管に生じる壁の温度差に起因する熱応力の発生を抑制し、かつ、流体の流れの変動等にも対応可能な配管構造に関する。

従来技術における混合流体の配管構造例を図７に示す（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１によると、本体管１内に内筒２を設置し、内筒２の外側に切欠きバッフル３を設けることで、内筒２の外側を介して、低温流体ｂが２重管内を直交して流れるようにするとともに（図７に示す点線の流れを参照）、高温流体ａを内筒２の内側を流れるようにして、高温流体ａと低温流体ｂの混合部での温度差を小さくし、配管混合部の壁温度差を小さくすることで、材料に発生する熱応力を低減するものである。

図７に示す従来構造は、内筒２を設けることで、高温流体ａと低温流体ｂに流量変動等があっても両流体の混合部での局部的な逆流域が形成されず、圧力損失を増大させずに、両流体を混合することが可能である。
特開平６−２５８４９０号公報

しかしながら、図７に示すような従来技術では、本体管１内にバッフル３を設置する必要があるため、経時的な材料の劣化や内筒２に生じる熱応力等によって、バッフル３が内筒２から欠落することに対する配慮が必要である。すなわち、欠落したバッフル３が下流側の装置へ流入する可能性があり、また、バッフル３が欠落すると本来の作用が得られなくなるので管壁に温度差を生じ、熱応力により管が破損する可能性がある。また、流体内に含まれる異物等により部分的な閉塞を生じる可能性もある。

したがって、長期間の安定運転を前提とする火力プラントや原子力プラントへの適用は信頼性の面で心配があった。

本発明の課題は、配管内にバッフルを設置する等の複雑な構造を必要とせず、経時的な材料の劣化や熱応力等によるバッフルの欠落等の影響がなく、火力プラントや原子力プラントに適用する場合に信頼性の高い配管構造を提供することにある。

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。
高温流体と低温流体とを合流させる配管構造において、
前記高温流体と前記低温流体とを混合させる配管は、本体管内に内筒を設置する２重管構造であり、前記配管は火力プラント又は原子力プラントに適用されるものであり、前記合流して混合された混合流体は、その比重量が前記高温流体の比重量の５〜６倍となるものであり、前記内筒の内側に高温流体を流し、前記内筒外側と前記本体管内壁との間に低温流体を流し、前記内筒の出口部よりも下流側で前記本体管に絞り部を設け、前記絞り部の径を前記内筒の径よりも小さくし、前記絞り部での前記混合流体の通過速度を前記内筒を通過する高温流体の通過速度とほぼ同じにする構成である。

また、前記配管構造において、前記内筒の出口部から前記絞り部までの距離を前記本体管の内径の３倍以内とする構成とする。

本発明によると、内筒による２重管構造を採用することで、高温流体と低温流体の混合部での温度差を小さくし、配管混合部の壁温度差を小さくすることで、材料に発生する熱応力を低減できるとともに、さらに、本体管内に複雑な構造物を設置することなく、高温流体と低温流体の流量変動等の影響を受けずに、両流体を混合することが可能であり、長期間の安定運転を前提とする火力プラントや原子力プラントへの適用が可能である。

本発明の実施形態に係る高温流体と低温流体を混合させる配管構造について、図１〜図６を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係る高温流体と低温流体を混合させる配管構造の第１の構成例を示す図である。図２は本実施形態に係る配管に流れる高温流体と低温流体における温度と比重量との関係を示す図である。図３は本実施形態に係る配管構造における絞り部の配置と流体流速との関係を示す図である。図４は本実施形態に係る配管構造の第２の構成例を示す図である。図５は本実施形態に係る配管構造の第３の構成例を示す図である。図６は従来技術の配管構造における高温流体と低温流体の混合状況を説明する図である。

図面において、１は本体管、２は内筒、４は絞り部、５はレデューサ、ａは高温流体、ｂは低温流体、をそれぞれ表す。

図１の（１）において、上部から高温流体ａ（例えば４００℃）、側面から低温流体ｂ（例えば１５０℃）が流入する構造となっている。本体管１の内部には内筒２が設置され、高温流体ａと低温流体ｂが流入部で直接接触しない構造となっている。低温流体ｂは、内筒２と本体管１の間の狭小領域を通過し、内筒２を介して高温流体ａとの熱交換を行い、温度が上昇する。

一方、高温流体ａは内筒２の内側を流通し、内筒２を介して低温流体ｂと熱交換を行い、温度が低下する。この際、内筒２の内面及び外面の熱伝達率が小さいため、内筒２の出口部までで両流体の温度が同一になることはなく、内筒２の出口部では両流体には温度差がある。ただし、本体管１の壁の温度差は材料の熱変形を生じるほど大きくはない。

図１に示す本実施形態における第１の構成例の動作、作用を説明すると、本体管１の内部に設置した内筒２の作用により、本体管１の壁面に生じる温度差は流れ方向に沿って小さくなり、内筒出口部では許容温度差以下となる。これは、低温流体ｂが本体管の壁側に沿って流れ、中央部を高温流体ａが流れているためである。内筒２を出た高温流体ａと低温流体ｂは熱交換を行い温度が均一化する。

その際に、図２に示すように高温流体ａ側の温度が変化（低下）することで、比重量が急激に増加して、この結果、流速が大幅に低下する。高温流体ａと低温流体ｂの質量流量が同一である場合、図２に示すように、混合流体の比重量が高温流体の５〜６倍となるため、混合流体の流速は高温流体の流速の２／５〜１／３に低下する。

そこで、本実施形態における第１の構成例では、内筒２の出口部に絞り部４を設け、その絞り部４の径を内筒２の径の２／５（具体的な実験例示）とした（絞り部の径を内筒の径よりも小さくすることでよい）。よって、絞り部４での混同流体の通過速度は内筒２を通過する高温流体ａの通過速度とほぼ同じになる。

ここで、高温流体と低温流体の混合状況について説明する。超臨界圧力下にある高温流体は温度に依存して比重量が大きく変化し、低温流体と混合した領域の比重量が急激に増加する（図２を参照）。配管内の容積は一定で、局部的に比重量が増加すると、その領域の流速が極端に低下する。高温流体と低温流体の流れに変動がない場合や本体管内に設置した内筒に変形等がなければ特に問題はないが、流体の流れが変動している場合や経時的に内筒が変形した場合には、流速の遅い領域が管壁側に移動するため、管内に局部的な逆流域が形成され、圧力損失が増大する。さらに、温度の高い流体が管壁側に偏るため、管壁に温度差が発生し、熱応力により管が変形、破損する恐れがある。

図６を参照しながら、高温流体と低温流体の混合状況を再度説明すると、流体の流量が変動する場合や内筒２に熱変形等を生じた場合には（図６では内筒の熱変形の場合を例示している）、特に、低温流体ｂ側の流れが不均一になり、高温流体における低温流体との混合による比重量増加に伴う低流速域が、図６に示すように、本体管１中央部から壁側に移動する。この低流速域とこれに隣接して形成された高流速域との間には局部的に逆流領域が形成され、圧力損失が増加すると共に管壁に温度差が生じ、熱応力により管が熱変形する。

本実施形態における第１の構成例では、図１の（２）に示すように、流体の流量が変動する場合や内筒２に熱変形等を生じた場合であっても、常に絞り部４で両流体（高温流体と低温流体）を混合させることができ、かつ、絞り構造により流速の低下を抑制できるため（絞り部で断面積を縮小することで低流速域形成を回避できるため）、局部的な逆流領域を生じることがない。ここにおいて、絞り部４を設置しない場合、図３に示すように、内筒出口からの距離が本体管内径の３倍以上で高温流体と低温流体が完全に混合し、低流速域を形成するため、絞り部４は内筒２出口からの距離が本体管内径の３倍以内の範囲に設置することが望ましい。すなわち、内筒出口から絞り部までの距離を本体管内径の３倍以内にして低流速域になることを避け、管内での高温流体と低温流体の混合及び比重量の急激な変化を防止できる。

本実施形態では、流体が不均一に流れた場合や内筒に変形を生じた場合であっても、絞り部での断面積縮小によって、比重量増加による速度低下を回避できるため、管内に逆流域を形成することなく、圧力損失が増大することがない。また、管壁近傍への低流速領域及び逆流域の形成を防止できるため、配管に温度差を生じることがない。

また、本実施形態における第２の構成例によると、図４に示すように、絞り構造として配管の内径を緩やかに変更する（図示するように、徐々に縮小、平坦、拡大する）レデューサを用いており、絞り部での圧力損失を低減可能である。また、本実施形態における第３の構成例は、図５に示すように、低温流体ｂの流入配管を複数本とするものである（絞り部の構造は図５の例に限らず、図４に示すレデューサであってもよい）。

本発明の実施形態に係る高温流体と低温流体を混合させる配管構造の第１の構成例を示す図である。 本実施形態に係る配管に流れる高温流体と低温流体における温度と比重量との関係を示す図である。 本実施形態に係る配管構造における絞り部の配置と流体流速との関係を示す図である。 本実施形態に係る配管構造の第２の構成例を示す図である。 本実施形態に係る配管構造の第３の構成例を示す図である。 従来技術の配管構造における高温流体と低温流体の混合状況を説明する図である。 従来技術に関する混合流体の配管構造を示す図である。

符号の説明

１ 本体管
２ 内筒
３ バッフル
４ 絞り部
５ レデューサ
ａ 高温流体
ｂ 低温流体

Claims (5)

1. 高温流体と低温流体とを合流させる配管構造において、
   前記高温流体と前記低温流体とを混合させる配管は、本体管内に内筒を設置する２重管構造であり、
   前記配管は火力プラント又は原子力プラントに適用されるものであり、前記合流して混合された混合流体は、その比重量が前記高温流体の比重量の５〜６倍となるものであり、
   前記内筒の内側に高温流体を流し、前記内筒外側と前記本体管内壁との間に低温流体を流し、
   前記内筒の出口部よりも下流側で前記本体管に絞り部を設け、前記絞り部の径を前記内筒の径よりも小さくし、
   前記絞り部での前記混合流体の通過速度を前記内筒を通過する高温流体の通過速度とほぼ同じにする
   ことを特徴とする配管構造。
2. 請求項１において、
   前記絞り部は、配管の内径を徐々に縮小・拡大するレデューサであることを特徴とする配管構造。
3. 請求項１又は２において、
   前記内筒の出口部から前記絞り部までの距離を前記本体管の内径の３倍以内とすることを特徴とする配管構造。
4. 請求項１、２又は３において、
   前記低温流体の配管への流入口を複数設けることを特徴とする配管構造。
5. 請求項１において、
   前記絞り部の径を内筒の径の２／５とすることを特徴とする配管構造。

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