JP4875155B2 - 通過流方向に流れの渦を発生させるための羽根対を有する静止ミキサ - Google Patents

Description

本発明は、特許請求の範囲第１項前文に記載された、通過流方向に流れの渦を発生させるための少なくとも１対の羽根を有する静止ミキサに関するものである。この羽根対は、渦を生じさせる静止混合部材である。流路内、特に長方形の流路内に、断面を互いに隣接して配置された前記単数又は複数の羽根対が、渦発生静止ミキサを形成している。通例、複数羽根対が、１「段」に互いに隣接して配置されるが、２「段」以上に互いに隣接かつ上下に格子状に配置することもできる。

２次流体は、例えば、渦発生静止混合部材を用いて１次流体に混入される。これに関連して、１次流体は窒素酸化物を含有する廃ガスの場合があり、その場合には、脱窒素作業がＤｅＮＯＸプラント内で触媒により行われ、２次流体はアンモニア、又はアンモニア／空気の混合物形式で添加物として計量される。１次流体への２次流体の混入では、必要とされる均等な混合が、ＤＥ−Ａ−１９５ ３９ ９２３ Ｃ１による公知の装置、すなわち通過流用静止ミキサを使用して小さい圧力損で達成できる。もっぱら温度及び／又は濃度が均衡した形での均等化も、渦発生静止混合部材によって達成できる。

前記公知装置では、少なくとも２つの渦発生面羽根が流体の通過する流路内に配置され、これによって通過流方向、つまり主な流れ方向での渦発生が助成される。羽根の前側の前縁部は、主な流れ方向に対し直角の、流路高さ（短尺側）と平行な管に固定取付けされている。この取付け管は、流路の底壁と上壁とを結合している。添加物の計量手段は取付け管に組込むことができる。取付け管内へ供給される２次流体は、複数ノズルによって１次流体内へ分配される。２つの羽根は、互いにずらされて配置され、Ｖ字形に取付け管に固定されている。２つの羽根は、前縁部から下流へ向って、前側が凹面となるように反対方向に湾曲している。流れの主方向に沿った羽根の断面は、長手方向に延びが可変かつ整合性が可変である。この特殊な形状によって、渦が通過流内に形成され、この渦が１次渦流の形式で全流路高さにわたって混合作用を引き起こす。

以上見たように、羽根が板金の薄壁で形成されている解決策は、発電所のＤｅＮＯＸプラント、廃棄物焼却プラント、ＤＥ １９５ ３９ ９２３ Ｃ１に示された類似設備で普通用いられている類の数メートルの範囲の特に大型ミキサには、技術的に使用不可能である。それには幾つかの理由があるが、一つには、それらの羽根が極めて変形しやすいため、特定の寸法通りに製造することがほとんど不可能だからである。大型の流路内での、例えば煙道ガス流路内での、その種のミキサの運搬、特に組立ては、通常、不十分な条件下の建設現場で行われるので、費用のかかる準備措置が要求される。加えて、材料強度の計算から分かったことは、このような軟質構造を使用する場合、作業中に高速の流れ媒体と大きな乱流に曝される羽根が振動しがちなことである。この振動は、重大な損傷を生じさせる恐れがあるため、何としても避けねばならない。

先行技術に関わるこのような問題を解決するために、先行技術では、羽根を板金の厚壁で作らねばならなかった。だが、このことは、板金壁が数ミリメートル厚であることを意味する。この板金壁厚では、多くの製造上の問題が引き起こされるが、それは、所要の寸法及び幾何形状での厚壁の板金が機械式には殆ど加工不可能、特にロール成形不可能なためである。考慮を要する別の欠点は、板金厚壁の羽根の場合、特に羽根長さが１メートル以上の場合は、材料消費量が大きいことである。他方、材料消費量が大きければ、大型の煙道ガス流路内にミキサを組付ける場合、静止ミキサの重量が大きくなる。煙道ガス流路は、通例、板金の薄壁で形成され、結果として、そのような板金の薄壁は支持機能が限られている。重量のあるミキサを組付ける場合には、煙道ガス流路を複雑な付加的支持構造物で補強せねばならない。

ＤＥ １９５ ３９ ９２３ Ｃ１には、先行技術による羽根に剛度を付加することが可能な、しかしそれ自体不十分な追加措置が示されている。その有利な実施例の場合、取付け管に対し直角のガセット板が、羽根対の２つの面を結合している。ガセット板は、空気力学的な安定性と機械的な安定性の両方を得るのに役立っている。しかし、大きい横断面の煙道ガス流路の場合、羽根に剛度を付加することは不適当である。なぜなら、ガセット板の反対側に位置する羽根の自由側縁部は、この措置では剛度が増さないため、以下で述べるように煙道ガス流の持続により誘発される渦のために、望ましくない振動を生じる。

複数の羽根対は、相応数の１次渦流を発生させ、これらの渦流により、添加剤を流路全横断面にわたってくまなく混入させることができる。これと関連して、基本的に重要となるのは、１次渦流の各回転方向である。等方向に回転する隣接渦流が合流して１つの回転体となり、この回転体が、これらの渦を含む羽根対の作用範囲にわたって広がる。複数渦流が反対方向を有する場合、個々の混合域での混合成績は高くなるが、全体的な混合成績は低下する。その場合、付加的案内部材（ＤＥ−Ａ−１９５ ３９ ９２３参照）によって隣接渦流間で混合がつながるようにすることで、全体の混合を改善することができる。
１次渦流に加えて、２次渦流が、取付け管の背方と面羽根の自由縁部のところとに発生する。これらの２次渦流は、明らかに局所的な混合に寄与はするが、圧力損失を生じさせ、かつ望ましくない振動を発生させる。２次渦流の発生が少なくとも部分的に防止されれば、好都合だろう。

本発明の目的は、圧力損失及び振動発生の点で改善された渦発生式静止ミキサを提供することである。

この目的は、特許請求の範囲第１項に記載された手段により達成された。
この静止ミキサは、通過流方向に渦流を発生させるための少なくとも１対の羽根を含んでいる。羽根の前縁は、通過流に対し直角であり、流路の短尺側と平行である。以下、この短尺側を簡単に高さと呼ぶことにする。前縁部から下流方向に続く、流れの当る面は、凹状に湾曲し、反対方向に向いている。各羽根は、空気力学的に設計された体部として形成され、該体部は、端壁と、凸状の側壁と、凹状の側壁とを含んでいる。端壁は、凸状又は前縁の形状を有している。側壁に対し直角の羽根の断面は、特に、航空機の翼の断面に似た形状を有している。
従属請求項２から請求項１０には、本発明によるミキサの複数好適実施例が記載されている。
以下で、図面を参照して本発明を説明する。

図１‐図４に示した本発明のミキサ１は、混合部材２として少なくとも１対の羽根を含み、該混合部材により、通過流３の方向に向いた軸線を有する、流れの渦３００が、流路１０内で通過流３内に発生させられる。流路１０の上壁１０ａと底壁１０ｂとにより、流路１０の高さが規定されている。羽根対２は、第１の羽根２ａと第２の羽根２ｂとを含んでいる。羽根２ａ，２ｂの前縁は、通過流３と直角かつ流路１０の高さと平行である。羽根２ａ，２ｂは、各々、流れが当る面、つまり羽根壁２２を有し、該羽根壁が、前縁から下流に延び、かつ凹状に湾曲し、互いに反対方向を向いている。流路１０の軸線は、通過流３の主方向３０（図３）を規定し、渦３００は、この方向に面している。

本発明によれば、各羽根２ａ，２ｂは、空気力学的に設計された体部として作られ、該体部が、端壁２０、凸状側壁２１、凹状側壁２２を含んでいる。各壁２０，２１，２２に対し横方向の羽根断面は、整合性が可変で、長手方向に延在している。これらの断面は、特に、航空機の翼の断面に似た形状を有している。羽根断面の整合性は、図３に示すように、角度αと角度βとの間で変化している。その場合、角度αは角度βより小さいのが好ましい。凸状の端壁２０は、図示（図４）の実施例では、細長の円筒２０´又は管２３である。ガセット２６（図１）は羽根対２の機械的安定性を改善する。端壁２０は、図示の実施例では凸状だが、塵埃の粒子が付着不可能の、又は極めて限られた程度しか付着できない特定の前縁を形成するように付形することもできる。

混合部材２の羽根２ａ，２ｂは、軽量構造物形式で体部が形成され、特に中空体に形成されている。羽根２ａ，２ｂの側壁は、薄板金製であるのが好ましい。その厚さは、例えば１ｍｍだが、更に薄く、例えば０．５ｍｍでもよい。安定化用の結合部材、例えば波形板金ストリップ２４（図４）、発泡体（図示せず）、支柱が、側壁２ａ，２ｂの内面間に配置されている。図１には、支柱が破線２７で示されている。

羽根２ａ，２ｂは、１ｍ（又はそれ以上）の羽根高さで、１‐１０Ｈｚの範囲内の周波数を有する自然振動を生じないように、軽量構造物として作ることができる。通過流３が、この範囲外の自然振動を励起することはない。特に、いわゆるはためき振動（ｆｌａｇ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）を励起することはない。（「はためき振動」とは、風に旗がはためく動きに比較可能な、流れに誘発される振動を言う）。羽根が空気力学的に設計されているため、流体の流入時、通過流３は、羽根間の流れ断面が連続的に減少する静止混合部材区域へ流入する。これに関連し、流れの運動エネルギーの増大に対応して、圧力が降下する。流れ断面は、引き続きディフューザー状に拡大してゆく。これに関連して、圧力は再び上昇するが、運動エネルギーの著しい散逸は生じない。散逸の減少は、はためき振動を励起しない弱い２次渦流のみが形成されることを意味する。羽根２ａ，２ｂが軽量構造物で補強されることによる機械的特性の変化により、励起される振動も、完全に生じなくなるか、又は少なくとも、より高い、したがって非臨界的な周波数の振動に移行する。

引用したＤＥ−Ａ−１９５ ３９ ９２３では、混合部材の可能な構造形式を得るため、薄壁の体部、特に板金製又はプラスチック製の体部の使用が提案されている。この実施例は、ＤｅＮＯＸプラントで使用されることの多い大型ミキサ構造（流路高さ１ｍ又は２ｍ以上）には、強度及び安定性上の要求から見て不適である。この問題は、本発明によるミキサ１の混合部材２によって解決された。
羽根表面に沿って流れ区域に悪影響を与えるような、又は塵埃が付着してミキサ１の動作を妨害するような外側取付式の補強構造物、例えばリブ等は、不要である。

添加物の計量は、公知の形式で配量グリッドにより行うことができる。該配量グリッドは、流路１０内の混合部材２の前方に配置できる。しかし、添加物の計量手段は、既にＤＥ−Ａ−１９５ ３９ ９２３に記載されているように、混合部材２に組込むことで、大幅に費用が節減される。羽根の基部に直接にノズルを設けたこの公知形式の添加物計量手段より好都合な形式は、吐出口に各々添加物の送入部（ｉｎｆｅｅｄ）を備え、この送入部の向きが流れ方向に対向するか、又は流れ方向に対し横方向に向くようにすることである。この措置の結果、混合効率が高まるだけでなく、送入部が、不一様な流入流に対して敏感でなくなる。端壁２０の開口４２、又は端壁２０近くの側面の開口４２は、したがって、組込まれた添加物計量手段の吐出口として構成される。

これらの開口４２は、ノズル、孔、レーザーにより作られたオリフィスのいずれかであり、例えば円形、長方形、スリット状のいずれかにすることができる。計量を要する添加物は２次流体４（図１）であり、この２次流体が、通過流３により形成される１次流体に混入される。開口４２は、各々、２次流体４の送入部の向き４０を規定し、送入部の向きは、流れの主方向３０に対し吐出角度σをなしている。この吐出角度σの好適値は、６０°‐１７０°、好ましくは１２０°‐１５０°である。モデル計算を伴うＣＦＤ（コンピュータによる流体動力学）研究で得られた吐出角度σの最適値は１４２．５°である。組込まれた添加物計量手段には、また側壁２１，２２内に配置される２次流体４用の開口も含めることができる。

添加物を計量する開口４２は、モデル計算又は試算に対して理論的又は経験的に最適化された複数レベルに間隔をおいて設けられている。これらの開口は、例えば、対の形式で、特に、渦３００の軸線に関して対称的に配置される。しかし、通例、開口４２のすべて又は大半は、異なるレベルに配置され、これらのレベルは異なる間隔を有することができる。
開口４２は添加物用の給送経路に接続できるが、添加物が羽根区域の中空体部へ直接に送られようにすることも可能である。
特に好ましい実施例では、ＤＥ−Ａ−１９５ ３９ ９２３により公知のように、羽根対２の側壁２１，２２が、管に対し直角のガセット板（図示せず）によって結合される。ガセット板が直線状の辺を有する３角形の場合、縁部が凹状側壁２２を超えて突出する。このガセット板の突出縁部により混合効率が改善され、しかも圧力損失が増すことがない。

羽根の側壁２１，２２は、少なくとも部分的に金属及び／又はセラミック及び／又はプラスチックで作られる。金属製の混合部材２は、セラミック材料又はプラスチックで被覆されている。
本発明によるミキサの使用が特に好ましいのは、流路１０の高さ（短尺側）が０．５ｍを超える場合、好ましくは１ｍを超える場合である。１段に配置された混合部材２（羽根対）は、流路１０の高さを超えて延びるのが好ましい。その場合、混合部材２の数は、結果として、流路の幅／高さの商に事実上等しい。この数の通常の値は、２個‐８個の範囲である。混合部材２の数に応じて−多少の差はあれ効率的な−多くの異なる構成が得られることで、例えば、あらゆる混合部材２が交互の方向に回転するか又は等方向に回転する結果が得られる。したがって、或る状況で初期条件として与えられた温度又は濃度の不一様な分布を結果する対象があれば、それに即して、混合部材２の構成を最適化することが可能である。羽根対２は、また１「段」ではなく、２「段」以上に配置することもできる。これらの「段」は、通例、互いに壁部で隔てられてはいない。

本発明によるミキサ。 図１のミキサの羽根対を幾分単純化して示した図。 図２の羽根対の透視図。 羽根の断面図。

符号の説明

２ 混合部材、羽根対
２ａ 第１の羽根
２ｂ 第２の羽根
３ 通過流
４ 添加物
１０ 流路
１０ａ 流路上壁
１０ｂ 流路下壁
２０ 端壁
２１ 凸状側壁
２２ 凹状側壁
２２ 羽根壁
２３ 管
２４ ストリップ
２６ ガセット
２７ 破線
３０ 主な流れ方向
４２ 開口
３００ 渦

Claims (13)

1. 通過流（３）の方向（３０）に流れの渦（３００）を発生させるための少なくとも１対の羽根（２；２ａ，２ｂ）を含む静止ミキサ（１）であって、少なくとも２つの羽根を有し、しかも各羽根（２ａ，２ｂ）が、端壁（２０）と、凸状側壁（２１）と、凹状側壁（２２）とを含む形式のものにおいて、
   前記羽根対（２）の羽根（２ａ，２ｂ）の端壁（２０）が形成する前縁が通過流に対し直角に延び、かつまた前縁から下流に続く、流れの当る複数の羽根側面が、相対するそれぞれの方向に湾曲し、羽根（２ａ，２ｂ）が中空の体部を形成していることを特徴とする、静止ミキサ。
2. 前記羽根（２ａ，２ｂ）の側壁（２１，２２）が、薄板金製であり、安定化用の結合部材が側壁の両内面間に配置される、請求項１に記載された静止ミキサ。
3. 前記結合部材が、柱状物、波形金属ストリップ（２４）、発泡体のいずれかで形成されることを特徴とする、請求項２に記載された静止ミキサ。
4. 前記薄板金が、０．５‐１ｍｍの厚さを有する、請求項２に記載された静止ミキサ。
5. 組込まれた添加物計量手段の複数開口（４２）が、羽根壁（２０，２１，２２）に設けられており、複数開口（４２）を通って計量される添加物（４）が、通過流（３）を形成する１次流体内へ混入される２次流体であることを特徴とする、請求項１に記載された静止ミキサ。
6. 複数開口（４２）がノズル又は穴として形成される、請求項５に記載された静止ミキサ。
7. 前記開口（４２）が、端壁（２０）又は端壁近くの側壁に設けられており、ガセット板が羽根対の側壁と側壁とを結合し、凹状の側壁から突出することで混合効率を改善することを特徴とする、請求項６に記載された静止ミキサ。
8. 前記開口（４２）が２次流体の送入方向（４０）を規定し、該送入方向が、流れの主方向（３０）に対する吐出角度（σ）を規定し、これらの吐出角度が、６０°‐１７０°の範囲の値であることを特徴とする、請求項５に記載された静止ミキサ。
9. 前記開口（４２）が２次流体の送入方向（４０）を規定し、該送入方向が、流れの主方向（３０）に対する吐出角度（σ）を規定し、これらの吐出角度が、１２０°‐１５０°の範囲の値であることを特徴とする、請求項５に記載された静止ミキサ。
10. 前記開口（４２）が、間隔をおいて配置されることを特徴とする、請求項７に記載された静止ミキサ。
11. 前記羽根壁（２１，２２）が、少なくとも部分的に金属及び又はセラミック及び／又はプラスチックで作られることを特徴とする、請求項１に記載された静止ミキサ。
12. 前記羽根対（２）を収容する流路（１０）の短尺側が０．５ｍを超え、かつまた複数羽根対（２）が１段に配置されるか、又は２段以上に配置されることを特徴とする、請求項１に記載された静止ミキサ。
13. 前記羽根対（２）を収容する流路（１０）の短尺側が１ｍを超え、かつまた複数羽根対（２）が１段に配置されるか、又は複数羽根対が２段以上に配置されることを特徴とする、請求項１に記載された静止ミキサ。

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