JP5509981B2 - 流体混合方法及び流体混合装置 - Google Patents
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このような熱量調整方法として、例えば特開昭63−265994号公報(特許文献1)には、気化した天然ガスをベンチュリ型の液・ガスミキサーに供給し、ベンチュリ管で発生する高速流れおよび低圧を利用して、ベンチュリ管に液体の状態で供給される熱量調整剤を微粒化・蒸発・混合させる技術が開示されている。
しかしながら、特許文献2においては、絞り部材を軸方向に移動させるための駆動方法が開示されていない。また、仮に駆動源が流路外にあるとすると、駆動軸が流路外へ貫通することになり、頻繁に可動する面をシールすることになるため、流体が可燃性であったり危険物であったりする場合には漏洩の問題が生ずる。
また、特許文献4、5においても同様に、ガス流量の変動には対応可能であるものの、駆動源としてのモータをガス流路内に配設しているため、構造が複雑になる上に、駆動エネルギーを必要とし、さらに、モータ部への流体の流入を考慮すると、可燃性や腐食性を有している流体への適用が難しいという問題がある。
さらに、特許文献5に開示されたものにおいては、圧力・温度に基づいて「流量」を制御しているが、流体の混合の観点で重要となるのは、流量の変動に合わせてベンチュリ管のど部の流速を制御することであり、特許文献5のものではこのような制御をすることはできない。
前記主流路よりも流路断面が小さい小径部を有する分岐流路を前記主流路から分岐して設け、該分岐流路の出口側を前記主流路における前記分岐流路の分岐位置よりも下流側に配置し、該分岐流路における前記小径部又はその近傍に該分岐流路の軸線方向に沿うように内管を設けて該内管の内側及び外側に流路が形成される二重管構造にすると共に該内管内に前記第2流体を供給する供給部を設け、前記分岐流路の分岐位置と出口位置との間における前記主流路の流量を調整することにより前記内管内を流れる前記第1流体の流速を、前記第1流体が前記内管に供給された前記第2流体を巻き込んで微粒化するのに必要な流速に保つようにしたことを特徴とするものである。
前記主流管から分岐して設けられ、流路断面が前記主流管よりも小さい小径部を有すると共に出口側を前記主流管における前記分岐位置よりも下流側に接続された分岐管と、該分岐管の前記小径部又はその近傍に該分岐管の軸線方向に沿うように設けられて前記分岐管の小径部又はその近傍を管の内側及び外側に流路が形成される二重管構造にする内管と、該内管内に前記第2流体を供給する供給部と、前記主流管における前記分岐管の分岐部よりも下流側かつ前記分岐管の出口部より上流側に設けられて前記主流管を流れる流量を調整する流量調整弁とを備えたことを特徴とするものである。
前記第1流体の流量が変動した場合でも、前記分岐管には常時、前記第1流体を前記最低流量流し、前記最低流量を超える流量分を前記第2分岐管に流し、さらに前記第2分岐管の流量が所定流量を超えときにその超えた流量分を前記主流管に流すようにしたことを特徴とするものである。
本実施の形態に係る流体混合装置は、LNGを気化した天然ガスにLPGを添加することにより増熱して都市ガスを製造する際に用いられるものである。また、本実施の形態1においては、主流管にベンチュリ管を設置してベンチュリ型混合装置として構成したものである。
また、本実施の形態のベンチュリ型混合装置1においては、分岐管7に、分岐管7を流れる天然ガスの流量を検知する流量検知器13を設けると共に主流管3におけるベンチュリ管5と分岐管が分岐する分岐部の間に流量調整弁15を設け、流量検知器13の検知信号に基づいて流量調整弁15の開度を調整するようにしている。
以下、各構成を詳細に説明する。
LPG供給管11はベンチュリ管5内にLPGを供給するためのものであり、LPG供給場所となる供給部11aは、図1及び図2に示すように、内管12の管壁に配置されている。供給部11aを内管12の管壁に配置することで、分岐管7内管12内を流れる流速が増した天然ガスによって内管12に供給されたLPGが巻き込まれて環状噴霧流となってLPGの微粒化混合が効果的に行われる。環状噴霧流が発生するメカニズムについては後述する。
なお、図1、図2においては、LPG供給管11は内管12に直角に接続されているが、LPG供給管11を出口側に向けて傾斜させて配置するのがより好ましい。このようにすることで、供給部11aから内管12に供給されるLPGが内管12を流れる天然ガスの流れの方向に向って流速を増すことになり、より環状噴霧流が形成しやすくなるからであるLPG流量が増大した場合にも安定した流動状態が得られやすくなる。
分岐管7は、主流管3におけるベンチュリ管5の上流側から分岐して、その出口側がベンチュリ管のど部9もしくはベンチュリ管のど部9よりも上流側に接続されている。
分岐管7の流路断面積は主流管3よりも小径となる部分を有しており、分岐管7の前記小径部分を流れる天然ガスの流速が主流管3を流れる天然ガスの流速よりも速くなるように設定されている。前記小径部分は分岐管7の出口に配設するのが一般的である。
分岐管7出口に配設された小径部における天然ガスの流速を高速にすることで、ここに配置された内管12内に供給されるLPGを巻き込んだ環状噴霧流が発生してLPGの微粒化が促進される。ここで、内管12で発生する環状噴霧流について説明する。
図3(a)に示されるように、管内を流れる液相及び気相はそれぞれの流速によってその流動様式が異なるが、気相の流速が20m/s以上になることで、液相が管壁を環状に流れ、環状になった液相の環内を液を巻き込んで噴霧状になった気相が流れる環状噴霧流(図3(b)右下の図参照)となる。
本実施の形態では、液状のLPGが内管12内に供給されると共に内管12に高速の天然ガスが流れることで、内管12内の流動様式が環状噴霧流となり、LPGが微粒化されて天然ガスへ効果的に混合される。なお、管状流の状態でもLPGの微粒化効果は得られるが、管状噴霧流とすることでその効果をより高めることができる。
供給部11aから内管12に供給されたLPGは、管状噴霧流となって内管12内壁面上に液膜を形成しながら流れる。内管12の外周側にもリング状流路が形成されており、このリング状流路にも天然ガスが流れている。内管12の出口部分において、内管12内壁面上に形成されているLPG液膜は、内管12の管軸方向に液膜状態を保ったまま噴出する。その液膜の内側には内管12内を流れてきた天然ガス流れが存在し、液膜の外側にはリング状流路を流れてきた天然ガス流れが存在する。すなわち、LPG液膜は天然ガスの流れで挟まれる状況となり、LPG液膜は微細な液滴に微粒化されることになる。分岐管7内に内管12を配置した狙いは、上述したように、液膜状となったLPGを天然ガスの流れで挟み込むことによってLPGの微粒化をより促進することにある。
内管12内の天然ガス流速が小さくなると、管状流や管状噴霧流状態を保てなくなり、波状流、スラグ流、気泡流などの流動状態に遷移する。その場合、内管12内での微粒化特性が劣化するのみならず、内管12出口でLPG液膜を天然ガスの流れで挟み込む状態が形成できないため、微粒化性能は急激に低下することになる。
微粒化されてたLPGは、分岐管7を流れる天然ガスと混合され、さらにベンチュリ管5内で主流管から供給される天然ガスと合流し、ベンチュリ管のど部9を通過するときにさらに混合が促進される。
分岐管7における内管12が設けられた部位の管径は、都市ガスの最低流量運転のときにも、分岐管7内管12内を流れる天然ガスの流速が、環状噴霧流発生に必要な流速を保つことができるような径にしておく。
例えば、都市ガス流量の変動範囲が30万Nm3/h〜6千Nm3/hの場合を想定すると、都市ガス流量が最低流量である6千Nm3/hのときには、天然ガスを分岐管7から全量流し、このときの分岐管7における内管12が設けられた部位(分岐管7における小径部)の天然ガス流速が環状噴霧流発生に必要な流速を保つような管径とする。(このとき分岐管7を流れる天然ガス流量は、天然ガス流量として想定される最低流量となる。)
その上で、想定される最低流量分を常に分岐管7に流すようにすれば、制御が簡単で安定したLPGの微粒化・混合が実現できる。以下の説明において、分岐管におけるLPGの微粒化・混合に必要な流速を与える最小流量を所定値Aという場合がある。
なおベンチュリ管のど部9の径は、設計最大流量時の圧力損失が、その適用システムにとって過大とならないように設計しておく。
流量検知器13は、分岐管7に設けられて分岐管7を流れる天然ガスの流量を検知するものである。
なお、流量検知器13に代えて差圧検知器を設け、分岐管7における圧力損失を検知することで、あらかじめ把握しておいた分岐管7における流量と圧力損失の関係から、分岐管7内を流れる天然ガスの流量を検知するようにしてもよい。
流量調整弁15は、主流管3におけるベンチュリ管5と分岐管7の分岐部との間に設けられて、流量検知器13の検知信号に基づいて主流管3を流れる天然ガス流量を調整し、これによって分岐管7を流れる天然ガス流量が予め定めた所定流量になるようにする。
なお、図3(a)に示されるように、管状噴霧流とするための気相流速は液相流速の影響を受ける。このため、LPG供給管11を流れるLPG量を検知する第2の流量検知器を設け、供給LPG量も加味して分岐管7を流れる天然ガスの所定量を算出・設定することも可能である。ただし、第2の流量検知器を必要とし、制御も複雑となるため、実用上はLPG供給量によらず、一定の天然ガス流量(内管12内で例えば20m/sとなる流量)を所定量とすることが簡便である。
次に上記のように構成された本実施の形態に係るベンチュリ型流体混合装置の動作を説明する。
上流側から供給される天然ガスは、分岐部を通過する際に分岐管7にも流れ、分岐管7の出口側において内管12内に供給されるLPGを巻き込んだ環状噴霧流を発生し、LPGの微粒化・混合が行われ、ベンチュリ管のど部9に流入する。他方、主流管3を流れる天然ガスもベンチュリ管のど部9に流入する。したがって、ベンチュリ管のど部9には、分岐管7を経由してLPGが添加された天然ガスと、主流管3からの天然ガスが流入し、ベンチュリ管のど部9を通過の際、さらにLPGの混合が促進される。
そこで、流量検知器13で検知される流量が所定値Aよりも減少したら、流量調整弁15の開度を小さくすることによって分岐管7を流れる天然ガス流量が所定値Aを維持するようにする。
分岐管7を流れる天然ガス流量を所定値A以上に維持することで、分岐管7における流速が維持されLPGの微粒化・混合効果を確保することができる。
そこで、流量検知器13で検知される流量が所定値Bよりも増加したら、流量調整弁15の開度を大きくして主流管3を流れる量を増やし、分岐管7を流れる天然ガス流量が所定値Bになるようにする。ここで、所定値B≧所定値Aの関係にある。
分岐管7を流れる天然ガス流量を所定値A以上B以下にすることで、分岐管7における流速が所定の範囲に維持されLPGの微粒化・混合を十分にすることができると共に圧損の過大な増大を防止することができる。
前述した例と同様、都市ガス流量の変動範囲が30万Nm3/h〜6千Nm3/hの場合を想定すると、都市ガス流量が最低流量である6千Nm3/hのときには、天然ガスを分岐管7から全量、すなわち所定値A(=所定値B)の流量を流す。
都市ガス流量が6千Nm3/hより大きくなった場合には、分岐管7に設置された流量検出器13で計測される流量が所定値Aを保つように流量調整弁15の開度を大きくしていき、天然ガス流量増加分を主流管3から流入させるようにする。すなわち、都市ガス流量が変動しても、分岐管7には常に所定値Aの天然ガス流量が流通するようにする。こうすることにより、分岐管7からへは常に微粒化・混合に必要な流量が供給されるようになる。また主流管3からの速度成分は、ベンチュリ管のど部9における流速をさらに増大させる方向に寄与する。
なお上記において、所定値Aは[都市ガス最低流量時の天然ガス流量(天然ガス最低流量)]であるが、簡易的には[都市ガス最低流量]としてもよい。
また、本実施の形態においては、従来例のようにベンチュリ管のど部9の流路断面積を可動体によって変化させるような構造でなく、構造が単純であり、流路外との摺動部がなく摺動面などに対するシールが不要となり、また別途動力が不要である。
しかも、不純物の混入もなく、可燃性、腐食性、危険性を有する流体への適用が可能になる。
またさらに、外部に駆動源を設ける必要がないので、例えば駆動軸を流路に挿入する必要もない。
図4は本発明の実施の形態2に係るベンチュリ型流体混合装置17を模式的に示す説明図である。図4において、図1と同一部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態のベンチュリ型流体混合装置17は、分岐管7を途中で2つに分岐して、分岐管7a、7bとし、分岐管7aの出口部には実施の形態と同様に内管12を配設し、分岐管7bの出口側端部を、ベンチュリ管流路断面の外周部接線方向、あるいはベンチュリ管5の軸線に対して軸心をずらした交差方向に接続したものである。
分岐管7aには流量検知器13が配設され、また、分岐管7bには流量検知器23および流量調整弁25が配設されている。
前述した例と同様、都市ガス流量の変動範囲が30万Nm3/h〜6千Nm3/hの場合を想定すると、都市ガス流量が最低流量である6千Nm3/hのときには、天然ガスを分岐管7aから全量、すなわち所定値Aの流量を流す。この時、流量調整弁15、流量調整弁25は全閉となっている。
都市ガス流量が6千Nm3/hより大きくなった場合には、分岐管7aに設置された流量検出器13で計測される流量が所定値Aを保つように流量調整弁25の開度を大きくしていき、天然ガス流量増加分を分岐管7bから流入させるようにする。すなわち、都市ガス流量が変動しても、分岐管7aには常に所定値Aの天然ガス流量が流通するようにする。こうすることにより、分岐管7aからは常に微粒化・混合に必要な流量が供給されるようになる。また分岐管7bからの速度成分は、ベンチュリ管5内に旋回流を発生させ、ベンチュリ管のど部9における流速をさらに増大させる方向に寄与する。
さらに都市ガス流量が増大し、分岐管7bに設置された流量検出器23で計測される流量が所定値Cに達した時は、流量検出器23で計測される流量が所定値Cを保つように流量調整弁15の開度を大きくしていき、天然ガス流量増加分を主流管3から流入させるようにする。
また、図4に示す例では、旋回流を発生させる分岐管7bは一本であるが、これを複数本、例えば2本、3本以上にしてベンチュリ管軸方向に並べて接続するようにしてもよい。
またさらに、旋回流を発生させる分岐管を複数本にした場合において、ベンチュリ管周方向に複数接続してもよい。
図5は本発明の実施の形態3に係るベンチュリ型流体混合装置19を模式的に示す説明図である。図5において、図1と同一部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態のベンチュリ型流体混合装置19は、実施の形態1で示した構成に加えて、流量調整弁15とベンチュリ管5との間から分岐する分岐管7cを設け、分岐管7cの端部をベンチュリ管のど部9の下流側に接続したものである。
接続の態様は実施の形態2と同様に旋回流が生ずるように、例えば流路断面の外周部接線方向、あるいはベンチュリ管5の軸線に対して軸心をずらした交差方向とする。
3 主流管
5 ベンチュリ管
7 分岐管
7a、7b、7c 分岐管
9 ベンチュリ管のど部
11 LPG供給管
11a 供給部
12 内管
13、23 流量検出器
15、25 流量調整弁
Claims (10)
- 主流路を流れるガス状の第1流体に、主流路の途中で液状の第2流体を供給することによって両流体を混合する流体の混合方法であって、
前記主流路よりも流路断面が小さい小径部を有する分岐流路を前記主流路から分岐して設け、該分岐流路の出口側を前記主流路における前記分岐流路の分岐位置よりも下流側に配置し、該分岐流路における前記小径部又はその近傍に該分岐流路の軸線方向に沿うように内管を設けて該内管の内側及び外側に流路が形成される二重管構造にすると共に該内管内に前記第2流体を供給する供給部を設け、前記分岐流路の分岐位置と出口位置との間における前記主流路の流量を調整することにより前記内管内を流れる前記第1流体の流速を、前記第1流体が前記内管に供給された前記第2流体を巻き込んで微粒化するのに必要な流速に保つようにしたことを特徴とする流体混合方法。 - 前記内管内を流れる前記第1流体の流速を、前記第1流体が前記内管に供給された前記第2流体を巻き込んで環状噴霧流になるのに必要な流速に保つようにしたことを特徴とする請求項1記載の流体混合方法。
- 前記主流路にベンチュリ管を設け、前記分岐流路の出口側を前記ベンチュリ管のど部またはその上流側に配置したことを特徴とする請求項1又は2記載の流体混合方法。
- 主流管を流れるガス状の第1流体に、主流管の途中で液状の第2流体を供給することによって両流体を混合する流体混合装置であって、
前記主流管から分岐して設けられ、流路断面が前記主流管よりも小さい小径部を有すると共に出口側を前記主流管における前記分岐位置よりも下流側に接続された分岐管と、該分岐管の前記小径部又はその近傍に該分岐管の軸線方向に沿うように設けられて前記分岐管の小径部又はその近傍を管の内側及び外側に流路が形成される二重管構造にする内管と、該内管内に前記第2流体を供給する供給部と、前記主流管における前記分岐管の分岐部よりも下流側かつ前記分岐管の出口部より上流側に設けられて前記主流管を流れる流量を調整する流量調整弁とを備えたことを特徴とする流体混合装置。 - 前記内管を前記分岐管の出口近傍に配置したことを特徴とする請求項4記載の流体混合装置。
- 前記主流管にベンチュリ管を設け、前記分岐管出口を前記ベンチュリ管のど部またはその上流側に配置したことを特徴とする請求項4又は5に記載の流体の混合装置。
- 前記分岐管の小径部の二重管構造になっている部分の流路断面積を、前記第1流体の最低流量として想定される量が流れたときに、前記第1流体が前記内管内を流れる流速が、前記内管に供給された前記第2流体を巻き込んで環状噴霧流になるのに必要な流速を保つことができる大きさに設定したことを特徴とする請求項4乃至6のいずれか一項に記載の流体の混合装置。
- 前記分岐管を流れる第1流体の流量及び/又は圧力を検知する検知手段を設け、該検知手段の検知信号に基づいて前記流量調整弁の開度を調整し、前記第1流体の流量が変動した場合でも、前記分岐管には常時、前記第1流体を前記最低流量流し、前記最低流量を超える流量分を前記主流管に流すようにしたことを特徴とする請求項7記載の流体混合装置。
- 前記主流管から分岐して設けられると共に出口側を前記主流管の軸線に対して軸心をずらした交差方向に接続された第2分岐管を備えたことを特徴とする請求項4乃至8のいずれか一項に記載の流体混合装置。
- 前記分岐管を流れる第1流体の流量及び/又は圧力を検知する第1検知手段と、前記主流管から分岐して設けられると共に出口側を前記主流管の軸線に対して軸心をずらした交差方向に接続された第2分岐管と、該第2分岐管を流れる第1流体の流量及び/又は圧力を検知する第2検知手段と、前記第2分岐管の流量を調整する第2流量調整弁とを備え、前記第2検知手段の検知信号に基づいて前記主流管に設けられた流量調整弁を調整すると共に、前記第1検知手段の検知信号に基づいて前記第2流量調整弁を調整し、
前記第1流体の流量が変動した場合でも、前記分岐管には常時、前記第1流体を前記最低流量流し、前記最低流量を超える流量分を前記第2分岐管に流し、さらに前記第2分岐管の流量が所定流量を超えときにその超えた流量分を前記主流管に流すようにしたことを特徴とする請求項7記載の流体混合装置。
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