JPH0427871A - 気液二相流実験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は気液二相流実験装置、より詳しくは高圧空気を
地下貯蔵する場合において静水圧で気圧を補償する水没
方式を用いたときに生ずる所謂シャンペン効果を実験す
るため気液二相流実験装置に関するものである。

〔従来の技術〕

最近ガスタービンを用いた発電システムにおいて熱効率
を向上させるため休日又は夜間電力により高圧空気を発
生させ、これを地下タンク（地下５００ｍ〜数１０１０
０Ｏに貯蔵し、昼間のピーク電力時にこの貯蔵した高圧
空気をガスタービンの燃焼用空気として利用することが
考えられている。そしてこの場合、貯蔵した高圧空気の
利用によりタンク内の圧力が低下する変圧方式と高圧空
気の利用による圧力変化を、水のヘッドを利用して補償
する定圧式とがあるが、前者はタンク内の圧力が大巾に
変化することによりタンク自体の耐圧性を向上させてお
く必要があり、また耐久性に問題がある。一方、後者は
地下のその位置における水圧を利用してこの水圧でバラ
ンスさせるものであるために装置的に有利であり、この
定圧式が好ましいとされている。

しかしながらこの定圧式においては、タンクに貯蔵した
高圧空気の一部が水中に溶解し、この水が降水管中を上
昇する際に突然気体に変化して体積を膨張させる、いわ
ゆる“シャンペン効果”を生じ、そのため貯蔵エネルギ
ーの損失を来すばかりでなく、タンクを構成する空洞の
安定も影響を受けることとなる。

具体的には第７図に示すように、地下タンク１にはガス
タービン発電に使用するガスタービン燃焼用の圧縮空気
供給装置２から高圧空気管路３を経由して高圧空気が供
給されるようになっており、一方、貯水池４から降水管
５を通って水が前記地下タンク１内に供給されるように
なっている。そしてこの貯水池４と地下タンク１との間
の水のヘッド差により地下タンク１内の圧力を一定に保
つようになっている。

ところでこの地下タンク１内の水には、その被圧水面に
おいてその圧力に応して圧縮空気が水に溶は込むことに
なる。そして静水圧を水温に応じて空気が飽和した水に
なって飽和層ができる。この状態で地下タンク１内に圧
縮空気を更に送り込むと水位は低下する反面、このタン
ク１と降水管５の間にある水はこの降水管５を通って上
昇する。このとき地下タンクＩ及びこれと連通ずる通路
内の水が降水管５を上昇する際の圧力低下に伴ない、高
圧水に溶は込んでいた空気が溶は出して気泡が発生する
。この気泡が降水管５内を上昇する際にはその体積を急
膨張させて大量の気泡となる、シャンペン効果を生ずる
ことになる。その結果、気泡が大気中に抜は出した量は
貯蔵エネルギーの損失となり、一方、空気は瞬時に吹き
出してしまい、地下タンク１及びこれに連通している空
洞の安定も影響を受けることが知られている（例えば、
Ｎｏ、２１９電力土木１９８９．３参照ン。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところがこのシャンペン現象の実態は夫だ充分解明され
ていない。即ち、前記した圧縮空気の溶解についても圧
力や温度に影響されるし、又溶解速度も不明である。

一方、降水管中での気液二相流についても水の流速、空
気流速、空気ホールドアツプ、流動状態等種々の点を解
明する必要がある。しかしながら、かかるシャンペン現
象を明確に知るための適当な実験装置が存在しないのが
現状である。

〔課題を解決するための手段］ 本発明は前記したような従来技術の有する問題点を解決
するためになされたものであって、地上に設置された上
部水タンクと地中に設置された下部水タンクとの間を下
降管と上昇管で連結し、前記下降管路に水ポンプを、下
部水タンクに空気ポンプをそれぞれ設け、前記上昇管の
下部を前記下部水タンクに接続すると共に、加圧空気を
供給する手段と、上昇する水流の状態を検出する手段を
設けてなる気液二相流実験装置である。

更に具体的には、上部水タンクに、途中に回流発生装置
を有する下降管と、下端に空気供給装置及び途中に検出
装置を有する上昇管を設け、前記下降管に下部水タンク
の流入口及び回流発生装置と下部水タンクの流入口間に
バルブを介して管路の一端を夫々連接するとともに、前
記上昇管にバルブを介して前記下部水タンクの流出口及
び前記管路の他端を夫々連接し、かつ下部水タンクに加
圧空気供給装置を設けた気液二相流実験装置である。

〔作　用〕

下部水タンク中において空気を溶存させておき、上昇管
中にこの下部水タンクの水を流入させることによって気
泡の発生状況と流動状態を観察することができる。

（実　施　例〕 以下第１図ないし第６図に基づき本発明による気液二相
流実験装置の一実施例を説明する。

第１図は概略側面図であって、１１は地上ないしは地上
と同様に扱うことができる位置に設置された上部水タン
クで、この上部水タンク１１の底部には下降管１２と上
昇管１３とが設けられ、地下には下部水タンク１４とこ
の下部水タンク１４をバイパスさせるための管路１５が
設けられている。

この下部水タンク１４と管路１５とは、例えば廃鉱とな
った竪坑等が利用され、地下５００ｍ程度に設置されて
いる。

詳述すれば、第２図に示されるように下降管１２の下部
には、「回流発生装置」としての水ポンプ１６及び三方
バルブエフが設けられるとともに、その下端には下部水
タンク１４の流入口１８が接続されている。一方、上昇
管１３の下端には「空気供給装置」としての空気ポンプ
１９がバルブ２０を介して配置され、かつバルブ２１を
介して下部水タンク１４の流出口２２と接続されている
。

そして上昇管１３の途中には第３図に示すように検出装
置として圧力計２３、観察窓２４が設けられている。更
に、下降管１２に設けた水ポンプ１６の出口側と上昇管
１３の下端部とは管路工５によってバイパスするように
連通されている。

また、下部水タンク１４に溶存空気とする加圧空気を供
給するための空気ポンプ２５がバルブ２６を介して接続
されている。

下部水タンク１４内に水流を遮って水流を蛇行させるた
めに偏流板２７が設けられてあり、この下部水タンク１
４内において前記空気ポンプ２５で供給された空気を早
く溶は込ませるための一種の攪拌装置として作用する。

〔空気溶存水での実験〕

前記構成において、今、第４図に示すように三方バルブ
１７を操作してバイパス管路１５を閉とし、下降管１２
と下部水タンク１４を連通させるとともにバルブ２０を
閉塞し、バルブ２１を開放して下部水タンク１４と上昇
管１３とを連通ずる。

然る後、空気ポンプ２５を作動させて５０＋αａｔｍ　
　（この圧力は、空気を水に溶解させるためのもので、
通常は５０〜５１　ａｔｍの範囲の圧力を使用するのが
好ましい。）の高圧空気を下部水タンク１４内に供給す
る。そして所定時間保持して空気をその圧力と温度に応
じて水の中に溶は込ませた後、水ポンプ１６を作動させ
て矢印Ｆ方向への水流を発生させる。すると、下部水タ
ンク１４内で空気が溶存した水は上昇管１３内を上昇す
る。水が上昇するに伴ない、圧力降下するが、これと共
に高圧水中に溶存していた空気が溶は出して気泡が発生
する。

この気泡の発生状態やその流速を第３図に示す観察窓２
４からモニターテレビ等で観察し、図示しない記録装置
に取込むとともに圧力計２３に圧力変化のデータを取込
む。なお、実際には、この検出装置は上昇管１３の上下
方向に複数個設けることにより適宜そのデータを取込む
ことができる。

〔圧縮空気流入での実験〕

第５図は、単に気泡の生長及び流速状態を実験する場合
の状況説明図であって、先ず三方バルブ１７及びバルブ
２０．２１を操作して管路Ｉ５を用いて上昇管１３と下
降管１２とを連通させる。そして空気ポンプ１９を作動
させて上昇管１３の下部に微小粒気泡を注入する。

更に水ポンプ１６を作動させるとこの管路１５中に水流
Ｆ゛が発生し、この水流Ｆ゛に伴なって微小粒気泡Ｂは
上昇管１３中を上昇して次第にその圧力が低下し、この
圧力低下に合せて気泡Ｂが生長する。この気泡Ｂの生長
状態や流速状態又は圧力変化を前記と同様に検出装置で
検出してデータを取込むことができる。

〔圧縮空気流入での実験〕

第６図は他の実施例を示すものであって、下降管１２と
上昇管１３に加圧手段２８．２９をそれぞれ設けて下降
管１２と上昇管１３の長さに比較して大きな水圧を作用
させるようにしたものである。

前記構成によれば、水のヘッド差により下部水タンク１
４内の圧力を得ていないので、大深度の地下に下部水タ
ンク１４を設置する必要がなく加圧手段２８と２９によ
り必要とする圧力を得ている。従って、これらの加圧手
段２８．２９の操作条件によって種々な圧力での気泡の
成長、流速状態等を観察する実験が可能である。

なお、上部水タンクは、通常は地上に設置されるもので
あるが、場合によっては地上に近い地下に設置すること
を可能である。この意味において下部水タンクに比較し
て地表に近い部分に設置することを地上に設置した上部
水タンクと説明した。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明による気液二相
流実験装置は、地上に設置された上部水タンクと地中に
設置された下部水タンクとの間を下降管と上昇管で連結
し、前記上陸管路に水ポンプを、下部水タンクに空気ポ
ンプをそれぞれ設け、前記上昇管の下部を前記下部水タ
ンクに接続すると共に、加圧空気を供給する手段と、上
昇する水流の状態を検出する手段を設けて構成されてい
る。

従って、極めて簡単な手段により加圧水中に溶存した空
気により上昇管中に生じるシャンペン現象を容易に確認
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図は本発明による気液二相流実験装置の
実施例を示すものであって、第１図は概略側面図、第２
図は第１図Ａ部拡大図、第３図は第１図のＢ部拡大図、
第４図及び第５図は夫々作用説明図、第６図は他の実施
例の側面図であり、第７図は定圧式高圧気体貯蔵システ
ムの概略図である。 １・・・地下タンク ３・・・高圧空気管路 ５・・・降水管 １２・・・下降管 １４・・・下部水タンク １６・・・水ポンプ １８・・・流入口 ２０、２１．２６・・・バルブ ２３・・・圧力計 ２７・・・偏流板 ２９・・・減圧手段 ２・・・圧縮空気供給装置 ４・・・貯水池 １１・・・上部水タンク １３・・・上昇管 １５・・・管路 １７・・・三方バルブ １９、２５・・・空気ポンプ ２２・・・流出口 ２４・・・観察窓 ２８・・・加圧手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 地上に設置された上部水タンクと地中に設置された下部
   水タンクとの間を下降管と上昇管で連結し、前記下降管
   路に水ポンプを、下部水タンクに空気ポンプをそれぞれ
   設け、前記上昇管の下部を前記下部水タンクに接続する
   と共に、加圧空気を供給する手段と、上昇する水流の状
   態を検出する手段を設けてなる気液二相流実験装置。