JPH0455734A - 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
地下に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いわゆる“″シャンペン
効果”及び圧力波発生現象を実験するための気液二相流
実験装置に関するものである。

〔従来技術〕

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５００麟〜数１　、０
００ｍ）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、（ａ）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
よる圧力変化と、（ｂ）水のヘッドを利用して補償する
定圧式とが提案されている。

前記（ａ）の方法はタンク内の圧力が大幅に変化するこ
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、前記（ｂ）の方法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
大きな耐圧性を持つタンクを必要としない点において装
置的に有利であり、この定圧式が好ましいとされている
。

しかしながら高圧空気を深い地下に設置されたタンクに
貯蔵し、水のヘッドを利用してバランスさせる定圧式に
おいては、このタンクに貯蔵した高圧空気の一部が水中
に溶解する。そしてこのタンク内に高圧空気が充填され
るにつれてタンク内の水が降水管中を上昇することにな
るが、この際に水中に溶存していた空気が突然気体に変
化し、爆発的に体積を膨張させる、いわゆる“シャンペ
ン効果”を生ずることとなる。

このシャンペン効果が発生すると、貯蔵エネルギーの損
失を来すばかりでなく、地中タンクを構成する空洞にも
大きな圧力変化をＢＥじてその安全性にも影響を与える
こととなる。

具体的には、第５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高圧空
気が、圧縮空気供給装置２から地中を掘り下げて形成し
た高圧空気管路３を経由して供給されるようになってい
る。

一方、貯水池４と前記地下タンク１との間は降水管５で
連絡されており、この地下タンク１内の空気の充填状態
に応じてその水位が上下するが、この水位の上下に応じ
て前記貯水池４と地下タンク１との間の水が降水管５中
を通過することになる。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
、即ち圧縮空気の圧力とバランスするようになっている
。

ところでこの地下タンクＩ内の水には、その被圧水面Ｓ
においてその圧力に応じて圧縮空気が水に溶は込むこと
になる。そして静水圧と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とになる。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こ
とになるが、このタンク１と降水管５の間にある高圧の
水はこの降水管５内を押し上げられることになる。

このとき地下タンク１及びこれと連通ずる通路内の、圧
縮空気の圧力と同圧の水が前記降水管５を上昇する際に
圧力低下をするが、この際に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
を上昇する際に次第に成長する。そしてその気泡がある
位置まで上昇すると、その体積を象、膨張させて大量の
気泡となって降水管５中を上昇して貯水池４内に噴出す
る、いわゆる°“シャンペン効果”を生ずることになる
。

その結果、気泡が大気中に大量に抜は出した量は貯蔵エ
ネルギーの損失となる。一方、前記現象が発生すると高
圧水中に溶存していた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に大きな圧力
変動を与えることになり、これらの装置の安定性も影響
を受けることになる（例えば、Ｎ１１Ｌ２１９電力土木
１９８９．３参照）。

そして、この気泡発生によるパルス的な圧力波が発生し
、この圧力波が空洞等の安全性に影響を与えることとな
る。

〔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や圧力波の発生現象の実態
は未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
を明確に知るために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をする問題点を解決
するためになされたものであって、本考案に係る気液二
相流実験装置は、垂直方向に植立させ、観察窓と圧力の
測定手段を設けた試験管と、該試験管の上下を結ぶ循環
路と、該循環路の下部と前記試験管の下部を結んだタン
クと、該タンク中の水面の上部と水中とに空気を供給す
る給気装置と、前記試験管の上部に空気を供給する給気
装置からなり、前記試験管とタンク内の水を循環しなが
ら空気を溶解させ、前記試験管内を放圧可能に構成して
なるものである。

〔作　用〕

かかる構成において、先ず第２．第３の給気装置２１．
１５を駆動してタンク１１中等の水を過飽和水とした後
、第１の給気装置１３を駆動して過飽和水中に空気を溶
かす。そしてポンプ２４により試験管１８と降水管２７
的の過飽和水を回流させながら排気管２０から排気し、
試験管１８内の圧力を減少させる。そして、このとき減
圧時の気泡発生状態圧力変化を測定してシャンペン現象
を計測する。

一方、過飽和水に空気を溶がした後、排気管２０から排
気し、試験管１８内を減圧し、この減圧時に気泡の発生
状況及び圧力変化を測定し圧力波を計測する。

〔実施例〕

以下第１図乃至第４図に基づき本発明による気液二相流
実験装置の実施例を説明する。

１１はタンクであって、その内部には水１２が空気層を
残存させて充填され、第１の給気装置としてのエアーポ
ンプ１３に連なる給気管１４が前記水１２中に空気を供
給するように設けられている。

そしてこのタンク１１の上部には前記水１２の表面より
空気を供給するための第３の給気装置としてエアーポン
プ１５が弁体１６を有する管路１７で接続されている。

１Ｂは、所定の位置に観察窓と圧力センサーを取付けた
試験管であって、この試験管１８の上部には弁体１９を
有する排気管２０と、第２の給気装置であるエアーポン
プ２１が、弁体２２が設けられた管路２３で接続されて
いる。また、前記試験管１８に平行して降水管２７が設
けられているが、この降水管２７の上部には弁体２５が
、中間部には循環用ポンプ２４が設けられている。

前記タンク１１は前記降水管２７と弁体２６を経由して
接続され、また弁体２８を有する管路２９によって試験
管１８と接続され、この試験管１８と降水管２７との間
は弁体３０によって接続されている。

次に本発明に係る実験装置の操作方法を説明する。

〔第１ステツプ〕 タンク１１内と試験管１８を含む循環路１８ａ内に適当
量の水１２を充填する。

そして試験管１８の上端に接続されている排気管２０に
設けられている弁体１９を閉じる。次に弁体１６と２２
を開放して第３のエアーポンプ１５と第１のエアーポン
プ２１を駆動してタンク１１及び試験管１８内の圧力を
、例えば５０ａ　Ｌｍ程度に加圧して飽和水となる条件
において空気を注入する。

勿論このとき弁体２５．２６．２８は何れも開放してタ
ンク１１内と循環路１８ａ内の水１２が流動できるよう
にしておく。

〔第２ステツプ〕 このようにしてタンク１１及び循環路１８ａ内の水Ｉ２
を過飽和水となる状態とした後、第３と第２のエアーポ
ンプ１５．２１の吐出口に接続されている管路の弁体１
６．２２を閉鎖する０次に第１のエアーポンプ１３を作
動させて給気管１４がらタンク１１中の水１２内に空気
を供給してこれを水１２中に溶かす。

なお、このとき降水管２７の管路に設けられているポン
プ２４を作動して試験管１日を含む循環路１８ａとタン
ク１１とからなる循環系内の水１２を回流させて、この
水１２中に空気が溶は込みゃすい状態としておく。

〔第３ステツプ〕 前記のようにして過飽和水内に空気が溶は込んだら、弁
体２５．２６．２８を閉鎖する。その後、排気管２０の
弁体１９を徐々に開放して試験管１８を減圧する。

このとき減圧により試験管１８内に存在する水から気泡
が発生するが、この発生状態を試験管Ｉ８に設けた観察
窓で観察するとともに、圧力センサーで圧力変動を検出
する。

この状態は例えば第２図に横軸に減圧量を、縦軸に発生
気泡量と圧力変化量をとって描いた曲！Ａ、Ｂのように
グラフとして表示することができる。ここに、曲線Ｂは
曲線Ａよりも減圧速度が遅い場合を示す。

〔シャンペン現象の計測方法〕

次にシャンペン現象を計測する場合について説明する。

前述した如くタンク１１と試験管１８からなる経路に含
まれる水１２の中に空気を強制的に送り込んでこれを水
１２中に溶解した後、弁体２６．２８を閉鎖するととも
に弁体３ｏを開放する。

そしてポンプ２４を作動させると試験管１８内の過飽和
水は腎水管２７及び管路３１を通って回流する。この状
態において排気管２０に設けた弁体１９を開放して試験
管１８内を減圧する。

このようにして試験管１８内の気泡発生状態を観察窓か
ら観察するとともに、圧力センサーにより減圧状態を検
出し、その結果を第３図に示す如く表示する。なお、第
３図において曲線Ａ。

Ｂは第２図と同様なものであるが、曲線Ｅに於けるＦ点
はシャンペン現象が発生した点を表している。

第４図は他の実施例を示すものであって、第１図の装置
と実質的に同一のものであるが、特にこの実施例におい
ては、タンク１１に弁体３２を有する排気管３３を接続
するとともに、このタンク１１内に偏流板３４を設けた
ものである。

このようなタンク１１の構造によれば、タンク１１に収
容されている水１２はポンプ２４によって強制的に撹拌
され、そして水面より空気を供給してこの空気の溶存を
助けて迅速に飽和水１２を得ることができる。

以後の操作は前記実施例と同様である。

〔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
実験装置によれば、極めて簡単な手段により過飽和水の
減圧により発生する気泡状況を計測することができ、そ
の結果シャンペン現象や圧力波発生現象を知ることがで
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明による気液二相流実験装置の
一実施例を示すものであって、第１図は概略側面図、第
２図及び第３図は何れも実験結果表示図、第４図は他の
実施例の概略側面であり、第５図は定圧式高圧気体貯蔵
システムの概略図である。 １１・・・地下タンク　　１２・・・水１３・・・エア
ーポンプ（第１の給気装置）１４・・・給気管 １５・・・エアーポンプ（第３の給気装置）１６．１９
，２２．２５．２６．２Ｂ、３０．３２・・・弁体１７
．２３．２９．３１・・・管路 １８・・・試験管 ２０．３３・・・排気管 ２１・・・エアーポンプ（第２の給気装置）２４・・・
水目流用ポンプ ２７・・・降水管　　　　３４・・・偏流板。 第２［

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 垂直方向に植立させ、観察窓と圧力の測定手段を設けた
   試験管と、該試験管の上下を結ぶ循環路と、該循環路の
   下部と前記試験管の下部を結んだタンクと、該タンク中
   の水面の上部と水中とに空気を供給する給気装置と、前
   記試験管の上部に空気を供給する給気装置からなり、前
   記試験管とタンク内の水を循環しながら空気を溶解させ
   、前記試験管内を放圧可能に構成してなる気液二層流実
   験装置。