JPH0678964B2 - 気液二相流実験装置 - Google Patents

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500m〜数1,000m）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低圧式に
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生じて
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１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け込むこと
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。この状態は地下タ
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
水はこの降水間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及びこれと連通する通路内の、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け込んでいた空
気が溶け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、その体積を急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け出した量は貯蔵エ
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、No.219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，空気ホールドアップ，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有する問題点を解決
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、該試験管を上下を結ぶ循環
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内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内の過飽和水を回
流させながら排気管20から排気し、試験管18内の圧力を
現象させる。そして、このとき減圧時の気泡発生状態圧
力変気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かした後、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。

18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ステップ〕 タンク11内と試験管18を含む循環路18a内に適当量の水1
2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50atm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ステップ〕 このようにしてタンク11及び循環路18a内の水12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1
5,21の吐出口に接続されている管路の弁体16,22を閉鎖
する。次に第１のエアーポンプ13を作動させて給気管14
からタンク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18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
が溶け込みやすい状態としておく。

〔第３ステップ〕 前記のようにして飽和水内に空気が溶け込んだら、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18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線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を封鎖するとともに弁体30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
降水管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） 16,19,22,25,26,28,30,32……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……水回流用ポンプ 27……降水管、34……偏流板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、該試験管を上下を結ぶ循環路
   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。