JPH0687929B2 - 遮蔽板と噴出管とを組合せた気液分離装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は化学機械装置、空調機械又はボイラ等における
流動する気液混合物から水分を除去する衝突分離平板と
噴流管とを組合せた気液分離装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の化学機械装置、空調機械又はボイラ等においては
各種の気液分離装置が公知公用になつているが、その代
表的なものは概要次の通りである。

（イ） 垂下管巣壁の間に気液を反転通過させる装置。

（ロ） 立て形大径管の周囲に気液を旋回分離させる装
置。

（ハ） 流路に傾斜板を設け、流れを反転させて気液を
分離させる装置。

（ニ） 立て形バツフル板群の間に気液を交互に流通さ
せて気液を分離する装置。

（ホ） 三角形板のエリミネータによる気液分離装置。

（例えば実願昭54−146955号がある。） （ヘ） サイクロン分離器と多数の平板巣の組合せにな
る気液分離装置。

（ト） 傾斜板により気液を沸騰水面上に噴射して気液
を分離する装置。

（チ） デミスタを使用して気液を分離する装置。

（リ） 沸水防止管により気液を分離する装置。

などがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記（イ）〜（リ）に示した公知のこれら各種の気液分
離装置にはその大半が目的とする乾き度について、予め
求めようとする値との関連が明確になされていない欠点
のあることや、理論計算の著しく困難のものも多い。

本発明は上記（イ）〜（リ）に記載したような従来の装
置とは全く異なり、遮蔽板と噴出管と組合せた新規な気
液分離装置によつて、実用上容易にその構造を求めよう
とする乾き度、即ち気液分離の実収率が得られる気液分
離装置を提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は気液混合物が内部を流動する混相器の上段部に
横形筒を設け、該横形筒底に複数の噴出管を取りつけて
下段混相器と連結する気液混合物の流出路を形成せし
め、上記横形筒の長手軸中心付近に遮蔽板を横架定着
し、複数の噴出管の総横断内面積を100として、遮蔽板
端（６）′と横形筒端蓋板（５）′をの間の空間（11）
の距離と間隔における面積比を150〜250となし、遮蔽板
（７）の上面と横形筒内面（３）′との間の垂直高さに
おける面積を複数の噴出管の総横断内面積100に対し
て、70〜150の比率になるように構成し、かつ複数の噴
気管の一部の上方の一端又は両端に遮蔽板を欠落せしめ
た遮蔽板と噴出管とを組合せた気液分離装置に関するも
のである。

第１図、第２図に示すように、本発明は内部に気液混合
物が常に加熱沸騰する混相器（１）の上部に複数の噴出
管（２），（２）′，（２）″を直立して設け、その上
段の横形筒（３）の底部に噴出管（２），（２）′，
（２）″の両端が開口流通するように挿入定着してい
る。

両端を混相器（１）の蓋板（５），（５）′により密閉
された横形筒（３）の内部の長手軸中心付近に一端
（６）が混相器（１）の蓋板（５）又は（５）′と密着
するように固定した遮蔽板（７）をその両側（８），
（８）′が受板片（９），（９）′により支持されるよ
うに固定すると共に遮蔽板の一端（６）′と横形筒の一
端（５）′又は遮蔽板の一端（６）と横形筒の一端
（５）との間に所定寸法の空間（11）を設ける。更に遮
蔽板（７）の上面と横形筒上部下面（３）′との間に、
所定の垂直高さの距離（12）を取らしめるようにする。

上記複数の噴出管（２），（２）′，（２）″の総横断
内面積を基準として上記の所定の空間距離間隔及び所定
の高さの距離を限定したのは、本発明者等の研究に基い
て気液分離上最適の値を見出して定めた下記に説明する
ように必要かつ重要な値である。即ち、複数の噴出管
（２），（２）′，（２）″内の蒸発面（10），（1
0）′，（10）″からは気体の浮上速度により液体を同
伴して上昇するが、この蒸発面速度の下における気液の
飛び上り初速度（m/s）は第３図にその実験値を示した
通り直径0.1mm以上の気泡が蒸発面（10），（10）′，
（10）″を上昇する速度（△）は0.2〜0.3m/s以上であ
るのに対して、飛び上り初速度（●）は上記蒸発面から
上昇する速度の数10〜数100倍である。

本発明は上記気液二相の蒸発面（10），（10）′，（1
0）″からの飛び上り初速度による噴出を阻止するため
に遮蔽板（７）を横形筒（３）の長手軸中心付近に横架
して、噴出する気液を遮断しながら気液の飛び上り初速
度を横流れの速度エネルギーに変換するようならしめた
のである。

この場合気液二相の衝突分離作用は第５図に示した分離
熱量計の作用原理図からも理解される。第５図の場合、
液滴の直径0.2〜1mm以上のものは平均0.9/s以下の降下
速度で滴下することが確認されていて、横流れの速度エ
ネルギーに同伴されるものは皆無ではない。

そこで、本発明においては第１図に示すように、噴出管
（２）″の上部には遮蔽板（６）の端部（６）′と横形
筒蓋板（５）′との間の空間（11）が開放状態に設けて
いる。これは噴出管（２），（２）′，（２）″の噴出
速度はそれぞれほぼ均等であつても、上部遮蔽の噴出管
（２），（２）′と上部開放の噴出管（２）″との内部
断面積比は例えば第１図の場合前者（２），（２）′の
３分の２に対して後者（２）″の３分の１に設定してあ
るから前者（２），（２）′の横流れ速度エネルギーの
合計値は後者（２）″の噴出エネルギーよりも大きく、
後者（２）″の飛び上り気液を抑制して気液を分離し、
乾き度を0.98以上に上昇させて送気管（４）から流出さ
せるものであり、これが本発明によつて始めて可能とな
つたのである。

なお上記の横流れエネルギーによる気液噴出の抑制は傾
斜噴出によるもので気液噴出を抑制する作用を示したの
が第６図である。

第６図は傾斜噴流の速度エネルギーにより蒸発面からの
気液の飛び上りを抑制すると共に気液中の気泡を破裂さ
せることにより気液が分離する作用を生ずることの原理
図である。なお気泡は、シヨツクを受ければ容易に破裂
するのは所謂シヤボン玉の破裂と同様である。また噴出
器（２），（２）′から遮蔽板（７）に対して作用する
噴流によつて生ずる速度エネルギーＦ（Kg）は次のよう
になる。

Q:流量（m³/s） V:噴出速度（m/s） θ：噴流と遮蔽板との間のなす角度 噴出速度はそれぞれの噴出管においてほぼ均等であつて
も、噴出管（２），（２）′の方が噴出管（２）″より
も流量Ｑは２倍以上大である。従つて速度エネルギー
（Ｆ）は同じく２倍以上大となる。

この大きな速度エネルギーがそのまま横転して噴出管
（２）″の飛び上り気液を抑制し、気泡を破裂させて気
液を分離させることになる。

このため横流れ速度エネルギーの作用力によつて噴出管
（２）″の飛び上り気液が抑制されることから、噴出管
（２）″の上部の空間（11）の長手方向断面積を噴出管
（２），（２）′，（２）″の総横断内面積比率100に
対して150〜250の寸法比に限定した。

噴出管（２）″の上部空間（11）の長手方向断面積が噴
出管（２），（２）′，（２）″の総横断面積比率100
に対して150未満の場合は上部空間（11）を流通する気
体の流速が増して、下部付近の気液を巻上げ湿り度を増
加させる要因となる。

また150を超過する場合は上部空間（11）を流通する気
体の流速は緩慢となつて下部付近の気液を巻き上げる危
険は減衰する。更に250を超過すると遮蔽板（７）の長
さが短縮して噴出管（２），（２）′との相互関係が悪
化することとなる。

更に高実収率で液体を分離させた気体は、遮蔽板（７）
と横形管内（３）′との間の反転流路（12）を流通して
送気管（４）に至るのであるが、ここで反転流路（12）
の断面積を噴出管（２），（２）′，（２）″の総横断
面積100に対して上記断面積比を70〜150に限定したの
は、その前段付近に浮動する液滴を誘導せしめないため
の限界の大きさであつて、これは遮蔽板（７）と送気管
（４）の入口との間における線速度と高さを維持するた
めに必要な値であり、湿り度１〜２％前後の液滴を誘導
せしめないための限界値である。

上記（２），（２）′，（２）″の総横断面積比率100
に対して反転流路（12）の断面積比が70未満の場合は反
転流路（12）の円弧状断面積は狭くなつて線速度を増
し、また送気管（４）の入口との距離は接近して浮動液
滴をそのまま誘導する欠点を生じる。更に150を超過し
た場合は円筒形をなす横形筒（３）の直径が大きくなつ
て、本発明による各断面積比率が崩れ、実験上及び実績
上に伴う気液分離上の実収率が把握できなくなる。

〔作用〕

本発明者等は本発明の目的とする気液分離装置における
流体の乾き度について、水、空気による流体を使用して
本発明の構造を有する透明アクリル筒を組合せて分離実
験を行つた実験結果に基いて、実用に使用し得る装置を
製作して、これを高負荷燃焼のボイラに取付け、蒸気の
乾き度（χ）を測定した結果、第４図に示す数値を得た
ものであり、容積速度Ｖが0.3〜0.6m/sにおいて乾き度
（χ）は0.98〜0.99の値を得るに至つた。

ここに乾き度（χ）とボイド率（α）との関係を示した
のが第７図であり、ボイド率（α）は気液両相の容積速
度と密度、粘度、表面張力及び流路断面形状と寸法によ
り定まる値であつて、気液両相の密度比によつてボイド
率と乾き度の値が定まるとされている。

即ち、 （ｉ） 乾き度はボイド率と相関する。

（ii） 乾き度は圧力、比容積、流量容積及び速度に関
連する。

（iii） 従つて乾き度（χ）は噴出口（２），
（２）′，（２）″の容積速度Ｖに相関して定めること
ができる。

本発明は上記（ｉ）〜（iii）に基いて構成されてい
る。従来は第７図に示すようにボイド率（α）から乾き
度を求める計算図があり、ボイラ胴内のボイド率（α）
からの乾き度は、ここにM:メガ、Pa:パスカルとする
と、圧力（Ｐ）＝2MPa（20.394Kg/cm²）以上のものにつ
いて示されているが、これは圧力が高くなるに伴つてボ
イド率と乾き度は低下し、またボイド率０〜1.0、乾き
度０〜1.0の範囲においてその値は大きく変化するばか
りでなく、普通に圧力2MPa以下のボイラにおけるボイド
率は0.7〜0.9前後であるから乾き度は第７図から0.1〜
0.6の低い値となるのに反して、本発明の場合圧力2MPa
以下のボイラにおいて第４図に示すように乾き度（χ）
は0.98〜0.99のような第７図の場合よりもはるかに高い
乾き度が得られる。

〔実施例〕

次に図面によつて本発明を説明する。

第１図は本発明の一実施例の概略横断面図、第２図は第
１図の概略縦断面図である。

本発明においては蒸発面（10），（10）′，（10）″か
ら気液の上昇する速度は0.2〜0.3m/secであり、飛び上
り初速度は20〜40m/secである。

実施の一例として第１図の場合、噴出管（２）″の内部
断面積は0.0314m²であり、噴出管（２），（２）′は内
部断面積はそれぞれ0.0314m²である。

従つて噴出管（２），（２）′，（２）″の総断面積は
0.0942m²であり、噴出管（２）″の上部空間（11）の長
手方向の断面積は0.192m²である。故に上部空間（11）
の断面積0.192m²と噴出管総断面積0.0942m²の面積比は2
03.8（％）となす。

更に反転流路（12）の断面積は0.0758m²で噴出管
（２），（２）′，（２）″の総横断面積の80.5（％）
に相当する。

従つて第１図、第２図の場合乾き度（χ）が0.98〜0.99
の値を得ることができる。

〔発明の効果〕

本発明の効果を纏めると次の通りである。

（ｉ） 本発明の気液分離装置を使用することによつて
容易にその構造と所望の乾き度のものが得られる。

（ii） 本発明の装置を各種ボイラ、化学装置、空調機
器に設置することによつて気液の分離がなされ、乾き度
98〜99％即ち気液分離の実収率を得ることができる。

（iii） 本発明の噴出管の開口総面積100に対して横形
筒端蓋板（５）′との間の空間（11）の距離の面積寸法
比を150〜250となし、更に開口総面積100に対して遮蔽
板（７）の上面と横形筒内面（３）′との垂直上の面積
を70〜150にすることによつて、従来公知の各装置のよ
うな複雑な構造設計が不要となり、簡単な構造によつて
所望の乾き度の蒸気が得られる。

（iv） 近代の中小容量のボイラの伝熱面当りの蒸発率
（Kg/m².h）は従来の値の10倍前後に上昇し、高蒸発率
化してきたため一定容積の胴体内における気水２相流の
流動は激増し、気水分離機能は劣化するばかりであり、
この気水を効果的に分離して飽和蒸気を得たい要求が著
しく多く、本発明は正しくこの要求に完全に応えたもの
である。

（iv） 本発明は前記したように構造簡単な装置である
から中小容量のボイラに最も適合するのみならず、ほぼ
同様な目的の他の各種装置に使用可能であり、その効果
は著しく大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示す一実施例の概略横断面図。
第２図は同上縦断面図。第３図は気液２相が沸騰する蒸
発面速度と飛び上り速度との関係を示す本発明者等の測
定結果を示す図。第４図は本発明の噴出管内容積速度
（Ｖ）と乾き度との関係を示す本発明者等の測定結果を
示す図。第５図は従来の分離熱量計の縦断面図。第６図
は気水胴内の傾斜噴流速度エネルギーにより蒸発面の吹
き上り気液の抑制や噴射気液の分離を行う作用図。第７
図は乾き度（χ）とボイド率（α）との相関図を示す図
である。 １……気液２相が流動する混相器 2,2′,2″……噴出管、３……横形筒 ３′……横形筒内面、４……送気管 5,5′……横形筒蓋板、6,6′……遮蔽板長手軸端 ７……遮蔽板、8,8′……遮蔽板横側端 9,9′……受板片、10,10′,10″……噴出管内蒸発面 11……遮蔽板端と横形筒との間の空間 12……反転流路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】気液混合物が内部を流動する混相器の上段
   部に横形筒を設け、該横形筒底に複数の噴出管を取りつ
   けて下段の混相器と連結する気液混合物の流出路を形成
   せしめ、上記横形筒の長手軸中心付近に遮蔽板を横架定
   着し、複数の噴出管の総横断内面積比率を100として遮
   蔽板端（６）′と横形筒端蓋板（５）′との間の空間
   （11）の距離と間隔における面積比を150〜250となし、
   遮蔽板（７）の上面と横形筒内面（３）′との間の垂直
   高さにおける面積を複数の噴出管の総横断面積比率100
   に対して、70〜150の比率になるように構成し、かつ複
   数噴出管の一部の上方の一端又は両端に遮蔽板を欠落せ
   しめたことを特徴とする遮蔽板と噴出管とを組合せた気
   液分離装置。