JPH07232021A - 気液分離器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 流体の流入量が増大しても流体を気体と液体
とに完全に分離することができること。 【構成】 胴体３０の上部側に上部出口管３２が接続さ
れ、底部側に下部出口管３３が接続され、中程には流入
管３１が接続されている。さらに、胴体３０の遷移領域
３６内には円環状突起３７が形成されている。そして流
入管３１から胴体３０内に噴射された水−蒸気二相流の
うち水は下降旋回流３４によってドレンタンク側へ流出
し、蒸気は胴体３０の中央部を通って上昇旋回流３５と
なって上部出口管３２から流出する。このとき、水滴の
一部が胴体３０の側壁に沿って上昇しても、遷移領域３
６には、円環状突起３７によってガス流速の遅い領域が
形成されているため、上昇した水が失速し、水の上昇移
動が防止される。 【効果】 流入管から胴体内に流入される流体の流入量
が増大しても気液二相流体を気体と液体とに完全に分離
し、液体排出用出口管から液体が流出するのを防止する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気液分離器に係り、特
に、変圧ボイラの水壁管より送出される蒸気−水二相流
体を蒸気と水とに分離するに好適な気液分離器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、気液分離器として、蒸気−水二相
流体を蒸気と水とに分離する気水分離器が知られてい
る。この気水分離器を用いたシステムとしては、変圧運
転ボイラシステムがある。このシステムは、図４に示す
ように、給水管２１からの水を節炭器２２を介して火炉
壁２３へ送給し、火炉壁２３で生成された蒸気と水の二
相流体を気水分離器２４へ送給して気水分離器２４で蒸
気と水に分離し、蒸気を過熱器２５へ送給し、水をドレ
ンタンク２６を介して給水管２１へ戻すようになってい
る。また過熱器２５に送給された蒸気は過熱蒸気となっ
て蒸気タービン２７へ送給され、蒸気タービン２７の駆
動に寄与される。そして蒸気タービン２７を通過した蒸
気は復水器２８で水に戻され、再循環ポンプ２９によっ
て節炭器２２側へ送られる。このシステムにおける各部
での水の状態を図５に示す。図５は横軸に負荷を、縦軸
にエンタルピーをとっている。

【０００３】図５から節炭器２２入口と火炉壁２３入口
では全負荷において水であり、過熱器２５出口側では全
負荷において蒸気となっていることがわかる。ところ
が、過熱器２５入口側では高負荷時には蒸気となってい
るものの、低負荷時には水と蒸気とが混合した気液二相
流状態となっていることがわかる。

【０００４】ところで、過熱器２５に水が混入すると、
種々のトラブルのもとになるので、これを防止するため
に、従来、図４に示すように、火炉壁２３と過熱器２５
との間に二相流体を水と蒸気とに分離する気水分離器２
４が設けられている。

【０００５】気水分離器２４は、図６に示すように、円
筒形の胴体３０、流入管３１、上部出口管３２、下部出
口管３３を備えている。流入管３１は胴体３０表面の接
線方向に沿って取付けられている。このため、二相流体
が流入管３１から胴体３０内に導入されると、胴体３０
内には下向きの下降旋回流３４が形成される。そして、
このとき、蒸気に較べて密度の重い水は遠心力によって
胴体３０の側壁側に引き寄せられ、壁に衝突した後、液
膜となって側壁を伝わって下方に流れ、下部出口管３３
から排出され、ドレンタンク２６に集められる。一方、
蒸気は、下部出口管３３がドレンタンク２６で水封され
ているので、胴体３０の下側で反転し、胴体３０の中央
部を通って上昇し、上部出口管３２から過熱器２５へ送
出される。このとき、胴体３０内上方には上向きの上昇
旋回流３５が形成される。

【０００６】このように、気水分離器２４においては、
旋回流３４、３５によって生じる遠心力を利用して二相
流体を水と蒸気とに分離することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の気水分離器２４
においては、二相流体の流入量が一定のときには二相流
体を水と蒸気とに確実に分離することはできるが、二相
流体の流入量が設定量を超えたときについて十分配慮さ
れておらず、二相流体の流入量が増大したときに二相流
体を水と蒸気とに完全に分離できない場合がある。すな
わち、現在、気水分離器として員数低減、小型化の要求
がある。この要求に対処するためには、気水分離器１基
当りの流入量を増やすことが余儀なくされる。以下、流
入量が増大したときの問題点について述べる。

【０００８】従来の気水分離器２４において、１基当り
の流入量を増やしたときに気水分離器２４内でどのよう
な現象が生じるかを調べるために、アクリル製の模型を
作成し、水−蒸気二相流の代わりに、水−空気二相流を
流して水流実験を行ったところ、図７に示すような実験
結果が得られた。

【０００９】図７において、水−空気二相流を流入管３
１から胴体３０内に噴射すると、流入管３１から噴出し
た水のほとんどが側壁に衝突して下方に向かって流れて
いるが、上昇流があるために、その一部分は上方に吹き
飛ばされて流入管３１より上方の側壁に水滴となって付
着する。流入管３１より上方の側壁近傍は上昇流が形成
されているので、流入管３１より上部の側壁に付着した
水滴は側壁を伝わって上昇し、上部出口管３２から過熱
器２５側へ流出される。このとき、流入管３１より上方
の側壁に付着し上部出口管３２から流出する水の量は流
入管３１より流入する水量および空気量が増加するに従
って多くなることがわかった。

【００１０】そこで、流入管３１内の流速と乾き度とを
実機と合わせて、上部出口管３２から流出する水滴の量
を測定したところ図８に示すような結果が得られた。こ
こで、従来の処理量に対する測定結果を○印で示し、従
来の処理量の２倍に相当する結果を□印で示す。図８に
示す実験結果より、従来の処理量では、全乾き度に亘っ
て上部出口管３２から流出する水はほとんど無いことが
わかる。しかし、処理量を従来の２倍とした場合には、
上部出口管３２から約０．３％の水が流出することがわ
かる。上部出口管３２から水が流出し、過熱器２５側に
流れ込むと種々のトラブルの元となるので、従来の気水
分離器２４の構造では現状以上に処理量を上げることが
できない。

【００１１】本発明の目的は、流体の流入量が増大して
も流体を気体と液体とに完全に分離することができる気
液分離器を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、流体通路を構成する胴体の上部側に気体
排出用出口管が接続され、胴体の底部側に液体排出用出
口管が接続され、胴体の中ほどに胴体内へ流体を導入す
る流入管が接続され、胴体の内壁に流入管から導入され
た流体の上昇移動を抑制する円環状突起が形成されてい
る気液分離器を構成したものである。

【００１３】円環状突起としては、胴体内の領域のうち
流入管接続部より底部側に形成される下向きの旋回流と
流入管接続部より上部側に形成される上向きの旋回流と
の間の遷移領域内に形成されているものが望ましい。

【００１４】また、前記各気液分離器においては、胴体
内を臨む流入管の開口端と円環状突起との距離は流入管
の内径の０．１倍〜１．０倍に設定されているものを構
成したり、円環状突起の胴体壁面からの高さは胴体の内
径の１／１００以上に設定されているものを構成したり
することが望ましい。

【００１５】

【作用】前記した手段によれば、胴体内に円環状突起が
形成されると、突起の付け根部にガス流速が遅い領域が
形成される。このような領域が形成されると、胴体内に
導入された二相流体の内上昇ガス流に同伴された水滴は
側壁に沿って上昇するが、円環状突起によって形成され
たガス流速の遅い領域を通過するときに水滴は失速す
る。失速した水滴は互いに合体し大きな水滴あるいは液
膜となり、その自重によって下降する。このため蒸気が
気体排出用出口管から流出されるのを防止することがで
きる。

【００１６】一方、上昇する水の量が多く、突起の下に
水が溜り、その一部が突起を超えて上昇する恐れがある
場合には、下向きの旋回流と上向きの旋回流との間の遷
移領域内に円環状突起を設けると、水分の上昇を防止す
ることができる。すなわち、遷移領域内においては上向
きの速度成分が小さくなるため、この領域内に円環状突
起を設けると、上向きの速度成分がなくなり、突起に付
着した水滴は合体して大きな水滴となり、自重により下
降する。このため、遷移領域内に円環状突起を配置する
と、流入量が増大しても突起に水が溜ることがないの
で、突起を超えて上部に水が流出するのを防止すること
ができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。

【００１８】本実施例は、気液分離器として、水−蒸気
二相流を水と蒸気とに分離する気水分離器を変圧運転ボ
イラシステムに適用したものである。図１において、気
水分離器２４は円筒状の胴体３０、複数の流入管３１、
上部出口管３２、下部出口管３３を備えており、胴体３
０の上部側に気体排出用出口管として上部出口管３２が
接続され、胴体３０の底部側には液体排出用出口管とし
て下部出口管３３が接続されている。さらに、胴体３０
の中程には複数の流入管３１が胴体３０の円周方向に沿
って接続されている。さらに胴体３０の内部には流入管
３１と胴体３０との接続部より底部側に形成される下降
旋回流３４と流入管３１と胴体３０との接続部より上部
側に形成される上昇旋回流３５との間の遷移領域３６内
に円環状突起３７が膨出形成されている。

【００１９】この円環状突起３７を形成するに際して
は、流入管３１の開口端と円環状突起３７との距離Ｘは
流入管３１の内径ｄの０．１倍〜１．０倍に設定するこ
とが望ましく、また円環状突起３７の胴体３０壁面から
の高さは胴体３０の内径Ｄの１／１００以上に設定する
ことが望ましいが、本実施例では、後述する実験結果に
基づき、距離Ｘは０．５倍に、突起３７の高さは内径Ｄ
の０．０１倍に設定されている。

【００２０】上記構成において、火炉壁を通過した蒸気
−水二相流体が各流入管３１から気水分離器２４内に噴
射されると、胴体３０内には下降旋回流３４が形成され
る。このとき、蒸気に較べて密度の重い水は遠心力によ
って側壁側に引く寄せられ、側壁に衝突した後、液膜と
なって側壁を伝わって下方に流れ、下部出口管３３から
ドレンタンク側へ流出する。一方、蒸気は胴体３０の底
部側で反転し、胴体３０の中央部を上昇して上部出口管
３２から過熱器側へ流出する。このとき、胴体３０内に
は蒸気による上昇旋回流３５が形成される。そして、処
理量の増大に伴って各流入管３１から噴射された二相流
体の流量が増加すると、蒸気の上昇移動に伴って水滴の
一部が側壁に沿って上昇するが、遷移領域３６内は、環
状突起３７によってガス流速が遅い領域となっているの
で、上昇した水滴は失速する。そして失速した水滴は互
いに合体し、大きな水滴あるいは液膜となり、その自重
によって下部出口管３３側に落下する。

【００２１】このように、本実施例においては、遷移領
域３６内に円環状突起３７を設け、上向きの速度成分が
なくなるようにしたため、胴体３０内に流入する二相流
体の流量が増加しても、上部出口管３２から蒸気が流出
するのを防止することができる。

【００２２】従って、本実施例によれば、処理量を増大
した場合、従来の気水分離器では４基の気水分離器が必
要であったが、本実施例のものを用いれば、１基当りの
処理量を従来の２倍とすることができ、処理量を増大し
た場合気水分離器を２基減らすことができる。

【００２３】ここで、処理量を従来の２倍にしたとき
に、上部出口管３２から流出する水の量を測定したとこ
ろ、図５に示すような結果が得られた。図５において、
横軸に乾き度を、縦軸に流出量を取っている。図５か
ら、処理量を２倍にしても上部出口管３２から水がほと
んど流出していないことが理解される。

【００２４】また本実施例における効果を模型実験によ
り確認したところ以下に示すような結果が得られた。

【００２５】まず、円環状突起３７の高さと上部出口管
３２から流出する水量との関係を調べた結果を図６に示
す。図６において、速度分布は胴体３０の内径Ｄと円環
状突起３７の高さｈとで整理できると考え、横軸はｈ／
Ｄをとっている。縦軸は流入管３１より流入した全水量
ＷＡに対する上部出口管３２から流出した水量Ｗ０の比
である。また円環状突起３７は流入管３１の開口端より
３０ｍｍ上方に取り付けた。また流入する空気量および
水量は図１２で示したデータのうち、処理量が２倍、乾
き度が０．８の状態と同じ流量とした。

【００２６】上記実験結果より、円環状突起３７の高さ
ｈ／Ｄが０．０１以下ではさほど効果がないが、０．０
１以上では上部出口管３２からの水の流出量は円環状突
起３７が無いときに較べて１／７以下になることがわか
る。ただし、円環状突起３７の高さをあまり高くする
と、胴体３０の断面積が小さくなり、上昇速度が遅くな
ってしまうので、必要以上に高くするのは逆効果であ
る。

【００２７】次に、円環状突起３７の設置位置を変え
て、上部出口管３２から流出する水の量を調べた結果を
図７に示す。図７において、流入管３１近傍の速度分布
は流入管３１の内径ｄと円環状突起３７と流入管３１開
口端との距離Ｘとで整理できると考え、横軸はＸ／ｄに
とっている。縦軸は流入した全水量ＷＡと上部出口管３
２より流出した水量Ｗ０との比である。また円環状突起
３７が無いときの上部出口管３２からの流出量を破線で
示す。

【００２８】図７より、Ｘ／ｄが２から９の範囲では、
円環状突起３７の位置に関係なく、上部出口管３２から
流出する水の流出量は、円環状突起３７が無い場合の約
１／７となることがわかった。さらに、Ｘ／ｄが０．５
の場合、上部出口管３２の流出量は１／６０以下とな
り、ほとんど水が流出しなくなることがわかった。

【００２９】上記実験結果は、現状の流入管内蒸気流速
および気水分離器２４の内径を基に行ったものであり、
これらの値が変わった場合、上述した円環状突起３７の
最適位置が変化すると考えられる。この場合、気水分離
器２４内の流れを観察し、流入管３１の下側に形成され
る下降旋回流３４と上側に形成される上昇旋回流３５と
の間の遷移領域３６内に円環状突起３７を設置すれば、
上述したと同様な効果が得られる。

【００３０】次に、本発明の他の実施例について説明す
る。

【００３１】図８は、円環状突起３７の代わりに、胴体
３０の遷移領域３６内に複数の突起３８を円環状に配置
したものであり、他の構成は図１のものと同様であるの
で、同一のものには同一符号を付してそれらの説明は省
略する。本実施例においても、複数の突起３８によっ
て、遷移領域３６内にガス流速の遅い領域を形成するこ
とができるため、水滴の上昇を防止し、上部出口管３２
から水が流出するのを防止することができる。

【００３２】また図１に示す実施例においては、流入管
３１として６本設けたものについて述べたが、図９に示
すように、流入管３１を４本設けたり、あるいは図１０
に示すように、流入管３１を２本設けた場合でも、遷移
領域３６内に円環状突起３７を設けることによって前記
実施例と同様な効果を得ることができる。

【００３３】また円環状突起３７として、図１では、そ
の断面が略正方形形状のものについて述べたが、図１に
示すように、円環状突起３７として、その断面が半円形
形状のものを用いたり、あるいは図１２に示すように、
その断面が略Ｌ字形状に形成されたものを用いることも
できる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
胴体内に円環状突起を形成し、流入管から胴体内に流入
した流体のうち液体の上昇移動を防止するようにしたた
め、流入管から胴体内に流入される流体の流入量が増大
しても気液二相流体を気体と液体とに完全に分離し、液
体排出用出口管から液体が流出するのを防止することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す全体構成図である。

【図２】図１の要部断面図である。

【図３】図１の底面図である。

【図４】本発明の要部構成図である。

【図５】乾き度と流出量との関係を示す特性図である。

【図６】円環状突起の高さと上部出口管から流出する水
量との関係を示す図である。

【図７】円環状突起の位置と上部出口管から流出する水
量との関係を示す図である。

【図８】本発明の他の実施例を示す要部構成図である。

【図９】流入管が４本のときの実施例を示す図である。

【図１０】流入管が２本のときの実施例を示す図であ
る。

【図１１】本発明の他の実施例を示す要部断面図であ
る。

【図１２】本発明の他の実施例を示す要部断面図であ
る。

【図１３】変圧運転ボイラシステムの全体構成図であ
る。

【図１４】ボイラ負荷とエンタルピーとの関係を示す特
性図である。

【図１５】従来例の構成図である。

【図１６】従来例を用いて水流実験を行ったときの状態
を説明するための図である。

【図１７】従来例を用いて水流実験を行ったときの乾き
度と流出量との関係を示す図である。

【符号の説明】

３０ 胴体 ３１ 流入管 ３２ 上部出口管 ３３ 下部出口管 ３４ 下降旋回流 ３５ 上昇旋回流 ３６ 遷移領域 ３７ 円環状突起

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体通路を構成する胴体の上部側に気体
   排出用出口管が接続され、胴体の底部側に液体排出用出
   口管が接続され、胴体の中ほどに胴体内へ流体を導入す
   る流入管が接続され、胴体の内壁に流入管から導入され
   た流体の上昇移動を抑制する円環状突起が形成されてい
   る気液分離器。
2. 【請求項２】 円環状突起は、胴体内の領域のうち流入
   管接続部より底部側に形成される下向きの旋回流と流入
   管接続部より上部側に形成される上向きの旋回流との間
   の遷移領域内に形成されている請求項１記載の気液分離
   器。
3. 【請求項３】 胴体内を臨む流入管の開口端と円環状突
   起との距離は流入管の内径の０．１倍〜１．０倍に設定
   されている請求項１または２記載の気液分離器。
4. 【請求項４】 円環状突起の胴体壁面からの高さは胴体
   の内径の１／１００以上に設定されている請求項１、２
   または３記載の気液分離器。