WO2007037022A1 - 流体混合領域を有する配管 - Google Patents

流体混合領域を有する配管 Download PDF

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WO2007037022A1
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WO
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pipe
fluid
reducer
temperature water
mixing region
Prior art date
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PCT/JP2005/022848
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Yoshiyuki Kondo
Koichi Tanimoto
Shigeki Suzuki
Yoshikazu Nitta
Toshikatsu Hasunuma
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
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Publication date
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/30—Injector mixers
    • B01F25/31—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows
    • B01F25/313—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced in the centre of the conduit
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F2025/91—Direction of flow or arrangement of feed and discharge openings
    • B01F2025/913—Vortex flow, i.e. flow spiraling in a tangential direction and moving in an axial direction

Definitions

  • the present invention relates to a pipe having a fluid mixing region suitable for use in, for example, a nuclear power plant or the like, in which fluids of different temperatures are mixed.
  • plants such as nuclear power plants and thermal power plants are provided with a number of pipes through which high-temperature water and low-temperature water flow.
  • branch pipes are connected so as to be orthogonal to the main pipe, and there is a fluid mixing region where low temperature water flowing through the branch pipe joins high temperature water flowing through the main pipe (of course, low temperature water is contained in the main pipe).
  • a fluid mixing region where low temperature water flowing through the branch pipe joins high temperature water flowing through the main pipe (of course, low temperature water is contained in the main pipe).
  • a fluid mixing region a temperature boundary surface is formed between high-temperature water and low-temperature water, and the position of this temperature boundary surface fluctuates (temperature fluctuation), so that the thermal fatigue of the metal constituting the pipe There is a problem of inviting. In order to avoid such thermal fatigue, it is necessary to quickly mix the high temperature water and the low temperature water.
  • Patent Document 1 the upstream end of the reducer is fixed to the inner peripheral wall of the branch pipe, and the reducer downstream end with a narrowed inner diameter is arranged on the central axis of the main pipe, so that the branch pipe that flows out of the reducer A technique for promoting mixing of low temperature water with high temperature water flowing through a main pipe is disclosed.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-16686 (FIGS. 10, 13, and 14)
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and prevents thermal fatigue due to fluctuations in the temperature boundary surface of a pipe having a fluid mixing region in which fluids of different temperatures are mixed.
  • the purpose is to stop.
  • the pipe having a fluid mixing region of the present invention employs the following means.
  • the pipe having the fluid mixing region according to the first aspect of the present invention has a tip portion disposed substantially on the central axis of the first pipe and has a temperature different from that of the outer fluid flowing outside the tip portion.
  • the pipe is formed with a welded portion to which the tip is connected, and the distance between the weld and the downstream end of the tip is equal to or greater than the inner diameter of the first pipe.
  • the distance between the welded portion and the downstream end of the distal end portion of the inner pipe is set to be equal to or larger than the inner diameter of the first pipe.
  • the pipe having the fluid mixing region according to the second aspect of the present invention has a tip portion disposed substantially on the center axis of the first pipe and has a temperature different from that of the outer fluid flowing outside the tip portion.
  • a reduced diameter portion having an inner diameter smaller than the upstream side is provided at the downstream end of the distal end portion of the inner pipe.
  • the reduced diameter portion is provided at the downstream end of the distal end portion of the inner tube, the inner fluid flowing inside the inner tube is further accelerated at the reduced diameter portion. As a result, the outer fluid can be prevented from flowing back into the inner tube.
  • a swirl force around the central axis is applied to the outer fluid to facilitate fluid mixing. It is good also as providing the turning means to give in an upstream rather than the downstream end of an inner pipe.
  • the pipe having the fluid mixing region according to the third aspect of the present invention has a tip portion disposed substantially on the central axis of the first pipe and has a temperature different from that of the outer fluid flowing outside the tip portion.
  • An inner pipe through which the inner fluid flows, and a pipe having a fluid mixing region where the outer fluid and the inner fluid are mixed on the downstream side of the inner pipe. Is provided with an inner cylinder in which a downstream end is disposed on the downstream side of the downstream end of the inner tube, and a gap is formed between the inner tube and the inner wall of the inner tube.
  • An inner cylinder is provided inside the inner pipe, and a gap is formed between the inner wall of the inner pipe and the inner cylinder.
  • the inner fluid is separated into an outer peripheral flow that flows between the outer side of the inner cylinder and the inner side of the inner pipe, and a central flow that flows inside the inner cylinder.
  • peripheral flow Since the peripheral flow is separated from the central flow, it is a thin layer. This promotes mixing with the outer fluid.
  • downstream end of the inner cylinder is arranged downstream of the downstream end of the inner tube, the outer peripheral flow and the outer fluid are first mixed, and then the central flow and the outer fluid are mixed. It was decided to perform mixing. This further promotes mixing with the outer fluid.
  • a swiveling means that applies a swiveling force around the central axis to the fluid is fixed between the inner peripheral wall of the inner pipe and the outer peripheral wall of the inner cylinder. Ms.
  • the turning means By the turning means, a turning force can be applied to the outer peripheral portion of the inner fluid flowing between the outer side of the inner cylinder and the inner side of the inner tube. This facilitates mixing with the outer fluid. Further, since the turning means is provided between the inner peripheral wall of the inner tube and the outer peripheral wall of the inner cylinder and the inner cylinder is fixed by the turning means, the support of the inner cylinder can be ensured.
  • the pipe having the fluid mixing region according to the fourth aspect of the present invention has a tip portion disposed substantially on the central axis of the first pipe, and has a temperature different from that of the outer fluid flowing outside the tip portion.
  • An inner pipe through which an inner fluid flows, and the outer flow is provided downstream of the inner pipe.
  • the first pipe is provided with a bent portion, and the inner pipe extends to the downstream side of the bent portion. Yes.
  • the bent portion When the bent portion is formed in the first pipe, if the mixed region of the inner fluid and the outer fluid exists on the upstream side of the bent portion, the fluid that is not sufficiently mixed becomes in the bent portion. There is a risk of collision. This may cause temperature fluctuations at the bent portion, which may cause thermal stress or thermal fatigue.
  • an inner pipe extending to the downstream side of the bent portion is provided, and the fluid mixing region is arranged on the downstream side of the bent portion. This prevents thermal fatigue at the bend.
  • a swiveling means that applies a swiveling force around the central axis to the fluid is fixed between the inner peripheral wall of the first pipe and the outer peripheral wall of the inner pipe. I like it.
  • the turning means can apply a turning force to the outer fluid flowing between the outside of the inner pipe and the inside of the first pipe. This facilitates mixing.
  • the support rigidity of the inner pipe may become a problem. Therefore, in the present invention, since the turning means is provided between the inner peripheral wall of the first pipe and the outer peripheral wall of the inner pipe, and the inner pipe is fixed by the turning means, the support rigidity of the inner pipe is increased. Can do.
  • a second pipe for guiding the inner fluid is connected to an outer wall of the first pipe, and an inner peripheral wall of the second pipe is The upstream end of the inner pipe is fixed.
  • the fluid flowing through the second pipe flows into the inner pipe and is mixed with the outer fluid that is guided to the inner pipe and flows through the first pipe.
  • the inner pipe since the inner pipe is connected to the inner peripheral wall of the second pipe, the inner diameter of the inner pipe is set smaller than the inner diameter of the second pipe. Therefore, the inner pipe functions as a reducer.
  • each of the pipes of the first to fourth aspects described above is provided on the outer wall of the first pipe.
  • a second pipe for guiding the inner fluid is connected, and an upstream end of the inner pipe is fixed to an inner peripheral wall of the first pipe.
  • the fluid flowing through the first pipe flows into the inner pipe, is guided to the inner pipe, and is mixed with the outer fluid from the second pipe that flows into the first pipe.
  • the inner pipe since the inner pipe is connected to the inner peripheral wall of the first pipe, the inner diameter of the inner pipe is set smaller than the inner diameter of the first pipe. Therefore, the inner pipe functions as a reducer.
  • the distance between the welded portion and the downstream end of the inner pipe is appropriately set so that temperature fluctuation does not occur in the vicinity of the welded portion. It is possible to prevent thermal fatigue of the part.
  • the inner pipe extending to the downstream side of the bent portion is provided for the first pipe having the bent portion, and the fluid mixing region is formed on the downstream side of the bent portion. Therefore, thermal fatigue at the bent portion can be prevented.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows the effect of the first embodiment of the present invention
  • (a) is a graph showing the dimensionless temperature fluctuation width in the reducer
  • (b) is a graph showing the parameters of the dimensionless temperature fluctuation width. It is.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a modification of FIG.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a modification of FIG.
  • FIG. 7 (a) is a longitudinal sectional view showing a fourth embodiment of the present invention, and (b) is a longitudinal sectional view showing a reference example.
  • FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing a modification of FIG. 7 (a).
  • FIG. 9 is a longitudinal sectional view showing a modification of each embodiment.
  • FIG. 1 shows a pipe 1 having a fluid mixing region M.
  • the pipe 1 is composed of a main pipe (first pipe) 2 and a branch pipe (second pipe) 3.
  • the main pipe 2 is made of metal with high-temperature water (high-temperature fluid) flowing from the lower side to the upper side, and has an inner diameter strength.
  • the branch pipe 3 is connected so as to be orthogonal to the outer wall of the main pipe 2.
  • the branch pipe 3 is made of metal, and low temperature water (low temperature fluid) having a temperature lower than that of the high temperature water flowing in the main pipe 2 flows through the branch pipe 3.
  • the low-temperature water flowing in the branch pipe 3 flows from right to left in the figure, passes through the reducer (inner pipe) 5, and flows out from the downstream end 5 a of the reducer 5 into the main pipe 2.
  • the reducer 5 has an upstream end 5 b fixed to the inner wall of the branch pipe 3.
  • the reducer 5 is connected to the funnel-shaped portion 5c whose inner diameter gradually decreases from the upstream end 5b toward the downstream, the elbow portion 5d connected to the funnel-shaped portion 5c and bent at a right angle, and the elbow portion 5d. And a distal end portion 5e extending linearly to the downstream end 5a.
  • the tip portion 5e and the elbow portion (downstream portion located downstream with respect to the funnel-like portion 5c) 5d are connected by welding, and a weld line (welded portion) 5f is formed at this connection location.
  • the length from the downstream end 5a of the tip 5e to the weld line 5f is equal to or greater than the inner diameter D of the main pipe. Further, the inner diameter of the tip 5e is 0.3 to 0.7 times the inner diameter D of the main pipe 2.
  • a concave shaped portion 6 is provided between the inner wall of the branch pipe 3 and the outer wall of the reducer 5.
  • a stagnation region T is formed at the connection portion between the main pipe 2 and the branch pipe 3.
  • the high-temperature water in the main pipe 2 stagnates so that no new high-temperature water is supplied, and heat is released from the high-temperature water staying in this region T to the low-temperature water side. .
  • temperature fluctuation is reduced by forming a so-called thermal sleep.
  • the low-temperature water flowing in the main pipe 2 flows upward through the outer periphery of the reducer 5. In the stagnation region T formed at the connection between the main pipe 2 and the branch pipe 3, a part of the high-temperature water stays.
  • the low-temperature water flowing in the branch pipe 3 flows from the upstream end 5b of the reducer 5 into the funnel-shaped portion 5c.
  • the temperature of the low-temperature water is increased accordingly.
  • the low-temperature water that has passed through the funnel-shaped part 5c is bent at a right angle in the elbow part 5d and then flows to the tip part 5e. And low temperature water flows out from the downstream end 5a of the front-end
  • the low temperature water flowing out from the downstream end 5a is mixed in the mixing section M with the high temperature water flowing on the outer peripheral side of the reducer 5.
  • the flow rate of the low-temperature water at the downstream end 5a of the reducer 5 is smaller than the flow rate of the high-temperature water at the same position. It flows backward from the downstream end 5a to the upstream side.
  • temperature fluctuation based on temperature fluctuations occurs at the tip 5 e of the reducer 5.
  • the length from the downstream end 5a of the reducer 5 to the weld line 5f is equal to or larger than the inner diameter D of the main pipe 2, the high temperature fluid does not reach the weld line 5f. Therefore, there is no formation of a temperature interface with position fluctuations near the weld line 5f, which has weaker fatigue strength than non-welded parts where welding is not performed. Can be prevented.
  • FIG. 2 shows an experimental result showing the effect of the present embodiment.
  • the flow rate ratio (Ub / Um) obtained by dividing the low-temperature water flow rate Ub by the high-temperature water flow rate Um is 0, where Um is the flow rate of the high-temperature water flowing in the main pipe 2 and Ub is the flow rate of the low-temperature water flowing in the branch pipe 3. No more than 05.
  • the high-temperature water flow rate Um indicates the flow rate upstream of the connecting portion with the branch pipe 2, and the low-temperature water flow rate Ub indicates the flow rate before flowing into the reducer 5. Therefore, each flow velocity at the reducer downstream end 5a is increased as the flow path area decreases. However, at the downstream end 5a of reducer 5, if the hot water flow velocity Um is larger than the cold water flow velocity Ub, Re, the relationship has changed. In this experiment, the flow rate ratio at the reducer downstream end 5a is about 0.1.
  • FIG. 2 (a) shows the dimensionless temperature fluctuation width T * in the reducer 5 at a position away from the downstream end 5a of the reducer 5 by a predetermined distance upstream.
  • the dimensionless temperature fluctuation range T * is defined by the following equation.
  • T * (T-Tb) / (Tm-Tb)
  • T is the fluid temperature
  • Tm is the temperature of the high-temperature water flowing in the main pipe 2
  • Tb is the temperature of the low-temperature water flowing in the branch pipe 3.
  • Figure 2 (b) shows the relationship between the fluctuating fluid temperature T and the high and low temperature water temperatures Tm and Tb.
  • the dimensionless temperature fluctuation width at the circumferential position ⁇ of the tip 5e of the reducer 5 is shown.
  • the non-dimensional temperature fluctuation range T regardless of the circumferential position ⁇ * Is 0.5.
  • the dimensionless temperature fluctuation range regardless of the circumferential position ⁇ . Becomes 0.
  • the length from the reducer downstream end 5a to the weld line 5f is set to be equal to or larger than the inner diameter D of the main pipe 2 as in this embodiment, the high-temperature fluid can reach the weld line 5. It is possible to prevent the weld line 5f from being damaged due to thermal fatigue.
  • This embodiment is different from the first embodiment in that the reduced diameter portion 5g is provided at the tip portion 5e of the reducer 5, and the other points are the same. Therefore, the description of the same configuration is omitted.
  • a reduced diameter portion 5g having an inner diameter smaller than that of the upstream side is provided on the downstream end side of the tip portion 5e of the reducer 5. Therefore, the low-temperature water flowing through the branch pipe 3 and guided into the reducer 5 is further accelerated at the reduced diameter portion 5g. Therefore, the high-temperature water flowing outside the reducer 5 is prevented from flowing back into the reducer 5. As a result, the temperature boundary surface does not reach the inside of the reducer 5 deeply, so that there is no risk of damage due to thermal fatigue of the weld line 5f.
  • FIG. 4 shows a modification of the present embodiment. That is, in addition to the configuration shown in FIG. 3, a turning vane (swinging means) 8 is provided in the main pipe 2 upstream of the connecting portion with the branch pipe 3.
  • the swirling vane 8 imparts a rotating force to the high-temperature fluid flowing in the main pipe 2 around the axis of the main pipe 2.
  • the high-temperature fluid flowing in the main pipe 2 flows in a swirling state outside the reducer 5, so that mixing with the low-temperature fluid flowing out from the reducer 5 is promoted in the fluid mixing region M.
  • This embodiment differs from the first embodiment in that an inner cylinder 10 is installed at the tip of the reducer 5, and the other points are the same. Therefore, the description of the same configuration is omitted.
  • the inner cylinder 10 is inserted into the tip 5 e of the reducer 5.
  • the downstream end 10 a of the inner cylinder 10 is disposed downstream of the downstream end 5 a of the reducer 5.
  • a gap having a ring-shaped cross section is formed between the outer peripheral wall of the inner cylinder 10 and the inner peripheral wall of the tip 5e of the reducer 5.
  • the inner cylinder 10 is provided inside the reducer 5, and the gap is formed between the inner peripheral wall of the reducer 5 and the outer peripheral wall of the inner cylinder 10.
  • the low-temperature water flowing through the inner cylinder 10 is separated into an outer peripheral flow flowing between the outer side of the inner cylinder 10 and the inner side of the reducer 5 and a central flow flowing inside the inner cylinder 10.
  • the outer peripheral flow Since the outer peripheral flow is separated from the central flow by the inner cylinder 10, it becomes a thin layer. Thereby, mixing of the outer peripheral flow that flows out from the downstream end of the reducer 5 and the high-temperature water that flows outside the reducer 5 is promoted.
  • the central flow flowing out from the downstream end 10a of the inner cylinder 10 is separated into the outer peripheral flow force by the inner cylinder 10, so that it has a small cross-sectional area (L). Thereby, mixing with high temperature water is accelerated
  • downstream end 10a of the inner cylinder 10 is arranged downstream of the downstream end 5a of the reducer 5, the outer peripheral flow and the hot water are first mixed, and then the central flow and the hot water are mixed. Thus, mixing was performed in two stages. This further promotes mixing with hot water.
  • FIG. 6 shows a modification of the present embodiment. That is, the rotating vane 12 is fixed between the outer peripheral wall of the inner cylinder 10 and the inner peripheral wall of the reducer 5 in addition to the configuration of FIG.
  • a swirl force can be applied to the outer peripheral flow of the low temperature water flowing between the outside of the inner cylinder 10 and the inside of the reducer 5. This promotes mixing with hot water.
  • a rotating vane is provided between the inner peripheral wall of the reducer 5 and the outer peripheral wall of the inner cylinder 10, and the inner cylinder 10 is fixed by the rotating vane 12. Therefore, the inner cylinder 10 is supported securely. Can be done.
  • the relationship between the flow rate of high-temperature water flowing in the main pipe 2 and the flow rate of low-temperature water flowing in the branch pipe 3 is reversed. It is okay. That is, the flow rate of the high-temperature water flowing in the main pipe 2 may be smaller than the flow rate of the low-temperature water flowing in the branch pipe 3.
  • This embodiment is different from the first embodiment in that the downstream side of the main pipe 2 and the downstream side of the reducer 5 are bent, and the other points are the same. Therefore, the description of the same configuration is omitted.
  • the present embodiment is for a case where the downstream side of the main pipe 2 is bent.
  • the distal end portion 5e of the reducer 5 is extended so as to extend to the downstream side of the bent portion 2a of the main pipe 2.
  • the bending portion 5h is provided at the reducer tip portion 5e, and the downstream end 5a thereof is arranged on the downstream side of the bending portion 2a of the main pipe 2, whereby the fluid mixing region M is formed on the bending portion 2a of the main pipe 2. It was decided to place it downstream. This prevents thermal fatigue at the bent portion 2a of the main pipe 2 as shown in FIG. 7 (b).
  • FIG. 8 shows a modification of the present embodiment. That is, in addition to the configuration of FIG. 7 (a), a turning vane (turning means) 14 is fixed between the inner peripheral wall of the main pipe 2 and the outer peripheral wall of the reducer 5.
  • the turning vane 14 is preferably provided on the upstream side of the bent portion 5h at the tip portion 5e of the reducer 5.
  • the reducer 5 extends to the downstream side of the bent portion 2a of the main pipe 2, the support rigidity of the tip portion 5e of the reducer 5 may become a problem.
  • the rotating vane 14 is provided between the inner peripheral wall of the main pipe 2 and the outer peripheral wall of the reducer 5, and the reducer tip 5e is fixed by the rotating vane 14.
  • the support rigidity of 5 can be increased.
  • the relationship between the flow rate of high-temperature water flowing in the main pipe 2 and the flow rate of low-temperature water flowing in the branch pipe 3 is reversed. It is okay. That is, the flow rate of the high-temperature water flowing in the main pipe 2 may be smaller than the flow rate of the low-temperature water flowing in the branch pipe 3.
  • the high temperature water flows in the main pipe 2 and the low temperature water flows in the branch pipe 3.
  • the present invention is not limited to this.
  • the structure may be such that low temperature water flows inside and the high temperature water flows inside the branch pipe 3.
  • the force described using water as an example of the fluid flowing in the main pipe 2 and the branch pipe 3 is not limited to this.
  • the configuration in which the upstream end 5b of the reducer 5 is connected to the inner peripheral wall of the branch pipe 3 has been described.
  • the present invention is not limited to this, for example, as shown in FIG.
  • the upstream end 5b may be connected to the inner peripheral wall of the main pipe 2.

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Abstract

　異なる温度の流体が混合する流体混合領域を有する配管に対して、温度境界面の変動による熱疲労を防止することを目的とする。主管２の略中心軸線上に先端部５ｅが配置され、先端部５ｅの外側を流れる高温水とは異なる温度を有し高温水よりも流速が小さい低温水が流れるレデューサ５を備え、レデューサ５の下流側にて高温水と低温水とが混合される流体混合領域Ｍを有する配管１において、レデューサ５には、先端部５ｅとエルボ部ｄとを接続する溶接線５ｆが形成され、溶接部５ｆと下流端５ａとの距離は、主管２の内径Ｄ以上とされている。

Description

明 細 書
流体混合領域を有する配管
技術分野
[0001] 本発明は、例えば原子力発電プラント等に用いられて好適な、異なる温度の流体 が混合する流体混合領域を有する配管に関するものである。
背景技術
[0002] 例えば原子力発電プラントや火力発電プラント等のプラントには、高温水や低温水 が流れる多数の配管が設けられている。これらの配管には、主管に対して直交するよ うに分岐管が接続され、主管を流れる高温水に対して分岐管を流れる低温水が合流 する流体混合領域が存在する (もちろん、主管に低温水が流れ、分岐管に高温水が 流れる構成であってもよい。）。このような流体混合領域では、高温水と低温水との間 に温度境界面が形成され、この温度境界面の位置が変動する（温度揺らぎ）ことによ り、配管を構成する金属の熱疲労を招くという問題がある。このような熱疲労を回避す るために、高温水と低温水との混合を速やかに行わせる必要がある。
[0003] 特許文献 1には、分岐管の内周壁にレデューサの上流端を固定し、内径を絞った レデューサ下流端を主管の中心軸線上に配置することにより、レデューサから流出す る分岐管からの低温水と主管を流れる高温水との混合を促進する技術が開示されて いる。
また、主管内に配置されたレデューサに、主管を流れる流体に旋回力を与えるガイ ドベーンを設け、さらに流体の混合を促進する技術も開示されている。
[0004] 特許文献 1 :特開 2005— 16686号公報（図 10，図 13及び図 14)
発明の開示
[0005] しかし、特許文献 1に記載された技術によれば、流体の混合は促進されるものの、 配管の各所の発生する温度境界面の変動を完全に防止することは困難である。した がって、温度境界面の変動に起因する熱疲労をより低減する対策が望まれている。
[0006] 本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、異なる温度の流体が混 合する流体混合領域を有する配管に対して、温度境界面の変動による熱疲労を防 止することを目的とする。
[0007] 上記課題を解決するために、本発明の流体混合領域を有する配管は以下の手段 を採用する。
すなわち、本発明の第 1態様にかかる流体混合領域を有する配管は、第 1配管の 略中心軸線上に先端部が配置され、該先端部の外側を流れる外側流体とは異なる 温度を有し該外側流体よりも流速が小さい内側流体が内部を流れる内管と、を備え、 該内管の下流側にて前記外側流体と前記内側流体とが混合される流体混合領域を 有する配管において、前記内管には、前記先端部が接続される溶接部が形成され、 該溶接部と前記先端部の下流端との距離は、前記第 1配管の内径以上とされている
[0008] 外側流体の流速よりも内管を流れる内側流体の流速の方が小さいので、内管の内 部に外側流体が逆流してくる。内管の内部へと逆流した外側流体が内管の溶接部近 傍に到達すると、溶接部において温度変動に基づく温度揺らぎが生じ、熱疲労が発 生する。溶接部は溶接が行われていない非溶接部に比べて疲労強度が弱く破損に 至り易いので、これでは寿命の低下を来してしまう。
そこで、本発明では、溶接部と内管の先端部の下流端との距離を、第 1配管の内径 以上に設定することとした。これにより、逆流した外側流体が溶接部近傍に到達する ことを防止することができ、熱疲労による溶接部の破損を防止することができる。
[0009] また、本発明の第 2態様にかかる流体混合領域を有する配管は、第 1配管の略中 心軸線上に先端部が配置され、該先端部の外側を流れる外側流体とは異なる温度 を有し該外側流体よりも流速が小さい内側流体が内部を流れる内管と、を備え、該内 管の下流側にて前記外側流体と前記内側流体とが混合される流体混合領域を有す る配管において、前記内管の先端部の下流端には、その上流側よりも内径が小さくさ れた縮径部が設けられている。
[0010] 内管の先端部の下流端に縮径部を設けることとしたので、内管の内部を流れる内 側流体は縮径部にて更に加速されることになる。これにより、外側流体が内管の内部 へと逆流することを防止できる。
さらに、流体の混合を促進するために、外側流体に対して中心軸線周りに旋回力を 与える旋回手段を、内管の下流端よりも上流側に設けることとしても良い。
[0011] また、本発明の第 3態様にかかる流体混合領域を有する配管は、第 1配管の略中 心軸線上に先端部が配置され、該先端部の外側を流れる外側流体とは異なる温度 を有する内側流体が内部を流れる内管と、を備え、該内管の下流側にて前記外側流 体と前記内側流体とが混合される流体混合領域を有する配管において、前記内管の 内部には、その下流端が前記内管の下流端よりも下流側に配置されるとともに、該内 管の内壁との間に隙間が形成された内筒が設けられている。
[0012] 内管の内部に内筒を設け、内管の内壁と内筒との間に隙間を形成することとした。
これにより、内側流体は、内筒の外側と内管の内側との間を流れる外周流れと、内筒 の内部を流れる中心流れとに分離される。
外周流れは、中心流れから分離されているので、厚さの薄い層となっている。これ により、外側流体との混合が促進される。
一方、内筒の下流端から流出する中心流れは、外周流れから分離されているので 、小さい横断面積を有する（レ、わゆる細い）流れとなっている。これにより、外側流体と の混合が促進される。
さらに、内筒の下流端を内管の下流端よりも下流側に配置したので、先ず外周流れ と外側流体とを混合させ、次いで、中心流れと外側流体とを混合させるようにして、二 段階で混合を行うこととした。これにより、外側流体との混合がより促進される。
[0013] さらに、上記配管では、前記内管の内周壁と前記内筒の外周壁との間に、流体に 対して前記中心軸線周りに旋回力を与える旋回手段が固定されていることが好まし レ、。
[0014] 旋回手段によって、内筒の外側と内管の内側との間を流れる内側流体の外周部分 に対して旋回力を与えることができる。これにより、外側流体との混合が促進される。 また、内管の内周壁と内筒の外周壁との間に旋回手段を設け、内筒を旋回手段に よって固定することとしたので、内筒の支持を確実にすることができる。
[0015] また、本発明の第 4態様にかかる流体混合領域を有する配管は、第 1配管の略中 心軸線上に先端部が配置され、該先端部の外側を流れる外側流体とは異なる温度 を有する内側流体が内部を流れる内管と、を備え、該内管の下流側にて前記外側流 体と前記内側流体とが混合される流体混合領域を有する配管において、前記第 1配 管には、屈曲部が設けられており、前記内管は、前記屈曲部の下流側まで延在して いる。
[0016] 第 1配管に屈曲部が形成されている場合に、内側流体と外側流体との混合領域が 屈曲部よりも上流側に存在すると、混合が十分に行われていない流体が屈曲部に衝 突するおそれがある。これでは、屈曲部に温度揺らぎが生じ、熱応力ないし熱疲労が 発生するおそれがある。
そこで、本発明では、屈曲部の下流側まで延在する内管を設けることとし、流体混 合領域を屈曲部の下流側に配置することとした。これにより、屈曲部における熱疲労 が防止される。
[0017] さらに、上記配管では、前記第 1配管の内周壁と前記内管の外周壁との間に、流体 に対して前記中心軸線周りに旋回力を与える旋回手段が固定されていることが好ま しい。
[0018] 旋回手段によって、内管の外側と第 1配管の内側との間を流れる外側流体に対して 旋回力を与えることができる。これにより、混合が促進される。
また、内管は屈曲部の下流側まで延在しているので、内管の支持剛性が問題とな るおそれがある。そこで、本発明では、第 1配管の内周壁と内管の外周壁との間に旋 回手段を設け、内管を旋回手段によって固定することとしたので、内管の支持剛性を 増大させることができる。
[0019] さらに、上述した第 1乃至第 4態様の各配管は、前記第 1配管の外壁には、前記内 側流体を導く第 2配管が接続され、該第 2配管の内周壁には、前記内管の上流端が 固定されている。
[0020] 第 2配管を流れる流体は、内管へと流れ込み、この内管に導かれて第 1配管内を流 れる外側流体と混合されることになる。
また、内管は、第 2配管の内周壁に接続されているので、内管の内径は第 2配管の 内径よりも小さく設定されることになる。したがって、内管はレデューサとしての機能を 果たす。
[0021] あるいは、上述した第 1乃至第 4態様の各配管は、前記第 1配管の外壁には、前記 内側流体を導く第 2配管が接続され、前記第 1配管の内周壁には、前記内管の上流 端が固定されている。
[0022] 第 1配管を流れる流体は、内管へと流れ込み、この内管に導かれ、第 1配管内に流 れ込んだ第 2配管からの外側流体と混合されることになる。
また、内管は、第 1配管の内周壁に接続されているので、内管の内径は第 1配管の 内径よりも小さく設定されることになる。したがって、内管はレデューサとしての機能を 果たす。
[0023] 第 1態様にかかる配管によれば、溶接部と内管の下流端との距離を適切に設定し、 溶接部近傍に温度変動を来さないようにしたので、疲労強度の弱い溶接部の熱疲労 を防止すること力できる。
第 2態様に力かる配管によれば、内管の下流端に縮径部を設けて流体の混合を促 進させることにより、温度変動を低減し、熱疲労を防止することができる。
第 3態様に力かる配管によれば、内管の先端に内筒を設けて流体の混合を促進さ せることにより、温度変動を低減し、熱疲労を防止することができる。
第 4態様に力かる配管によれば、屈曲部を有する第 1配管に対して、この屈曲部の 下流側まで延在する内管を設け、流体混合領域を屈曲部の下流側に形成することと したので、屈曲部における熱疲労を防止することができる。
図面の簡単な説明
[0024] [図 1]本発明の第 1実施形態を示した縦断面図である。
[図 2]本発明の第 1実施形態の効果を示し、 (a)にはレデューサ内の無次元温度変動 幅を示したグラフであり、 (b)は無次元温度変動幅のパラメータを示す図である。
[図 3]本発明の第 2実施形態を示した縦断面図である。
[図 4]図 3の変形例を示した縦断面図である。
[図 5]本発明の第 3実施形態を示した縦断面図である。
[図 6]図 5の変形例を示した縦断面図である。
[図 7] (a)は本発明の第 4実施形態を示した縦断面図であり、 (b)は参考例を示した 縦断面図である。
[図 8]図 7 (a)の変形例を示した縦断面図である。 [図 9]各実施形態の変形例を示した縦断面図である。
発明を実施するための最良の形態
[0025] 以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
[第 1実施形態]
以下、本発明の第 1実施形態について、図 1を用いて説明する。
図 1には、流体混合領域 Mを有する配管 1が示されてレ、る。
配管 1は、主管（第 1配管） 2と、分岐管（第 2配管） 3とによって構成されている。 主管 2は、同図において下方から上方へと高温水（高温流体）が流れており、内径 力 ¾とされた金属製とされてレ、る。
[0026] 分岐管 3は、主管 2の外壁に対して直交するように接続されてレ、る。分岐管 3は金属 製とされ、その内部には、主管 2内を流れる高温水よりも低い温度の低温水（低温流 体）が流れる。分岐管 3内を流れる低温水は、図において右方から左方へと流れ、レ デューサ（内管） 5内を通り、レデューサ 5の下流端 5aから主管 2内へと流出する。 レデューサ 5は、上流端 5bが分岐管 3の内壁に固定されている。レデューサ 5は、 上流端 5bから下流に向かって、内径が漸次減少する漏斗状部 5cと、この漏斗状部 5 cに接続されて直角に屈曲するエルボ部 5dと、このエルボ部 5dに接続されて下流端 5aまで直線状に延在する先端部 5eとを有してレ、る。
先端部 5eとエルボ部（漏斗状部 5cに対して下流に位置する下流部） 5dとは溶接に よって接続されており、この接続箇所には溶接線 (溶接部） 5fが形成されている。 先端部 5eの下流端 5aから溶接線 5fまでの長さは、主管の内径 D以上とされている 。また、先端部 5eの内径は、主管 2の内径 Dの 0. 3〜0. 7倍とされている。
[0027] なお、分岐管 3の内壁とレデューサ 5の外壁との間には、凹面形状部 6が設けられ ている。この凹面形状部 6によって、主管 2と分岐管 3との接続部に淀み領域 Tが形 成される。この淀み領域 Tで主管 2の高温水が淀むようになり、新たな高温水が供給 されないようにするとともに、この領域 Tに滞留した高温水から低温水側に熱を放出さ せるようになつている。このように、いわゆるサーマルスリープを形成することにより、温 度変動を少なくしている。
[0028] 上記構成の配管 1によれば、主管 2内を高温水が下方から上方へと流れ、分岐管 3 内を低温水が右方から左方へと流れる。主管 2内を流れる高温水の流速は、分岐管 3内を流れる低温水の流速よりも大きいものとされる。
主管 2内を流れる低温水は、レデューサ 5の外周を通り上方へと流れる。主管 2と分 岐管 3との接続部に形成された淀み領域 Tでは、一部の高温水が滞留する。
[0029] 分岐管 3内を流れる低温水は、レデューサ 5の上流端 5bから漏斗状部 5cへと流れ 込む。漏斗状部 5cでは、内径が漸次減少しているので、これに伴い、低温水は増速 される。漏斗状部 5cを通過した低温水は、エルボ部 5dにて進行方向を直角に曲げら れた後、先端部 5eへと流れる。そして、低温水は、先端部 5eの下流端 5aから流出す る。
下流端 5aから流出した低温水は、レデューサ 5の外周側を流れてきた高温水と混 合部 Mにて混合される。
[0030] ここで、レデューサ 5の下流端 5aにおける低温水の流速は、同位置における高温 水の流速よりも小さいので、図 1において矢印 Aで示すように、高速の高温水がレデ ユーサ 5の下流端 5aから上流側へ逆流する。このように、高温水がレデューサ 5内に 逆流するので、レデューサ 5の先端部 5eには、温度変動に基づく温度揺らぎが生じ る。しかし、本実施形態では、レデューサ 5の下流端 5aから溶接線 5fまでの長さを、 主管 2の内径 D以上としているので、高温流体が溶接線 5fまで到達することがない。 したがって、溶接が行われていない非溶接部に比べて疲労強度が弱い溶接線 5f近 傍にて位置変動を伴う温度境界面が形成されることはないので、熱疲労による溶接 線 5fの破損を防止することができる。
[0031] 図 2には、本実施形態の効果を示す実験結果が示されている。
主管 2内を流れる高温水の流速を Um、分岐管 3内を流れる低温水の流速を Ubと すると、低温水流速 Ubを高温水流速 Umで除した流速比（Ub/Um)は、 0. 05以 下とされる。
なお、高温水流速 Umは、分岐管 2との接続部よりも上流側における流速を示し、 低温水流速 Ubは、レデューサ 5内に流入する前の流速を示す。したがって、レデュ ーサ下流端 5aにおける各流速は、流路面積の減少に伴い増速されている。しかし、 レデューサ 5の下流端 5aにおいて、高温水流速 Umが低温水流速 Ubよりも大きいと レ、う関係は変わらなレ、。なお、本実験のときのレデューサ下流端 5aにおける流速比 は、 0. 1程度となっている。
[0032] 図 2 (a)には、レデューサ 5の下流端 5aから所定距離だけ上流側に離れた位置に おけるレデューサ 5内の無次元温度変動幅 T*が示されている。
無次元温度変動幅 T*は、下式にて定義される。
T* = (T-Tb) / (Tm-Tb)
ここで、 Tは流体温度、 Tmは主管 2内を流れる高温水温度、 Tbは分岐管 3内を流 れる低温水温度を示す。
図 2 (b)には、変動する流体温度 Tと、高温水温度 Tm及び低温水温度 Tbとの関係 が示されている。
図 2 (a)の左側のグラフには、レデューサ 5の先端部 5eの周方向位置 Θにおける無 次元温度変動幅 が示されている。このグラフからわかるように、レデューサ 5の下 流端 5a (L/D = 0)の位置では、周方向位置 Θにかかわらず、無次元温度変動幅 T *が 0. 8となっている。レデューサ下流端 5aから主管 2の内径 Dの半分に相当する位 置まで上流側に離れた位置 (L/D = 0. 5)では、周方向位置 Θにかかわらず、無次 元温度変動幅 T*が 0. 5となっている。レデューサ下流端 5aからさらに上流側に離れ 、主管 2の内径 Dに相当する位置まで上流側に離れた位置 (L/D = l)では、周方 向位置 Θにかかわらず、無次元温度変動幅 は 0となる。つまり、レデューサ下流端 5aから上流側に主管 2の内径 Dに相当する位置よりも離れた位置では、温度変動が 見られないということがわかる。したがって、本実施形態のように、レデューサ下流端 5 aから溶接線 5fまでの長さを、主管 2の内径 D以上となるように設定すれば、高温流 体が溶接線 5ほで到達することがなぐ熱疲労による溶接線 5fの破損を防止すること ができる。
[0033] [第 2実施形態]
次に、本発明の第 2実施形態について、図 3を用いて説明する。
本実施形態は、レデューサ 5の先端部 5eに縮径部 5gが設けられている点で第 1実 施形態と異なり、その他の点については同様である。したがって、同一構成について はその説明を省略する。 図 3に示されているように、レデューサ 5の先端部 5eの下流端側には、その上流側 よりも内径が小さくされた縮径部 5gが設けられている。したがって、分岐管 3内を流れ レデューサ 5内に導かれた低温水は、縮径部 5gにてさらに増速される。したがって、 レデューサ 5の外側を流れる高温水がレデューサ 5内に逆流することが防止される。 これにより、温度境界面がレデューサ 5内部まで深く到達することがないので、溶接線 5fの熱疲労による破損のおそれがなくなる。
[0034] 図 4には、本実施形態の変形例が示されている。つまり、図 3の構成にカ卩えて、分岐 管 3との接続部よりも上流側の主管 2内に旋回べーン (旋回手段） 8が設けられている 。この旋回べーン 8によって、主管 2内を流れる高温流体は、主管 2の軸線周りに旋 回力が与えられる。これにより、主管 2内を流れる高温流体はレデューサ 5の外側を 旋回状態で流れるので、流体混合領域 Mにおいて、レデューサ 5から流出する低温 流体との混合が促進される。
[0035] [第 3実施形態]
次に、本発明の第 3実施形態について、図 5を用いて説明する。
本実施形態は、第 1実施形態に対して、レデューサ 5の先端に内筒 10が設置され ている点で異なり、その他の点については同様である。したがって、同一構成につい てはその説明を省略する。
図 5に示されているように、レデューサ 5の先端部 5eの内部には、内筒 10が挿入さ れている。内筒 10の下流端 10aは、レデューサ 5の下流端 5aよりも下流側に配置さ れている。内筒 10の外周壁とレデューサ 5の先端部 5eの内周壁との間には、リング 状の横断面を有する隙間が形成されている。
[0036] 本実施形態によれば、レデューサ 5の内部に内筒 10を設け、レデューサ 5の内周 壁と内筒 10の外周壁との間に隙間を形成することとしたので、レデューサ 5内を流れ る低温水は、内筒 10の外側とレデューサ 5の内側との間を流れる外周流れと、内筒 1 0の内部を流れる中心流れとに分離される。
外周流れは、内筒 10によって中心流れから分離されているので、厚さの薄い層とな つている。これにより、レデューサ 5の下流端から流出した外周流れと、レデューサ 5 の外側を流れる高温水との混合が促進される。 一方、内筒 10の下流端 10aから流出する中心流れは、内筒 10によって外周流れ 力 分離されているので、小さい横断面積を有する（レ、わゆる細い）流れとなっている 。これにより、高温水との混合が促進される。
さらに、内筒 10の下流端 10aをレデューサ 5の下流端 5aよりも下流側に配置したの で、先ず外周流れと高温水とを混合させ、次いで、中心流れと高温水とを混合させる ようにして、二段階で混合を行うこととした。これにより、高温水との混合がより促進さ れる。
[0037] 図 6には、本実施形態の変形例が示されている。つまり、図 5の構成にカ卩えて、内筒 10の外周壁とレデューサ 5の内周壁との間に、旋回べーン 12が固定されている。 このように、旋回べーン 12を設けることにより、内筒 10の外側とレデューサ 5の内側 との間を流れる低温水の外周流れに対して旋回力を与えることができる。これにより、 高温水との混合が促進される。
また、レデューサ 5の内周壁と内筒 10の外周壁との間に旋回べーンを設けて、内筒 10を旋回べーン 12によって固定することとしたので、内筒 10の支持を確実に行うこと ができる。
[0038] なお、本実施形態では、第 1実施形態および第 2実施形態と異なり、主管 2内を流 れる高温水の流速と、分岐管 3内を流れる低温水の流速との関係が逆転していても 良い。つまり、主管 2内を流れる高温水の流速が、分岐管 3内を流れる低温水の流速 よりも小さい場合であっても良い。
[0039] [第 4実施形態]
次に、本発明の第 4実施形態について、図 7を用いて説明する。
本実施形態は、第 1実施形態に対して、主管 2の下流側およびレデューサ 5の下流 側が屈曲している点で異なり、その他の点については同様である。したがって、同一 構成についてはその説明を省略する。
[0040] 本実施形態は、主管 2の下流側が屈曲している場合についてのものである。
図 7 (b)に示すように、主管 2の下流が屈曲部 2aにて屈曲している場合には、レデ ユーサ 5からの低温流体が十分に高温流体と混合される前に、主管 2の屈曲部 2aに 衝突してしまうおそれがある。これでは、屈曲部 2aに温度揺らぎが生じ、この部分に 熱応力ないし熱疲労が発生するおそれがある。
これに対して、本実施形態では、図 7 (a)に示すように、主管 2の屈曲部 2aの下流 側まで延在するように、レデューサ 5の先端部 5eを延長することとした。このように、レ デューサ先端部 5eに屈曲部 5hを設け、その下流端 5aを主管 2の屈曲部 2aよりも下 流側に配置することにより、流体混合領域 Mを主管 2の屈曲部 2aの下流側に配置す ることとした。これにより、図 7 (b)のような主管 2の屈曲部 2aにおける熱疲労が防止さ れる。
[0041] 図 8には、本実施形態の変形例が示されている。つまり、図 7 (a)の構成に加えて、 主管 2の内周壁とレデューサ 5の外周壁との間に、旋回べーン (旋回手段） 14が固定 されている。旋回べーン 14は、レデューサ 5の先端部 5eであって、屈曲部 5hよりも上 流側に設けることが好ましい。
このように、旋回べーン 14を設けることとしたので、レデューサ 5の外側と主管 2の内 側との間を流れる高温水に対して旋回力を与えることができる。これにより、混合が促 進される。
また、レデューサ 5は主管 2の屈曲部 2aの下流側まで延在しているので、レデュー サ 5の先端部 5eの支持剛性が問題となるおそれがある。本変形例では、主管 2の内 周壁とレデューサ 5の外周壁との間に旋回べーン 14を設けることとし、レデューサ先 端部 5eを旋回べーン 14によって固定することとしたので、レデューサ 5の支持剛性を 増大させることができる。
[0042] なお、本実施形態では、第 1実施形態および第 2実施形態と異なり、主管 2内を流 れる高温水の流速と、分岐管 3内を流れる低温水の流速との関係が逆転していても 良い。つまり、主管 2内を流れる高温水の流速が、分岐管 3内を流れる低温水の流速 よりも小さい場合であっても良い。
[0043] なお、上述した第 1〜第 4実施形態では、主管 2内に高温水、分岐管 3内に低温水 が流れる構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなぐ主管 2内に低温水 、分岐管 3内に高温水が流れる構成であってもよい。
また、主管 2および分岐管 3内を流れる流体として、水を一例として説明した力 本 発明はこれに限定されるものではない。 また、レデューサ 5の上流端 5bが分岐管 3の内周壁に接続される構成について説 明したが、本発明はこれに限定されるものではなぐ例えば図 9に示すように、レデュ ーサ 5の上流端 5bが主管 2の内周壁に接続される構成であっても良い。

Claims

請求の範囲
[1] 第 1配管の略中心軸線上に先端部が配置され、該先端部の外側を流れる外側流 体とは異なる温度を有し該外側流体よりも流速が小さい内側流体が内部を流れる内 管と、を備え、
該内管の下流側にて前記外側流体と前記内側流体とが混合される流体混合領域 を有する配管において、
前記内管には、前記先端部が接続される溶接部が形成され、
該溶接部と前記先端部の下流端との距離は、前記第 1配管の内径以上とされてい る流体混合領域を有する配管。
[2] 第 1配管の略中心軸線上に先端部が配置され、該先端部の外側を流れる外側流 体とは異なる温度を有し該外側流体よりも流速が小さい内側流体が内部を流れる内 管と、を備え、
該内管の下流側にて前記外側流体と前記内側流体とが混合される流体混合領域 を有する配管において、
前記内管の先端部の下流端には、その上流側よりも内径が小さくされた縮径部が 設けられている流体混合領域を有する配管。
[3] 第 1配管の略中心軸線上に先端部が配置され、該先端部の外側を流れる外側流 体とは異なる温度を有する内側流体が内部を流れる内管と、を備え、
該内管の下流側にて前記外側流体と前記内側流体とが混合される流体混合領域 を有する配管において、
前記内管の内部には、その下流端が前記内管の下流端よりも下流側に配置される とともに、該内管の内壁との間に隙間が形成された内筒が設けられている流体混合 領域を有する配管。
[4] 前記内管の内周壁と前記内筒の外周壁との間には、流体に対して前記中心軸線 周りに旋回力を与える旋回手段が固定されている請求項 3に記載の流体混合領域を 有する配管。
[5] 第 1配管の略中心軸線上に先端部が配置され、該先端部の外側を流れる外側流 体とは異なる温度を有する内側流体が内部を流れる内管と、を備え、 該内管の下流側にて前記外側流体と前記内側流体とが混合される流体混合領域 を有する配管において、
前記第 1配管には、屈曲部が設けられており、
前記内管は、前記屈曲部の下流側まで延在している流体混合領域を有する配管。
[6] 前記第 1配管の内周壁と前記内管の外周壁との間には、流体に対して前記中心軸 線周りに旋回力を与える旋回手段が固定されている請求項 5に記載の流体混合領 域を有する配管。
[7] 前記第 1配管の外壁には、前記内側流体を導く第 2配管が接続され、
該第 2配管の内周壁には、前記内管の上流端が固定されている請求項 1〜6のい ずれかに記載の流体混合領域を有する配管。
[8] 前記第 1配管の外壁には、前記内側流体を導く第 2配管が接続され、
前記第 1配管の内周壁には、前記内管の上流端が固定されている請求項 1〜6の いずれかに記載の流体混合領域を有する配管。
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