JP4151993B2 - セパレータ - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、気液混合物から液体を分離するセパレータに関する。このセパレータは、特に、水冷却式原子炉内の蒸気と水の混合物からの水の分離に適している。水の分離は、後続の発電用タービンに、可能な限り蒸気のみを導くために行われる。実際には、水を分離して、その水を適当な収容部材まで送るために、複数の同様のセパレータが配置される。
背景技術
例えば、原子炉内の気液混合物から液体を分離するセパレータを設計するときに考慮に入れる１つの重要なファクターは、セパレータから出る気体（特に蒸気）が、できる限り液体（特に水）を含まないようにすることである。他の重要なファクターは、セパレータにおける圧力降下を可能な限り低く維持することである。セパレータの分離能力は、混合物を高速回転させることができるようになるにつれて向上してきた。混合物の高速回転が達成されるほど、セパレータにおける圧力降下が大きくなる。したがって、上述した高分離能力と低圧力降下という２つのファクターは、相反する効果である。
スウェーデン国特許第３７３４５１号は、下側部分ａ、中央部分ｂ、上側部分ｃに分けられるセパレータ１を開示している（図１参照）。下側部分ａは、セパレータ１を通過して上方に流れる、流入する二相混合物を回転させるための回転翼装置２を具備している。流入する二相混合物を回転翼装置２によって回転させることにより、液膜がセパレータ１に内壁、特に、セパレータ１の中央部ｂに沿って得られる。この液膜によって、分離された液体を主排出口を通して排出するのに必要な放出圧力が達成される。
中央部分ｂには、主排出用、すなわち、混合物から分離された液体の大部分を排出するための出口が設けられている。中央部分ｂは、細い円筒部分と、流れの方向に先細に形成されてほぼ円形の断面を有する円錐状部分とを有する細長いパイプとして構成されている。この中央部分ｂには、前記円錐状部分に、分離された液体を中央部分ｂの外部に排出する部材を構成する複数の孔３からなる複数の出口が設けられている。
前記上側部分ｃは、残りの混合物、すなわち、気体を持ち去るために設けられている。この上側部分ｃは、ほぼ直円筒状の上流部分と、流れの方向に広がる下流部分とを有するパイプとして構成されている。前記上側部分ｃの前記円筒部分は、前記円錐状部分よりも長い長さにわたって前記中央部分ｂ内に部分的に挿入配置されている。前記上側部分ｃは、前記中央部分ｂに対して同軸に配置されている。
ほぼ円筒状の外側ケーシング４が、セパレータ１との間に環状の隙間５を形成するように、前記下側部分ａ、中央部分ｂ、上側部分ｃを取り囲んで設けられている。前記隙間５は、中央部分ｂの孔３を通して排出された液体の戻り通路を構成している。
スウェーデン特許第５０２７６５号（図２参照）は、上述したセパレータと同様のセパレータ１を示しているが、中央部分ｂには円錐状部分および円筒部分の両方に孔３が設けられている。円筒状部分にも孔３が設けられているのは、円錐状部分において実際に得ることができるよりも大きな開口断面を得るためである。
上述したセパレータの欠点は、円錐状部分に設けられた孔の位置が高ければ高いほど、該孔３を通して液体を排出させる放出圧力が低くなるということである。円錐状部分における放出圧力が円筒状部分におけるよりも低くなるのは、液膜内に広がる一定圧力の等圧面に原因がある。液膜中の圧力分布は、セパレータの中心からの距離が大きくなれば圧力が増大するようになっている。したがって、圧力は、セパレータの壁面の最も近くに配された等圧面において最も大きい。しかしながら、セパレータの円錐状部分においては、セパレータの円筒部分において壁面の最も近くに配置されていた等圧面は減少し、それによって、二相混合物が円錐状部分内を上昇するほど、液体を排出するための、液膜内に広がる圧力は低下する。
上述したセパレータの他の欠点は、主として気体の流れが非常に大きい場合に発生する。円錐状部分において、気体の速い流れは、液膜を薄くし、かつ、押しやりあるいは分離し、それによって、孔が露出して気体がそこから流れ出してしまうことになる。この状態は、セパレータの壁面の孔を通して、分離された液体とともに排出される気体の比率の大きさを示す、「キャリーアンダー」の概念によって説明される。液膜内の圧力が減少すると、キャリーアンダー値は増加する。セパレータの設計においては、できるだけ小さいキャリーアンダー値を有すること、すなわち、液体とともに排出される気体ができる限り少ないことが目標の１つとされる。
公知のセパレータの他の欠点は、円錐状部分の孔が、単独で、そして、上側部分への入口孔とともに、液膜のための空間を制限することによってセパレータの動作範囲を制限することである。液膜の厚さは、セパレータを通過する気液混合流れの大きさの関数である。回転によって、セパレータの内壁に沿って形成される液膜はかなりの厚さを有し、その場合には、液膜の内表面がセパレータの上側部分への入口孔に接触することになる。液膜が、セパレータの上側部分への入口孔に接触する場合には、気体とともにセパレータを出る液体の比率は劇的に増加する。気体とともにセパレータを出る液体の比率を説明する概念は、いわゆるキャリーオーバー値である。セパレータの設計においては、キャリーオーバー値をできるだけ小さく維持することが目標の一つである。
この発明は、公知のセパレータよりも液体の分離能力を向上したセパレータに関するものである。
発明の概要
この発明は、気体と液体とからなる混合物から液体を分離するセパレータに関する。このセパレータは、両側に開放された細長いパイプから構成されており、第１の下側部分、第２の中央部分、第３の上側部分に分けられる。
前記下側部分は、混合物の入口と、該混合物に回転を与える部材と、回転している混合物の出口とを具備している。回転は、従来の翼装置によって得られる。
前記中央部分は、回転している混合物の入口を具備し、該混合物から液体を分離するように設計されている。該中央部分は、第４、第５および第６の部分に分けられる。この第４、第６の部分は、隙間のない壁面を有するように設計されている一方、第５の部分は、分離された液体を排出する孔からなる出口を有するように設計されている。少なくとも第５の部分は、ほぼ円筒状の部分として設計されている。第６の部分は、残りの混合物の出口である。
前記上側部分は、前記残りの混合物、すなわち、気体の出入口として機能する。
直円筒状部分のみに孔を有するようにセパレータを設計することにより、分離された液体が排出される出口断面、すなわち、孔を横切って均一な圧力差を生成することができるので有利である。さらに正確にいえば、放出圧力は、各液体排出孔において同等の大きさに生起される。出口断面を横切る均一な圧力差は、従来技術と比較して、放出効率が向上することを意味している。この出口断面のより効率的な利用によって、上記において定義されたキャリーオーバーおよびキャリーアンダーの値をそれぞれ低く維持することができる。
円筒状部分のみに孔を有するセパレータの設計における他の利点は、孔の大きさ、位置および広がりを、流動する気体および液体の流れに適合させることができることである。
セパレータの上側部分は、残留混合物の輸送通路を構成し、セパレータの分離能力に大きな影響を及ぼすものではないので、任意の設計とすることができる。この上側部分は、例えば、直円筒状または円錐状のものでよい。
セパレータパイプ全体をほぼ直円筒状に設計する利点は、円錐状部分を含める必要がなく、さらに、孔を有する円錐状部分が不要であるので、公知のセパレータよりも、かなり簡易に製造することができることである。円錐状部分は、幾何学的に制限されており、ほぼ円形の断面を有する直円筒として設計された部分に孔を配列した場合と比較すると、孔を円錐表面に最適に配列する方法を計算することが非常に困難である。
セパレータの上側部分を、その入口が中央部分の排出孔の下流に配置されるように、中央部分の内部に延ばして配置することにより、分離後に残っている混合物内の液体量は最小化される。上側部分への入口を出口の下流に配置することにより、該液膜の内面が上側部分への入口に接触しないように、液膜の厚さを大幅に低減することができる。
さらに、中央部分をほぼ直円筒状の部分として設計することの他の利点は、上側部分の出口の断面積を増加させることができることである。気体の出口流の断面が広がるということは、セパレータを横切る圧力降下が、背景技術において説明した公知のセパレータよりも低減されることを意味している。
セパレータの動作範囲は、キャリーオーバー値とキャリーアンダー値についてそれぞれ計算される境界曲線の間に最適に配置されるように適当に選択される。セパレータの動作範囲は、直円筒状部分の孔の大きさおよび位置を、流動する気体および液体の流れに適合させかつ最適化するように適正に選択することができる。
【図面の簡単な説明】
以下に、添付図面を参照して、この発明をより詳細に説明する。
図１は、背景技術において説明した、孔からなる出口を円錐状部分に有するセパレータを示している。
図２は、孔からなる出口を円錐状部分および円筒状部分の両方に有する他のセパレータを示している。このセパレータも、背景技術において説明されている。
図３は、両端において開口する、ほぼ直円筒状のパイプからなる、この発明に係るセパレータの縦断面を示している。円筒状部分の一部のみに、孔からなる出口が設けられている。
図４は、流れの方向に増大する断面を有するセパレータの他の実施形態を示している。破線は、流れの方向の減少する断面を有するように上側部分が設計された他の実施形態を示している。
図５は、流れの方向に向かって断面が拡大するように設計され、円筒状の中央部分の内部に挿入された上側部分を具備するこの発明に係るセパレータの一実施形態を示している。
図６は、中央部分に円錐状部分を有し、上側部分がその内部に挿入配置され、該上側部分の断面が流れの方向に増大するように設計された、この発明に係るセパレータの一実施形態を示している。破線は、前記上側部分が直円筒状のパイプとして設計された他の実施形態を示している。
図７は、セパレータとともに環状の隙間を形成するほぼ円筒状のケーシングがセパレータの周りに配置された、この発明に係るセパレータの一実施形態を示している。
図８は、複数グループのセパレータが配列され、かつ、各々のグループが複数のセパレータをケーシングで取り囲むことによって構成されている一実施形態を示す平面図である。
図９は、図７に示されたスクレーパリングの一実施形態を詳細に示している。
好ましい実施形態の説明
図３は、両端に開口した細長いパイプからなるセパレータ１を示している。セパレータ１は、第１の下側部分ａと、第２の中央部分ｂと、第３の上側部分ｃとに分けられる。
下側部分ａは、気液混合物の入口を具備している。該下側部分ａは、流入混合物を回転または旋回させる翼装置２をさらに具備している。回転する混合物の遠心力の影響で、二相混合物内の液体は、中央部分ｂの壁の内側と接触し、明確な、良好に凝集した液膜を形成する。
中央部分ｂは、回転している混合物の入口と、分離された液体の排出口と、残留混合物の出口とを具備している。
中央部分ｂは、第４の部分ｄ、第５の部分ｅおよび第６の部分ｆに分けられる。第５の部分ｅは、混合物から液体を分離するように設計されている。この目的を達成するために、第５の部分ｅは、分離された液体が排出される複数の孔３からなる出口が設けられた、ほぼ直円筒状の部分から構成されている。この第５の部分ｅの孔３を有する壁は、例えば、原子炉等の、使用されるプラントの形式に応じて寸法が定められている。このことは、例えば、中央部分ｂには、多量の気体の流れを有するプラントに対してはより小さい合計面積の孔３が設けられ、多量の液体の流れを有するプラントに対してはより大きい合計面積の孔３が設けられることを意味している。
第４の部分ｄおよび第６の部分ｆは、分離された液体が排出されないように隙間のない壁を有している。
上側部分ｃは、残りの混合物、すなわち、気体の出入口に使用される。図３において、上側部分ｃおよび中央部分ｂは一体化されており、かつ、同じパイプの部分として設計され、ほぼ直円筒状の形状が与えられている。
図３，４，７において、セパレータ１の外部の液位は参照符号７で示されている。中央部分ｂにおいて分離された液体の主な排出は、液面７下の高さで行われる。このことは、流れ出す液体が液面上の気体と接触できず、また、気泡が形成されるように表面を攪拌することもないので、キャリーアンダーのレベルを抑制できることを意味している。
図５は、中央部分ｂの内部に挿入配置された、別の上側部分ｃを有するセパレータ１を示している。残りの混合物の出口として、上側部分ｃを中央部分ｂの内部に挿入配置することによって、セパレータ１の壁の内面に沿って流れる液体が、セパレータを貫通して上方に流れる残りの混合物の影響を受けることを確実に防止することができる。孔３を覆うように配される液膜の少なくとも一部は、残りの混合物によって、少なくとも第５の部分ｅの内壁に沿って上方に流れ続ける。上側部分ｃの入口は、孔３を有する壁面部分の下流の高さに配置されている。残りの混合物用の別の出口を孔３の下流に配置することによって、残りの混合物、すなわち気体は、主排出口によって大幅に低減された液膜を気体とともに排出することなくセパレータ１から除去される。このことは、液体が気体を再び湿らせてしまうことを防止し、キャリーオーバー値をさらに低く維持することができることを意味している。
図６は、中央部分ｂが部分的に円錐状に形成された、図５のセパレータ１の他の実施形態を示している。さらに詳細には、第６の部分ｆが円錐状である。上側部分ｃは、円錐状の中央部分ｂ内に挿入配置されており、流れの方向に拡大する断面を有している。上側部分ｃの他の実施形態は、破線の輪郭、さらに詳細には、円筒形状を有する上側部分ｃによって示されている。
図７は、ケーシング４が、少なくとも第５の部分ｅを取り囲むように適合されたセパレータ１の他の実施形態を示している。ケーシング４と第５の部分ｅとの間には、孔３を通して分離された液体の戻り通路用に、環状の隙間が形成されている。このように外部ケーシング４を配置すると、隣接配置されたセパレータが、このセパレータ１からの液体の排出を妨げてしまうことを防止することができる。また、図８に示されるように、ケーシング４によって一群の複数のセパレータ１を取り囲むこともできる。この場合に、ケーシング４には、セパレータ１のグループに適合させるために任意形状の断面が与えられる。図８は、各々が、例えば、原子炉１０の上部に配置された、５つのセパレータ１を含む複数のグループを示している。
さらに、図７は、セパレータ１の上側部分ｃに、いわゆるスクレーパリング６が設けられていることを示している。スクレーパリング６は、第１の分離、すなわち、孔３による分離の後に気体とともに通過した液体の第２の分離のために配置されている。したがって、図９に、より詳細に示されているスクレーパリング６は、孔３の下流において混合物から分離された液体を掻き落として排出するようになっている。このスクレーパリング６は従来形式のものであり、気体に伴って排出される液体の量を低減するように、すなわち、背景技術において定義されたキャリーオーバー値を低く保持するようになっている。
図３は、先端を切り取った円錐の形状をした分離部材１１を示している。この分離部材１１は、中央部分ｂに配置され、第５の部分ｅの半径方向内方に配置されている。分離部材１１は、流れの方向に拡大する断面を有するように配置されている。該分離部材１１の上流端におけるセパレータ１の内側断面と該分離部材１１の外側断面との差は、少なくとも中央部分ｂの内壁に沿って流れる液膜の断面に一致している。分離部材１１の目的は、不安定になって崩壊するところまで、液膜がセパレータの内壁に沿って上方に流れることを防止することにより、液体の分離をさらに向上することである。分離部材１１の長さは、セパレータ１の軸方向に第５の部分ｅの軸方向の範囲にほぼ一致している。この分離部材１１の下流端は、セパレータ１の内壁に隙間なく連結されている。一実施形態（図示略）において、分離部材１１は、任意の断面形状のパイプ形状を有していてもよい。
図７は、孔３の下流に配置された内鍔状の分離部材１２を示している。分離部材１２は、セパレータ１の内壁から、少なくとも該セパレータ１のこの部分における液膜の厚さに一致する長さだけ半径方向内方に延びるように適合されている。この分離部材１２の目的は、図３に係る分離部材１１の目的と同じである。一実施形態（図示略）において、分離部材１２は、鍔部に接続して上流方向に延びる管状部分を有していてもよい。該管状部分は、任意の断面形状でよい。
上記において示された中央部分ｂ、上側部分ｃ、ケーシング４、スクレーパリング６および分離部材１１，１２の異なる実施形態が、複数の異なる方法（図示略）で組み合わせられてもよいことは言うまでもない。

Claims (10)

1. 気液混合物から液体を分離するセパレータ（１）であって、両端に開放された細長いパイプからなり、該パイプが、第１の部分（ａ）と、第２の部分（ｂ）と、第３の部分（ｃ）とに分けられ、前記第１の部分（ａ）が、混合物の入口および出口と、混合物を回転させる部材（２）とを有し、前記第２の部分が、回転している混合物の入口および出口と、混合物から分離された液体の排出用の出口（３）とを有し、前記第３の部分が、残りの混合物の入口および出口を有するセパレータにおいて、
   前記第２の部分（ｂ）が、第４の部分（ｄ）と、第５の部分（ｅ）と、第６の部分（ｆ）とに分けられ、第４および第６の部分（ｄ，ｆ）が隙間のない壁からなり、第５の部分（ｅ）が、円筒状の断面を有し、前記出口（３）が、第５の部分（ｅ）に配置されていることを特徴とするセパレータ。
2. 前記第２の部分（ｂ）および第３の部分（ｃ）が、一体的、かつ、直円筒状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のセパレータ。
3. 前記第３の部分（ｃ）は、該第３の部分（ｃ）への入口が、完全に、または、部分的に前記第５の部分（ｅ）の下流に配置されるように、前記第２の部分（ｂ）の内部に部分的に挿入配置されていることを特徴とする請求項１記載のセパレータ。
4. 前記第５の部分（ｅ）との間に、環状の隙間（５）を形成するように、ケーシング（４）によって取り囲まれていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のセパレータ。
5. 複数のセパレータ（１）を含むグループが、ケーシング（４）によって取り囲まれて配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のセパレータ。
6. 前記第３の部分（ｃ）が、直円筒状、または、流れの方向に増加または減少する断面を有する形状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のセパレータ。
7. 前記第３の部分（ｃ）が、少なくとも１つのスクレーパリング（６）を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のセパレータ。
8. 前記出口（３）の半径方向内方に、その下流端においてセパレータ（１）の内壁に隙間なく接続する任意の断面のパイプ状の分離部材（１１）が配置されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載のセパレータ。
9. 前記分離部材が、流れの方向に拡大する断面積を有する錐台状に形成されていることを特徴とする請求項８記載のセパレータ。
10. 前記出口（３）の下流に、セパレータ（１）の壁面から半径方向内方に延びる内鍔状の分離部材（１２）が配置されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載のセパレータ。

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