(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視白煙の形状を表示する方法であって、入力装置と、計算装置と、記憶装置と、表示装置からなり、対象設備直上の空間の空気の状態を数値計算により求めるために、大気中の運動量とエネルギーおよび水分の輸送を支配する方程式を差分法に基づく離散化方程式群に変換し、この離散化方程式群をプログラミング化して計算装置内の計算プログラムに蓄え、計算領域を適正数のメッシュに分割したメッシュ構成と対象設備出口の空気状態と外気の空気状態とプログラミング化された空気線図を入力装置を用いて計算装置に入力し、計算装置内の上記計算プログラムに従って流れ場が定常状態になるまで繰り返し計算を行って、風速、圧力、温度および水分率を求め、この温度と水分率とメッシュ構成を記憶装置に記憶させ、次いで、記憶装置に記憶された温度と水分率とメッシュ構成を読みだし、同一温度における対象設備出口の空気状態と外気の空気状態を直線で結んだ線分上の絶対湿度と飽和曲線上の絶対湿度との差ＨD が最大となるメッシュＭ0 を計算装置内の表示プログラムに従って求め、他のメッシュにおける絶対湿度差ＨD を上記メッシュＭ0 における最大絶対湿度差で割ることにより絶対湿度差ＨD を指数で表示し、この絶対湿度差ＨD の指数表示化をすべてのメッシュについて行うことにより表示プログラムに従って必要な処理を施して表示データを得、この表示データを表示装置に表示させることを特徴とする可視白煙の形状の表示方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は可視白煙の形状の表示方法に関し、さらに詳しくは、設備を新規に設置するに当たって、対象設備から排出される可視白煙の形状を精度よく予測表示し、白煙が形成されないか又は許容しうる大きさになるように対象設備の設備仕様を決定するために利用することにある。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
本発明の適用可能な設備としては、例えば、冷却塔、エアースクラバー、排ガス処理設備、急冷塔、各種工場等の煙突、汚水処理装置の曝気槽等があり、本発明の理解を容易ならしめるために、冷却塔を例にとって、以下に説明する。
【０００３】
従来より、工場設備、ビル等の空調設備等から排出される温水を冷却して循環使用するために使用される冷却塔には、温水の冷却方式の点から、温水と冷却用気流との流れ方向が逆である、いわゆる『カウンターフロー方式』のものと、温水と冷却用気流との流れ方向が直角である、いわゆる『クロスフロー方式』のものとがあり、本発明はいずれの方式の冷却塔にも適用可能である。そこで、クロスフロー方式の冷却塔を例にとって、図１に基づいて湿式冷却を簡単に説明する。
【０００４】
図１において、通風空間１の両側に充填材２、２が設置され、通風空間１の上方には冷却ファン３が取り付けられ、各充填材２の上方には温水槽４が設けられ、温水槽４には温水供給管５から散水箱６を介して温水が供給されている。各温水槽４には散水ノズル７が取り付けられており、この散水ノズル７によって充填材２に温水が供給され、供給された温水は充填材２中を流下する。一方、冷却ファン３によって充填材２側方のルーバー８から充填材２を経て通風空間１内に向かう外気の流れＦが生じ、この気流Ｆによって充填材２中を流下する温水が冷却される。そして、温水と熱交換した後の空気はエリミネータ９で水滴を分離された後、外部へ放出される。かくして、充填材２中を通過した温水は、冷水となって冷水槽１０に貯留される。このように、クロスフロー方式の冷却塔では、流下する温水は横方向から供給される気流によって冷却されるが、カウンターフロー方式の冷却塔では、流下する温水は下方から上方に向かう気流によって冷却されるという点で異なり、両冷却塔のその他の主要構成は略同じである。
【０００５】
ところが、寒冷期や湿度の高い時期には、冷却ファン３によって排出される空気中の水蒸気が凝縮し、白煙状を呈することがある。そのため、「視界の妨げ」や「地面または建築物への凍結」や「夜間の火災との誤認」などを引き起こすとの問題が提起されるので、白煙の発生規模を予測し、白煙が許容しうる大きさになるように冷却塔の設備仕様を決定することは重要である。
【０００６】
そこで、冷却塔から排出される白煙の発生規模を予測するために、以下に記載する方法が行われている。
【０００７】
▲１▼  実験あるいは観測結果に基づいて白煙の発生規模を予測するか又は観測結果に基づく数値モデルを構築して自然通風型冷却塔の白煙予測に適用する方法。（以下「従来の方法１」という）
▲２▼  風洞実験による実際の可視白煙のスケールダウンテスト。（以下「従来の方法２」という）
▲３▼  数値流体力学を冷却塔から排出される温排気に適用した、気流と熱移動を伴う数値計算による白煙予測方法。（以下「従来の方法３」という）
しかし、従来の方法１は、実際の冷却塔を使った実験あるいは観測に基づいた形で行われていたため、観測範囲からはずれた条件、例えば、排出口直径や外気状態などが観測結果のそれらと違う場合には、経験的に外挿する方法が採られていた。経験工学に基づくこの方法では、支配パラメータが多い冷却塔の排出白煙に対して必ずしも良好な予測結果を与えることができないばかりか、大きな予測誤差を含むことになる。また、条件ごとに白煙を実験で求めることは多大な労力と費用および時間を必要とする。
【０００８】
また、従来の方法２は、スケールアップの法則が確立されていないため、実際の冷却塔の可視白煙予測にこの結果を利用するのは困難である。
【０００９】
さらに、従来の方法３は、冷却塔からの温排気の大気中への拡散状態のみの表示にとどまっており、実際の可視白煙の定量的表示にまでは至っておらず、実用的には不十分である。
【００１０】
このように冷却塔から排出される白煙の発生規模を精度よく予測し、その形状を表示する技術は確立されていない。
【００１１】
本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、対象設備から排出される可視白煙の形状を精度よく予測表示しうる方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、入力装置と、計算装置と、記憶装置と、表示装置からなり、対象設備直上の空間の空気の状態を数値計算により求めるために、大気中の運動量とエネルギーおよび水分の輸送を支配する方程式を差分法に基づく離散化方程式群に変換し、この離散化方程式群をプログラミング化して計算装置内の計算プログラムに蓄え、必要な計算条件を入力装置を用いて計算装置に入力し、計算装置内の上記計算プログラムに従って流れ場が定常状態になるまで繰り返し計算を行って、風速、圧力、温度および水分率を求め、この温度と水分率と計算領域のメッシュ構成を記憶装置に記憶させ、次いで、記憶装置に記憶された温度と水分率とメッシュ構成を読みだし、同一温度における対象設備出口の空気状態と外気の空気状態を直線で結んだ線分上の絶対湿度と飽和曲線上の絶対湿度との差ＨD が最大となるメッシュＭ0 を計算装置内の表示プログラムに従って求め、他のメッシュにおける絶対湿度差ＨD を上記メッシュＭ0 における最大絶対湿度差で割ることにより絶対湿度差ＨD を指数で表示し、この絶対湿度差ＨD の指数表示化をすべてのメッシュについて行った後に必要な処理を施して可視白煙を表示装置に表示させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
すなわち、本発明は、可視白煙の形状を表示する方法であって、入力装置と、計算装置と、記憶装置と、表示装置からなり、対象設備直上の空間の空気の状態を数値計算により求めるために、大気中の運動量とエネルギーおよび水分の輸送を支配する方程式を差分法に基づく離散化方程式群に変換し、この離散化方程式群をプログラミング化して計算装置内の計算プログラムに蓄え、計算領域を適正数のメッシュに分割したメッシュ構成と対象設備出口の空気状態と外気の空気状態とプログラミング化された空気線図を入力装置を用いて計算装置に入力し、計算装置内の上記計算プログラムに従って流れ場が定常状態になるまで繰り返し計算を行って、風速、圧力、温度および水分率を求め、この温度と水分率とメッシュ構成を記憶装置に記憶させ、次いで、記憶装置に記憶された温度と水分率とメッシュ構成を読みだし、同一温度における対象設備出口の空気状態と外気の空気状態を直線で結んだ線分上の絶対湿度と飽和曲線上の絶対湿度との差ＨD が最大となるメッシュＭ0 を計算装置内の表示プログラムに従って求め、他のメッシュにおける絶対湿度差ＨD を上記メッシュＭ0 における最大絶対湿度差で割ることにより絶対湿度差ＨD を指数で表示し、この絶対湿度差ＨD の指数表示化をすべてのメッシュについて行うことにより表示プログラムに従って必要な処理を施して表示データを得、この表示データを表示装置に表示させることを特徴としている。
【００１４】
上記のように構成される本発明によれば、対象設備のあらゆる運転操作条件において当該設備から排出される可視白煙の大きさを、数値流体力学の手法を用いて、精度よく予測し、その形状を表示装置に巧みに表示することができる。
【００１５】
【実施例】
本発明による『可視白煙の形状の表示方法』を冷却塔に適用した場合について順次説明する。
【００１６】
(1) 面積Ａの計算
まず、初めに、冷却ファン出口の空気状態と外気の空気状態とプログラミング化された空気線図を入力装置を用いて計算装置に入力する。そして、図２に示す空気線図上における飽和曲線１１（相対湿度＝１００％の曲線）と、冷却ファン出口の空気状態Ｃと外気の空気状態Ｘを直線で結んだ線分１２とによって囲まれる面積Ａ（斜線部分）を計算し、この面積Ａが、０＜Ａ＜５．４１となることを確認する。Ａ＝５．４１に対応する冷却塔の排気条件と外気の条件は以下の通りである。
外気温度＝−２０℃、外気の相対湿度＝５０％：冷却ファン出口の排出空気の温度＝８０℃、排出空気の相対湿度＝１００％
Ａ＝５．４１は、日本国内の気候条件の中で想定しうるほぼすべての空気の状態を包含するものである。
【００１７】
(2) 計算のためのメッシュの設定
冷却塔直上の空間を細かい領域に分割して多数のメッシュを形成し、そのメッシュ構成を入力装置を用いて計算装置に入力する。図３はメッシュの一例を示すものであり、図３（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、冷却ファン直径が１．６ｍ、５．４７ｍ、７．９２ｍの場合のメッシュ構成を示している。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各々の具体的なメッシュ数は、１２５０００、１８０１８０、３３４０３６である。
【００１８】
(3) 計算方法および支配方程式の選定
冷却塔から排出される可視白煙を数値的に正確に予測するためには、流れ場を支配する運動方程式、エネルギーと水分の輸送方程式の時々刻々の変化を直接数値計算により求めるのが好ましい。しかし、直接数値計算法では多大のメモリと計算時間を要するため、本発明ではこれら諸量の輸送方程式に時間平均操作を施すことにより計算に要するメモリと時間を削減する。その結果、選定する方程式は、以下に列記するように、時間平均連続の式（▲１▼）、時間平均運動量の輸送方程式（▲２▼）、時間平均エネルギーの輸送方程式（▲３▼）、時間平均水分率の輸送方程式（▲４▼）、乱流エネルギーの輸送方程式（▲５▼）および粘性消散率の輸送方程式（▲６▼）である。
【００１９】
連続の式    ∂Ｕi ／∂ｘi ＝０                                      ▲１▼
運動量の輸送方程式
0003645040.tif 000002
エネルギーの輸送方程式
∂ρＣP Ｔ／∂ｔ＋∂Ｕj ρＣP Ｔ／∂ｘj ＝
∂（Ｋ∂Ｔ／∂ｘj −ｕi θ）／∂ｘj                             ▲３▼
水分率の輸送方程式
∂Ｍ／∂ｔ＋∂Ｕj Ｍ／∂ｘj ＝∂（Ｄ∂Ｍ／∂ｘj −ｕi ｃ）／∂ｘj ▲４▼
乱流エネルギーの輸送方程式
∂ρｋ／∂ｔ＋∂ｕi ρｋ／∂ｘi ＝
∂（μt ／σk ・∂ｋ／∂ｘi ）／∂ｘi ＋ＧS ＋ＧT ＋ρε        ▲５▼
粘性消散率の輸送方程式
∂ρε／∂ｔ＋∂ｕi ρε／∂ｘi ＝
∂（μt ／σE ・∂ε／∂ｘi ）／∂ｘi 
＋Ｃ1 ε／ｋ・（ＧS ＋ＧT ）（１＋Ｃ3 Ｒf ）−Ｃ2 ρε2 ／ｋ    ▲６▼
ここで、レイノルズ応力項は、
ｕi ｕj ＝２／３・ｋδij−μt （∂Ｕi ／∂ｘi ＋∂Ｕj ／∂ｘj ）
μt ＝Ｃt ρｋ2 ／ε
で仮定され、流速とスカラー量（温度、濃度）の変動相関項は次式による勾配拡散モデルにより仮定される。
【００２０】
ｕi θ＝−Ｋt ／ρＣp ・∂Ｔ／∂ｘj 、  Ｋt ＝μt ＣP ／Ｐrt
ｕi ｃ＝−Ｄmt∂Ｃ／∂ｘj 、    Ｄmt＝μt ／ρＳct
なお、▲６▼の式中の略号は次式で表される。
Ｇs ＝μt （∂ｕi ／∂ｘj ＋∂ｕj ／∂ｘi ）∂ｕi ／∂ｘj 
ＧT ＝ｇi β（μt ／σt ）∂Ｔ／∂ｘi 
Ｒf ＝−ＧT ／（ＧS ＋ＧT ）
また、式中のパラメータには次の値を用いた。
σk ＝０．７１９、σE ＝０．７１９、Ｃ1 ＝Ｃ1 （η）、
Ｃ2 ＝１．６８、Ｃ3 ＝０．０、Ｃt ＝０．０８５
ここで、
Ｃ1 （η）＝１．４２−η（１−η／４．３８）／（１＋０．０１２η3 ）
η＝ｋ／ε・Ｓ
Ｓ＝（１／２・（∂ｕi ／∂ｘj ＋∂ｕj ／∂ｘi ）・
（∂ｕi ／∂ｘj ＋∂ｕj ／∂ｘi ））0.5 
であり、使用記号の意味は次のとおりである。なお、下付き記号ｉ、ｊはアインシュタインの総和規約に基づく。
【００２１】
ＣP ＝定圧比熱、ｃ＝水分率の変動項、Ｄ＝空気の拡散係数、Ｄmt＝空気の乱流拡散係数、ｇ＝重力の加速度、Ｋ＝空気の熱拡散率、Ｋt ＝空気の乱流熱拡散率、ｋ＝乱流エネルギー、Ｍ＝時間平均水分率、Ｐ＝時間平均圧力、Ｐrt＝乱流プラントル数、ｐ＝圧力の変動項、Ｓct＝乱流シュミット数、Ｔ＝時間平均温度、ｔ＝時間、Ｕ＝時間平均流速、ｕ＝流速の変動項、β＝空気の体膨張係数、δ＝クロネッカーのデルタ、ε＝粘性消散率、θ＝温度の変動項、μ＝空気の粘性係数、μt ＝空気の乱流粘性係数、ρ＝空気の密度
(4) 初期条件と境界条件の設定および計算
▲１▼  初期条件と境界条件の設定
３方向平均風速、乱流エネルギー、粘性消散率、温度および絶対湿度について、冷却塔の排気の影響を受けない下流側大気におけるそれぞれの値を初期条件とし、冷却ファン出口におけるそれぞれの値を境界条件とした。
【００２２】
▲２▼  計算
計算を行うために、上記方程式群をテーラー展開して離散化操作を施し、差分方程式群、すなわち連立一次方程式群に変換する。この連立一次方程式群を形成する係数はメッシュ条件ごとに計算装置を用いて計算する。変換したこれら方程式は、所定の初期条件および境界条件の下で時間積分を施し、変数である圧力、流速、温度、水分率、乱流エネルギーおよび粘性消散率に関する連立一次方程式群を解くことにより、これら諸量が決定される。この時間積分は、これら諸量が十分一定値になるまで繰り返して行う。このようにして決まる諸量のうち圧力の変化率が十分小さくなったときに計算を終了する。計算装置から出力された全メッシュ内の最終的な圧力、流速、温度、水分率、乱流エネルギーおよび粘性消散率は記憶装置に記憶させる。
(5) 冷却塔から排出される可視白煙の表示
▲１▼  可視白煙の指数表示化
図２に示す空気線図上において、冷却ファン出口の空気状態Ｃと外気の空気状態Ｘとを直線で結ぶ線分１２が飽和曲線１１と交わる点をそれぞれＣ1 、Ｘ1 とし、Ｃ1 、Ｘ1 における乾球温度をそれぞれＴ1 、Ｔ2 とし、絶対湿度をそれぞれＨ1 、Ｈ2 とする。区間Ｃ1 〜Ｘ1 間の空気状態は過飽和にあり、空気中の水分は凝縮されて可視白煙として観察される。この過飽和量が大きいほど空気中に存在する凝縮水滴の量が多く、従って、白煙はより白く観察される。
【００２３】
そこで、記憶装置に記憶されている温度と水分率を読みだし、線分１２と飽和曲線１１が交差する温度範囲Ｔ1 〜Ｔ2 において、同一温度における線分１２上の絶対湿度と飽和曲線１１上の絶対湿度との差ＨD （以下「絶対湿度差」という）が最大となる点（メッシュ）を計算装置内の表示プログラムに従って求め、他のメッシュにおける絶対湿度差ＨD を最大絶対湿度差で割って無次元化する。この無次元化によって、線分１２上のＣ1 〜Ｘ1 間のいずれかの点で最大値は１、最小値は０となり、線分上の飽和空気の状態を０〜１で指数表示することができる。
【００２４】
▲２▼  可視白煙の表示
計算装置内の表示プログラムに従って、絶対湿度差ＨD の指数が最大値１のメッシュを『白色』で表示し、最小値０のメッシュを『黒色』で表示するようにする。計算領域にはＴX 〜Ｔ2 間、Ｔ1 〜ＴC 間の空気状態も含まれているが、この部分では可視白煙は観察されないので、この部分は黒色表示とする。絶対湿度差の指数が０〜１の間の具体的な色の表示は、以下のように行う。
指数が０．５の場合は白色と黒色の中間となるが、この場合にはそのメッシュ内の白と黒の面積が半分づつになるように交互に配色する。この配色は表示装置の分解能によるが、概ね１辺を５〜３０程度に分割する。また、指数が０．２の場合は、黒色の面積が８割、白色の面積が２割なるように交互に配色する。
このようにして作成した可視白煙を表示装置で表示する。その表示例の一例を図４に示す。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、外気の風速・温度・相対湿度が０ｍ／sec ・９℃・４５％、１ｍ／sec ・２．２℃・８４％、６．８ｍ／sec ・１０．８℃・６２％の場合を示す。
【００２５】
なお、図４は２次元表示であり、一方、可視白煙の計算領域は３次元空間である。この場合、３次元空間の任意の縦方向断面内の可視白煙を同上方法で計算し、表示することにより、３次元空間のすべての領域の可視白煙を図４に示すような方法で表示することができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、水分を含有する空気を排出する設備から排出される可視白煙の形状を精度よく表示することができる。そこで、冷却塔設備を新設するに当たって、白煙が形成されないか又は許容しうる大きさになるように冷却塔の設備使用を決定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】クロスフロー方式冷却塔の断面図である。
【図２】空気線図である。
【図３】計算モデルを示す図である。
【図４】冷却塔から排出される可視白煙の表示方法の一例を示す図であり、図４（ａ）は外気が無風の場合、図４（ｂ）は外気の風速が１．０ｍ／sec の場合、図４（ｃ）は外気の風速が６．８ｍ／sec の場合である。
【符号の説明】
２…充填材
３…冷却ファン
４…温水槽
１０…冷水槽
【図１】
0003645040.tif 000003
【図２】
0003645040.tif 000004
【図３】
0003645040.tif 000005
【図４】
0003645040.tif 000006