(57)【要約】【課題】水−水蒸気からなる二相流の流動特性を容易に予測可能で、かつ簡易な装置で以って流動状態を実現可能な模擬流体を用いた試験方法及びその装置を提供する。【解決手段】飽和蒸気及び飽和水からなる気液二相流の流動状態を模擬的に実現する試験装置１０において、水若しくは軽油からなる低密度流体１４と、フッ素系不活性液体からなる高密度流体１３と、内部を可視可能な気密容器（供試部）１１と、からなり、前記容器１１に導入された前記低密度流体１４及び高密度流体１３の流動状態を可視化して流動特性を把握可能としたことを特徴とする。【選択図】　　　図１
2004077145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を可視可能な容器内に導入された飽和蒸気及び飽和水からなる気液二相流の流動状態を模擬的に実現する試験方法において、
前記飽和蒸気側を水若しくは軽油からなる低密度模擬流体でかつ飽和水側をフッ素系不活性液体からなる高密度模擬流体で代替し、該低密度模擬流体及び高密度模擬流体を前記容器内に導入して流動特性を把握可能としたことを特徴とする模擬流体を用いた試験方法。
【請求項２】
前記低密度模擬流体及び高密度模擬流体を予め混合した後、前記容器内に導入することを特徴とする請求項１記載の模擬流体を用いた試験方法。
【請求項３】
飽和蒸気及び飽和水からなる気液二相流の流動状態を模擬的に実現する試験装置において、
水若しくは軽油からなる低密度流体と、フッ素系不活性液体からなる高密度流体と、内部を可視可能な気密容器と、からなり、
前記容器に導入された前記低密度流体及び高密度流体の流動状態を可視化して流動特性を把握可能としたことを特徴とする模擬流体を用いた試験装置。
【請求項４】
前記容器が全体的に或いは部分的に可視可能な材質で形成されていることを特徴とする請求項３記載の模擬流体を用いた試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水蒸気を利用した装置内での蒸気−水系気液二相流の流動状態を把握する試験に関し、特に可視化をはじめとする流動現象の観察、測定を容易に行うために二相流を模擬流体で代替して行う模擬流体を用いた試験方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力・原子力発電所、船等の輸送機関などにおいて、動力発生装置を代表とする水蒸気を利用した装置が多用されている。このような水蒸気を利用した装置を設計するにあたって、蒸気−水系気液二相流の流動特性を把握することは非常に重要である。水若しくは水蒸気等の単相の流体に比べて二相流の挙動は複雑であるため、可視化をはじめとする流動現象の観察、測定による流動特性の解明が必要とされている。
【０００３】
一般的に、水蒸気を利用する装置においては高圧の水蒸気を利用しており、例えば火力発電所では２００ａｔａレベルの高圧蒸気を用いている。しかし、高圧水−水蒸気の二相流の流動特性を得るために実圧力・実温度で試験を実施する場合、装置規模が大きく高価となり、また高温・高圧であることから可視化が非常に困難となる。
従って従来は、空気−水等を用いた模擬流体試験により流動特性を予測していたが、物性値が大きく相違することから系が複雑となると各部流動状態の相似則を同時に合わせることは不可能であった。
【０００４】
そこで、本発明者らはＣＯ２を利用した模擬流体試験方法（発明協会公開技報２００２−５０００８４）を提案している。かかる試験方法は、２００ａｔａレベルにおける水−水蒸気の物性値に非常に近い６０ａｔａレベルの二酸化炭素の気液二相流を用いている。これは、図５（ａ）ＣＯ２及びＨ２Ｏの気液密度比を示すグラフ図及び図５（ｂ）ＣＯ２及びＨ２Ｏの表面張力を示すグラフ図に示されるように、二相流の流動状態に対する支配的物性値である密度比及び界面張力が近似していることによる。即ち、図５（ａ）に示される液相密度／気相密度及び（ｂ）に示される界面張力がともに、ＣＯ２が６０ａｔａのときに２００ａｔａのＨ２Ｏと略同様の値を示し、このとき実際に使用される二相流に近い挙動を取ることがわかる。
【０００５】
図４に６０ａｔａレベルのＣＯ２を用いた流体試験装置を示す。かかる試験装置は、アクリル樹脂若しくはガラス材等の容器からなる供試部５１と、該供試部５１の気相側流体が導入される凝縮器５２と、該凝縮気５２にて液化された流体と液相側流体とが混合されて導入される冷却器５３と、ポンプ５４と、加熱器５５とから構成される。
これにより、高圧水−水蒸気の二相流の流動特性を得るために実圧力・実温度で試験を行う場合よりも装置規模を小型化することができ、低コストでかつ容易に可視化可能な装置を提供することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記したように、高圧水−水蒸気の二相流に代えて二酸化炭素等の物性値の近い模擬流体を用いることにより、より低圧条件下での流動が模擬的に実現可能となるが、試験を行うに際して気相流体を生成する必要があり手間がかかる上に、凝縮器、蒸発器等の装置を具備しなければならず機器点数が増加し、装置が大型化、高コスト化する。
従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、水−水蒸気からなる二相流の流動特性を容易に予測可能で、かつ更に簡易な装置で以って流動状態を実現可能な模擬流体を用いた試験方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明はかかる課題を解決するために、内部を可視可能な容器内に導入された飽和蒸気及び飽和水からなる気液二相流の流動状態を模擬的に実現する試験方法において、
前記飽和蒸気側を水若しくは軽油からなる低密度模擬流体でかつ飽和水側をフッ素系不活性液体からなる高密度模擬流体で代替し、該低密度模擬流体及び高密度模擬流体を前記容器内に導入して流動特性を把握可能としたことを特徴とする。
また、前記低密度模擬流体及び高密度模擬流体を予め混合した後、前記容器内に導入することが好適である。
【０００８】
かかる発明は、高圧水−水蒸気からなる気液二相流を、前記低密度模擬流体及び高密度模擬流体からなる液体で代替することにより、気相流体を生成する必要がなく簡単に流動状態を実現することが可能となり、また低温、低圧条件下で試験を行うことができるため、可視化をはじめとする各種観察、測定が容易に行える。
このとき、低密度模擬流体を水若しくは軽油とし、かつ高密度模擬流体をフッ素系不活性液体としているため、蒸気−水系気液二相流の流動状況に対する支配的物性値である密度比及び界面張力が模擬流体の物性値と近似し、二相流の流動状態と略同様の流動状態を実現することが可能となる。
【０００９】
前記高密度模擬流体は、前記低密度模擬流体との密度比（高密度流体の密度／低密度流体の密度）が約１〜１０で、かつ界面張力差（｜高密度流体の界面張力−低密度流体の界面張力｜）が約０．００１〜０．０６Ｎ／ｍであるフッ素系不活性液体であることが好ましい。
このように、前記範囲内のフッ素系不活性液体を用いることにより、蒸気−水系気液二相流の流動状態との挙動の近似性が高くなり、実機における二相流の流動状態を正確に把握することが可能となる。
【００１０】
また、飽和蒸気及び飽和水からなる気液二相流の流動状態を模擬的に実現する試験装置において、
水若しくは軽油からなる低密度流体と、フッ素系不活性液体からなる高密度流体と、内部を可視可能な気密容器と、からなり、
前記容器に導入された前記低密度流体及び高密度流体の流動状態を可視化して流動特性を把握可能としたことを特徴とする。
【００１１】
このように、水蒸気−水からなる気液二相流を前記水若しくは軽油−フッ素系不活性液体の両者液相で構成される模擬流体で代替させることにより、蒸発器、凝縮器等の装置が必要とされず、装置が小型化し、低廉化する。また、かかる発明では、低温、低圧条件下で試験を行うことができるため、容易に可視化が可能となる。さらに、模擬流体として水若しくは軽油及びフッ素系不活性液体を用いているため安全性が高く、また低密度流体と高密度流体が溶解する惧れがない。尚、前記容器が全体的に或いは部分的に可視可能な材質で形成されていることにより装置を低廉化することができ好適である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施形態に係る軽油（水）−フッ素系不活性液体を用いた模擬流体試験装置の全体概略構成図、図２は二流体の組み合わせによる物性値の比較を示すグラフ図、図３は流体の物性値及び二流体の物性値の比較を示す表である。尚、軽油（水）とは軽油若しくは水のどちらか一方をいう。
【００１３】
本実施形態は、火力・原子力発電所、船等の輸送機関などにおいて、動力発生装置を含む水蒸気を利用した装置における蒸気−水系気液二相流の挙動を把握するために、模擬流体を利用して模擬的に流動状態を実現する構成となっている。前記模擬流体としては、蒸気の代替である低密度流体として軽油若しくは水を用い、水の代替である高密度流体としてフッ素系不活性液体を用いる。
【００１４】
前記高密度流体は、前記低密度流体との密度比（高密度流体の密度／低密度流体の密度）が約１〜１０で、かつ界面張力差（｜高密度流体の界面張力−低密度流体の界面張力｜）が約０．００１〜０．０６Ｎ／ｍであるフッ素系不活性液体が好適で、例えばフロリナートＦＣ−７７或いはＰＦ−５０８０（共に住友３Ｍ社の商品名）が使用できる。
【００１５】
図３に示される各流体の物性値及び二流体の物性値の比較を示す表によれば、実缶（実機として使用されるボイラ）における蒸気と水の密度比（水／蒸気）は約３．６８４であり、これに対して（フッ素系不活性液体／軽油）の密度比は約２．２００、また（フッ素系不活性液体／水）の密度比は約１．７６３であり蒸気−水系二相流と近似した値を示す。
また、実缶における蒸気と水の界面張力差は（｜水−蒸気｜）が約０．００２で、これに対して（｜フッ素系不活性液体−軽油｜）の界面張力差が約０．０１５で、（｜フッ素系不活性液体−水｜）の界面張力差が約０．０５６であり、前記密度比と同様に近似した値を示している。
【００１６】
即ち、図２の二流体の組み合わせによる物性値の比較を示すグラフ図にも明らかなように、軽油−フッ素系不活性液体△、及び水−フッ素系不活性液体▲はともに蒸気−水（実缶）●の近傍に位置し、類似した物性値を表わすことが判る。尚、前記軽油−フッ素系不活性液体に比べて水−フッ素系不活性液体の実缶との物性値の近似性は劣るが、試験装置コストは小さくなる。
【００１７】
これに対して、従来用いられていた空気−水□は蒸気−水（実缶）●とは大幅に離れた位置に存在しており模擬流体に適していないことが判る。さらに、軽油−水▽は蒸気−水（実缶）●に比較的近い位置に存在するが、密度比が極めて低く、この要因により流動状態に影響を与える懸念があり適当でない。
従って、低密度流体に軽油若しくは水、高密度流体にフッ素系不活性液体を用いることにより、蒸気−水系二相流と略同様の流動状態を再現することができ、これらの動的挙動の測定、観察が容易に行える。
【００１８】
次に、前記模擬流体を用いた試験装置の全体概略構成につき図１により説明する。かかる模擬流体試験装置１０は、可視化可能な容器を有し、低密度流体と高密度流体とを分離する供試部１１と、該供試部１１にて分離された軽油（水）１４とフッ素系不活性液体１３を貯留する重力分離タンク１２と、ポンプ１５と、前記供試部１１内のドラムレベルを検出する不図示のレベル計とから構成される。
【００１９】
かかる試験装置１０では、前記レベル計等に基づき前記ポンプ１５により軽油（水）１４及びフッ素系不活性液体１３が前記供試部１１の可視可能な容器（不図示）内に必要量供給され、該容器内の二流体の流動状態を可視化できるように構成されている。前記容器は、ガラス材、アクリル樹脂等の透明若しくは半透明な材料で形成されることが好ましい。
このように、本試験装置によれば蒸発器、凝縮器等の装置を省略することができ、装置の単純化、低廉化が可能となる。
【００２０】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、従来のように気相流体を生成する必要がなく簡単に流動状態を実現することが可能となり、また低温、低圧条件下で試験を行うことができるため、可視化をはじめとする各種観察、測定が容易に行える。さらにまた、模擬流体試験装置に、蒸発器、凝縮器等の装置が必要とされず、装置が小型化し、低廉化する。また、模擬流体として水若しくは軽油及びフッ素系不活性液体を用いているため安全性が高く、また低密度流体と高密度流体が溶解する惧れがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る軽油（水）−フッ素系不活性液体を用いた模擬流体試験装置の全体概略構成図である。
【図２】二流体の組み合わせによる物性値の比較を示すグラフ図である。
【図３】流体の物性値及び二流体の物性値の比較を示す表である。
【図４】従来技術であるＣＯ２（気体）−ＣＯ２（液体）を用いた試験装置の概略系統図である。
【図５】ＣＯ２及びＨ２Ｏの気液密度比を示すグラフ図（ａ）、及びＣＯ２及びＨ２Ｏの表面張力を示すグラフ図（ｂ）である。
【符号の説明】
１０　　模擬流体試験装置
１１　　供試部
１２　　重力分離タンク
１３　　フッ素系不活性液体
１４　　軽油（水）
１５　　ポンプ
【図１】
2004077145.tif 000003
【図２】
2004077145.tif 000004
【図３】
2004077145.tif 000005
【図４】
2004077145.tif 000006
【図５】
2004077145.tif 000007