(57)【要約】【課題】気液二相流の挙動を実験室レベルで模擬することができ、しかも、試験作業を安全に行えるようにする。【解決手段】気液二相流の流動特性を模擬するための試験方法であって、気体としての六フッ化硫黄ガスと液体としての水からなる模擬流体８を用いて、模擬流体８に界面活性剤を添加する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気液二相流の流動特性を模擬するための試験方法であって、気体としての六フッ化硫黄ガスと液体としての水からなる模擬流体を用いて、前記模擬流体に界面活性剤を添加することを特徴とする気液二相流模擬試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水の沸騰状態を模擬する気液二相流模擬試験方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加圧水型原子炉（ＰＷＲ）に用いられる蒸気発生器（ＳＧ）においては、原子炉からの１次側流体（水）と利用側である２次側流体（水）との熱交換を高温・高圧の条件下で行っており、２次流側体は１次側流体からの沸騰熱伝達により水と水蒸気からなる気液二相流を形成する。気液二相流は複雑な挙動（流動特性）を示し、この流動特性を把握することにより伝熱性能、圧力損失等を予測することは、蒸気発生器及びその周辺機器を設計する上で大変重要であり、更に、蒸気発生器に備えられる伝熱管の振動等の問題を予測する上でも有用となる。
【０００３】
しかし、実際に使用される蒸気発生器の２次側流体は高温（例えば２８４℃）、高圧（例えば絶対圧で７ＭＰａ）の厳しい条件で運転されるため、このような厳しい運転条件で形成される気液二相流を実験室レベルで再現してその流動特性を試験するような試験装置を実現することは一般的に困難である。
【０００４】
このために、蒸気発生器の二次側流体のように、高温・高圧の条件で気液二相流を形成する水と水蒸気が示す物性値に対して、低温・低圧において同等の物性値を示すエタノールと六フッ化硫黄ガス（ＳＦ６）とからなる模擬流体を用いることにより、気液二相流の流動特性を実験室レベルで試験できるようにした試験装置が知られている（特許文献１、特許文献２等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１７１０２５号公報
【特許文献２】特開２００２−１８９０９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１、２に記載された試験装置では、エタノールと六フッ化硫黄ガスからなる模擬流体を用いることにより、実機の高温・高圧条件での水および水蒸気の挙動に近い状態を再現して実験室において試験を行うことができる。
【０００７】
しかし、特許文献１、２に示すようにエタノールと六フッ化硫黄ガスを組み合わせた模擬流体を用いた場合には、以下のような問題がある。
【０００８】
エタノールは引火性液体であるため、試験者は火災の発生等に対して常に細心の注意を払う必要がある。更に、エタノールは皮膚、眼等に対する刺激性を有するため、取り扱いにおいても安全性に配慮する必要がある。更に、試験装置を製作する際のシール材、可視化用透明材等の構成材料には、エタノールに対する耐性を考慮する必要があり、よって材料選定の幅が制限されるという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような実情に鑑みてなしものであり、気液二相流の挙動を実験室レベルで模擬することができ、しかも、試験作業を安全に行えるようにした気液二相流模擬試験方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、気液二相流の流動特性を模擬するための試験方法であって、気体としての六フッ化硫黄ガスと液体としての水からなる模擬流体を用いて、前記模擬流体に界面活性剤を添加することを特徴とする気液二相流模擬試験方法、に係るものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の気液二相流模擬試験方法によれば、気液二相流の挙動を実験室レベルで模擬することができ、しかも、試験作業を安全に行えるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の気液二相流模擬試験装置の実施例の概略を示す側面図である。
【図２】種々の界面活性剤における濃度と表面張力との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。
【００１４】
水の沸点である１００℃以上を高温とし、絶対圧で１ＭＰａ以上の圧力を高圧とすると、加圧水型原子炉の蒸気発生器の２次流体である水と水蒸気からなる気液二相流は、２８４℃の高温であり、且つ絶対圧で７ＭＰａの高圧を示す。
【００１５】
本発明では、高温・高圧で運転される実機の蒸気発生器を実験室で模擬するために、水（模擬液体）と六フッ化硫黄ガス（ＳＦ６）（模擬気体）とからなる模擬液体を用いた。水と六フッ化硫黄ガスからなる模擬液体を用いたことにより、例えば２０℃（常温）の低温で、しかも例えば絶対圧で０．７５ＭＰａの低圧の条件において、実機の蒸気発生器での高温・高圧での気液二相流と物性値が近似した気液二相流を実験室レベルの試験装置によって再現し、その気液二相流の流動特性を計測することが可能になる。
【００１６】
ここで、高温・高圧の気液二相流と模擬流体による気液二相流の物性値が近似するとは、沸騰現象を支配する物性値が近似することを意味し、特に、流動特性を良く表わす液相の密度（ｋｇ／ｍ３）と気相の密度（ｋｇ／ｍ３）との密度比と、表面張力（ｍＮ／ｍ）の物性値が近似することを意味している。
【００１７】
本発明では、水と六フッ化硫黄ガスとを混合した模擬流体を模擬流体供給装置により容器に供給し、同時に模擬流体の圧力を圧力調整手段により調整し、更に、このときの温度は常温（室温）としている。
【００１８】
この条件で容器に模擬流体を供給すると、模擬流体は水の液相と六フッ化硫黄ガスの気相（気泡）による気液二相流を形成する。この気液二相流挙動は容器内部の上方位置での気相と液相の密度比（ボイド率）に基づいている。更に、この密度比に加えて、気泡径も模擬液体の上昇速度に影響を及ぼす。
【００１９】
従って、気液二相流の流動特性の１つである模擬液体の上昇速度を得るために、密度比を計測し、又、前記模擬流体の表面張力について計測する。
【００２０】
そして、上記により得られた密度比と表面張力から、相変化を伴う場における気泡の成長、模擬液体の上昇量等の流動特性を求めることより、蒸気発生器の伝熱性能、圧力損失等を予測することができる。
【００２１】
このように、水と六フッ化硫黄ガスからなる模擬液体を用いたことにより、低温・低圧条件において、加圧水型原子炉の蒸気発生器における水の自然循環現象を実験室で模擬して試験することができる。
［実施例１］
【００２２】
図１は、本発明の気液二相流模擬試験装置の実施例を示すものであり、１は加圧水型原子炉の蒸気発生器を模擬する円筒状の容器である。容器１には蒸気発生器に備えられている伝熱管に相当する管２を備えていてもよい。３は調合タンクであり、該調合タンク３には、水供給ライン４を介して水を供給する水供給装置５が接続されていると共に、六フッ化硫黄ガスライン６を介して六フッ化硫黄ガスを供給するガス供給装置７が接続されており、前記調合タンク３によって水と六フッ化硫黄ガスを調合した模擬流体８を前記容器１の一端から容器１と管２との間に供給する模擬流体供給装置９を構成している。
【００２３】
前記容器１の他端には模擬流体８を導出する出口ライン１０を介して気液分離装置１１が接続してあり、該気液分離装置１１で分離した水は再び前記水供給ライン４を介して前記水供給装置５に供給され、又、気液分離装置１１で分離した六フッ化硫黄ガスは六フッ化硫黄ガスライン６を介して再び前記ガス供給装置７に供給され、これにより水と六フッ化硫黄ガスはクローズされた回路により循環使用されるようになっている。
【００２４】
更に、前記気液分離装置１１には調圧タンク１２が接続されており、前記クローズされた回路の圧力を所定の値に保持するようになっている。尚、図示する試験装置は常温（室温）で運転するようにしている。しかし、必要に応じて、前記模擬流体８を加熱する装置を備えて常温よりも高い温度で試験を行うようにしてもよい。
【００２５】
又、前記調合タンク３には、該調合タンク３の模擬流体に界面活性剤を添加する界面活性剤供給装置１３を備えている。
【００２６】
更に、前記容器１には、容器１内の気液二相流の流動特性を把握するための計測手段を設けている。１４は計測手段の一例としての可視化用透明窓であり、この可視化用透明窓１４にはアクリル樹脂、ガラス等の任意の材料を選定して用いることができる。可視化用透明窓１４によれば、容器１内部での気泡の発生状況、沸騰状態、気泡径、気泡の密度等を目視によって計測することができる。
【００２７】
１５は計測手段の一例としての気泡検出器であり、この気泡検出器１５では気泡径が計測されている。又、気泡検出器１５により気泡の頻度（通過数）、或いは速度を計測するようにしてもよい。ここで、前記気泡検出器１５を容器１の長さ方向に複数備えると、気泡の発生状況、気泡径の変化を計測することができる。
【００２８】
気泡検出器１５によって計測された気泡径は、演算装置１６に入力されている。演算装置１６では、前記気泡検出器１５によって計測した前記気泡径、気泡の頻度（通過数）、前記可視化用透明窓１４によって計測された気泡の発生状況、沸騰状態、気泡の密度等に基づいて、液相（水）と気相（六フッ化硫黄ガス）の密度比を計測することができる。
【００２９】
１７は振動検出器であり、この振動検出器１７によれば、例えば管２の振動等を計測することができ、振動検出器１７による振動の検出値は前記演算装置１６に入力される。
【００３０】
図１の模擬試験装置によれば、調合タンク３で調合された水と六フッ化硫黄ガスからなる模擬流体８を容器１に供給することにより、容器１内に水と六フッ化硫黄ガスからなる気液二相流を形成し、この気液二相流の気泡径を気泡検出器１５により計測して、演算装置１６に入力する。又、気泡検出器１５では気泡の密度を計測することはできないが、気泡の頻度を計測することができ、又、可視化用透明窓１４では目視によって気泡の密度が計測できると共に、気泡の発生状況、沸騰状態も計測できるので、このように目視によって計測した計測結果も前記演算装置１６に入力する。これにより、前記演算装置１６では、容器１内での模擬流体８の液相と気相の密度比を求めることができる。
【００３１】
尚、前記模擬流体８の表面張力については予め別個に求めておくことができる。
【００３２】
従って、上記のようにして求めた模擬流体８の密度比と表面張力から、気液二相流の流動特性を求めることができる。
【００３３】
表１は、実機の蒸気発生器と、特許文献１に示す模擬試験装置と、本発明の模擬試験装置での物性値を比較して示したものである。
【表１】
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【００３４】
表１に示すように、実機での圧力は６．９０ＭＰａであるのに対し、特許文献１では０．６２ＭＰａ、本発明では０．７５ＭＰａであっていずれも実機に対して約１／１０前後の低圧で試験することができる。又、実機での温度は２８４．８２℃であるのに対し、特許文献１では３０．００℃であり、本発明では２０．００℃であっていずれも室温程度で試験することができる。
【００３５】
そして、実機での液相と気相の密度比は２０．６３であるのに対し、特許文献１では２０．３１であり、本発明では２０．０８であって三者は殆ど同じ値を示しており、この種の試験においては夫々の密度比は同等と見なすことができる。
【００３６】
又、実機での表面張力は０．０１８であるのに対し、特許文献１では０．０２２であり、本発明では０．０７３であって、本発明では、実機及び特許文献１に対して僅かに高い値を示している。
【００３７】
しかし、流体の温度を高めると分子の電子の活性が高まることによって表面張力が低下することが知られているので、本発明の試験例に示した２０℃の温度を例えば特許文献１と同じ３０℃まで高めると、表面張力を低下させることができる。
【００３８】
更に、図１に示すように、界面活性剤供給装置１３を備えて前記水と六フッ化硫黄ガスからなる模擬流体８に界面活性剤を添加しているので、この界面活性剤の添加によって模擬流体８の表面張力を大幅に引き下げて実機の蒸気発生器における表面張力と同等に調整することができる。
【００３９】
図２は、種々の界面活性剤における濃度と表面張力との関係を示したグラフであり、表面張力が７２．８ｍＮ／ｍである水に対して界面活性剤を僅かに添加すると、表面張力は急激に低下することが示されている。例えば、水にミリスチン酸カリウムを０．０５％添加すると、７２．８ｍＮ／ｍを示す水の表面張力が、約２５ｍＮ／ｍまで低下することが示されており、従って、僅かな量の界面活性剤を添加することにより、模擬流体８の表面張力を大きく低下させて実機の蒸気発生器での表面張力と同等になるように調整できることが分かる。
【００４０】
上記したように、水と六フッ化硫黄ガスからなる模擬流体８によって気液二相流を模擬することにより、高温・高圧の気液二相流体の流動現象を低温・低圧の条件で再現することができる。
【００４１】
即ち、高温・高圧の系に存在する沸騰二相流の流れの特性を支配する物性値と同等又は同程度の物性値を常温・低圧の環境で保持することができる水と六フッ化硫黄ガスからなる模擬流体８を用いて沸騰二相流を模擬することにより、高温・高圧の沸騰二相流の液膜挙動を低温・低圧の環境で再現して試験することが可能となり、よって、高温・高圧の沸騰二相流を有する蒸気発生装置の設計・開発が容易になり、設計・開発のコストを大幅に削減することができる。
【００４２】
又、特許文献１の模擬流体では引火性液体であるエタノールを用いているために、引火性液体による火災等に対する細心の注意が常に必要がある点、皮膚、眼等に対する刺激性を有するために安全性に対しても配慮する必要がある点等の問題があるが、本発明では水と六フッ化硫黄ガスからなる模擬流体を用いているので、特許文献１のような問題を排除して常に安全な試験作業を実施でき、作業を容易にすることができる。又、特許文献１の模擬流体では、試験装置を製作する材料にエタノールに対する耐性を考慮する必要があるが、本発明における水を用いた模擬流体では耐性の問題を考慮する必要がないので、材料選定の幅を広げることができる。
【００４３】
尚、本発明の気液二相流模擬試験方法は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４４】
１  容器
３  調合タンク
８  模擬流体
９  模擬流体供給装置
１２  調圧タンク（圧力調整手段）
１３  界面活性剤供給装置
１４  可視化用透明窓（計測手段）
１５  気泡検出器（計測手段）
１７  振動検出器（計測手段）
【図１】
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【図２】
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