JP2005048727A - 液体と気体の混合気を発生する噴霧装置と方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 噴霧装置の噴霧効率を高める。
【解決手段】 本発明は、液体と気体の混合気４を発生するための噴霧装置に関する。発生した混合気４は好ましくは圧縮のためにノズル装置３内に案内され、このノズル装置内で混合気４の運動エネルギーの大部分が気体の圧力上昇によって圧縮エネルギーに変換される。噴霧装置２はほぼ中央の空気供給管１６と、この管１６を取り囲む、液体のためのノズル室１８とを備えている。ノズル室１８内に旋回液体流を発生するための手段１７が噴霧装置に配置され、旋回液体流は管１６を取り囲むノズル開口１９を経て流出する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載した、液体と気体の混合気を発生するための装置から出発する。本発明は同様に、方法に関する独立請求項の前提部分に記載した、液体と気体の混合気を発生するための方法から出発する。

液体と気体の混合気を発生するための噴霧装置は例えば特許文献１によって知られている。この噴霧装置は等温圧縮するめの方法において使用される。等温圧縮された気体、特に空気は、ガスタービン装置に供給される。それによって、ガスタービン装置の効率が改善される。噴霧装置は互いに同心的に配置された複数の環状ノズルからなっている。この環状ノズルは接続通路を介して互いに接続されている。空気が環状ノズルの間に形成された開口を経て、環状ノズルからの水に供給される。その際、噴霧ノズルは中細ノズルの開口全体を覆っている。それによって、個々の液滴からなる均質な噴霧が開口全体にわたって形成される。他の噴霧ノズルは同様に、互いに同心的に配置された複数の環状ノズルからなっている。この環状ノズルは接続通路を介して互いに接続され、中細ノズルの開口を覆っている。水と空気の供給は、泡状の混合気が形成され、この混合気内で空気泡が液体によって閉じ込めれるように調節される。
欧州特許第０９９０８０１号公報

本発明の根底をなす課題は、冒頭に述べた種類の噴霧装置と方法において、噴霧効率を高めることである。

この課題は本発明に従い、独立請求項に記載した特徴によって解決される。

すなわち、本発明の要部は、噴霧装置がノズル本体を備え、このノズル本体が気体の媒体のためのほぼ中央の管と、この管を取り囲む、液体を供給するためのノズル室とを備え、液体供給部がノズル室内に旋回液体流を発生するための手段を備え、旋回液体流が気体媒体を同軸に取り囲んでノズル開口を経てノズル本体から流出することにある。

それによって、噴霧装置に配置された旋回液体流れを発生するための手段によって、噴霧装置のノズル開口のところで、流れ方向に広がる中空円錐状の渦巻き噴霧が発生する。気体の媒体は中央の管から、中空円錐状噴霧の内部に形成された負圧領域内に供給される。

本発明の効果は特に、噴霧装置から旋回流で流出する液体が中央の負圧領域を形成し、公知の噴霧ノズルの場合よりも多量の気体がこの負圧領域内に流入することにある。一緒に運ばれる気体の媒体の量を増やすことにより、全体システムの作用も高められる。噴霧特性は中空円錐状の噴霧と、リング状ノズル開口から出る薄い液体フィルムとに基づく改善された噴霧によって高められる。改善された噴霧により、中細ノズルの長さが短縮される。というのは、泡状の混合気を発生するために、混合時間が短くて済むからである。

本発明の他の有利な実施形は従属請求項に記載されている。

次に、図に基づいて、本発明の実施の形態を詳しく説明する。異なる図において、同じ要素には、同じ参照符号が付けてある。媒体の流れ方向は矢印で示してある。

本発明の直接的な理解にとって重要な要素だけが示してある。

図１に概略的に示したガスタービン装置の場合には、予圧縮するために等温圧縮が用いられる。水１５は高い位置にある水タンクから噴霧装置（霧化器）２に供給されるかあるいは図示のように水ポンプ１によって給水管１１を経て噴霧装置に圧送される。噴霧装置２において水は、混合管３のノズル入口範囲内で、供給管１６によって供給される空気１３を加えながら、噴霧されて液体と空気の混合気４を生じる。この混合気には、微細に分配された小さな液滴が含まれる。混合管３は垂直に配置された落下シャフトとして形成されている。液体と空気の混合気４はこの落下シャフトを通って垂直方向下方に流れ、重力によって加速される。ディフューザ３ａのテーパ状の内側輪郭部の範囲内で、小さな液滴から運動エネルギーが奪われ、それによって液体と空気の混合気４に含まれる空気が圧縮される。ディフューザ３ａは下流側が高圧室５に接続されている。この高圧室内において、高圧縮された空気が空気と水のセパレータ１２内で液体から分離される。等温予圧縮された空気は、適当な高圧管６を経て他の圧縮機段７に供給される。この圧縮機段は燃焼室８に接続され、この燃焼室内で予圧縮された空気が燃料と混合されて点火される。燃焼室内で膨張する高温ガスはタービン９を駆動し、このタービン自体は発電のために発電機１０に連結されている。分離された水はポンプ１と給水管１１を経て再び噴霧装置２に供給される。供給される水を冷却するために、水は給水管１１に配置された水冷却器１４によって冷却される。

圧縮のために必要な混合管３の長さは、ガスタービンの出力に左右されないで、液体を噴霧して微細分布された小さな液滴にする噴霧装置２の噴霧特性（噴霧の質）に非常に左右される。同様に、長さはノズル効率と、噴霧すべき液体を噴霧装置２に供給するときの圧力比とに左右される。混合管３の長さは小滴直径が小さくなるにつれてあるいは圧縮効率が低下するにつれて短くなる。中位の噴霧特性における代表的なノズル長さは約２０ｍである。これに対して、良好な噴霧特性の場合には、ノズル長さを６〜１０ｍに短縮することができる。空気流量が約４００ｋｇ／時間であるガスタービンを使用する場合、中細ノズル（ラバル管）のおける代表的なノズル入口直径は約２ｍで、出口直径は約３ｍである。基本的には、ガスタービン、蒸気タービンおよび排気復熱装置を、等温圧縮と組み合わせることができる。更に、等温圧縮の使用は、一段式冷却システムと比べて、ガスタービンの出力密度と効率を大幅に高めることになる。他の実施形と装置は、欧州特許出願公開第０９９０８０１号公報から明らかである。これによって、この公報は本明細書の組み込まれた構成部分を形成する。

図２には噴霧ノズル２の縦断面が示してあり、図３には横断面が示してある。ノズル本体２０内において、水１５は中央の空気供給管１６に対して接線方向に延びる水供給管１７から、空気供給管１６を取り囲むリング状のノズル室１８に案内される。ノズル室はリング状のノズル開口１９の方に先細になっている。水はポンプ１によって水供給管１７からノズル室１８に供給される。ノズル室１８への水の接線方向の供給のために、旋回流が形成される。この旋回流は先細の横断面内でノズル出口１９の方に加速される。噴霧装置２から出るときに、中空円錐状の渦巻き噴霧２１が生じる。この噴霧はそれによって取り囲まれた範囲内に負圧領域２２を形成する。空気１３はこの負圧領域２２によって空気供給部から吸い込まれて一緒に運ばれる。その際、圧力領域によって一緒に運ばれる空気の量は、今まで知られている噴霧ノズルの場合よりもはるかに多い。噴霧２１はノズル出口１９ではまだ液体フィルムである。この液体フィルムは強い表面張力にさらされており、この表面張力は大きな比表面積に基づいて不安定になる。これはノズル開口の下流で高速噴霧を生じることになる。良好に霧化された噴霧２１は一緒に運ばれる空気１３と混合し、空気と液体の二相の混合気４を形成する。上記のように、混合プロセスは所定の長さを必要とし、混合作用は滴の大きさに逆比例する。すなわち、滴が小さければ小さいほど、混合作用は大きくなる。中細ノズル内の滞留時間が適当であると、混合は泡状の混合気を生じる。この混合気内では空気が液滴内に閉じ込められる。これは空気の等温圧縮を生じることになる。従って、泡状の混合気を生じるための一緒に運ばれる多量の空気と、旅行な噴霧特性と、短い混合時間によって、中細ノズルの高さを大幅に短縮することができる。

本発明は勿論、図示し説明した実施の形態に限定されるものではない。ノズル室内に旋回流を発生させるために、１つだけの接線方向水供給部または２つ以上の接線方向水供給部を使用することができる。接線方向水供給部の位置と内側寸法の設計は、噴霧の所望な外角と、一緒に運ばれる空気の所望な量と、供される水圧と、水の流量に相応して行われる。ノズル室の範囲内で、旋回液体流れを発生するための他の手段をノズル室内に配置することができる。例えば、ノズル室の中または外に配置された案内通路を設けることができる。

等温圧縮を手前で行うガスタービン装置の概略図である。 噴霧装置の部分縦断面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿った噴霧装置の部分横断面図である。

符号の説明

１ 水ポンプ
２ 噴霧装置
３ 混合管
３ａ ディフューザ
４ 液体と空気の混合気
５ 高圧室
６ 高圧管
７ 圧縮機
８ 燃焼室
９ タービン
１０ 発電機
１１ 水管
１２ 空気と水のセパレータ
１３ 空気
１４ 水冷却器
１５ 水
１６ 空気供給部
１７ 接線方向の水供給部
１８ ノズル室
１９ ノズル開口
２０ ノズル本体
２１ 中空円錐状噴霧
２２ 負圧領域

Claims (6)

1. 液体と気体の混合気（４）を発生するための噴霧装置であって、発生した混合気（４）が好ましくは圧縮のためにノズル装置（３）内に案内され、このノズル装置内で混合気（４）の運動エネルギーの大部分が気体の成分の圧縮エネルギーに変換される、上記噴霧装置において、噴霧装置（２）がノズル本体（２０）を備え、このノズル本体が気体の媒体のためのほぼ中央の管（１６）と、この管（１６）を取り囲む、液体の媒体のための回転対称のノズル室（１８）とを備え、液体供給部（１７）がノズル室（１８）内に旋回液体流を発生するための手段を備え、液体が管（１６）を同軸に取り囲むノズル開口（１９）を経てノズル本体（２０）から流出することを特徴とする噴霧装置。
2. 液体供給部（１７）が接線方向からノズル室（１８）に開口していることを特徴とする、請求項１に記載の噴霧装置。
3. ノズル室（１８）がリング状のノズル開口（１９）に向けて先細になっていることを特徴とする、請求項１または２に記載の噴霧装置。
4. 噴霧装置（２）によって液体と気体の混合気（４）を発生するための方法であって、発生した混合気（４）が特に圧縮のためにノズル装置（３）内に案内され、このノズル装置内で混合気（４）の運動エネルギーの大部分が気体の成分の圧縮エネルギーに変換される、上記方法において、噴霧装置（２）のノズル開口（１９）から旋回液体流が流出し、流れ方向に広がる中空円錐状の渦巻き噴霧（２１）を発生し、気体の媒体（１３）が中央の供給部（１６）から、中空円錐状噴霧（２１）内に形成された負圧領域（２２）内に流入することを特徴とする方法。
5. 旋回液体流れが気体の媒体を供給するための管（１６）を取り囲むノズル室（１８）内で発生させられることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 旋回液体流れがノズル室（１８）内で、接線方向からノズル室（１８）に開口する少なくとも１つの液体供給部（１７）によって生じることを特徴とする、請求項５に記載の方法。

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