傾斜不整地管路内の液膜流による木質チップ輸送*

1032

日 本 機 械 学 会 論 文 集(B編)論 文No.07‑1030

74巻741号(2008‑5)

傾斜不整地管路内の液膜流による木質チップ輸送*

澤 井9徹*1,梶 本 武 志*2,井 田 民 男*3 渕 端 学*3,加 治 増 夫*1,赤 阪 素 史*4 Transportation of Wood Chips by Liquid Film Flow

in Sloped Rough Terrain Pipelines

Toru SAWAI*5, Takeshi KAJIMOTO, Tamio IDA, Manabu FUCHIHATA, Masuo KAJI and Motofumi AKASAKA

'Department of Mechanical Engineering

, Kinki University, 930 Nishimitani, Kinokawa-shi, Wakayama, 649-6493 Japan

The unused biomass such as residues left on forest floor and unused portions of farm crops is considered as an important domestic and renewable energy resource. The present study addresses the forestry biomass derived from logging and thinning operations in forests. Since most of the forests in Japan locate in the mountain region, the forestry biomass has not been used continually due to the difficulty in carrying residues out of the forest. In order to promote the utilization of forestry biomass, the efficiencies for the transportation across steep slopes have to be improved. In the present study, the new method to transport wood chips by means of liquid film flow in sloped pipeline is proposed. The transportation limit of wood chips is investigated by using the test section imitating the sloped rough terrain pipeline. The wood chips are stagnated in the downstream region of hydraulic jump, which causes blockage of wood chips in the tube. To predict the flow rate of transportation limit of wood chips at a given liquid flow rate, analytical model is presented. From the comparison with the experimental results, it is found that the transportation limit in the sloped pipeline with horizontal tube can be predicted by the present analytical model.

Key Words : Liquid-Solid Two-Phase Flow, Liquid Film Flow, Woody Biomass, Transportation, Sloped Rough Terrain Pipeline,

1.緒 言

バ イ オ マ ス は そ の 大 部 分 が 光 合 成 に よ り生 産 され る植 物 資 源 で あ り,炭 素 中 立,再 生 可 能 とい う特 長 を 活 か した エ ネ ル ギ ー 資源 と して の 利 活 用 が 注 目 され て い る。 国 内 で 発 生 す るバ イ オ マ ス は,廃 棄 物 系 バ イ オ マ ス と未 利 用 バ イ オ マ ス,大 き く2つ に分 類 され て い るが ω,と りわ け国 産 資 源 で あ る未 利 用 バ イ オ マ ス は今 後 の 展 開 が 期 待 され て い る.未 利 用 バ イ オ マ ス の ほ とん ど は森 林 由 来 の資 源 で あ り,年 間生 長 量 か ら見 積 も られ る 国 内 森 林 資 源 の賦 存 量 は1.1億 炭 素 トン ω

とい わ れ,国 内1次 エ ネ ル ギー 供 給 の20%強 に相 当 す る.一 方,国 内 の木 材 自給 率 は わず か18.4%(2)で あ り,

Biomass Energy

*原 稿 受 付2007年11月9日 .

*且正 員

,近 畿 大 学 生 物 理 工 学 部(⑰649‑6493紀 の 川 市 西 三 谷 930).'

*2和 歌 山 県 工 業 技 術 セ ン タ ー(⑰649‑6261和 歌 山 市 小 倉60) .

*3正 員

,近 畿 大 学 理 工 学 部(⑰577‑8502東 大 阪 市 小 若 江3‑4‑

1).

*4准 員

,中 外 炉 工 業(株)(⑰541‑0046大 阪 市 中 央 区 平 野 町3一

ρ1、

国産森林資源利 用の停滞 に よ り,人 工林か ら排 出 され る森林バイ オマス(間 働 オ,林地残材)の 発生量 は年 々 減少 しつつ あ る.木 材 自給率 の低 下は放置人工林 の増 加 による森林 荒廃 とも結 びつ き,日 本 の国土保全 に と って大 きな負 の効果 を与 えるこ とにな りかね ない.し たが って,国 産バイ オマスのエネル ギー利用 はエネル ギー 自給 率の向上,炭 酸ガ ス排 出削減 効果 のみ な らず, 国 土保全 とも結 びっ くこ とを視 野 に入れ なが ら推進

して い くことが必要 とな る.

しか しなが ら,森 林の多 くは 山間部 の慨斜 地に存在 し,傾 斜 山林 か らの森 林バイ オマスの搬 出が大 きな課 題 となる.環 境 白書(3)によれ ば,森 林被覆度 と傾斜 度 の関係 が示 されてお り,平 均斜度 増大 と共 に森林 面積 の占有割 合が大 き くな るこ と,傾斜度 が30° を超 える 急傾 斜 地 では ほ とん どが森 林 で覆 われ てお りそ の約 13%が人工林で あ る ことが示 され てい る.ま た農耕 地 にお いて もその一部 は 中山間地域に存在 し,傾 斜地の 果 樹 圃場 で発 生 す る果樹 勇 定枝 の搬 出にお いて も傾 斜 山林 と同様の問題 に対応 しなけれ ばな らない.傾 斜

'傾 斜 不整地管路 内の液膜流 によ る木質チ ップ輸 送 地 で発 生 す る未 利 用木 質バ イ オマ ス の利 活 用促 進 の

ためには,傾 斜 地か ら林道 あ るい は作 業道 までの搬出 を効 率的 に行 うことが必要 とな る.一 般的 に,傾 斜度 が30° を越 える急傾 斜 地で は路網 整備 は容 易 ではな く極 めて大 きな費用 を要す ることが指 摘 され てい る④.

このため,急 傾斜 地の間伐材 の搬 出 には タワー ヤー ダ ー等 の高性能林業機 械が使用 され てい るが,小 規模の 資源搬 出 には適切 な方法 とは言 いがた い,

本研 究で は,高 性能林 業機械 を使 用せず,路 網 の整 備 も必 要 と しない簡 易 な搬 出方 法 を検討 す る最 初 の 試み として,傾 斜地 に仮設 され た管路 内で液膜流 を形 成 させ,破 砕 あるいは小片化 され た木質バ イ オマ ス を 液流 に同伴 させ て輸 送す るシステム を提案 す る.管 路

DCpowersupPl ^z

V血terstoragetank

Fig.lExperimentalApParatus

Fig.2TestSection

内の液膜 流は,比 較 的少 ない動力 と少 ない液 量で形成 す るこ とが可能で あ り,重 力 によ り木 質チ ップを同伴 して流 下す るが,不 整 地管路 内では木 質チ ップが閉塞 す る可能性 が ある,こ のた め傾斜不整 地 を想定 した管 路 を用 いた固液二相流実験 に よ り,木 質チ ップが閉塞 す る メカニ ズ ムを明 らかにす る と共 に木 質チ ップの 輸送限界 の予測手法 の確 立を 目的 に検討 を行 った.

添

4 g砺んM鞠p勉込R

5

v γ∫

」 κ α

 ρθ字123ゐ

2.お も な 記 号 :液 膜 流 断 面 積[m21 :液 膜 流 幅[m]

:管 内径[m】

:重 力加 速 度[m/s21 :液 膜流 平 均 深 さ[m1 :エ ネ ル ギ ー 勾 配 :比 力[m3]

:マ ニ ン グ粗 度 係 数[s!m1β]

:木 質 チ ップ 通 過 頻 度[1/s】

:濡 れ 縁 長 さ[m]

:液 膜 流 量[m3/s】

:木 質 チ ップ 流 量[m3!s]

:径 深[m]

:管 半径[m]

:木 質 チ ップ ー 辺 の長 さ[m]

:液 膜 流 平 均 速 度[m/s】

:木 質 チ ップ 平 均 速 度[m!s]

:木 質 チ ップ の 流 れ 方 向 間 隔[m]

:管 中 心 か ら液 膜 流 幅 の 開 き角 :木 質 チ ップ 密 度[kg!m3】

中流 管傾 斜 度

:跳 水 前 :跳 水 後 :木 質 チ ップ :液 膜 流

3実 験装置および方法

実験ルー プの概 略 を図1に 示す.実 験装 置は木質チ ップ供給 系,水 供給 系,テ ス トセ クシ ョンお よび計測 部 で構成 され てい る.テ ス トセ クシ ョン管 路には柔軟 で扁平 しに くい透 明VSホ ー スを用 いた.管 路 は図2 に示す よ うに,傾 斜不整地 を想定 して上流 部傾 斜管お

よび下流部傾 斜管を30° 下 向きに固定 した状態 で,中 流 管 を水 平お よび±2° の傾 斜に設定 した.上 流 部傾 斜 管お よび下流部傾 斜管 を30° と設 定 したのは,緒言 で示 した林 道 の設 置 コス トが急 激 に増 大す る傾斜 角

1034 傾斜 不整 地管路 内の液膜流 によ る木質 チ ップ輸 送一 に 対 応 させ た た めで あ る.管 内径 は32,50,65㎜ の3

通 りで あ り,管 路 長 は 上 流 部 傾 斜 管1100㎜,下 流 部 傾 斜 管600㎜,中 流 管850㎜ で あ る.上 流 部 傾 斜 管 の 管 路 長1100㎜ に つ い て は,固 液 混 合 部 で 形 成 され た 液 膜 流 が 整 定 した 流 れ に な る に は 十 分 な 長 さ とな っ て い る こ と を確 認 して い る.木 質 チ ップ供 給 装 置 は塩 ビ パ イ プ 製 の ホ ッパ ー に擁 拝 翼 を 挿 入 した もの で あ り, 直 流 電 気 ド リル で 撹 拝 翼 の 回 転 数 を 可 変 させ る こ と に よ り木 質 チ ップ の 供 給 流 量 を設 定 した.水 循 環 装 置 は 貯 水 タ ン クか らDCギ ヤ ポ ン プ で 水 を循 環 させ,ギ ヤ ポ ン プ の 回 転 数 お よ び ニ ー ドル バ ル ブ で 流 量 を調 整 した.使 用 した 木 質 チ ップ は,一 辺 が 約3㎜ の 立 方 体 バ ル サ 材 で あ り,図3に 写真 を示 す,バ ル サ材 の密 度 は 気 乾 状 態 で 約200kg/m3で あ る が,浸 水 時 間 の 調 整 に よ り木 質 チ ップ 密 度 を 変 化 させ た.実 際 の木 質 バ イ オ マ ス の密 度 は,含 水 率 お よび 樹 種 に よ り変 化 す る が,含 水 率 が0〜50%の 場 合,杉 で400〜700kg/m3,梅 勇 定枝 で800〜900kg/m3程 度 と な る.本 実 験 で は,想 定 され る木 質 チ ップ 密 度 ρsと して 約600,800,1000 kg/m3の3通 りに調 整 した.固 液 混 合 部 は ロー トを用 い てお り,水 は ロー ト側 面 か ら木 質 チ ップ は 上 部 か ら 供 給 され,固 液 混 合 物 と して テ ス トセ ク シ ョンに 流 入 す る.管 路 内 で は,管 路 底 部 に 液 膜 流 が形 成 され,木 質 チ ッ プ が 液 膜 流 に 同 伴 され て 下 流 方 向 に輸 送 され る.流 動 状 況 は 目視 お よび ビデ オ カ メ ラ に よ る観 察 を 行 い,固 液 流 量,木 質 チ ップ密 度,管 径,中 流 管 の 傾 斜 角 を変 化 させ て,実 験 を 行 っ た.

Flg.3WoodChlps

峨 実験 結果

4・1木 質 チ ッ プ輸 送 限 界 木 質 チ ップ の 輸 送 限 界 に つ い て 目視 観 測 を行 っ た 結 果,木 質 チ ップ 閉 塞 の 発 生位 置 を2ヶ 所 で 確 認 す る こ とが で き た.1つ は 水 流 量 が 少 な い 場 合(1〜1.5×10‑5m3/s以 下)お よ び 管 径 が小 さい 場 合(ナ32㎜)に 観 測 され る固 液 混 合 部 で

の閉塞,他 の一つ は管路 内での 閉塞で あ る.前 者 は, 固液 混合 部で 形成 され る液膜 流 の幅 が狭 くな るた め に,木 質チ ップ を液膜 流に同伴 させっ っ安定的 に供給 す る ことが 困難 であ るこ とに起因 し,木 質チ ップの供 給 方法 を改善す る こ とに よ り回避 で き る可能性 が あ る.一 方,後 者 は固液二相流 の流動特 性に起因す る も の であ り,本 研 究で は管 路内閉塞 について着 目し,以 下 の3通 りの管路 に対 して輸 送限界 の検討 を行 っ た.

(1)中 流 管が水平の場合

図4に,中 流管 を水 平に設置 した場 合の内径50㎜

の管路 にお け る木質 チ ップの輸送 限界 を示す.縦 軸 は 木 質チ ップ流 量 ②,横 軸は液膜流 量g乙で ある.図4(a),

(b),(c)は 木質 チ ップ密度 ρsが567,851,1012kg/m3 の結果 に対応 してい る.図 中の記号 は以下 の流動 状況 を表す.

○:与 え られ た水流 量で木 質チ ップの水力輸送 が可 能.

×:中 流管 にお け る水位 の不連 続位置 で閉塞が発 生.

□:中 流管で木 質チ ップが液膜 流幅全体 にわた って 並 び停 滞が生 じるが,木 質 チ ップの一 部が液膜 流 中に潜 り込 み 幾層 に も重 な った状 態 で流 動 す る.

2つ の記 号が重な ってい る条件 は,再 現 性を確認 す る た めの数 回 の実験 で複 数 の結 果 が得 られ た こ とを意 味 す る.いずれ の図 にお いて も,② が大 き くな るほ ど, 木 質チ ッフ輸 送 限界流 量 魚 ㎜ は大 き くな る.管 路内 で閉塞の発生 が観 測 され た位 置で は,液 膜水位 が不連 続 に変化 して いた.一 般的 に開水路 では与 え られ た液 流量 に対 して2通 りの水位 が存 在 し,水 平流路で は水 位 が低 く速 度 の大 きい 射流 か ら水位 が高 く速度 の遅 い常流へ と変化す る跳 水現象 が生 じる.液 膜流 に同伴 されて輸 送 され る木 質チ ップは,水 位 の不 連続位 置 で 急 激 に減 速 し,こ れ が閉塞 を誘発す るこ とが観 測 され た.ま た,ρsが 水密 度 と同程度 の場 合に は,中 流管 の跳 水発 生位 置 で停 滞す る木 質 チ ップ が幾層 に も重 な り液膜 流 中に潜 り込み流 動す る状況 が観 測 され た.

低 密度 の木質 チ ップで あれ ば閉塞 す る条 件下 におい て も,水 と同程度 の密度 を有す る木 質チ ップの場 合に は水 力輸送 が可能 となる.

(2)中 流管が 下向 き2° の場 合

図5に,中 流 管 を下 向き2° に設置 した場合 の内径 50㎜ の管路 におけ る木質 チ ップ の輸 送限界 を示す.水 平 に設 置 した場 合と比べ て,中 流管 におけ る液膜 流の 水位不連続 点で の水位 の差 は小 さい.こ の ため,水 位 の不 連続 位 置 での木 質 チ ップ の減 速 割合 も小 さくな り,水平 に比べ る と公 ㎜ は大 き くな るこ とがわか る.

傾斜不整地 管路内 の液膜 流 による木質 チ ップ輸送

(c)ρs=1012kg!mノ (c)ρs=1296kg!m」

Fig.4Transportationlimitofwoodchipfbrθ=0° Fig.5Transportationlimitofwoodchipfbrθ=2°

(3)中 流管 が上 向 き2° の場 合

上流 部傾 斜管 と中流管 との交 差付 近 で木 質 チ ップ が減速 し,こ れが閉塞 を誘発 す るこ とです べての条 件 下で水力輸送 は不可能 であった.

以上 の実験 結果 よ り,中流 管が水 平または下 向きの 場 合には,与 え られ た α に対 して木質 チ ップ流量 を

伽 獄以 下 に設 定 す れ ば 水 力 輸 送 が 可 能 で あ り,閉 塞 は 中流 管 に お け る液 膜 流 の 水 位 の 不 連 続 現 象 が 関 与 し て い る こ とが 明 らか とな っ た.

4・2木 質 チ ッ プ輸 送 限 界 に及 ぼ す 各 種 因子 の影 響 図6(a),(b)に 中流 管 が水 平 の 場 合 と下 向 き2° の 場 合 にお け る 勉 と2∫㎜,の 関係 を,木 質 チ ップ 密 度 をパ ラ

1036 傾斜 不整 地管路 内の液膜 流 によ る木質チ ップ輸送 メー タ と して示 す.図 中の 曲 線 は各 パ ラメ ー タ に対 す

るデ ー タの 近 似 曲線 で あ る.い ず れ も水 流 量(2Lが 大 き くな る に した がい,2漁 は大 き くな る.木 質 チ ップ の 密 度 が 水 と同程 度 の場 合,図4の □ 印 で 示 され た木 質 チ ップ の 潜 り込 み 流 動 が発 生 す る た め,他 の 密 度 に 比 べ てg肱 は 若 干 増 加 す る.□ 印 の 流 動 を 除 外 す れ ば 9勲 に及 ぼす 密 度 の影 響 は そ れ 程 大 き くな い.

図7(a),(b)に 中 流 管 が 水 平 の 場 合 と下 向 き2° の 場 合 に お け る 蛾 と2漁 の 関 係 を,管 径 をパ ラメ ー タ と して 示 す.図 中 の 曲線 は 各 パ ラ メー タ に 対 す るデ ー タ の 近 似 曲 線 で あ る,(弼 砥に及 ぼ す 管 径 の 影 響 は木 質 チ ップ 密 度 に比 べ て 大 き い.中 流 管 が水 平 の 場 合 に は 65,50㎜ の 径 に 比 べ て32㎜ の径 で2漁 が 小 さ く,下

向 き2° の場 合 に は 管径 が 小 さ くな る ほ どG融 も小 さ く な る.

5.木 質 チ ッ プ輸 送 限界 の 予測解析 前 章の実験結果 か ら木質チ ップの輸送限 界が,(1) 固液 混合 部 での閉塞,(2)管 路 内での 閉塞 のいずれ

か に起因す る こと,管 路 内閉塞で は中流管 が水平 の場 合 に最 も厳 しい水 力輸 送 限界 条件 に な る ことが明 ら か とな った.本 章で は中流管が水平 の場合 にお ける管 路での木質 チ ップの閉塞 条件の理論 的検 討 を行 う.

5・1傾 斜 管路 内液 膜 流 図8に 半 径7の 円 管 内 を流 れ る液 膜 流 の断 面 図 を示 す.液 膜 流 の 断 面積 浸,ぬ れ 縁 長 さP,径 深Rを 液 膜 流 幅 の 開 き 角 α と半径 γで表 わす と次 式 を得 る.

オ=静 一・i・α)(')

P=γ α(2)

R=4=二.α 一 ・i・α(3)

P2α

傾 斜 管 内 にお け る 液 膜 流 の 等 流 速 度vは 次 式 に 示 す Manningの 公 式(5)を用 い て 与 え られ る もの とす る.

。=1Rl(・ 、)圭(4)

η

た だ し 〃 はマ ニ ン グの 粗 度 係 数 で あ り,解0.01と し た 。4は エ ネ ル ギー 勾 配 で あ り等 流 で は 管 路 勾 配 に等

Fig.6Effbctofwoodchipdensityong∫ 加α、fbr石 ←50mm

(a)θ=0°(b)θ=2°

Flg.7Effbctoftubediameteron2∫ 脚α実fbrρs=800kg/m3

44

傾 斜不整地管路 内の液膜流 によ る木質チ ップ輸 送

Fig.8Crosssectionofliquidfilmflow

し く,1

,=sin30。 で あ る.式(1)一(4)よ り 水 流 量 勉 は 次 式 の よ う に な る.

上 式 は η,7が 既 知 でgム が 与 え られ た 場 合,α を未 知 数 とす る方 程 式 とみ な す こ とが で き,求 めた αよ り液 膜 流 の等 流 速 度v,液 膜 流 幅 β,平 均 水 深 砺 が 次 式 で 与 え られ る.

5・2水 平 管路 内液 膜 流 跳 水 の 内部 構 造 を 無 視 し,水 平 管 に お け る跳 水 現象 の一 次 元 解 析 を 行 う.跳 水発生位 置 を含む検 査面間 にお いては,比 力 に比べ底 面摩擦が無視 し得 るほ ど小 さい もの とす る

と,次 式 に示す比力 の保 存式 が成 立す る.

@。 レ(Mo)、=0 (9)

た だ し,(鰯)1,(蛎)2は 跳 水 前 後 の射 流 部 お よび 常 流 部 にお け る比 力 で あ り,次 式 で与 え られ る.

跳 水 前 の 比 力(燭)1に つ い て は,下 向 き30° の 上流 部 傾 斜 管 に お け る等 流 速 度(式(6)),液 膜 流 幅(式

(7)),平 均 水 深(式(8))が 水 平 管 内 の 射 流 部 の v1,B1,煽 に適 用 可 能 な も の と仮 定 して 求 め る こ とが で き る.(鰯)1が 与 え られ る と,式(9)は 跳 水 後 の 常 流 部 にお け る液 膜 流 幅 の 開 き角 α2のみ の方 程 式 とな る.

これ を解 く こ と に よ り跳 水 位 置 下 流 に お け る 常 流 部 のV2,B2,砺2が 決 定 で き る 。

5・3木 質 チ ッ プ閉 塞 条 件 木 質 チ ップ の 管 路 内 で の 閉塞 は,液 膜流 幅 方 向 に並 ぶ 木 質 チ ップ数 が液 膜 流 幅 方 向 に 存 在 可 能 な 粒 子 数 を超 え た と き木 質 チ ッ プ が 側 壁 と接 触 し摩 擦 抵 抗 を 受 け 停 滞 す る こ と に よ り誘 発 され る もの と仮 定 す る.液 膜 流 に 同伴 して輸 送 され る木 質 チ ップ の 流れ 方 向 の 平均 間 隔 △κ は木 質 チ ップ の 通 過 頻 度 η,および 木 質 チ ップ の 平 均 速 度v∫に よ

り次 式 で 与 え られ る.

△κ=L.(16) η,

た だ し,恥 は 木 質 チ ップ流 量2を 木 質 チ ッ プ の 平均 体 積 で 除 す る こ とに よ り与 え,v∫ は液 膜 流 の 断 面 平均 速 度vと 同 じで あ る とす る 。供 給 す る木 質 チ ップ の一 辺 の 長 さ3,液 膜 流 幅Bと す る と,閉 塞 限 界 条 件 は 次 式 で 与 え られ る.

』一一互(17)

△κ一5

左 辺 は 液 膜 流 幅 方 向 の チ ッ プ の 数,右 辺 は 液 膜 流 幅 方 向 に 存 在 可 能 な 最 大 チ ッ プ 数 を 表 す.

式(17)に 式(16)を 代 入 す る こ とに よ り,木 質 チ ッフ輸 送 限 界 頻 度 η3㎜お よ び流 量(2g。躍を 次 式 の よ う に与 え る こ とが で き る.

v5 η5ma.=7至 「7

5ノ /β

蛛m砥=η 、。餅 ・33=3・ β ・V、

(18)

(19) 式(19>の 木 質チ ップ輸送 限界流 量が水平管 の跳水位 置下流 の常流部 に適 用 され る場 合を管路閉塞条件A, 傾斜 管 に お け る液膜 流 に適 用 され る場合 を管 路閉塞 条件Bと して,以 下で実験結果 との比較 を行 う

(1)管 路閉塞 条件A:跳 水位置付 近の液膜流お よび 木質チ ップ の配置 を図9に 模式 的に示 す.添 字1,2

; 傾斜不整地 管路内 の液膜 流に よる木 質チ ップ輸送

Fig.9Schematicdiagramofliquidfilmflowandwood chipsintheneighborhoodofhydraulicjump

は跳 水前後 の諸量 を表す.跳 水位 置で は,水 位が増 大 し液膜 流の速度 は急激 に減少 す る.本 実験 範囲で は常 流部 にお け る α2が180° 以 下で あ ることが観測 され ているため,射 流部 に比べ て常流 部の液膜 流幅が増加 す る.射 流部 で管路長手方 向に並 び流動 していた木質 チ ップは,常 流部 では一列 に並ぶ ことはできず液膜流 幅方 向に並 んだ状態 とな り,木 質 チ ップ輸送 限界流量 は次式 で与 え られ る.

9∫m蟹=5・ β2・V2 (20)

(2)管 路 閉塞 条件B:傾 斜 管 にお け る木 質チ ップ輸 送 限界流量 は次式で与 え られ る.

9ヲm。 、=5・ βドv1 (21)

図10に 式(20)と 式(21)よ り得 られ た木質チ ッ フ輸 送限界流 量 と実験結果 との比較 の一例 を示す.図 中の実線 は管路閉塞条件A,破 線 は管路閉塞 条件Bに よる輸送 限界流量 の予測結果 であ る.図10(a)よ り, 管路閉塞条件Aで は,与 え られ た2乙に対す る水 力輸送 可能範囲 をほぼ予測 できてい るこ とがわか る.こ の こ とは,他 の管径お よび木質 チ ップ密度 が1000kg/m3未 満 の条件すべ て にお いて同様 で あった,図10(b)は 木 質 チ ップ密度 が水 の密度 と同程度 の場合 で あ り,管 路 閉塞 条件Aは 図 中□で示 され た木質 チ ップの液膜 中へ の潜 り込 み に よる水力 輸送 の発 生位 置 とほぼ一 致 し てい る.こ の こ とは,他 の管径 につ いて も同様で あっ た.一 方,管 路閉塞条件Bは 一定勾配 の傾 斜管のみ で 木質 チ ップ を輸 送す る場 合 の輸 送限 界流量 に相 当 し, 管路 閉塞条 件Aに 比べか な り大 きな木質 チ ッフ輸 送限 界流 量を与 えて い る.

以 上 よ り,傾 斜 地 にお け る管 路内 の水力輸 送 では, 管路 閉塞条 件Aで 与え られ る水 平流路内の跳 水位 置 で の閉塞が,木 質 チ ップの輸送限界 の下限値 を与え るこ とが明 らか とな った.た だ し,木 質 チ ップ の輸 送限界 の刊 則直は,液 膜 流量,管 内径 に加 えて上流側傾 斜管 の角度に よ り変化す る,本 閉塞解 析手法 に よれば,上

(b)ρs=1012kg/m3 Fig.10Comparisonbetweenpredictionanalysis

andexperimentalresults

流 側 傾 斜 管 の 角 度 が 大 き くな る と水 平 管 の射 流 部 速 度 が速 くな り,跳 水 位 置 で の速 度 変 化 が大 き くな るた め,木 質 チ ップ の 輸 送 限 界 流 量 は減 る.一 方,上 流 側 傾 斜 管 の 角 度 が 小 さ く な る と水 平 管 の 射 流 部 速 度 が 遅 くな り,跳 水 位 置 で の速 度 変 化 が 小 さ く な るた め, 木 質 チ ップ の 輸 送 限 界 流 量 は増 す こ と とな る.

本 研 究 で 提 案 す る シ ス テ ム を用 い て 森 林 バ イ オ マ ス を輸 送 す る 際,既 存 の 方 法 に対 す る所 要 エ ネ ル ギ ー の 比 較 が重 要 とな る.高 性 能 林 業 機 械 と して タ ワー ヤ ー ダー で架 線 集 材す る こ と を想 定 した 場合

,森 林 総 研 の試 算 に よれ ば 木 材1tの 搬 出 に約500MJ(6)の エ ネ ル ギ ー を要 す る .本 研究 で提 案 した輸 送シ ステ ムを,傾 斜 角30° の 山林 に,送 水 用 管 内 径50㎜,輸 送 用 管 内径 300㎜ の パ イ プ を管 路 長200mで 設 置 し,30㎜ の大 き さの木 質 チ ップ を 輸 送 す る こ と を想 定 した場 合,管 路 閉塞 条 件Aを 用 いれ ば 送 水 に必 要 な 動 力 は木 材1tの 搬 出 に 対 して 約5MJと 推 定 で き る.搬 出時 の所 要 エ ネ ル ギー を比 較 す れ ば,高 性 能 林 業 機 械 に比 べ て本 シス テ ム の所 要 エ ネ ル ギ ー は1/100程 度 と な る.上 記 の試

傾斜 不整 地管路 内の液膜 流 による木 質チ ップ輸送 算 は,考 え られ る一般的 な地形 条件 と搬 出距離 による

ものであ り,架 線集材 と同等 あ るいはそれ以 上の効率 を有す る搬 出方法 とみなす こ とがで きる.た だ し,総 合的 なエネル ギー評 価のた めには,パ イプの設置,バ イ オ マス の小 片化等 に必要 なエ ネル ギー の考 慮 も必 要 で あ り,詳 細 な検 討 につ いて は今 後 の課 題 であ る.

6.結

言

傾 斜不整地 を模擬 した管路 におけ る木質 チ ップ の 水力輸送 限界 を検 討 し以 下のこ とが明 らか とな った.

(1)本 実験範 囲 内で,木 質 チ ップの 閉塞 は2ヶ 所 で観測 され た.1つ は水流量が少 ない場合お よび管径 が小 さい場 合に生 じる固液混合部 での閉塞 であ り,他 の一つ は中流管 内での閉塞で ある.

(2)中 流 管が水平 または下向 きの場 合に は,木 質 チ ップの水力 輸送 は可能であ り,碗 増大 と共 に木 質チ ップ の輸 送限界流量(脇 砥は大 き くな る.閉 塞 は 中流 管 にお け る液 膜 流 の水位 の不連 続 現象 が 関与 して お り,水 平 に設 置 され た場 合が最 も厳 しいg5㎞ を与 え るこ とにな る。

(3)2漁 に及 ぼす木質チ ップ密度 の影響 はそれ程 大 き くはないが,管 径 の影響 は比較的大 き く管径 が小 さくなるにつれ て 伽 ㎜ も小 さくな る.

(4)液 膜流お よび跳水現象 の解析か ら,傾 斜地 に お ける管路 内の水力輸送 では,管 路 閉塞 条件Aで 与 え られ る水 平流 路内の跳水位 置での 閉塞 が,木 質 チ ップ の輸送 限界 の下限値 を与 える こ とが明 らか となった.

本 閉塞予測解析 方法 に よ り,木 質チ ップの輸送 限界 流 量 また は潜 り込 み発 生 の限界流 量 につ い て実験 結果 を予測す る ことが可能 である.

文 献

(1)Komiyama,H.,Sakoda,A.,andMatsumura,Y., BiomassNippon,(2003),Nikkankougyou shinbunsha.

(2)TheForestryAgency,ForestandForestrywhite paper,(2005),http:〃www.rinya.maf￡gojp/seisaku/

sesakusyoukai!17hakusyo/4syou.htm,TheForestry Agency.

(3)TheMinistryoftheEnvironment,Environment whitepaper,(2007),http:〃www.env.gojp/policy/

hakusyo!h19/index.htm1,TheMinistryofthe Environment.

(4)TheForestryAgency,Handbookoffbrestry technology,(1998),p.1398,NationalForester ExtensionAssociationinJapan.

(5)Ikeda,S.,Hydraulics,(1999),p.249,Gihodo shuppan.

(6)Harada,T.,〃bo4ノ ηぬ5の 〜Vo1.57,No.11(2002), pp.480‑483.