(57)【要約】【課題】本発明は、蒸発法による海水淡水化装置において、海水中に含まれるスケール成分に起因するノズルの目詰まりなどのトラブルを回避しつつ、海水を簡便に且つ安定したミスト化を実現することによって、海水淡水化装置の保守コストを低減することを可能にする蒸発装置を提供することを目的とする。【解決手段】羽根車として構成されるタービンに対しノズルから海水を導入してタービンを高速回転させる。高速で回転するタービンの羽根が海水の液滴と衝突することによって液滴の分裂を好適に促進され、また、分裂し微粒化した水滴は、その回転に伴う遠心力によって空気中に放散される。放散された水滴は、海水淡水化装置の減圧容器（蒸発部）の空間を浮遊する間に、その表面から拡散によって蒸発する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽根車として構成されるタービンと、海水を導入するためのノズルとを備え、前記ノズルから導入される海水の動圧によって前記タービンを回転させ、当該回転力によって前記海水を水滴化し空気中に放散することを特徴とする蒸発装置。
【請求項２】
前記タービンは、その回転軸に垂直な側壁面を有する、請求項１に記載の蒸発装置。
【請求項３】
前記海水の水滴の半径が０．１ｍｍ以下である、請求項１または２のいずれか１項に記載の蒸発装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の蒸発装置を蒸発部に含む、蒸発法による海水淡水化装置。
【請求項５】
蒸発法による海水淡水化装置において海水を蒸発させる方法であって、
羽根車として構成されるタービンに海水を導入し、該タービンを該海水の動圧によって回転させ、当該回転力によって前記海水を水滴化し空気中に放散させることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸発法による海水淡水化装置の蒸発装置に関し、より詳細には、海水を好適に微粒化することによって蒸発を促進する蒸発装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、海水の淡水化方法としては、逆浸透膜法および蒸発法が主に用いられている。逆浸透膜法は、大量の海水を処理するのに向いているが、淡水化の前処理として浸透膜の目詰まりを防止するために海水に含まれるスケール成分を除去する工程が必須であること、また、浸透膜を数年毎に交換する必要があることから、設備・保守コストが大きいという問題があった。【０００３】
その点、蒸発法は、逆浸透膜法に比較すると設備・保守コストの面においては優れており、特に従来から発電プラントのタービン排気などの既存の熱源を利用して海水を加熱して減圧容器内で蒸気化したのち、これを減圧蒸留する、いわゆる多段フラッシュ法が多く用いられてきた。しかしながら、水の蒸発潜熱が大きいため、多段フラッシュ法においては海水の蒸気化に多大なエネルギーを必要とする。したがって、近くに発電所など既存の熱源がない場合には、淡水化プラント自体の熱源を用意することが必要となり、莫大な設備・維持コストが必要となる。また、多段フラッシュ法には、静圧上昇に起因する蒸発抑制の影響により蒸発速度が遅いため淡水化の効率が低いという問題があった。【０００４】
この点につき、近年、蒸発抑制の問題を回避し、少ないエネルギーで急速により完全な蒸発を誘起することのできる蒸発法として、スプレーフラッシュ法が検討されている。図７は、スプレーフラッシュ法を用いた従来の海水淡水化装置１００を示す。以下、図７を参照しながら、スプレーフラッシュ法による淡水化の機構について簡単に説明する。最初に、温海水Ｗが配管１０２を経て減圧容器１０４内に導入される。導入された温海水Ｗは、配管１０２に複数配設されたスプレーノズル１０６から噴射され、ミストとなって減圧容器１０４内に飛散する。ここで減圧容器１０４内は、減圧排気ポンプ１０８によって温海水Ｗの水温に対する飽和蒸気圧以下に減圧されている。減圧容器１０４内に飛散した温海水Ｗは、ミストとなって微粒化しているためその蒸発面積が増加しており、温海水Ｗの温度は、多段フラッシュ法における加温海水に比べてかなり低いにもかかわらず急速な蒸発が可能となる。なお、蒸発しきれず減圧容器１０４の底部に落下して溜まった海水Ｗは、排出ポンプ１０９によって適宜減圧容器１０４外に排出される。一方、ミストから発生した水蒸気は、図示しないミスト捕捉手段を経たのち、水蒸気流路１１０を通って凝縮器１１２に導入され、凝縮器１１２内に設けられた熱交換器１１４内を環流する冷媒に潜熱を与え、復水して淡水となったのち淡水回収タンク１１６に貯留される。【０００５】
以上、説明したように、スプレーフラッシュ法を用いることによって海水の淡水化における海水の加熱エネルギーが大幅に節約される。近年、地球温暖化による異常気象の問題が指摘されており、これに伴って近未来における世界規模の水不足問題が憂慮されている。この問題に対応すべく世界規模で相当数の海水淡水化プラントを建設することが検討されており、その際、当然にプラントの設備コストならびにその稼働に必要なエネルギーの低減が必須課題となるため、設備コストならびにエネルギー消費が少ないスプレーフラッシュ法による淡水化の応用が有望視されている。特開平９−５２０８２号公報（特許文献１）および特開２００５―１８５９８８号公報（特許文献２）は、スプレーフラッシュ法を用いた海水淡水化装置を開示する。特許文献１の海水淡水化装置においては、海水が減圧容器内において下向きに噴霧されるところ、特許文献２の海水淡水化装置においては、スプレーノズルの噴射方向を上向きに配置して海水のミストの飛散距離を最大限確保する構成を採用している。【０００６】
ここで、スプレーフラッシュ法においては、蒸発効率の向上のため海水のミストの液粒をできるだけ微細化することが求められる。スプレーフラッシュ法において、大きな液塊を生じさせることなく、海水の安定したミスト化を実現するためには、海水の噴射圧力やスプレーノズルの形状など、種々の条件を正確に調整することが要求され、このことはシステムの保守コストの増大を招く。また、海水のミストの液粒の微細化を企図してスプレーノズルの径を微小化すると、海水中に含まれるスケール成分がスプレーノズルに詰まりやすくなるという問題が生じ、さらにシステムの保守コストを増大させる虞が生じる。
【特許文献１】特開平９−５２０８２号公報
【特許文献２】特開２００５―１８５９８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、蒸発法による海水淡水化装置において、海水中に含まれるスケール成分に起因するノズルの目詰まりなどのトラブルを回避しつつ、海水を簡便に且つ安定したミスト化を実現することによって、海水淡水化装置の保守コストを低減することを可能にする蒸発装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、海水を簡便かつ安定的にミスト化する機構について鋭意検討した結果、羽根車として構成されるタービンに対しノズルから海水を導入してタービンを高速回転させるとともに、高速で回転する該タービンの羽根と海水の液滴を高速で衝突させることによって液滴の分裂を促進し、また、分裂し微粒化した水滴を、その回転に伴う遠心力によって空気中に放散することで、海水の安定したミスト化を実現しうる新規な機構を見出し、本発明に至ったのである。【０００９】
すなわち、本発明によれば、羽根車として構成されるタービンと、海水を導入するためのノズルとを備え、前記ノズルから導入される海水の動圧によって前記タービンを回転させ、当該回転力によって前記海水を水滴化し空気中に放散することを特徴とする蒸発装置が提供される。本発明においては、前記タービンは、その回転軸に垂直な側壁面を有することができる。また、本発明においては、前記海水の水滴の半径を０．１ｍｍ以下とすることができる。さらに、本発明によれば、上記蒸発装置を蒸発部に含む、蒸発法による海水淡水化装置が提供される。【００１０】
さらに本発明によれば、蒸発法による海水淡水化装置において海水を蒸発させる方法であって、羽根車として構成されるタービンに海水を導入し、該タービンを該海水の動圧によって回転させ、当該回転力によって前記海水を水滴化し空気中に放散させることを特徴とする方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、蒸発法による海水淡水化装置において、海水中に含まれるスケール成分に起因するノズルの目詰まりなどのトラブルの発生が好適に低減され、また、いたってシンプルな機構によって海水の安定したミスト化が実現されるため、装置の保守コストを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の蒸発装置１０の主要部を示す図。
【図２】本実施形態の蒸発装置１０が海水を微粒化する態様を示した図。
【図３】第２の実施形態である蒸発装置のタービン３０を示す図。
【図４】タービン３０の一部を拡大して示した概念図。
【図５】複数のタービン１２が並設された蒸発装置４０を示す図。
【図６】蒸発装置４０を含む海水淡水化装置の減圧容器５０を示す図。
【図７】スプレーフラッシュ法を用いた従来の海水淡水化装置１００を示す図。
【符号の説明】
【００１３】
１０…蒸発装置、１２…タービン、１４…羽根、１６…ノズル、１８…タービン軸、２０…タービン支持部、３０…タービン、３２…側壁板、４０…蒸発装置、４２…配管、５０…減圧容器、１００…海水淡水化装置、１０２…配管、１０４…減圧容器、１０６…スプレーノズル、１０８…減圧排気ポンプ、１０９…排出ポンプ、１１０…水蒸気流路、１１２…凝縮器、１１４…熱交換器
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。【００１５】
図１は、本発明の実施形態である蒸発装置１０の主要部を示す。蒸発装置１０は、タービン１２と、タービン１２の羽根１４に海水Ｗを導入するノズル１６とを含んで構成される。タービン１２は、タービン軸１８を支える図示しない軸受によって支持されており、タービン軸１８の回転軸１８ａを中心に回転自在に構成されている。また、ノズル１６は、回転軸１８ａに平行な平面として構成される羽根１４ａ〜１４ｄの上に海水Ｗが落下するように位置決めされる。このように位置決めされた状態で、ノズル１６から海水Ｗを導入すると、羽根１４ａへの最初の衝突によって水滴が生成される。一方、海水Ｗの動圧によりタービン１２は、図１中の矢印Ｒの方向に回転するため、羽根１４ａへの最初に衝突で生成された水滴は次に羽根１４ｂに衝突しさらに細かい水滴に分裂する。さらに加えて、タービン１２が高速で回転することによって分裂した水滴は、回転に伴って生じる遠心力によって回転軸１８ａに対し略垂直な方向Ｅに飛散し、これに伴う風圧の作用でさらに細かく分裂する。【００１６】
なお、本発明においては、タービン１２の材質は耐久性および剛性の高いものを用いることが好ましく、また海水Ｗの動圧によって容易に回転しうるよう軽い材料によって形成することが好ましい。また、図１には、海水Ｗが鉛直方向に自然落下してタービン１２に導入される実施の形態を示したが、本発明は、海水Ｗの導入方向をこれに限定するものではなく、例えば、所望の噴射手段を用いてノズル１６から海水Ｗをタービン１２の羽根１４に対して所望の方向から噴射してタービン１２を回転させるものであってもよい。さらに、本発明においては、一つのタービン１２に対して、複数のノズル１６から海水Ｗを導入することもできる。以上、本実施形態の蒸発装置１０の物理的構成ならびにその海水微粒化機構について説明してきたが、さらに、図２を参照しながら、本実施形態の蒸発装置１０の海水微粒化機構についてより詳細に説明する。【００１７】
図２は、本実施形態の蒸発装置１０の海水微粒化機構の理解を助けるために蒸発装置１０が海水Ｗを微粒化する態様を示した図である。【００１８】
図２（ａ）は、まさにノズル１６からタービン１２の羽根１４ａに対して海水Ｗが矢印方向に導入される直前の様子を示す。図２に示す実施形態においては、タービン１２は、軸受を備えるタービン支持部２０、２０によって減圧容器の底面Ｇから支持されている。一方、図２（ｂ）は、導入された海水Ｗの動圧によってタービン１２が高速で矢印方向に回転し、複数の羽根１４との衝突衝撃ならびに遠心力による飛散によって海水Ｗから微小な水滴群が好適に形成され減圧容器内を拡散する様子を示す。微小な水滴Ｍは、重力に従って減圧容器の底面Ｇに落下するまでの間、減圧容器内を浮遊し、その間に各水滴Ｍの表面からの拡散によって急速に蒸発が起こる。また、減圧容器内の空気は、タービン１２の回転によりかき回されるため乱流状態になっており、水滴Ｍが長時間空中を漂うことになるので、その間に蒸発量はさらに増加する。【００１９】
なお、本発明においては、従来のスプレーフラッシュ法のように海水Ｗをノズル１６から直接噴霧させることを企図しておらず、水滴の微粒子化は上述したタービン１２の回転機構によって実現する構成としたため、ノズル１６の径を噴霧のために微細化する必要がない。すなわち、ノズル１６から導入される海水Ｗの流量は、タービン１２を高速で回転させるための動圧を生じさせるのに充分な流量であって、且つ、上述した機構によって充分に細かく分裂した水滴に変換されうる流量であることが好ましく、そのような流量を確保するために、本発明においては、ノズル１６の径を、数ｍｍ〜数ｃｍとすることができる。このノズル径の大きさは、従来のスプレーノズルのノズル径に比較して格段に大きいものであり、本実施形態の蒸発装置１０を用いた海水淡水化装置は、従来のスプレーフラッシュ法において不可避であった海水に含まれるスケール成分に起因するノズルの詰まりの問題を生じさせないことが理解されよう。【００２０】
図１および図２に示した実施形態においては、４つの羽根１４を備えるタービン１２を示したが、本発明においては、羽根１４の形状ならびにその数を図１および図２に示した実施形態に限定するものではない。すなわち、本発明におけるタービン１２は、発電用水車のように回転運動エネルギーを電気エネルギー等に変換して使用することを目的とするものではなく、海水Ｗの動圧を利用してタービン１２を回転させ、この回転力によって発生する羽根１４と水滴の衝突衝撃や遠心力による飛散などの作用を利用して水滴を好適に微粒子化する機構として機能するものであるので、当該機能に鑑みて、羽根１４の形状ならびにその数などを設計することが望ましい。次に、上述した機能に鑑みた第２の実施形態について図３および図４を参照して以下説明する。【００２１】
図３は、本発明の第２の実施形態である蒸発装置のタービン３０を示す。図３において先に説明したタービン１２と共通する要素については同じ符号を用いる。本実施形態のタービン３０は、羽根１４、タービン軸１８の他に側壁板３２Ｌ、３２Ｒを備えている。その他の構成については先に説明した実施形態と同じである。次に、図４を参照して、タービン３０を用いた蒸発装置における海水微粒化機構を以下説明する。【００２２】
図４は、タービン３０を用いた蒸発装置における海水微粒化機構を概念的に説明するためにタービン３０の一部を拡大して示した概念図である。本実施形態においては、図示しないノズル１６からタービン３０に導入された海水Ｗは、羽根１４ａに衝突し、分裂して水滴（イ）となる。次に水滴（イ）は、側壁板３２Ｒに衝突して分裂し水滴（ロ）となったあと、側壁板３２Ｌに衝突して分裂し水滴（ハ）となる。次に、水滴（ハ）は、羽根１４ｂに衝突して分裂し水滴（ニ）となったあと、さらに、側壁板３２Ｌに衝突して分裂し水滴（ホ）となる。水滴（ホ）は、再び羽根１４ｂに衝突して分裂し水滴（ヘ）となったあと遠心力によって飛散する過程で風圧によってさらに分裂して微小な水滴（ト）となって空気中に放散される。以上説明したように、タービン３０は、側壁板３２Ｌ、３２Ｒを備えることによって、水滴が羽根１４との衝突に加えて側壁板３２Ｌ、３２Ｒとの衝突の影響を受けることによって水滴分裂による微粒化が促進される。【００２３】
上述した説明においては、便宜上、単一のタービンを備える蒸発装置についてのみ図示して説明してきたが、本発明においては、海水淡水化装置における減圧容器に複数のタービンを配設することが淡水化効率の向上の点から好ましいことはいうまでもない。図５は、複数のタービン１２が並設された本実施形態の蒸発装置４０を示す。蒸発装置４０においては、並設された複数のタービン１２がタービン支持部２０、２０によって図示しない海水淡水化装置の蒸発部の減圧容器の上から吊下げ支持されており、タービン１２は各々が独立して回転しうるように構成されている。また、配管４２によって減圧容器内に導入された海水Ｗは、複数のタービン１２のそれぞれに対応して位置決めされたノズル１６から、タービン１２の羽根１４に落下するように構成されている。なお、本発明においては、減圧容器内における複数のタービン１２の配設態様は、図５に示した実施形態に限定されるものではないが、各タービンから飛散する水滴が互いにぶつからないように複数のタービンを配設することが好ましい。【００２４】
図６は、上述した蒸発装置４０を含む海水淡水化装置の蒸発部の減圧容器５０を示す。図６（ａ）に示すように、減圧容器５０は、蒸発装置４０から飛散する水滴が蒸発するために充分な時間浮遊しうるように、また、水滴が蒸発するために必要な落下速度に達するように、水滴の拡散空間の高さｈについて設計することが好ましい。また、図６（ｂ）に示すように、減圧容器５０は、蒸発装置４０から飛散する水滴が減圧容器５０の内壁に衝突しないように、水滴の拡散空間の幅ｗについて設計することが好ましい。【００２５】
以上、蒸発装置が減圧容器内に設けられる態様に基づいて本発明を説明してきたが、本発明の蒸発装置が設けられる海水淡水化装置の蒸発部は、減圧容器に限定されるものではなく、密閉された容器であればよい。すなわち、本発明の蒸発装置は、減圧蒸留に限らず、大気圧下において海水を自然蒸発させ、これを蒸留する海水淡水化装置に用いることもできる。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明の蒸発装置について、実施例を用いてより具体的に説明を行うが、本発明は、以下に示す実施例に限定されるものではない。【００２７】
（動作実験）
本実施例の蒸発装置について動作実験を行った。４０ｍｍ×３０ｍｍ×１ｍｍの８個の羽根を備える直径８０ｍｍの羽根車を作製しタービンとした。ノズル径２．５ｍｍのノズルから３．６７ｌ／ｍｉｎの流量の水を上記タービンの羽根に対し上から導入した。このときタービンの回転数は１９０５ｒｐｍであった。上述した条件において本実施例の蒸発装置が動作する様子を高速度カメラで撮影したところ、タービンから放散するほぼ全ての水滴の半径が０．１ｍｍ以下となっている事が確認された。【００２８】
（検証）
上述した実験結果を受け、本発明の蒸発装置の実施可能性について以下検証する。水の表面から拡散によって蒸発する水の量Nは、空気の密度をρ、水の拡散係数をD、飽和水蒸気圧をω、水の粘性係数をμ、水滴の半径をRとすると、下記式（１）によって与えられる。なお、下記式（１）において、Reはレイノルズ数を示す。【００２９】
【数１】
2008090637.tif 000003
【００３０】
レイノルズ数Reは、下記式（２）によって求められる。なお、下記式（２）において、Uは水滴の速度を示す。【００３１】
【数２】
2008090637.tif 000004
【００３２】
ここで、半径Ｒの水滴の質量のうち、単位時間当たりに蒸発する割合Ｃは、下記式（３）によって求められる。【００３３】
【数３】
2008090637.tif 000005
【００３４】
上記式（３）において、ρ＝１．３ｋｇ／ｍ３、D＝２．６×１０−５ｍ２／ｓｅｃ、２０℃におけるω＝０．０３、μ＝１．７×１０−５Ｐａ・ｓｅｃとすると、半径０．１ｍｍ、落下速度１０ｍ／ｓｅｃの水滴の質量のうち、単位時間当たりに蒸発する割合Ｃは、１．０／ｓｅｃとなる。ここで、ＣがＵの平方根に比例し、Ｒの１．５乗に逆比例することから、飛散する水滴の半径が０．１ｍｍ以下のとき、その水滴のうち毎秒１００％が蒸発することになる。なお、水の自由落下距離が５ｍあれば水の落下距離速度１０ｍ／ｓｅｃを得ることができるため、上述した実施例が示すタービンを蒸発部の底面から５ｍ以上の高さに設置することによって、本発明の蒸発装置が充分に実施可能であることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
以上、説明したように、本発明によれば、蒸発法による海水淡水化装置において、海水中に含まれるスケール成分に起因するノズルの目詰まりなどのトラブルを回避し、且つ、海水の安定したミスト化を実現することによって、海水淡水化装置の保守コストを低減することを可能にする蒸発装置が提供される。本発明の蒸発装置を採用した海水淡水化装置の普及によって、海水淡水化プラントの建設コスト、稼働コスト、保守コストの低減化が図られることが期待される。近年、近未来における世界規模の水不足問題が憂慮され、その早急な対応策が求められているが、本発明を用いた造水プラントを海岸近傍に設置した場合、得られた淡水を実際に水が必要とされる内陸部までパイプライン等で輸送せざるを得ず、そうなると、水の輸送コストの問題が常に生じることになる。そこで、本発明者は、例えば以下のようなモデルを提案する。すなわち、スエズ運河のような水路をつくって水が必要とされる内陸部まで海水を引き込み、その水路の沿岸に本発明を用いた造水プラントを多数設置するというものである。
【図１】
2008090637.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
2008090637.tif 000013
2008090637.tif 000014