(57)【要約】【課題】本発明は、多大なエネルギーを必要とせず、機構が簡略化され、メンテナンス面が改善された淡水化装置を提供する。【解決手段】淡水化装置は熱源と、伝熱管および噴霧手段を内蔵する容器を有する蒸発器と、原水供給手段と、制御手段と、排水手段と、気液分離器と、凝縮部と、淡水回収部から構成される。熱源からエネルギーを受けた熱媒が流れる伝熱管に対し、原水供給手段より供給された原水を噴霧手段で噴霧する。制御手段で噴霧手段を伝熱管が乾燥する時間を設けて間欠的または周期的に原水を噴霧するように制御する。伝熱管に接触した原水は蒸発し、水蒸気は気液分離器を通過する。気液分離器を通過した水蒸気は凝縮部で凝縮し、淡水となり淡水回収部で回収される。蒸発器内の未蒸発原水は排水手段によって排水される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源と、
蒸発器用容器と、前記蒸発器用容器内に設置され、前記蒸発器用容器の内壁面と離間しつつ前記内壁面に沿って複数回周回しながら垂直方向に伸長して配置されるとともに、前記熱源よりエネルギーを受けて高温化された熱媒が流れる伝熱管と、原水を前記伝熱管に噴霧する噴霧手段と、を有する蒸発器と、
前記原水を前記噴霧手段に供給する原水供給手段と、
前記噴霧手段が前記伝熱管に対して乾燥する時間を設けて、間欠的または周期的に噴霧させる制御手段と、
前記蒸発器内の未蒸発原水を排水する排水手段と、
前記蒸発器で発生した水蒸気と前記未蒸発原水を分離する気液分離器と、
前記気液分離器を通過した前記水蒸気を凝縮させる凝縮部と、
前記凝縮部で凝縮した淡水を回収する淡水回収部と、
を有することを特徴とした淡水化装置。
【請求項２】
前記制御手段は前記噴霧手段を前記伝熱管に対して回転させることを特徴とした請求項１に記載の淡水化装置。
【請求項３】
前記排水手段は前記未蒸発原水の少なくとも一部を前記原水供給手段に送水する送水手段を有することを特徴とした請求項１または２のいずれかに記載の淡水化装置。
【請求項４】
前記凝縮部はエゼクタとポンプと前記淡水回収部を有することを特徴とした請求項１乃至３のいずれかに記載の淡水化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は蒸発法による淡水化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  蒸発法は原水を加熱、蒸発させ、水蒸気を凝縮して淡水を得る方法であり、特許文献１に示されるような淡水化装置が開示されている。しかしながら、貯留された多量の原水を蒸発あるいは原水を沸点まで昇温するため、多大なエネルギーを必要とする。また、複数本かつ密接に設置された原水と接する伝熱管は機構が複雑になる。さらに、伝熱管にスケール等の汚れが付着した場合、除去が困難になる等メンテナンス面に問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３３０９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  本発明は、多大なエネルギーを必要とせず、機構が簡略化され、メンテナンス面が容易な淡水化装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  請求項１に記載の淡水化装置は、（Ａ）熱源と、（Ｂ）蒸発器用容器と前記蒸発器用容器内に設置され、前記蒸発器用容器の内壁面と離間しつつ前記内壁面に沿って複数回周回しながら垂直方向に伸長して配置されるとともに、前記熱源よりエネルギーを受けて高温化された熱媒が流れる伝熱管と原水を前記伝熱管に噴霧する噴霧手段とを有する蒸発器と、（Ｃ）前記原水を前記噴霧手段に供給する原水供給手段と、（Ｄ）前記噴霧手段が前記伝熱管に対して乾燥する時間を設けて、間欠的または周期的に噴霧させる制御手段と、（Ｅ）前記蒸発器内の未蒸発原水を排水する排水手段と、（Ｆ）前記蒸発器で発生した水蒸気と前記未蒸発原水を分離する気液分離器と、（Ｇ）前記気液分離器を通過した前記水蒸気を凝縮させる凝縮部と、（Ｈ）前記凝縮部で凝縮した淡水を回収する淡水回収部と、を有することを特徴とする。【０００６】  請求項２に記載の淡水化装置は、上述した請求項１の淡水化装置の特徴に加えて、前記制御手段は前記噴霧手段を前記伝熱管に対して回転させることを特徴とする。【０００７】  請求項３に記載の淡水化装置は、上述した請求項１の淡水化装置の特徴に加えて、前記排水手段は前記未蒸発原水の少なくとも一部を前記原水供給手段に送水する送水手段を有してもよい。【０００８】  請求項４に記載の淡水化装置は、上述した請求項１の淡水化装置の特徴に加えて、前記凝縮部はエゼクタとポンプと前記淡水回収部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】  請求項１に記載の淡水化装置によれば、伝熱管を蒸発器用容器内壁面と離間させることにより、伝熱管のエネルギーが蒸発器用容器に伝播しなくなるため、放熱による熱損失を抑制できる。また、蒸発器容器内壁面を伝って下降する未蒸発原水は伝熱管と熱交換せずに下降するため、熱移動を避けることができる。さらに、未蒸発原水の熱移動が少なくなるため、エネルギー効率の低下を抑制できる。【００１０】  また、伝熱管に対して乾燥する時間を設けて、間欠的または周期的に原水を噴霧することにより、局所的に伝熱管と原水の熱交換効率が上昇するため、エネルギーの多くを蒸発潜熱として利用することが可能である。効率良くエネルギーを蒸発に利用できるため、太陽熱や低温排熱等のエネルギー密度の低い熱源に対して特に有効である。【００１１】  さらに、伝熱管は蒸発器用容器内壁面に沿って複数回周回しながら垂直方向に伸長することにより、伝熱管が噴霧される原水に対して面状に設置されるため、構造を簡略化でき、メンテナンスが容易になる。【００１２】  請求項２に記載の淡水化装置によれば、制御手段は噴霧手段を伝熱管に対して回転させることにより、上述した請求項１の効果に加え、所定の方向でしか原水を噴霧できない噴霧手段であっても伝熱管の全周に亘って周期的に噴霧させることが可能になり、噴霧手段の構造を簡略化できる。【００１３】  また、制御手段は噴霧手段を伝熱管に対して回転させ、伝熱管の一部に噴霧する場合は、乾燥した伝熱管に原水を連続的に噴霧できるため、高いエネルギー効率を維持しながら原水を蒸発させることができる。【００１４】  請求項３に記載の淡水化装置によれば、排水手段は未蒸発原水を原水供給手段に送水するための送水手段を有することにより、上述した請求項１の効果に加え、未蒸発原水を複数回蒸発させることができ、排水の濃度制御が可能になる。【００１５】  請求項４に記載の淡水化装置によれば、凝縮部はエゼクタとポンプと淡水回収部を有することにより、上述した請求項１の効果に加え、減圧と水蒸気の吸引を同時に行い、エゼクタ通過後の圧力差によって水蒸気を凝縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態１に係る淡水化装置を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る淡水化装置の動作を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る淡水化装置の蒸発器を鉛直上から見た構成図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る淡水化装置の蒸発器における動作を鉛直上から見た説明図である。
【図５】本発明の実施形態２に係る淡水化装置を示す構成図である。
【図６】本発明の実施形態２に係る淡水化装置の動作を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態２に係る淡水化装置の蒸発器を鉛直上から見た構成図である。
【図８】本発明の実施形態２に係る淡水化装置の蒸発器における動作を鉛直上から見た説明図である。
【図９】本発明の実施形態３に係る淡水化装置を示す構成図である。
【図１０】本発明の実施形態３に係る淡水化装置の動作を示す説明図である。
【図１１】本発明の実施形態４に係る淡水化装置を示す構成図である。
【図１２】本発明の実施形態４に係る淡水化装置の動作を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】  以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】  本発明の実施形態１を図１、図２、図３および図４に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態１に係る淡水化装置１を示す構成図である。図２は本発明の実施形態１に係る淡水化装置１の動作を示す説明図である。図３は本発明の実施形態１に係る淡水化装置１の蒸発器３を鉛直上から見た構成図である。図４は本発明の実施形態１に係る淡水化装置１の蒸発器３における動作を鉛直上から見た説明図である。
【００１９】  本発明の実施形態１の淡水化装置１は、熱源２と、蒸発器３と、制御手段８と、原水供給手段９と、排水手段１０と、気液分離器１１と、凝縮部１２と、淡水回収部１３から構成される。
【００２０】  蒸発器３は、伝熱管５と噴霧手段６を内蔵する円筒形の蒸発器用容器４から構成される。伝熱管５は単管であり、蒸発器用容器４の内壁面と離間しつつ蒸発器用容器４の内壁面に沿って複数回周回しながら垂直方向に伸長して設置されている。伝熱管５には金属等の熱伝導率が高い材質を用いることが望ましい。噴霧手段６は、一例として一流体スプレーノズル群７が鉛直上からみて蒸発器用容器４の中心に設置している。一流体スプレーノズル群７はそれぞれの噴霧角度が９０°の一流体スプレーノズル７ａ、一流体スプレーノズル７ｂ、一流体スプレーノズル７ｃ、一流体スプレーノズル７ｄが鉛直上から見てそれぞれ９０°の角度で設置されている。
【００２１】  一流体スプレーノズル群７、制御手段８、原水供給手段９は接続されている。蒸発器３内の未蒸発原水２４を排出する排水手段１０が蒸発器３の外部に存在する。また、蒸発器３、凝縮部１２、淡水回収部１３は接続されている。凝縮部１２には図示しないフィン型熱交換器が内蔵されている。
【００２２】  まず、原水２２は原水供給手段９によって一流体スプレーノズル群７に送水され、制御手段８によって一流体スプレーノズル７ａのみで原水２２を伝熱管５に噴霧させる。その後、制御手段８は一流体スプレーノズル７ｂのみが原水２２を噴霧するように制御する。同様に一流体スプレーノズル７ｃ、一流体スプレーノズル７ｄの順に伝熱管５に原水２２を噴霧させる。一流体スプレーノズル７ａの噴霧面に対応する伝熱管５の部面は、一流体スプレーノズル７ｂ、一流体スプレーノズル７ｃおよび一流体スプレーノズル７ｄが噴霧している間に乾燥する。再度一流体スプレーノズル７ａを乾燥した伝熱管５に噴霧する。以上のことを繰り返すことにより、乾燥した伝熱管５と原水２２を周期的に接触させる。伝熱管５には熱源２のエネルギーを受けた熱媒２１が流れており、熱媒２１は伝熱管５を介して原水２２と熱交換後排出される。伝熱管５と接触した原水２２は蒸発し水蒸気２３が発生する。
【００２３】  蒸発器３で発生した水蒸気２３は気液分離器１１を通過して水蒸気２３を含む気体のみが凝縮部１２へ到達する。凝縮部１２に到達した水蒸気２３は凝縮し淡水２６となり淡水回収部１３で回収される。回収した淡水２６は貯留されるか、図示しない取水手段によって淡水回収部１３から取水される。また蒸発器３内で蒸発しなかった原水２２は未蒸発原水２４となり排水手段１０によって排水２５として排出される。
【００２４】  制御手段８は、熱源２のエネルギー量を増加させた場合、一流体スプレーノズル群７の噴霧周期と原水２２の噴霧流量から１つ以上を上昇させ、熱源２のエネルギー量を減少させた場合、一流体スプレーノズル群７の噴霧周期と原水２２の噴霧流量から１つ以上を減少させる。
【００２５】  伝熱管５は蒸発器用容器４の内壁面と離間して設置されているため、蒸発器用容器４への熱移動を避けることができ、熱移動による熱損失を抑制できる。また、蒸発器用容器４の内壁面を伝って下降する未蒸発原水２４は、伝熱管５と接触せずに下降するため、未蒸発原水２４に対する熱移動を避けることができる。
【００２６】  さらに、伝熱管５は円筒形の蒸発器用容器４に沿って複数回周回させることにより、一流体スプレーノズル群７から噴霧される原水２２に対して面状に設置されるため、必要な伝熱面積を確保したうえで構造を簡略化できる。伝熱管５が一流体スプレーノズル群７から噴霧される原水２２に対して面状に設置されることで、伝熱管５の周辺にメンテナンスを行う空間が確保できる。伝熱管５が簡略化された構造で、かつメンテナンスを行う空間を確保しているため、スケール除去や交換等のメンテナンスを容易にできる。
【００２７】  伝熱管５は一流体スプレーノズル群７による高圧洗浄が可能であり、伝熱管５へのスケールの付着を抑制できる。
【００２８】  伝熱管５に対し周期的に原水２２を噴霧することにより、原水２２は乾燥した伝熱管５に接触するため、局所的に伝熱管５との熱交換効率が上昇する。これにより、エネルギーの多くを蒸発潜熱として利用することが可能である。効果的にエネルギーを蒸発に利用できるため、太陽熱や低温排熱等のエネルギー密度の低い熱源２に対して特に有効である。
【００２９】  効果的にエネルギーを蒸発に利用できることに加え、未蒸発原水２４に対する熱移動を抑制できるため、供給される原水２２の蒸発割合が少なくとも高いエネルギー効率を維持できる。原水２２の蒸発割合が少なく、未蒸発原水２４の濃度上昇を抑えて排出することにより、海水淡水化装置において濃縮水の処理を不要とすることができる。
【００３０】  一流体スプレーノズル群７は、伝熱管５の全周に噴霧可能となるよう一流体スプレーノズルを複数設置すれば、一流体スプレーノズルの噴霧角度によらず同様の効果を得ることが可能である。さらに、噴霧手段６は一流体スプレーノズルのほか、二流体スプレーノズル、遠心アトマイザー、静電アトマイザー、超音波アトマイザー、音響アトマイザーが利用できる。二流体スプレーノズルを使用する場合、凝縮部１２に排気手段を設置し、導入される気体を排出する。遠心アトマイザー等で伝熱管５の全周を同時に噴霧させる場合、制御手段８は伝熱管５が乾燥する時間を設けて間欠的に原水２２を噴霧させる。
【００３１】  凝縮部１２の内部には、フィン型熱交換器のほか、管形熱交換器、プレート型熱交換器が使用できる。
【００３２】  また、蒸発器用容器４通過後の伝熱管５と熱源２の間に熱媒２１を循環させる図示しない配管を設置し、熱媒２１を熱源２と循環させてもよい。さらに、蒸発器３と凝縮部１２を図示しないダクトで連結し凝縮部１２で凝縮しなかった水蒸気２３を蒸発器３と循環させてもよい。
【００３３】  次に、本発明の実施形態２を図５、図６、図７および図８に基づいて説明する。
図５は本発明の実施形態２に係る淡水化装置１を示す構成図である。図６は本発明の実施形態２に係る淡水化装置１の動作を示す説明図である。図７は本発明の実施形態２に係る淡水化装置１の蒸発器３を鉛直上から見た構成図である。図８は本発明の実施形態２に係る淡水化装置１の蒸発器３における動作を鉛直上から見た説明図である。実施形態１と同一部分は同一番号を付し、詳細な説明は省略する。噴霧手段１４は噴霧角度が６０°の一流体スプレーノズル１５を使用し、制御手段１６は一流体スプレーノズル１５を伝熱管５に対し一流体スプレーノズル回転方向２７に回転させる構成となっている。
【００３４】  原水２２は原水タンク９に貯留され、原水供給手段９によって一流体スプレーノズル１５に送水される。制御手段１６は一流体スプレーノズル１５を伝熱管５の噴霧面が乾燥する時間を設けて一流体スプレーノズル回転方向２７に回転させる。一流体スプレーノズル１５が回転することにより伝熱管５の一部と原水２２が周期的に接触する。伝熱管５には熱源２のエネルギーを受けた熱媒２１が流れており、熱媒２１は伝熱管５を介して原水２２と熱交換後排出される。伝熱管５と接触した原水２２は蒸発し水蒸気２３が発生する。
【００３５】  蒸発器３で発生した水蒸気２３は実施形態１と同様の手段によって凝縮し淡水２６となり、未蒸発原水２４は実施形態１と同様の手段によって蒸発器３から排出される。
【００３６】  制御手段１６は、熱源２のエネルギー量を増加させた場合、一流体スプレーノズル１５の回転速度と原水２２の噴霧流量から１つ以上を上昇させ、熱源２のエネルギー量を減少させた場合、一流体スプレーノズル１５の回転速度と原水２２の噴霧流量から１つ以上を減少させる。
【００３７】  一流体スプレーノズル１５を回転させて伝熱管５に対し原水２２を周期的に噴霧することで、噴霧手段１４は実施形態１の噴霧手段６と比較して構造を簡略化できる。噴霧手段１４を簡略化することにより淡水化装置１のコストダウンが見込める。さらに、原水２２は乾燥した伝熱管５に連続的に接触するため、伝熱管５は常に高い熱交換効率で原水２２と接触する。これにより、高いエネルギー効率を維持しながら原水２２を蒸発させることが可能となる。
【００３８】  一例として、貯留した５００ｍＬの水を６００Ｗの熱源で蒸発させた場合においては熱源のエネルギーの２７％を蒸発に利用したのに対し、熱源のエネルギー量を２．２ｋＷ、原水の噴霧流量を８Ｌ／ｈ、噴霧手段の回転速度を１ｒｐｍで本発明の実施形態２に係る蒸発方法を行った場合、蒸発量は３Ｌ／ｈとなり、熱源の８４％のエネルギーを蒸発に利用できた。このことから、乾燥した伝熱管５に原水２２を噴霧することにより効果的にエネルギーを蒸発に利用していることがわかる。
【００３９】  一流体スプレーノズル１５の噴霧角度は、伝熱管５が原水２２を蒸発させる伝熱面積を確保できる角度であれば６０°でなくてよい。さらに、噴霧手段１４は、伝熱管５の一部に対し原水２２を噴霧する手段であれば一流体スプレーノズルでなくともよい。
【００４０】  次に、本発明の実施形態３を図９および図１０に基づいて説明する。図９は本発明の実施形態３に係る淡水化装置１を示す構成図である。図１０は本発明の実施形態３に係る淡水化装置１の動作を示す説明図である。実施形態１および実施形態２と同一部分は同一番号を付し、詳細な説明は省略する。原水供給手段９と排水手段１０を連結した送水手段１７を設置している。
【００４１】  原水２２は実施形態２と同様の手段によって蒸発し、水蒸気２３は実施形態２と同様の手段によって淡水２６となる。未蒸発原水２４の一部は排水手段１０から送水手段１７を通過して原水供給手段９によって一流体スプレーノズル１５に送水される。送水手段１７を通過しない未蒸発原水２４は排水２５となり排出される。
【００４２】  未蒸発原水２４の一部を原水２２と混合して循環する場合には、次式において排水濃度を近似することができる。
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ここで、Ｃ（ｔ）は時間ｔにおける排水濃度（ｇ／ｍＬ）、Ｃ０は原水濃度（ｇ／ｍＬ）、Ｍｉｎは原水流量（Ｌ／ｍｉｎ）、Ｍｅｘは排水流量（Ｌ／ｍｉｎ）、Ｖは装置内液量（Ｌ）、ｔは装置駆動時間（ｍｉｎ）を示す。（１）式を用いて排水濃度を算出することにより、排水２５の濃度を制御して排出できる。
【００４３】  また、未蒸発原水２４のすべてを原水供給手段９に送水することで、さらに高濃度に濃縮することが可能となる。これにより、汚水処理や排水処理で高濃度の濃縮水とする場合や海水から塩分を抽出する場合に応用可能になる。
【００４４】  次に、本発明の実施形態４を図１１および図１２に基づいて説明する。図１１は本発明の実施形態４に係る淡水化装置１を示す構成図である。図１２は本発明の実施形態４に係る淡水化装置１の動作を示す説明図である。実施形態１、実施形態２および実施形態３と同一部分は同一番号を付し、詳細な説明は省略する。凝縮部１２の代わりにエゼクタ１８およびエゼクタ１８を作動させるための循環ポンプ１９が設置され、循環水２８が貯留された淡水回収部１３に接続している。
【００４５】  原水２２は実施形態２および実施形態３と同様の手段によって蒸発し、未蒸発原水２４は実施形態３と同様に循環または排水２５となり排出される。循環ポンプ１９は淡水回収部１３内の循環水２８をエゼクタ１８と淡水回収部１３の間で循環させる。蒸発器３で発生した水蒸気２３は気液分離器１１を通過し、エゼクタ１８に吸引される。エゼクタ１８に吸引された水蒸気２３はエゼクタ１８通過後の圧力差により凝縮する。さらに、循環水２８の温度が水蒸気２３の温度より低い場合、循環水２８で冷却され凝縮する。凝縮した水蒸気２３は循環水２８と混合し、淡水２６となる。淡水２６は淡水回収部１３に貯留されるか、図示しない取水手段により淡水回収部から取水される。その後、淡水回収部１３に貯留された淡水２６の一部は循環水２８となり、循環ポンプ１９でエゼクタに送水される。エゼクタ１８、循環ポンプ１９、循環水２８および淡水回収部１３により水蒸気２３の吸引および凝縮、淡水２６の回収のほか、淡水化装置１内の真空発生と真空度の維持がなされる。
【００４６】  エゼクタ１８、循環ポンプ１９、循環水２８および淡水回収部１３で真空発生、水蒸気の吸引、凝縮および淡水回収を同時に行うことができる。また、蒸発器３で発生した水蒸気２３はエゼクタ１８で吸引されるため、蒸発器３内に蒸気溜まりが起こらない。これにより、蒸気溜まりによるエネルギー効率の低下を抑制できる。
【００４７】  また、循環水２８は原水２２と図示しない熱交換器を用いて冷却することで、エゼクタ１８の吸気能力減少による真空度の低下を抑制することができる。
【００４８】  循環水２８は得られた淡水２６の使用目的を阻害しない組成であればよく、循環水２８の希釈量および原水２２の組成によっては原水２２を選択することも可能である。
【符号の説明】
【００４９】１            淡水化装置
２            熱源
３            蒸発器
４            蒸発器容器
５            伝熱管
６            噴霧手段
７            一流体スプレーノズル群
７ａ〜７ｄ    一流体スプレーノズル
８            制御手段
９            原水供給手段
１０          排水手段
１１          気液分離器
１２          凝縮部
１３          淡水回収部
１４          噴霧手段
１５          一流体スプレーノズル
１６          制御手段
１７          送水手段
１８          エゼクタ
１９          循環ポンプ
２１          熱媒
２２          原水
２３          水蒸気
２４          未蒸発原水
２５          排水
２６          淡水
２７          噴霧手段回転方向
２８          循環水
【図１】
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【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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【図８】
2015077584.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2015077584.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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