(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次冷却剤および二次冷却剤として水を使用する冷却設備であって、 前記冷却設備は、蒸気圧縮器（１６）の吸引側に接続された蒸発器コンテナ（２）と； 前記蒸気圧縮器（１６）の排出側に接続されたコンデンサ・コンテナ（２８）と；
前記蒸発器コンテナ（２）とコンデンサ・コンテナ（２８）にはそれぞれ水を供給する脱気器（２２）と事前脱気ユニット（２２’）とを具備し、前記蒸気圧縮器（１６）は吸引した蒸気をコンデンサ・コンテナ（２８）内で圧縮し、前記脱気器（２２）は前記蒸気圧縮器（１６）の吸引側への接続により低圧下で脱気を促進するものであって；
前記コンデンサ・コンテナ（２８）は給水を受ける上部分配チャンバ（２４’）を具備し、この上部分配チャンバ（２４’）は、その下方に設けたふるい板またはノズル板（６’）によって制限されており、このふるい板またはノズル板（６’）は多数の細孔または長孔が穿孔されており、
前記事前脱気ユニット（２２’）はコンデンサ・チャンバ（１８’）の上方に設けられ、且つ前記上部分配チャンバ（２４’）と１またはそれ以上の事前脱気ユニットは前記ふるい板またはノズル板（６’）で区画されてコンデンサ・チャンバ（１８’）を有する前記コンデンサ・コンテナ（２８）内に一体に配設されていることを特徴とする冷却設備。
【請求項２】
蒸発器チャンバは蒸発器コンテナ（２）を形成し、この蒸発器コンテナ（２）には給水を受ける上部分配チャンバ（２４）を有し、この上部分配チャンバ（２４）はノズル板（６）によって蒸発器チャンバ（１８）と区画され、前記ノズル板（６）は多数の穿孔を有しており、脱気器（２２）は蒸発器チャンバ（１８）の上方に配置され、前記上部分配チャンバ（２４）と１又はそれ以上の脱気器（２２）とは蒸発器コンテナ（２）内に一体に配設され、さらに蒸発器コンテナ（２）内の前記蒸発器チャンバ（１８）によって制限されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却設備。
【請求項３】
前記蒸発器コンテナ（２）とコンデンサ・コンテナ（２８）内には、落下する水を粉砕するネット（８，８’）で形成した中間板が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却設備。
【請求項４】
ノズル板（６）の下方に、落下する噴射された水滴を微細な小滴とする小滴インサート（８）が配置されることを特徴とする請求項１に記載の冷却設備。
【請求項５】
２つ以上の脱気器（２２）または事前脱気ユニット（２２’）が、冷水の注入およびそれに続く圧縮による連続した蒸気復水に基づいて圧力レベルを連続的に増加させながら動作する各空気凝縮ユニットに接続されることを特徴とする請求項１に記載の冷却設備。
【請求項６】
前記上部分配チャンバが脱気器（２２）として使用されることを特徴とする請求項１に記載の冷却設備。
【請求項７】
前記脱気器（２２）からの空気および蒸気の吸引が、連続して設けられた吸引接続により、コンデンサ・チャンバ（２８）からの吸引と同一の吸引源につながることを特徴とする請求項６に記載の冷却設備。
【請求項８】
前記脱気器（２２）およびコンデンサ・チャンバ（２８）の両方からの生成物の吸引が１つの同一の空気凝縮ユニット（３４，３６）につながり、分配チャンバ上方に配置された前記事前脱気ユニット（２２’）が、高圧で動作する連続して結合された空気凝縮ユニットに接続され、関連する真空ポンプが残りの蒸気および空気を大気圧まで圧縮することを特徴とする請求項５又は７に記載の冷却設備。
【請求項９】
水冷空気凝縮ユニット（３４、３６）が、蒸発器ユニットの冷水出口から冷水を供給するための入口接続を有することを特徴とする請求項５に記載の冷却設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、水を冷却剤として使用し、これにより冷却剤を冷却された処理水として、または閉鎖冷却システムにおける一次冷却剤および二次冷却剤の両方として使用することができるタイプの冷却設備に関する。他の応用可能性は、ヒートポンプの設置、および設備の蒸発器部分で直接発生し得る氷の生成に見つけられるであろう。この設備では、蒸発器ユニットおよびコンデンサ・ユニット内に分離面を設ける必要がないので、これらのユニットは安価かつ非常に効果的なものとなり得る。この設備は、例えばプロセスの冷却および空気調和のために、零度よりも数度高い温度、例えば５〜１０℃の冷水が必要な場合に、有利に使用することができる。
【０００２】
設備は、例えば１０〜２０℃の温度の供給水が、例えば５〜１５ミリバール程度の強い真空をチャンバ内に作り出す蒸気圧縮器の吸引側に接続される蒸発チャンバに導入されるという基本原理にしたがって動作し、これにより、水の百分率が小さいにもかかわらず、残りの水が著しく冷却される高程度の蒸発熱である一定量の蒸気を放出しながら水が膨張し、したがって、蒸発温度よりも約０．５〜１℃だけ高い温度で排出水を排出することができる。
【０００３】
他の冷却剤の場合と同様に、外側から冷却されるコンデンサ内で冷却剤蒸気の復水が行われるが、本設備では、早急な熱交換により、すなわち水により直接蒸気を復水することによりコンデンサ側で作業でき、これにより蒸気と水の両方が１つの同一の復水チャンバ内に導入される。冷却水内で蒸気が復水され、冷却水が加熱されるが、次に再び復水温度よりも約０．１〜１℃だけ低い温度で排出水を排出できる。コンデンサの冷却水は、例えば２５℃から２０℃に冷却するために冷却塔を介して外部冷却回路に接続される。したがって、復水から加えられた水の量は循環する水に直接導入されるが、この循環する水からは冷却塔の自由面からの蒸発により水が消失する。したがって、水をこの冷却回路から作動的に除去し、またはこの冷却回路に加える必要があることに注目しなければならない。
【０００４】
原則として、これはすべて、冷却剤と作業媒体のための別個の回路を持つ、より一般的な冷却設備に対応する。しかし、これにより、水、すなわち大気中で、ある含有量の復水不可能なガスが常に発生し、このガスを、必要な方法で、設備の機能を確実に妨げないようにするのに十分な程度まで除去しなければならないという点でかなりの相違が生じる。蒸発ユニットへの供給水内で空気が発生するが、冷却塔からコンデンサ・ユニットへの供給水内でさらに多くなり、水が文字通り空気を含むようになる。コンデンサ内の別個の部分空気圧が関連して増加することは、蒸気圧縮器が対抗して動作しなければならず、エネルギー消費を明確に増加させる復水圧力を主に増加させることにより、設備の効率全体に直接有害な効果を及ぼす。
【０００５】
これを考慮して、コンデンサ側に効果的な空気の分離を設けることが絶対に必要であり、まったく標準的である。これは当然、関連する真空ポンプを介して直接行うことができるが、空気／蒸気混合物中の蒸気がかなりの含有量であるため、非現実的なほど大きなポンプおよびかなり大量のエネルギーを必要とする。したがって、いわゆるＮＣＧコンデンサ（Non Condensable Gas:復水不可能なガス）を真空ポンプとコンデンサ・チャンバとの間に挿入することが十分に公知であり、ＮＣＧコンデンサ内には、主コンデンサへのより少ない、ある量の供給水が常に注入され、これにより主コンデンサから吸引される蒸気の部分復水が生じる。復水は主コンデンサからの排出水と平行に汲み出され、したがって真空ポンプを介して大気圧にまで圧縮されなければならない空気／蒸気混合物は少量の蒸気を含む。
【０００６】
あるいはコンデンサへの注入前に、すなわちコンデンサの上方に脱気コンテナを配置する他に接続では、別個の先行する水の脱気を設けることが可能であり、前記コンテナの上部チャンバは必要な真空ポンプに接続され、この脱気コンテナが操作時に、上部チャンバを水で満たされない状態に維持しながらコンデンサへ送出する供給水を受けるのに役立つことが公知である。行き渡っている低圧により、コンテナ内の水の広範囲の表面から水をかなり効果的に脱気させることができるので、コンデンサ内に導入された水の空気含有量をほぼなくすことができる。コンデンサの蒸気および残りの空気の吸引は、コンデンサから前記上部チャンバへ直接接続することにより行うことができ、上部チャンバではある蒸気の復水が行われる。この事前脱気システムはかなり効果的であるが、これに関し、公知のシステムは以下に述べる別の欠点を有する。
【０００７】
本発明について説明するために、まずコンデンサ自体についてより詳細に説明する必要がある。従来、これは、原則として単純な構成を有し、水の底部出口と供給水の１つまたは複数の注入ノズルとを備え、蒸気圧縮器からの蒸気とエネルギーを交換しなければならない真空コンテナを含む。コンテナはこの蒸気の入口開口も有する。コンテナは、コンテナ内の所望の部分空気圧を維持するための前記真空ポンプを介して、残りの空気および蒸気混合物から吸引するための排出開口をも有する。注入ノズルは、強いスプレー状の水噴射、すなわち微細な小滴を提供するという目的を持って構成される。この小滴により、発生した蒸気との熱交換が確実に良好となり、かつ水中の空気含有量のほぼすべてが確実に排除される。理想的には、共に排出可能なように空気が水中に残るべきであるが、所与の条件下で、これは物理的に不可能となる。
【０００８】
注入ノズルの使用を通した水の必要な連通では、例えば０．６〜０．９バールの、ある外側過圧が必要である。これは、供給水が例えば冷却塔回路からの大気圧で導入可能である点、したがって必要な圧力差がコンデンサ・チャンバ内に行き渡る下部圧力により生じる点で適当である。
【０００９】
本発明によれば、主な目的は、水の事前脱気により作業が行われ、これが潜在的に設備に最良の経済性を提供するタイプの冷却設備を確立することである。しかし、これにより事前通気システムに伴う前記の欠点が生じる、すなわち、コンデンサのノズル・システムを通して水を注入するための、結果として生じる過圧が完全に不十分である低圧で、事前通気コンテナ内の作業を行わなければならない。関連する公知の技術により、別の関連で、この問題は、これに関して、通気ユニットの低圧にもかかわらず、コンデンサの注入ノズルを通して水を効果的に注入するために必要な過圧を依然として確立できる、一般に５〜１０ｍ程度の高さの水柱が生じるような、コンデンサ上方の明確な高さに通気コンテナが物理的に配置されることにより解決する。
【００１０】
しかし、これは設備の全構築高さを大きくするという非常に不便であり、各々のかなりの追加の設備費、および重要な構成上の欠点を伴う。必要な注入圧力を増加させるために、別個のポンプを利用することができるが、これには追加の据付けおよび操作費が必要となる。
【００１１】
本発明により、驚くべきことに、コンデンサのすぐ上方に配置された事前通気コンテナを使用することにより、すなわち前記注入ノズルを不要とし、代わりに細孔または長孔の形状の多数の穿孔を持つふるい板により限定され、コンデンサ・チャンバに向かって下方に限定される上部分配チャンバを持つようにコンデンサ自体を改造することにより、事前通気を伴って動作する可能性があることがわかっている。分配チャンバ内の例えば２５〜２００ｍｍの水位にかかわらず、重力により水が多数の細い流れとなってコンデンサ・チャンバ内に落下し、この流れは集まって非常に大きな領域を有し、さらに落下高さがかなり低くなった後に溶解して小滴になる。このように、水の連通は、水を高い過圧で供給する必要なしに、コンデンサ・チャンバ内でかなり効果的な熱交換を達成するのに十分なものとすることができ、したがって事前通気コンテナをコンデンサ上方に直接、すなわち低い総構築高さで配置することができる。
【００１２】
本発明によれば、事前通気器をコンデンサに直接、すなわち普通ならコンデンサを構成する真空コンテナ上部のふるい板間に形成された１つまたは複数のチャンバの形状のみで、一体化するという点で大きな利点を持ってこれを使用することができる。全体としてみると、これは構築高さの認識可能な増加なしに一体化ユニットとして構成することができる。
【００１３】
前記分配チャンバをコンデンサ・チャンバと同一圧力下に置くことができる点で、これらの両チャンバからの一般的な蒸気／空気の導入と共に作業を行うことができ、これにより分配チャンバはコンデンサの機能的に一体化した部分、すなわち分配および脱気を組み合わせたチャンバとなる。しかし、コンデンサ・チャンバから分配チャンバへ、および分配チャンバから真空ポンプへの連続的な吸引により、分配チャンバ内の蒸気留分のいくらかの部分復水を達成することが可能となり、これによりこのチャンバは実際の事前脱気効果を持って動作可能となる。
【００１４】
しかし、分配チャンバの上部を形成するふるい板と上部分配チャンバの底部を形成する上に重なるふるい板との間ですぐ上に重なるチャンバとして単純な方法で、さらなる事前通気チャンバを確立することができる。上部事前通気チャンバでは、したがって多数の落下する細い流れの水が供給され、この流れからは、落下高さが低いにもかかわらず、空気含有量の非常に大きな部分を抽出することができ、ここでコンデンサ圧力よりも高い圧力レベルでかなりの空気分離、すなわち明確に少ないエネルギーが空気留分を大気圧まで圧縮するのに必要とする圧力で実際の事前通気を行うことができる。
【００１５】
これにより、有益な水の２段階または多段階通気を有利に設けることができる。個々の脱気段階からの吸引は、空気凝縮ユニット、および隣接し事前脱気段階に物理的に重なるポンプを介して接続することができるので、空気の段階的な凝縮および圧縮が達成される。最終段階のポンプは空気を大気圧にまで圧縮する。個々の空気凝縮ユニット内の空気の効果的な凝縮について、好ましくは蒸発器出口からの比較的冷たい水の極小部分流れを取り、空気凝縮ユニット内で噴射することにより流れのいくつかが空気と蒸気の吸引混合物から復水され、すなわち蒸気の部分圧力が低下することは、特に有利であり、単純であるとわかっている。
【００１６】
これにより、水の脱気のために絶対的に最小化されたポンプ装置と共に動作することができる。
【００１７】
実際のコンデンサの効果に関する限り、本発明によれば、例えば単純なネット材料の噴射／小滴破壊インサートをコンデンサ・チャンバ内に取り付けることにより、著しい改良の達成が確実となる。ネット・メッシュは水噴射／小滴の大きさと同じサイズであり、これによりネットを通る普通なら妨げられることのない通路により水噴射／小滴が粉砕される分解が生じるので、ネットの下に、微細な小滴のスプレー状の雲が形成され、比較的落下高さが低くても、さらに熱交換に明確に寄与することができる。この効果は、水噴射が小滴状に変化するレベルでネットを配置するときに最もよく達成される。熱交換がすでに十分良好であるという点で、代わりにネットの追加を使用して小滴の落下高さを低下させることができ、これによりさらに低い構築高さを持つ効果的／小型のコンデンサを達成することができる。
【００１８】
蒸発器に関しては、より度合いは少ないが供給水の脱気を設けることに関連しており、ここでもまったく同一の原則に従って作業を有利に行うことができるので、関連する事前脱気チャンバを持つ蒸発器も完全に一体に構成することができる。
【００１９】
したがって、本発明により、構築高さの低い非常に小型の構成として論じられ、蒸発器コンテナおよびコンデンサ・コンテナ自体の空気分離の有益な一体化と、必要な空気分離を行う単純化したポンプ設備との両方によりさらに安価となるタイプの冷却装置を構築することが可能になる。
【００２０】
以下で、図面を参照しながら本発明についてより詳細に説明する。
【００２１】
図示した設備は、例えば１２℃の温度の水の上部入口４と、水が細い個々の噴射で下方へ流出する一対の穿孔中間底部または分配ノズル板６を持つ蒸発器コンテナ２と、落下する噴射／小滴を粉砕する例えばネット８の形状の最下部の噴射／小滴破壊インサートとを含み、これにより水が微細な小滴として効果的な分散により底部チャンバ１０内に落下し、矢印で示されるように熱交換の有効性をさらに向上させる。
【００２２】
蒸発器チャンバ１０、１８は吸引ライン１４を介して、例えば９ｍＢの十分に低い吸引圧力で動作する蒸気圧縮器１６に接続され、これにより水噴射／小滴からの認識可能な蒸発が行われ、これと共に、チャンバ底部から汲み出し可能な、例えば６℃の残りの水の関連する冷却が行われる。
【００２３】
蒸気圧縮器１６は、認識可能な高温で例えば３．７倍に約３３ｍＢまで蒸気を圧縮し、この蒸気は入口管２６を介してコンデンサ・コンテナ２８へ送給される。コンデンサ・コンテナ２８は原則として蒸発器コンテナ２と同一とすることができ、内部で高温蒸気を冷却し復水しなければならず、これは、より冷たい水、好ましくは冷却塔から導き出され冷却塔内を循環する水と直接熱交換することにより行うことができる。この水は、例えば２０℃の温度でコンテナ２８内の上部入口チャンバ２４’に送給することができ、その後チャンバ１８’、１０’で、高温蒸気に直接接触し、これにより再び冷却剤と蒸気／復水との間の分離面を使用せずに高温蒸気を復水の形で吸収する。コンテナ２８の底部の最終生成物は、前記の約２０℃から例えば約２５℃に加熱された、例えば３３ｍＢの前記低圧下にある水となる。その後この水を汲み出して前記冷却塔回路へ送給し、約２０℃の前記入口温度まで冷却することができる。この回路における蒸気復水の連続導入による余剰水は、冷却塔で行われる蒸発により大気に放出することができる。
【００２４】
ネット面８、８’の形状の小滴粉砕インサートの使用により、蒸発器について前記したのと同様の、有効性の向上が達成される。
【００２５】
コンテナ２、２８の上部進入チャンバ２２、２２’、２０’は空気分離チャンバとして機能し、供給水から分離された空気をここから吸引することができる。
【００２６】
穿孔分配板／ノズル板６、６’間の空間は圧力の観点から互いに分離される。これは、穿孔上方に溜まった水により下方へ流れる水で遮断されて穿孔が「閉鎖」状態に保持されるからである。したがって、下方へ向かって減少する圧力により、しかしまた、前記空間内の十分に低い圧力により作業を行うことができるので、比較的短い落下距離で作業が行われたとしても、細い水噴射中の空気含有量のかなりの大部分を抽出することができる。その結果、空気の小部分のみが、チャンバ１０、１８および１０’、１８’各々にかなり低い圧力で放出される。
【００２７】
この空気は留まって、分離された空気を吸引し、大気圧まで圧縮する。前記の事前脱気の概念では、考慮された事前脱気チャンバ／吸引チャンバ内の圧力は大気圧よりもはるかに低く、この低圧で、分離された空気が比較的高い蒸気量を有する。これは、事前脱気の概念の使用により行われる改良にかかわらず、空気留分を大気圧まで上昇させるために、比較的大容量の真空ポンプ、すなわち高価なポンプを依然として利用しなければならないことを意味している。
【００２８】
これを改善するために、本発明の使用は空気留分を２段階で凝縮する構成からなっている。ポンプ３０により、空気／蒸気が復水チャンバ１０’、１８’から（空間２０’を介して）外部空気凝縮ユニット３４へ吸引される。この空気凝縮ユニット３４内へ冷水、すなわち例えば６℃の温度の水が注入され、好ましくは蒸発器の出口から引き出される。チャンバ１０’、１８’では、復水温度は一般に約２６℃であり、空気の部分圧力がたったの約１ｍＢである約３３ｍＢの総圧力に対応する。空気凝縮ユニット３４内の温度が約１０℃まで低下するという点で、蒸気の部分圧力はかなり低下し、すなわち約１２ｍＢとなり、したがって前記約３３ｍＢでの空気の部分圧力は約２１ｍＢとなる。この高レベルの空気凝縮でも、空気を１バールまで圧縮するのに非常に高価かつ非常にエネルギーを消費するポンプが必要となるが、ポンプ３０をコンデンサ２８の進入チャンバ２２’に接続することによってポンプ３０が圧力を例えば約８０ｍＢまで上昇させることができることを利用することで十分である。進入チャンバで約２０℃の供給水が約２３ｍＢの蒸気部分圧力を発生し、したがって空気の部分圧力が約５７ｍＢになる。単純なポンプ３０が前記約２１ｍＢから前記約８０ｍＢまで総圧力を増加させることは、実用的であり電力需要がはるかに少ない。
【００２９】
この段階（２２’）で、大気への出口を有するポンプ３２により、後者の圧力レベルから第２の空気凝縮ユニット３６へ吸引が行われる。このコンテナに冷水も注入し、ここで蒸気の部分圧力は約１２ｍＢに低下し、すなわち、したがって前記８０ｍＢでの空気の部分圧力は約６８ｍＢとなり、復水チャンバ１０’、１８’の元の約１ｍＢの約７０倍の濃度に対応する。
【００３０】
図示したように、管で送られる水の供給からある空気の分離が生じる点で、チャンバ２０’からコンデンサ・ユニット１０内のチャンバ２２へ管接続３８を設けることは好都合であることがわかっている。チャンバ２２内の総圧力は、チャンバ２０’内よりもわずかに高いので、分離された空気は自発的にチャンバ２０’へ流れる。
【００３１】
効果的かつ小型の事前脱気の概念、およびノズル板の概念を持つ多数の細い噴射／小滴による十分に効果的な熱交換により、限られた落下高さであっても、図２に示すように低い構築高さおよび小型の設備を達成するためにコンテナ２、２８の空気分離器の一体化が可能となる。例えば、ネットの形状の噴射／小滴破壊インサートを使用することにより、落下する水が、蒸気と冷却水との間で非常に効果的かつ早急な熱交換を行うのに十分なだけ確実に分散し、これにより前記したように落下高さ、およびこれに伴って構築高さ全体のさらなる減少が可能になる。
【００３２】
開示された脱気ユニットの一対化により、２つの主ユニットで１つの同一の真空コンテナを使用することが可能になるだけでなく、脱気器の下部チャンバ２２、２０’が、蒸発器／コンデンサ・チャンバへ送られる水のための上部分配チャンバを一体的に構成することも達成され、これにより別個の分配チャンバが完全に不要となることに言及する。
【００３３】
図２に示す設備は１．６〜２ＭＷの冷却容量を有する。このタイプは主に５０ｋＷ以上の容量であるが、必ずしもこれに限定されない。
【００３４】
図２に示す１．６〜２ＭＷの設備では、一体化された脱気器２を持つ蒸発器ユニットが約２ｍの直径および約２ｍの高さを有し、蒸発器チャンバ１８、１０内の水の落下高さは約１ｍである。
【００３５】
一体化された脱気器を持つコンデンサ・ユニットは、約１．５ｍの直径および約２ｍの高さを有し、コンデンサ・チャンバ１８’、１０’内の水の落下高さは約１ｍである。
【００３６】
他はすべて同一であるが、効率促進インサート８のない実施形態の落下高さがが２〜３倍大きいことは両方のユニットに当てはまる。この効率促進インサート８はメッシュ・サイズが２〜４ｍｍ程度のネットであり、ほぼ中央に配置することができる。
【００３７】
したがって、ユニットの特定の小型さおよび容量が改善される。これに、脱気器ユニットの一体化による小型さおよび容量の改善も加えることができる。したがって、一体化された脱気器を含む、結果として生じる特定の容量は、２〜３．５ｍ３／ＭＷとなる。
【００３８】
関連する空気凝縮ユニット３４、３６を持つ一体化された２段階脱気器システムによれば、ポンプ容量がポンプ３０、３６各々について５００〜７００ｍ３／ｈまで減少し、他は同一であって、従来の構成と比べて１／３〜１／４の減少に対応する。したがって、真空ポンプの関連する電力消費が減少する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による冷却設備の概略図である。
【図２】  この設備の実際の構築の例を示す図である。
【図１】
0004746812.tif 000002
【図２】
0004746812.tif 000003