(57)【要約】【課題】内部にそれぞれ熱交換器を備えた複数の蒸発槽から成る多重効用造水装置において、各蒸発槽の水位が相違しても熱効率を高くすることができ、かつコンパクトな設計を可能とする多重効用造水装置を提供する。【解決手段】オリフィス等の水位調節手段を用いないので水質を選ばない。各蒸発槽の間に発生する圧力の差に基いて水位が相違するのをそのまま認め、各熱交換器の水位に対する高さを一定に保ち、第１熱交換器の高さを基準として２段目以降の各熱交換器の高さを順次上方に位置させた多重効用造水装置。【選択図】図１
2007330926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にそれぞれ熱交換器を備えた複数の蒸発槽からなる多重効用造水装置であって、最上流の蒸発槽の第一熱交換器の設置高さを基準として次段目以降の熱交換器の設置高さを順次上方に配置することを特徴とする多重効用造水装置。
【請求項２】
内部にそれぞれ熱交換器を備えた複数の蒸発槽からなる多重効用造水装置であって、
初段の蒸発槽には装置外から供給される元熱源を供給し、次段の蒸発槽には前段蒸発槽で発生した蒸気を熱源とするよう配管し、
最終蒸発槽には凝縮器を付属させ、
各蒸発槽の間に発生する水位の差に対し、全熱交換器が各水位に沿ってそれぞれ一定高さで配置されるよう、各熱交換器の設置高さを順次上方に位置させて配置したことを特徴とする請求項１記載の多重効用造水装置。
【請求項３】
断面矩形の各蒸発槽を仕切板を介して近接配置すると共に、前記矩形の長手方向に沿って配置される各熱交換器の高さ関係において、各熱交換器の少なくともヘッド部分が相互干渉せぬよう前記水位の差をもって上下にずらせて配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の多重効用造水装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部にそれぞれ熱交換器を備えた複数の蒸発槽を有し、各蒸発槽で給水を加熱して蒸気を発生させ、発生蒸気を凝縮させて精製水を得るようにした多重効用造水装置に関し、特に造水効率の向上と装置の小型化を図ったものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、コジュネレーションや工場その他のボイラ類から排出される廃熱を利用して海水や排水から純水を精製する造水装置の需要が高まってきた。また、高効率化のため多重効用方式が採用されている。
【０００３】
従来の多重効用装置の一例を示すと、特開平９−１９２４０５号の例がある。これは、３段の水平式の蒸気管を備えた蒸気室を有し、初段の蒸気室に吹き込んだ加熱蒸気を順次次段に送り、給水を順次濃縮する３段効用の濃縮装置が示されている。最終段の蒸気室には蒸気の凝縮室が付属され、この凝縮室を真空ポンプで真空引きすることにより、前記加熱蒸気が順次圧力を変えながら各蒸気室を通るようになっている。一方で、本装置は給水を濃縮することを目的とするもので、給水は各蒸気室に連通されて第１段目から第３段目にかけて順次送られるようになっており、各蒸気室の底部の水が上部に向けてシャワーリングされる構成となっている。最終シャワーリングの途中から濃縮水（製品）が取り出される。
【０００４】
ところで、この種、従来の多重効用装置にあっては、各蒸発槽の圧力が相違するため、各蒸発室を連通すると各室の水位が各段毎に１ｍ程度異なり、水位を一定高さに調節する必要があった。一般には水位調節手段として管上にオリフィスを設けることが行われている。
【０００５】
しかしながら、各蒸発槽の水位をそのまま認めると、熱交換器の高さが一定であるので、２段目以降の熱交換器が水位下に大きく沈んだ状態にあり、伝熱効率の低下が懸念される。また、一般に給水が海水、硬水、雑排水、汚水、その他不純物が混入しているような場合、水質によってはオリフィスが早期に目詰まりし、或いは故障し、調節や交換が必要となって、常時その管理をしなければならなかった。
【０００６】
加えて、従来の多重効用造水装置は、各段同一ないし類似の蒸発槽を並列配置するような構成であったため、多くのスペースを必要とし、コンパクトな設計をするのが難しかった。さらに、多重効用造水装置では構造上多くの配管を必要とし、その取り合いを良くした上でのコンパクト化が難しかった。
【特許文献１】特開平９−１９２４０５号公報、第１頁、図１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は内部にそれぞれ熱交換器を備えた複数の蒸発槽を有して成る多重効用造水装置に係り、オリフィスを用いずして水質を問わず、かつ各蒸発槽の水位変化に応じて熱効率低下を防止することができる多重効用造水装置を提供することを目的とする。
【０００８】
また、各蒸発槽に対する熱交換器の配置を適切とすることにより、配管の取り合いを良好としてコンパクトな設計が可能な多重効用造水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】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明の多重効用造水装置は、内部にそれぞれ熱交換器を備えた複数の蒸発槽からなる多重効用造水装置であって、最上流の蒸発槽の第一熱交換器の設置高さを基準として次段目以降の熱交換器の設置高さを順次上方に配置することを特徴とする。
【００１０】
一般に、各蒸発槽への給水方式としては、初段から最終段に向けて順方向に送る例と、最終段から初段に向けて向流させる例がある。また、熱源に関しては温水の他、蒸気を用いる例がある。最終段の蒸発槽は真空引きする場合としない場合がある。さらには、熱交換器には水平管を用いるものの他、コイル式、プレート式のもの等の例がある。本発明はこれらいずれの場合にも適用できる。
【００１１】
より具体的に示すと、本発明は、初段の蒸発槽には装置外から供給される元熱源を供給し、次段の蒸発槽には前段蒸発槽で発生した蒸気を熱源とするよう配管し、最終蒸発槽には凝縮器を付属させ、各蒸発槽の間に発生する水位の差に対し、全熱交換器が各水位に沿ってそれぞれ一定高さで配置されるよう、各熱交換器の設置高さを順次上方に位置させて配置したことを特徴とする。
【００１２】
蒸発熱量Ｑ（Ｗ）は、総括熱伝達率をＵ（Ｗ／ｍ2・ｋ）、伝熱面積をＡ（ｍ2）、対数平均温度差を△Ｔｌｎ（ｋ）とすると、Ｑ＝Ｕ・Ａ・△Ｔｌｎで表すことができる。また、給水された水の水位に対して熱交換器の高さを変化させると水頭圧の差によって沸騰熱伝達率が大きく変化し、ひいては総括熱伝達率Ｕが大きく変化する。
【００１３】
本発明では、初段の蒸発槽における熱交換器の高さを最適に保った上で次段以降の水位に対する各熱交換器の高さを同様に合わせるので、オリフィス等の特別の水位調節なくして水位に対する熱交換器の高さを適切に保つことができ、熱効率を最大に保つことができる。
【００１４】
また、本発明は、前記蒸発槽を仕切板を介して近接配置すると共に、各熱交換器の高さ関係において、各熱交換器の少なくともヘッド部分が相互干渉せぬよう前記水位の差をもって上下にずらせて配置したことを特徴とする。
【００１５】
通常、熱交換器のヘッド部分は蒸発槽の壁面から突出され、これには熱源入口及び出口等の多数の配管が接続される。従って、本発明では、このヘッド部分を上下にずらせるのでヘッド部分の干渉が無く、相互の配管がし易くなる。
【００１６】
各蒸発槽の形状を類似のものとしながら、装置、構成を簡易とし、かつ両者の間隔を近接して配置するので、コンパクトに形成できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は特許請求の範囲の構成を有する多重効用造水装置であるので、特別の水位調節装置を有さずして各熱交換器の水位に対する高さを一定に保つことができ、各熱交換器に大きな水頭圧が加わるのを防止し、沸騰熱伝達率、ひいては総括熱伝達率Ｕを高効率に保って熱効率を向上することができる。
【００１８】
特別の水位調節装置を有さないので水質を選ばず、各種水質の水を蒸発、凝縮させて高品質の精製水を得ることができる。また、特別の水位調節装置を有さないので、故障の心配もなく、保守点検作業も容易となる。各熱交換装置が上下にずらせた形となるので、配管が容易でコンパクト化が達成できる。
【００１９】
また、本発明の多重効用造水装置では、各熱交換器の少なくともヘッド部分が相互に干渉せぬよう水位の差に応じて上下にずらせて配置するので、装置をよりコンパクトに形成でき、配管も容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最適の形態を説明する。図１は本発明の多重効用造水装置のシステム構成を示す説明図である。段数は２の例で示す。熱源は温水を用い、給水は順方向であるとし、熱交換器には水平管を用いた例で示すが、本発明はこれに限定されない。
【００２１】
本発明の一実施形態に係る２重効用造水装置１は、第１蒸発槽２に次いで同一レベルで第２蒸発槽３が配置されている。
【００２２】
第１蒸発槽２には給水配管４が接続され、水位Ｈ１に沿って水平管５を備えた第１熱交換器６が配置されている。
【００２３】
第１熱交換器６には熱源入口７及び熱源出口８が設けられ、図示しないコジュネレーション等から温水が供給されるようになっている。従って、温水は熱源入口７から入って水平管５を通り、蒸発槽２内部の給水された水９を蒸発させて泡１０及び蒸気１１を発生させ、熱源出口８から出る。
【００２４】
第１蒸発槽２及び第２蒸発槽３の底部は給水連絡配管１２で連通されている。これには、オリフィス等の水位調節装置は一切付属されず、単なる管路での連結である。
【００２５】
第２蒸発槽３には、水位Ｈ２に沿って第２熱交換器１３が設けられている。第２熱交換器１３は、第１熱交換器６と略同形で、水平管１４を有するが、熱源入口１５は第１蒸発槽２の蒸気出口１６と蒸気連絡配管１７を介して接続されている。また、熱源出口１８は、配管１９を介してその凝縮水を受ける受水バッファ２０に接続されている。従って、第１蒸発槽２で発生した蒸気１１は第２熱交換器１３の熱源入口１５に供給され、水平管１４を通って、水９を加熱し、泡１０及び蒸気１１を発生させる。
【００２６】
また、蒸気１１は凝縮されてバッファ２０に凝縮水として出力される。この凝縮水は脱気された蒸留水であり、高品質の精製水ＧＷとなる。
【００２７】
第２蒸発槽３には蒸気出口配管２１を介して凝縮器２２が付属されている。この配管２１は必ずしも管路で構成せずともよく、単なる蒸気通路であったり、第２熱交換器１３の内部に凝縮器２２の機能部材を収納した形であってもよい。
【００２８】
凝縮器２２には冷却水入口２３及び冷却水出口２４が設けられ、図示しないクーリングタワー等から供給される４０℃程度の循環水によって内部に送られてきた蒸気１１を凝縮する。図中の受皿部２５は凝縮器２２の底部で構成されているが、凝縮器２２を蒸発槽３の内部に形成するような場合は、実際受皿形状となる。受皿部２５で凝縮された水は脱気された蒸留水で、第２熱交換器１３の凝縮水同様に上質の精製水ＧＷとなる。
【００２９】
凝縮器２２の受皿部２５に凝縮された精製水は配管２６を通して前記受水バッファ２０に送られる。受水バッファ２０に集合された精製水ＧＷはいずれも脱気された高品質の蒸留水であり、飲料水、ボイラ給水、その他洗浄用水等として多用できる。このため、受水バッファ２０に次いでは図示しない精製水貯留タンクが設けられることもある。
【００３０】
凝縮器２２には真空引きのための配管２７を介して水封式の真空ポンプ２８が接続されている。この真空ポンプ２８には冷却装置２９が付属されている。廃熱蒸気の発生する場所では、この真空ポンプ２８をエジェクタ等、他の真空引きの手段に置き換えることができる。
【００３１】
以上の構成の２重効用造水装置１において、コジェネレーションからの廃温水を利用した実施例を示すと次表の通りである。
【表１】
2007330926.tif 000003
【００３２】
上記２重効用造水装置１の作用を示すと次の通りである。
【００３３】
第１蒸発槽２に供給された給水は水位Ｈ１を保っている。このとき、第２蒸発槽３の水位Ｈ２は水頭圧に１０ｋＰａの差があり、水位Ｈ１に対し１ｍ近く上位にある。
【００３４】
本発明の第１及び第２の熱交換器６、１３は、夫々各水位Ｈ１、Ｈ２の直下、即ち熱交換器６、１３の水平管５、１４の上部高さが水面と略一致する程度の高さとされている。従って、各水平管５、１４に大きな水頭圧が加わることがなく、水平管５、１４の回りでは共に大きな泡１０を伴って、沸騰熱伝達率、ひいては総括熱伝達率が高く蒸気１１を効率よく作ることができる。
【００３５】
図２は、水位Ｈ１、Ｈ２の差に対する熱交換器６、１３の設置高さの差△Ｈｍｍと、総括熱伝達率Ｕとの関係を実測値で示した説明図である。図２において△Ｈは、水位Ｈ１、Ｈ２と水平管５、１４の最高位の高さとの差で示している。即ち、図２においてゼロ（０）は両者が一致している場合、それより右方の（＋）領域では水平管５、１４が水位Ｈ１、Ｈ２より下方にある状態を示している。逆に、図２の左方の（−）領域では水平管５、１４が水位Ｈ１、Ｈ２より上方位置にある状態を示している。総括熱伝達率（％）は、△Ｈ＝０の場合を１００％として示している。
【００３６】
図２の実験値より明らかなように、水平管５、１４が水位Ｈ１、Ｈ２より下方にある（沈んでいる）場合には、水平管５、１４の表面に圧力が加わり、気泡１０が小さくなって沸騰熱伝達率、ひいては総括熱伝達率Ｕが悪い。例えば差△Ｈが２００ｍｍと０ｍｍの場合を比較すると、沸騰熱伝達率の差は約３０〜３８％（実験値）も異なっている。総括熱伝達率Ｕでは約１０％異なっている。既述のように、蒸発槽２、３の内部では大きな泡１０が出来、表面は波立っているので、水平管５、１４の高さをより上方に設置するのは構わない。これらのことから、各種水質の給水を各種設計値に従って蒸発させて安定して造水するためには、水平管５、１４の上面高さを水位Ｈ１、Ｈ２と略一致させるのが妥当であり、上方に５０〜２００ｍｍ程度まで許される。
【００３７】
第１蒸発槽２で発生した蒸気１１は第２熱交換器１３に送られ、給水９を蒸発させて凝縮され、凝縮された水はバッファ２０に精製水ＧＷとして送られる。第２蒸発槽３で濃縮された給水は排水配管３０を通って排出される。本発明の２重効用造水装置１は造水を目的とするものであるが、用途に応じては、例えば海水を濃縮する等排水を濃縮液として製品化することもできる。
【００３８】
凝縮器２２では、第２蒸発槽３からの蒸気を凝縮して精製水ＧＷを作る。真空ポンプ２８は、凝縮器２２を介して第２蒸発槽３を真空引きしている。第１蒸発槽２、第２蒸発槽３、凝縮器２２の電熱面積および温水、冷却水の流量、温度などの条件によって、表１に示した実施例のような圧力関係が保たれる。
【００３９】
本発明の２重効用造水装置１では、第１蒸発槽２、第２蒸発槽３を並列配置した状態において、各熱交換器６、１３の水平管５、１４を各水位Ｈ１、Ｈ２の直下に配置した形であり、効率よく多量の精製水ＧＷを作ることができる。オリフィス等の水位調節手段を設けていないので、水質を選ばず適用でき、故障も少なく、メンテナンスも容易である。第１蒸発槽２と第２蒸発槽３を同形で作り、かつ並列して設けるので、コンパクトな設計が可能である。
【００４０】
図１に示した２重効用造水装置１の具体的外観構成を図３に示した。対応する部材には同一の参照符号を付けて示してあるが、図３では配管１２に代えて連通孔で示し、受皿部２５の形状を実際受皿の形状で示している。また、真空引きのための配管２７以後の真空ポンプ２８については省略して示してある。造水作用については図１に示したものと同一であるので、その説明は省略する。
【００４１】
図３に示すように、本発明の２重効用造水装置１では、第１蒸発槽２及び第２蒸発槽３を単なる仕切り壁３１を介して並列配置し、第１熱交換器６及び第２熱交換器１３を上下に１ｍ前後ずらせて配置し、両熱交換器６、１３の各ヘッド部分６Ｈ、１３Ｈが相互に干渉することがない配置としている。即ち、水平管５、１４は例えば細いチューブの集合であるが、その集合による直径より大径のヘッド部分６Ｈ、１３Ｈが重ならず、各蒸発槽２、３の厚みを薄くコンパクトに構成している。また、両熱交換器６、１３のヘッド部分６Ｈ、１３Ｈの相互干渉を避けた構造であるため、多数の配管４、７、８、１７、１９、２３、２４、２６等の取り合いを容易としている。
【００４２】
図４には本発明の他の実施形態に係る３重効用造水装置３２の外観を示した。本例では、第３の蒸発槽３３と、第３の熱交換器３４とを加えたものである。また、本例では、各槽２、３、３３の厚みをより薄くすべく、各槽２、３、３３を仕切る仕切壁３５、３６を中間で前段側にせり寄せる形で屈折させた例で示している。第３熱交換器３４は、第１、第２蒸発槽２、３のものと同様、水位Ｈ３の直下に収められている。図３に示した部材と同一機能を果す部材には同一参照符号を付けて示してある。造水作用については図１で示したものと同様であるので、その説明を省略する。
【００４３】
図３の３重効用造水装置３２によれば、各熱交換器６、１３、３４に大きな水頭圧が加わることのないよう適切としているので、沸騰熱伝達率、ひいては総括熱伝達率Ｕが良好で効率が高い。また、３重効用であるので効率が格別高い。さらに各槽を薄く形成したのでコンパクトであり、各熱交換器６、１３、３４を上下にずらせた形であるので配管の取り合いが容易であり、さらにコンパクトで効率の高い３重効用造水装置と為すことができる。
【００４４】
図４に示した３重効用造水装置３２の更なる改良として、各蒸発槽２、３、３３を箱状に形成してその底部を配管で連結し、各蒸発槽を横配置でなく、縦配置したかの如き省スペース化された多重効用造水装置を構成することもできる。
【００４５】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、適宜の設計的変更を行うことにより、各種態様で実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態に係る２重効用造水装置のシステム構成を示す説明図である。
【図２】水位に対し水平管の高さ変化に応じて生ずる総括熱伝達率の関係を実験値で示すグラフである。
【図３】図１に示した２重効用造水装置の外観を示す斜視図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る３重効用造水装置の外観を図３のヘッダ部分の突出している側から見て示した正面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  ２重効用造水装置
２  第１蒸発槽
３  第２蒸発槽
４、１２、１７、１９、２１、２６、２７、３０  配管
５、１４  水平管
６  第１熱交換器
６Ｈ、１３Ｈ  熱交換器のヘッド部分
７、１５  熱源入口
８、１８  熱源出口
９  水
１０  泡
１１  蒸気
１３  第２熱交換器
１６  蒸気出口
２０  受水バッファ
２２  凝縮器
２３  冷却水入口
２４  冷却水出口
２５  受皿部
２８  真空ポンプ
２９  冷却装置
３１、３５、３６  仕切り壁
３２  ３重効用造水装置
３３  第３蒸発槽
３４  第３熱交換器
△Ｈ  熱交換器の設置高さ
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３  水位
【図１】
2007330926.tif 000004
【図２】
2007330926.tif 000005
【図３】
2007330926.tif 000006
【図４】
2007330926.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成18年7月27日(2006.7.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
凝縮器２２では、第２蒸発槽３からの蒸気を凝縮して精製水ＧＷを作る。真空ポンプ２８は、凝縮器２２を介して第２蒸発槽３を真空引きしている。第１蒸発槽２、第２蒸発槽３、凝縮器２２の伝熱面積および温水、冷却水の流量、温度などの条件によって、表１に示した実施例のような圧力関係が保たれる。