(57)【要約】  熱交換器はシェルと、シェル内に配置されるチューブアセンブリとを含む。そのチューブアセンブリは少なくとも１本のチューブを含み、チューブが第１直径を有する一対の端部と、その端部間を延びかつ第１直径よりも大きな第２直径を有する中央部分とを有する。
2020513535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器であって、
シェルと、
シェル内に配置されるチューブアセンブリとを備え、チューブアセンブリは少なくとも１本のチューブを備え、
チューブは第１直径を有する一対の端部と、端部間を延びかつ第１直径よりも大きな第２直径を有する中央部とを有することを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器であって、チューブの各端部が円形断面を有し、チューブの中央部が長方形断面を有し、熱交換器を通って流れる向流を供給するようになっていることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１に記載の熱交換器であって、チューブの各端部が円形断面を有し、チューブの中央部が星形断面を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
請求項３に記載の熱交換器であって、チューブの中央部が、その外面に形成された複数の凹型チャネルを備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項５】
請求項１に記載の熱交換器であって、チューブアセンブリが複数のチューブを備え、チューブアセンブリの各チューブが、チューブアセンブリの他のチューブと接触することを特徴とする熱交換器。
【請求項６】
請求項５に記載の熱交換器であって、複数のチューブの中央部間に、複数の正方形チャネルが形成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項７】
請求項１に記載の熱交換器であって、
シェルから延びる一対のチューブシートコネクタと、
チューブアセンブリのチューブに連結され、かつ、チューブシートコネクタに摺動可能に挿入できる一対のチューブシートとを備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項８】
請求項１に記載の熱交換器であって、シェル内に配置され、かつ、チューブアセンブリのチューブを通して流体を流すようになっているポンプを備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項９】
請求項８に記載の熱交換器であって、ポンプがパルス板を備え、ポンプがパルス板において短い振動と、重ね合わされる大きな振動とを生成するようになっていることを特徴とする熱交換器。
【請求項１０】
請求項１に記載の熱交換器であって、シェルとチューブアセンブリとを受けるように形成された外側シェルを備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項１１】
脱塩システムであって、
スチームを生成するようになっている熱源と、
蒸発器と復水器とを備える第１のシェルアンドチューブ熱交換器とを備え、
蒸発器が、熱源によって生成されたスチームと混合された海水の供給ストリームを受け取り、受け取った供給ストリームから分離された蒸気ストリームと液体ストリームとを排出するようになっており、
復水器が、蒸発器から生成された蒸気ストリームを蒸留水ストリームへと凝縮するようになっていることを特徴とする脱塩システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の脱塩システムであって、蒸発器から排出された蒸気ストリームを圧縮するようになっているコンプレッサを備えることを特徴とする脱塩システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の脱塩システムであって、コンプレッサが、
内側筐体と、
内側筐体内に配置される複数のローブローターと、
内側筐体を受ける外側筐体と、
流体流を内側筐体に供給するように形成された流体入口と、
内側筐体から流体を排出するように形成された流体出口とを備えることを特徴とする脱塩システム。
【請求項１４】
請求項１１に記載の脱塩システムであって、第２のシェルアンドチューブ熱交換器を備え、第２のシェルアンドチューブ熱交換器が、
シェルと、
シェル内に配置されるチューブアセンブリとを備え、チューブアセンブリが少なくとも１本のチューブを備え、
チューブが、第１直径を有する一対の端部と、第１直径よりも大きな第２直径を有し、かつ、端部間を延びる中央部とを有することを特徴とする脱塩システム。
【請求項１５】
請求項１４に記載の脱塩システムであって、チューブの中央部が、その外面に形成された複数の凹型チャネルを備えることを特徴とする脱塩システム。
【請求項１６】
請求項１１に記載の脱塩システムであって、蒸発器が第１のシェルアンドチューブ熱交換器のチューブ側を備え、復水器が第１シェルアンドチューブ熱交換器のシェル側を備えることを特徴とする脱塩システム。
【請求項１７】
蒸気圧縮脱塩の方法であって、
（ａ）供給ストリームを第１のシェルアンドチューブ熱交換器の蒸発器に流すステップと、
（ｂ）第１のシェルアンドチューブ熱交換器の蒸発器内の供給ストリームを、分離蒸気ストリームと、分離液体ストリームとに分離するステップと、
（ｃ）第１のシェルアンドチューブ熱交換器内の復水器内で分離蒸気ストリームを凝縮するステップとを備えることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、蒸発器が第１のシェルアンドチューブ熱交換器のチューブ側を備え、復水器が第１のシェルアンドチューブ熱交換器のシェル側を備えることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の方法であって、
（ｄ）供給ストリームを第２のシェルアンドチューブ熱交換器に流すステップと、
（ｅ）第１のシェルアンドチューブ熱交換器の復水器から排出された、凝縮された流体を向流で第２のシェルアンドチューブ熱交換器に流すステップとを備えることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法であって、
（ｆ）凝縮された流体をタービンに流して軸仕事を生じさせるステップを備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（記載なし）
【０００２】
関連する出願に対する相互参照
本出願は２０１６年１２月１３日に出願され、「顕熱及び潜熱交換器の蒸気圧縮脱塩への特定の適用」と題する米国特許仮出願第６２／４３３，５０８号の利益を主張するとともに、参照によりその全体を本明細書に援用する。
【０００３】
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
該当なし
【背景技術】
【０００４】
本開示は、広く応用が可能な熱交換器の技術に関する。しかしこの技術は、海水や汽水の蒸気圧縮脱塩について特定の使用をすることも可能である。加えて本開示は、商業的に入手可能なローブ圧縮機（lobe compressor）が作動し得る圧力の範囲を広げるためのシステム及び方法に関する。世界の灌漑地域の約３０％では、塩害に苦しんでおり、その改善には多額の費用がかかる場合がある。２００２年、世界中の約１２０か国で１２，５００の脱塩プラントが存在していた。これらの脱塩プラントは、１日あたり約１４００万立方メートルの真水を生産した。これは、全世界の消費量の１％未満の量である可能性がある。このため改善された脱塩処理が必要とされている。
【発明の概要】
【０００５】
一実施例として熱交換器は、シェルと、シェル内に配置されるチューブアセンブリとを備え、チューブアセンブリは少なくとも１本のチューブを備え、チューブは第１直径を有する一対の端部と、端部間を延びかつ第１直径よりも大きな第２直径を有する中央部とを有する。実施例によっては、チューブの各端部が円形断面を有し、チューブの中央部が長方形断面を有し、熱交換器を通って流れる向流を供給するようになっている。実施例によっては、チューブの各端部が円形断面を有し、チューブの中央部が星形断面を有する。特定の実施例として、チューブの中央部が、その外面に形成された複数の凹型チャネルを備える。特定の実施例として、チューブアセンブリが複数のチューブを備え、チューブアセンブリの各チューブが、チューブアセンブリの他のチューブと接触する。実施例によっては、複数のチューブの中央部間に、複数の正方形チャネルが形成されている。実施例によっては、シェルから延びる一対のチューブシートコネクタと、チューブアセンブリのチューブに連結され、かつ、チューブシートコネクタに摺動可能に挿入できる一対のチューブシートとを備える。特定の実施例として、熱交換器がさらに、シェル内に配置され、かつ、チューブアセンブリのチューブを通して流体を流すようになっているポンプを備える。特定の実施例として、ポンプがパルス板を備え、ポンプがパルス板において短い振動と、重ね合わされる大きな振動とを生成するようになっている。実施例によっては、熱交換器はさらに、シェルとチューブアセンブリとを受けるように形成された外側シェルを備える。
【０００６】
一実施例として、脱塩システムは、スチームを生成するようになっている熱源と、蒸発器と復水器とを備える第１のシェルアンドチューブ熱交換器とを備え、蒸発器が、熱源によって生成されたスチームと混合された海水の供給ストリームを受け取り、受け取った供給ストリームから分離された蒸気ストリームと液体ストリームとを排出するようになっており、復水器が、蒸発器から生成された蒸気ストリームを蒸留水ストリームへと凝縮するようになっている。実施例によっては、脱塩システムがさらに、蒸発器から排出された蒸気ストリームを圧縮するようになっているコンプレッサを備える。実施例によっては、コンプレッサが、内側筐体と、内側筐体内に配置される複数のローブローターと、内側筐体を受ける外側筐体と、流体流を内側筐体に供給するように形成された流体入口と、内側筐体から流体を排出するように形成された流体出口とを備える。特定の実施例として、脱塩システムがさらに、第２のシェルアンドチューブ熱交換器を備え、第２のシェルアンドチューブ熱交換器が、シェルと、シェル内に配置されるチューブアセンブリとを備え、チューブアセンブリが少なくとも１本のチューブを備え、チューブが、第１直径を有する一対の端部と、第１直径よりも大きな第２直径を有し、かつ、端部間を延びる中央部とを有する。特定の実施例として、チューブの中央部が、その外面に形成された複数の凹型チャネルを備える。実施例によっては、蒸発器が第１のシェルアンドチューブ熱交換器のチューブ側を備え、復水器が第１シェルアンドチューブ熱交換器のシェル側を備える。
【０００７】
一実施例として、蒸気圧縮脱塩の方法は、（ａ）供給ストリームを第１のシェルアンドチューブ熱交換器の蒸発器に流すステップと、（ｂ）第１のシェルアンドチューブ熱交換器の蒸発器内の供給ストリームを、分離蒸気ストリームと、分離液体ストリームとに分離するステップと、（ｃ）第１のシェルアンドチューブ熱交換器内の復水器内で分離蒸気ストリームを凝縮するステップとを備える。実施例によっては、蒸発器が第１のシェルアンドチューブ熱交換器のチューブ側を備え、復水器が第１のシェルアンドチューブ熱交換器のシェル側を備える。実施例によっては、その方法がさらに（ｄ）供給ストリームを第２のシェルアンドチューブ熱交換器に流すステップと、（ｅ）第１のシェルアンドチューブ熱交換器の復水器から排出された、凝縮された流体を向流で第２のシェルアンドチューブ熱交換器に流すステップとを備える。特定の実施例として、その方法がさらに（ｆ）凝縮された流体をタービンに流して軸仕事を生じさせるステップを備える。
【０００８】
本明細書に記載の実施例は、一定の先行の装置、システム及び方法に関連する様々な欠点に対処することを目的とする特徴や特性を組み合わせたものを含む。上述したことは、以下の詳細な説明をよりよく理解できるようにする目的で、開示した実施例の特徴や技術的特徴をむしろ広く概説したものである。当業者であれば上述した様々な特性及び特徴について、他と同様に、以下の詳細な説明を読み、添付の図面を参照することによって、容易に明らかに理解できるであろう。なお当然理解できることであるが、開示した概念及び特定の実施例は、開示した実施例と同じ目的を果たすための他の構造体を修正したり設計したりするための基礎として容易に利用できる。なお同様に当然理解できることであるが、そのような均等な構造体は、本明細書に開示した原理の趣旨および範囲から逸脱しない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
開示した実施例の詳細な説明について、添付の図面を参照されたい。
【００１０】
【図１】図１は、本明細書に開示した原理に基づく脱塩システムの一実施例の概略図である。
【図２】図２は、本明細書に開示した原理に基づく図１の脱塩システムのコンプレッサの一実施例の概略図である。
【図３】図３は、本明細書に開示した原理に基づく図１の脱塩システムの顕熱交換器の一実施例の概略図である。
【図４】図４は、図３の顕熱交換器の複数のチューブの中央部の斜視図である。
【図５】図５Ａ−５Ｃは、本明細書に開示した原理に基づく図３の顕熱交換器を形成するための、かしめ処理の一実施例の概略図である。
【図６】図６Ａ−６Ｃは、本明細書に開示した原理に基づく図３の顕熱交換器を形成するための、かしめ処理の別の一実施例の概略図である。
【図７】図７は、本明細書に開示した原理に基づく図１の脱塩システムの顕熱交換器の別の一実施例の概略図である。
【図８】図８は、図７の顕熱交換器の複数のチューブの斜視図である。
【図９】図９は、図７の顕熱交換器の複数のチューブの端部の正面図である。
【図１０】図１０は、本明細書に開示した原理に基づく図１の脱塩システムの潜熱交換器の一実施例の正面図である。
【図１１】図１１は、本明細書に開示した原理に基づく図１０の潜熱交換器のチューブシートコネクタの一実施例の拡大図である。
【図１２】図１２は、図１０の潜熱交換器の側面図である。
【図１３】図１３は、図１０の潜熱交換器の平面図である。
【図１４】図１４は、本明細書に開示した原理に基づく図１０の潜熱交換器のチューブの一実施例の側面図である。
【図１５】図１５は、図１４の複数のチューブの正面図である。
【図１６】図１６は、本明細書に開示した原理に基づく図１の脱塩システムの潜熱交換器の別の一実施例の側面図である。
【図１７】図１７は、図１６の潜熱交換器の正面図である。
【図１８】図１８は、本明細書に開示した原理に基づく図１の脱塩システムの潜熱交換器の別の一実施例の側面図である。
【図１９】図１９は、図１８の潜熱交換器の正面図である。
【図２０】図２０は、本明細書に開示した原理に基づく図１８の潜熱交換器のポンプの一実施例の側面図である。
【図２１】図２１は、本明細書に開示した原理に基づく図１の脱塩システムの潜熱交換器の別の一実施例の側面図である。
【図２２】図２２は、図２１の潜熱交換器の正面図である。
【図２３】図２３は、本明細書に開示した原理に基づく図２１の潜熱交換器のポンプの一実施例の側面図である。
【図２４】図２４は、本明細書に開示した原理に基づく図１の脱塩システムの潜熱交換器の別の一実施例の側面図である。
【図２５】図２５は、図２４の潜熱交換器の正面図である。
【図２６】図２６は、本明細書に開示した原理に基づく図１の脱塩システムの潜熱交換器の別の一実施例の側面図である。
【図２７】図２７は、熱伝導係数に対して摩擦から散逸される仕事を示すグラフである。
【図２８】図２８は、水力直径と流速の関数としての水の方側の熱1565311615629_35 伝達係数を示すグラフである。
【図２９】図２９は、星型チューブの解析の概略図である。
【図３０】図３０は、星型チューブの解析の概略図である。
【図３１】図３１は、星型チューブの解析の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の議論は、様々な例示的実施例を対象とする。しかしながら、当業者であれば本明細書に開示される実施例を幅広く適用できること、及びいずれの実施例の議論もその実施例の例示であるに過ぎないことを意味し、請求の範囲を含む本開示の範囲をその実施例に限定しようとするものでないことは理解できるはずである。
【００１２】
以下の説明と請求の範囲を通して、特定の用語を用いて特定の特徴または部材について言及する。当業者であれば当然理解できるように、人が違えば同じ特徴や部材について異なる名称で言及する場合がある。この文書では、名称の異なる部材や特徴を区別しようとするものではなく、機能の異なる部材や特徴を区別することを意図している。作図は必ずしも縮尺通りになされていない。本明細書の特定の特徴や部材は、実際のスケールで示したり、またはいくらか概略形式で示したりされる場合があり、従来の部材の詳細によっては明解さと簡潔さのために示されていない場合もある。
【００１３】
以下の議論と請求の範囲において「含む」と「備える」という用語は非排他的な意味で用いているため、これらの用語は「〜を含むが・・・に限定しない」の意味として解釈されるべきである。同様に「接続する」という用語は間接的な接続または直接的な接続のどちらかを意味するものである。したがって第一装置を第二装置に接続する場合、その装置間の接続は、２つの装置の直接的な接続であってもよいし、または他の装置や構成要素、ノード及び接続を介して確立される間接的な接続であってもよい。加えて、本明細書で用いられる「軸方向の」と「軸方向に」という用語は概して特定の軸（例えば本体またはポートの中心軸）に沿うかまたは平行であることを意味し、一方で「半径方向の」と「半径方向に」という用語は概して、特定の軸に対して垂直であることを意味する。例えば軸方向の距離とは、その軸に沿ってかまたは平行に測定される距離のことをいい、半径方向の距離とはその軸に対して垂直に測定される距離を意味する。明細書及び請求の範囲において明確にすることを目的として、上下について言及がなされる場合がある。例えば掘削孔の方向に関係なく、「上に」、「上側の」、「上方向に」、「上向孔」または「上流の」は、掘削孔の表面に向かう方向について言う。また「下に」、「下側の」、「下方向に」、「下向孔」または「下流の」は、掘削孔の末端に向かう方向をいう。本明細書で用いるように、「およそ」、「約」、「実質的に」などの用語は、記載した値の１０％以内（すなわちプラスマイナス１０％）であることを意味する。このため例えば「約８０度」と記載した場合、７２度から８８度の範囲の角度のことをいう。
【００１４】
本明細書に開示した実施例として、顕熱交換器内の流れは、従来のシェルアンドチューブ熱交換器の直交流というよりもむしろ完全に向流であってもよい。直交流は、向流ほど効率的でない可能性がある。直交流の熱交換器は、流体がチューブに対して垂直に流れるときに誘導される乱流が原因で、大きな圧力低下を有する場合がある。本明細書に開示した実施例において、熱交換器内の流体の流れはチューブと平行であってもよく、そのため圧力低下が小さくなる場合がある。チューブは、長さ方向に沿って揃えて配置されなくてもよい。各端部でその直径が小さくてもよく、これによりシェル側の流体が半径方向に容易に分配できる。さらに半径方向に流体を分配することを補助するため、シェルの各端部における直径を大きくしてもよい。
【００１５】
チューブの形状は、ハイドロフォーミングによって決定してもよく、これにより所与の利用のためのチューブの形状を最適化するための柔軟性を持たせることができる。ハイドロフォーミングによって標準的に利用可能な壁厚を小さくすることができ、それにより材料費を抑え、かつ、熱伝導抵抗を小さくできる。熱交換器はバッフルを含まなくてもよく、これにより組立品の複雑さを減らし、コストを減らすことができる。チューブの直径は小さくても良く、単位体積あたりの熱伝導を大きくすることができる。
【００１６】
さらに潜熱交換器は、水を蒸発させて、例えば塩や砂糖などの溶質を濃縮することができる。潜熱交換器を使って水を脱塩したり、塩を結晶化させたり、砂糖を濃縮したり、その他の多くの応用が可能である。なぜならば水は高い気化潜熱を有し、その熱負荷が非常に大きい場合があるからである。熱交換器が妥当な大きさと安価なコストとを有することを保証するためには、高い総括熱伝導係数を有することが望ましい場合がある。熱交換器の片側は凝縮蒸気を有してもよく、もう片側では沸騰水を有していてもよい。供給される滴状凝縮が凝縮面上で実現され得る場合、総括熱伝導係数が大きくなる可能性があり、潜熱交換器のサイズを小さくする手助けとなり得る。さらに潜熱交換器が蒸気圧縮システムで使用される場合、潜熱交換器は小さな温度差で作動することができる。この小さな温度差は、凝縮蒸気の圧力を小さくすることができ、それによってコンプレッサに必要な入力（電力）を小さくすることができる。
【００１７】
ローブコンプレッサ（すなわちルーツブロワ）を用いて蒸気を圧縮することはできるが、しかしながら、商業的に利用可能な単位は高圧で操作することができない。この高圧は、潜熱交換器において高い熱伝導率を得るために必要とされるものである。この問題は、市販のローブコンプレッサを、熱交換器内の圧力とほぼ一致する圧力の加圧蒸気で満たされた圧力釜内に配置することによって解消され得る。
【００１８】
上述の内容は、以下の詳細な説明がよりよく理解されるように、本開示の特徴と技術的長所について、ある程度広範囲に概説したものある。請求の範囲の主題を形成する本開示の追加的な特徴および利点について以下で説明する。当業者であれば当然理解できることであるが、開示した概念及び特定の実施例は、本開示と同じ目的を成し遂げるための他の実施例を修正したりデザインしたりするための基礎としてただちに利用可能である。同様に当業者であれば当然理解できることであるが、そのような均等な実施例は、添付の請求の範囲に記載された本開示の趣旨及び範囲から逸脱しない。
【００１９】
図１を参照すると、脱塩または蒸気圧縮蒸発システム１０の一実施例が示されている。図１の実施例において蒸発システム１０は、ランキンサイクルの熱機関を含む。この熱機関における熱源１２（例えば燃焼、廃熱、太陽光、核またはその他の熱のタイプの熱源）が、ボイラー１６を通してポンプ１４によって循環される作動流体を加熱し、ポンプ１７によって循環される高圧スチーム１５を生成する。その熱源１２によって生成されたスチーム１５は、一連の膨張機２８に動力を提供し、軸仕事を生成する。この軸仕事は、電気を生成したり蒸気圧縮蒸発システムのコンプレッサ５０を直接駆動させたりするために使用可能である。他の実施例として、その軸仕事は他の熱機関（例えばオットー、ディーゼル、ブレイトン、スターリング、エリクソンなど）によって生成されてもよい。そのような機関では、廃熱を捕捉して脱塩システムにおいて役立つスチームを作ることができる。さらに他の実施例として、熱機関を取り外して、蒸発システム１０のコンプレッサ５０を駆動させることのできる電気モーターまたは他の適切な動力源に置換してもよい。
【００２０】
本実施例において、蒸気圧縮蒸発システム１０は、非揮発性成分を含む溶液由来の揮発性成分を除去するように構成される。特に蒸発システム１０は、海水に溶解する塩を除去するように構成される。しかしながら他の実施例として、蒸発システム１０は、例えば水から糖類を除去したり、希釈海水や飽和食塩水から塩を除去したりなど、他の成分を除去することもできる。したがって本実施例では、蒸発システム１０は脱塩システムを備える。本実施例において、炭酸塩除去装置２２と硫酸塩除去装置２４を使って未加工の海水２１を前処理して炭酸塩と硫酸塩を除去し、それによって海水２１にさらされた蒸発システム１０の部材における湯垢の形成を軽減したり防いだりすることができる。実施例によっては、海水２１のｐＨを約４．３に調整することで、炭酸塩が二酸化炭素に変換される。この二酸化炭素は、炭酸塩除去装置２２内でストリッピングまたは真空吸着によって容易に除去することができる。その後、硫酸塩は硫酸塩除去装置２４内でイオン交換によって除去できる。本実施例では、硫酸塩除去装置から出た使用済みイオン交換樹脂は、化学物質の消費をなくす蒸発システム１０から排出された塩水２５を使って再生される。このようなシステムについて以下の雑誌の記事に説明されている。ＬＺｈｕ，ＣＢ Ｇｒａｎｄａ，ＭＴ Ｈｏｌｔｚａｐｐｌｅ，イオン交換による海水脱塩におけるカルシウム硫酸塩の形成の防止，脱塩と水処理，３６（１-３）：５７-６４（２０１１）。
【００２１】
本実施例では、蒸発システム１０は、一組の顕熱交換器１００を備える。この顕熱交換器１００は、炭酸塩除去装置２２と硫酸塩除去装置２４とによって前処理された海水２１をシステム１０のポンプ２６を介して受け入れる。顕熱交換器１００は、海水２１を約１７７．８７℃まで加熱する。海水２１が顕熱交換器１００を通って流れた後、複数の潜熱交換器２００に流入する前に、スチーム１５が海水２１に加えられる。本実施例においては、熱交換器１００及び２００のそれぞれが、シェルアンドチューブ熱交換器を備える。しかしながら、他の実施例として熱交換器１００及び２００は、当業者に知られる他のタイプの熱交換器を備えていても良い。スチーム１５を海水２１に加えることによって海水２１を約１８０℃まで加熱し、それから海水２１を潜熱交換器２００に加えることができる。本実施例では、スチーム１５の一部を、ボイラー１６の下流やコンプレッサ５０の下流に配置される複数の減温器３０の下流に配置される複数の膨張機２８を介して海水２１に供給しても良い。特に、スチーム噴射ライン２９によって膨張スチーム１５の少なくとも一部が、前処理された海水２１の流れに噴射されるようにできる。蒸発システム１０の稼働中に、スチームが膨張機２８から流れ出す可能性があるため、補給水を加えてスチーム１５の損失を補ってもよい。他の実施例として、蒸発システム１０はスチームを使用する熱機関を含まず、別個の蒸気発生器を蒸発システム１０に採用してもよい。その代わりに、他の熱機関（例えばオットー、ディーゼル、ブレイトン、スターリング、エリクソンなど）によって生成される廃熱からスチームを生成することができる。
【００２２】
本実施例において、蒸発システム１０は５つの潜熱交換器２００Ａ−２００Ｅを備え、第１潜熱交換器２００Ａ。各潜熱交換器２００Ａ−２００Ｅは、蒸発器側または蒸発器入口２０２と、第１または蒸気蒸発器出口２０４と、第２または液体蒸発器出口２０６とを含む。第１潜熱交換器２００Ａの蒸発器入口２０２は、海水２１とスチーム１５の流れを受け入れる。これと同時に、後続の潜熱交換器２００Ｂ−２００Ｅのそれぞれの蒸発器入口２０２は、先行の潜熱交換器２００Ｂ−２００Ｄの蒸発器液体出口２０６から来る流れを受け入れる。例えば第２潜熱交換器２００Ｂの蒸発器入口２０２が、第１潜熱交換器２００Ａの蒸発器液体出口２０６から来る流体の流れを受け入れる。
【００２３】
さらに各潜熱交換器２００Ａ−２００Ｅは、復水器側または復水器入口２０８と復水器出口２１０とを含む。各潜熱交換器２００Ａ−２００Ｅの蒸発器蒸気出口２０４から流れてくる塔頂蒸気の流れは、同じ熱交換器２００Ａ−２００Ｅの復水器側内に復水器入口２０８を介して流れる前に、コンプレッサ５０と減温器３０とを通って流れる。特に、第１潜熱交換器２００Ａで蒸発する蒸気（例えばスチーム）で、蒸発器蒸気出口２０４を介して熱交換器２００Ａの蒸発器側から出ていくものは、過熱蒸気を生成するコンプレッサ５０によって圧縮される。コンプレッサ５０から排出される過熱蒸気は、霧状の飽和水をコンプレッサ５０の下流に位置する減温器３０に噴射することによって除去される。実施例によっては、各減温器３０は、霧状の飽和液体水を蒸発させるのに十分な滞留時間のある簡素なパイプを備える。減温器３０内に蒸発した水が、海水２１に（噴射ライン２９を介して）噴射されるスチーム１５の流れに寄与してもよい。本実施例において、海水２１が第１潜熱交換器２００Ａの蒸発器入口２０２に流れる前に、そのスチーム１５が海水２１を約１８０℃まで加熱する。本実施例においては、減温器３０から出る飽和スチームが、復水器入口２０８を介して第１潜熱交換器２００Ａの復水器側または復水器に供給され、蒸留水を生成する。この蒸留水は、復水器出口２１０を介して第１潜熱交換器２００Ａから出る。本実施例においては、各潜熱交換器２００Ａ−２００Ｅの復水器内で発生する凝縮熱が、熱交換器２００Ａ−２００Ｅの壁を通過し、そこに提供される塩または海水からスチームを蒸発させる潜熱交換器２００Ａ−２００Ｅの蒸発器の気化熱となる。凝縮由来の熱は、コンプレッサ５０に供給される少しの軸動力を使って繰り返しリサイクルされ得る。さらに本実施例においては、各コンプレッサ５０が蒸発器蒸気出口２０４から流れる加熱スチームを所定のまたは所望の圧力まで加圧する。そのようにして、熱が各潜熱交換器２００Ａ−２００Ｅの蒸発器と復水器とを隔てる各潜熱交換器２００Ａ−２００Ｅの壁を通して伝達する。本実施例においては、各潜熱交換器２００Ａ−２００Ｅの蒸発器は、熱交換器２００Ａ−２００Ｅのチューブ側を備えるとともに、復水器が熱交換器２００Ａ−２００Ｅのシェル側を備える。しかしながら他の実施例として、各潜熱交換器２００Ａ−２００Ｅの蒸発器は、熱交換器２００Ａ−２００Ｅのシェル側を備えるとともに、復水器が熱交換器２００Ａ−２００Ｅのチューブ側を備えていてもよい。
【００２４】
本実施例においては、各潜熱交換器２００Ａ−２００Ｅの蒸発器の液体出口２０６は、塩水または海水を排出する。この塩水または海水は、後続の潜熱交換器２００Ｂ−２００Ｅの蒸発器入口２０２に供給される。第１潜熱交換器２００Ａの蒸発器の液体出口２０４から排出された塩水は、海水２１よりも高い塩分量または塩分濃度を有する。実際、排出される塩水の塩分量は、後続の潜熱交換器２００Ｂ−２００Ｅの蒸発器の液体出口２０４から排出されるにつれて絶えず増える可能性がある。例えば、第５潜熱交換器２００Ｅの蒸発器の液体出口２０４は、第１潜熱交換器２００Ａの蒸発器の液体出口２０４から排出される塩水よりも、高い塩分量を有する場合がある。本実施例において蒸発システム１０が５つの潜熱交換器２００Ａ−２００Ｅを有するが、他の実施例として、蒸発システム１０に含まれる潜熱交換器の数は異なっていても良い。適用方法によっては、潜熱交換器２００の数を増やすことによって、蒸発システム１０のエネルギー効率が改善される可能性がある。なぜならば、その処理過程がほぼ可逆的な蒸発（reversible evaporation）により近いものとなり得るからである。
【００２５】
本実施例において、各潜熱交換器２００Ａ−２００Ｅの復水器出口２１０から、水出口ライン３２に蒸留水２７が排出される。さらに本実施例において、第５潜熱交換器２００Ｅの蒸発器の液体出口２０６から排出された濃縮塩水２５は、塩水出口ライン３４に排出される。潜熱交換器２００Ａ−２００Ｅから排出される濃縮塩水２５と蒸留水２７とは、高熱かつ高圧である可能性がある。さらに本実施例において、顕熱交換器１００は、流入する海水２１と熱交換する。本実施例において、塩水２５と蒸留水は、潜熱交換器２００Ａ−２００Ｅから排出された後、タービン１８を通過する。タービン１８は、軸仕事の形で圧力エネルギーを回収する。実施例によっては、塩水２５と蒸留水２７とは、蒸発システム１０によって受け入れられる、入ってくる海水２１よりも約２．１３℃温かい温度で蒸発システム１０から出ていくが、他の実施例として塩水２５と蒸留水２７と海水２１との間の温度差が異なっていてもよい。このわずかな温度上昇は、軸仕事の形で入力される正味のエネルギーと、噴射ライン２９を介する少量の直接的なスチーム噴射とに由来する
可能性がある。
【００２６】
本明細書でさらに説明するように、蒸発システム１０は、従来型の蒸発システムを超える利点を有する多くの特徴を含む。この利点は次の内容を含む。潜熱交換器２００Ａ−２００Ｅが比較的高音かつ高圧で動作すること。これにより熱伝導係数を向上させることができる。滴状凝縮が潜熱交換器２００Ａ−２００Ｅで用いられてもよいこと。これによって必要とされる温度差を大いに減少させることができる（例えば０．２℃）とともに、エネルギー効率を向上させることができる。高効率の容積式のコンプレッサ（例えば蒸発システム１０のコンプレッサ５０）を採用できること。そして新規の顕熱及び潜熱交換器を採用できること（例えば顕熱交換器１００と潜熱交換器２００Ａ−２００Ｅ）。これにより、効果的であるのに安価にすることができる。図１の実施例において、コンプレッサ５０（例えば第１段である第１潜熱交換機２００Ａのコンプレッサ５０と第５段である第５潜熱交換器２００Ｅのコンプレッサ５０）の各段における圧力比は以下の通りである。ステージ１―1.0267，ステージ２−1.0315，ステージ３−1.0389，ステージ４−1.0520，ステージ５−1.0808。しかしながら他の実施例では、コンプレッサ５０の各段の圧力比は異なっていてもよい。
【００２７】
蒸発システム１０のコンプレッサ５０は、動圧縮機（例えば軸流式、遠心式）と容積式（例えばジェロータ式、ロータリーローブ式）とを含む多くのコンプレッサタイプを備えることができる。本明細書において、コンプレッサ５０は、容積式コンプレッサを備える。容積式コンプレッサは、魅力的な選択肢となるかもしれない。なぜならば、容積式コンプレッサは幅広いターンダウン比を有することができ、容積式コンプレッサが幅広い速度の範囲にわたって稼働されるときであっても、効率を維持できることを意味するからである。同様に容積式コンプレッサは、設計条件と大きく異なって稼働されるときであっても、効率を維持することができる。ロータリーローブ式コンプレッサは、実際には蒸気を圧縮せず、「送風機」としてもっともよく特徴付けることができる。本実施例においてコンプレッサ５０の各段の圧力比が比較的低い（例えば１．１またはそれより低い）と仮定すると、コンプレッサ５０は圧力比１．１またはそれより低い状態で約９０％またはそれ以上の効率を有するロータリーローブ式コンプレッサを備えるという結果となる。しかしながら比較的高い圧力比（例えば１．５またはそれより大きい）を有する圧縮段を有する実施例においては、コンプレッサ５０はジェロータ式コンプレッサを備えていてもよい。
【００２８】
図１及び２を参照すると、図１の蒸発システム１０のコンプレッサ５０の一実施例が図２に示されている。図２の実施例において、コンプレッサ５０は、ロータリーローブ式のコンプレッサを備える。このコンプレッサは、流体入口５２、流体出口５４、内側筐体５６、内側筐体５６内に配置される丸い突出部のある一対の羽根車５８及び、外側または圧力筐体６０を含む。ロータリーローブ式コンプレッサ（多くの場合、ルーツ送風機と呼ばれる）は魅力的な選択肢となり得るが、少なくともロータリーローブ式コンプレッサによっては、低い圧力（例えば約２５ｐｓｉｇから約３５ｐｓｉｇよりも小さい圧力）でのみ稼働するものもあるのが問題となる。潜熱交換器において高い熱伝導係数を達成するために、蒸発システム１０は比較的高い圧力で稼働してもよい。この不一致は、ロータリーローブ式コンプレッサを圧力容器内に配置することにより解消され得る。本実施例において、高圧スチーム６２が圧力筐体弁６４を介して圧力筐体６０内に噴射され、所定の圧力を内側筐体５６の外面に加える。特に、コンプレッサ５０の始動中に、高圧スチームが圧力筐体６０に流され、コンプレッサ５０を熱平衡化し、ローター５８と内側筐体５６の両方が同じ高温に到達することを許容する。このようにして、圧力筐体６０に噴射されたスチームによってコンプレッサ５０を加熱すると同時に、ローター５８が圧力筐体６０内に固定されることによって、コンプレッサ５０を損傷させずに、熱膨張がコンプレッサ５０内で起こるようにできる。例えばローター５８が内側筐体５６内で回転している間に加熱が起こる場合、ローター５８が内側筐体５６と接触したり、互いに接触したりする可能性があり、コンプレッサ５０を損傷させる可能性がある。この等温化の手順は、稼働中の接触事故のリスクなしに、狭い隙間を確実に保持することができ、それによって高効率を確保することができる。稼働中、圧力筐体６０内の温度と圧力を一定に保持するため、流体入口５２から圧力筐体６０内に、それらの間に延びるブリードライン６６を介して、または流体出口５４からスチームを流してもよい。
【００２９】
図１、３及び４を参照すると、図１の蒸発システム１０の顕熱交換器１００の一実施例が図３及び４に示されている。図３及び４の実施例において、顕熱交換器１００は概して円筒形のシェル１０２と、シェル１０２内に配置されるチューブアセンブリ１２０とを含む。シェル１０２は、第１端１０２Ａと、第１端１０２Ａの反対側に位置する第２端１０２Ｂとを有する。シェル１０２の直径は、端部１０２Ａ，１０２Ｂ間を延出するシェル１０２の部分よりも端部１０２Ａ，１０２Ｂにおいて大きい。本実施例において、シェル１０２の第１端１０２Ａは、半径方向外向きに延びるフランジ付きコネクタまたはフランジ１０６を含む。さらにシェル１０２の第２端１０２Ｂは、半径方向内向きに延びるフランジまたはチューブシート接触部分１１４を含む。シェル１０２はさらに、第１端１０２Ａまたはその近位に位置する一つ以上のシェル側流体入口１１０と、第２端１０２Ｂまたはその近位に位置する一つ以上のシェル側流体出口１１２とを含む。シェル１０２はさらに、第１端１０２Ａと結合する第１シェルキャップ１０４Ａと、第２端１０２Ｂと結合する第２シェルキャップ１０４Ｂとを含む。本実施例において、第２シェルキャップ１０４Ｂは、チューブ側流体入口１０７を含むと同時に、第１シェルキャップ１０４Ａは、チューブ側流体出口１０５を含む。
【００３０】
顕熱交換器１００のチューブアセンブリ１２０は、第１チューブシート１２２と、第１チューブシート１２２の反対側に位置する第２チューブシート１２４と、第１チューブシート１２２と第２チューブシート１２４の間を延出する複数の熱交換器チューブ１３０とを含む。本実施例において、各チューブ１３０は、チューブ１３０の各端部から延びる一対の円筒形の端末部１３２と、正方形または長方形の断面を有し、かつ、図４に示すように端末部１３２間に延びる中央部１３４とを有する。高圧力に耐えるため、シェル１０２は円形断面を有していてもよいが、低圧力で稼働させる他の実施例においては、シェル１０２は正方形または長方形の断面を有していてもよい。チューブ１３０は、各中央部１３４の外面が、チューブ１３０の中央部１３４間に位置する（図４に示す）複数の正方形のチャネル１３６を形成する、少なくとも一つの他のチューブ１３０の中央部１３４と接触するように配置される。
【００３１】
顕熱交換器１００のチューブ側の流体の流路は、チューブ側流体入口１０７と、第２シェルキャップ１０４Ｂと、チューブ１３０と、第１シェルキャップ１０４Ａと、チューブ側流体出口１０５との間に延びる。顕熱交換器１００のシェル側の流体の流路は、シェル側流体入口１１０と、正方形チャネル１３６と、シェル側流体出口１１２との間に延びる。この配置において、第１流体はチューブ１３０の内側を流れ、第２流体はシェル側のチューブ１３０の外側を流れることができる。本実施例において各チューブ１３０の中央部１３４が正方形断面積を有すると仮定すると、中央部１３４の内側の断面積と、正方形チャネル１３６の断面積とは実質的に等しくなり得る。チューブアセンブリ１２０のチューブ１３０は例えば銅、真ちゅう、ステンレス鋼、炭素鋼、チタンまたはそれらの組み合わせたものなどの任意の適切な材料から構成されてもよい。本実施例において、チューブ１３０はその耐食性のためチタンから形成され、チタンを含む。
【００３２】
本実施例において、チューブアセンブリ１２０のチューブ１３０は、ハイドロフォーミング法によって形成される。特に、各チューブ１３０は最初、概してその軸長に沿って一貫した断面を有する円筒形部材を備える。本実施例において、初めに、円筒形状のチューブ１３０をパターンの付いた鋳型に配置する。このパターンは、完成したチューブ１３０の所望の外形寸法（本実施例において正方形の断面を有する部分を含む）を有する。チューブ１３０が鋳型に配置された後、高圧の流体（例えば水）がチューブ１３０内に強制的に入れられることで、チューブ１３０が鋳型を満たすように膨張し、所望の形状と寸法を構成する。チューブ１３０に強制的に入れられる流体に必要な圧力は、チューブ１３０の壁厚と寸法によって決まめることができ、また少なくともいくつかの用途においては数百気圧もの圧力となる場合もある。実施例によっては、チューブ１３０に噴射される流体の圧力は、チューブ１３０の壁に応力を与え、チューブ１３０を形成する材料の降伏強度を超える十分大きな圧力にすることができ、その結果、材料が塑性的に変形してチューブ１３０が配置される鋳型を満たす。本実施例において鋳型は、チューブ１３０の中央部１３４が正方形断面を有するように設計されているが、一方でチューブ１３０の端部は、正方形の中央部１３４よりも小さな外径を有する端末部１３２を形成する。しかしながら他の実施例において、鋳型は、チューブ１３０が様々な断面形状及び外形寸法を有するように形成されてもよい。例えば他の実施例においては、チューブ１３０が三角形、五角形、六角形、円形、星形などの他の形状を有する断面形状を含んでもよい。さらに他の実施例においては、中央部１３４が端末部１３２よりも小さな外径を有していても良い。しかしながら本実施例においては、外側部分１３２が小さな外径を有することが、シェル側流路の正方形チャネル１３６間で流体が均一に分配されるのを促進する手助けとなる。図４に特に示すように、中央部１３４とは異なって、各チューブ１３０の端末部１３２の外面は、間隔を空けて配置される。これによりシェル側の流体入口１１０からシェル１０２に入る流体が半径方向に均一な圧力を有するようにできる。大きな圧力低下は軸方向であり、正方形チャネル１３６を通る均一な流れを確保できる。同様に圧力低下は出口で半径方向に均一である。結果として、チューブ１３０の端末部１３２と、シェル１０２の端部１０２Ａと端部１０２Ｂにおいて拡張された直径とは、「分配器」として作用しまたは働き、その結果、各正方形チャネル１３６を通る流れが実質的に均一となるので、各正方形チャネル１３６は熱交換領域の全体を利用できる。小径領域の半径方向の均一な圧力を促進するため、流体はシェル１０２の外周に沿って複数の点から入る（または出る）ことができる。
【００３３】
チューブ１３０をチューブシート１２２及び１２４に接合する方法は数多く存在する。例えば、密閉することが要望される場合、チューブ１３０はチューブシート１２２及び１２４に溶接されてもよい。他の方法として、機械的回転とハイドロスウェージ（HydroSwage）を含めることができる。図３〜６Ｃを参照すると、チューブ１３０を第１チューブシート１２２にかしめるかまたは連結する第１実施例が図５Ａ−５Ｃに示されている一方で、チューブ１３０をチューブシート１６０の別の一実施例にかしめるかまたは連結する第２実施例が図６Ａ−６Ｃに示されている。特に、図５Ａ−５Ｃの実施例は、厚いチューブシート１２２を説明しているが、図６Ａ−６Ｃの実施例は、薄いチューブシート１６０を説明している。図５Ａ−５Ｃの実施例において、一本以上の溝１４２が、第１チューブシート１２２の内面に機械加工される。
【００３４】
チューブ側の流体流とシェル側の流体流間の熱伝導を高めるために、チューブ１３０の壁厚は最小化されている。これにより、厚いチューブシート１２２または薄いチューブシート１６０にチューブ１３０をかしめたり直接連結したりすることが困難となっている。このため、図５Ａ−５Ｃ及び図６Ａ−６Ｃの各実施例において、外側フランジ１５２を有する円筒状の壁の厚い挿入体１５０がチューブ１３０に挿入されて、厚い壁のチューブシート１２２または薄い壁のチューブシート１６２のいずれか一方に挿入されるチューブ１３０の一部の厚みを増すことができる。このようにして、チューブ１３０が厚いチューブシート１２２または薄いチューブシート１６０のいずれか一方に（チューブ１３０の内側に対して水圧をかけることによって）かしめられた場合、厚い壁の挿入体１５０が薄い壁のチューブ１３０を固定し、その間に形成される連結が機械的に強くなりかつ漏れないようにする。図６Ａ−６Ｃの実施例において、チューブ１３０を薄いチューブシート１６０にかしめる手順は、チューブ１３０を厚いチューブシート１２２にかしめる手順と類似している。しかしながら図６Ａ−６Ｃの実施例において、孔１６２は、薄いチューブシート１６０を打ち抜くかまたは孔を開けることによって薄いチューブシート１６０の内面に形成されていてもよい。２以上の薄いチューブシート１６０を積み重ねる場合、薄いチューブシート１６０間に環状の空間が生じる可能性があり、それによってかしめ処理の間にチューブ１３０がその環状スペースに拡大できるようにしている。
【００３５】
チューブ１３０がチューブシート１２２及び１２４につながれた後、熱交換器のコアまたはチューブアセンブリ１２０を、顕熱交換器１００のシェル１０２に挿入できる。本実施例において、一つのチューブシートは、シェルの内径よりも小さな外形を有していてもよく、それによってチューブシートが組み立ての間にはめ込むことができる。特に、第１チューブシート１２２は、第２チューブシート１２４よりも大きな外径を有し、これにより一旦、第１シェルキャップ１０４Ａがシェル１０２から分離されれば、チューブアセンブリ１２０をシェル１０２に摺動可能に挿入できるようになる。チューブアセンブリ１２０がシェル１０２に挿入されるとき、第２チューブシート１２４の外面が、チューブシート接触部分１１４の内面と摺動係合する。第２チューブシート１２４の外面と、チューブシート接触部分１１４の内面との間には、環状シール１１６が配置される。一旦、チューブアセンブリ１２０がシェル１０２に挿入されたら、第１チューブシート１２２はシェル１０２のフランジ１０６に対して、第１シェルキャップ１０４Ａをフランジ１０６に結合させることによって密封される。それによって第１チューブシート１２２を環状シール１０８と密封係合するように押圧する。本実施例において、環状シール１０８及び１１６とは、Ｏリングのシールを備えるが、他の実施例においては、環状シール１０８及び１１６は、例えばガスケットなどの他のタイプのシールを備えていてもよい。第２チューブシート１２４とシェル１０２のチューブシート接触部分１１４との間で相対的な軸移動が許容されるとすれば、環状シール１１６によって提供されるシールが、温度変化で生じうるチューブアセンブリ１２０やシェル１０２の軸方向の長さの変化を調整できる。他の実施例として、軸長の変化を調整する他の方法には蛇腹を含むことができる。
【００３６】
図４に特に示すように、各チューブ１３０の中央部１３４は、中央部１３４の角部で１本以上の他のチューブ１３０と接触し、これによって各チューブ１３０の軸長に沿う適切な間隔を保持している。前に述べた通り、各チューブ１３０の中央部１３４の内側の断面積と、正方形チャネル１３６の断面積とは実質的に同じである。この配置において、チューブ側とシェル側の流体の体積流量と速度とが同じである場合、単位長さあたりの速度と圧力降下は、顕熱交換器１００のチューブ側とシェル側の両方で実質的に同じである。この結果は、以下で説明する図７−９に示すような三角形断面や円形断面を有する中央部を有するチューブを含む、他の断面形状を使用することによっても得られる。
【００３７】
用途によっては、顕熱交換器の２つのシェル側とチューブ側の流体の体積流量は異なっていてもよく、そのためチューブの間隔や配置を変更することが望ましい場合がある。例えば図７−９を簡単に参照すれば、顕熱交換器１７０の一実施例が示されており、顕熱交換器１７０は、複数のチューブ１７４を備えるチューブアセンブリ１７２を含む。チューブ１７４は、図３及び図４に示すチューブ１３０と似た端末部１３２を含む。しかしながら、チューブ１３０とは異なり、各チューブ１７４は、図８及び９に示すように円形断面を有する中央部１７６を含む。図７−９の実施例において、各チューブ１７４の中央部１７６は、隣接して配置されるどのチューブ１７４とも接触しない。チューブ１７４が接触せず、顕熱交換器１７０が水平に取り付けられる場合、チューブ１７４は垂れ下がり、チューブ間の間隔が不均一となり得る。このことは、流体がより大きな隙間を優先的に通って流れる原因となり、熱伝達に不利に影響する可能性がある。なぜならば、チューブが隙間なく配置された領域に流れる流体がより少なくなるからである。この問題はバッフル板を採用することによって解消されうるが、そうすると複雑となり、費用がかかる。さらにバッフル板は流体がチューブに対して垂直に流れるように強制する可能性があり、これによって圧力降下を増大させ、熱伝導の熱交換率を下げる原因となりうる。なぜならば、交流が真の向流ほど効率的でない場合があるからである。したがってバッフル板の必要性を無くすために、本実施例において顕熱交換器１７０は垂直に取り付けられ、それによって重力が各チューブ１７４の軸に対して平行となるので、チューブ１７４の垂れ下がりを防止することができる。
【００３８】
図１及び図１０―１５を参照すると、図１の蒸発システム１０の潜熱交換器２００の一実施例が図１０−１５に示されている。図１０−１５の実施例において、潜熱交換器２００は概して円筒形のシェル２２０と、その内部に配置されるチューブアセンブリ２４０とを含む。シェル２２０は、一対の軸端部２２１と、シェル２２０の上端及び下端近辺に位置する一対のチューブシートコネクタまたはトラック２２２と、シェル２２０に向けて延出する、軸方向に離間したバッフル２２８とを有する。復水器出口２１０に加え、潜熱交換器２００のシェル２２０は、シェル２２０から流体を除去するための除去出口２１２を含む。本実施例において、潜熱交換器２００のチューブアセンブリ２４０は、一対のチューブシート２４０の間に延びる複数の熱交換チューブ２４２を含む。
【００３９】
図１１に特に示すように、各チューブシート２５０は、シェル２２０の各チューブシートコネクタ２２２に形成され、軸方向に延出するスロット２２３に受け止められる。このようにして、チューブアセンブリ２４０は、シェル２２０に軸方向に都合よく挿入されて、潜熱交換器２００を構築することができる。加えて、各チューブシートコネクタ２２２は、一対のシール２２４を含む。このシール２２４は、チューブシート２５０の上面と仮面を密閉係合する。このように配置することで、シール２２４は、中央シェルチャンバ２３０と、第１または入口チューブチャンバ２３２と、第２または出口チューブチャンバ２３４との間の流体連通を制限する。本実施例において、シール２２４は、中空の弾性チューブを備えるが、他の実施例においては、シール２２４は、例えばガスケットなどの当業者に知られる他のタイプのシールから構成されてもよい。チューブアセンブリ２４０がシェル２２０に挿入されると同時に、シール２２４は収縮される。これによりチューブシート２５０をチューブシートコネクタ２２２に容易に挿入可能とする。一旦、チューブアセンブリ２４０がシェル２２０内に配置されると、シール２２４が加圧されてエラストマーを膨張させ、シール２２４とチューブシート２５０間の密閉係合を確保することができる。実施例によっては、チューブアセンブリ２５０は、一旦シェル２２０に挿入されると組み合わされる断片に分割されてもよい。このようにして、チューブシートアセンブリ２５０の一つの断片に補修や置換が必要であれば、チューブシートアセンブリ２５０の他の断片からその断片を容易に分離できる。チューブ２４２は、図５Ａ−５Ｃや図６Ａ−６Ｃに示されるものと似たかしめ工程によって、チューブシート２５０と接合することができる。
【００４０】
図１４及び１５に特に示すように、潜熱交換器２００の各チューブ２４２は、一対の円筒形の端末部２４４と、端末部２４４よりも大きな最大幅または直径を有する星形断面を有する中央部２４６とを含む。各チューブ２４２の配置は、上で議論したようにハイドロフォーミングを使って実現することができる。中央部２４６の星形断面は、各チューブ２４２の外面に沿って軸方向に延びる複数の凹型チャネル２４８を形成する。凹型チャネル２４８は、チューブ２４２上の結露の流れを、チューブ２４２の外面に沿って潜熱交換器２００の復水器出口２１０に向かわせるように形成されている。このようにして、結露がチューブ２４２の外面に付着するのを抑制することができる。結露がチューブ２４２の外面に付着することで、潜熱交換器２００によって提供される熱伝導を阻害し得る。本実施例において、チューブシート２５０間の間隔は比較的小さくてもよく（例えば０．５メートル）、これによってチャンバ２３２及び２３４間の静水圧頭（hydrostatic head）を小さくすることができる。チューブが長すぎる場合、大きな静水圧頭によってチューブ２４２の液体側（例えば内側）での泡の形成を抑制し、それによって熱伝導係数を少なくし得る。本実施例において、ポンプ２３８が使用されて、流体をチューブ入口チャンバ２３２に送り込み、チューブ２４２を通る上方向の流れを誘導し、これによって対流が大きくなり、熱伝導係数を高めることができる。シェル２２０のバッフル２２８は、シェルチャンバ２３０を通るスチームの流れを、チューブ２４２の外面に対して蛇行するように移動させる。バッフル２２８は、シェルチャンバ２３０を通してほぼ均一な速度を維持するために間隔をあけて配置されてもよい。シェルチャンバ２３０を流れるスチームが凝結するにつれて、バッフル２２８の間隔を減らしてほぼ均一な速度を維持することができる。最終的に、スチームの一部が除去出口２１２を介して追い出されて、シェルチャンバ２３０を通って流れるスチームとともに存在し得るいかなる非凝縮性のものをも取り除くことができる。
【００４１】
一つの潜在的な問題として、溶質の濃度が上昇するにつれて、湯垢が潜熱交換器２００のチューブ２４２の内側に蓄積する可能性がある。特に、次のアルカリ土類塩は、高温での蒸発で問題となりうる。ＣａＳＯ４，ＢａＳＯ４，ＳｒＳＯ４，ＣａＣＯ３，ＢａＣＯ３およびＳｒＣＯ３。本実施例において、給水を（炭酸塩除去装置２２によって）酸性化することと、バキューム、スチーム除去または空気除去によって、生じた二酸化炭素を除去することとによって炭酸塩の影響を最小化することができる。硫酸塩の影響は、硫酸塩除去装置２４を介してイオン交換して硫酸塩を除去することによって最小化できる。チューブ２４２の表面に塩が付着すると、それによってファウリングを引き起こし、それらは例えば酸、アルカリ及びキレート剤などで洗浄するなど当業者に知られる様々な洗浄方法を使って除去することができる。さらに機械摩耗や音響キャビテーションを利用してチューブ２４２の表面を洗浄することができる。ファウリングを減らすためのさらなる方法として、ファウリング剤の大量沈殿を促進させられるインライン装置（例えばコロイド−Ａ−トロンなど）を使用すること、またはその表面を磨くゴムボールを添加することを含む。また電解研磨によって滑らかな表面を形成することも、ファウリング剤の付着を防ぐ手助けとなりうる。
【００４２】
上述したように、炭酸陰イオン及び硫酸陰イオンを実質的に除去すること、及びそれらを後で塩化物陰イオンと置換することにより、湯垢を形成する可能性を減らすことができる。塩が濃縮塩水から回収される場合、相乗的な利益が発生する。さらに例えば晶析装置などの適切な機械設備において濃縮塩水から水を蒸発させることで、炭酸塩や硫酸塩の沈殿から干渉を受けずに塩化物塩（例えばＮａＣｌ，ＭｇＣｌ２，ＫＣｌ）を回収可能にできる。なぜならば、その塩は比較的純粋であり、それらはより大きな経済的価値を有するからである。さらに価値ある塩を濃縮塩水から回収することによって、液体ゼロ排出（ＺＬＤ）を可能とし、それによって塩水廃棄に関する課題を解消できる。概して環境被害を最小化するために、海に塩水を戻すための複雑で高価なパイプのネットワークが必要とされる。ＺＬＤは、この費用を無くし、それによって脱塩経済を改善する。
【００４３】
図１，１６及び１７を参照すると、図１の蒸発システム１０の潜熱交換器３００の別の一実施例が図１６，１７に示されている。潜熱交換器３００は、図１０−１５に示す潜熱交換器２００と共通する特徴を含み、共有の特徴には同様の符号を付した。特に、潜熱交換器３００は、チューブ２４２を通して流体を上方向に循環させるのを補助するための外付ポンプ（例えばポンプ２３８）を使う代わりに、潜熱交換器３００は、チューブ入口チャンバ２３２に配置される軸流ポンプ３０２を含む点を除いては、潜熱交換器２００とほぼ同一である。軸流ポンプ３０２は、軸方向に間隔をあけて配置される複数のローターまたは羽根車３０４を含む。ローターまたは羽根車３０４は、流体を潜熱交換器３００のチューブ２４２を通して上方向に流す。
【００４４】
図１及び１８−２０を参照すると、図１の蒸発システム１０の潜熱交換器３３０の別の一実施例が図１８−２０に示されている。潜熱交換器３３０は図１０−１５に示した潜熱交換器２００と共通する特徴を含み、共通する特徴には同様の符号を付した。図１８は、単一の「パルス板」トレインを採用して対流を誘導する実施例を示す。特に、潜熱交換器３３０は、外部ポンプ（例えばポンプ２３８）を使ってチューブ２４２を通して流体を上方向に流れるように補助するということを除いては、潜熱交換器２００とほぼ同一である。潜熱交換器３３０は、パルスポンプ３３２を含む。このパルスポンプ３３２は、チューブ２４２を通して流体を上方向に流れるようにし、かつ、チューブ２４２を通る流体中に高周波振動を誘導することで、チューブ２４２の表面を洗浄することができる。図１８−２０の実施例において、パルスポンプ３３２は、ロッド３３４と、ロッドに取り付けられる、軸方向に間隔をあけて配置される複数のパルス板３３６とを備える。パルス板３３６は、潜熱交換器３００のチューブ入口チャンバ２３２を通して軸方向に振動したり往復運動したりする。パルス板３３６が振動するとき、パルス板３３６は、チューブ２４２内の流体振動を誘導し、熱伝導を高めることができる。その振動は、チューブ２４２内の大きな流れを誘導する、振れ幅の大きいゆっくりしたものであってよい。その振動は、振幅の短い速いものであってもよく、かくしてチューブ２４２を通して流れる音波を生成する。この音波は、熱伝導を高めるとして知られているかもしれない。本実施例において、速くて短い振動が、大振幅振動に重ね合わされることによって、単一装置内において大きな流れと音波の利益を兼ね備えることができる。
【００４５】
図１及び２１−２３を参照すると、図１の蒸発システム１０の潜熱交換器３６０の別の一実施例が図２１−２３に示されている。潜熱交換器３６０は、図１０−１５に示した潜熱交換器２００と共通する特徴を含み、共通する特徴には同様の符号を付した。特に、潜熱交換器３６０は、潜熱交換器３６０が、チューブ入口チャンバ２３２に配置された一対のパルスポンプ３３２を含み、熱交換器３６０における熱伝導をさらに高めることを除いては、図１８−２０に示す熱交換器３３０とほぼ同一である。
【００４６】
図１，２４及び２５を参照すると、図１の蒸発システム１０の潜熱交換器３９０の別の一実施例が図２４及び２５に示されている。潜熱交換器３９０は、図１０−１５に示した潜熱交換器２００と共通する特徴を含み、共通する特徴には同様の符号を付した。特に、潜熱交換器３９０は、潜熱交換器３９０が、チューブ入口チャンバ２３２内に配置される垂直方向の複数のパルスポンプ３９２を含むことを除いては、図２１−２３に示す熱交換器３６０とほぼ同一である。各パルスポンプ３９２は、振動パルス板３９４を含む。振動パルス板３９４は、チューブ２４２に向けておよびチューブ２４２から離れる方向に往復運動したり振動したりするように形成されている。各パルスポンプ３９２は、潜熱交換器３９０の一区分を使用に適するようにすることができる。各パルス板３９４がチューブ２４２に向かって上方向に移動するとき、チューブ入口チャンバ２３２の隣接する領域から液体が引き出され、パルス板３９４の裏側の空間を満たすことができる。同様に、パルス板３９４がチューブ２４２から離れて下方向に移動するとき、液体がチューブ入口チャンバ２３２の隣接する領域に流れて、パルス板３９４の裏側の減少量を調整することができる。チューブを流れる最も大きな流れを誘導するため、各パルスポンプ３９２は、同調して移動してもよい。さらに、高周波振動を低速振動に重ね合わせることができ、これにより熱伝導をさらに高めることができる。
【００４７】
図１及び２６を参照すると、図１の蒸発システム１０の潜熱交換器４２０の別の一実施例が図２６に示されている。潜熱交換器４２０は、図１０−１５に示した潜熱交換器２００と共通する特徴を含み、共通する特徴には同様の符号を付した。特に、図２６の実施例においては、潜熱交換器４２０は、シェル２２０が配置される外側ダクト付シェル４２２を含む。本実施例において潜熱交換器４２０は、チタン（例えばグレード７，１１及び１２のチタン）と、温度が２６０度までの高温で塩水腐食耐性のある高価な材料とから構成される。なぜならば、チタンが高温での稼働を可能とし、例えば図１に説明したような脱塩システムは、前に説明した１８０℃ではなく、２６０℃までの温度で稼働できるからである。温度が上昇したことで圧力が高まり、蒸気密度が高まり、それによって凝縮熱伝達を高める。さらにチタンが自然に滴状凝縮を促進し、熱伝道を高める。
【００４８】
本実施例において、外側シェル４２２はスチームにのみ接触する。それゆえ、外側のシェル４２２は、あまり高価でない材料（例えば炭素鋼）から、蒸発システム１０の内側の圧力に耐える厚い壁を有するものとして形成できる。外側シェル４２２の内側の圧力は、ほとんど均一であるから、シェル２２０を形成するチタンとチューブアセンブリ２４０とは薄い壁で構成されてもよい。これにより潜熱交換器４２０の製造コストを低くすることができる。外側シェル４２２は、蒸発システム１０のコンプレッサ５０の吸引力を供給する上側または排出部分４２４を含む。また外側シェル４２２は、排出部分４２４よりも比較的高い圧力で配置される下側または入口部分４２６も含み、かつ、蒸発システム１０のコンプレッサ５０の排出によって供給される。本実施例において、潜熱交換器４２０の出口チューブ部分２３４において沸騰した塩水から出るスチームは、デミスター４３０を通って流れ、コンプレッサ５０の吸引管に持ち込まれ得る、同伴液滴を落としたり取り除いたりする。
【００４９】
図３−６，２７及び２８を参照すると、非円形のチャネルにおける熱伝導及び圧力降下について解析するため、水力直径を直径に置換することができる。各チューブ１３０の中央部１３４と、それぞれの正方形チャネル１３６について、水力直径Ｄｈをチャネルの幅としてもよく、すなわちＤｈ＝ｗとしてもよい。他のチューブの形状ついて、断面積を４倍して潤辺で割ることによって水力直径を容易に算出できる。任意の理論によって束縛されることを意図するわけではないが、円形チューブの場合に、チューブの内側と外側の断面流量面積を得るために必要な（図６に示す）間隔Ｓは、下の式（１）によって提供される。この式においてＤは（図６に示す）各円形チューブの直径を指す。
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【００５０】
概して、任意の理論によって束縛されることを意図するわけではないが、チューブＤｈＯの外側の水力直径は、下の式（２）に示すように、断面積Ａを４倍にしたものを潤辺Ｐで割ったものとすることができる。
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【００５１】
間隔Ｓがチューブ１３０の内側と同じ断面積を与える場合、チューブ１３０の外側の水力直径は、チューブの直径Ｄと同じとすることができる。任意の理論によって束縛さえることを意図するわけではないが、下の式（３）（ｖは流体の流速を指し、ρは流体の密度を指し、μは流体の粘度を指す）を使ってレイノルズ数Ｒｅを算出することができる。レイノルズ数Ｒｅは、圧力降下と熱伝導の両方の算出に使用できる。
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【００５２】
例えば約１２１℃の水の一例として、レイノルズ数は、およそ４．２×１０６に水力直径Ｄｈと速度ｖとをかけたものである。理論によって束縛されることを意図するわけではないが、下の式（４）（ディタス・ベルターの式）は、レイノルズ数が約６０００より大きい場合には、乱流における熱伝導を計算するのに適切である場合がある。この式において、Ｐｒはプラントル数（１２１℃の水については約１．４９）を指し、ｋは流体の熱伝導率（約０．６７０ジュール／（秒*メートル平方*ケルビン）を指す。
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【００５３】
理論によって束縛されることを意図するわけではないが、摩擦に対するエネルギー損失は、下の式（５）−（７）に示すようにダルシー摩擦係数ｆを使って計算することができる。
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【００５４】
最適にデザインされた熱交換器は、圧力降下に由来する出力散逸（power dissipation）を最小化すると同時に、熱伝導を高めることを試みることができる。理論によって束縛されることを意図するわけではないが、全体の出力散逸量Ｗは、下の式（８）を使って計算することができるとともに、その出力は、熱伝導係数Φと比べて摩擦から散逸される。この式においてＶはチューブの体積／長さを指し、Ｐは圧力を指す。
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【００５５】
理論によって束縛されることを意図するわけではないが、円筒形チューブの単位長さあたりの金属の最初の量Ｖｉｎｔは、下の式（１０）を使って計算できる。ここでｄは最初の外径を指し、ｔｉは最初の壁厚を指す。一例として最初の外径が２．０ミリメートル（ｍｍ）で最初の壁厚が０．３ｍｍであり、最初の量Ｖｉｎｔが約１．６０２ｍｍ平方である。
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【００５６】
ハイドロフォーミング工程を利用することによって、円筒チューブの中央部分を正方形チューブ幅ｗに変換でき、壁厚を０．１３ｍｍ（０．００５インチ）に変換できる。例えば理論によって束縛されることを意図するわけではないが、ハイドロフォーミング工程が単位長さあたりの金属の量を変化させないとすると、正方形チューブの幅ｗまたは水力直径は、下の式（１１）を使って計算することができる（ｔｆは最終の壁厚を指す）。
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【００５７】
第１例として、速度ｖ＝３．０メートル／秒（ｍ／ｓ）であると仮定すると、水力直径は３．２１ｍｍとすることができ、そのため熱伝導係数ｈｔは、図２８のグラフ３１０に示されるように２７ｋＷ／（ｍ２・Ｋ）とすることができる。理論によって束縛されることを意図するわけではないが、総括熱伝導係数Ｕは、下の式（１２）から約１２．４キロワット／（メートル平方*ケルビン）（ｋＷ／ｍ２・Ｋ）と計算することができる。ここでｋは、流体の熱伝導率を指す（水では約０．０２キロワット／（メートル*ケルビン）（ｋＷ／（ｍ・ｋ））。
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【００５８】
図２７のグラフ３００は、この実施例において図２７に示す仕事散逸（work dissipation）Φは、約０．００２８であり、これは壁の温度Ｔｗａｌｌとバルク温度Ｔｂｕｌｋとの間の差に基づくものである可能性がある。金属耐性はフィルムと比べて小さいので、壁の温度は全アプローチ温度の半分であってもよく、仕事散逸Φは、理論に束縛されることなく下の式（１３）を使って計算できる。
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【００５９】
表１は全アプローチ温度の関数として単一側における散逸仕事量を示す。
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【００６０】
第２例として、速度ｖ＝２．５ｍ／ｓであると仮定すると、図２８のグラフ３１０に示すように、水力直径が３．２１ｍｍであるので、熱伝導係数は約２３ｋＷ／（ｍ２・Ｋ）である。上の式（１２）を使用することにより、総括熱伝導係数Ｕは、この例においては約１０．７ｋＷ／（ｍ２・Ｋ）と計算できる。図２７のグラフ３００は、仕事散逸Φが約０．００１９（ｋＷ・Ｋ／ｋＷ）であることを示し、これは壁の温度とバルク温度との間の差に基づくものである可能性がある。上の式（１３）を使用することで、この例（ｖ＝２．５ｍ／ｓ）についての全アプローチ温度の関数としての単一側の仕事散逸Φは、下の表２に示されるように計算できる。
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【００６１】
第３例として、速度ｖ＝２．０ｍ／ｓであると仮定すると、図２８のグラフ３１０に示すように、水力直径が３．２１ｍｍであるので、熱伝導係数は約１９ｋＷ／（ｍ２・Ｋ）である。上の式（１２）を使用することにより、総括熱伝導係数Ｕは、この例においては約８．９５ｋＷ／（ｍ２・Ｋ）と計算できる。図２７のグラフ３００は、仕事散逸Φが約０．００１３（ｋＷ・Ｋ／ｋＷ）であることを示し、これは壁の温度とバルク温度との間の差に基づくものである可能性がある。上の式（１３）を使用することで、この例（ｖ＝２．０ｍ／ｓ）についての全アプローチ温度の関数としての単一側の仕事散逸Φは下の表３に示されるように計算できる。
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【００６２】
チタンの境膜熱伝達抵抗は、Ni-P-PTFEコーティングを含むチューブの境膜熱伝達抵抗よりも２２％大きい可能性がある（Ni-P-PTFEのRfilmは約５．７４・１０−６（ｍ２・°Ｃ／Ｗ）であるのに対して、チタンのRfilmは約７．０４・１０−６（ｍ２・°Ｃ／Ｗ）である）。しかしながら、チタンは耐食であり、Ni-P-PTFEコーティングよりも実質的に安価となりうる。そのため、上述したチューブ１３０及び２４２の熱伝達が増大すると仮定すれば、境膜抵抗がわずかに大きくなることは許容され得る。なぜならば、各チューブの壁は薄く、材料のコストが低くなる可能性があるからである。しかしながら実施例によっては、薄い壁が高圧に耐えられないため、用途が、凝縮スチームと沸騰水の間の小さな圧力差を有するものに限定される可能性がある。この条件は、図１に示す蒸発システム１０の実施例などにおいて、低い温度差（例えば０．２℃）で稼働する蒸発システムで満足され得る。
【００６３】
ディンプルシートよりも垂直溝を使うことにより得られると推定される利益を下の表４に示す。
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【００６４】
上昇した圧力が熱伝導を改善することを示してきた（例えば垂直溝について、圧力に関する指数が１．９７７である）。一例として、１８０℃で１，００２キロパスカルであれば、推定総括熱伝導係数Ｕは約２４４ｋＷ／ｍ２・℃である。
【００６５】
図１４，１５，２９及び３０を参照すると、図２９は星形チューブ（例えば構成中のチューブ２４２に類似するチューブ）の分析を示す。星形チューブは、前述したように熱伝導を高めることのできる垂直溝（例えば凹型チャネル２４８）を有していてもよい。基準円３３０は、星形チューブの最大径と同じ直径を有することができる。理論によって束縛されることを意図するわけではないが、面積比Ｒは、基準円に対する星形チューブの面積であり、これは下の式（１４）を使って計算できる。ここで直径Ｄ１，Ｄ２及びＤ３は図３０に示されている。
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【００６６】
図１５は、同じ中心間間隔で配置された星形チューブ２４２と基準円３３０とを示す。なお基準円３３０は、互いに接触しており、スチームがチューブの外側を流れる余地は全くない可能性がある。対照的に、星形チューブ２４２は、かなり多くの開口面積を有していてもよく、スチームが遮られずに外面を横切って流れることを許容する。星形は、基準円３３０と比べてチューブあたりの面積がわずかに小さいが、星形はもっと密に充填されてもよい。なぜならば、気体が容易に外側通路を通って流れてもよいからである。図３１は、図３０に示したものと同じ中心間間隔を有する基準円３３０を示す。２つの三角形３３２が単位セルを形成できる。２つの三角形３３２は一つの基準円３３０全体を包囲でき、一つの三角形３３２は一つの半円を覆うことができる。理論によって束縛されることを意図するわけではないが、下の式（１５）によって、単位体積あたりの星形チューブ２４２の面積を特定できる。ここでＬはチューブ２４２の長さである。
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【００６７】
理論によって束縛されることを意図するわけではないが、星形チューブ２４２の金属体積Ｖｓｔａｒは、下の式（１６）及び（１７）を使って決定できる。ここでｔｔは、円筒形チューブの最初の厚みであり、そこから星形チューブ２４２がハイドロフォーミングを使って形成される。Ｄｔはその円筒形チューブの最初の直径である。
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【００６８】
例示的実施例を示して説明してきたが、当業者であれば、本開示の範囲または教示から逸脱することなくそれについて修正を加えることが可能である。本明細書で説明した実施例は例示であるに過ぎず、限定するものではない。本明細書で説明したシステム、装置及び工程の多くの変形例及び修正は、本開示の範囲内で可能である。例えば、様々な部品の相対的な寸法、その様々な部品を形成する材料及びその他のパラメータは異なっていてもよい。したがって、保護の範囲は本明細書に記載の実施例に限定されないが、従属するクレームによって限定されるのみであり、その範囲はクレームの主題の全ての均等物を含む。明示的に述べた場合を除き、方法クレームに記載したステップは、任意の順番で実施することができる。例えば方法クレームにおけるステップの前の（ａ），（ｂ），（ｃ）または（１），（２），（３）などの特定記号の記載は、そのステップに対する特定の順番を明示しようとしたり明示したりするものではなく、むしろそのようなステップについて後で参照しやすくするために用いたものである。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【国際調査報告】
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