JP2007333278A - 蒸発装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水蒸気圧縮機(2)の吐出側と水蒸気凝縮器(3)とを連通する水蒸気ラインから流量調整弁(バイパス弁21)を介装したバイパスライン(Lc)が分岐(B3)しており、該バイパスライン(Lc)は乾燥容器(1)と水蒸気圧縮機(2)の吸入側とを連通する水蒸気ラインと合流(B1)しており、乾燥容器(1)内の圧力(例えば、乾燥容器1内と大気圧との差圧)が大気圧と同程度であるように構成されている。
【選択図】図1
Description
これを解決するために、蒸発脱水過程で生じた水蒸気を昇圧して飽和温度を高め、被乾燥物と熱交換して凝縮させ、この潜熱を回収利用して、引き続く蒸発脱水に利用する技術が存在する。係る技術は、蒸気再圧縮(VRC;vapor recompression)または機械式蒸気圧縮(MVR;mechanical vapor recompression)と呼ばれている。本明細書では、この技術を「VRC」と標記する。
煮沸釜130は耐圧性が低いことと、従来の蒸沸条件に合わせるために大気圧を維持する必要があることから、その頂部を大気へ解放する構造になっている。そして、煮沸釜130へ空気の侵入を防止するために、煮沸釜130の水蒸気発生量を圧縮機110の吸入量よりも多くする必要があり、この余剰の水蒸気を外気へ棄てるために、エネルギーの損失が生ずる。
即ち、図25の麦汁濃縮装置は、外気の侵入を防ぐために、「水蒸気発生量>圧縮機吸入量」の関係を保つ必要があり、過剰の水蒸気は冷却して廃棄してしまうので、エネルギーの損失が多大である。
なお、水蒸気をそのまま外部へ放出すると、白煙や臭気の問題を生ずることから、熱交換器150にて冷却水と熱交換して、水蒸気を凝縮させる構造になっている。
図26の乾燥器は3本の管200、202、204から成り、内部は外気から遮断されている。
こうした気密性の乾燥器では、乾燥器内部の圧力は大気圧と異なるため、内部圧力が大気圧以上の場合は蒸気の噴出を防ぎ、内部圧力が大気圧以下の場合は空気の侵入を防止する構造が必要である。
更に、被乾燥物が付着性を有する場合は、付着した被乾燥物が螺旋オーガーと供回りを起こしてしまうので、被乾燥物の搬送と、被乾燥物への伝熱(熱交換)が不可能になることも予想される。
特許文献2の乾燥容器は気密構造であり、乾燥容器内部の圧力は、成り行きとして大気圧以下の真空状態で運転される。真空運転では、被乾燥物の投入や乾燥物の排出に困難を生ずることから、バッチ(回分)処理を前提としている。
特許文献2に記載されているように、VRCでは、空気や炭酸ガスなど水蒸気と一緒に凝縮しない気体(不凝縮性ガス)が混入すると、水蒸気が凝縮する際の抵抗になって凝縮熱伝達率を著しく低下させる。そして、凝縮熱伝達率が著しく低下すると、凝縮圧力が上昇して水蒸気圧縮機の動力を増加させる問題がある。
そのため、特許文献2では、水蒸気凝縮器の出口に不凝縮性ガスの排出弁を設けているが、この構造では、水蒸気凝縮器の内部に滞留した空気を抜き出す作用が不十分である。
或いは、水蒸気発生手段(水蒸気ボイラー7)を設けることに代えて、乾燥容器(1)内に加熱装置(例えば、電気式のヒータ200)を設け、その加熱装置(200)により乾燥容器(1)内に投入された被乾燥物を加熱して、水蒸気を発生させることが出来る(図6参照)。
或いは、水蒸気発生手段(水蒸気ボイラー7)を設けることに代えて、乾燥容器(1)内に加熱装置(例えば、電気式のヒータ200)を設け、その加熱装置(200)により乾燥容器(1)内に投入された被乾燥物を加熱して、水蒸気を発生させることが出来る。
或いは、複数の直線状の鋼管(チューブ31a)で構成されており、該直線状の鋼管(31a)は、各々が回転軸(全体がいわゆる「リス籠」状に構成された回転子の中心軸)と平行に配置され、回転軸の半径方向外方で且つ円周方向へ等間隔に配置されており、該直線状の鋼管(31a)の各々は中空の支持材(33)により回転軸に設けられた通路(孔32eh)に連通されて(全体がいわゆる「リス籠」状に構成されて)いるのが好ましい(請求項5)。
係る構成において、例えば前記回転子は、回転軸と同軸に配置された中央の鋼管(胴部32a)と、中央の鋼管(32a)の半径方向外方に配置され且つ中央の鋼管(32a)と平行に配置された複数の鋼管(チューブ31a)とを有し、複数の鋼管(31a)は円周方向に等間隔に配置されており、複数の鋼管(31a)の各々は中空の支持材(33)により中央の鋼管(32a)に支持されているのが好ましい。
或いは、係る回転子において、中央の鋼管(32a)を省略することが可能である。
より詳細には、最終段の水蒸気凝縮器(サブ凝縮器3b)に連通する不凝縮性ガス排出用の接続口とライン(不凝縮性ガス排出管27)を設け、該ライン(不凝縮性ガス排出管27)に不凝縮性ガスの排出弁(5)を介装するのが好ましい。
或いは、被乾燥物(6)を投入する機構(投入口8)に熱交換器(19)を設け、該熱交換器(19)に不凝縮性ガス排出用のライン(不凝縮性ガス排出管27)を流れる気体(不凝縮性ガスと水蒸気との混合気)を導入し、当該気体(不凝縮性ガスと水蒸気との混合気)のエンタルピー(凝縮潜熱と顕熱)の一部を該熱交換器(19)を介して被乾燥物(6)に投入する様に構成するのが好ましい(請求項8:図15)。
或いは、水蒸気発生手段(7)は電熱ヒータ(30、H)で加熱する様に構成されており、水蒸気発生手段(7)内の温水温度を大気圧における沸点(100℃)近傍の温度に維持する様に構成されているのが好ましい(請求項9:図7、図17)。
さらに、この傾斜を可変とすれば、被乾燥物の流動性によって調節したり、内部洗浄時の排水等に役立てることができる。
ここで、当該工程(S22)は、運転開始から所定時間が経過するまで続行されるか、或いは、圧縮機(2)内部の温度が所定温度に昇温するまで続行されるのが好ましい。
すなわち、本発明において、圧力検出手段(圧力センサ23)により水蒸気圧縮機(2)の吐出配管(11)の圧力(Pc)を検出し、水蒸気圧縮機(2)の吐出配管(11)の圧力(Pc)が設定値(P3)よりも高圧の場合に流量調整弁(バイパス弁21)の開度を増加すれば、圧縮機(2)から吐出された水蒸気は、流量調整弁(バイパス弁21)が介装されているバイパスライン(Lc)を経由して圧縮機(2)の吸入側に戻されて、再び圧縮機(2)に吸い込まれる。すなわち、圧縮機(2)から吐出された水蒸気は凝縮器(3、3a)には供給されずに、バイパスラインLcを介して圧縮機2の吸入側へ戻るので、以って、圧縮機2の吐出圧を逃がすことが出来るのである。
本発明において、脱水運転に先立って、流量調整弁(バイパス弁21)を開けて圧縮機(2)の吐出側を吸入側にバイパスする様に構成すれば、圧縮機(2)から吐出された空気はバイパスライン(Lc)を介して再び圧縮機(2)に吸入されるので、水蒸気の過剰な混入を防ぎながら、圧縮機(2)の内部温度を上昇させることが出来る。これにより、起動時において、圧縮機(2)が冷たい状態で水蒸気を大量に含む空気を圧縮機(2)内に吸入して、圧縮機2の内部で水蒸気が凝縮(凝結)して、液圧縮やエロージョンによって破損する恐れを未然に防止出来るのである。
第1に、スクリュー部のフィン効率が低く、拡大伝熱面として有効ではないため、伝熱面積が不足するからである。
第2に、輸送能力と乾燥能力のマッチング(釣り合い)を計り難いからである。
第3に、発生した水蒸気の通路を確保し難いからである。
第4に、スクリュー部に材料が付着して供回りすることがあるからである。
第5に、製作に特別な技術を要し、製作コストが高騰するからである。
一方、主(メイン)となる水蒸気凝縮器(メイン凝縮器3a)以外の凝縮器(サブ凝縮器3b)は、不凝縮性ガスの比率を高めて、蒸気用空気抜き弁(5)の機能を高める効果がある。
従って、被乾燥物が十分に脱水されない状態で排出機構(排出口9)に到達して、乾燥容器(1)から排出されてしまうことが防止される。
ここで、乾燥容器(1)の傾斜角度を調節可能に構成すれば、流動性の高い(スラリー状)物質から、流動性の低い(粒状)物質まで、取り扱うことができる。もちろん乾燥容器(1)の傾斜角度を可変にしても良い。
先ず、図1に基づいて、本発明の第1実施形態を説明する。
ここで、水蒸気凝縮器3において、前記被乾燥物6に保有する熱量を投入した水蒸気は凝縮して温水(液相、ドレン)となる。
乾燥容器1と圧縮機2とは吸入配管10(圧縮機2の吸入側に連通する配管)で接続されている。また、圧縮機2と凝縮器3とは吐出配管11(圧縮機2の吐出側のライン)で接続されている。
水蒸気凝縮器3には、凝縮器3に溜まった凝縮水及び不凝縮性ガスを凝縮器3外に排出する排出ラインLxが接続され、その排出ラインLxには、蒸気トラップ4と蒸気用空気抜き弁5(不凝縮性ガスの排出弁)が介装されている。
一方、吐出配管11は、圧縮機2から分岐点B3までのライン11aと、分岐点B3から水蒸気凝縮器3に至るライン11b、とから構成されている。
水蒸気ボイラー7で発生した水蒸気は、圧縮機2の吸入側(低圧側:低圧側水蒸気供給弁12a、ライン10c側)へ供給される。換言すれば、水蒸気ボイラー7は、水蒸気供給弁12aを介装したラインLaを経由して、分岐点B2、ライン10cを介して、圧縮機2の吸入側に連通している。
この流量調節弁21の流量制御(弁開度制御)を行うために、圧力センサ22を乾燥容器1に備えていると共に、圧力センサ23を吐出配管11に設けている。
圧力センサ22は、乾燥容器1内部の圧力と大気圧の差圧を検知するために設けられている。具体的には、差圧センサやコンパウンド式(連成式:正圧と負圧両用)ゲージ圧力センサ等を用いる。ここで、絶対圧力センサを用いて乾燥容器1内部と大気圧を別々に測り、その差圧を算出しても良い。
図1で示す第1実施形態では、水蒸気ボイラー7は、水蒸気供給弁12aを介装したラインLaを経由して、分岐点B2を介して圧縮機2の吸入側と接続されている。これに対して、図2の変形例では、水蒸気ボイラー7は、水蒸気供給弁12bを介装したラインLbを経由して、合流点B4すなわち圧縮機2の吐出側と連通している。そのため、図2の変形例では、水蒸気ボイラー7で発生した水蒸気は、圧縮機2の吐出側(高圧側:水蒸気供給弁12b、ライン11b、11c側)へ供給される。別の表現をすれば、水蒸気ボイラー7は、水蒸気供給弁12bを介装したラインLbを介して、圧縮機2の吐出側に連通している。
図2の変形例のその他の構成については、図1の第1実施形態と同様である。
蒸発脱水運転における圧力制御は、乾燥容器1内部の圧力をセンサ22で検知し、センサ22の検知信号が入力された制御手段(コントロールユニット)50から制御信号を出力して、流量調節弁21の開度を調節することにより行われる。図示はされていないが、圧力センサ22の設置位置は、乾燥容器1内のみならず、吸入配管10でもよい。
図1において、符号Liは入力信号ライン、符号Loは制御信号ラインを示す。
上述した通り、本発明の蒸発装置においては、バッチ(回分)処理または連続処理を問わない。図1及び図2の蒸発装置100において、例えば連続処理の脱水運転が行われる場合、温度の低い原料(被乾燥物)が投入された場合は乾燥容器1内の圧力が急に低下する。
先ず、図3を参照して、乾燥容器1内の圧力が急に低下した場合の圧力制御について説明する。
脱水運転が行われている場合には(ステップS1がYES)、圧力センサ22で乾燥容器1内の圧力Peを計測し(ステップS2)、乾燥容器1内の圧力Peを設定値P1と比較する(ステップS3)。
ここで、設定値P1は、例えば大気圧、すなわち、ゲージ圧であればP1は0kPa(G)であり、絶対圧であれば、P1は標準大気圧のときは101kPa(abs)である。そして、設定値P1における水の飽和温度は約100℃となる。
ここで、1ステップ分の開度については、ケース・バイ・ケースで決定される。なお、図2の変形例の場合は水蒸気供給弁12bの開度を1ステップ分だけ減少する。
ここで、基本的には、水蒸気供給弁12a(図2の場合は12b)の開度を大きくして、ボイラー7からの水蒸気流量調節弁12aの開度を大きくすることによって、乾燥容器1内の圧力Peを回復する。
他方、ボイラー7の水蒸気を圧縮機2の吐出側へ加えれば圧縮動力を要しないが、水蒸気凝縮器3から被乾燥物6へ熱が移動した後に水蒸気発生量が増加する事になるため、短時間で圧力を上げることが出来ない。そして、ボイラー7の水蒸気発生圧力は、圧縮機2の吐出圧力よりも十分に高いことが必要となる。
ボイラー7の水蒸気を圧縮機2の吸入側に加える場合と、吐出側に加える場合の夫々の長所を活かして、両者を併用することもできる。
ステップS5により水蒸気供給弁12a(12b)の開度を1ステップ分だけ増加した後、乾燥容器1内の圧力Peと設定値P2とを比較する(ステップS6)。ここで設定値P2は、弁12a、12bの開度増加では乾燥容器1内の圧力が充分に回復しないと考えられる圧力であり、例えば、ゲージ圧で−3kPa(G)、絶対圧であれば、大気圧P0が101kPa(abs)の場合にP2は98kPa(abs)となる。
乾燥容器1内の圧力Peが設定値P2(ゲージ圧で−3kPa)以下の圧力である場合には(ステップS6がNo)、弁12a、12bの開度増加では乾燥容器1内の圧力は回復しないと判断して、流量調節弁21(バイパス弁)の開度制御を行い(ステップS7)、その後、ステップS1に戻る。
また、連続処理の場合であれば、新たな被乾燥物が入ると温度が下がり、飽和水蒸気圧力も低下するので、乾燥容器1内の圧力は降下する。
従って、基本的には乾燥容器1内部の圧力が低下することを防ぐ手段を備えていれば良いのである。
図4のフローチャートでは、係る制御を示している。
ここで、設定値P3は、圧縮機2の吐出圧力が異常に上昇して運転不能に陥るか否かの閾値であり、例えば、ゲージ圧で100kPa(G)、絶対圧で大気圧P0が101kPa(abs)の場合に201kPa(abs)である。
圧縮機2の吐出圧Pcが設定値P3以上の高圧であれば(ステップS12がNo)、圧縮機2は過負荷状態であると判断する。その場合には、流量調節(バイパス)弁21の開度制御を行い(ステップS13)、ステップS1に戻る。
図3、図4において、乾燥容器1内の圧力Peと圧縮機2の吐出圧Pcを計測したならば(図3におけるステップS2及び図4におけるステップS21)、乾燥容器1内の圧力Peと上述した設定値P2を比較すると共に、圧縮機2の吐出圧Pcと上述した設定値P3を比較する(図3におけるステップS3、図4におけるステップS12)。
ここで、流量調節弁21(バイパス弁)の所定の開度は、乾燥容器1内の圧力Peと設定値P2との圧力差や、圧縮機2の吐出圧Pcと設定値P3との圧力差、その他に起因して、ケース・バイ・ケースで設定される。実機においては、例えば、コントロールユニット50で記憶されているマップ等により、決定される。
図5で示す制御では、脱水運転を開始するに当たって(ステップS21がYes)、圧縮機2を作動すると共に、流量調節(バイパス)弁21を制御してバイパス配管Lcの流量を中間或いは最大として、コントロールユニット50に設けられているタイマー60を作動する(ステップS22)。
そして、タイマー60により所定時間が経過したことが計時されたならば(ステップS23がYes)、タイマー60による計時を停止すると共に、流量調節(バイパス)弁21を閉鎖する(ステップS24)。
圧縮機2内部が昇温すれば、圧縮機2の内部で水蒸気は凝縮(凝結)することが無く、従って、容積型圧縮機における液圧縮、遠心式圧縮機におけるエロージョンによって圧縮機2が破損することは防止される。
例えば、大気圧は、天候に伴う気圧変化や設置場所の海抜高度で変化する。標準大気圧(1013hPa、即ち101.3kPa)の場合は水の沸点がほぼ100℃になるが、通常の大気圧(現地気圧)では必ずしも100℃にはならない。
低気圧の通過や海抜高度が高い等の理由で、大気圧が90kPaのときは水の沸点は約97℃、高気圧や海抜高度が低い等で現地気圧が105kPaの時は水の沸点が約101℃になる。
但し、現地気圧の変化が無視でき、水分中の溶解物が少なく、制御の精度が必要ない場合は、圧力センサに代えて温度センサを用いることもできる。
そのため、第1実施形態(図1)及びその変形例(図2)は、VRC蒸発脱水(蒸気再圧縮;背景技術参照)の連続処理で特長を発揮する。
図6において、符号12cは、ヒータ200の加熱量調節装置である。
図7は第2実施形態の構成を示しており、水蒸気ボイラー7は電熱ヒータ30を有しており、電熱ヒータ30は電源32に接続されている。ここで、電熱ヒータ30はボイラー7内の温水を100℃に保つように温度制御する様に構成されている。符号31Tで示すのは、温度センサである。
そのため、第2実施形態において乾燥容器1内の圧力Peが低下した場合の制御を示す図8においては、乾燥容器1内の圧力Peを計測したならば(ステップS2)、乾燥容器1内圧力Peを設定値P2、すなわちボイラー7からの水蒸気供給量を増加するのみでは乾燥容器1内の圧力が充分に回復しないと考えられる圧力(ゲージ圧で−3kPa)と比較する(ステップS6)。図3におけるステップS3〜S5に相当する工程は、図8には存在しない。
図9において、水蒸気ボイラー7は、ラインLと、分岐点B5及び低圧側水蒸気供給弁12aを介装したラインLaとを経由して、分岐点B2を介して圧縮機2の吸入側と連通していると共に、ラインLと、分岐点B5及び高圧側水蒸気供給弁12bを介装したラインLbとを経由して、合流点B4を介して圧縮機2の吐出側と連通している。
その他の構成及び作用効果については、図1〜図8の実施形態及びその変形例と同様である。
VRC乾燥の連続処理として、従来技術では、螺旋オーガーによる熱交換器を用いた技術を開示している(特許文献1参照)。
しかし、螺旋オーガーによる熱交換器には次に述べるような種々の問題点がある。
次に、図10〜図13を参照して、本発明の実施形態における水蒸気凝縮器3(第4実施形態〜第7実施形態における符号3a)の詳細構成について説明する。
つる巻きコイル31の中心位置には回転シャフト32が設けられている。図11、図12で詳細を示すように、管状のシャフト32とつる巻きコイル31とを接続する中空のスポーク状の支持材(中空のスポーク)33が多数設けられており、中空のスポーク33により、管状のシャフト32の回転がコイル31に伝達され、且つ、水蒸気と凝縮水を流通させるように構成されている。
図11の例では、つる巻きの3ピッチにつき、2ピッチが中実のスポーク34で支持されており、中実のスポーク部材34の前(或いは後)に中空のスポーク33が配置されている。
図11において、左側のプラグ部材32bからシャフト本体32aに水蒸気が供給され、供給された水蒸気はシャフト本体32a、中空のスポーク33、つる巻きコイル31を流過し、その何れかで凝縮する。
図12を参照して、つる巻きコイル31内で凝縮した水は、中空のスポーク33の先端の柄杓状構造33aで汲み上げられ、汲み上げられた凝縮水は、つる巻きコイル31の回転(矢印R)によって上方に持ち上げられて、重力によりシャフト本体32aへ流れる。
なお、シャフト32や中空のスポーク33においても、水蒸気が被乾燥物6を加熱しながら凝縮する。
上述した様に、スポークは全てが中空管である必要はなく、図11、図12のように、回転トルクを伝える中実のスポーク部材34も併用すればよい。
図13では、水蒸気と凝縮水が流れる中空のスポーク33Aの内部は隔壁33Acによって2分されており、つる巻きコイル31の回転によって凝縮水が持ち上げられ、シャフト32へ流れる構造である。
上述したように、図11〜図13のスポーク部材として、流路用(中空)33、33Aと構造用(つる巻きコイル31支持用)の中実スポーク34とを用意して、大多数を構造用の中実スポーク34とし、流路用の中空スポーク33、33Aは流量を勘案して必要な本数だけを適切な間隔で配置すればよい。
それに加えて、つる巻きコイル形状の流路は延べ長さを大きく確保でき、水蒸気の凝縮、即ち被乾燥物からの水分除去が確実に行うことが出来る。
さらに、つる巻きコイル31によるスクリューは、輸送能力よりも撹拌伝熱能力を目指したものであり、必要な回転速度に設定してコイル表面と被乾燥物の摺動による熱伝達率を高めることができる。
付着物の除去が不十分な場合は、被乾燥物に油脂類を混入したり、コイルやシャフトの表面に剥離用コーティング(テフロン(登録商標)など)を施して、付着物の除去を促進することもできる。
さらに、上述したような構成を具備しつつ、コイル或いはシャフトを3軸以上設けた多軸スクリューを構成することもできる。
図14の第4実施形態は、図1の蒸発装置100の基本構成と、図10〜図13で説明した水蒸気凝縮器3aの構成とを用いている。
図14において、図1と同様な部品については同様な符号を付して説明を省略する。
乾燥容器1の傾斜角度を調節することにより、流動性の高い(スラリー状)物質から低い(粒状)物質まで、取り扱うことができる。
図14の例では、2本のつる巻きコイル31(図10〜図13参照)は、コイル31を支持するシャフト32の右端が、減速機付き電動機13により毎分10回転程度に低速回転するように構成されている。
図14において、シャフト32の右端のロータリージョイント18は吐出配管11cと接続され、シャフト32の左端のロータリージョイント18は、後述するサブ凝縮器3bの流入口3biと接続されている。
被乾燥物の含水率に対応して、この傾斜角を調節自在に(傾斜角度を可変式に)してもよい。
なお、コントロールユニット50(図1)と制御信号の流れ、図14では省略されている。
つる巻きコイル31の回転数を上げれば、表面の熱伝達率が高くできるが、電動機13の動力は増加する。一方、電動機13の回転数を下げれば、消費される動力は減少するが、熱伝達率は下がる。このようなことを勘案して、エネルギー効率を最適化するように、つる巻きコイル形水蒸気凝縮器3aの回転数を設定する。
乾燥物の排出弁9出口における水分量の設定値を目標にして、スクリューフィーダー14の供給量は制御され、メイン凝縮器3aで乾燥された被乾燥物は、押し出されるようにして排出弁9へ送られる。このため、乾燥容器1内部の充填率は高くなり、メイン凝縮器3aの熱交換能力は大きくなる。
特に連続処理においては、被乾燥物の供給と共に溶解したガスや、被乾燥物の空隙に存在する空気が混入するため、不凝縮性ガスの水蒸気凝縮器からの排除と、システム系外への排出は大きな課題である。
しかし、空気等の不凝縮性ガスは、凝縮器3内に滞留して、凝縮器3内における水蒸気の凝縮を阻害する。
すなわち、図14は、つる巻きコイル式水蒸気凝縮器3aをメイン凝縮器とし、その下流にサブとなる二重ジャケット式水蒸気凝縮器3bを設けた実施形態である。
サブ凝縮器3bの不凝縮性ガスの流入口3biは、サブ凝縮器3bの長手方向の略中央に形成されている。一方、サブ凝縮器3bの不凝縮性ガスの排出口3boは、図14において、サブ凝縮器3bの長手方向の右端に形成されている。
サブ凝縮器3bには、凝縮して発生した凝縮水を排出する凝縮水排出口3bwが、図14においてサブ凝縮器3bの長手方向の左端、即ち最下部となる位置に形成されている。
そして、サブ凝縮器3bにより、空気抜き弁5を開放することにより排出される気体においては、不凝縮性ガスの比率が高められる。
凝縮水排出口3bwには、途中に蒸気トラップ4を介装した凝縮水排出管28の一端が接続されている。凝縮水排出管28の他端28eは、投入口8の周囲を包囲する熱回収器19に連通している。
すなわち、不凝縮性ガスは水蒸気とともに蒸気用空気抜き弁5から排出され、凝縮水は蒸気トラップ4から排出される。
また、予熱される被乾燥物に空隙がある場合は、乾燥容器1へ供給する以前の段階で、当該空隙内部に存在する空気等の不凝縮性ガスの一部を追い出す効果がある。
熱回収器19で被乾燥物を予熱して凝縮した水は、熱回収器19の上端近傍に設けた排水口29から系外に排出される。
図14のバイパスラインLcは、図1のように吐出配管11と吸入配管10とを直接的にバイパスするものではない。然るに、図14においては、吸入配管10の一端が乾燥容器1の突出部1dに連通しており、その突出部1dを吸入配管10の一部と看做せば、図1と同様のレイアウトとなる。
蒸発装置101の起動時には、水蒸気圧縮機2は、バイパス弁21を開いた状態で起動される。そのため、圧縮機2の吐出口から吐出された空気は、ライン11a、分岐点B3、ラインLc、突出部1d、ライン10を介して、圧縮機2の吸入口から吸入される。そして、圧縮機2の内部の温度が充分に昇温した段階で、ボイラー7から水蒸気を導入する。この時点では、水蒸気圧縮機2の内部温度が十分に高くなっているため、圧縮機内部(シリンダー等)で水蒸気が凝結する恐れは無い。
メイン凝縮器3aにおいて、水蒸気は被乾燥物に凝縮潜熱を投入して凝縮し、凝縮した水蒸気(凝縮水)は、サブ凝縮器3b、ラインL28を介して排出される。空気は凝縮しないため、蒸気用空気抜き弁5から排出する。
こうして、徐々に脱水運転へ移行する。
乾燥容器1内で発生した水蒸気は、圧縮機2で昇圧されて凝縮器3aに供給され、メイン凝縮器3aとサブ凝縮器3bで凝縮される際に、潜熱(気化熱)を回収されて、被乾燥物の加熱に利用される。
ここで、装置全体からの熱損失および新たに供給する被乾燥物6を加熱如何によっては、ボイラー7の追い炊きを行う。水蒸気供給弁12は、バイパス弁21と共に、乾燥容器1内部の圧力を大気圧近くに維持するように、開度制御が行なわれる。
また、何らかの原因で凝縮器3側の圧力が異常に上昇した場合には、これを吐出配管11に介装した圧力センサ23で検知してバイパス弁21を開く。制御の不具合等の緊急事態には安全弁15が開放する。
被乾燥物6の投入口8については、被乾燥物自体によるシール(マテリアルシール)効果や、材料が流動性を有する場合はスラリーポンプ等も考えられるが、実際には、排出弁9の性能、材料の性状、圧力制御の精度等を勘案して設計・製作することになる。
圧縮機2の停止に先立ち、圧縮機2の内部を乾燥するために外気を通す。この目的で外気導入弁24と排気弁25を同時に開けるが、そのままでは多量の空気を流動させることになるため騒音が大きい。これに対しては、バイパス弁21の開度を制御して、外気導入量を調整することができる。
図15において、蒸発装置全体は、符号102で示されている。
図15においては、図14の第4実施形態と異なる部位について、主として説明する。
換言すれば、図15の第5実施形態では、凝縮水排出管28を流過する温水と、不凝縮性ガス排出管27を流れる水蒸気及び不凝縮性ガスとを混合し、熱交換器19に通して、被乾燥物を予熱するように構成している。
図16の第6実施形態では、水蒸気圧縮機2をエンジンEで駆動し、エンジンEが排出する排熱を、蒸気ボイラー7Aの加熱用熱源として利用した実施形態である。
図16において、蒸発装置は全体を符号103で示す。
図16を参照して、図15の第5実施形態と異なる部位について、主として説明する。
エンジンEを冷却して昇温した冷却水は、循環ポンプPを介装したラインLhによって、エンジンEと蒸気ボイラー7Aとを循環するように構成されている。
エンジンEには、ガソリンやガスエンジンまたはディーゼルエンジンのような内燃機関を用いることができる。スターリングエンジンのような外燃機関でもよい。
エンジン冷却水を加圧して110〜120℃に保てば、ボイラー7で100℃前後の水蒸気を発生させることができる。
図16の蒸発装置103では、凝縮水が蒸留水(軟水)であることを利用して、凝縮水排出口29から、ライン40によって凝縮水の一部をボイラー7の補給水に再利用することが出来る。
図16の第6実施形態において、上記以外の構成及び作用効果については、図15の第5実施形態と同様である。
特に、水蒸気ボイラーが電熱式の場合は、加熱能力に制限があり、水蒸気発生量を大きくできないが、バイパス弁21の開度制御を併用することにより、圧縮機2の吸引量を減らしてバランスさせることができ、水温を制御し易い電熱の特長を活かすことができる。
図17の第7実施形態では、水蒸気ボイラーを電熱式とした実施形態を示している。
尚、図17の第7実施形態の説明に際して、図15の第5実施形態と異なる部位について、主として説明する。
電源ラインLeにはスイッチSが介装され、一方、水蒸気ボイラー7Bには温度センサTが設置されている。そして、水蒸気ボイラー7B内の蒸気温度を温度センサTで検知し、その検知した温度によってスイッチSの開閉を制御するように構成されている。
図17では、メイン凝縮器3aの排出口は、図14〜図16とは異なり、図17の右端に形成されて示されている。
因みに、水温を95℃に保てば、水蒸気圧縮機2の吸入側が大気圧以下になるため、絶対圧力が84kPaの水蒸気を発生させることも可能である。
図18〜図20で示す凝縮器の全体形状をさらに概説すれば、愛玩動物として飼育されているげっ歯類(例えば、リスやネズミ)の運動用の回転器具(いわゆる「リス籠」)の様に構成されている。
図18で示す様に、乾燥容器1内には2つの凝縮器3が設けられて、メイン凝縮器3aを構成している。
サブ凝縮器3bは、図18で示す様に構成するのみならず、乾燥容器1の周囲を覆うように構成することも可能である。
図18において、支持材33は半径方向外方へ延在しており、1本のチューブ31aを支持するために、複数本の支持材33が設けられている。なお、この支持材33は、図19では2本のみ示されている。
図18で明示されている様に、2つの凝縮器3は、回転時に相互に干渉しない様に、複数のチューブ31aの相対位置を調節して、配置されている。
回転軸32SR、32SLは、図19では図示しない回転伝達系を介して、電動機13から回転が伝達される。
なお、図19において、図中左側が投入口8或いはフィーダー14、14a(図14〜図17参照)の側となる。
ここで、盲孔32ehからは、半径方向外方へ延在する複数の孔32erが分岐しており、孔32erはチューブ31aの内部空間31aiと連通している。
図18で明示されている様に、孔32erは、円周方向に等間隔にて形成されている。
盲孔32ehは胴部32aの中空部32iと連通している。それと共に、半径方向外方へ延在する複数の孔32erが、盲孔32ehに連通している。
図18に明示されている様に、孔32ihと孔32erとは、円周方向位置が同一である。
凝縮水排水孔32dhは、凝縮水を凝縮器3から排出するために形成されており、その内部を凝縮水が流れる。
図20で示す様に、仕切り部材32wは、複数枚(6枚)の隔壁状部材を盲孔32ehの中心軸近傍で束ねて構成されており、盲孔32ehを複数の空間(図20では6区画)に仕切っている。
なお、図19において、符号34は、チューブ31aを胴部32aに取り付けるための補強材を示している。
凝縮器3内では、水蒸気が凝縮熱を発生して凝縮するので、胴部32aの内部空間32iとチューブ31aの内部空間31aiは、圧縮機吐出水蒸気配管11よりも低圧である。そのため、図19において矢印Vで示す様に、図19の右側における端面32eに形成された孔32hを介して、水蒸気が凝縮器3内に流入する。
チューブ31a内の空間31aiを流れる際に、或いは、胴部32aの内部空間32iに流れる際に、水蒸気は凝縮熱を発生する。その凝縮熱は、凝縮器3近傍の被乾燥物に伝達され、加熱する。これにより、胴部32a、チューブ31a周辺の被乾燥物に含有される水分が気化して、水蒸気が被乾燥物から発生し、被乾燥物は乾燥する。
孔32er内を落下した凝縮水は、仕切り部材32wの隔壁に沿って図19の左側へ流れ、凝縮水排出孔32dhを経由して、矢印Dで示す様に凝縮器3から排出される。
また、胴部32aの内部空間32aiに溜まった凝縮水は、孔32ih、孔32erを経由して、凝縮器3の下方に位置しているチューブ31aの内部空間31aiに流入する。そして、チューブ31a内に溜まっている凝縮水と共に、当該チューブ31aが上方の位置に来た際に、半径方向へ延在する孔32er内を落下する。
図21において、水蒸気ボイラー7Bは、商用電源Fに接続された電熱ヒーターHにより水を加熱して、水蒸気を発生している。電熱ヒーターHによる加熱は、ボイラー水温センサーTで検出されたボイラー7B内の水温により、調節される。
蒸気トラップ4が介装されている凝縮水配管28からは、ボイラー7Bの補給水ライン40が分岐しており、ライン40によって凝縮水の一部をボイラー7Bへ供給している。
乾燥容器1の内部が大気圧以上になると逆止弁15aを開放する。一方、乾燥容器1内の圧力が所定値よりも低圧になると(負圧が強過ぎると)乾燥容器1自体が潰れてしまう恐れがあるので、開閉弁15bを開いて、大気を乾燥容器1内に取り入れる。
なお、乾燥物供給用の投入口(ホッパー)8内の供給機構は、回転容積型の一軸偏心ネジポンプ(モーノポンプ)14aで構成している。
図21で示す第8実施形態のその他の構成及び作用効果については、図14〜図17の実施形態と同様である。
図22で示す排出弁9は、ロータリーバルブRVで構成されている。
ここで、乾燥が完了した被乾燥物を排出するに当たって、ロータリーバルブRVを矢印CCW方向へ回転すると、被乾燥物が図22の下方に落下した後に、被乾燥物が存在していた空間αに、非凝縮性気体である空気が流入して、乾燥容器1内に流入してしまう恐れがある。
そのため、被乾燥物が下方に落下した後も、ロータリーバルブRVの空間には水蒸気が充填されているので、空間αには空気は流入しない。
なお、図21で示す様に、水蒸気ラインLP9が連通しているのはサブ凝縮器3bでも上方の、水蒸気のみが存在して凝縮水は存在しない領域である。そのため、ラインLP9には、水蒸気が流過するのである。
図23で示す態様の排出弁9は、水蒸気ラインLP9が連通しているケーシング9cの内部にはアクチュエータA1と弁体Vb1が設けられ、ケーシング9c外にはアクチュエータA2と弁体Vb2が設けられている。弁体Vb1、Vb2は、それぞれアクチュエータA1、A2により、図23において上下方向へ作動される様に構成されている。
ここで、アクチュエータA1、A2は、弁体Vb1、Vb2の一方が下方に移動して配管を開放している場合には、他方が必ず上方へ移動して配管を閉鎖する様に構成されている。換言すれば、弁体Vb1が投入側配管9iを開放し、且つ、弁体Vb2が排出側配管9oを開放している状態が生じない様に、アクチュエータA1、A2は、弁体Vb1、Vb2を作動している。
それと共に、弁体Vb1が投入側配管9iを閉鎖しているか、或いは、弁体Vb2が排出側配管9oを閉鎖しているので、外気(非凝縮性気体である空気)が排出側配管9o及び投入側配管9iを経由して、乾燥容器1内に流入してしまう可能性が極めて少なくなる。
図24の第9実施形態は、図21の第8実施形態と同様に、図18〜図20で示す凝縮器を用いている。ただし、図21の実施形態では乾燥容器1が傾斜して配置されているのに対して、図24の第9実施形態では、乾燥容器1は概略水平に配置されている。
図24において、矢印6で示す被乾燥物は、スラリーポンプ14cを介装したホース等により吸引される。吸引された被乾燥物は、二重管式熱交換器19aで凝縮水(温水)から熱回収して予熱され、左端から乾燥容器1内に投入される。
被乾燥物は、乾燥容器1内部を、図24において右側へ移動するに伴って、メイン水蒸気凝縮器3aから水蒸気の凝縮熱が投入され、加熱されるので、水分が減少して乾燥する。
乾燥が完了した被乾燥物(乾燥物)は、乾燥容器1の右端から排出される。
なお、水蒸気供給弁30を、図21と同様に、パージ弁としても良い。
また、ロータリーバルブやダブルダンパーも同様に、被乾燥物の投入口(図24の左端部)における弁機構として用いることができる。
また、図24に係る蒸発装置の運転終了時には、排気弁25を開放すると共に、外気導入弁24をも開放して、外気導入弁24から吸引した空気を排気弁25から排出することにより、圧縮機2の内部を乾燥させると共に、メイン凝縮器3aとサブ凝縮器3bの内部も乾燥させることができる。
図24の第9実施形態におけるその他の構成及び作用効果については、図21の第8実施形態と同様である。
2・・・水蒸気圧縮機/圧縮機
3・・・水蒸気凝縮器
3a・・・メイン凝縮器
3b・・・サブ凝縮器
4・・・蒸気トラップ
5・・・蒸気用空気抜き弁
6・・・被乾燥物
7・・・水蒸気ボイラー
8・・・被乾燥物の投入口/ホッパー
9・・・乾燥物の排出口
10・・・圧縮機吸入水蒸気配管/吸入配管
11・・・圧縮機吐出水蒸気配管/吐出配管
12a・・・低圧側水蒸気供給弁 /水蒸気供給弁
12b・・・高圧側水蒸気供給弁 /水蒸気供給弁
21・・・バイパス流量調節弁
22、23・・・圧力センサ
24・・・外気導入弁
Claims (14)
- 乾燥容器と、水蒸気圧縮機と、乾燥容器の内容物と熱交換関係にある水蒸気凝縮器と、これ等の機器を連通する水蒸気ラインとを有する蒸発装置において、水蒸気圧縮機の吐出側と水蒸気凝縮器とを連通する水蒸気ラインから流量調整弁を介装したバイパスラインが分岐しており、該バイパスラインは乾燥容器と水蒸気圧縮機の吸入側とを連通する水蒸気ラインと合流しており、乾燥容器内の圧力を検出する圧力検出手段を設け、流量調整弁を制御して乾燥容器内の圧力が設定値よりも低下しない様に構成されていることを特徴とする蒸発装置。
- 乾燥容器と、水蒸気圧縮機と、乾燥容器の内容物と熱交換関係にある水蒸気凝縮器と、これ等の機器を連通する水蒸気ラインとを有する蒸発装置において、水蒸気圧縮機の吐出側と水蒸気凝縮器とを連通する水蒸気ラインから流量調整弁を介装したバイパスラインが分岐しており、該バイパスラインは乾燥容器と水蒸気圧縮機の吸入側とを連通する水蒸気ラインと合流しており、水蒸気圧縮機の吐出配管の圧力を検出する圧力検出手段を設け、流量調整弁を制御して水蒸気圧縮機の吐出配管の圧力が設定値よりも高圧とならない様に構成されていることを特徴とする蒸発装置。
- 乾燥容器と、水蒸気圧縮機と、乾燥容器の内容物と熱交換関係にある水蒸気凝縮器と、これ等の機器を連通する水蒸気ラインとを有する蒸発装置において、前記水蒸気凝縮器を、複数の回転子を平行に配置して構成し、該回転子は鋼管で構成されており、並列に且つ回転子同士が干渉しない様に交差しつつ回転する様に配置して構成されていることを特徴とする蒸発装置。
- 前記回転子は、鋼管をつる巻きコイル状に形成している請求項3の蒸発装置。
- 前記回転子は、複数の直線状の鋼管で構成されており、該直線状の鋼管は、各々が回転軸と平行に配置され、回転軸の半径方向外方で且つ円周方向へ等間隔に配置されており、該直線状の鋼管の各々は中空の支持材により回転軸に設けられた通路に連通されている請求項3の蒸発装置。
- 前記水蒸気凝縮器は、複数段を直列に配列して構成されており、最終段の水蒸気凝縮器に連通する不凝縮性ガスの排出弁を設ける請求項1〜5の何れか1項の蒸発装置。
- 不凝縮性ガス排出用のラインを流れる気体を、被乾燥物に直接接触させて予熱するように構成する請求項1〜6の何れか1項の蒸発装置。
- 被乾燥物を投入する機構に熱交換器を設け、該熱交換器に不凝縮性ガス排出用のラインを流れる気体を導入し、当該気体のエンタルピーの一部を該熱交換器を介して被乾燥物に投入する様に構成する請求項1〜7の何れか1項の蒸発装置。
- 水蒸気発生手段は電熱ヒータで加熱する様に構成されており、水蒸気発生手段内の温水温度を大気圧における沸点近傍の温度に維持する様に構成されている請求項1〜8の何れか1項の蒸発装置。
- 乾燥容器は水平面に対して傾斜して設けられており、被乾燥物を投入する機構が被乾燥物を排出する機構よりも下方に位置している請求項1〜9の何れか1項の蒸発装置。
- 水蒸気圧縮機から水蒸気凝縮器の出口に至る何れかの位置と、乾燥容器の排出系統および吸入系統に設けられた仕切り弁の内部とを連通する水蒸気配管を有している請求項1〜10の何れか1項の蒸発装置。
- 請求項1の蒸発装置の制御方法において、圧力検出手段により乾燥容器内の圧力を検出する工程と、検出された乾燥容器内の圧力を設定値と比較する工程と、乾燥容器内の圧力を設定値よりも低圧である場合に流量調整弁の開度を増加する工程、とを有することを特徴とする制御方法。
- 請求項2の蒸発装置の制御方法において、圧力検出手段により水蒸気圧縮機の吐出配管の圧力を検出する工程と、水蒸気圧縮機の吐出配管の圧力と設定値とを比較する工程と、水蒸気圧縮機の吐出配管の圧力が設定値よりも高圧の場合に流量調整弁の開度を増加する工程、とを有することを特徴とする制御方法。
- 請求項1、2の何れか1項の蒸発装置の制御方法において、運転開始時にバイパスラインの流量調整弁を開いて、水蒸気圧縮機内部を昇温する工程を有することを特徴とする制御方法。
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