JP2015077584A - Desalination plant - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は蒸発法による淡水化装置に関する。 The present invention relates to a desalination apparatus using an evaporation method.
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。 The evaporation method is a method in which raw water is heated and evaporated to condense water vapor to obtain fresh water, and a desalination apparatus as disclosed in
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。 An object of this invention is to provide the desalination apparatus which does not require a lot of energy, a mechanism is simplified, and a maintenance surface is easy.
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。 The desalination apparatus according to
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。 The desalination apparatus according to
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。 According to a third aspect of the present invention, in addition to the characteristics of the first desalination apparatus of the first aspect, the drainage means has water supply means for supplying at least a part of the unevaporated raw water to the raw water supply means. May be.
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。 The desalination apparatus according to
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。 According to the desalination apparatus of the first aspect, by separating the heat transfer tube from the inner wall surface of the evaporator container, energy of the heat transfer tube does not propagate to the evaporator container, so that heat loss due to heat radiation can be suppressed. Moreover, since the un-evaporated raw water that descends along the inner wall surface of the evaporator container descends without exchanging heat with the heat transfer tubes, heat transfer can be avoided. Furthermore, since the heat transfer of non-evaporated raw water is reduced, a decrease in energy efficiency can be suppressed.
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。 In addition, by providing the drying time for the heat transfer tubes and spraying the raw water intermittently or periodically, the heat exchange efficiency of the heat transfer tubes and the raw water increases locally, so much of the energy is converted into latent heat of evaporation. It is possible to use. Since energy can be efficiently used for evaporation, it is particularly effective for heat sources with low energy density such as solar heat and low-temperature exhaust heat.
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。 Furthermore, the heat transfer tube is installed in a plane with respect to the raw water to be sprayed by extending in the vertical direction while circling a plurality of times along the inner wall surface of the evaporator container, so that the structure can be simplified. Maintenance becomes easy.
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。 According to the desalination apparatus according to
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。 Also, when the spraying means rotates the spraying means relative to the heat transfer tube and sprays on a part of the heat transfer tube, the raw water can be sprayed continuously on the dried heat transfer tube, so that the raw water is kept while maintaining high energy efficiency. Can be evaporated.
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。 According to the desalination apparatus of the third aspect, the drainage means has the water supply means for sending the non-evaporated raw water to the raw water supply means. It can be evaporated once and the concentration of waste water can be controlled.
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。 According to the desalination apparatus of
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
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。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3, and FIG. FIG. 1 is a configuration diagram showing a
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。 A
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。 The
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。 The one-fluid
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。 First, the
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。 The
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。 When the
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。 Since the
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。 Furthermore, since the
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。 The
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。 By periodically spraying the
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。 In addition to being able to effectively use energy for evaporation, heat transfer to the non-evaporated
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。 If the one-fluid
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。 In addition to the fin-type heat exchanger, a tube-type heat exchanger and a plate-type heat exchanger can be used inside the condensing
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。 Further, a pipe (not shown) for circulating the
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。Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5, 6, 7 and 8. FIG.
FIG. 5 is a configuration diagram showing a
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。 The
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。 The
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。 When the energy amount of the
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。 By rotating the one-fluid spray nozzle 15 and periodically spraying the
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。 As an example, when 500 mL of stored water was evaporated with a 600 W heat source, 27% of the energy of the heat source was used for evaporation, whereas the energy amount of the heat source was 2.2 kW, and the spray flow rate of raw water was 8 L / h, When the evaporation method according to
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。 The spray angle of the one-fluid spray nozzle 15 may not be 60 ° as long as the
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。 Next,
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。 The
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。
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。When a part of the unevaporated
Here, C (t) is the waste water concentration (g / mL) at time t, C 0 is the raw water concentration (g / mL), Min is the raw water flow rate (L / min), Mex is the waste water flow rate (L / min), V represents the amount of liquid in the apparatus (L), and t represents the apparatus driving time (min). By calculating the wastewater concentration using the equation (1), the concentration of the
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。 Further, by sending all of the unevaporated
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。 Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 11: is a block diagram which shows the
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。 The
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。 The
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。 Further, the circulating water 28 is cooled by using the
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。 The circulating water 28 only needs to have a composition that does not hinder the intended use of the obtained
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DESCRIPTION OF
Claims (4)
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。A heat source,
An evaporator container and an evaporator container are disposed in the evaporator container, and are arranged to extend in the vertical direction while rotating around the inner wall surface while being spaced apart from the inner wall surface of the evaporator container. An evaporator having a heat transfer pipe through which a heat medium heated to receive energy flows, and spraying means for spraying raw water onto the heat transfer pipe;
Raw water supply means for supplying the raw water to the spray means;
Control means for spraying intermittently or periodically by providing a time for the spraying means to dry the heat transfer tube;
Drainage means for draining unevaporated raw water in the evaporator;
A gas-liquid separator that separates the water vapor generated in the evaporator and the unevaporated raw water;
A condensing part for condensing the water vapor that has passed through the gas-liquid separator;
A fresh water recovery unit for recovering fresh water condensed in the condensing unit;
The desalination apparatus characterized by having.
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