JP6113833B2 - 海水淡水化システムおよびエネルギー回収装置 - Google Patents
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Description
そのため、本件出願人は、特許文献1において円筒形長尺のチャンバーをエネルギー交換チャンバーとし、チャンバー内に逆浸透膜(RO膜)から排出される高圧の濃縮海水と海水とを導入し、濃縮海水で直接海水を加圧する方式を採用することにより、ピストンの無い形態のエネルギー回収チャンバーを提案した。
図18に示すエネルギー回収チャンバー10のその他の構成は、図17に示すエネルギー回収チャンバー10の構成と同様である。
海水と濃縮海水の押し引きによって境界部の混合が促進されるが、境界部の上下にある海水と濃縮海水の流れをチャンバー内のLaの領域で均一な流れにすることで、流れの不均一性によって境界面が乱流拡散して混合する現象が抑制されると同時に、境界部を水平に維持することにより仮想的なピストンのように押し引きすることができる。
しかしながら、チャンバーへ流入する流体の流速が高速な場合、または多孔板の寸法・形状、多孔板を配置する位置、すなわち、図17における距離L1、図18における距離L1,L2によっては、分散、整流の効果が十分ではなく、依然中央部の流速が速い不均一な流れになることがわかった。
海水は小径のポートP2からチャンバーCHに流入し、チャンバーCHのポート付近の速度分布は中央部が大きな流れになる。流入した中央部が高速の流れは多孔板からなる流れ抵抗器13に向かって流れるが、多孔板の小孔のサイズ、ピッチ、多孔板を設置するポートからの距離L1と、ポートから流入する流速によって、多孔板の中央部の小孔から高速な流れがそのまま抜けてしまい、多孔板から下流の評価面A−Aにおいて、依然中央部の流速が高速な不均一な流れのままとなる。
図18に示すように、チャンバーCH内に多孔板を2枚配置した場合でも、多孔板の小孔のサイズ、ピッチ、多孔板を設置するポートからの距離L1,L2と、ポートから流入する流速によって、多孔板から下流の評価面A−Aにおいて、依然中央部の流速が高速な不均一な流れのままとなる。
本発明によれば、流れ抵抗器を少なくとも1枚の多孔板又はメッシュ板で構成することにより、チャンバー内において多孔板又はメッシュ板の上流の流れに適切な流れ抵抗を与えることで、多孔板又はメッシュ板の下流の流れをチャンバー全体に均一になるように整流することができる。
本発明によれば、流れ抵抗器として、第1多孔板(第1メッシュ板)と第2多孔板(第2メッシュ板)の配置位置、小孔径、小孔の距離(ピッチ)、開口率を調整することができ、流れを整流する自由度が上がり、均一化作用を調整して高めることができる。
本発明によれば、チャンバーの下部に設けられた濃縮海水ポートから濃縮海水をチャンバー内へ給排水し、チャンバーの上部に設けられた海水ポートから海水をチャンバー内へ給排水する場合、海水ポートと濃縮海水ポートがチャンバーの軸心になくても、チャンバーに流入した流れを、中央に孔を備えた円板の孔から流れ抵抗器の中央部に流れるようにしたため、流れ抵抗器の上流の中央部から偏りなくチャンバー全体に流れを分散し、流れ抵抗器の下流の流れをより均一な流れに整流することができる。流れ抵抗器で整流された濃縮海水と海水は比重の差から境界部が形成され、押し引きにより下側の濃縮海水は海水を押し上げ、上側の海水は濃縮海水を押し下げ、濃縮海水と海水を上下に分離しつつ2流体の接触する境界部での混合を抑制しながら、高圧の濃縮海水から海水へ圧力伝達を行うことができる。
本発明によれば、逆浸透膜分離装置から排出される高圧の濃縮海水の圧力エネルギーを海水に直接伝達することができるとともに、濃縮海水と海水の押し引き時に2つの流体が混合することが抑制されるので、エネルギー回収装置から塩濃度の高い海水が排出されることがなく、ひいては逆浸透圧分離装置への海水供給圧力を高くすることなくシステムを運転することができるので、システムの運転に要する電力を削減することができる。
1)チャンバーに流入する高速な流れを、所定の直径より外周領域に孔が形成された多孔円板における中心部の孔が形成されていない領域で、チャンバー半径方向に分散するととともに流速を落とし、外周部の孔が形成された領域から下流に流れるようにしたので、流入する中心部の大きな流れを減速、分散してチャンバーの断面においてより均一な流れにすることができる。多孔円板からなる流れ抵抗器による流体の流れを整流する均一化作用によって2流体の接触する境界部での混合を抑制しながら、高圧の濃縮海水から海水へ圧力伝達を行うことができる。
2)チャンバー内での乱流拡散による濃縮海水と海水の混合を抑制でき、濃度の高い海水を逆浸透膜分離装置に送ってしまうことがないので、逆浸透膜分離装置の性能を十分に発揮することができるとともに、逆浸透膜自体の交換周期を長くすることができる。
高圧ポンプ2の吐出ライン3の圧力が例えば6.5MPAとすると、逆浸透膜分離装置4のRO膜モジュールの圧力損失で僅かに圧力が低下し6.4MPAの濃縮海水が逆浸透膜分離装置4から排出される。この濃縮海水の圧力を海水に作用すると海水が等圧(6.4MPA)に昇圧されるが、エネルギー回収装置を流れる際にエネルギー回収装置自体の圧力損失分が低下し、例えば6.3MPAの海水がエネルギー回収装置から排出される。ブースターポンプ8は6.3MPAの海水を6.5MPAの圧力に僅かに昇圧して高圧ポンプ2の吐出ライン3に合流して逆浸透膜分離装置4に供給される。ブースターポンプ8はこのように僅かな圧力損失分を昇圧するだけでよく、ここで消費されるエネルギーは僅かである。
多孔板の中央部を閉塞する仮想円(φdc)の径は、図2における海水ポートの内径φds、濃縮海水ポートの内径φdbと同じ径、あるいはそれより僅かに大きな径とすることで、各ポートから流入する高速な流れを閉塞部に衝突させて流れを遅くするようにする。しかし、閉塞部を各ポートより大きくしすぎると、外周側に設けた複数の小孔23hを通過する流れが外周側に偏り、均一化作用が逆に小さくなるため、各ポートの内径とほぼ同じ径の仮想円とする。
中央部を閉塞した多孔板で構成される流れ抵抗器23は、チャンバーCH内において本流れ抵抗器の上流の流れに適切な流れ抵抗を与えることで、本流れ抵抗器の下流の流れをチャンバー全体に均一になるように整流する機能を有する。
中央部を閉塞した多孔質板で構成される流れ抵抗器23は、チャンバーCH内において本流れ抵抗器の上流の流れに適切な流れ抵抗を与えることで、本流れ抵抗器の下流の流れをチャンバー全体に均一になるように整流する機能を有する。図3に示す多孔板および図4に示すメッシュ板を総称して多孔円板という。
海水ポートP2からチャンバーCHに流入した流れは、小径のポートからチャンバーに流入するので、チャンバーのポート付近の速度分布は中央部が大きな流れになる。この中央部の高速な流れは、ポートと対向する多孔板の閉塞部に衝突し、板に沿って水平にチャンバー外周に向かう流れとなる。流体は多孔板外周部に形成した小孔からのみ多孔板を通過して下流に流れ、一部の水平な流れはチャンバー側面に沿って上向きに流れ、外周部で大きな渦が生じる。この時、多孔板の閉塞部に衝突して外周へ流れるとともに、ポートから流入する高速な流れの速度が遅くなる。そして外周部から小孔を通過した流れは、中央部が一旦外周側に流れた後、再び中央部に集まるように流れる。多孔板の閉塞部の下流には渦が生じるが、図5における多孔板からチャンバー中央へ所定の距離だけ離間したA−A断面において、流れの速度と、向きが均一な流れとすることができる。
このように、本発明における流入側の流れ抵抗器による流れの均一化作用は、流出側の流れ抵抗器やポートの配置によっても変化する。エネルギー回収装置は、海水と濃縮海水が交互に流入と流出を繰り返すため、一方向の流れを均一にすることに加え、逆向きに流れた場合の流出の流れにも配慮しなければならない。
図6右側の平面図は、図6に示すエネルギー回収チャンバー内に設置された各多孔板を示す平面図であり、上から下に向かって、海水ポート側の第1多孔板24,第2多孔板25、濃縮海水ポート側の第2多孔板25,第1多孔板24を示している。図6に示すエネルギー回収チャンバーに配置した流れ抵抗器を構成する第1多孔板24は、中央部が閉塞し外周部に複数の小孔が形成された多孔板からなっており、図3に示したものと同様の構成である。第1多孔板24を図4に示すような中央部が閉塞し外周部がメッシュ材である多孔質板としてもよい。また、第2多孔板25は全面に小孔が等間隔に形成された円板からなっている。第2多孔板25をメッシュ材からなる円板としてもよい。
海水は小径のポートP2からチャンバーCHに流入するので、チャンバーCHのポート付近の速度分布は中央部が大きな流れになり、第1多孔板24または多孔質板の作用は、第1多孔板24の中央の閉塞部で外周に分散され、第1多孔板24を通過した後の流れを均一にしようとする作用であり、図5で説明したものと同様である。さらに、第1多孔板24からL2だけ離間した位置に第2多孔板25を配置することによって、第1多孔板24により整流された流れを全面に小孔が形成された第2多孔板25を通過させることで、第2多孔板25の下流の流れがより均一な流れに整流され、第2多孔板25からチャンバー中央へ所定の距離だけ離間したA−A断面において、流れの速度と方向が同一な流れに近づき、均一な流れとすることができる。
チャンバー軸心から偏心した位置に配置された海水流入ポートP2INから高速の海水の流れがチャンバーCH内に流入すると、孔付き円板31の外周部の孔が空いていない板部に衝突し、孔付き円板31で区画される海水ポート側の空間内に分散し、孔付き円板31の中央部に形成した孔から海水が第1多孔板24の中央部に向かって高速で流れる。そして、第1多孔板24の中央部にある孔が形成されていない閉塞部に流れが衝突し、チャンバー外周へ向かう流れに分散するとともに、速度が減速される。この第1多孔板24以降の下流の流れは、図8で示し説明した流れと同様の流れとなる。
図12のチャンバーの海水ポート側の構成は、図9で示した実施形態と同様であるが、本実施形態のチャンバーは、チャンバー下側の濃縮海水ポートがチャンバー側面に形成されている点が異なる。すなわち、濃縮海水ポートP1はチャンバー側面に形成されているため、濃縮海水はチャンバーの軸方向とは直角の方向(半径方向)に給排水される。そして、濃縮海水ポート側のチャンバー端面からLpだけ離間した位置に中央部に孔を形成した孔付き円板31を配置し、孔付き円板31からL1だけ離間した位置に第1多孔板24を配置し、さらに第1多孔板24からL2だけ離間した位置に第2多孔板25を配置している。
孔付き円板31は図10に示したものと同様の構成であり、第1多孔板24は図3又は図4に示したものと同様の構成であり、第2多孔板25は図7に示したものと同様の構成である。
チャンバーの側面に配置された濃縮海水ポートP1からチャンバー軸心と直角な向きに高速な流れがチャンバーCH内に流入すると、孔付き円板31で区画される濃縮海水ポート側の空間内で、一部は孔付き円板31の中央部に形成した孔から流出し、一部はその空間で渦となって空間内に広がった後に、孔付き円板31の中央部に形成した孔から流出する。そして、濃縮海水は孔付き円板31から第1多孔板24の中央部に向かって高速で流れ、第1多孔板24の中央部にある孔が形成されていない閉塞部に流れが衝突し、チャンバー外周へ向かう流れに分散するとともに、速度が減速される。この第1多孔板24以降の下流の流れは、図8で示し説明した流れが上下逆になった流れとなる。
エネルギー回収チャンバーに配置した流れ抵抗器23を構成する第1多孔板24は、中央部が閉塞し外周部に複数の小孔が形成された多孔板であり、本多孔板の中央部の閉塞部には第2多孔板25に向かって円錐状のコーン26が形成されている。
図8で示した流れ解析の結果のように、第1多孔板の外周部から小孔を通過した流れは、多孔板の閉塞部の下流には渦が生じるが、円錐状のコーン26を設けることで渦を発生させずコーン26の壁面に沿った下向きの流れにすることができ、第1多孔板24から第2多孔板25への流れが均一になり、第2多孔板25による整流作用によってさらにその下流の流れを均一にすることができる。
また、各ポート間のチャンバー内に構成した流れ抵抗器は、チャンバー中心軸まわりに回転対称となっており、チャンバーの半径方向における流入、流出の流れ抵抗が回転対称となるようにしている。図9の実施形態のように、一方のポート位置がチャンバー中心に無い場合は、孔付き円板31の中央部の孔と中央のポートの間でチャンバーの内部構成がチャンバー中心軸まわりに回転対称となっている。図12の実施形態のように、両方のポート位置がチャンバー中心に無い場合は、両方の孔付き円板31の中央部の孔の間のチャンバーの内部構成がチャンバー中心軸まわりに回転対称となっている。
2 高圧ポンプ
3 吐出ライン
4 逆浸透膜分離装置
5 濃縮海水ライン
6 制御弁
7,9 バルブ
8 ブースターポンプ
10,20 エネルギー回収チャンバー
11 エネルギー回収装置
21 チャンバー本体
12,22 端板
13,23 流れ抵抗器
14,24 第1多孔板
15,25 第2多孔板
16 ピストン
17 濃縮海水排出ライン
23h 孔
26 円錐状コーン
30 円板
31 孔付き円板
CH チャンバー
P1 濃縮海水ポート
P2 海水ポート
P2IN 海水流入ポート
P2OUT 海水流出ポート
Claims (6)
- ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水の圧力エネルギーに変換するエネルギー回収装置であって、
内部に濃縮海水および海水を収容する空間を有し、長手方向を鉛直に配置した円筒形状のチャンバーと、
前記チャンバーの下部に設けられ、濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポートと、
前記チャンバーの上部に設けられ、海水の給排水を行う海水ポートと、
前記チャンバー内において濃縮海水ポート側に配置される流れ抵抗器と、
前記チャンバー内において海水ポート側に配置される流れ抵抗器とを備え、
前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側に配置される流れ抵抗器は、少なくとも1枚の多孔円板であって、該円板の所定の直径より外側の外周領域に孔が形成されてなることを特徴とするエネルギー回収装置。 - 前記多孔円板は、所定の直径より外側の外周領域に流体が通過する流路を有する多孔板または線材を編みこんだメッシュ板からなることを特徴とする請求項1に記載のエネルギー回収装置。
- 前記流れ抵抗器は、所定の直径より外側の外周領域に孔が形成された第1多孔板または第1メッシュ板と、第1多孔板または第1メッシュ板より前記ポート側から離間して配置された第2多孔板又は第2メッシュ板とから構成することを特徴とする請求項2に記載のエネルギー回収装置。
- 前記エネルギー回収装置は、濃縮海水ポートと海水ポートのいずれか又は両方と、前記流れ抵抗器との間に中央に開口を有するドーナツ形状の円板を備えたことを特徴とする請求項1に記載のエネルギー回収装置。
- 前記第1多孔板または第1メッシュ板は前記所定の直径より内側に円錐状部材を備え、該円錐状部材は前記第2多孔板または第2メッシュ板側に向かって先細になっていることを特徴とする請求項3に記載のエネルギー回収装置。
- ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて、
前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水の圧力エネルギーに利用変換する請求項1乃至5のいずれか一項に記載のエネルギー回収装置を備えたことを特徴とする海水淡水化システム。
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