JPS61161388A - 特に海水の熱エネルギ利用のための混合凝縮器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、特に海水の熱エネルギ回収装置に使用される
混合凝縮器に係る。

このタイプの装置は主として、表面温水を受容する蒸発
器と、蒸気タービンと、深部冷水を受容する凝縮器とを
含んでおり、非凝縮ガスは真空ポンプによって排出され
る。温水と冷水との間の温度差を最大限に利用するため
には凝縮器の以下のパラメータを最小にすることが必要
である。

（１）凝縮器の入口の蒸気と凝縮器の出口の加熱水との
間の温度差。この温度差は抽出温度差（ｐ　ｉ　ｎ　ｃ
　ｅｍｅｒｔ）羽；＃と指称される。

（２）真空ポンプから抽出されるガス（残留蒸気と非凝
縮ガス）と入口の水との温度差。この温度差は接近温度
差（ａｐｐｒｏｃｈｅ）と措称される。

（３）装置を通過したガスの圧力低下。

（４）装置を通過した水の損失水頭。

大幅な損失水頭又は氾濫（ｆ　ｌｏｏｄｉｎｇ）現象（
通常は水より容積流量が遥かに大きい蒸気が水を飛沫同
伴すること）を生じさせないで水と蒸気との均質混合を
達成するには、水がカスケードの形状で流下し蒸気が該
カスケードを水平に通過する装置が有利であると考えら
れている。

第１のタイプの公知の凝縮器は特許文献第ＤＥ−Ｃ−２
１４２６２号（ウォーシントンＷｏｒｔｈｉｎｇｔｏｎ
）に記載されている。装置は円筒状であり、１列の環状
多孔プレート群と上記プレート群上方の空気冷却器六を
含む。多孔プレート群列は、共通の鉛直軸を有しており
隣合う２つのプレート間の上下間隔が装置の上部から下
部に向かって漸増する。空気冷却器は別の環状多孔プレ
ートから水を受容する環状スペースから成る。

該装置に於いては、一方で空気冷却器と、他方で一連の
カスケード状水流を成立させるプレート群とに冷水が並
列に供給される。蒸気は装置の底部から供給される。気
体状混合物は各カスケードを交差流として直列に通過す
る。２つのプレート間のスペースが漸減するので通路断
面積の漸次変化が確保される。気体状混合物は最後に空
気冷却器を通過して抽出用開口に到達する。

この構成では、水と蒸気との向流循環及び空気冷却器の
存在によって前記パラメータを低い値に抑制することは
できるが、３つの重大な欠点を示す。

第１に、円筒状幾何学形は高い熱出力に適応し難い。何
故ならこの場合チャンバの直径が大きく従って蒸気が通
る径方向軌道が長いのでこれに対応して圧力低下が大き
い。一般にはこのタイプの装置で許容される蒸気の流量
は２０ｔ／時を超えない。

第２に、プレート群と空気冷却器とに対して並列に給水
されるので冷水が浪費される。即ち空気冷却器を通る水
は余り加熱されない。

第３に、水／気体状混合物の熱伝達メカニズムを分析す
ると、カスケードの最適高さが存在しこの高さを超える
と熱伝達が極めて低下することが判明した。従って高さ
の可変なカスケードを使用すると、装置を最適条件で作
動させることができない。

上記の第２及び第３の欠点によりこのタイプの装置では
抽出温度差と指称した前記パラメータの値は比較的高く
３℃のオーダである。

公知の第２のタイプの凝縮器は、米国特許第３９１１０
６７号（チェンＣｈｅｎ等）に記載されている。該装置
は各々が細長矩形をした１列の水平多孔プレート群を含
んでおり、これらのプレートは鉛直方向に順次配列され
ており隣合うプレート間の上下間隔はプレート群列全体
の高さにわたって実質的に一定である。冷水は列の最上
端のプレートに供給され、従って一連の液滴カスケード
の形状の水流が形成される。ガス（蒸気及び非凝縮ガス
）は全部のカスケードに並列に供給され、従ってガスは
カスケードを横断方向に通過する。この構成が所謂交差
流式である。凝縮しなかったガスはカスケードの下流で
抽出される。この凝縮器のプレート群は長手方向鉛直平
面に関して対称な２つの列として配置されている。

このタイプの装置の利点は前記の第１のタイプの凝縮器
よりも幾何学形が簡単なことである。また平行水面体形
並列構成を有するので熱出力を大きくし得る。しかしな
がら、水と蒸気とが向流せず単に交差流として動作する
だけなので前記パラメータの値を十分に小さくすること
はできない。

本発明の目的は損失水頭とガスの圧力低下とを小さくし
同時に前記の抽出温度差及び接近温度差なるパラメータ
の値の低減を簡単に達成することである。

本発明の目的は、特に海水の熱エネルギを利用するため
に所定流量の水蒸気を受容し該蒸気を所定流量の冷水と
接触させて凝縮する混合凝縮器を提供することである。

本発明の凝縮器は、チャンバ１０と、少なくとも１つの
ガス導入管１４と、少なくとも１列の水平プレート群１
１と、少なくとも１つの冷水導入管１５と、少なくとも
１つの加熱水排出管３２と、非凝縮ガスの抽出手段１６
．２８とを含む。

前記ガス導入管１４は、水蒸気と非凝縮ガスとを含有す
る気体状混合物を受容すべく前記チャンバの下部に備え
られており、前記１列のプレート群は、前記チャンバに
内蔵され各々が共通の長手方向長さを持ち共通の水平方
向幅を持つ水平方向の細長い形状を有しており、各プレ
ートは多数孔２２を設けた底部を有しており、これらプ
レート群は、鉛直方向で上下に順次配列され第１プレー
トから最終プレートまでの隣合うプレート間の上下間隔
は前記列全体の高さにわたって実質的に一定であり、前
記冷水導入管１５は前記第１プレートに給水しており、
該プレート底部の孔が絞孔と同数の鉛直水ジェツトを流
出させ、この水ジェツトの集合が該プレートの全長に伸
びて該プレートと協働する第１カスケードを構成してお
り、該カスケードが第２プレートに供給され、該第２プ
レートは同様に該第２プレートと協働する第２カスケー
ドを構成し、該第２カスケードが第３プレートに供給さ
れ、以後同様にして最終カスケードまで到達し、各カス
ケード３０は、カスケードの水との接触により蒸気を凝
縮すべく同じ階のプレートと協働しており、前記水は前
記接触及び凝縮水との混合の双方によって加熱されてお
り、前記加熱水排出管３２は前記最終カスケードの下部
に備えられており、前記非凝縮ガス抽出手段１６．２８
は前記チャンバの上部に備えられており、前記蒸気導入
管から導入された気体状混合物２０が前記横断方向に沿
って前記カスケード３０を横断すること°なしには該抽
出手段に到達できないように配置されているタイプの凝
縮器である。本発明凝縮器の特徴は、凝縮器が前記プレ
ート群と協働カスケードとを鉛直方向で上下に連続する
複数の部分に分割する隔壁ＳＡ、ＳＢを有しており、前
記気体状混合物は同じ部分の複数のプレート１１から出
る複数のカスケード３０を同一横断方向で並列に横断す
るように構成されていること、及び、前記混合物が連続
する部分を下から上に直列に通過すること、及び、連続
部分のプレートの個数が第１部分から最終部分に向かっ
て漸増しこのため蒸気の凝縮によって気体状混合物の流
量が減少したときの該気体状混合物の通過断面積が縮小
し従って前記非凝縮ガスを駆動するために実質的に最適
の掃引速度が維持されて有利な熱交換が行なわれること
、しかも種々のカスケードが実質的に、水の損失水頭に
対して最適の熱交換を得るために最適の等しい高さを実
質的に有することである。

符号は添付図面に示す非限定具体例の参照符号である。

添付図面にまとめて示した本発明凝縮器の２つの非限定
的な好適具体例について以下に説明する。

第１具体例の特徴は、対称を使用していることである。

この具体例ではチャンバ内部の蒸気案内壁の数を限定し
得る。各矩形プレート列が各１つの単流束を構成し該２
つの単流束が協働する。より詳細には、凝縮器がチャン
バ１０内に２列のプレート群とカスケード群とを含んで
おりこれらは隔壁ＳＡ、ＳＢと共に長手方向鉛直対称面
１８に関して互いに対称に配置されており、これにより
等しい連続部分が形成され各部分内で前記列間に気体状
混合物用の内部通路が形成されている。前記チャンバは
２つの列の集合体の両側で混合物用の外部通路を形成し
ており、蒸気導入管１４は最下位の部分１２の外部通路
にガス混合物を案内しており、隔壁ＳＡは前記最下位の
部分の上部で外部通路を閉鎖する。従って混合物はこの
部分のカスケードを通って内部通路を通り直ぐ上の部分
１３の内部通路に導入される。

前記隔壁ＳＢは該真上の部分の上部で内部通路を閉鎖す
る。従って混合物は該部分の外部通路を通り、その上の
部分の外部通路に導入される。

より一般的には、前記２つの隔壁ＳＡ、ＳＢが、前記列
の高さ全体にわたって前記連続部分の上部で前記外部通
路と前記内部通路とを交互に閉鎖しており、抽出手段が
面記内部通路内で前記非凝縮ガスを吸引し得るように前
記部分の個数が奇数である。

上端プレートは好ましくは単一部材であり対応する２つ
の単流束をカバーする。

第２の好適具体例は別の上端部分が付加されていること
を特徴とする。前記各列が上記部分以外に上端部分９を
有しており、該上端部分は前記第１プレート１１の上方
に位置する上端プレート１７の少なくともゾーンＺＴに
孔２６．２７を有しておりこれらゾーンは互いの間に間
隔を隔てて前記上端プレートの全長にわたって均等に分
布しており、形成されるカスケードの高さは前記最適高
さに実質的に等しい高さを有しており、前記冷却液導入
管１５は上端プレートの前記ゾーンに供給して各ゾーン
に該ゾーンと等しい面積の局部的上端カスケード３１を
形成させており、前記第１プレートは該局部的上端カス
ケードから供給されており、前記隔壁ＳＢは直下の部分
１３を通過後の気体状混合物を局部的上端カスケードを
直列に通して前記抽出手段に案内すべく機能しており、
凝縮器が更に上端プレートの前記ゾーンと前記第１プレ
ートとの間に鉛直に伸びる限定壁ＰＡ、ＰＢを有してお
り、該限定壁は第１カスケードから出た気体状混合物を
該局部的カスケードに通して前記抽出手段に案内すべく
機能しており、これらはいずれも気体状混合物の大幅な
長手方向移動を阻止して前記最適掃引速度を維持すべく
気体状混合物の通過断面積を漸減させるように構成され
ている。

好ましくは、上端プレートの前記ゾーンＺＴの下方で前
記限定壁ＰＡの間に形成された前記局部的カスケードの
各々が前記気体状混合物に与える通路幅が上流から下流
に向かって漸減しており、このような通路幅の漸減によ
って、該局部カスケードでの行程全体にわたり該行程中
に蒸気凝縮が生じるにも関わらず気体状混合物が最適掃
引速度を実質的に維持する。

好ましくは、上端プレートの前記ゾーンＺＴの下方に形
成された前記局部的カスケードの各々が台形を有してお
り、前記台形の長い底辺は前記長手方向に沿って伸び前
記気体状混合物の入口を構成しており短い底辺は抽出手
段１６．１８に向かう出口を構成しており、２つの脚は
面記限定壁の幾つが即ち壁ＰＡによって閉鎖されており
、残りの限定壁ＰＢが隣合う局部的カスケード間の長手
方向間隙を閉鎖する。

次ぎに本発明の凝縮器の寸法決定に関与するパラメータ
の選択基準について説明する。

−力スケートの最適高さ：鉛直に落下するジェットと該
ジェットと水平方向で交差するガスとの間の熱伝達を分
析すると、液の外層とガスとの間の温度勾配が減少する
ので伝達係数がジェットに沿って急激に低下することが
判明した。前記の最適高さを超えると、高さの増加に伴
う大型化と水の損失水頭とに見合った十分な熱伝達の利
得が得られない。更に、所定の最大高さを超えると、水
ジェツトは蒸気に飛沫同伴され易い液滴として解離する
。

従って所謂最大高さは、常に前記最適高さ以下の値に選
択される。

一最適掃引速度：凝縮器内で蒸気と非凝縮ガスとの混合
が進むに伴って蒸気凝縮が進みその結果として非凝縮ガ
スの濃度が増加する。気体状混合物が十分な速度に維持
されないときは非凝縮ガスが蓄積する危険がある。この
ため蒸気分圧の局部的低下と熱伝達係数の局部的低下と
が生じる。従って凝縮プロセスが変質する。また、該伝
達係数は速度に伴って増加するので高い速度の選択が有
利であるが、気体状混合物の速度の最大値が限定されて
おり、この最大値は、カスケードのジェットの少なくと
も１つをジェットが直下の多孔プレートに再度落下しな
い程度に偏向させる値である。

また、気体状混合物の速度が高いとガス側でも高い圧力
低下が生じる。従ってこれらの相反する種々の判定基準
を調整して最適掃引速度を決定する必要がある。

一プレートの長さ：例えば第５図に示すように、同一凝
縮器を第２図のごとき複数の流束に再分割し得るので、
１つの流束のプレートの最適長さは主として、装置の外
寸に関する判定基準に従って選択される。

一プレートの幅ニブレートは矩形であり連続する２つの
プレート間のスペースは平行六面体である。

１つのプレートの孔群がカスケードを形成し該カスケー
ドの幅は水ジエツト列の数によって決定される。このジ
ェット列の数は蒸気に対する圧力低下が過度に大きくな
らないように選択されるが、蒸気の導入速度を考慮に入
れて各カスケードの全長に亙る流量の均質な分布と非凝
縮ガスの掃引とを確保するに十分な値でなければならな
い。

−多孔：同じプレート上の隣合う２列の多孔は好ましく
はジグザグに配置されている。この配置はジェット間で
蒸気の優先通路を阻止するために特に好適である。また
蒸気の乱流拡散と非凝縮ガスの掃引とを確保する。

−プレートの縁端２３，２４の高さ：これらの高さは選
択された水量で多孔の損失水頭と適合する水位が維持で
きるように計算される。

本発明の凝縮器は上記のごとき流束を所定数有しており
、これら流束は中央蒸気導入管の周囲に均等に分布して
おりその対称面は２つの流束間の蒸気導入速度方向に実
質的に平行である。

このよう場合、蒸気は流束の一端の蒸気導入口１４から
（又は両端の２つの蒸気導入口から）長手方向に導入さ
れる。隔離スクリーン１９は蒸気がプレート間で長手方
向に侵入し流束の側面に誘導されることを阻止する。

第５図は第１図と同様の流束２を所定数有する装置の極
めて概略的な平面図である。流束２は六角形構造に配列
されており中央に蒸気３の導入口ｌを備える。矢印は該
蒸気３の伝搬方向を示す。流束２は方向３に実質的に平
行な対称面２を有するように配置されている。

海水の熱エネルギを利用する発電所用の凝縮器に本発明
を利用した実施例を以下に示す。以下の値はこの凝縮器
の代表に関して実施した実験室試験の動作パラメータで
ある。これらの値は単なる例として示されただけであり
これらの値の幾つかは凝縮器の外部回路の特性値、特に
水の流量、抽出用真空ポンプの圧力／流量特性、上流の
蒸気回路の圧力／流量特性等に従って変更し得る。

−水の流入温度＝４℃ 一水の流出温度＝１０°Ｃ −抽出圧力：　ｌＯｍｂａｒ −蒸気流入圧力：１２ｍｂａｒ（従って気体の圧力低下
＝２ｍｂａｒ） 一水の損失水頭：２．４０ｍ −抽出温度差・１°Ｃ −接近温度差二〇℃ 上記の結果、本発明によれば水及び気体の双方の圧力低
下を適度にして抽出温度差を低減し同時に接近温度差を
零にすることが可能であることが判明した。

勿論本発明は記載の具体例に限定されない。本発明の範
囲内で、種々の温度及び圧力条件下で凝縮器を作動させ
ること、水及び水蒸気以外の流体を使用すること、及び
、プレートの孔の口径、ジェットの長さ、各プレート上
の分散水位、隣合う２つのプレート間の間隔等を最適作
動条件が得られるように変更することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の凝縮器の鉛直断面図、第２図は中間プ
レートのレベルでの本発明凝縮器の水平断面図、第３図
は上端プレートのレベルでの本発明凝縮器の水平断面図
、第４図は本発明凝縮器の上端カスケードの鉛直断面図
、第５図は第１図と同様の流束を所定数含む装置の概略
平面図である。 ９・・・・・・上端部分、１０・・・・・・チャンバ、
１１・・目・・プレート、１２．Ｈ・・・・・・部分、
１４・・・・・・ガス導入管、１５・・・・・・冷却液
導入管、１６．２８・・・・・・非凝縮ガス抽出手段、
１８・・・・・・排出手段、２２，２６．２７・・・・
・・孔、３ｏ・・・・・・カスケード、ＳＡ、ＳＢ・・
・・・・隔壁、ＰＡ、ＰＢ・・・・・・限定壁、ＺＴ・
・・・・・ゾーン。 ＦＩＧ、　２　　　　　　　　ＦＩＧ、３ＦＩＧ、５

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）チャンバと、少なくとも１つのガス導入管と、少
   なくとも１列の水平プレート群と、少なくとも１つの冷
   却液導入管と、少なくとも１つの加熱液排出管と、非凝
   縮ガスの抽出手段とを含んでおり冷却液との直接接触に
   よって蒸気を凝縮するための混合凝縮器であり、前記ガ
   ス導入管は、蒸気と非凝縮ガスとを含有する気体状混合
   物を受容すべく前記チャンバの下部に備えられており、
   前記１列のプレート群は、前記チャンバに内蔵され各々
   が共通の長手方向長さを持ち共通の水平横方向幅を持つ
   水平方向の細長い形状を有しており、各プレートは多数
   孔を設けた底部を有しており、これらプレート群は、鉛
   直方向で上下に順次配列され第１プレートから最終プレ
   ートまでの隣合うプレート間の上下間隔は前記列全体の
   高さにわたって実質的に一定であり、前記冷却液導入管
   は前記第１プレートに供給しており、該プレート底部の
   孔が該孔と同数の鉛直ジェットを流出させ、このジェッ
   トの集合が該プレートの全長に伸びて該プレートと協働
   する第１カスケードを構成しており、該第１カスケード
   が第２プレートに供給され、該第２プレートは同様に第
   ２プレートと協働する第２カスケードを構成し、該第２
   カスケードが第３プレートに供給され、以後同様にして
   最終カスケードまで到達し、各カスケードはカスケード
   の液体との接触により蒸気を凝縮すべく同じ階のプレー
   トと協働しており、前記液体は前記接触及び凝縮液との
   混合の双方によって加熱され、前記加熱液排出管は前記
   最終カスケードの下部に備えられており、前記抽出手段
   は前記チャンバの上部に備えられており、前記蒸気導入
   管から導入された気体状混合物が前記横断方向に沿って
   前記カスケードを横断することなしには該抽出手段に到
   達できないように配置されているタイプの凝縮器に於い
   て、前記凝縮器が、前記プレート群と協働カスケードと
   を鉛直方向で上下に連続する複数の部分に分割する隔壁
   を有しており、前記気体状混合物は同じ部分の複数のプ
   レートから出る複数のカスケードを同一横断方向で並列
   に横断するように構成されていること、及び、前記混合
   物が連続する前記部分を下から上に直列に通過すること
   、及び、連続する部分のプレートの個数が第１部分から
   最終部分に向かって漸増しこのため蒸気の凝縮によって
   気体状混合物の流量が減少したときの該気体状混合物の
   通過断面積が縮小し従って前記非凝縮ガスを駆動するた
   めに実質的に最適の掃引速度が維持されて有利な熱交換
   が行なわれること、しかも種々のカスケードの高さが実
   質的に、水の損失水頭に対して最適の熱交換を得るため
   に最適の等しい高さであることを特徴とする混合凝縮器
   。
2. （２）前記列が更に上端部分を有しており該上端部分は
   前記第１プレートの上方に位置する上端プレートの少な
   くとも一部のゾーンに孔を有しておりこれらゾーンは互
   いの間に間隔を残して前記上端プレートの全長に均等に
   分布しており、形成されるカスケードの高さは前記最適
   高さに実質的に等しい高さであり、前記冷却液導入管は
   、上端プレートの前記ゾーンに供給し各ゾーンに該ゾー
   ンと等しい面積の局部的上端カスケードを形成させてお
   り、前記第１プレートは該局部的上端カスケードから供
   給されており、前記隔壁は直下の部分を通過後の気体状
   混合物を局部的上端カスケードを通って前記抽出手段に
   直列に案内しており、凝縮器が更に、上端プレートの前
   記ゾーンと前記第１プレートとの間に鉛直に伸びる限定
   壁を有しており、該限定壁は、第１カスケードから出た
   気体状混合物が該局部的カスケードを通って前記抽出手
   段に案内されることを確保しており、これらはいずれも
   気体状混合物の大幅な長手方向移動を阻止して前記最適
   掃引速度を維持すべく気体状混合物の通過断面積を更に
   減少させるように構成されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の凝縮器。
3. （３）上端プレートの前記ゾーンの下方で前記限定壁の
   間に形成された前記局部的カスケードの各々が前記気体
   状混合物の通路幅を漸減させること、及び、このような
   通路幅の漸減は、該局部的カスケードを通って前記抽出
   手段に達する行程全体にわたって、該行程中に蒸気凝縮
   が生じるにも関わらず気体状混合物の最適掃引速度を実
   質的に維持するためであることを特徴とする特許請求の
   範囲第２項に記載の凝縮器。
4. （４）上端プレートの前記ゾーンの下方に形成された前
   記局部的カスケードの各々が台形を有しており、前記台
   形の長い底辺は前記長手方向に沿って伸びて前記気体状
   混合物の入口を構成しており、短い底辺は抽出手段に向
   かう出口を構成しており、２つの脚は前記限定壁の幾つ
   かによって閉鎖されており、残りの限定壁が連続する局
   部的カスケード間の長手方向間隔を閉鎖することを特徴
   とする特許請求の範囲第３項に記載の凝縮器。
5. （５）前記長手方向が前記チャンバの範囲全体で不変で
   あり、前記プレートが矩形であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の凝縮器。
6. （６）凝縮器が、前記チャンバ内に２列のプレート群と
   カスケード群とを含んでおりこれらは隔壁と共に長手方
   向鉛直対称面に関して互いに対称に配置されており、こ
   れにより、等しい連続部分が形成されて各部分内で前記
   ２列間に気体状混合物用内部通路が形成されており、ま
   た前記チャンバ内で２列の両側に前記混合物用外部通路
   が形成されており、前記ガス導入管は前記気体状混合物
   を最下位の部分の外部通路に導入し、前記隔壁は該最下
   位部分の上部で外部通路を閉鎖して該混合物を該部分の
   前記カスケードを通って前記内部通路に案内し真上の部
   分の内部通路に導入させ、残りの前記隔壁は該真上の部
   分の上部で内部通路を閉鎖して該混合物を該部分の外部
   通路に通してその上の部分の外部通路に導入させること
   を特徴とする特許請求の範囲第５項に記載の凝縮器。
7. （７）前記２つの隔壁が前記列全体の高さにわたって、
   連続する前記部分の上部で前記外部通路と前記内部通路
   とを交互に閉鎖しており、前記抽出手段が前記内部通路
   内で前記非凝縮ガスを吸引し得るように前記部分の個数
   が奇数であることを特徴とする特許請求の範囲第６項に
   記載の凝縮器。