JPS6118490A - 冷媒蒸気圧縮式塩水蒸留方法および装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、塩水を淡水化する方法のうち、塩水から蒸発
した水蒸気を手締して温度上昇させ、これを塩水の蒸発
熱に使用して、該昇温蒸気を凝縮させる蒸発圧縮法にお
いて、冷媒によるヒートポンプを利用した蒸気圧縮式塩
水蒸溜方法および装置に関する。

（従来技術） 塩水の淡水化においては、伝熱管にスケールが付着しな
いようにするため、出来るだけ低温で蒸発させることが
好ましい。よって革気圧縮法の場合でも大気圧式の高温
のものから真空式の低温のものが採用されているが、し
かしながら水蒸気の比体積は１００℃で１．６７ｒｒｆ
／ｋｇであるのに比べ、４０℃では１９．５ｎ？／ｋｇ
となるように低温になればなる程、水蒸気の比体積が大
きくなるので、使用する圧縮機が大型になり、実用的で
ない欠点がある。

一方、水蒸気と冷媒蒸気を熱交換し、冷媒を圧縮するよ
うにすると小さな圧縮機で間に合うが、水の蒸発潜熱は
約５５０　Ｋｃａｌ／　ｋｇ、冷媒の潜熱はＲ−１１３
では約３５ＫＣａｌ／ｋｇであって、水蒸気の場合に比
べて１０倍以上の冷媒を圧縮機で循環させねばならない
が、体積は１．３ｒｒｉにすぎず、前記１９．５ｎ？に
比べ１／１５に減ることになる。

ヒートポンプ回路を利用し、冷媒蒸気を圧縮する塩水淡
水化蒸発装置の先行技術は、特公昭５６−６３４８号公
報、実公昭５７−８９５５号公報に示されているが、前
者では冷媒凝縮器に冷媒用コイルを使用し、所望の高さ
に塩水レベルを維持するように構成されているので、こ
の液深が沸点上昇として現れ、塩水は蒸発しにくい。故
に冷媒温度は高くせねばならず、即ち冷媒圧縮機の圧縮
率を大きくする必要があるため、例えばピストン式高圧
圧縮機を使用しなければならない。この圧縮機は圧縮量
を多くすることがむずかしく、しかも効率が悪いという
問題がある。

後者の実公昭５７−８９５５号内報の先行技術では、ス
ケール析出防止手段として高圧高温の液化冷媒によって
海水を直接加熱せず、一旦水などを加熱し、次いでこの
加熱された水と海水とを熱交換し、即ち２段階の熱交換
を行ってするので、これも当然、冷媒の蒸発と凝縮の温
度差は大きくなり、圧縮率の大きな圧縮機が必要である
。蒸発と凝縮の温度差が大きいと圧縮機の成績係数が悪
くなり、蒸留装置としての熱効率が低下する問題がある
。

（発明が解決しようとする問題点） そこで本発明はＲ−１１３のごとき蒸気圧が低く、しか
も比重が大きい冷媒をヒートポンプ回路に循環させて、
スケール付着防止を図るとともに圧縮機をより小型化し
、また夛気圧が低いと液が深くなるほど蒸発しにくくな
□るので、冷媒の液深を浅く保って蒸発させ、更に温度
差を小ざくするために、塩水の蒸発は薄膜蒸発として塩
水の深さによる蒸発のしにくさく低温はど水蒸気圧が小
さいのでこの影響が大きい）をなくし、圧縮機の成績係
数を高めて熱効率の向上を図ることにより、前記従来の
不具合を解消することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） このため本発明は、冷媒が循環するヒートポンプ回路の
冷媒凝縮熱および冷媒蒸発熱を、それぞれ塩水の蒸発お
よび発生蒸気の凝縮に利用し、冷媒の蒸発は液深を浅く
保って行い、塩水の蒸発は薄膜蒸発としたことを特徴と
する冷媒蒸気圧縮式塩水蒸溜方法と、水平伝熱管束を有
する冷媒蒸発器、冷媒圧縮機、冷媒凝縮器および膨張弁
が管路で連絡して冷媒が循環するヒートポンプ回路を形
成し、冷媒蒸発器は冷媒の液深を浅く保つ手段を有し、
冷媒凝縮器は塩水の薄膜蒸発手段を備え、冷媒蒸発器の
凝縮側と前記冷媒凝縮器蒸発側とは水蒸気通路で連絡し
た冷媒蒸気圧縮式塩水蒸溜装置の構成とし、冷媒の液深
を浅く保つ手段は、冷媒蒸発器の水平伝熱管束を分割し
て上下に配置し、該分割した管束の入口側と出口側に堰
を設けて冷媒液面を所要レベルに保持し、また塩水の薄
膜蒸発手段は、冷媒凝縮器の複数水平伝熱管束を冷媒蒸
気が直列に流れる配列として、該水平伝熱管束上方に塩
水散布装置を臨ませ、冷媒凝縮器の最終管束から不凝縮
性ガスを冷媒蒸発器管束に導く空気抜管を設け、なお冷
媒はＲ−１１３低圧冷媒を用い、冷媒圧縮機は遠心ブロ
ア式圧縮機を使用することを特徴とする冷媒蒸気圧縮式
塩水蒸溜装置を提供するものである。

（作用） すなわち本発明は、前記のように構成したことにより、
ヒートポンプ回路では冷媒が循環し、遠心ブロア式圧縮
機で圧縮され温度上昇した冷媒は冷媒凝縮器の管内凝縮
側に導かれ、管外面蒸発側に散布される塩水と熱交換し
て凝縮し、次に膨張弁を経て減圧されて低温となり、冷
媒蒸発器の管内藤発側に導かれ、前記冷媒凝縮器で薄膜
蒸発し冷媒蒸発器の管外面凝縮側に導入された水蒸気と
熱交換して水蒸気を凝縮させる一方、該冷媒は蒸発し、
該発生冷媒蒸気は遠心ブロア式圧縮機に再び吸入される
。

このヒートポンプ回路において、冷媒凝縮器では水平の
伝熱管外面に、上方の散布装置より塩水が散布されて薄
膜蒸発が起り、発生水蒸気は冷媒蒸発器の管外面凝縮側
で凝縮し、受皿に溜り取出される。

冷媒凝縮器の管束は冷媒蒸気が直列に多折流するように
し、本実施例では第１折流の管内で凝縮生成した冷媒液
を冷媒ガス流速によって吹き飛ばず作用を行わせ、液膜
を薄くして伝熱性能の向上を図っている。なお薄膜蒸発
のみを考えれば垂直伝熱管束を採用することもできる。

またヒートポンプ回路に低圧冷媒を使用すれば大気圧以
下で作動するため、配管継手その他などから空気が洩れ
込む虞れがあるが、冷媒蒸気圧が低いと空気が混−合し
た場合に、その空気分圧が大きく伝熱性能を悪くする影
響が大となる。よって該冷媒凝縮器は管内流速が大にな
るような構造とし凝縮面での空気の滞留、を減じその影
響を小さくしている。

冷媒凝縮管束の最終折流では空気など不凝縮性ガスが蓄
積されるので空気抜管を設けて空気などを冷媒蒸発器の
管内に放出し、凝縮伝熱係数が高（なる状態として冷媒
の凝縮を一層促進させる。

このようにしてヒートポンプ回路内の空気含有量が多く
なったときは、別途真空ポンプで吸引し、冷媒の入替え
を行う。

冷媒蒸発器には冷媒の液深を浅くする手段を設けて冷媒
の蒸発を活発化する。すなわち、入口側と出口側のヘッ
ダー間に水平伝熱管束を設けた通常の熱交換器の構造で
は、液深が大となって蒸発は起りにくくなる。本発明で
は管束は上下に分割して複数段に形成し、伝熱管内面で
冷媒を蒸発させるには満液式にしなければならないので
各管束の出入口に堰を設けて、各分割した容管に冷媒液
が充満している状態にしているが、多数の管束に分割し
ているので液深が大となる虞れがない。

例えば低圧冷媒Ｒ７，１１３は液深が大と、ケれば蒸発
は起きず、３０℃の飽和圧力の容器内で液深が２７０鶴
あれば３５℃以上の温度差がないとそとなり、液深２７
０＋ｎの影響仲はぼ４０％にもなる。

（実施例） 以下本発明の一実施例を添付の図面を参照して説明する
。

ヒートポンプ回路１はＲ−１１３のごとき低圧冷媒が循
環し、圧縮機２、管路３、冷媒凝縮器４、管路５、膨張
弁６、冷媒蒸発器７、管路８より構成されていて、この
冷媒凝縮器４と冷媒蒸発器７は同一容器９内に収容され
ている。

冷媒凝縮器４は原料塩水の薄膜蒸発手段として水平伝熱
管束を例えば２折流に形成し、最上段管束１０上方に海
水散布装置１１が配置され、最下段管束１２の出口側ヘ
ッダー１３には前記管路５のほか、空気抜管１４が開口
している。

冷媒蒸発器７は冷媒の液深を浅く保つ手段として、例え
ば１６ｍφの管を使用し複数の管束に分割された水平管
束が出入口側ヘッダー１５と折返し側ヘッダー１６間に
配列され、管内の低圧冷媒が浅い液深を保って蒸発しゃ
すいように、各管束ごとに入口側および出口側にそれぞ
れ堰１７．１８を設けて管内に冷媒液を充満させること
によって、液深をほぼ各管束の高さとし、かくして液深
は浅く蒸発が容易となる。前述の入口側の堰は、最上段
の堰を除いて、上方の堰からの冷媒の溢流を受入れる手
段を有する。この溢流を受入れる手段は、例えば下方管
束の堰１７′はど側方に拡がって設けられており、上方
から溢流した冷媒を受入れ、外管はすべて冷媒液で充満
する。なおこの溢流を受入れる手段は他の形態であって
もよい。

最上段管束１９はスーパーヒータ一部であり、もし冷媒
ガス中にミストが混入すれば圧縮機２は破損する恐れが
あるので、ミストを完全にガス化させたあとの冷媒蒸気
のみ圧縮機２に吸引させる。

２０は凝縮水受皿、２１は冷媒蒸発器入口側ヘソグーに
連絡する空気抜管１４に設けた減圧弁、２２は濃縮ブラ
インによる供給海水の予熱器、２３は真空装置である。

上記のように構成した冷媒蒸気圧縮式塩水蒸溜装置にお
いて、海水はストレーナ２４を通過してごみ、浮遊物等
が除去され、予熱器２２を経たのち減圧下の容器９にお
いて、散布装置１１がら冷媒凝縮器４の最上段管束１ｏ
に散布され、管内の高温冷媒ガスと熱交換して蒸発し、
発生水蒸気は通路２５を経て冷媒蒸発器７に入り、管内
の冷たい冷媒と熱交換して凝縮し、凝縮水は受皿２ｏに
溜まり、ポンプ２６によって管２７を経て外部に取出さ
れる。濃縮海水はブラインポンプ２８、予熱器２２を通
り、原料海水と熱交換したのち、管２９から放出される
。冷媒はヒートポンプ回路を循環する。

（発明の効果） 本発明においては、冷媒が循環するヒートポンプ回路の
冷媒凝縮器および冷媒蒸発器を塩水の蒸発および発生水
蒸気の凝縮に利用し、冷媒の蒸発は液深を浅く保って行
い、塩水の蒸発は薄膜蒸発としたから、蒸発と凝縮の温
度差が小さくなり、圧縮機の成績係数がよくなる。また
Ｒ−１１３のごとき低圧高密度冷媒を使用すると遠心プ
ロア式圧縮機が利用でき、高い効率が得られる。

また冷媒凝縮用伝熱管束は複数の管束を直列に連絡し、
かつ多折流としたから管内冷媒は高速流となって凝縮冷
媒は吹き飛ばされて伝熱の障害となる液膜厚さは減少し
、熱伝達は良好に維持できる。

更に冷媒凝縮器の最終管束と冷媒蒸発器の冷媒側を連絡
する空気抜管は、冷媒が大気圧以下で蒸発、凝縮を繰返
し、フランジの継手等より空気が漏洩しても、この空気
は冷媒蒸発器側に吸引されるから、この空気は凝縮管内
に滞留せず、伝熱を阻害する要因は排除され、前記凝縮
管束の多折流の構成と相撲って伝熱は一層良好となり、
低温でも十分海水の蒸発を遂行できる。

また冷媒蒸発器は複数の管束を上下に配置し、該管束の
入口、出口に堰を設けたから、導入される冷媒液は外管
に充満して液深は堰の高さに低く抑えられ、液深による
沸点上昇は実質的に無視できる程度となり、蒸発と凝縮
の僅かな温度差でも冷媒の蒸発は旺盛に保ち得る。

以上のとおり蒸留による塩水淡水化に冷媒が循環するヒ
ートポンプ回路を利用した本発明においては、冷媒の特
性を活用して小型で効率の高い圧縮機が利用できるよう
になり、また蒸発、凝縮の温度差が小さくなって圧縮機
の成績係数が高（得られるようになるなど総合的に熱効
率の高い塩水蒸留方法及び装置となる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例における断面説明図である。 １・・・ヒートポンプ回路、２・・・圧縮機、４・・・
冷媒凝縮器、　　　　６・・・膨張弁、７・・・冷媒蒸
発器、　　　９・・・容器、１０・・・最上段管束、　
　　１１・・・海水散布装置、１２・・・最下段管束、
　　　１４・・・空気抜管、１７．１７’　、１８・・
・堰、　　２０・・・凝縮水受皿、２１・・・減圧弁、
　　　　　２２・・・予熱器、２３・・・真空装置、　
　　　２４・・・ストレーナ。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）冷媒が循環するヒートポンプ回路の冷媒凝縮熱お
   よび冷媒蒸発熱をそれぞれ塩水の蒸発および発生蒸気の
   凝縮に利用し、冷媒の蒸発は液深を浅く保って行い、塩
   水の蒸発は薄膜蒸発としたことを特徴とする冷媒蒸気圧
   縮式塩水蒸溜方法。
2. （２）水平伝熱管束を有する冷媒蒸発器、冷媒圧縮機、
   冷媒凝縮器および膨張弁が管路で連絡して冷媒が循環す
   るヒートポンプ回路を形成し、冷媒蒸発器は冷媒の液深
   を浅く保つ手段を有し、冷媒凝縮器は塩水の薄膜蒸発手
   段を備え、冷媒蒸発器の凝縮側と前記冷媒凝縮器蒸発側
   とは水蒸気通路で連絡したことを特徴とする冷媒蒸気圧
   縮式塩水蒸溜装置。
3. （３）冷媒の液深を浅く保つ手段は、冷媒蒸発器に水平
   伝熱管束を分割して上下に配置し、該分割した管束の入
   口と出口側に堰を設けた手段である特許請求の範囲第２
   項記載の冷媒蒸気圧縮式塩水蒸溜装置。
4. （４）冷媒凝縮器の水平伝熱管束の入口に設けた堰は、
   最上段の堰を除いて上方の堰の溢流を受入れる手段を有
   する特許請求の範囲第３項記載の冷媒蒸気圧縮式塩水蒸
   溜装置。
5. （５）塩水の薄膜蒸発は、冷媒凝縮器管束に塩水を散布
   させて行う特許請求の範囲第１項記載の冷媒蒸気圧縮式
   塩水蒸溜方法。
6. （６）塩水の薄膜蒸発手段は冷媒凝縮器に水平伝熱管束
   を用い、該水平伝熱管束上方に塩水散布装置を臨ませた
   特許請求の範囲第２項記載の冷媒蒸気圧縮式塩水蒸溜装
   置。
7. （７）塩水の薄膜蒸発手段は冷媒凝縮器に垂直伝熱管束
   を用いて薄膜蒸発させた特許請求の範囲第２項記載の冷
   媒蒸気圧縮式塩水蒸溜装置。
8. （８）冷媒凝縮器は複数の水平伝熱管束を直列多折流配
   列とした特許請求の範囲第２項第６項記載の冷媒蒸気圧
   縮式塩水蒸溜装置。
9. （９）冷媒凝縮器の最終管束に通じる空気抜管を冷媒蒸
   発器管束に連絡した特許請求の範囲第２項記載の冷媒蒸
   気圧縮式塩水蒸溜装置。
10. （１０）冷媒圧縮機は遠心ブロア式圧縮機である特許請
    求の範囲第２項記載の冷媒蒸気圧縮式塩水蒸溜装置。
11. （１１）冷媒はＲ−１１３低圧冷媒である特許請求の範
    囲第１項、第２項記載の冷媒蒸気圧縮式塩水蒸溜方法お
    よび装置。