JP2008188514A - 減圧式蒸発装置における蒸気の圧縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水等の蒸発性液体を間接加熱し減圧状態で沸騰蒸発することによって発生した蒸気を，圧縮し，この圧縮した蒸気を前記液体を間接加熱するための熱源とするように構成して成る蒸発装置において，蒸気の圧縮比を高くする。
【解決手段】前記蒸気の圧縮を，前段の遠心式圧縮機１２による圧縮と，これに続く，後段の容積式圧縮機１３による圧縮とで行うように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は，例えば，水等の蒸発性液体を間接加熱により減圧状態で沸騰蒸発することで前記液体を濃縮するようにした蒸発濃縮装置，或いは，海水又は廃水等の蒸発性液体を間接加熱により減圧状態で沸騰蒸発しその蒸気の一部を凝縮することで淡水を製造するようにした蒸発淡水化装置等のような減圧式の蒸発装置において，水等の蒸発性液体を減圧の状態で沸騰蒸発することによって発生した蒸気を，前記液体を沸騰蒸発するための熱源とするように圧縮する装置に関するものである。

一般に，前記に列挙した各種の蒸発装置において，水等の蒸発性液体を間接加熱したのち大気圧以下の減圧状態で沸騰蒸発し，この沸騰蒸発で発生した蒸気を圧縮して，前記液体を間接加熱するための熱源とする場合において，前記減圧状態での沸騰蒸発にて発生した蒸気の圧縮には，例えば，先行技術としての特許文献１等に記載されているように，羽根車を高速回転しその羽根の間を半径方向に流動する遠心力を利用するという所謂遠心式（ブロワー）圧縮機を使用している。

すなわち，大気圧より低い減圧での沸騰蒸発にて発生した飽和状態の蒸気における比容積は，減圧度が高くなるにつれて急激に大きくなることにより，前記減圧での沸騰蒸発にて発生した蒸気は，大きい比容積の状態で吸引して圧縮するようにしなければならないから，前記蒸気の圧縮には，多量の気体を取り扱うことに適している遠心式圧縮機を使用している。

また，別の先行技術としての特許文献２は，減圧状態での沸騰蒸発にて発生した比容積の大きい蒸気を，前段の遠心式圧縮機において圧縮し，次いで，その後段に配設した蒸気エゼクターにて圧縮することを提案している。
実公平２−３９５２１号公報 特開平１０−５７７０２号公報

しかし，前記遠心式圧縮機は，多量の気体を圧縮することには適していても，この遠心式圧縮機による圧縮では，温度差において精々約５℃位までしか圧縮することができないというように，その圧縮比を高くすることができず，ひいては，蒸発性液体を沸騰蒸発するように間接加熱する場合における温度差を高くすることができないから，前記した各種の蒸発装置においては，蒸発量の増大，ひいては，処理能力の増大を図るには，前記間接加熱に際しての伝熱面積を増大しなければならず，装置全体の大型化を招来するのであり，しかも，前記蒸発性液体における沸点上昇が高い場合の蒸発に適用できないという問題がある。

一方，前記特許文献２のように構成した場合には，圧縮比を，後段に蒸気エゼクターを使用する分だけ高くすることができるものの，この技術を適用できるのは，前記蒸気エゼクターを駆動するための高い圧力の蒸気が存在する箇所に限定され，高い圧力の蒸気が存在しない箇所には適用できないばかりか，圧縮比を高めることの程度が低く，しかも，高い圧力の蒸気を多量に必要とするから，熱効率が低くて，運転経費が嵩むという問題がある。

そして，前記したように減圧状態での沸騰蒸発による蒸気の圧縮に，従来周知のルーツ型又は可動翼型等のような回転型圧縮機（ケーシング内に設けた特殊形状の回転体を高速回転するもの）にて代表される容積式圧縮機を使用することも考えられる。

しかし，この容積式圧縮機は，容積を縮小することを繰り返すことによって気体の圧縮を行うものであることにより，圧縮比を，前記遠心式圧縮機を使用する場合，及び前記遠心式圧縮機と蒸気エゼクターとを使用する場合よりも遥かに高く（温度差で約１５℃程度）することができるものの，多量の気体を圧縮することには適していないから，この容積式圧縮機を前記した各種の減圧式の蒸発装置に適用して所定の処理能力を確保するためには，当該容積式圧縮機として，大容量を取り扱うことのできる，従って大型で高価なものを使用しなければならないという問題があった。

本発明は，これらの問題を解消した蒸気圧縮装置を適用することを技術的課題とするものである。

この技術的課題を達成するため本発明の請求項１は，
「水等の蒸発性液体を間接加熱し減圧状態で沸騰蒸発することによって発生した蒸気を，圧縮し，この圧縮した蒸気を前記液体を間接加熱するための熱源とするように構成して成る蒸発装置において，
前記蒸気の圧縮を，前段の遠心式圧縮機による圧縮と，これに続く，後段の容積式圧縮機による圧縮とで行うように構成した。」
ことを特徴としている。

本発明の請求項２は，
「前記請求項１の記載において，前記前段の遠心式圧縮機と後段の容積式圧縮機との間に，前記遠心式圧縮機にて圧縮した蒸気を飽和蒸気の状態にするか飽和蒸気の状態に近づけるように冷却する蒸気冷却手段を備えている。」
ことを特徴としている。

本発明の請求項３は，
「前記請求項１又は２の記載において，前記容積式圧縮機が，ケーシング内で回転体を回転する回転型圧縮機である。」
ことを特徴としている。

本発明は，減圧状態での沸騰蒸発にて発生した比体積の大きい蒸気を，先ず，前段の遠心式圧縮機にて圧縮することで，圧力を高めるとともに比容積を小さくし，次いで，この比容積を小さくしたものを，更に，後段における容積式圧縮機にて，高い圧力にまで圧縮するものである。

これにより，液体を減圧状態で沸騰蒸発するように間接加熱するときにおける温度差を大きくするように圧縮することができるとともに，比容積の大きい状態での沸騰蒸発で発生する蒸気を多量に圧縮することができるから，各種の蒸発装置における処理能力を，前記間接加熱の伝熱面積の増大，ひいては，当該蒸発装置における大型化を招来することなく，前記蒸気の圧縮を遠心式圧縮機のみで行う場合よりも，大幅に向上できるとともに，前記蒸発性液体の沸点上昇が高い場合であっても確実に適用することができる。

しかも，前記容積式圧縮機としては，その前段において前記遠心式圧縮機による圧縮を行って比体積を小さくする分だけ，小容量化を図ることができ，ひいては，小型で低価格の容積式圧縮機を使用することができる。

ところで，液体の減圧状態での沸騰蒸発にて発生した蒸気は，略飽和蒸気の状態であるから，この蒸気を前段の遠心式圧縮機にて圧縮することにより，過熱蒸気の状態になるから，後段の容積式圧縮機においては，スケールの付着が発生することになるし，しかも，この後段の容積式圧縮機にて圧縮された過熱蒸気は，より高い過熱蒸気になるから，その後において蒸発性液体を間接加熱する場合の熱伝達係数の低下を招来する。

そこで，請求項２に記載したように，前段の遠心式圧縮機にて圧縮した蒸気を，後段の容積式圧縮機にて圧縮前において，蒸気冷却手段にて，飽和蒸気の状態にするか，飽和蒸気の状態に近づけるように冷却するという構成にする。

これにより，前段の遠心式圧縮機にて圧縮した蒸気における過熱度，及び後段の容積式圧縮機にて圧縮した蒸気における過熱度を下げることができるから，前記後段の容積式圧縮機にスケールが発生することを確実に低減できるとともに，その後において蒸発性液体を間接加熱する場合に熱伝達係数が低下することを確実に回避できる。

なお，この蒸気冷却手段としては，蒸気に対して水を直接に噴霧するという手段，及び，蒸気を水又は空気との間接熱交換にて冷却するという手段等が存在するが，前者の手段では，水の噴霧により蒸気の体積が増大し，後段の容積式圧縮機の大容量化を招来するから，前者の間接冷却による手段を佐用することが好ましい。

特に，前記後段の容積式圧縮機として，ルーツ型，可動翼型又はねじ型等の回転型圧縮機を使用することにより，当該容積式圧縮機における更なる小型化と，熱効率の向上とを図ることができる利点がある。

以下，本発明の実施の形態を，図１の図面について説明する。

この図１において，符号１は，密閉型に構成して成る蒸発缶を示す。

この蒸発缶１内における中段には，多数本の伝熱管３を束ねて成る間接加熱手段２が，その各伝熱管３を水平横向きとするように設けられ，この間接加熱手段２には，その各伝熱管３における一端に対する入口ヘッダー４と，その各伝熱管３における他端に対する出口ヘッダー５とを備えている。

また，前記蒸発缶１内は，前記出口ヘッダー５に接続した真空ポンプ６等の真空発生にて大気圧より低い減圧の状態に保持されている。

前記蒸発缶１内の底部に溜まる水又は海水等の蒸発性液体を，循環ポンプ７にて汲み出し，これに管路８より新たに送られて来る水又は海水等の蒸発性液体を加えて，前記蒸発缶１内の上部に設けたノズル９に供給し，このノズル９から前記間接加熱手段２における各伝熱管３の外側面に対して散布したのち，前記蒸発缶１内の底部に戻るという循環を行うように構成されており，前記蒸発缶１内の底部に溜まる蒸発性液体の一部は，管路１０より濃縮済みの液体として取り出すように構成している。

次に，前記図１において，符号１１は，前記蒸発缶１内における蒸気を前記間接加熱手段２における入口ヘッダー４に導くための蒸気ダクトを示す。

この蒸気ダクト１１の途中には，遠心式圧縮機１２とルーツ型圧縮機１３とを直列に設けて，前記蒸発缶１内で発生した蒸気を，先ず前段の遠心式圧縮機１２にて圧縮し，次いで，後段のルーツ型圧縮機１３にて更に圧縮したのち，前記間接加熱手段２における入口ヘッダー４を介して各伝熱管３内に供給するように構成している。

また，前記蒸気ダクト１１のうち前記遠心式圧縮機１２とルーツ型圧縮機１３との間の部位には，前記遠心式圧縮機１２にて圧縮された蒸気に対する蒸気冷却手段１４を設けている。

この蒸気冷却手段１４は，前記遠心式圧縮機１２にて圧縮された蒸気を，過熱蒸気の状態から，飽和蒸気の状態になるように冷却するか，或いは，飽和蒸気の状態に近づけるように冷却するものであり，その冷却は，前記蒸気に対して水を直接に噴霧することによって行うか，或いは，前記蒸気を，大気空気又は冷却水による間接的熱交換にて行うように構成している。

この構成において，前記蒸発缶１内の底に溜まる蒸発性液体は，循環ポンプ７にて汲み出されたのち，前記蒸発缶１内の上部におけるノズル９から間接加熱手段２における各伝熱管３の外側面に対して散布されることにより，この各伝熱管３の内部に供給される蒸気にて間接加熱されて沸騰蒸発する。

この沸騰蒸発にて発生した蒸気は，蒸気ダクト１１を介して先ず前段の遠心式圧縮機１２において圧縮される。

この遠心式圧縮機１２において圧縮された蒸気は，蒸気冷却手段１４に至り，ここで，加熱蒸気の状態から飽和蒸気の状態に，又は飽和蒸気の状態に近づくように冷却され，次いで，後段のルーツ型圧縮機１３において更に圧縮されたのち，前記間接加熱手段２における各伝熱管３の内部に供給されて，この各伝熱管３の外側面における蒸発性液体の間接加熱に供される。

前記間接加熱手段２における各伝熱管３の内部において凝縮した凝縮水は，出口ヘッダー５に集められ，蒸留水又は淡水として，前記出口ヘッダー５より管路１５を介して取り出される。

前記した構成で，前段の遠心式圧縮機１２においては，例えば，蒸気を温度差で約５℃程度に高めるように圧縮でき，後段のルーツ型圧縮機１３においては，例えば，蒸気を温度差で約１５℃程度に高めるように圧縮できることにより，全体として，前記間接加熱手段２における間接加熱の温度差を約２０℃にまで高くすることができるから，この間接加熱に際しての温度差を高くすることができる分だけ，前記間接加熱手段２における伝熱面積を少なく，ひいては，装置の小型化を図ることができるとともに，前記蒸発性液体の沸点上昇が高い場合においても適用することができる。

また，前記蒸気冷却手段１４が，蒸気に対して水を直接に噴霧する形式である場合には，蒸気に直接に噴霧する水として，前記出口ヘッダー５から取り出される凝縮水の一部を使用することができる。

前記した実施の形態は，前記間接加熱手段２を，前記蒸発缶１に内蔵する構成にした場合であったが，本発明は，これに限らず，前記間接加熱手段を，前記蒸発缶の外側に位置して，この間接加熱手段に間接加熱した液体を前記蒸発缶内に導いて沸騰蒸発するように構成した場合にも適用できる。

また，前記した実施の形態は，後段の圧縮に，容積式圧縮機として回転式圧縮機の範疇に属するルーツ型圧縮機を使用した場合であったが，本発明はこれに限らず，容積式圧縮機として，同じく回転式圧縮機の範疇に属する可動翼型圧縮機又はねじ型圧縮機等を使用できるほか，往復動式の圧縮機を使用できることはいうまでもないが，ルーツ型圧縮機，可動翼型圧縮機又はねじ型圧縮機等を含む回転式圧縮機をすることにより，往復動式の圧縮機を使用した場合に比べて，更なる小型化と，熱効率の向上とを図ることができる。

本発明の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１ 蒸発缶
２ 間接加熱手段
３ 伝熱管
４ 入口ヘッダー
５ 出口ヘッダー
６ 真空ポンプ
７ 循環ポンプ
９ ノズル
１１ 蒸気ダクト
１２ 遠心式圧縮機
１３ ルーツ型圧縮機
１４ 蒸気冷却手段

Claims (3)

1. 水等の蒸発性液体を間接加熱し減圧状態で沸騰蒸発することによって発生した蒸気を，圧縮し，この圧縮した蒸気を前記液体を間接加熱するための熱源とするように構成して成る蒸発装置において，
   前記蒸気の圧縮を，前段の遠心式圧縮機による圧縮と，これに続く，後段の容積式圧縮機による圧縮とで行うように構成したことを特徴とする減圧式蒸発装置における蒸気の圧縮装置。
2. 前記請求項１の記載において，前記前段の遠心式圧縮機と後段の容積式圧縮機との間に，前記遠心式圧縮機にて圧縮した蒸気を飽和蒸気の状態にするか飽和蒸気の状態に近づけるように冷却する蒸気冷却手段を備えていることを特徴とする減圧式蒸発装置における蒸気の圧縮装置。
3. 前記請求項１又は２の記載において，前記容積式圧縮機が，ケーシング内で回転体を回転する回転型圧縮機であることを特徴とする減圧式蒸発装置における蒸気の圧縮装置。

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