JP2008212900A - 濃縮、冷却、脱気を行う装置およびこれを用いたコージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで設置面積の小さい冷却装置、およびこれを用いた冷水・純水製造装置、コージェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】本発明に係る冷却装置は、離隔され、それぞれ気密に保持された蒸発部13と凝縮部23からなる本体11と、蒸発部13に吸込口18が開口し、凝縮部23に吐出口19が開口する蒸気エゼクタ17と、この蒸気エゼクタ17の吸込口18に蒸気を噴射する蒸気供給手段51と、前記蒸発部13に液体を供給する供給手段53と、前記蒸発部13に生成された濃縮冷却液を使用に供する排出手段55と、凝縮部23内を減圧する減圧手段35と、蒸気エゼクタ17の吐出口19から噴射された蒸気と熱交換を行う熱交換手段である熱交換器31とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気エゼクタを本体内に内蔵する濃縮、冷却、脱気を行う装置およびこれを用いたコージェネレーションシステムに関する。

冷却能力が高く、また、冷却速度の速い冷却、冷凍装置の一つとして、蒸気エゼクタを利用して庫内を減圧し、庫内に噴霧された液滴の蒸発熱により庫内を冷却する冷却、冷凍装置が用いられている。

このような冷却、冷凍装置として、特許文献１に、真空冷却装置の冷却槽の排気ラインに、蒸気エゼクタの吸入端を接続し、この蒸気エゼクタの吐出側に熱交換器を介して容積型真空ポンプを接続した構成の真空冷却装置が提案されている。この真空冷却装置は、冷却槽内が低温でごく低い圧力となっても、冷却槽内は蒸気エゼクタによって真空吸引することができ、更に蒸気エゼクタによって圧縮され昇圧した混合流体のうち、蒸気を熱交換器によって凝縮させ、残った空気を前記容積型真空ポンプで吸引排気するため、冷却槽内の真空到達圧力は低下し、またこの真空到達圧力までの時間も大幅に短縮されることが開示されている。

そして、特許文献２に、そのような構造の冷却装置を利用して脱気された冷却水を得るとともに、その効率的な利用を図る高機能水生成システムが開示されている。すなわち、蒸気発生部からの蒸気供給ラインに設けられ、かつ適宜な被減圧部と接続された蒸気エゼクタと、この蒸気エゼクタを通過した蒸気を凝縮させる間接式凝縮部と、この間接式凝縮部内を減圧する減圧手段と、前記間接式凝縮部内から高機能水を排出する高機能水排出手段とを備えることを特徴とする高機能水生成システムが開示されている。

一方、特許文献３に、発電機駆動用のエンジンの廃熱を利用した廃熱蒸気ボイラにより蒸気を生成し、蒸気エゼクタを利用した冷却装置により生成される冷媒を用いて発電機駆動用のエンジンの冷却用水の冷却を行うとともに、蒸気エゼクタから排出される蒸気を利用に供するコージェネレーションシステムが開示されている。

また、特許文献４に、舶用ガスタービンの排ガスの熱を利用する廃熱ボイラにより蒸気を生成し、その生成された蒸気と蒸気エゼクタを利用したフラッシュ型純水製造装置により海水から純水を製造するとともに、その純水貯留槽内に蒸気エゼクタから排出される蒸気を噴出させて凝縮させ、得られた純水貯留槽内の純水を飲料水として利用し、また、加圧して廃熱ボイラで加熱し、舶用ガスタービンの使用に供する純水製造装置を備えた舶用ガスタービンシステムが開示されている。

特開平09-296975号公報 特開2006-346577号公報 特開2002-4943号公報 特開2003-312588号公報

このような冷却装置、純水製造装置あるいはコージェネレーションシステムに利用される蒸気エゼクタは、一般に数メータの長さを有する長尺物であり、蒸気エゼクタから排出される蒸気を凝縮させる熱交換器を設ける場合は、それらの装置全体の大きさ、設置面積は相当大きくなる。しかしながら、従来の冷却装置、純水製造装置あるいはコージェネレーションシステムにおいては、装置全体の大きさ、設置面積を如何に小さくし、コンパクトな装置にするかについて考慮されてこなかった。特に、コージェネレーションシステムの普及を進めるためには装置全体のコンパクト化が必要である。

また、特許文献１に開示された冷却装置は、蒸気エゼクタから排出される蒸気の凝縮機構を有するが、その蒸気の有するエネルギまたは蒸気自体を利用する機構はない。これに対し、特許文献２に提案された高機能水生成システムは、蒸気エゼクタから排出される蒸気を高機能水として利用する機構を有し、エネルギ効率は特許文献１に開示された冷却装置より高くなっているが、熱交換器部分がコンパクト性に欠けるという問題がある。

特許文献３に開示されたコージェネレーションシステムにおいては、蒸気エゼクタから排出された蒸気エネルギはほとんど利用されていなく、特許文献４に開示された舶用ガスタービンシステムにおいては、蒸気エゼクタから排出された蒸気エネルギはそのまま蒸気利用設備に供されるため、安定した特性の蒸気を供給できないという問題がある。

本発明は、かかる従来の問題点や要請に鑑み、コンパクトで設置面積の小さい濃縮、冷却、脱気を行う装置およびこれを用いたコージェネレーションシステムを提供することを目的とする。

本発明に係る冷却装置は、離隔され、それぞれ気密に保持された蒸発部と凝縮部からなる本体と、前記蒸発部に吸込口が開口し、前記凝縮部に吐出口が開口する蒸気エゼクタと、この蒸気エゼクタの吸込口に蒸気を噴射する蒸気供給手段と、前記蒸発部に液体を供給する供給手段と、前記蒸発部に生成された濃縮冷却液を使用に供する排出手段と、前記凝縮部内を減圧する減圧手段と、前記蒸気エゼクタの吐出口から噴射された蒸気と熱交換を行う熱交換手段とを有する。

上記発明において、本体は、蒸発部が前記凝縮部の上部に配設されているのがよく、熱交換手段は、前記蒸気エゼクタの周囲を多層に囲んでなるコイル状の熱交換器であるのがよい。また、上記発明において、凝縮部に生成された機能水の水質を検知する機器を設けるのがよく、蒸気エゼクタの周囲および／または本体の蒸発部と凝縮部の境界部分に断熱材を設けるのがよい。

このような装置を用いて、発電機と、この発電機を駆動するエンジンと、このエンジンの排ガスを利用する排ガスボイラまたは廃熱ボイラとを有するコージェネレーションシステムを構成することができる。上記コージェネレーションシステムにおいて、排ガスボイラまたは廃熱ボイラは、その生成する蒸気を貯留するスチームヘッダを有するのがよく、スチームヘッダの圧力が所定値以上になったとき、前記装置に蒸気を供給する手段を設けるのがよい。

本発明に係る装置は、蒸気エゼクタ部分が本体内に内蔵されているので、コンパクトで、真空漏れ等のおそれが少なくシール構造を簡単にすることができる。このような、装置を用いることにより、液体の濃縮、冷却、脱気を行うことができるコンパクトで効率的な装置やコージェネレーションシステムを構成することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を基に説明する。図１は、本発明に係る装置とこれを用いたコージェネレーションシステムのレイアウト図である。図２は、本発明に係る装置の本体部分の拡大断面図である。図１に示すように、本装置10は、後述するコージェネレーションシステムの排ガスボイラ5からスチームヘッダ7を経て蒸気供給手段51により蒸気の供給を受けて稼働される。なお、排ガスボイラ5は廃熱ボイラを使用してもよい。

本発明に係る装置10は、図１に示すように、縦型に配設された本体11に、離隔され、それぞれ気密に保持された蒸発部13と凝縮部23が一体に設けられ、上部に蒸発部13が、その下部に凝縮部23が設けられている。そして、図２に示すように、蒸発部13に吸込口18が開口し、凝縮部23に吐出口19が開口する蒸気エゼクタ17が本体11の中心部上方に設けられ、凝縮部23に延在する蒸気エゼクタ17の外周を取り囲むように熱交換手段である熱交換器31が設けられている。このように蒸気エゼクタ17を本体11に内蔵することによって、装置10をコンパクトに構成することができる。また、従来のような蒸気エゼクタ部分からの真空漏れの問題を解決することができる。

本体11の蒸発部13には、蒸気エゼクタ17の吸込口18に蒸気を噴出する蒸気供給手段51と、蒸発部13に液体を供給する供給手段53が設けられている。図２に示すように、液体は、供給手段53を構成するノズル15を経て蒸発部13内に噴出させるようになっている。また、蒸気供給手段51からノズル16を経て高速の蒸気流が蒸気エゼクタ17の吸込口18から流入させられるようになっている。なお、供給手段53によりノズル15から供給される液体は、水、清涼または果汁飲料、工場廃水等種々の液体を使用することができる。また、これらの液体は蒸発部13内に噴霧状態、あるいは噴流状態で供給することができる。

蒸発部13には、本装置により生成される濃縮冷却液を使用に供するための排出手段55が設けられている。この排出手段55により、蒸発部13に貯留された濃縮冷却液が冷房その他の利用に供される。例えば、供給手段53から供給される液体が水である場合は、冷房の利用に供され、清涼または果汁飲料等である場合は、それらの濃縮された液が利用に供される。また、供給手段53から供給される液体が工場廃水である場合は、これに含まれる水等の蒸発成分が除去され濃縮された廃液が回収され、工場廃水の冷却、減量につながる。

一方、本体11の下部に設けられた凝縮部23には、上述のように、蒸気エゼクタ17が延在し、その外周を取り囲むように熱交換手段である熱交換器31が設けられている。なお、熱交換器31は、さらに、公知の冷却塔33と熱交換を行っている。

熱交換器31は、螺旋状に旋回する水管が多層に設けられたコイル状をしており、蒸気エゼクタ17の吐出口19から噴出される蒸気のエネルギを効率的に吸収し、これを凝縮させることができる。また、本体11内にコンパクトに収納することができ、装置10のコンパクト化に資することができる。

また、凝縮部23には、凝縮部23内を減圧する減圧手段35が設けられている。この減圧手段35により凝縮部23を真空状態にすることができる。そして、本体11内は気密が確保されるとともに、凝縮部23と蒸発部13とは蒸気エゼクタ17により連通されているから、蒸発部13をも真空にすることができる。例えば、凝縮部23、蒸発部13をともに2.3kPaにすることができる。これにより、蒸気の凝縮が速やかに行われ、本装置10は円滑に連続稼働をすることができる。なお、上記の場合に、稼働中における蒸発部13、凝縮部23の圧力は、本装置の仕様、処理量等にもよるが、例えば蒸発部13が1.2kPa、凝縮部23が7.3kPaになる。また、上記減圧手段35は、水封式真空ポンプにより構成することができる。

以上、本装置10について説明したが、凝縮部23において凝縮されて生成された純水は、以下に説明する種々の特性を有する。この純水を利用するため、図１に示すように、本装置10に純水を利用に供するための排出手段56を設けるのがよい。これによって、コンパクトで効率的な濃縮冷却液および純水を利用に供することができるエネルギ効率の高い装置を構成することができる。この場合、凝縮部23は真空状態になっているので、純水63を利用するには、排出手段56を構成するポンプに対し、凝縮部23に貯留される純水63の水頭が有効吸い込みヘッド以上に保持されるようになっていなければならない。このため、図２に示すような、本体11を上方に設置する架台70を設けることができる。このような架台70を設けることは、本体11が縦型であるから容易である。

このようなことは、蒸発部13に貯留される濃縮冷却液61を利用するための排出手段55についても同様である。排出手段55の場合は、蒸発部13に貯留される濃縮冷却液61の量は凝縮部23に貯留される純水63の量より相当多いのであるが、本体11が縦型であり、蒸発部13は凝縮部23の上部に配設されているから排出手段55を構成するポンプに対し、蒸発部13に貯留される濃縮冷却液61の水頭を有効吸い込みヘッド以上に保持するのは容易である。

以下に、本装置10の作動を説明する。本体11内部が真空状態になったとき、ノズル15から液体を噴出させると、蒸発部13の内部は飽和液と飽和蒸気で満たされる。つぎに、蒸気供給手段51によりノズル16から蒸気エゼクタ17に蒸気流を流入させると、吸込口18から蒸発部13内の飽和蒸気および気体成分が吸引される。このとき、蒸発部13内はさらに真空度が増し、液体は蒸発して蒸発部13内から気化熱を奪い蒸発部13内の温度を低下させ、蒸発部13の底部に濃縮冷却液61（図１）が生成されてたまる。この生成された濃縮冷却液61を排出手段55により利用に供する。この濃縮冷却液61は、上述のように、そのまま利用することができ、また、冷房その他種々に利用することができる。

一方、蒸気エゼクタ17の吐出口19からは、蒸気と空気が凝縮部23に吐き出される。この吐き出された蒸気は、熱交換器31により吸熱されて凝縮し、凝縮部23の底部に純水63が生成されてたまる。この純水63は、排出手段56により排出されて利用に供すことができる。純水63は脱気されており、その純度は、20μS/cm未満にすることができ、5μS/cm未満にすることも可能である。

このような純水63を、コージェネレーションシステムの排ガスボイラ5の補給水として利用する場合は、濃縮水の排水量（ブロー量）を低減することができ、カルシウム、マグネシウム等の硬度分がないのでスケール付着を抑制することができる。また、排ガスボイラ5を構成する水管等の腐食因子である硫酸イオン、塩化物イオンがなく、脱気されているので、水管等の腐食の発生を抑制することができる。さらに、純水63は温水であるため、給水予熱のためのエネルギを抑えることができる。

また、このような純水63を、冷却塔33の補給水として利用する場合は、硬度分が含まれていないため、藻類、スライム、レジオネラ属菌の繁殖を抑制することができ、循環水の濃縮を低減でき、濃縮水の排水量（ブロー量）を低減することができる。また、硫酸イオン、塩化物イオンがないため、熱交換手段30の構成部品の腐食の発生を抑制することができる。この純水63は、上述のように、種々の特性を有し、機能水として利用することができる。このため、それぞれの目的に応じた利用を図るため、機能水としての水質を検知する機器、例えばイオン濃度測定装置、電気伝導度測定装置、水温測定装置、溶存酸素濃度測定装置等を設けるのがよい。また、それらの測定装置による測定結果を表示するモニタを設けることができる。

以上、本発明に係る装置について説明した。本装置は、上述のように、コンパクトな構成で、安定して濃縮冷却液、または、および純水（機能水）を製造することができる。しかしながら、本発明に係る装置は上記の実施例に限定されない。例えば、蒸発部13において蒸気エゼクタ17は高温度になり、濃縮冷却液61は低温度であるから、図２に示すように両者が直接接触しないような断熱材41を設けるのがよい。これにより、濃縮冷却液61の昇温を防ぐとともに蒸気エゼクタ17および凝縮部23の降温を防ぐことができる。また、同様に濃縮冷却液61の昇温および凝縮部23の降温を防止するため、蒸発部13と凝縮部23の境界部分に断熱材42を設けるのがよい。このような断熱材41、42を設けることにより、本発明に係る装置10のエネルギ効率をさらに向上させることができる。なお、断熱材41、42は、例えば発泡ウレタンを使用することができる。

このような装置を用いて以下に説明するコンパクトで効率的なコージェネレーションシステムを構成することができる。すなわち、図１に示すように、発電機3を内燃機式のエンジン1で稼働させ、エンジン1の排ガスを排ガスボイラ5で吸収して蒸気を生成させ、その蒸気を蒸気供給手段51により装置10に供給させるようにしたコージェネレーションシステムを構成することができる。

このコージェネレーションシステムにおいて、排ガスボイラ5で生成される蒸気を、通常時は設備給蒸手段9により蒸気利用設備8で利用するとともに、余剰の蒸気を生ずる場合にスチームヘッダ7に蒸気を貯え、必要に応じて蒸気供給手段51に蒸気を供給するようにすることができる。この場合、スチームヘッダの圧力が所定値以上になったときに、蒸気供給手段51に蒸気を供給することができるような手段を設けるのがよい。これによりコージェネレーションシステムのエネルギ効率を向上させることができる。

図１、２に示す装置10を用いて濃縮冷却液および純水の製造試験を行った。供給手段53により供給する液体は水（工場用水、水温20℃）を用いた。装置10の設置面積は、冷却塔33や付属機器を含めて2.6×3.8m²であった。本体11の全高は約4m、蒸気エゼクタ17の長さは約2mであった。蒸気供給手段51の供給蒸気量は206kg/h（蒸気圧0.44MPa）であった。装置10稼働中の蒸発部13の真空度は1.2kPaであり、凝縮部23の真空度は7.3kPaであった。

本装置10により、水温10℃の濃縮冷却液を5000kg/h製造することができ、水温40℃の純水を300kg/h製造することができた。純水の純度は5μS/cmであった。

本発明に係る装置を用いたコージェネレーションシステムのレイアウト図である。 本発明に係る装置の本体部の拡大断面図である。

符号の説明

1 エンジン
3 発電機
5 排ガスボイラ
7 スチームヘッダ
8 蒸気利用設備
9 設備給蒸手段
10 装置
11 本体
13 蒸発部
15 噴霧ノズル
16 ノズル
17 蒸気エゼクタ
18 吸込口
19 吐出口
23 凝縮部
31 熱交換器
33 冷却塔
35 減圧手段
41、42 断熱材
51 蒸気供給手段
53 供給手段
55、56 排出手段
61 濃縮冷却液
63 純水
70 架台

Claims (8)

1. 離隔され、それぞれ気密に保持された蒸発部と凝縮部からなる本体と、前記蒸発部に吸込口が開口し、前記凝縮部に吐出口が開口する蒸気エゼクタと、この蒸気エゼクタの吸込口に蒸気を噴射する蒸気供給手段と、前記蒸発部に液体を供給する供給手段と、前記蒸発部に生成された濃縮冷却液を使用に供する排出手段と、前記凝縮部内を減圧する減圧手段と、前記蒸気エゼクタの吐出口から噴射された蒸気と熱交換を行う熱交換手段とを有する装置。
2. 前記本体は、前記蒸発部が前記凝縮部の上部に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記熱交換手段は、前記蒸気エゼクタの周囲を多層に囲んでなるコイル状の熱交換器であることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記凝縮部に生成された機能水の水質を検知する機器を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
5. 前記蒸気エゼクタの周囲および／または本体の蒸発部と凝縮部の境界部分に断熱材を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の装置
6. 発電機と、この発電機を駆動するエンジンと、このエンジンの排ガスを利用する排ガスボイラまたは廃熱ボイラと、この排ガスボイラまたは廃熱ボイラから供給される蒸気を使用する請求項１〜５のいずれかに記載の装置とを有するコージェネレーションシステム。
7. 前記排ガスボイラまたは廃熱ボイラは、その生成する蒸気を貯留するスチームヘッダを有することを特徴とする請求項６に記載のコージェネレーションシステム。
8. 前記スチームヘッダの圧力が所定値以上になったとき、前記装置に蒸気を供給する手段を有することを特徴とする請求項６または７に記載のコージェネレーションシステム。

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