CN105050695B - 海水淡化系统以及能量回收装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及从海水中除去盐分而淡化海水的海水淡化系统、以及适用于海水淡化系统(海水淡化设备)的能量回收装置。能量回收装置具备：圆筒形状的腔室(CH)，其在内部具有收容浓缩海水以及海水的空间，并将长度方向铅直地配置；浓缩海水端口(P1)，其设置于腔室(CH)的下部，并用于进行浓缩海水的供给、排出；海水端口(P2)，其设置于腔室(CH)的上部，并用于进行海水的供给、排出；在腔室内配置于浓缩海水端口侧的流阻器(23)；以及在腔室内配置于海水端口侧的流阻器(23)，在浓缩海水端口(P1)或者海水端口(P2)与流阻器(23)之间配置有在中央具备孔的圆板(30)。

Description

海水淡化系统以及能量回收装置
技术领域
本发明涉及从海水中除去盐分而淡化海水的海水淡化系统、以及适用于海水淡化系统(海水淡化设备)的能量回收装置。
背景技术
以往，作为淡化海水的系统，已知有使海水从反渗透膜分离装置通过而进行脱盐的海水淡化系统。在该海水淡化系统中，利用前处理装置将汲取的海水调整为一定的水质条件，然后利用高压泵进行加压，将所述海水向反渗透膜分离装置压送，反渗透膜分离装置内的高压海水的一部分克服渗透压力而从反渗透膜通过，从而作为除去了盐分的淡水被取出。其它海水在盐浓度变高而浓缩的状态下作为浓缩海水(盐水)被从反渗透膜分离装置排出。此处，海水淡化系统中的最大的运转成本为电力费用，很大程度上取决于用于使前处理之后的海水上升至能够克服渗透压力的压力即反渗透压力的能量，换句话说很大程度上取决于高压泵的加压能量。
即，多数情况下，海水淡化设备中的电力费用的一半以上被高压泵的加压所消耗。因此，将从反渗透膜分离装置排出的高盐浓度且高压的浓缩海水所保有的压力能量利用于使海水的一部分升压。而且，作为将从反渗透膜分离装置排出的浓缩海水的压力能量利用于使海水的一部分升压的方法而利用能量回收腔室，该能量回收腔室利用以能够移动的方式嵌装于圆筒的筒内的活塞而将圆筒的内部分离成两个空间，在两个空间中的一方设置供浓缩海水进出的浓缩海水端口，在另一方设置供海水进出的海水端口。
图16是示出以往的海水淡化系统的结构例的示意图。如图16所示，对于由取水泵(未图示)汲取的海水，利用前处理装置除去悬浮物等而将其调整为规定的水质条件，然后经由海水供给管线1而将所述海水向直接连结有马达M的高压泵2供给。借助高压泵2而升压的海水经由排出管线3而被供给至具备反渗透膜(RO膜)的反渗透膜分离装置4。反渗透膜分离装置4将海水分离成盐浓度较高的浓缩海水与盐浓度较低的淡水，由此从海水中获得淡水。此时，盐浓度较高的浓缩海水从反渗透膜分离装置4排出，但该浓缩海水依然具有较高的压力。用于从反渗透膜分离装置4排出浓缩海水的浓缩海水管线5经由控制阀6而与能量回收腔室10的浓缩海水端口P1连接。用于供给实施了前处理后的低压的海水的海水供给管线1在高压泵2的上游分岔，并经由阀7而与能量回收腔室10的海水端口P2连接。能量回收腔室10在内部具备活塞16，活塞16将能量回收腔室10内分离成两个容积室，且被嵌装为能够移动。
在能量回收腔室10中，经由阀7将利用浓缩海水的压力而升压的海水供给至增压泵8。由控制阀6、阀7、能量回收腔室10构成能量回收装置11。而且，利用增压泵8使海水进一步升压而达到与高压泵2的排出管线3中的海水相同水平的压力，升压后的海水经由阀9而在高压泵2的排出管线3汇合并被供给至反渗透膜分离装置4。
图17是示出以往的海水淡化系统的结构例的示意图，该海水淡化系统分别具备两个作为图16所示的能量回收装置的构成设备的控制阀6、能量回收腔室10、阀7。如图17所示，能量回收装置11具备两个能量回收腔室10、10，从而以在向两个能量交换腔室10、10的任一方供给浓缩海水的同时从另一方的能量交换腔室排出浓缩海水的方式进行动作。因此，通过交替地进行低压海水的吸入与高压海水的压出，能够从装置始终(连续)排出高压的海水，因此，能够使向反渗透膜分离装置4供给的海水的流量恒定，从而能够以恒定流量获得从反渗透膜分离装置4中获得的淡水。
在上述的以往的能量回收腔室中，能量回收腔室内的活塞相对于缸体内壁滑动，活塞的滑动部件产生磨损，因此需要定期的更换，另外，需要进行高精度的加工以使长尺寸的腔室的内径与活塞的外径匹配，从而使得加工成本非常高昂。
因此，本发明的申请人采用如下方式而提出了无活塞的方式的能量回收腔室：将专利文献1中的圆筒形长尺寸的腔室作为能量更换腔室，向腔室内导入海水与从反渗透膜(RO膜)排出的高压的浓缩海水，利用浓缩海水直接对海水进行加压。
图18是示出无活塞的方式的能量回收腔室10的剖视图。如图18所示，能量回收腔室10具备：长尺寸的圆筒形状的腔室主体11；以及端板12，其将腔室主体11的两个开口端封闭。在腔室主体11内形成有腔室CH，在一方的端板12的位置形成有浓缩海水端口P1，在另一方的端板12的位置形成有海水端口P2。浓缩海水端口P1以及海水端口P2配置于圆筒形状的腔室主体11的中心轴上。腔室CH的内径设定为φD，浓缩海水端口P1以及海水端口P2的内径设定为φd。
能量回收腔室10以纵置的方式设置。考虑到浓缩海水与海水的比重差的影响，对腔室CH进行纵向配置，将比重较重的浓缩海水的端口P1配置于下侧，将比重较轻的海水的端口P2配置于上侧。即，长尺寸的圆筒形状的腔室主体11的腔室的长度方向(轴向)沿垂直方向配置，浓缩海水端口P1以在腔室CH的下侧供给、排出浓缩海水的方式设置于腔室的下侧，海水端口P2以在腔室CH的上侧供给、排出海水的方式设置于腔室的上侧。腔室CH的全长为L，在腔室CH内，在从浓缩海水端口P1沿轴向以L1分离的位置配置有流阻器13，在从海水端口P2沿轴向以L1分离的位置配置有流阻器13。流阻器13由一个多孔板构成。
在图18所示的能量回收腔室10中，对于从小径的各端口P1、P2流入、且中央部具有较大的速度分布的流体流，利用流阻器13而使其在腔室CH的径向上分散，并对其进行整流而使其在腔室的截面中成为均匀的流体流，在海水与浓缩海水的界面维持水平的状态下对这两种流体进行推拉，从而一边在腔室内将盐浓度不同的海水与浓缩海水的混合维持为较少的状态、一边进行能量的传递。
图19是示出作为配置于图18的各端口附近的流阻器而将以规定距离分离的两个多孔板配置于各端口附近的能量回收腔室10的剖视图。如图19所示，在腔室CH内，在从浓缩海水端口P1沿轴向以L1分离的位置配置有第一多孔板14，进而在从第一多孔板14沿轴向以L2分离的位置配置有第二多孔板15。同样地，在从海水端口P2沿轴向以L1分离的位置配置有第一多孔板14，进而在从第一多孔板14沿轴向以L2分离的位置配置有第二多孔板15。两个多孔板14、15构成流阻器13。
图19所示的能量回收腔室10的其他结构与图18所示的能量回收腔室10的结构相同。
专利文献1：日本特开2012-232291号公报
在图19所示的能量回收腔室10中，若流体从小径的各端口P1、P2流入到腔室CH，则形成中央部为高速的速度分布的流体流，对于在腔室的界面中具有速度差的流体流，利用第一多孔板14使其以向腔室外周扩散的方式分散，进而在使其流经L2的区间之后，利用第二多孔板15进一步对其进行分散、整流以使其在腔室的截面中变为均匀的流体流。
此处，“均匀的流体流”意味着腔室内的某水平截面中的流速与方向都一样。将以腔室内的某水平截面内的流速(标量)与方向(矢量)在水平截面内的任意位置均相同的方式分布的流体流称为完全均匀的流体流。即，如图20所示，对于处于水平截面内的任意的点Pn、Pm的流体流而言，流体流的大小分别由Vn、Vm的箭头来表示。在该情况下，当箭头与水平截面上的辅助线X、Y(X与Y正交)所成的角度(α、β)相同(αn＝αm、βn＝βm)时，处于点Pn、Pm的流体流为均匀的流体流，当角度α、β在水平截面内的任意位置都相同时，设为完全均匀的流体流。此处将比较接近上述这种状态的流体流设为均匀的流体流。此处，圆筒状的腔室壁作为垂直的壁面而存在于水平截面内的外周，因此，角度α、β均越接近90度，越成为均匀的水流。
若流体从小径的各端口P1、P2流入到腔室CH，则在其附近的腔室的水平截面中形成中央部为高速、且外周部为低速的流体流，但对于通过将该中央部的流体流调整为低速、且将外周部的流体流调整为高速而使得水平面内的速度分布的分散减小的情况，称之为“形成均匀的流体流”、“均匀化作用”。另外，所谓“整流”是指改变流速的分布，通过整流而改变流速的分布的结果，将成为均匀的流体流的情况称为“进行整流而实现均匀化”。
所谓海水与浓缩海水的推拉是指如下动作：一边利用浓缩海水使海水升压、一边将其从腔室推出(推动)，然后，对阀6进行切换而利用海水将浓缩海水拉入并排出(拉动)。在图18以及图19中，海水与浓缩海水在流阻器13之间的以La表示的长度的腔室空间内形成海水与浓缩海水接触的两种流体的边界部。而且，通过海水与浓缩海水的推拉，使得该边界部在La内往返，从而控制为海水不被从浓缩海水端口P1排出、且浓缩海水不被从海水端口P2排出。在对腔室进行纵向配置而构成为腔室下侧为浓缩海水、且上侧为海水的情况下，所谓海水与浓缩海水的推拉意味着向上推动海水、且向下推动浓缩海水。
通过海水与浓缩海水的推拉促进边界部的混合，使处于边界部的上下的海水与浓缩海水的流体流在腔室内的La的区域形成为均匀的流体流，从而能够抑制边界面因流体流的不均匀性而以紊流的方式扩散、混合的现象，与此同时，能够通过将边界部维持为水平而如假想的活塞那样进行推拉。
在以往的能量回收腔室中，如图18以及图19所示，将浓缩海水端口P1以及海水端口P2的中心分别配置于与腔室CH的轴心相同的位置，并且将浓缩海水端口P1设为使得流体流铅直向上流入的朝向，将海水端口P2设为使得流体流铅直向下流入的朝向。
然而，在实际的装置中，必须根据装置的高度、配置的制约而变更端口的位置，如图21所示，将不同的端口用于海水的供给与排出，即设为海水流入端口P2IN与海水流出端口P2OUT，将它们分别配置于从腔室中心沿径向分离的位置的结果，使得腔室内部的混合(搅拌，mixing)达到远大于预想的比例。
如图21所示，利用使端口位置从中心分离的解析模型进行解析可知，若从偏离的端口进行给排水，则流体流在腔室的截面中不会变得均匀，速度分布变得不均匀。
图22是示出对端口进行配置以使海水端口从腔室轴心沿径向分离，且使海水从海水流入端口P2IN流入的情况下的流体流解析的结果的图。在图22中，省略了海水流出端口P2OUT的图示。对于图中的箭头而言，由箭头的长度表示流体流的速度，由箭头的方向表示流体流的方向。从海水流入端口P2IN流入到腔室CH的流体流在端口附近的流速较快的状态下流动而与第一多孔板14碰撞，从而，产生未完全从第一多孔板14通过的流体流与从第一多孔板14通过的水流同时从配置有端口的左侧向右侧沿水平方向、且沿着第一多孔板14朝向腔室侧面侧的流体流。而且，在左侧的腔室侧面侧产生从第一多孔板14通过的流体流，流体流在第一多孔板14与第二多孔板15的空间形成为分离成两股的流体流。而且，形成为相对于第二多孔板15而接近腔室内壁侧的一方的速度分布较高、且中央部的速度分布较低的状态，在从第二多孔板15以规定距离分离的A-A截面中，形成为在面内不均匀的流体流。
若产生上述这样的状态的流体流，则形成为大量浓缩海水残留于腔室中央部的速度分布较低的中央部的形态，在对海水进行排水时将中央部的浓缩海水排出，其结果，将盐浓度较高的海水排出。
发明内容
鉴于上述问题点，本发明的目的在于提供一种能量回收装置，该能量回收装置为在腔室的浓缩海水端口侧以及海水端口侧分别配置有流阻器的结构，即便在浓缩海水端口以及/或者海水端口未被配置于腔室的中心轴上的情况下，也能够通过利用流阻器使流体流均匀化的整流效果而抑制两种流体接触的边界部处的混合，并且能够从高压的浓缩海水向海水进行压力的传递。
为了实现上述的目的，本发明的能量回收装置在使借助泵升压后的海水从反渗透膜分离装置通过、且将该海水分离为淡水与浓缩海水而从海水生成淡水的海水淡化系统中，将从上述反渗透膜分离装置排出的浓缩海水的压力能量转换成上述海水的压力能量，所述能量回收装置的特征在于，具备：圆筒形状的腔室，其在内部具有收容浓缩海水及海水的空间，并将长度方向铅直地配置；浓缩海水端口，其设置于上述腔室的下部，并用于进行浓缩海水的供给、排出；海水端口，其设置于上述腔室的上部，并用于进行海水的供给、排出；在上述腔室内配置于浓缩海水端口侧的流阻器；以及在上述腔室内配置于海水端口侧的流阻器，在上述浓缩海水端口或者上述海水端口与上述流阻器之间配置有在中央具备孔的圆板。
根据本发明，从设置于腔室的下部的浓缩海水端口相对于腔室内对浓缩海水进行供给、排出，从设置于腔室的上部的海水端口相对于腔室内对海水进行供给、排出。在该情况下，即使海水端口与浓缩海水端口未处于腔室的轴心，由于使流入到腔室的流体流从在中央具备孔的圆板的孔向流阻器的中央部流动，因此，也能够使流体流从流阻器的上游的中央部无偏差地在腔室整体分散，从而能够更加均匀地对流阻器的下游的流体流进行整流。利用流阻器进行整流后的浓缩海水与海水因比重的差而形成边界部，浓缩海水向上推动海水，从而能够使浓缩海水与海水上下分离而抑制两种流体在接触的边界部的混合，并且能够从高压的浓缩海水向海水进行压力的传递。
根据本发明的优选方式，其特征在于，配置于上述浓缩海水端口侧以及上述海水端口侧的流阻器由至少一个多孔板、或者编织线材而成的至少一个网孔板构成。
根据本发明，由至少一个多孔板或者网孔板构成流阻器，从而在腔室内对多孔板或者网孔板的上游的流体流施加适当的流阻，由此能够对多孔板或者网孔板的下游的流体流进行整流以使其在腔室整体变得均匀。
根据本发明的优选方式，其特征在于，配置于上述浓缩海水端口侧以及上述海水端口侧的流阻器为彼此分离配置的两个多孔板或者网孔板，并由第一多孔板或者第一网孔板、以及配置为比该第一多孔板或者第一网孔板更远离上述端口侧的第二多孔板或者第二网孔板构成。
根据本发明，作为流阻器，能够调整第一多孔板(第一网孔板)与第二多孔板(第二网孔板)的配置位置、小孔孔径、小孔的距离(间距)、开口率，从而调整流体流的均匀化作用的自由度得以提高，能够提高均匀化作用。
根据本发明的优选方式，其特征在于，上述浓缩海水端口以及上述海水端口的至少一方处于从上述圆筒形状的腔室的轴心沿径向分离的位置。
根据本发明，浓缩海水端口以及上述海水端口的至少一方处于从上述圆筒形状的腔室的轴心沿径向分离的位置，因此不会受到装置的高度、配置的制约或者设计的制约，能够以将浓缩海水端口以及上述海水端口的安装位置、方向配置于任意位置的方式构成装置。
根据本发明的优选方式，其特征在于，在上述中央具备孔的圆板的孔的面积，具有与浓缩海水端口或者海水端口的面积中的任意较小的一方的面积相等、或者在所述任意较小的一方的面积以上的面积。
根据本发明，在中央具备孔的圆板的孔的面积具有与浓缩海水端口或者海水端口的面积中的任意较小的一方的面积相等、或者在所述任意较小的一方的面积以上的面积，因此能够使从在中央部具备孔的圆板的孔通过的流体的流速比从浓缩海水端口或者海水端口流入的流体的流速低，由于后段的流阻器中的腔室截面内的流体的速度差变小，因此能够提高因流阻器而实现的流体流均匀化作用。
根据本发明的优选方式，其特征在于，上述圆板在处于上述中央的孔的周围具备多个孔。
根据本发明，从该圆板通过的流体流因设置于外周部的小径的孔而实质上从中央的孔流出，并且在外周侧也略微形成流体流，从而能够使朝向流阻器的流体流更加均匀化。另外，通过在外周部设置小径的孔，能够减小因该圆板的上游与下游的压力差而施加于圆板的力，因此能够减小由流体流引起的板的变形。
根据本发明的优选方式，其特征在于，上述浓缩海水端口以及上述海水端口的至少一方设置于将上述圆筒形状的腔室的开口端封闭的端板，或者设置于上述腔室的圆筒状的外侧面。
根据本发明，浓缩海水端口以及海水端口的至少一方设置于将圆筒形状的腔室的开口端封闭的端板，或者设置于腔室的圆筒状的外侧面，因此，不会受到装置的高度、配置的制约或者设计的制约，能够以将浓缩海水端口以及海水端口的安装位置、方向配置于任意位置的方式构成装置。
根据本发明的优选方式，其特征在于，上述浓缩海水端口以及上述海水端口的至少一方由供水用的端口与排水用的端口构成。
根据本发明，浓缩海水端口以及海水端口的至少一方由供水用的端口与排水用的端口构成，因此，作为浓缩海水端口或者海水端口，能够分别进行供水、排水，从而能够增大端口的配置的设计自由度。
本发明的第二方式的的海水淡化系统使借助泵升压后的海水从反渗透膜分离装置通过、且将该海水分离为淡水与浓缩海水而从海水生成淡水，所述海水淡化系统的特征在于，具备上述技术方案1～8中任一方案所记载的能量回收装置，该能量回收装置利用并将从上述反渗透膜分离装置排出的浓缩海水的压力能量转换成上述海水的压力能量。
根据本发明，能够将从反渗透膜分离装置排出的高压的浓缩水的压力能量直接传递给海水，并且能够在浓缩水与海水的推拉时抑制两种流体混合，因此不会从能量回收装置排出盐浓度较高的海水，进而能够以不提高向反渗透压分离装置的海水供给压力的方式使系统运转，因此能够减少系统的运转所需的电力。
根据本发明，实现了以下列举的效果。
1)即便在未将浓缩海水端口以及/或者海水端口配置于腔室的中心轴上的情况下，从端口流入的流体也能够借助在中央具备孔的圆板而朝向流阻器的中央部流动，通过利用流阻器使流体流均匀化的整流效果能够抑制两种流体在接触的边界部处的混合，并且能够从高压的浓缩海水向海水传递压力。
2)能够抑制浓缩海水与海水因腔室内的紊流扩散而引起的混合，从而不会将浓度较高的海水输送至反渗透膜分离装置，因此能够充分发挥反渗透膜分离装置的性能，并且能够延长反渗透膜本身的更换周期。
附图说明
图1是示出本发明的海水淡化系统的结构例的示意图。
图2是应用于图1所示的海水淡化系统的本发明的能量回收腔室的简要剖视图。
图3是示出流阻器的一个例子的图，且是示出由一个多孔板构成的流阻器的俯视图。
图4是示出其他流阻器的一个例子的图，且是示出由一个网孔板构成的流阻器的俯视图。
图5是示出如图2所示那样在流阻器与海水端口之间对带孔圆板进行水平配置的情况下的海水端口附近的流体流解析结果的图，其中，所述带孔圆板具有与腔室的内径相等的外径、且在中央形成有孔。
图6是示出将图2中的浓缩海水端口设置于腔室侧面的能量回收腔室的简要剖视图。
图7是示出如图6所示那样将浓缩海水端口设置于腔室侧面的情况下的浓缩海水端口附近的流体流解析的结果的图。
图8是示出本发明的又一其他实施方式所涉及的能量回收装置的能量回收腔室的简要剖视图。
图9是示出具有图8的结构的能量回收腔室的海水端口附近的流体流解析的图。
图10是示出本发明的又一其他实施方式所涉及的能量回收装置的能量回收腔室的简要剖视图。
图11是示出配置于各端口与流阻器之间的在中心开设有孔的带孔圆板的变形例的图。
图12是示出配置于各端口与流阻器之间的在中心开设有孔的带孔圆板的变形例的图。
图13是示出配置于各端口与流阻器之间的在中心开设有孔的带孔圆板的变形例的图。
图14是示出配置于各端口与流阻器之间的在中心开设有孔的带孔圆板的变形例的图。
图15是示出除了在圆板的中央具有圆形的孔之外，还在孔的外周侧以放射状配置有小径的孔的带孔圆板的图。
图16是示出以往的海水淡化系统的结构例的示意图。
图17是示出分别具备两个作为图16所示的能量回收装置的构成设备的切换阀、能量回收腔室、阀的以往的海水淡化系统的结构例的示意图。
图18是示出无活塞的方式的能量回收腔室的剖视图。
图19是示出作为图18中的配置于各端口附近的流阻器而将以规定距离分离的两个多孔板配置于各端口附近的能量回收腔室的剖视图。
图20是示出处于腔室内的水平截面上的点Pn、Pm的流体流的均匀性的图。
图21是示出将海水端口设为海水流入端口与海水流出端口，且将它们分别配置于从腔室中心沿径向分离的位置的能量回收腔室的剖视图。
图22是示出对端口进行配置以使海水端口从腔室轴心沿径向分离，并使海水从海水流入端口P2IN流入的情况下的流体流解析的结果的图。
具体实施方式
以下，参照图1至图15对本发明所涉及的能量回收装置的实施方式进行说明。在图1至图15中，对相同或者相当的结构要素标注相同的附图标记并将重复的说明省略。
图1是示出本发明的海水淡化系统的结构例的示意图。如图1所示，对于利用取水泵(未图示)汲取的海水，利用前处理装置进行前处理而将其调整为规定的水质条件，然后经由海水供给管线1而将其向直接连结有马达M的高压泵2供给。经由排出管线3而将借助高压泵2升压后的海水供给至具备反渗透膜(RO膜)的反渗透膜分离装置4。反渗透膜分离装置4将海水分离成盐浓度较高的浓缩海水与盐浓度较低的淡水，由此从海水中获得淡水。此时，将盐浓度较高的浓缩海水从反渗透膜分离装置4排出，但该浓缩海水依然具有较高的压力。用于从反渗透膜分离装置4排出浓缩海水的浓缩海水管线5经由控制阀6而与能量回收腔室20的浓缩海水端口P1连接。用于供给进行前处理之后的低压海水的海水供给管线1在高压泵2的上游分岔，经由阀7而与能量回收腔室20的海水端口P2连接。能量回收腔室20一边利用浓缩海水与海水的边界区域而对两种流体进行分离、一边进行能量的传递。
在能量回收腔室20中，利用浓缩海水的压力升压后的海水被经由阀7而供给至增压泵8。而且，海水借助增压泵8进一步升压而达到与高压泵2的排出管线3中的海水相同水平的压力，升压后的海水经由阀9而在高压泵2的排出管线3汇合并被供给至反渗透膜分离装置4。另一方面，使海水升压而失去能量的浓缩海水从能量回收腔室20经由控制阀6被向浓缩海水排出管线17排出。
若将高压泵2的排出管线3的压力设为例如6.5MPa，则压力因反渗透膜分离装置4的RO膜组件的压力损失而略微降低，从而将6.4MPa的浓缩海水从反渗透膜分离装置4排出。若使该浓缩海水的压力作用于海水，则使得海水升压至相等的压力(6.4MPa)，但在能量回收装置中流动时会与能量回收装置本身的压力损失相应地降低，从而将例如6.3MPa的海水从能量回收装置排出。增压泵8使6.3MPa的海水略微升压而达到6.5MPa的压力，使该海水在高压泵2的排出管线3汇合并将其供给至反渗透膜分离装置4。增压泵8以该方式使海水仅与微小的压力损失量相应地升压即可，此处消耗的能量为微量。
在向反渗透膜分离装置4供给10成的量的海水的情况下，获得淡水的比例为4成左右。其他的6成作为浓缩海水而被从反渗透膜分离装置4排出，但通过利用能量回收装置将该6成的浓缩海水的压力传递给海水而后再将该海水排出，能够以增压泵的微量的消耗能量而获得高压泵相当量的海水。因此，相对于不具有能量回收装置的情况，能够使得用于获得相同的量的淡水的高压泵的能量大致减半。
图2是应用于图1所示的海水淡化系统的本发明的能量回收腔室的简要剖视图。如图2所示，能量回收腔室20具备：长尺寸的圆筒形状的腔室主体21；以及端板22，其将腔室主体21的两个开口端封闭。在腔室主体21内形成有腔室CH，在一方的端板22的位置形成有浓缩海水端口P1，在另一方的端板22的位置形成有海水流入端口P2IN以及海水流出端口P2OUT。浓缩海水端口P1配置于圆筒形状的腔室主体21的中心轴上，海水流入端口P2IN以及海水流出端口P2OUT配置于从腔室主体21的中心轴偏离的位置。即，海水端口P2IN以及海水流出端口P2OUT分别从腔室主体21的中心轴以距离l1、l2偏离。此外，也可以设为l1＝l2。
以纵置的方式设置能量回收腔室20。考虑到浓缩海水与海水的比重差的影响，对腔室CH进行纵向配置，将比重较重的浓缩海水的端口P1配置于下侧，将比重较轻的海水的端口P2IN、P2OUT配置于上侧。即，将长尺寸的圆筒形状的腔室主体21的腔室的长度方向(轴向)配置于垂直方向上，浓缩海水端口P1以在腔室CH的下侧供给、排出浓缩海水的方式设置于腔室的下侧，海水流入端口P2IN以及海水流出端口P2OUT以在腔室CH的上侧供给、排出海水的方式设置于腔室的上侧。腔室CH的全长为L，在腔室CH内，在从浓缩海水端口P1沿轴向以L1分离的位置配置有流阻器23。
另外，在腔室CH内，在从海水端口P2IN以及P2OUT沿轴向以Lp分离的位置配置有带孔圆板30。带孔圆板30具有与腔室CH的内径(φD)相同的外径，且在中心具有直径(φdp)的圆形孔30h。而且，在腔室CH内，在从带孔圆板30沿轴向以L1分离的位置配置有流阻器23。流阻器23由一个多孔板构成。
对于从海水流入端口P2IN流入到腔室CH的流体流，利用带孔圆板30使其从带孔圆板30的中央的孔30h向流阻器23流动，因此，将海水端口P2配置于腔室的轴心，从而形成为与使得流体流成为朝向铅直向下方向的流体流的图18所示的海水侧端口大致相同，能够获得相同的作用、效果。
图3是示出流阻器的一个例子的图，且是示出由一个多孔板构成的流阻器23的俯视图。如图3所示，流阻器23由以与腔室CH的内径相等的外径(φD)形成有多个小径(φdk)的孔23h的圆板亦即多孔板构成。小径的孔23h以均匀的配置方式形成于整个圆板。由多孔板构成的流阻器23在腔室CH内对该圆板的上游的流体流施加适当的流阻，从而具有进行整流以使该圆板的下游的流体流在腔室整体变得均匀的功能。
图4是示出其他流阻器的一个例子的图，且是示出由一个网孔板构成的流阻器23的俯视图。如图4所示，流阻器23由对线材进行编织并形成为圆板状的网孔板构成。网孔板为外径(φD)与腔室CH的内径相等的圆板。线材由金属、树脂构成，适当地构成线径、线的编织间距即网孔的粗细，由网孔板构成的流阻器23与多孔板相同，对该网孔板的上游的流体流施加适当的阻力，从而具有进行整流以使该网孔板的下游的水流在腔室整体变得均匀的功能。
此外，作为流阻器，可以是海绵那样的多孔质的原材料等，厚度可以不如板那样较薄而是呈块状，只要精心设计为对流体流施加所需的阻力、且能够获得流体流均匀化作用的结构即可。
图5是示出如图2所示那样在流阻器23与海水端口P2IN、P2OUT之间对带孔圆板30进行水平配置的情况下的海水端口附近的流体流解析结果的图，其中，该带孔圆板30具有与腔室的内径(φD)相等的外径、且在中央形成有φdp的孔。在图5中，将海水流出端口P2OUT的图示省略。对于图中的箭头，由箭头的长度表示流体流的速度，由箭头的方向表示流体流的方向。从海水流入端口P2IN流入到腔室CH的流体流与带孔圆板30的孔封闭的外周部碰撞，从而在由海水流入端口P2IN、带孔圆板30以及腔室侧壁面形成的空间扩散，进而从带孔圆板30的中央的孔30h向流阻器23流动。通过配置带孔圆板30，使得海水流向由多孔板或者网孔板构成的流阻器23的中央，利用流阻器23使得在腔室整体均匀地进行整流的本来的功能有效地发挥作用，从而在从图5所示的流阻器23以规定距离分离的A-A截面中，能够形成流体流的大小、方向均匀的流体流。
图6是示出将图2中的浓缩海水端口P1设置于腔室侧面的能量回收腔室20的简要剖视图。以从浓缩海水端口侧的端板22以距离Lp分离的方式对带孔圆板30进行水平配置，以从带孔圆板30沿轴向以L1分离的方式配置流阻器23。流阻器23由一个多孔板、网孔板构成。
图6所示的能量回收腔室20的情况也一样，从腔室侧面流入的流体流因带孔圆板30而从腔室中央向流阻器23流动，因此，与图18相同，形成为与使得浓缩海水端口位于腔室轴心、且将其配置为朝向铅直上方时大致相同的流体流，从而能够获得相同的作用、效果。
图7是示出如图6所示那样将浓缩海水端口P1设置于腔室侧面的情况下的浓缩海水端口附近的水流解析的结果的图。对于图中的箭头，由箭头的长度表示水流的速度，由箭头的方向表示水流的方向。如图7所示，从浓缩海水端口P1流入到腔室CH的流体流在由浓缩海水端口P1、带孔圆板30以及腔室侧壁面形成的空间扩散。在该空间内形成为复杂的流体流，并从该空间经由带孔圆板30的中央的孔30h而朝向流阻器23流动。通过配置带孔圆板30，使得浓缩海水流向流阻器23的中央，利用流阻器23使得在腔室整体均匀地进行整流的本来的功能有效地发挥作用，从而在从图7中所示的流阻器23以规定距离分离的A-A截面中，能够形成流体流的大小、方向均匀的流体流。
图8是示出本发明的又一其他实施方式所涉及的能量回收装置的能量回收腔室的简要剖视图。如图8所示，在能量回收腔室20的腔室上部，以从腔室轴心沿径向分离的方式配置有海水流入端口P2IN与海水流出端口P2OUT，海水从海水流入端口P2IN铅直向下地流入，海水从海水流出端口P2OUT铅直向上地流出。在腔室下部配置有位于腔室轴心且朝向铅直上方的浓缩海水端口P1，浓缩海水相对于腔室沿铅直方向流入、流出。
从海水端口侧以距离Lp分离且水平地配置有带孔圆板30，从带孔圆板30以L1分离而配置有第一多孔板24，进而从第一多孔板24沿轴向以L2分离而配置有第二多孔板25。第一多孔板24与第二多孔板25构成流阻器23。
在浓缩海水端口侧，浓缩海水端口P1配置于腔室的中央，沿铅直方向供给、排出浓缩海水，因此，在从浓缩海水端口P1以L1分离的位置配置有第一多孔板24，在从第一多孔板24以L2分离的位置配置有第二多孔板25。本实施例中使得图2中由一个多孔板构成的流阻器23构成的整流化构造形成为，由如下流阻器23构成的整流化构造，即，该流阻器23由第一多孔板24与第二多孔板25这两个多孔板构成。适当地选定第一多孔板24以及第二多孔板25的相对于端口的配置位置以及各自的开口率，能够提高流体流的均匀化作用。
图9是示出图8的结构的能量回收腔室20中的海水端口附近的流体流解析的图。在图9中，将海水流出端口P2OUT的图示省略。对于图中的箭头，由箭头的长度表示水流的速度，由箭头的方向表示水流的方向。如图9所示，从配置为从腔室轴心沿径向分离的海水流入口P2IN流入到腔室CH的流体流与带孔圆板30的孔封闭的外周部碰撞，从而该流体流在由海水流入端口P2IN、带孔圆板30以及腔室侧壁面形成的空间扩散，进而从带孔圆板30的中央的孔30h通过并向第一多孔板24流动。而且，利用第一多孔板24使中央部为高速的流体流以向腔室外周扩散的方式分散，进而使该流体流从L2的区间流过，然后利用第二多孔板25对该流体流进行分散、整流以使其进一步在腔室的截面中形成为均匀的流体流。
这样，在配置有两个多孔板的流阻器23的情况下，通过同样地配置带孔圆板30，也能够使在腔室整体均匀地进行整流的本来的功能有效地发挥作用，在从图9中所示的第二多孔板25以规定距离分离的A-A截面中，能够形成流体流的大小、方向均匀的流体流。通过配置两个多孔板，能够调整第一多孔板24与第二多孔板25的配置位置、小孔孔径、小孔的距离(间距)、开口率，从而调整水流的均匀化作用的自由度得以提高，能够提高均匀化作用。
在配置两个多孔板的结构的情况下，通过第一多孔板24与第二多孔板25的组合，使得各自的配置位置、小孔孔径、小孔的距离(间距)、开口率等实现最优化，以如下方式实现了最优化，虽然有时仅凭第一多孔板24会使得其下游的流体流的均匀化效果减弱，但在流体流在第一多孔板24与第二多孔板25之间的距离L2的空间流动的期间，第二多孔板25的下游的水流的均匀化效果得以提高。
图10是示出本发明的又一其他实施方式所涉及的能量回收装置的能量回收腔室的简要剖视图。在本实施方式中，腔室上部的海水端口侧的结构与图8相同，将腔室下部的浓缩海水端口P1配置于腔室侧面。而且，从浓缩海水端口侧的端板22以距离Lp分离且水平地配置带孔圆板30，从带孔圆板30以L1分离而配置有第一多孔板24，进而从第一多孔板24以L2分离而配置有第二多孔板25。在浓缩海水端口侧的第一多孔板24的前段配置带孔圆板30，从而使得浓缩海水从腔室中央向第一多孔板24流动，因此能够获得与将浓缩海水端口配置于腔室的中央的结构相同的作用、效果。本实施例使在图6中由一个多孔板、网孔板构成的流阻器23所构成的整流化构造形成为由如下流阻器23构成的整流化构造：该流阻器23由第一多孔板24与第二多孔板25这两个多孔板构成。适当地选定第一多孔板24以及第二多孔板25相对于端口的配置位置以及各自的开口率，从而能够提高水流的均匀化作用。此外，当然也可以由网孔板取代第一多孔板24与第二多孔板25。
图11至图14是针对配置于各口与流阻器23之间的、在中心开设有孔的带孔圆板30，示出能够获得本发明的作用、效果的变形例的俯视图。
图11示出在位于外径φD的圆板的中央的直径φdp的圆内形成有多个小径的孔sh的带孔圆板30。利用该圆板能够在腔室中形成从该圆板向流阻器23的中心方向流动的流体流。
图12是示出形成为将位于外径φD的圆板的中央的直径φdp的圆分割成扇形形状的孔fh的带孔圆板30。利用该圆板能够在腔室中形成从该圆板向流阻器23的中心方向流动的流体流。
对于图11以及图12所示的带孔圆板30而言，残留于小孔之间的板材作为支承板而发挥作用，从而板整体的强度提高，因此，所述带孔圆板30在因来自端口的喷流而作用于圆板的力增大的情况下有效。
图13示出在外径φD的圆板的中央形成有二个面之间的宽度为Wp的正六边形的孔hh的带孔圆板30。利用该圆板能够在腔室中形成从该圆板向流阻器23的中心部流动的流体流。
图14示出在外径φD的圆板的中央形成有一条边为Lt的正三角形的孔th的带孔圆板30。利用该圆板能够在腔室中形成从该圆板向流阻器23的中心部流动的流体流。
如图13以及图14所示，若形成为正多边形的孔，则利用该圆板能够形成向流阻器23的中央部流动的流体流。
图15为除了在外径φD的圆板的中央具有直径φdp的圆形的孔30h之外，还在孔30h的外周侧将小径的孔sh配置为放射状的带孔圆板30。利用该圆板也能够在腔室中形成从该圆板向流阻器23的中心方向流动的流体流。从该圆板通过的流体流因设置于外周部的小径的孔sh而实质上从中央部的孔30h流动，并且能够在外周侧略微形成流体流，能够使朝向流阻器23的流体流更加均匀化。另外，通过在外周部设置小径的孔sh，能够减小因该圆板的上游与下游的压力差而施加于圆板的力，因此能够减小由流体流而引起的板的变形。通过在外周部设置小径的孔sh而是否提高了流体流的均匀化作用也取决于设置于腔室的端口的配置，因此，优选通过流体流解析等而掌握其作用、效果之后再实施。
如图11至图14所示，也可以以使得带孔圆板30的中央部的开口面积的比例提高的方式设置孔，进而可以在外周部设置开口面积的比例低的孔。
优选位于带孔圆板30的中心的孔的形状相对于与中心垂直的轴、即腔室的长度方向的轴形成为轴对称的形状。另外，优选带孔圆板30的中心的孔具有与浓缩海水端口以及海水端口的截面积相等、或在所述截面积以上的孔面积，通过设定为这样的面积，能够使从该圆板的中央的孔通过的流体的流速比从端口流入的流体的流速低。
如图2所示，在对端口进行配置而使得海水端口从腔室轴心沿径向分离、且分成海水流入端口P2IN与海水流出端口P2OUT的情况下，海水流入端口P2IN(口径din)的面积为(din)2×π/4，因此海水端口侧的带孔圆板30的中央部的孔的面积与上述面积相等或在上述面积以上。在将浓缩海水端口P1设置于腔室侧面的情况下，浓缩海水端口P1(口径dc)的面积为(dc)2×π/4，因此浓缩海水端口侧的带孔圆板30的中央部的孔的面积与上述面积相等或在上述面积以上。另外，与(din)2×π/4和(dc)2×π/4中的任何较小的一方的面积相比，若使带孔圆板的中央部的孔的面积形成为与上述面积相等或在上述面积以上，则带孔圆板的孔的面积与上述的任意端口的孔的面积相等或在上述的任意端口的孔的面积以上，能够使海水端口侧以及浓缩海水端口侧的带孔圆板相同。
工业上的利用可能性
本发明能够利用于从海水中除去盐分而淡化海水的海水淡化系统、以及适用于海水淡化系统(海水淡化设备)的能量回收装置。
附图标记说明
1…海水供给管线；2…高压泵；3…排出管线；4…反渗透膜分离装置；5…浓缩海水管线；6…控制阀；7、9…阀；8…增压泵；10、20…能量回收腔室；11、21…腔室主体；12、22…端板；13、23…流阻器；14、24…第一多孔板；15、25…第二多孔板；16…活塞；17…浓缩海水排出管线；23h、33h、fh、hh、sh、th…孔；30…带孔圆板；30h…圆形孔；CH…腔室；P1…浓缩海水端口；P2…海水端口；P2IN…海水流入端口；P2OUT…海水流出端口。

Claims (8)

1.一种能量回收装置，在使借助泵升压后的海水从反渗透膜分离装置通过、且将该海水分离为淡水与浓缩海水而从海水生成淡水的海水淡化系统中，将从所述反渗透膜分离装置排出的浓缩海水的压力能量转换成所述海水的压力能量，
所述能量回收装置的特征在于，具备：
圆筒形状的腔室，其在内部具有收容浓缩海水及海水的空间，并将长度方向铅直地配置；
浓缩海水端口，其设置于所述腔室的下部，并用于进行浓缩海水的供给、排出；
海水端口，其设置于所述腔室的上部，并用于进行海水的供给、排出；
在所述腔室内配置于浓缩海水端口侧的流阻器；以及
在所述腔室内配置于海水端口侧的流阻器，
在所述浓缩海水端口或者所述海水端口与所述流阻器之间配置有在中央具备孔的圆板，
在所述中央具备孔的圆板的孔的面积具有与浓缩海水端口或者海水端口的面积中的任意较小的一方的面积相等、或者在所述任意较小的一方的面积以上的面积。
2.根据权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，
配置于所述浓缩海水端口侧以及所述海水端口侧的流阻器由至少一个多孔板、或者编织线材而成的至少一个网孔板构成。
3.根据权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，
配置于所述浓缩海水端口侧以及所述海水端口侧的流阻器为配置成相互分离的两个多孔板或者网孔板，并由第一多孔板或者第一网孔板、以及配置为比该第一多孔板或者第一网孔板更远离所述端口侧的第二多孔板或者第二网孔板构成。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的能量回收装置，其特征在于，
所述浓缩海水端口以及所述海水端口的至少一方处于从所述圆筒形状的腔室的轴心沿径向分离的位置。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的能量回收装置，其特征在于，
所述圆板在处于所述中央的孔的周围具备多个孔。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的能量回收装置，其特征在于，
所述浓缩海水端口以及所述海水端口的至少一方设置于将所述圆筒形状的腔室的开口端封闭的端板，或者设置于所述腔室的圆筒状的外侧面。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的能量回收装置，其特征在于，
所述浓缩海水端口以及所述海水端口的至少一方由进水用的端口与排水用的端口构成。
8.一种海水淡化系统，其使借助泵升压后的海水从反渗透膜分离装置通过、且将该海水分离为淡水与浓缩海水而从海水生成淡水，
所述海水淡化系统的特征在于，
具备权利要求1～7中任一项所述的能量回收装置，该能量回收装置利用并将从所述反渗透膜分离装置排出的浓缩海水的压力能量转换成所述海水的压力能量。
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CN102743974A (zh) * 2011-04-22 2012-10-24 株式会社荏原制作所 海水淡化系统及能量交换腔

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