JP2003517557A - 製氷用ヒートポンプ装置の性能改善方法 - Google Patents
製氷用ヒートポンプ装置の性能改善方法Info
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Abstract
Description
に「硬水」を使用する装置の性能改善方法に関する。
縮機室内に至る微小水滴の持込みにより発生する問題を無くすことである。これ
は、水滴分離装置及び圧縮機室における高速回転設備の氷及び硬い水アカによる
被覆を生じ、かつ効率の低下、並びにロータリー圧縮機の摩耗の原因となること
がある。水滴の持込みにより発生する可能性のある更なる問題は、通過する蒸気
の詰まりを起こす水滴分路装置におけるかかる過冷却水滴の凍結である。
mHg)において真空下で同時に沸騰及び冷凍させることにより大量に極めて経
済的に作り得ることが原理的に知られ、かつ実際に証明されている。こうして作
られた極めて大量の希薄な水蒸気は、次いで、これが、空気冷却又は通常の冷却
塔からの水のような容易に利用し得る手段により凝結し得る圧力及び温度に圧縮
しなければならない。
許5,520,008号に明らかにされ、数年にわたる運転により極めて実用的
かつ経済的であることが証明されている。この設備は、基本的に、圧縮機室と連
絡している蒸発器−冷凍機室を備え、この圧縮室は、一方では凝縮装置室と連絡
している。圧縮機室は、直列運転する1対の軽くて効率的、高生産量かつ高速で
比較的高い圧縮比のインペラーを収容する。低圧水滴の効果的な水滴(ミスト)
分離装置が、2個のインペラーの間に置かれる。別の水滴分離装置が、蒸発器−
冷凍機室と圧縮機室との間に設置される。これら水滴分離装置の役割は、以下説
明されるであろうように、蒸気により捕捉された水滴又はその他の粒子により、
高速インペラーが侵食され又はその他の害を受けることから保護することである
。かかる水滴分離装置は(蒸気の流れの方向を鋭く変える)「ルーバー」形式の
もの、又は「ニットメッシュ」(多孔性マットレス)形式のものとすることがで
き、或いは両形式を組み合わせて使うことができる。
して運転されるときは、水蒸気により捕捉された純水の水滴は、蒸発器−冷凍機
室と圧縮機室との間に置かれた水滴分離装置に遭遇したとき、凝集して寸法が大
きくなり、その重量が蒸気による牽引力に打ち勝って、水滴は管理可能な方法で
滴下し、蒸発器−冷凍機室内に戻る。しかし、純水の水滴が過冷却状態になると
、これは、水滴分離装置の表面と接触したときに凍って表面に付着し、蒸気通路
を詰まらせる。この問題は、その上に形成された氷を溶かすように、水滴分離装
置を周期的に又は連続的に加温する手段を提供することにより克服することがで
きる。かかる解決法は、ルーバー形式の水滴分離装置では効果がありしばしば使
用されるが、より効率的なニットメッシュ形式の水滴分離装置には非実用的であ
る。
塩及び炭酸塩のような可溶性の塩を希薄に含んだ水が供給される場合に、かなり
深刻な問題が生ずる。これら不純物は、蒸発及び冷凍の双方のため水が失われる
ので蒸発器−冷凍機室において濃くなり、その飽和度を越えることがしばしばあ
る。かかる過飽和水滴が固体表面に接触すると、これに含まれている少ない可溶
性の塩がかかる表面上で凝結し、付着水アカを形成するであろう。この場合にお
ける加温は、水分を蒸発させて塩をより凝結させて状況をより悪化させるだけで
ある。一方で、かかる固形物は、溶解度が小さいため、水で効果的に洗い去るこ
とはできず、強い酸又はその他の腐食性の洗剤の使用が必要である。
滴分離装置において形成されたときは、詰まって水蒸気の通過を妨げ、場合によ
ってはこれを遮断することがあり、更に蒸気流により圧縮機内に運ばれ、インペ
ラーの翼を破損させ危険である。
ことが見いだされている。この溶解性は、より可溶性の塩について最小でありそ
して上述の硫酸塩及び炭酸塩のような溶解し難い塩に対して最高である。後者の
塩は、高速回転しているインペラー翼にさえ付着するに十分な粘着性があり、翼
の精密な平衡を乱し、振動させ、その軸受を急速に摩耗させる。インペラー翼を
覆ったこの水アカは、設備の流体力学的効率を減らす。更に、インペラー翼の大
きい遠心力が、最終的には水アカの付着に打ち勝ち、破片にさせ、非常に大きい
速度と運動のエネルギーで外向きに飛ばす。かかる「弾丸」は、インペラー翼の
先端及びシュラウドベーンの急速な侵食を起こして高度に破壊させる可能性があ
る。
れるため、かかる状況下では、非常に効果的なニットメッシュ形式の水滴分離装
置の使用が不可能なことである。
プ装置を、それらの重要部品の幾つかが、氷で、及び/又は、それらに供給され
る水に含まれる不純物から発生する硬い固体で、覆われることにより引き起こさ
れる上記説明の動作上及び保守上の問題から保護するために経済的で実行可能な
方法を提供することである。
動作し、少なくとも1つの遠心式圧縮機ユニットを有する圧縮機室と連通し、そ
して凝縮器室と連通する蒸発器−フリーザー室を備える製氷用ヒートポンプ装置
の性能改善方法を提供し、前記方法は、 a.より粗い液滴の第1分離用に、該蒸発器−フリーザー室と該圧縮機室との
間にルーバー型の第1液滴分離器を提供する過程と、 b.残る微細なスプレーの第2分離用に、該第1液滴分離器の下流にニットメ
ッシュ型の第2液滴分離器を提供する過程と、そして c.前記第1及び第2液滴分離器間に配置され前記第1液滴分離器に面する複
数のスプレーノズルから、該蒸気流れに対し向流式に、高水溶性無機塩の希釈溶
液の連続的又は間欠的(intermittent)スプレーを提供する過程を具備する。
インペラーブレード上か何れかへの硬いそして粘性のある堆積物の形成も除去す
ることが見出された。第1に溶解された水溶性無機塩により引き起こされる水の
凝固点降下は該液滴分離器の表面上の氷形成を防止する。第2に、該液滴分離器
及び該インペラーブレードの両者上に堆積される他の固体は柔らかくそして粉末
状であると見出されたので、それらは該蒸気流れにより容易にスイープされる。
低溶解性硫酸塩及び炭酸塩の堆積した硬い粒子は、前者と共に堆積される高水溶
性無機塩の遙かに多い量により”希釈(diluted)される”と信じられる。
は該固体機器の表面への接着性に欠け、かくして該インペラーブレード上に普通
は蓄積せず、もしこれがいつか必要になるならば、水洗により容易にそして有効
に除去され得る。
の方向に傾斜した複数の狭い間隔の”シェブロン(chevron)”形の部材を有し
ており、かくして該液滴用の衝突面と該部材間の多数の狭い、曲がりくねった通
路とを提供する。又該”ニットメッシュ(knitmesh)”滴分離器も当該技術で普
通の種類であり、連行した(entrained)ミスト又は液滴を取り込むための高表
面積を提供するスクリーニング(screening)、メッシュ、チェーン(chain)又
は他の種類のパッキング(packing)の密接してパック(packed)された層を含
んでもよい。
て”塩(salt)”としてこの後引用される。本発明の方法で使用され得るこの様
な塩の例はアルカリ金属及びアルカリ土類金属のハロゲン化物(塩化又は臭化ナ
トリウム及び同カリウムそして塩化マグネシウムの様な)又は、硝酸塩等である
。最も好ましい塩は入手可能性及び経済性の理由で塩化ナトリウムである。
とすることが出来る。塩化ナトリウムの5%水溶液が好ましい。塩化ナトリウム
が本発明で使用される時、非常に硬質の水に於いても比較的少量のそれ、すなわ
ち作られる氷の各1トン用に1kgより少ない塩化ナトリウムが必要とされる。
これは技術的そして経済的両面で我慢出来るところである。
除けば、該スプレーされる塩溶液の主な部分は該蒸発器−フリーザー室へ戻され
、該蒸発器−フリーザー室から連続的に引き出される氷スラリー製品内に含まれ
る。この種の多くの製氷装置では、この氷スラリーは更に氷リッチな(ice-rich
slurry)スラリー又は脱水済み固体氷(dewatered solid ice)と、”コンセン
トレート(concentrate)”と呼ばれる溶液とに分離される。該塩のみならず該
乏しい水溶性の硫酸塩及び炭酸塩もこのコンセントレート内に蓄積し、それはそ
の名前にも拘わらず、極めて希釈されている。経済的及び環境保護的考慮のため
に、そして本発明の実施例に依ると、該乏しい水溶性の塩は公知の手段で、例え
ばナノ−フイルトレーション(nano-filtration)により該コンセントレートか
ら分離され得て、そして該最終希釈塩溶液は次いで、約5%濃度の塩溶液を作る
ために、例えば逆浸透により、更に濃縮され得て、該塩溶液は次いで該スプレー
ノズルへリサイクルされる。この実施例に依ると、環境への汚染のリスクは無い
。
ッシュ型)液滴分離器は該蒸発器−フリーザー室の出口に又はそれに隣接して水
平にそして相互に平行に配置され、該第2液滴分離器が最も頂部にある。この実
施例に依ると、該2つの液滴分離器の間に間挿された該スプレーノズルからのス
プレーの方向は下向きである。
続的又は周期的に加熱する手段も又提供される。
機室の部分図よりなる製氷用ヒートポンプ設備の部分的断面を図式的に示す。蒸
発器−冷凍機室1には、給水用の入口3、及び氷スラリーを引き出すための出口
4が設けられる。白抜きの矢印は、蒸発器−冷凍機室から圧縮機室への蒸気の流
れを表す。圧縮機室への蒸発器−冷凍機室の出口にルーバー形式の水滴分離装置
5が、更にこれより下流でかつこれと平行にニットメッシュ形式の水滴分離装置
6が設けられる。2個の水滴分離装置の間に、高度に水に可溶性の無機塩の希釈
溶液を、蒸気の流れと逆方向に噴霧するようにされたスプレーノズル7のアレイ
が設けられる。ルーバー形式の水滴分離装置5には、水滴分離装置の外側表面の
温度を蒸気温度より高い温度、約4から約10℃に維持するように、加温用媒体
、好ましくは水を循環させるためのパイプシステムが設けられる。この加温用媒
体システムの入口及び出口は、図面においてそれぞれ8及び9で示され。
12により囲まれた高速インペラー10が図式的に示される。
々の変更をなし得ることを理解すべきである。
ものでない例示のみの方法による以下の説明において、付属図面が参照されるで
あろう。
部分図である。
Claims (14)
- 【請求項1】 機械的な水蒸気圧縮の原理で動作し、少なくとも1つの遠心
式圧縮機ユニットを有する圧縮機室と連通しそして凝縮器室と連通する蒸発器−
フリーザー室を備える製氷用ヒートポンプ装置の性能改善方法に於いて、前記方
法が a.より粗い液滴の第1の分離用に、該蒸発器−フリーザー室と該圧縮機室と
の間にルーバー型の第1液滴分離器を提供する過程と、 b.残る微細なスプレーの第2分離用に、該第1液滴分離器の下流にニットメ
ッシュ型の第2液滴分離器を提供する過程と、そして c.前記第1及び第2液滴分離器間に配置されそして前記第1液滴分離器に面
する複数のスプレーノズルから、該蒸気流れに対し向流式に、高水溶性無機塩の
希釈溶液の連続的又は間欠的スプレーを提供する過程とを具備することを特徴と
する製氷用ヒートポンプ装置の性能改善方法。 - 【請求項2】 該高水溶性無機塩のスプレーされた溶液の濃度が重量で約2
%から約6%までにあることを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項3】 前記濃度は重量で約5%であることを特徴とする請求項2の
方法。 - 【請求項4】 前記無機塩はNaClであることを特徴とする請求項1から
3の何れか1つの方法。 - 【請求項5】 5%水溶液が作られる氷の各トン当たり約1kgのNaCl
の量でスプレーされることを特徴とする請求項4の方法。 - 【請求項6】 該蒸発器−フリーザー室から引き出された氷スラリーは氷リ
ッチスラリー又は脱水済み固体氷と”コンセントレート”とに分離され、乏しい
溶解性の塩が該コンセントレートから分離されそして最終NaCl溶液は該スプ
レーノズルへリサイクルされる約5%のNaCl溶液に濃縮されることを特徴と
する請求項4又は5の方法。 - 【請求項7】 前記第1及び第2液滴分離器は該蒸発器−フリーザー室の出
口に又はそれに隣接して水平にそして相互に平行に配置され、該第2液滴分離器
は最も頂部にあることを特徴とする請求項1から6のいずれか1つの方法。 - 【請求項8】 前記請求項の何れか1つの方法に於いて、更に該第1ルーバ
ー型液滴分離器を連続的又は周期的に加熱するための手段が提供されることを特
徴とする請求項1から7のいずれか1つの方法。 - 【請求項9】 機械的な水蒸気圧縮の原理で動作し、少なくとも1つの遠心
式圧縮機ユニットを有する圧縮機室と連通し、そして凝縮器室と連通する、蒸発
器−フリーザー室を基本的に備える製氷用ヒートポンプ装置に於いて、前記装置
は、それが更に、 a.該蒸発器−フリーザー室と該圧縮機室との間に間挿された、ルーバー型の
第1液滴分離器と、 b.該第1液滴分離器の下流のそれに平行な、ニットメッシュ型の第2液滴分
離器と、そして c.前記第1及び第2液滴分離器の間に配置され、前記第1液滴分離器に面し
ており、該蒸気流れに対し向流式に、高水溶性無機塩の希釈溶液の連続的又は間
欠的スプレーを提供出来る、複数のスプレーノズルとを具備することを特徴とす
る製氷用ヒートポンプ装置。 - 【請求項10】 該第1及び第2液滴分離器は該蒸発器−フリーザー室の出
口に又はそれに隣接して配置されることを特徴とする請求項9の装置。 - 【請求項11】 更に、連続的に又は周期的に、前記第1ルーバー型液滴分
離器を加熱するための手段を具備することを特徴とする請求項9又は10の装置
。 - 【請求項12】 更に、氷リッチなスラリー又は脱水済み固体氷と”コンセ
ントレート”とを提供するために該蒸発器−フリーザー室から引き出された氷ス
ラリーを分離するための手段と、前記高水溶性無機塩の希釈水溶液を提供するた
めに乏しい水溶性の塩を前記コンセントレートから分離するための手段と、前記
溶液を該高水溶性無機塩の望まれる濃度まで濃縮するための手段と、そして該最
終の濃縮された溶液を前記スプレーノズルへリサイクルための手段とを具備する
ことを特徴とする請求項9から11のいずれか1つの装置。 - 【請求項13】 実質的に該図面を参照してここに説明された請求項1の方
法。 - 【請求項14】 実質的に該図面を参照してここに説明された請求項9のヒ
ートポンプ装置。
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