JP2005521557A - 海水淡水化プラント用蒸発管 - Google Patents

Abstract

本発明は、海水淡水化プラント用蒸発管であって、これによって、特に、淡水の備蓄が乏しい地域において、飲料水又は工業用水を海から得る蒸発管に関する。本発明による蒸発管は、海水に対する耐性があり、また酸に対する耐性がある鋼で形成されていることを特徴とし、更に、壁部が厚さ０．１ｍｍから０．５ｍｍの間の範囲であることを特徴とする。本発明による蒸発管は、経済的に製造及び使用することが可能であり、また、腐食に対する耐性が大きく、壁部が薄いため、熱伝達が良いことを特徴とし、更に、低ｐＨ値に対する耐性が良いことを特徴とする。更に、蒸発管上における水垢の形成を高い信頼度で防止し得る。従って、本蒸発管は、風力駆動式海水淡水化プラント等の不連続運用式海水淡水化プラントにおいて経済的に用いるのにも適している。

Description

本発明は、海水淡水化システム用の蒸発管であって、これによって、特に、淡水資源が乏しい地域において、それぞれ飲料水又は家庭用若しくは工業用の水を海から抽出する蒸発管に関する。

実際には、蒸留による海水淡水化用の様々なプロセスが受け入れられている。この目的のために用いられる既知のシステムには、多段フラッシュシステム（ＭＳＦ）、多重効用システム（ＭＥ）、並びに機械式（ＭＶＣ）及び熱式（ＴＭＣ）蒸気圧縮システムがある。これら全てにおいて、複数の蒸発管が、海水を蒸発するために、また、蒸発エネルギを回収するために用いられ、これら蒸発管は、通常、例えば、約１０００個の蒸発管からなる一束の蒸発管に組み合わせられる。これらの蒸発管は、流下薄膜型蒸発器の場合のように鉛直方向に、あるいはまた、水平に設置される。

動作時、海水膜が管の外側又は内側に施され、こうして発生した蒸気が、管の他方側に伝わり、そこで、若干高い圧力の下で、従って高い温度で凝縮する。このプロセスで解放された凝縮熱は、管壁部を通って管の他方側に伝わり、そこで、海水膜から対応する量の海水が気化する。

動作条件のために、全てのシステムにおける蒸発管は、海水と蒸留水の双方に対して耐性があると同時に、良好な熱伝達が可能でなければならない。実際の条件下では、アルミニウム合金製の蒸発管並びに銅、ニッケル及び鉄の合金製の蒸発管（ＣｕＮｉＦｅ管）が、従来受け入れられてきた。両材料は、熱伝導度が良好であるという特徴がある。アルミニウム管は、コストは安いが、高くても６０乃至７０°Ｃまでの温度でのみ経済的にまた永続的に用い得る。他方、ＣｕＮｉＦｅ管の場合、ニッケルの割合が大きいため、より高い温度であっても改善された海水耐性を得ることができる。しかしながら、ニッケルの割合が大きくなるにつれて、これらの蒸発管の価格も高くなり、海水淡水化システム全体の経済的な効率が悪くなる。更に、現在用いられる蒸発管の壁部厚さは、通常、２ｍｍであり、これは、管の耐用寿命にプラスの影響を及ぼすが、必要な管の数が多いことから、全海水淡水化システムの重量に極めて大きな影響も及ぼす。これによって、同様な、特に辺鄙な地域にある海水淡水化システムを建設するための物流費用がかなり大きくなる。

更に、腐食耐性に対する必要要件は、このような海水淡水化システムが、様々な一定でない動作条件で運用される場合、特に大きい。ＤＥ３６１３８７１Ａ１に基づくシステムによる実際の経験が示すように、海水淡水化用風力駆動式蒸気凝縮システムにおいて、アルミニウム及びＣｕＮｉＦｅ管は、双方共、一定のエネルギ供給で変動なく運用される対応するシステムにおいてよりも更に極めて急激な衝撃腐食を受け易い。興味のある点として、蒸留物側におけるＣｕＮｉＦｅ管中の衝撃腐食は、海水側より更に大幅に激しいことが分かった。

更に、海水淡水化用風力駆動式蒸気凝縮システムでは、蒸発管上での水垢形成の危険性は、実際の条件下で分かったように、変動なく運用されるシステムよりかなり高い。このことは、明らかに、風がよどんでいる又は弱い期間中は、蒸発管が乾燥するという事実による。対策の目的で一般的に用いられる水垢防止剤は、水垢の形成を遅延する能力が極めて不充分なことから、この問題を解決するには不適切であることが分かった。付着物の効果的防止は、現在では、海水の気化の前に二酸化炭素の形態で酸によって炭酸塩をパージすることによってのみ可能である。このことは、しかしながら、酸の配分誤差のために、酸が過剰に添加されることを予測しなければならず、これに伴って、蒸発管もまた低ｐＨ値においてさえ腐食耐性がなければならないという他の問題を引き起こす。

本発明は、従って、従来技術の欠点を克服しつつ、更に、間欠的に運用される海水淡水化システムでの使用に適するように、海水淡水化システム用の蒸発管を更に開発するという目的に基づく。

この目的は、請求項１の特徴を有する蒸発管を通して達成される。従って、本発明に基づき、初めて、この蒸発管は、海水に対する耐性があって同時に酸に対する耐性がある鋼で形成され、壁部厚さが０．１ｍｍと０．５ｍｍとの間で提供される。

特に、本発明は、初めて、鋼が海水淡水化システムの蒸発管用の材料として適当でないという従来の広く通用している先入観から解放されている。即ち、熱伝導度が通常極めて小さいということから、特別な高合金化鋼のみが海水淡水化システムに存在する条件で必要な腐食耐性を呈すると従来考えられてきた。本発明に基づき、従来提供されていた少なくとも２ｍｍの壁部厚さを、その構成の安定性をほとんど損なうことなく明らかに低減して、このような鋼を用いることが可能であることが今では認識されている。従って、この材料の熱伝導度が小さいという元来存在している欠点は、熱伝導距離を低減することによって改善される。更に、蒸留蒸気から海水膜への熱伝達にとって蒸発管の表面における蒸気又は海水への熱伝達は、管壁部を介した熱伝導よりはるかに重要であるということが本発明の枠組内で認識された。

また、本発明に基づき、初めて、鋼製の蒸発管を用いて海水淡水化システムを経済的に運用することが今や可能であり、更に、これによって、従来の蒸発管の場合より腐食耐性が大幅に高くなる。このような鋼は、更に、低ｐＨ値に対して安定性が高いため、気化プロセスに先立ち、酸が海水に添加されるシステムにおいて用いると有利になり、これによって、蒸発管の水垢防止の信頼性を高め得る。従って、本発明の蒸発管は、また、特に風力駆動式海水淡水化システムに適している。

他の利点は、このような鋼製の管が格安の価格で入手可能なことである。そして、本発明の蒸発管の壁部厚さは、必要な機械的安定性の理由から、最小約０．１ｍｍに制限される。このような極めて薄い管は、特に、管腔の外部より内部において圧力が高いシステム、即ち、管内部において蒸留物が凝縮するシステムに適している。

例えば、従来のＣｕＮｉＦｅ材料と比較して、同様なステンレス鋼の有利な強度特性のおかげで、本発明に基づき、これらは、管腔の外部より内部において圧力が低いシステムにも用い得る。これは、特に、流下式膜蒸発器の場合である。従って、壁部厚さが小さいにも拘わらず、蒸発管の座屈は、本発明に基づき、高い信頼性で、かつ、永続的に回避し得る。

更なる利点は、本発明に基づき小さくなるように選択された壁部厚さのおかげで、蒸発管の重量、従って、海水淡水化システムにおける一束の蒸発管の重量も小さく保ち得ることである。

従って、本発明の蒸発管は、経済的に設置及び使用でき、また、特に、薄い壁部のおかげで良好な熱伝達を有して腐食耐性が大きいという特徴がある。

本発明の有利な開発の所産は、付属の請求項の主題である。

従って、本蒸発管は、ＤＩＮＥＮ１００８８−２（ＵＳＡ；ＡＳＴＭ／ＵＮＳＳ３４５６５）に基づく材料番号１．４５６５Ｓを有する鋼であって、海水に対する耐性が極めて大きい鋼で形成し得る。そして、極めて薄い蒸発管であっても、充分に長い年月の耐用寿命が実現される。この材料は、引っ張り強度Ｒｍ８００乃至１０００Ｎ／ｍｍ^２、少なくとも３０％の破断点での伸び、及び少なくとも４２０Ｎ／ｍｍ^２の０．２％永久極限伸びＲｐ０．２を呈するが、短い名称Ｘ３ＣｒＮｉＭｎＭｏＮｂＮ２３−１７−５−３を有し、実用的な試行では極めて良好な結果を生み出している。

更に、蒸発管の壁部厚さが、０．２ｍｍと０．３ｍｍとの間であれば、通常の用途に対しては最適であることが分かった。このような壁部厚さは、このような蒸発管の機能的な必要要件と作業性との間の良好な妥協点を表している。

蒸発管が金属板で形成され、かつ、溶接によって作製される場合は、特に低コストで提供し得るため、更に有利である。このような鋼板又はリボンは、管構造を作製するために、わずかな技術的費用で所望の通りに成形し溶接され得る。ここでは、特に自動レーザ溶接技術を用いることによって、管と同水準の腐食耐性を有する高品質の溶接縫い合わせ部を生成することが可能であり、従って、接続部が本発明の蒸発管における弱点とはならない。こうして、本発明の蒸発管は、更に低コストで提供し得る。

更に、蒸発管の管端部には、同じ種類の鋼から構成された管底部を接続し得る。このことは、従って、蒸発管を搭載し導くために必要な管底部は、蒸発管と同じ熱膨張係数を有し、また、電気化学的な一連の金属において異なる標準的な電極電位を有する２つの異なる金属材料を用いる場合のように、異なる腐食電位が存在しないという利点を有する。実際の実験において、管端部が、溶接によって、好適には、レーザ溶接によって、管底部と接続されると、特に有利であり、また経済的であることが分かった。壁部厚さが充分な場合、管端部は直接的にも管底部と溶接され得る。ここで更に、管底部は、蒸発管の端部を搭載するための役割を果たすだけでなく、この管底部又はこれらの管底部の幾つかによって、気化する海水のための空間と凝縮された蒸留物のための空間とを互いに分離し得ることを考慮すべきである。このために、プラスチック又はゴムの封止材が、蒸発管と管底部の凹部との間に従来必要であるが、本発明に基づき設けられたこれらの構成要素を溶接することで省略し得る。更に、実際の実験において分かったことは、このような溶接によって、封止材の助けを借りる場合と比較して、海水と蒸留物とのそれぞれの領域の分離がより良く、かつ、信頼性がより高くなることである。従って、トラブルに対する感受性は、このようにして大幅に低減し得る。更なる利点は、海水淡水化システムにおける蒸発管の数に基づく必要な封止材の多くが省略されるため、大幅なコスト上の利点が実現できるという事実にある。

蒸発管の断面が、円形と異なれば、更に有利である。言い換えると、管軸に垂直な切り口又は斜めの切り口の交差線は、場所によって、少なくとも円形又は楕円形とは異なり得るが、このことは、管を成形することによって、例えば、連続的な螺旋を与えることによってもたらし得る。これにより、流下膜に更なる乱流が発生し、これによって、熱伝達を改善し得る。更に、熱伝達の他の改善は、成形によってもたらされる管壁部の表面拡大から生じる。蒸発管におけるこのような形状変更を通して、流下膜が重力によって生じる方向からそれて、これによって、液膜が途絶えることが困難になり、流下膜によって、濡れずに乾いた箇所が形成される危険性が減少する。このように、海水淡水化システムの効率を強化することができ、また更に、蒸発管の壁部上における水垢の危険性が減少する。好適には、管壁部の成形は、蒸発管の設置及びそれらの管底部との接続が問題にならないように実施される。このような事例は、例えば、成形された領域の管直径が、あらゆる場所で、未成形の管直径以下の場合、及び／又は管底部との接続用の領域が成形されない場合である。

本発明の蒸発管は、従って、オプションとして後付けすることによっても、既知の海水淡水化システムに良好に用い得る。更に、このような海水淡水化システムの効率、信頼性、及び耐久性の大幅な改善に寄与する。

例示した実施形態に加えて、本発明は、他の構成の手法も可能である。

従って、ＤＩＮＥＮ１００８８−２に基づく材料番号１．４５６５Ｓを有する鋼の代わりに、同様な特性を有する他の鋼を用いることが可能である。これに対する例は、ＤＩＮＥＮ１００８８−２に基づく材料番号１．４４３９（Ｘ２ＣｒＮｉＭｏＮ１７−１３−５，ＵＳＡ：ＵＮＳＳ３１７２６）及び１．４５３９（Ｘ1ＮｉＣｒＭｏＣｕ２５−２０−５，ＵＳＡ：ＵＮＳＮ０８９０４）を有する鋼である。更に、いわゆる６％Ｍｏ鋼等のオーステナイトステンレス鋼を用いることも可能であり、これらの中には、ＡＬ−６ＸＮ，１９２５ｈＭｏＳＢ８，２５−６Ｍｏ，２５４ＳＭＯ，２０Ｍｏ−６，ＹＵＳ１７０，２４１９ＭｏＮ，Ｂ６６，３１２７ｈＭｏ，６５４ＳＭＯ，また、他には、ＵＮＳＮｏ：Ｎ０８３６７，Ｎ０８９３２，Ｎ０８９２６，Ｓ３１２５４，Ｎ０８０２６，Ｎ０８９２５，Ｓ３１２６６，Ｎ０８０３１，Ｓ３２６５４がある。更に、蒸発管用の材料として、チタン又はチタン合金を用いることが可能である。

蒸発管は、更に、押し出し成形等によっても製造し得る。

Claims (6)

1. 海水淡水化システム用の蒸発管であって、
   海水に対する耐性があり、同時に、酸に対する耐性がある鋼で形成され、また、壁部の厚さが０．１ｍｍから０．５ｍｍの間であることを特徴とする蒸発管。
2. 請求項１に記載の蒸発管であって、
   ＤＩＮＥＮ１００８８−２に基づく材料番号１．４５６５Ｓを有する鋼で形成されていることを特徴とする蒸発管。
3. 請求項１又は２に記載の蒸発管であって、
   壁部の厚さが０．２ｍｍから０．３ｍｍの間であることを特徴とする蒸発管。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の蒸発管であって、
   金属板で形成され、かつ、溶接によって作製されることを特徴とする蒸発管。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の蒸発管であって、
   蒸発管の管端部には、同一の種類の鋼からなる管底部が、特に溶接によって、接続されることを特徴とする蒸発管。
6. 請求項１乃至５のいずれか１つに記載の蒸発管であって、
   蒸発管の断面は、円形とは異なることを特徴とする蒸発管。