JP2013184096A

JP2013184096A - 海水淡水化システムおよびエネルギー回収装置

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Publication number: JP2013184096A
Application number: JP2012050017A
Authority: JP
Inventors: Yoshimizu Takahashi; 圭瑞高橋; Masanori Goto; 正典後藤; Kazuaki Maeda; 和昭前田
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-07
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Abstract

【課題】チャンバーのポート近傍に２枚の多孔板を配置し、多孔板の配置位置と多孔板の開口率を最適な範囲に設定することによりポートから流入する局部的な流れをチャンバー断面で均一にすることができるエネルギー回収装置を提供する。
【解決手段】海水淡水化システムにおいて使用されるエネルギー回収装置であって、チャンバー２０と濃縮海水ポートＰ１と海水ポートＰ２と濃縮海水ポート及び海水ポート近傍にそれぞれ２枚ずつ設置される第１多孔板３１と第２多孔板３２とを備え、第１多孔板３１および第２多孔板３２は、第１多孔板３１の開口率が４５〜６０％、第２多孔板３２の開口率が４５〜６０％、および第１多孔板３１と第２多孔板３２との距離Ｌ２がチャンバー内径の０．５倍以上の３つの条件のうちいずれか１つの条件を満たすように設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、海水から塩分を除去して海水を淡水化する海水淡水化システムおよび海水淡水化システム（海水淡水化プラント）に好適に用いられるエネルギー回収装置に関するものである。

従来、海水を淡水化するシステムとして、海水を逆浸透膜分離装置に通水して脱塩する海水淡水化システムが知られている。この海水淡水化システムにおいては、取水された海水は、前処理装置により一定水質の条件に整えられたのち、高圧ポンプにより加圧され、逆浸透膜分離装置へと圧送され、逆浸透膜分離装置内の高圧海水の一部は、逆浸透圧力に打ち勝って逆浸透膜を通過し、塩分が除去された淡水として取り出される。その他の海水は、塩分濃度が高くなり濃縮された状態で逆浸透膜分離装置から濃縮海水（ブライン）として排出される。ここで、海水淡水化システムにおける最大の運転コストは電力費であり、前処理後の海水を浸透圧に打ち勝てる圧力即ち逆浸透圧まで上昇させるためのエネルギー、つまり高圧ポンプによる加圧エネルギーに大きく依存する。

すなわち、海水淡水化プラントにおける電力費の半分以上は、高圧ポンプによる加圧に費やされることが多い。従って、逆浸透膜分離装置から排出される高塩分濃度で高圧の濃縮海水が保有する圧力エネルギーを、海水の一部を昇圧するのに利用することが行われている。そして、逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを海水の一部を昇圧するのに利用する手段として、円筒の筒内に移動可能に嵌装されたピストンによって円筒の内部を２つの空間に分離し、２つの空間の一方に濃縮海水の出入りを行う濃縮海水ポートを設け、もう一方に海水の出入りを行う海水ポートを設けたエネルギー回収チャンバーを利用することが行われている。

図９は、従来の海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。図９に示すように、取水ポンプ（図示しない）により取水された海水は、前処理装置により浮遊物等が除去されて所定の水質条件に整えられたのち、海水供給ライン１を介してモータＭが直結された高圧ポンプ２へ供給される。高圧ポンプ２で昇圧された海水は吐出ライン３を介して逆浸透膜（ＲＯ膜）を備えた逆浸透膜分離装置４に供給される。逆浸透膜分離装置４は、海水を塩分濃度の高い濃縮海水と塩分濃度の低い淡水に分離し海水から淡水を得る。この時、塩分濃度の高い濃縮海水が逆浸透膜分離装置４から排出されるが、この濃縮海水は依然高い圧力を有している。逆浸透膜分離装置４から濃縮海水を排出する濃縮海水ライン５は、制御弁６を介してエネルギー回収チャンバー１０の濃縮海水ポートＰ１へ接続している。前処理された低圧の海水を供給する海水供給ライン１は、高圧ポンプ２の上流で分岐してバルブ７を介してエネルギー回収チャンバー１０の海水ポートＰ２へ接続している。エネルギー回収チャンバー１０は、内部にピストン１２を備え、ピストン１２はエネルギー回収チャンバー１０内を二つの容積室に分離しながら移動可能に嵌装されている。

エネルギー回収チャンバー１０において濃縮海水の圧力を利用して昇圧された海水は、バルブ７を介してブースターポンプ８に供給される。そして、ブースターポンプ８によって海水は高圧ポンプ２の吐出ライン３と同じレベルの圧力になるようにさらに昇圧され、昇圧された海水はバルブ９を介して高圧ポンプ２の吐出ライン３に合流して逆浸透膜分離装置４に供給される。

上述した従来のエネルギー回収チャンバーにおいては、エネルギー回収チャンバー内のピストンはシリンダ内壁と摺動することになり、ピストンの摺動部材が摩耗するので定期的な交換が必要であり、また長尺のチャンバーの内径をピストンの外形に合わせて精度よく加工する必要があり、加工コストが非常に高価であった。
そのため、本件出願人は、特許文献１において円筒形長尺のチャンバーをエネルギー交換チャンバーとし、チャンバー内に複数の区画された流路を設けて逆浸透膜（ＲＯ膜）から排出される高圧の濃縮海水で直接海水を加圧する方式を採用することにより、ピストンの無い形態のエネルギー回収チャンバーを提案した。

特開２０１０−２８４６４２号公報

特許文献１で開示されているエネルギー回収チャンバーは、濃縮海水ポートと複数の流路の間および海水ポートと複数の流路の間に空間を設け、各空間に流入する際に流体の整流を行う整流手段として多孔板を設けることによって小径のポートから流入する流れを大径のチャンバー内に均一に分散させ複数の区画された流路に均一に流れるようにするものである。
本発明者らは、特許文献１で開示されているような、濃縮海水と海水の界面が濃縮海水と海水の双方の圧力バランスによりチャンバー内を移動する方式のエネルギー回収チャンバーについて、コンピューターシミュレーションによる解析を行い、濃縮海水/海水を給排水する小径のポート（出入口）から大径のエネルギー回収チャンバーに流入する局部的な流れを、チャンバーの軸方向と直交する円形断面内で均一な流れにすることが濃縮海水と海水の混合抑制のキーポイントであることを見出し、いくつかの均一化の構造を検討した。その結果、最もシンプルな構成が２枚の多孔板を各ポートの近傍に配置したチャンバーであることを見出した。

そこで、本発明者らは、２枚の多孔板を配置するための最適な条件を、チャンバー内径、多孔板の配置位置、多孔板の開口率等をパラメータとして流れ解析と実験計画法から導き出すことにより本発明を創案したものである。
すなわち、本発明は、チャンバーの濃縮海水ポート側および海水ポート側にそれぞれ２枚の多孔板を配置し、２枚の多孔板が所定の条件を満たすように設定することにより各ポートから流入する流体の流れをチャンバーの軸方向と直交する断面内で均一にすることができるエネルギー回収装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明のエネルギー回収装置は、ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水の圧力エネルギーに変換するエネルギー回収装置であって、内部に濃縮海水および海水を収容する空間を有し、長手方向を鉛直に配置した円筒形状のチャンバーと、前記チャンバーの下部に設けられ、濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポートと、前記チャンバーの上部に設けられ、海水の給排水を行う海水ポートと、前記チャンバー内において濃縮海水ポート側に配置されるとともに互いに離間して配置された２つの多孔板であって、第１多孔板と、該第１多孔板より前記濃縮海水ポートから離間して配置された第２多孔板と、前記チャンバー内において海水ポート側に配置されるとともに互いに離間して配置された２つの多孔板であって、第１多孔板と、該第１多孔板より前記海水ポートから離間して配置された第２多孔板とを備え、前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側の第１多孔板および第２多孔板は、第１多孔板の開口率が４５〜６０％、第２多孔板の開口率が４５〜６０％、および第１多孔板と第２多孔板との距離が前記チャンバー内径の０．５倍以上の３つの条件のうちいずれか１つの条件を満たすように設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、チャンバーの下部に設けられた濃縮海水ポートから濃縮海水をチャンバー内へ給排水し、チャンバーの上部に設けられた海水ポートから海水をチャンバー内へ給排水する。チャンバー内に流入した濃縮海水は第１多孔板および第２多孔板によって整流され、またチャンバー内に流入した海水は第１多孔板および第２多孔板によって整流される。濃縮海水は海水より比重が高いために比重の差から濃縮海水と海水の境界部が形成され、濃縮海水は海水を押し上げ、濃縮海水と海水を上下に分離しながら２流体の接触する境界部での混合を抑制しながら、高圧の濃縮海水から海水へ圧力伝達を行うことができる。
本発明によれば、チャンバー内の濃縮海水ポート側及び海水ポート側に配置した第１多孔板の開口率、第２多孔板の開口率、および第１多孔板と第２多孔板との間の距離の少なくとも１つを調整することにより、流体の流れを均一にする整流効果を得ることができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側の第１多孔板および第２多孔板は、第１多孔板の開口率が４５〜６０％および第２多孔板の開口率が４５〜６０％の条件を満たすかもしくは、第１多孔板の開口率が４５〜６０％かつ第１多孔板と第２多孔板との距離が前記チャンバー内径の０．５倍以上の条件を満たすように設定されていることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側の第１多孔板および第２多孔板は、第１多孔板の開口率が４５〜６０％、第２多孔板の開口率が４５〜６０％、および第１多孔板と第２多孔板との距離が前記チャンバー内径の０．５倍以上の３つの条件のうちすべての条件を満たすように設定されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記０．５倍以上は、０．５〜０．８倍であることを特徴とする。

本発明の海水淡水化システムは、ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて、前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水の圧力エネルギーに利用変換する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のエネルギー回収装置を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、以下に列挙する効果を奏する。
１）チャンバーの下方から濃縮海水を給排水し、上方から海水を給排水することにより、濃縮海水と海水との比重差を利用して濃縮海水と海水を上下に分離しつつ多孔板による流体の流れを均一化する整流効果によって２流体の接触する境界部での混合を抑制しながら、高圧の濃縮海水から海水へ圧力伝達を行うことができる。
２）チャンバー内での乱流拡散による濃縮海水と海水の混合を抑制でき、濃度の高い海水を逆浸透膜分離装置に送ってしまうことがないので、逆浸透膜分離装置の性能を十分に発揮することができるとともに、逆浸透膜自体の交換周期を長くすることができる。

図１は、本発明の海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。図２は、本発明のエネルギー回収装置に使用されるチャンバーの構成例を示す断面図である。図３は、本発明のエネルギー回収装置に使用される多孔板を示す平面図である。図４は、線形計画法に基づいて得られた流速の解析結果データを示す表である。図５は、６つのパラメータの評価面における流速に対する主効果を表すグラフである。図６は、６つのパラメータの相互間における流速に対する交互作用を示すグラフである。図７は、ＣＦＤにより得られた評価面における速度の等値面分布及びチャンバー内の速度ベクトルを示す図である。図８は、ＣＦＤにより得られた評価面における速度の等値面分布及びチャンバー内の速度ベクトルを示す図である。図９は、従来の海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。

以下、本発明に係るエネルギー回収装置の実施形態を図１乃至図８を参照して説明する。図１乃至図８において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。図１に示すように、取水ポンプ（図示しない）により取水された海水は、前処理装置により前処理されて所定の水質条件に整えられたのち、海水供給ライン１を介してモータＭが直結された高圧ポンプ２へ供給される。高圧ポンプ２で昇圧された海水は吐出ライン３を介して逆浸透膜（ＲＯ膜）を備えた逆浸透膜分離装置４に供給される。逆浸透膜分離装置４は、海水を塩分濃度の高い濃縮海水と塩分濃度の低い淡水に分離し、海水から淡水を得る。この時、塩分濃度の高い濃縮海水が逆浸透膜分離装置４から排出されるが、この濃縮海水は依然高い圧力を有している。逆浸透膜分離装置４から濃縮海水を排出する濃縮海水ライン５は、制御弁６を介してエネルギー回収チャンバー２０の濃縮海水ポートＰ１へ接続している。前処理された低圧の海水を供給する海水供給ライン１は、高圧ポンプ２の上流で分岐してバルブ７を介してエネルギー回収チャンバー２０の海水ポートＰ２へ接続している。エネルギー回収チャンバー２０は、濃縮海水と海水の境界領域によって二流体を分離しながらエネルギー伝達を行うものである。

エネルギー回収チャンバー２０において濃縮海水の圧力を利用して昇圧された海水は、バルブ７を介してブースターポンプ８に供給される。そして、ブースターポンプ８によって海水は高圧ポンプ２の吐出ライン３と同じレベルの圧力になるようにさらに昇圧され、昇圧された海水はバルブ９を介して高圧ポンプ２の吐出ライン３に合流して逆浸透膜分離装置４に供給される。一方、海水を昇圧してエネルギーを失った濃縮海水は、エネルギー回収チャンバー２０から制御弁６を介して濃縮海水排出ライン１７に排出される。
高圧ポンプ２の吐出ライン３の圧力が例えば６．５ＭＰａとすると、逆浸透膜分離装置４のＲＯ膜モジュールの圧力損失で僅かに圧力が低下し６．４ＭＰａの濃縮海水が逆浸透膜分離装置４から排出される。この濃縮海水圧力の圧力を海水に作用すると海水が等圧（６．４ＭＰａ）に昇圧されるが、エネルギー回収装置を流れる際にエネルギー回収装置自体の圧力損失分が低下し、例えば６．３ＭＰａの海水がエネルギー回収装置から排出される。ブースターポンプ８は６．３ＭＰａの海水を６．５ＭＰａの圧力に僅かに昇圧して高圧ポンプ２の吐出ライン３に合流して逆浸透膜分離装置４に供給される。ブースターポンプ８はこのように僅かな圧力損失分を昇圧するだけでよく、ここで消費されるエネルギーは僅かである。

逆浸透膜分離装置４に１０割の量の海水を供給した場合、淡水が得られる割合は４割程度である。他の６割が濃縮海水として逆浸透膜分離装置４から排出されるが、この６割の濃縮海水の圧力をエネルギー回収装置によって海水に圧力伝達して排出することで、ブースターポンプの僅かな消費エネルギーで高圧ポンプ相当量の海水を得ることができる。このため、エネルギー回収装置が無い場合に対して同じ量の淡水を得るための高圧ポンプのエネルギーをほぼ半分にすることができる。

図２は、多孔板を配置したエネルギー回収チャンバーを示す図である。図２に示すように、エネルギー回収チャンバー２０は、長尺の円筒形状のチャンバー本体２１と、チャンバー本体２１の両開口端を閉塞するフランジ２３を備えている。チャンバー本体２１内にはチャンバーＣＨが形成され、一方のフランジ２３の位置に濃縮海水ポートＰ１が形成され、他方のフランジ２３の位置に海水ポートＰ２が形成される。チャンバー本体２１には両端部の外径が中央部より大きな大径部が形成され、ここにスタッドボルト１４が埋め込まれる。スタッドボルト１４はフランジ２３の端部から突出するように固定されており、このスタッドボルト１４にナット１５を締め込むことにより、フランジ２３がチャンバー本体２１に固定される。

本実施形態においては、エネルギー回収チャンバー２０は縦置きに設置されている。すなわち、長尺の円筒形状のチャンバー本体２１は、チャンバーの長手方向（軸方向）が垂直方向に配置されており、濃縮海水ポートＰ１はチャンバーＣＨの下側で濃縮海水を給排水するようにチャンバーの下側に設けられ、海水ポートＰ２はチャンバーＣＨの上側で海水を給排水するようにチャンバーの上側に設けられている。濃縮水ポートＰ１および海水ポートＰ２は、エネルギー回収チャンバー２０の内径Ｄより小径の内径ｄの流路となっている。チャンバーＣＨの全長はＬであり、チャンバーＣＨ内には、濃縮海水ポートＰ１および海水ポートＰ２からそれぞれ軸方向にＬ１だけ離間した位置に第１多孔板３１を配置し、さらに第１多孔板３１から軸方向にＬ２だけ離間した位置に第２多孔板３２を配置している。

図３（ａ）は、第１多孔板３１及び第２多孔板３２を示す平面図である。図３（ａ）に示すように、多孔板３１、３２は円形状の平板に小径の孔ｈが均等間隔で多数形成された、いわゆるパンチングプレートからなっている。多数の小径の孔ｈは千鳥状に配列されている。図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ部の拡大図であり、小径の孔ｈはいわゆる６０°千鳥と呼ばれる配置で、それぞれの孔の中心線の角度αが６０°に交差するような位置に孔が空けられており、孔の直径がφｄｈ、孔の中心間距離（ピッチ）がｐとなっている。このように、各ポートＰ１，Ｐ２の近傍に流体の整流を行う２枚の多孔板３１，３２を配置することによって、小径のポートＰ１，Ｐ２から流入する流れを大径のチャンバーＣＨ内に均一に流入させるようにする。すなわち、多孔板３１および多孔板３２により、各ポートＰ１，Ｐ２からチャンバーに流れ込む局所的な流れを図２のＬａで示す領域において均一になるようにしている。Ｌａで示す領域において流れを均一にする手段としては、２枚の多孔板を配置するのが構成上最もシンプルである。多孔板を２枚配置したのは、１枚では流れの均一化作用が十分ではなく、３枚配置した場合には２枚配置した場合と比較して実質的な差はないということから、多孔板を２枚配置する構成にした。
多孔板は孔の配列、小径の孔ｈの直径φｄｈ、ピッチｐで多孔板の全面積に対する孔の面積の比が計算される。図３に示す６０°千鳥配置の場合、孔の直径φｄｈ、ピッチｐは開口率をＦとすると、Ｆ＝（９０．６×ｄｈ^２）／ｐ^２で計算される。
なお、多孔板は流れに所望の抵抗を与え且つ均一に分散する作用を得る機能を有するものであればよく、別な配置、孔形状の多孔板でもよく、金属線を交互に編みこんだ金属メッシュにすることもできる。

ここで、均一な流れとはチャンバーＣＨ内のある水平断面での流れ速度と方向が一様であることを意味する。すなわち、図２のＬａで示す領域においてチャンバーＣＨ内における縦方向の任意の水平断面（評価面）での流れが図示した矢印の長さを流速、向きを流れ方向とすると、いずれの矢印も同じ長さで同じ向きであることを意味する。この流れはチャンバーＣＨ内に配置した多孔板３１，３２の開口率と２枚の多孔板３１，３２の配置位置により調整可能であり、解析により最適な寸法、多孔板の開口率、配置位置を決定する。
多孔板３１，３２を通って領域Ｌａに均一に流入した濃縮海水と海水は、比重の差により上下に分離しようとし、同時にチャンバー断面積で上下方向に一様な流れが形成されるので、濃縮海水と海水の境界部Ｉが維持され、全体として濃縮海水と海水の境界部Ｉを維持したまま、すなわち濃縮海水と海水の混合を抑制しながら、濃縮海水によって海水を加圧し押し出すことができる。

次に、線形計画法に基づいて得られた流速の解析結果データと解析結果データから導かれる流速の無次元化された標準偏差の主効果と交互作用を説明する。
図４に示す表は、チャンバーの内径、流量、第１多孔板の開口率、第２多孔板の開口率、距離Ｌ１、距離Ｌ２の各パラメータを種々変更した場合における、解析結果を示し、解析結果として評価面における流速分布に基づいた無次元の標準偏差σ／ｍを示すものである。
表中、１項〜３４項までの解析結果は、線形計画法に基づいて得られた結果である。６つのパラメータについてそれぞれ２つのコーナー値を設けたので各パラメータのコーナー値の組み合わせは２^６通り、すなわち６４通り考えられるが、そのうちの３２通りを１項〜３２項に示す。３３項のデータは各パラメータの中心の値での計算結果であり、３４項のデータは１４項におけるＬ２の値を２２５（ｍｍ）から２７５（ｍｍ）に変更して同様に計算した結果を示している。

各パラメータを種々変更し、評価面における流速分布をＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析により求め、平均流速ｍを求めかつ標準偏差σを求める。次に、図４の表に示すように、求めた標準偏差σを平均流速ｍで除して無次元化した標準偏差σ／ｍを求める。無次元化した標準偏差σ／ｍを求めることによって流速分布に対する平均流速の大小による影響をとり除き、評価面における流速分布をより適切に評価することができる。

チャンバーの内径（ｍｍ）の計画点タイプは、最小と最大のコーナーが３００ｍｍ及び４００ｍｍ、中央が３５０ｍｍである。流量（％）の計画点タイプは、エネルギー回収装置の定格処理流量Ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）に対してコーナーをＱ×１００％，Ｑ×１５０％、中央をＱ×１２５％とした。第１多孔板の開口率（％）の計画点タイプは、コーナーが３５．４％及び５３．６％、中央が４４．５％である。第２多孔板の開口率（％）の計画点タイプは、コーナーが３５．４％及び５３．６％、中央が４４．５％である。距離Ｌ１（ｍｍ）及び距離Ｌ２（ｍｍ）の計画点タイプは、コーナーが７５ｍｍ及び２２５ｍｍ、中央が１５０ｍｍである。
第一多孔板および第二多孔板の開口率（％）は、図３におけるφｄｈを５ｍｍ、ｐ＝８ｍｍの場合が３５．４％、φｄｈを５ｍｍ、ｐ＝６．５ｍｍとすれば５３．６％となる。それぞれの多孔板は流れの抵抗となるため、ここで設定した開口率より小さくすると、ここでの圧力損失が大きくなりエネルギー回収効率が低下し、多孔板自体の強度を高くする必要がある。逆に開口率を大きくすると、均一化作用が十分に得られないことから、事前の解析により４５〜６０％が適切であるとして開口率としてこの範囲を設定した。
各パラメータのコーナーの最小値と最大値については、海水淡水化システムで用いられるエネルギー回収装置において想定される最小値と最大値に近い値を上記のように選定して計算している。６つのパラメータについてそれぞれ２つのコーナー値を設けた、本解析では図４の表に示す３２通り（１〜３２項）の各パラメータの組み合わせで解析を行った。
また、１〜３４項すべてにおいて、評価面のチャンバー内での位置は、第２多孔板と評価面との間が１５０ｍｍになるように設定している。

図５は、図４の表に示す各パラメータの評価面における流速の無次元標準偏差σ／ｍの主効果を表すグラフである。グラフ（ａ）は、チャンバー内径の主効果を示し、グラフ（ｂ）は、流量の主効果を示し、グラフ（ｃ）は、第１多孔板の開口率の主効果を示し、グラフ（ｄ）は、第２多孔板の開口率の主効果を示し、グラフ（ｅ）は、距離Ｌ１の主効果を示し、グラフ（ｆ）は、距離Ｌ２の主効果を示している。横軸は各パラメータを表し、縦軸は評価面における流速の無次元標準偏差を表している。
グラフ（ａ）〜（ｆ）において各パラメータのコーナー（最小および最大）における無次元化した標準偏差の平均値をプロットし、プロットした２つの点を直線で結んでいる。中央の四角の点は、中央値であり図４における３３項の値をプロットしたものである。
各パラメータにおいてコーナーの２点を結んだ直線に傾きがある場合には、そのパラメータは流速の無次元標準偏差に対して有意である、すなわち影響があると考えることができる。グラフ（ｂ）、（ｅ）の場合にはコーナーの２点を結んだ直線にほとんど傾きがないことから、流量と距離Ｌ１は流速にほとんど影響を与えないことがわかる。

一方、グラフ（ａ），（ｃ），（ｄ），（ｆ）の場合にはコーナーの２点を結んだ直線に大きな傾きがあることから、流速の無次元標準偏差を小さくするために、グラフ（ａ），（ｃ），（ｄ），（ｆ）の各パラメータにそれぞれ方向性があることがわかる。すなわち、グラフ（ａ）からは、チャンバー内径が小さい方が流速分布のばらつきが小さいことが確認できる。グラフ（ｃ）から、第１多孔板の開口率が大きい方が流速の無次元標準偏差を小さくすることがわかる。グラフ（ｄ）から、第２多孔板の開口率が大きい方が流速の無次元標準偏差を小さくすることがわかる。さらにグラフ（ｆ）から、距離Ｌ２が大きい方が流速の無次元標準偏差を小さくするということがわかる。このように、第１多孔板の開口率、第２多孔板の開口率、距離Ｌ２は、流速の無次元標準偏差に影響を与えることがわかる。

多孔板の開口率については、開口率を小さくしていくとチャンバーの圧力損失になるということを考慮し、かつ整流効果が得られる範囲で開口率の範囲を選択する。第１多孔板及び第２多孔板の中央点の開口率は４４．５％であるので、第１多孔板及び第２多孔板の開口率を約４５％より大きくする。また最大値のコーナー値を５３．６％として解析しており、この値以上であっても流速の無次元標準偏差は減少する傾向にあると考えられるが、開口率が６０％を超えると整流効果が小さくなってしまうため、第１多孔板及び第２多孔板の開口率は約４５〜６０％が好ましい。
距離Ｌ２は中央点で１５０ｍｍであるので、チャンバー内径を３００ｍｍとした場合には、中央点における距離Ｌ２はチャンバー内径の０．５倍となる。図４の表の１４項と３４項のデータからもわかるように距離Ｌ２は大きい方が流速を均一化すると考えられるので、距離Ｌ２はチャンバー内径の約０．５倍以上であることが好ましい。上限値に関しては最大コーナー点では２２５ｍｍであるので、チャンバー内径を３００ｍｍとした場合には、距離Ｌ２はチャンバー内径の０．７５倍となる。すなわち、距離Ｌ２はチャンバー内径の約０．５倍〜０．８倍であることが好ましいといえる。

図６に示す各グラフは、上述の６つのパラメータの相互間における流速の無次元標準偏差への影響度合、交互作用を示すものである。図６に示す各グラフは図４の表に示される解析結果を使用して平均値をプロットし、プロットした２つの点を直線で結んでいる。６つのパラメータから２種類のパラメータを選ぶ組み合わせは１５通りになるので、図６に１５個のグラフで示している。各グラフの縦軸は流速の無次元標準偏差を示し、横軸はそれぞれ各パラメータの最小コーナー点、中央点、最大コーナー点を示している。図６の右端には、上段から下段に向かって、チャンバー内径（ｍｍ）の計画点タイプ、流量（％）の計画点タイプ、第１多孔板の開口率（％）の計画点タイプ、第２多孔板の開口率（％）の計画点タイプ、距離Ｌ１（ｍｍ）の計画点タイプが示されている。

図６中、最上段の５つのグラフをみると、チャンバー内径に対して左から右にチャンバー内径と流量、チャンバー内径と第１多孔板の開口率、チャンバー内径と第２多孔板の開口率、チャンバー内径と距離Ｌ１、チャンバー内径と距離Ｌ２のそれぞれの関係を示している。
最上段左端のグラフを説明すると、チャンバー内径と流量を変化させた場合における流速の無次元標準偏差を示すものであり、丸い点はチャンバー内径が３００ｍｍのもので、菱形の点はチャンバー内径が４００ｍｍのものである。四角の点は中央の値である。このグラフを見ると流速の無次元標準偏差と流量との関係は、内径を変更しても２本の線がほぼ平らになっていて流速の無次元標準偏差に変化が見えない。従って、チャンバー内径と流量との間では相互に影響し合わないことを示している。

ここで、図５の結果を考慮して図６のグラフ中、第１多孔板の開口率、第２多孔板の開口率、距離Ｌ２に着目してみる。１５個のグラフのなかで明らかに交互作用があると考えられる２つのグラフを破線の○で囲っている。
第１多孔板の開口率と第２多孔板の開口率を変化させて流速の無次元標準偏差をプロットしたもの（破線の○で囲む左のもの）では、２つの線の傾きが大きく異なっており、第１多孔板の開口率と第２多孔板の開口率とは、流速の無次元標準偏差に対して交互作用があるということがわかる。すなわち、第１多孔板の開口率が小さくても第２多孔板の開口率が大きければ流速の無次元標準偏差は小さくなる。このグラフからは第１多孔板の開口率も第２多孔板の開口率も大きい方が流速の無次元標準偏差は小さくなることが言える。すなわち、第１多孔板及び第２多孔板の開口率は約４５〜６０％が好ましい。

続いて、第１多孔板の開口率と距離Ｌ２との関係を示すところ（破線の○で囲む右のもの）では、第１多孔板の開口率が変わることによって距離Ｌ２が流速の無次元標準偏差に対して与える影響を示す２本の線の傾きが大きく異なっており、第１多孔板の開口率が距離Ｌ２の流速の無次元標準偏差への影響を大きく変えている。すなわち、第１多孔板の開口率と距離Ｌ２は相互に関係しているということがわかる。ただし第１多孔板の開口率が小さいと距離Ｌ２を大きくしても流速の無次元標準偏差は小さくならない。このグラフからは第１多孔板の開口率が大きく、かつ距離Ｌ２が大きい方が流速の無次元標準偏差は小さくなるということが言える。すなわち、第１多孔板の開口率が約４５〜６０％で、かつ距離Ｌ２はチャンバー内径の約０．５倍以上であることが好ましい。

以上述べたように、第１多孔板の開口率と第２多孔板の開口率の組合せ又は第１多孔板の開口率と距離Ｌ２との組合せを適切に限定することによって、よい結果が得られるということが分かる。
すなわち、図５では、第１多孔板の開口率・第２多孔板の開口率・距離Ｌ２・チャンバー内径が有意なので、図５のグラフと図６のグラフをあわせた結論としては、第１多孔板の開口率と第２多孔板の開口率との組合せ及び第１多孔板の開口率と距離Ｌ２との組合せを制御することにより、流速の無次元標準偏差の値を小さくする、すなわち流速のばらつきをなくすということについて、特に大きな影響を与えるということが分かる。

次に、ＣＦＤにより得られた評価面における流速（無次元）の等値面分布及びチャンバー内の速度ベクトルを図７及び図８に示す。
図７（ａ）は、図４の表における１項のパラメータの場合のＣＦＤ解析による流速の等値面分布である。すなわちチャンバーの内径が３００ｍｍ、流量がＱ×１００％（Ｌ／ｍｉｎ）、第１多孔板の開口率が３５．４％、第２多孔板の開口率が３５．４％、距離Ｌ１が７５ｍｍ、距離Ｌ２が７５ｍｍである場合の評価面におけるＺ軸方向成分（軸線方向成分）の流速の等値面分布を示している。ここではポート内径は１００ｍｍ、ポートの長さは２００ｍｍ、評価面は第２多孔板から１５０ｍｍチャンバー中心に寄った位置、すなわちチャンバー端部より３００ｍｍの位置に設定した。
図７（ｂ）は、図７（ａ）と同じ条件下でのチャンバー内の速度ベクトルを表しており、チャンバーの軸線方向に沿った断面における速度ベクトルである。図中、矢印３１，３２で示す位置はそれぞれ第１多孔板、第２多孔板の位置である。
図７（ａ）から明らかなように、評価面における流速の分布は中心部の高い値（２．２〜２．４）から外周部にいくにつれて低い値になり１４段階の分布を示しており、評価面における流速は不均一である。また、図７（ｂ）のチャンバー内の速度ベクトルからも明らかなように、第１多孔板及び第２多孔板を通った後でもチャンバー内における流体の流れ方向も速度も不均一である。

図８（ａ）は、図４の表における１５項のパラメータの場合のＣＦＤ解析による流速の等値面分布である。すなわちチャンバーの内径が３００ｍｍ、流量がＱ×１５０％（Ｌ／ｍｉｎ）、第１多孔板の開口率が５３．６％、第２多孔板の開口率が５３．６％、距離Ｌ１が７５ｍｍ、距離Ｌ２が２２５ｍｍである場合の評価面におけるＺ軸方向成分（軸線方向成分）の流速の等値面分布を示している。ここではポート内径は１００ｍｍ、ポートの長さは２００ｍｍ、評価面は第２多孔板から１５０ｍｍチャンバー中心に寄った位置、すなわちチャンバー端部より４５０ｍｍの位置に設定した。
図８（ｂ）は、図８（ａ）と同じ条件下でのチャンバー内の速度ベクトルを表しており、チャンバーの軸線方向に沿った断面における速度ベクトルである。図中、矢印３１，３２で示す位置はそれぞれ第１多孔板、第２多孔板の位置である。
図８（ａ）から明らかなように、評価面における流速の分布は中心部から広範囲にわたって一定の値（０．８〜１．０）の分布を示し、その周りも一段階高い値（１．０〜１．２）の分布を示しており、評価面における流速はほぼ均一であるといえる。また、図８（ｂ）のチャンバー内の速度ベクトルからも明らかなように、第１多孔板及び第２多孔板を通った後ではチャンバー内における流体の流れ方向も速度も均一になっていることがわかる。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

１海水供給ライン
２高圧ポンプ
３吐出ライン
４逆浸透膜分離装置
５濃縮海水ライン
６制御弁
７バルブ
８ブースターポンプ
９バルブ
１４スタッドボルト
１５ナット
１７濃縮海水排出ライン
２０エネルギー回収チャンバー
２１チャンバー本体
２３フランジ
Ｐ１濃縮海水ポート
Ｐ２海水ポート
３１第１多孔板
３２第２多孔板

Claims

ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水の圧力エネルギーに変換するエネルギー回収装置であって、
内部に濃縮海水および海水を収容する空間を有し、長手方向を鉛直に配置した円筒形状のチャンバーと、
前記チャンバーの下部に設けられ、濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポートと、
前記チャンバーの上部に設けられ、海水の給排水を行う海水ポートと、
前記チャンバー内において濃縮海水ポート側に配置されるとともに互いに離間して配置された２つの多孔板であって、第１多孔板と、該第１多孔板より前記濃縮海水ポートから離間して配置された第２多孔板と、
前記チャンバー内において海水ポート側に配置されるとともに互いに離間して配置された２つの多孔板であって、第１多孔板と、該第１多孔板より前記海水ポートから離間して配置された第２多孔板とを備え
前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側の第１多孔板および第２多孔板は、第１多孔板の開口率が４５〜６０％、第２多孔板の開口率が４５〜６０％、および第１多孔板と第２多孔板との距離が前記チャンバー内径の０．５倍以上の３つの条件のうちいずれか１つの条件を満たすように設定されていることを特徴とするエネルギー回収装置。
前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側の第１多孔板および第２多孔板は、第１多孔板の開口率が４５〜６０％および第２多孔板の開口率が４５〜６０％の条件を満たすかもしくは、第１多孔板の開口率が４５〜６０％かつ第１多孔板と第２多孔板との距離が前記チャンバー内径の０．５倍以上の条件を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１記載のエネルギー回収装置。
前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側の第１多孔板および第２多孔板は、第１多孔板の開口率が４５〜６０％、第２多孔板の開口率が４５〜６０％、および第１多孔板と第２多孔板との距離が前記チャンバー内径の０．５倍以上の３つの条件のうちすべての条件を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１記載のエネルギー回収装置。
前記０．５倍以上は、０．５〜０．８倍であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエネルギー回収装置。
ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて、
前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水の圧力エネルギーに利用変換する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のエネルギー回収装置を備えたことを特徴とする海水淡水化システム。