JP2015071151A - 太陽熱真空蒸留装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽熱を有効利用して、海水を加熱蒸留することによって、エネルギー効率に優れた太陽熱真空蒸留装置を提供する。
【解決手段】太陽熱真空蒸留装置において、真空蒸留部は、海水容器と、淡水容器と、導管内に真空を発生するトリチェリー真空発生器とを備え、冷温水配管から熱を受け取り、冷媒水蒸気を発生する蒸発器と、蒸発器から発生する冷媒水蒸気を吸収液に取り込む吸収器と、吸収器から取り出される吸収液を再生するための熱源温水再生器、高温再生器、及び低温再生器と、熱源温水凝縮器と高温再生器と低温再生器で発生する冷媒水蒸気を液体に凝縮する、熱源温水凝縮器及び凝縮器とを備え、制御部は、高温再生機の燃料燃焼量を制御する。
【選択図】図１

Description

本開示は、太陽熱と真空を用いることで、化石燃料使用量を最小限にできる、熱効率が高い蒸留を行う海水淡水化装置に関する。

古来、海水の淡水化は加熱蒸留により行われてきた。この方法によると大きな水の潜熱（６１０ｋＷｈ／ｍ３）を化石燃料の燃焼等により与える必要があった。また、大気圧下での水の沸点は１００℃であり、この温度まで海水温を高め維持するためには、十分な断熱構造が必要であった。

近年、限外濾過膜（以下、ＲＯ膜）の進歩により、海水を加熱せずにフィルタリングのみで淡水化することが可能となり、淡水化に必要なエネルギは大幅に減少した（大型淡水化施設であれば、３〜５ｋＷｈ／ｍ３程度）。反面、ＲＯ膜は目づまりによる寿命の問題があり、頻繁なフィルタ交換はメンテナンスコストの増大という問題を発生している。

加熱蒸留において使用エネルギを低減させる手法として、真空蒸留技術がある。図５に特許文献１にしめされた、真空蒸留装置の構成図を示す。

図５において、真空タンク１０３の内部に、海水容器１０７と、淡水容器１１１とが配置される。海水容器１０７及び淡水容器１１１とは導管１１２により接続される。圧力計４２により、真空タンク１０３の内部圧力が計測される。

真空タンク１０３の内部空間は、海水容器１０７の水面と別の海水タンク（下部海水容器１２７とも表記する。）の水面差により真空になる（トリチェリーの真空）。

ヒートポンプ１５４を用いて、海水容器１０７中の海水と、淡水容器１１１中の淡水との間の温度差により、海水容器１０７中の海水の蒸気圧が真空度を上回る段階で沸騰が発生する。発生した蒸気は導管１１２を通して淡水容器中の淡水１１１の表面に至り液化する。下部淡水容器１３０を経由して、増量した淡水を回収することで、海水の淡水化できる。

図６に、特許文献２に開示されている吸収冷温水機の構成図を示す。家庭用エアコン等で利用するヒートポンプはモータ動力を入力とする。図６に示す吸収冷温水機は、熱エネルギーが駆動源として投入される。

図６は、図示しない室内ユニットに冷水または温水を熱操作流体として循環供給して冷暖房などを行うことのできる、ガスバーナによる燃焼方式の燃焼装置を用いた、二重効用吸収式冷凍機の構成図であり、冷媒に水を、吸収液に臭化リチウム（ＬｉＢｒ）水溶液を使用している。

図中、ガスバーナ１Ａを備えた高温再生器１と、低温再生器２と、凝縮器３と、蒸発器４と、吸収器５と、低温熱交換器６と、高温熱交換器７と、吸収液管８、９、１０、１１と、吸収液ポンプ１３と、冷媒配管１４〜１８と、冷媒ポンプ１９と、図示しない室内ユニット（即ち、冷暖房装置）に循環供給する冷水または温水が流れ、途中に伝熱管４Ａを備えた冷温水配管２２と、途中に伝熱管５Ａおよび伝熱管３Ａを備え、冷却水が流れる冷却水配管２３と、冷却水配管２３の冷温水出口に設置され、ここを流れる冷温水の温度を検出する温度センサ３０と、ガスバーナ１Ａなどを有する燃焼装置４０と、マイクロコンピュータで構成する制御部５０と、を備えている。

米国特許第７８１１４２０号明細書 特開２０１２−７７８４号公報

ところで、特許文献１で開示される真空蒸留技術におけるヒートポンプの動力は、電力であり、太陽熱を直接利用していない。

また、特許文献２で開示される吸収冷温水器は、ガスバーナを動力とするヒートポンプであるが、太陽熱を利用していない。

以上より、本開示は、太陽熱を有効利用しながら海水を加熱蒸留することによる淡水化を提供する。さらに、蒸留容器中を真空に保つことにより放熱等による損失を防ぐことが可能で、熱利用効率を高める。また、吸収冷温水機を用いることにより、太陽が照らない曇天や夜間においても、蒸留が継続できる海水淡水化装置を実現する。

前記目的を達成するために、本開示は以下のように構成する。

真空蒸留容器と吸収冷温水機と太陽熱温水器を接続してなる太陽光を利用して海水を淡水化する太陽熱真空蒸留装置において、前記真空蒸留容器は海水を保持する海水容器と、淡水を保持する淡水容器と、両者を接続する導管と、前記導管内に真空を発生するトリチェリー真空発生器からなり、前記吸収冷温水機は、冷温水配管が前記真空蒸留容器の前記淡水容器に熱交換機を介して接続され、冷却水配管が前記真空蒸留容器の前記海水容器に熱交換機を介して接続され、熱源温水配管が前記太陽熱温水器に接続され、前記冷温水配管から熱を受け取る蒸発器と、前記蒸発器から発生する水蒸気を吸収液に取り込む吸収器と、前記吸収器から取り出される前記吸収液を再生するための熱源温水再生器と高温再生器と低温再生器と、前記熱源温水凝縮器と前記高温再生器と前記低温再生器で発生する水蒸気を液体に凝縮する、熱源温水凝縮器と凝縮器を配管接続して備え、前記高温再生機の燃料燃焼量を制御する制御部を有することで、太陽熱を利用しながら海水を真空中で加熱蒸留する太陽熱真空蒸留装置を提供する。

本開示の前記態様によれば、海水を加熱蒸留して淡水化する装置において、太陽光を用い、なおかつ、水の自重を利用したトリチェリーの真空を利用することで、投入エネルギー量の少ない太陽熱真空蒸留が可能となる。また、燃料と太陽熱を併用することで、太陽が照らない曇天や夜間においても淡水化を継続して行うことが可能となる。

実施形態に係る太陽熱真空蒸留装置を示す構成図。 実施形態に係る太陽熱真空蒸留装置の運転手段の構成を示すブロック図。 実施形態に係る太陽熱真空蒸留装置の運転アルゴリズムを示すフローチャートを示す図。 実施形態に係る運転制御方法を具体的に説明するためのグラフを示す図。 従来の真空蒸留装置を示す構成図。 従来の吸収冷温水機を示す構成図。

以下に、本開示にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する前に、本開示の種々の態様について説明する。

本開示の第１態様によれば、真空蒸留容器と吸収冷温水機と太陽熱温水器を接続してなる太陽光を利用して海水を淡水化する太陽熱真空蒸留装置において、前記真空蒸留容器は海水を保持する海水容器と、淡水を保持する淡水容器と、両者を接続する導管と、前記導管内に真空を発生するトリチェリー真空発生器からなり、前記吸収冷温水機は、冷温水配管が前記真空蒸留容器の前記淡水容器に熱交換機を介して接続され、冷却水配管が前記真空蒸留容器の前記海水容器に熱交換機を介して接続され、熱源温水配管が前記太陽熱温水器に接続され、前記冷温水配管から熱を受け取る蒸発器と、前記蒸発器から発生する水蒸気を吸収液に取り込む吸収器と、前記吸収器から取り出される前記吸収液を再生するための熱源温水再生器と高温再生器と低温再生器と、前記熱源温水凝縮器と前記高温再生器と前記低温再生器で発生する水蒸気を液体に凝縮する、熱源温水凝縮器と凝縮器を配管接続して備え、前記高温再生機の燃料燃焼量を制御する制御部を有することで、太陽熱真空蒸留装置を提供する。

本開示の前記態様によれば、太陽熱を利用しながら海水を真空中で加熱蒸留することが可能となるため、再生可能エネルギの利用と熱利用効率の向上により、化石燃料の使用量減らすことが可能になる。

本開示の第２態様によれば、前記制御部は、前記淡水容器と前記海水容器の温度測定手段を有し、前記海水容器の温度と前記淡水容器の温度差が一定の基準値近傍になるように、高温再生機の熱量を調整することを特徴とする太陽真空蒸留装置を提供する。

本開示の前記態様によれば、必要以上の温度差を真空蒸留容器に提供することを避けることができ、この結果、吸収冷温水機の動作効率（ＣＯＰ）を高く維持することが可能とり、省エネ運転を行うことが可能となる。

本開示の第３態様によれば、前記制御部は、前記導管の圧力測定手段を有し、前記導管の圧力が、前記海水容器の温度から算出される水の蒸気圧より大きくなった場合は、装置異常と判断して運転を停止することを特徴とする太陽熱真空蒸留装置を提供する。

本開示の前記態様によれば、導管・海水容器・淡水容器内の気密が崩れ、水蒸気以外のガスが侵入した際、早めに警報を発することが可能となり、適切なタイミングで修理やメンテナンスを行うことが可能となる。

以下に、本開示にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１に、太陽熱真空蒸留装置を示す。図１に示す太陽熱真空蒸留装置は、太陽熱温水器２０１と、吸収冷温水機２１０と、真空蒸留器２１２と、制御部５０とを備える。

太陽熱温水器２０１は、太陽熱を吸収し、吸収した太陽熱の熱エネルギーにより温水が生成される。

太陽熱温水器２０１は、吸収冷温水機２１０に温水を供給する。具体的には、吸収冷温水機２１０の熱源温水入口２０２及び熱源温水出口２０３を介して、温水が供給される。

吸収冷温水機２１０は、冷却水入口２０６及び出口２０７を介して、真空蒸留部２１２の海水容器１０７の熱交換器２１６に温熱を供給する。また、吸収冷温水機２１０は、冷温水出口２０８及び入口２０９を介して、淡水容器１１１内の熱交換器２１７に、冷熱を供給する。

次に、図１を用いて吸収冷温水機の動作の概要を説明する。

蒸発器４の内部圧力は、真空（例えば、６ｍｍＨｇ）に保たれている。そのため、熱交換機２１７へ送る水が流れる伝熱管上４Ａに冷媒（水）を散布すると、水は５℃で蒸発して、伝熱管４Ａ内を流れる水から熱を奪う（気化熱の利用）。伝熱管４Ａの流入時の温度は１２℃、流出時の温度は７℃である。

吸収器５内には吸収液（臭化リチウム）が散布されていて、蒸発器４で発生した水蒸気を吸収する。吸収する際に発生する吸収熱は、伝熱管５Ａ内を流れる冷却水によって、外部へ運び出される。

高温再生器１において、吸収器５で水蒸気を含んで薄くなった吸収液を、ガスバーナ１Ａにより加熱・濃縮して元の濃さに戻し、同時に蒸発器４で蒸発した分の冷媒（水蒸気）を再生する。

凝縮器３において、伝熱管内３Ａを流れる冷却水によって、高温再生器１で再生された冷媒（水蒸気）を液体の水に戻す（凝縮）。流出した冷却水は海水容器１０７を暖めるように循環する。凝縮した水は再び蒸発器４へと流れ、流出した冷温水は淡水容器１１１を冷やすように循環する。

次に、太陽熱温水器が加わった吸収冷温水機の動作を詳しく説明する。

太陽熱温水器２０１で生成される温水は、吸収冷温水機２１０内の熱源温水再生器２０５へと移動し、吸収器５で水蒸気を含んで薄くなった吸収液を加熱・濃縮して元の濃さに戻す。さらに、熱源温水再生器２０５で生成された冷媒（水蒸気）は熱源温水凝縮器２０４にて冷却され、液体の水に戻る（凝縮）。

冷却管２１３で太陽熱を吸収した冷却水は、冷却管５Ａでさらにガスバーナ１Ａからの熱を吸収し、高温になった状態で熱交換機２１６へ至る。海水容器１０７中の海水へ熱交換された熱は蒸発熱として利用される。

例えば、日中の天候がよく太陽熱が多く回収できるときは、高温再生器１におけるガス加熱を大幅に引き下げることが可能となり、省エネ運転となる。なお、太陽熱が受け取れない曇天や夜間にも、ガス加熱を継続することで、連続的な淡水生成が可能となる。

図２において、制御部５０は、ＣＰＵ５１、インターフェーイス５２、メモリ５３などを備えており、各ポンプ１３、１９、２１８、２１９、２２０、２２１、及び２２２、開閉弁２７、２８、及び２９などと接続されている。また、制御部５０は、温度計２１４及び温度計２１５、燃料バルブの制御用モータ４３、点火装置４４、ブロア４５、点火用パイロット４６などと接続されている。なお、図１では、電気的な接続関係を理解し易くするために、本開示に関係する要素のみの電気的接続が破線で記載されている。

図３を用いて、制御部の動作フローを説明する。まず、動作開始とともに、淡水容器１１１と海水容器１０７の温度を測定する（ステップ３０１）。

予め設定した温度差より大きい場合、ヒートポンプの動作が過剰であると判断し（ステップ３０２）、ガスバーナ１Ａの燃焼量をワンステップ絞り込む（ステップ３０３）。

また、温度差が設定した温度差より小さい場合、投入する熱量が小さいと判断し、ガスバーナ１Ａの燃焼量をワンステップ増やす（ステップ３０４）。

熱平衡に達するまで時間待ちをした後（ステップ３０５）、圧力計１４２により導管１１２内の真空度も測定する（ステップ３０６）。

測定された真空度と、温度計２１４により計測された海水温度に相当する水の蒸気圧とを比較する（ステップ３０７）。

蒸気圧よりこの値が大きくなっている場合は、真空漏れが発生していると判断して、機械の運転を停止、オペレータに対してエラーを発生する（ステップ３０８）。以上の制御ループを正常運転中は繰り返す。

図４を用いて、本制御アルゴリズムによる機械の運転状態の変化を具体的に説明する。

本グラフは４日間の終夜運転状況を表している。初日は日の出後に曇天が一日続き、２日目は曇りのち晴れ、３・４日目は晴天であった。装置の運転は図３のアルゴリズムに従い、ガス燃焼２５１は常時おこなわれるため、夜間も一定量の淡水生成量３２０がある。日が昇り太陽熱２５２が増大するに従い、真空蒸留部２１２への熱供給量の総和が増大し、この結果、ガス燃焼量２５１は絞り込まれていく。本図にしめして条件設定においては、曇天時では、ガス燃焼が途絶えることはないが、晴天時には、ガス燃焼量２５２がゼロ以下になるように制御指令があたえられ、結局のところ燃焼は停止状態２５２Ａとなる。日が陰るにつれて、再度ガス燃焼が再開し、淡水生成量２５３は最低のレベル３２０をキープする。逆に、太陽熱量２５２が大きく増大した時には、淡水の生成量は２５３Ａのように最低保証量３２０を上回る。

本実施形態の一態様によれば、トリチェリーの真空を利用した真空蒸留部と、太陽熱温水器を熱源とする吸収冷温水機とを接続することにより、太陽熱を駆動源としたヒートポンプを構成し、真空蒸留部内の海水容器に熱を与えて海水を沸騰させ、同じく前記真空蒸留部内の淡水容器から熱を奪い水蒸気を凝縮させる。

以上により、本実施形態によれば、太陽熱とガス加熱を併用することにより電力に依存しない真空蒸留が可能となる。また、トリチェリーの真空を利用するために真空ポンプも不要となる。さらに、真空中で沸点が低下することを利用して、海水部と淡水部の温度差を低く抑え、ヒートポンプのＣＯＰを１以上に高め、熱利用効率を高めることが可能となる。また、海水容器１０７、淡水容器１１１、導管１１２の断熱構造を簡素化する効果もある。

本開示の太陽熱真空蒸留装置は、太陽日射量の多い地域における再生可能エネルギを利用した淡水化プラント向けに有用である。また、太陽日射量が少ない地域であっても、ヒートポンプの原理から、化石燃料の燃焼熱を効率的に淡水化につなげることが可能である。

１Ａ ガスバーナ
１ 高温再生器
２ 低温再生器
３ 凝縮器
４ 蒸発器
５ 吸収器
６ 低温熱交換器
７ 高温熱交換器
２０４ 熱源温水凝縮器
２０５ 熱源温水再生器
８、９、１０、１１ 吸収液管
２７、２８、２９ 開閉弁
４５ ブロア
５０ 制御部
１０７ 海水容器
１１１ 淡水容器
１１２ 導管
２１６、２１７ 熱交換器
１２７ 下部海水容器
１３０ 下部淡水容器
２１４、２１５ 温度計
４２、１４２ 圧力計
２０１ 太陽熱温水器

Claims (3)

1. 真空蒸留部と、吸収冷温水機と、太陽熱温水器と、制御部とを備え、太陽光を利用して海水を淡水化する太陽熱真空蒸留装置において、
   前記真空蒸留部は、
   海水を保持する海水容器と、
   淡水を保持する淡水容器と、
   前記海水容器と前記淡水容器との間を接続する導管と、
   前記導管内に真空を発生するトリチェリー真空発生器とを備え、
   前記吸収冷温水機は、
   冷温水配管と、
   冷却水配管と、
   熱源温水配管と、
   前記冷温水配管から熱を受け取り、冷媒水蒸気を発生する蒸発器と、
   前記蒸発器から発生する前記冷媒水蒸気を吸収液に取り込む吸収器と、
   前記吸収器から取り出される前記吸収液を再生するための熱源温水再生器、高温再生器、及び低温再生器と、
   熱源温水凝縮器と前記高温再生器と前記低温再生器で発生する前記冷媒水蒸気を液体に凝縮する、熱源温水凝縮器及び凝縮器とを備え、
   冷温水配管が真空蒸留容器の前記淡水容器に熱交換機を介して接続され、
   冷却水配管が前記真空蒸留容器の前記海水容器に熱交換機を介して接続され、
   前記熱源温水配管が前記太陽熱温水器に接続され、
   前記熱源温水凝縮器及び凝縮器とが配管を介して接続され、
   前記制御部は、前記高温再生機の燃料燃焼量を制御する、
   太陽熱真空蒸留装置。
2. 前記制御部は、
   前記淡水容器と前記海水容器の温度測定手段を有し、
   前記海水容器と前記淡水容器の温度差が所定の基準値より小さい場合には、前記高温再生機の熱量を大きくし、前記海水容器と前記淡水容器の温度差が所定の基準値より大きい場合には、前記高温再生機の熱量を小さくする、
   請求項１記載の太陽熱真空蒸留装置。
3. 前記制御部は、さらに、前記導管の圧力を測定する圧力測定手段を有し、
   前記制御部は、前記圧力測定手段が測定した前記導管の圧力が前記海水容器の温度から算出される水の蒸気圧より大きくなった場合は、異常と判断して運転を停止する、
   請求項１又は２記載の太陽熱真空蒸留装置。

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