JP2016125471A - エジェクターおよびこれを備えた多重効用造水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
吸引比が向上したエジェクターおよびこれを備えた多重効用造水装置を提供する。
【解決手段】 エジェクターのケーシング内の駆動ガス入口直後に配されたノズル13は、通路径が徐々に小さくなるガス導入部21と、ガス導入部21に連なり通路径が徐々に大きくなるガス排出部22とを有している。ノズル13のガス排出部端面に、周方向に連なる凹凸24が形成されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、エジェクターおよびこれを備えた多重効用造水装置に関する。

一般に商業利用されている多重効用造水装置では、高造水比を実現するために、低圧蒸気の一部を圧縮して高圧の蒸気に転換し、加熱蒸気として再循環利用する。この蒸気の圧縮方式として、エジェクターを用いる方式が知られている（特許文献１）。

エジェクターは、駆動蒸気により低圧蒸気を吸引して高圧蒸気に転換して排出するもので、多重効用造水装置における造水比（消費蒸気量に対する生産水の割合）に影響する特性として、エジェクターの吸引比がある。この吸引比は、被吸引蒸気流量／駆動蒸気流量で表される。

特開２０１２−１４５００６号公報

多重効用造水装置における造水比は、エジェクターの吸引比に大きく左右されるため、大きな造水比を実現するために、エジェクターの吸引比を向上させることが課題となっている。

この発明の目的は、吸引比が向上したエジェクターおよびこれを備えた多重効用造水装置を提供することにある。

この発明によるエジェクターは、駆動ガス入口、被吸引ガス入口および排出ガス出口が設けられたケーシングと、ケーシング内の駆動ガス入口直後に配されたノズルとを備え、被吸引ガス入口から導入されたガスを駆動ガスによって昇圧するエジェクターにおいて、ノズルは、通路径が徐々に小さくなるガス導入部と、ガス導入部に連なり通路径が徐々に大きくなるガス排出部とを有しており、ノズルのガス排出部端面に、周方向に連なる凹凸が形成されていることを特徴とするものである。

ノズルは、例えばラバルノズルと称されている超音速ノズルのガス排出部端面に、周方向に連なる凹凸が形成されているものとされる。

駆動ガスは、ノズル内をガス導入部からガス排出部に向かって流れ、中間に径が小さい部分（絞り部）があることで、ノズルからの噴流が高速（具体的には例えば超音速）となる。これにより、被吸引ガス入口から吸入された被吸引ガスが昇圧（加熱）される。そして、ノズルのガス排出部端面に周方向に連なる凹凸が形成されていることにより、噴流の表面積が拡大される。これにより、噴流のエントレインメント（引き込み）が増加し、エジェクターの性能が向上する。

ノズルからの噴流が超音速であることが好ましい。このようにすると、例えば、多重効用造水装置において、下流側の蒸発室の蒸気を取り出して最上流側の蒸発室に供給するエジェクター（サーモコンプレッサー）として使用するのに適したものとなる。

ノズルのガス排出部の形状は、ノズルの特性曲線に基づく形状であることが好ましい。特性曲線は、ノズル内部で衝撃波を相殺させ、ノズル出口からの噴流が中心軸に平行となるような曲線で、この曲線を回転させることで、ノズルの曲面が形成される。ノズルの出口を絞った形状にすると、ノズル出口からの噴流の量が減少するため好ましくない。

ノズルのガス排出部端面の凹凸は、切込加工によって形成されていることが好ましい。このようにするには、ノズルの特性曲線に基づく形状のノズルを形成した後、その端部を切削および／または研削すればよい。

凹凸の形状については、特に限定されないが、ノズルの中心軸に対して軸対称の形状とすることが好ましい。

ノズルのガス排出部端面の凹凸は、波状とされていることがより好ましい。波の形状は、例えば正弦波とされるが、これに限定されるものではなく、軸対称形状を満たす種々の形状のものが可能である。

この発明による多重効用造水装置は、内部に蒸気を通すための複数の伝熱管が水平方向に並列に配された伝熱管束と、伝熱管束にその上方から海水を散布する散布手段と、散布手段により各伝熱管の外表面に形成された海水の膜と、各伝熱管内を流れる蒸気との熱交換により、各伝熱管内にて生成された水を回収する水回収部とを有する複数の蒸発室を備え、各蒸発室は、熱交換により前記膜より発生した蒸気を、隣接する下流側の蒸発室へ供給可能なように直列に接続されており、最上流側の蒸発室に蒸気供給手段によって加熱された蒸気が供給される多重効用造水装置において、蒸気供給手段は、下流側の蒸発室の蒸気を取り出して最上流側の蒸発室に供給するエジェクターを備えており、該エジェクターが上記のいずれかに記載のものとされていることを特徴とするものである。

多重効用造水装置のエジェクターでは、ノズルにおいて、駆動蒸気が有する熱エネルギーが運動エネルギーに変換されて超音速流が生じ、ノズルのガス排出部出口の後流において、蒸気が低圧になることにより、被吸引ガス入口から蒸気が吸引され、その被吸引蒸気と駆動蒸気とがディフューザー部で混合されて中圧の蒸気となる。

多重効用造水装置においては、造水比の向上が課題となっており、その蒸気供給手段で使用されるエジェクターのノズルが、通路径が徐々に小さくなるガス導入部と、ガス導入部に連なり通路径が徐々に大きくなるガス排出部とを有し、ノズルのガス排出部端面に周方向に連なる凹凸が形成されているものとされることで、エジェクターの吸引比が向上し、多重効用造水装置の造水比が向上する。

この発明のエジェクターによると、ノズルのガス排出部端面に周方向に連なる凹凸が形成されていることにより、噴流の表面積が拡大され、噴流のエントレインメント（引き込み）が増加することで、性能が向上する。

図１は、この発明による多重効用造水装置の１実施形態を示す図である。 図２は、この発明によるエジェクターの１実施形態を示す縦断面図である。 図３は、この発明によるエジェクターで使用されるノズルの拡大斜視図である。 図４は、ノズルのガス排出部の形状を示す図である。 図５は、この発明によるエジェクターと従来のものとを比較した計算結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。

図１は、この発明によるエジェクター(11)が好適に使用される１例である多重効用造水装置(1)を示している。

多重効用造水装置(1)は、複数段の効用（蒸発室）(2A)(2B)(2C)と、供給海水を加熱する海水加熱手段としての復水器(5)、予熱器(6)および真空装置(7)と、下流側の効用(2B)の蒸気を取り出して最上流側の第１効用(2A)に供給する蒸気供給手段としてのエジェクター(11)とを備えている。

各効用(2A)(2B)(2C)について、第１効用を符号(2A)、最終効用を符号(2C)、これら以外の中段の効用を符号(2B)で示す。

各効用(2A)(2B)(2C)は、内部に蒸気を通すための複数の伝熱管(3a)が水平方向に並列に配された伝熱管束(3)と、伝熱管束(3)にその上方から海水を散布する散布手段としてのノズル(4)とを有している。

原料となる海水は、復水器(5)において蒸気との熱交換により予熱されて、最終効用(2C)のノズル(4)に送られ、さらに、予熱器(6)により加熱されて、中段の効用(2B)のノズル(4)に送られ、さらに、真空装置(7)により加熱されて、第１効用(2A)のノズル(4)に送られる。

ノズル(4)からの散布により各伝熱管(3a)の外表面に形成された海水の膜は、各伝熱管(3a)内を流れる蒸気によって加熱され、蒸発して蒸気となる。各効用(2A)(2B)(2C)は、膜より発生した蒸気を隣接する下流側の効用(2A)(2B)(2C)へ供給可能なように直列に接続されている。蒸気は、ミストを捕集するためのデミスター(8)を介して各効用(2A)(2B)(2C)の伝熱管(3a)内に送り込まれ、伝熱管(3a)外の海水によって冷却されて真水となる。このサイクルが第１効用(2A)から最終効用(2C)まで繰り返し行われる。各効用(2A)(2B)(2C)は、補給海水が沸騰するように減圧されており、第１効用(2A)から最終効用(2C)まで順次低くなっている。生産水は、生産水ポンプ(9)で抜き出されて水回収部としてのボックス（図示略）に回収される。

エジェクター（サーモコンプレッサーと称されることもある）(11)は、駆動蒸気により低圧蒸気を吸引して昇圧して排出するもので、これにより、後段の効用(2B)で発生した低温／低圧の蒸気の一部を圧縮して循環利用することができる。

効用数をｎ、加熱蒸気を１として、エジェクター(11)で蒸気を抜き出す効用を第ｍ効用、吸引される蒸気量をＤとすると、エジェクター(11)出口（排出側）の蒸気量は、１＋Ｄとなる。この蒸気量が各効用(2A)(2B)に供給され、第１効用(2A)では、１＋Ｄの加熱蒸気が凝縮すると同時に、供給海水が蒸発して等量の蒸気が発生する。以下、第ｍ効用(2B)まで等量の蒸気が凝縮し生産水となる。第ｍ効用(2B)では、Ｄの蒸気がエジェクター(11)に吸引されるので、これ以降では、各効用(2B)において、１の蒸気が凝縮して生産水となり、供給海水より１の蒸気が発生する。第１効用(2A)にて凝縮した水のうち１（加熱蒸気量と同量）を蒸気復水としてボイラーに返却するものとすれば、ｎ段でトータルｎ＋ｍＤの量だけの生産水が得られる。したがって、エジェクター(11)を使用することで、ｍＤ分生産水が増加し、高い造水比が実現される。

エジェクター(11)を備えた多重効用造水装置(1)では、造水比は、エジェクター(11)の吸引比に大きく左右される。吸引比は、被吸引蒸気の流量（ｋｇ／ｓ）／駆動蒸気の流量（ｋｇ／ｓ）と表され、このエジェクター(11)の吸引比を向上させることが、大きな造水比を実現する上で極めて重要である。

エジェクター(11)は、図２に示すように、駆動ガス入口(14)、被吸引ガス入口(15)および排出ガス出口(16)が設けられたケーシング(12)と、ケーシング(12)内の駆動ガス入口直後に配されたノズル(13)とを備えている。

ケーシング(12)は、吸引チャンバー部(12a)と、吸引チャンバー部(12a)の下流側のスロート部(12b)と、スロート部(12b)の下流側のディフューザー部(12c)とを有している。駆動ガス入口(14)および被吸引ガス入口(15)が吸引チャンバー(12a)に設けられている。ノズル(13)は、吸引チャンバー部(12a)の内部に、同軸状に配置されている。吸引チャンバー部(12a)の下流側の端部は、下流にいくにしたがって径が徐々に小さくなっており、この端部にスロート部(12b)が連なっている。スロート部(12b)は径が一定であり、その下流側の端部にディフューザー部(12c)が連なっている。ディフューザー部(12c)は、下流にいくにしたがってテーパ状に径が大きくなっており、スロート部(12b)よりも軸方向の長さが長くなっている。ディフューザー部(12c)の下流側端部の開口が排出ガス出口(16)とされている。

駆動ガス入口(14)には、駆動蒸気が導入され、被吸引ガス入口(15)には、被吸引蒸気が導入される。ノズル(13)において、駆動蒸気が有する圧力エネルギーが運動エネルギーに変換されて超音速流が生じ、ノズル(13)の出口下流側において蒸気が低圧になることにより、被吸引ガス入口(15)から蒸気が吸引され、その被吸引蒸気と駆動蒸気とがケーシング(12)内で混合されて中圧の混合蒸気となる。混合蒸気は、スロート部(12b)およびディフューザー部(12c)を経て外部に排出される。

ノズル(13)は、ラバルノズル(Laval nozzle)と称されているもので、図３にも示すように、外周面が円筒面とされて、内周面に所要の通路(13a)が形成されている。ノズル(13)は、通路径が徐々に小さくなるガス導入部(21)と、ガス導入部(21)に連なり通路径が徐々に大きくなるガス排出部(22)とを有している。ガス導入部(21)とガス排出部(22)との境界部分に、通路径が最小となる絞り部(23)が設けられている。

ノズル(13)の通路(13a)は、軸対称形状を有している。図４に示すように、ガス排出部(22)の通路は、始まり部(22a)と、始まり部(22a)と変曲点(22c)で連なる終わり部(22b)とからなり、ノズルの特性曲線に基づく形状とされている。

始まり部(22a)では、通路の断面積変化率が正であり、終わり部(22b)では、通路の断面積変化率が負となっている。つまり、始まり部(22a)と終わり部(22b)とは、ノズル形状曲線の変曲点(22c)で分けられている。終わり部(22b)の曲線が所要形状に設定されていることで、始まり部(22a)で発生した膨張波が中心軸を超えて反対側のノズル壁面にぶつかるとき、ノズル壁面で発生する圧縮波と相殺されて消滅し、結果的に、ｘ軸（中心軸）に平行な超音速流が得られる。

このようなノズル(13)においては、ガス導入部(21)の開口から導入された駆動ガスは、最初は、音速以下の速度で進み、ノズル(13)の通路径が狭まっていくことで圧縮かつ加速され、ノズル断面積が最小の絞り部(23)でその速度が音速となる。その後、断面積が広がることで、駆動ガスは膨張し、その速度が超音速になる。

従来知られているラバルノズルは、その両端面がいずれも平坦面とされているのに対し、この発明のエジェクター(11)では、ノズル(13)のガス排出部(22)端面に、周方向に連なる凹凸(24)が形成されている。超音速流を得るためには、噴流の形状が中心軸に対して軸対称となることが必要であり、凹凸(24)は、周方向に等間隔、すなわち、軸対称の波状に形成されることが好ましい。

図３には、凹凸(24)の１例として、複数（図示は８つ）の波からなる正弦波とした例が示されている。凹凸は、例えば鋸歯状の形状の凹凸など、正弦波以外の軸対称の波としてもよい。

凹凸(24)は、例えば、端面が平坦面のラバルノズルに切削および／または研削などによる切込加工を施すことで形成される。切込加工は、適宜な刃および／または砥石を用いることで実施できる。

図５は、従来のラバルノズル（比較例）と図３に示したノズル(13)（実施例）についての計算結果をプロットしたものであり、横軸に面積比、縦軸に吸引比を示している。面積比は、ノズル(13)の開口部面積／ノズル(13)の絞り部(23)の面積であり、実施例において、ノズル(13)の開口部面積は、凹凸(24)の中央部における面積（全ての凹の底を通る円の面積と全ての凸の頂を通る円の面積との平均）としている。

なお、実施例および比較例の計算に用いたノズル(13)の開口部の内径(d)はいずれも２７ｍｍであり、ケーシング(12)のスロート部(12b)の内径はいずれも６８．２ｍｍである。また、実施例の凹凸(24)の凹の底から凸の頂までの高さ(h)は５．４ｍｍである。その他の計算条件は表１に示すとおりである。

図５に示す計算結果から、比較例に比べて、実施例の方が高い吸引比を示すことが分かる。したがって、このノズル(13)を備えたエジェクター(11)を多重効用造水装置(1)に適用することで、大きな造水比を得ることが期待できる。

上記エジェクター(11)が設けられる効用段は、任意に変更することができ、従来のエジェクターを使用している多重効用造水装置(1)に比べて、後段に設置することがより好ましい。多重効用造水装置(1)は、海水の淡水化に使用できるほか、例えば発電設備を付設することで、発電および造水の両方を行う複合設備として使用することもできる。

なお、上記エジェクター(11)は、多重効用造水装置(1)において好適に使用されるほか、空気極，電解質，及び燃料極を備えた複数の単セルよりなる燃料電池スタックと、空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料ガス供給手段に供給される燃料ガスを水蒸気改質反応により改質する水蒸気改質手段と、燃料電池スタックの発電動作により燃料極より排出された燃料極排出ガスの一部を水蒸気改質手段に供給される燃料ガスの供給経路に再循環させる燃料極排出ガス再循環手段とを備えている燃料電池システムにおいて、燃料極排出ガス再循環手段として使用することもできる。

(1) 多重効用造水装置
(2A)(2B)(2C) 蒸発室
(3) 伝熱管束
(3a) 伝熱管
(4) ノズル（散布手段）
(11) エジェクター
(12) ケーシング
(13) ノズル
(14) 駆動ガス入口
(15) 被吸引ガス入口
(16) 排出ガス出口
(21) ガス導入部
(22) ガス排出部
(24) 凹凸

多重効用造水装置のエジェクターでは、ノズルにおいて、駆動蒸気が有する圧力エネルギーが運動エネルギーに変換されて超音速流が生じ、ノズルのガス排出部出口の後流において、蒸気が低圧になることにより、被吸引ガス入口から蒸気が吸引され、その被吸引蒸気と駆動蒸気とがディフューザー部で混合されて中圧の蒸気となる。

ノズル(13)は、ラバルノズル(de Laval nozzle)と称されているもので、図３にも示すように、外周面が円筒面とされて、内周面に所要の通路(13a)が形成されている。ノズル(13)は、通路径が徐々に小さくなるガス導入部(21)と、ガス導入部(21)に連なり通路径が徐々に大きくなるガス排出部(22)とを有している。ガス導入部(21)とガス排出部(22)との境界部分に、通路径が最小となる絞り部(23)が設けられている。

Claims (5)

1. 駆動ガス入口、被吸引ガス入口および排出ガス出口が設けられたケーシングと、ケーシング内の駆動ガス入口直後に配されたノズルとを備え、被吸引ガス入口から導入されたガスを駆動ガスによって昇圧するエジェクターにおいて、
   ノズルは、通路径が徐々に小さくなるガス導入部と、ガス導入部に連なり通路径が徐々に大きくなるガス排出部とを有しており、
   ノズルのガス排出部端面に、周方向に連なる凹凸が形成されていることを特徴とするエジェクター。
2. ノズルからの噴流が超音速であることを特徴とする請求項１のエジェクター。
3. ノズルのガス排出部の形状がノズルの特性曲線に基づく形状であることを特徴とする請求項１または２のエジェクター。
4. ノズルのガス排出部端面の凹凸は、ノズルの中心軸に対して軸対称の波状とされていることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載のエジェクター。
5. 内部に蒸気を通すための複数の伝熱管が水平方向に並列に配された伝熱管束と、伝熱管束にその上方から海水を散布する散布手段と、散布手段により各伝熱管の外表面に形成された海水の膜と、各伝熱管内を流れる蒸気との熱交換により、各伝熱管内にて生成された水を回収する水回収部とを有する複数の蒸発室を備え、各蒸発室は、熱交換により前記膜より発生した蒸気を、隣接する下流側の蒸発室へ供給可能なように直列に接続されており、最上流側の蒸発室に蒸気供給手段によって加熱された蒸気が供給される多重効用造水装置において、
   蒸気供給手段は、下流側の蒸発室の蒸気を取り出して最上流側の蒸発室に供給するエジェクターを備えており、該エジェクターが請求項１から５までのいずれかに記載のものとされていることを特徴とする多重効用造水装置。

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