JP3681049B2

JP3681049B2 - 乾燥装置の回転攪拌式水蒸気凝縮器

Info

Publication number: JP3681049B2
Application number: JP29251499A
Authority: JP
Inventors: 野俊之日
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2019-10-14
Also published as: JP2001116457A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
乾燥容器と水蒸気圧縮機と余熱用ボイラと水蒸気凝縮器とで構成された水蒸気再圧縮式乾燥装置の回転攪拌式水蒸気凝縮器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生ごみ、汚泥、廃液等の水分を多く含む廃棄物は、貯蔵や運搬に困難を伴い、焼却にも多量の助燃剤を要する難処理物であるが、水分を蒸発させれば減量が可能で、リサイクルの促進も可能になる。また食品や医薬品の生産工程においても、水分蒸発は重要なプロセスとなっている。
【０００３】
このような水分蒸発においては、水の蒸発潜熱が極めて大であるため、莫大な熱エネルギが必要である。従来、化石燃料ボイラからの水蒸気で被乾燥物を加熱したり、温風を作って乾燥させる乾燥装置は知られているが、乾燥後の熱はいずれにしても大気中に放出していた。
【０００４】
かかる放出熱を回収利用して省エネルギ化を実現するために、本出願人はすでに特開平９‐１２６６５２号や特開平１０−１０３８６２号等の技術により、発生した水蒸気を圧縮して凝縮潜熱を回収する方式による乾燥装置を開示している。
【０００５】
これらの技術は、高含水廃棄物を入れた気密断熱容器を予熱し、次いで水蒸気圧縮機を運転して容器内を減圧して１００℃未満で沸騰させ、生じた水蒸気を大気圧以上に加圧することにより１００℃以上で凝縮させ、その潜熱を利用して廃棄物を加熱している。一般に水蒸気を圧縮して凝縮させ潜熱を回収する技術は蒸気再圧縮方式として知られており、大規模なビール醸造工程等に用いられることがあるが、液状物質への適用に限定されており、構造が複雑で運転操作も難しく、プラント規模の大型装置が主体となっていた。
【０００６】
そこで、上記の発明は小規模で実現可能な装置とし、液体だけでなく固形物を含む高含水廃棄物へも適用できるものとして提案されたものであり、従来のボイラの熱で乾燥させる方式では十分に効果を発揮できるものである。
【０００７】
【知見】
本出願人は、その後、上記の発明は水蒸気を冷媒とするヒートポンプとみなすことができる方式（以下、水蒸気ヒートポンプ方式という）であることに注目し、水蒸気ヒートポンプ式乾燥装置の実用化に向けさらに効率を向上するよう種種の技術開発を行い、多くの技術的な課題を確認した。その中で水蒸気ヒートポンプ方式を用いた乾燥装置は単位温度差あたりの熱交換量（以下伝熱能力という）が不足し性能が十分に発揮できない場合が発生することが分かってきた。
【０００８】
さらに、エネルギ効率を評価する成績係数（蒸発熱量を圧縮機入力で除した値であり、以下ＣＯＰという）を二重ジャケット式凝縮器で本出願人等が実測した結果(図８参照)、二重ジャケット内凝縮温度と乾燥容器内沸騰温度の差（図８の横軸）が大きくなるにつれて、実機ＣＯＰが低下することが実証された。例えば被乾燥物が汚泥の場合は、含水率が下がり伝熱能力が落ちるにつれて温度差が増加し、ＣＯＰが低下することになる。
【０００９】
以上の実験計測結果、その他の理論考察等から、水蒸気ヒートポンプ方式乾燥装置では凝縮水蒸気から被乾燥物への伝熱能力を上げて温度差を小さくすることが必要であり、そのためには伝熱面積を大きくすることと被乾燥物との接触性を向上することが極めて重要であるということが分かってきた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、上記の知見に基き、凝縮水蒸気からの熱の伝熱面積が大であり、被乾燥物との接触性がよい水蒸気ヒートポンプ方式乾燥装置の回転攪拌式凝縮器を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、乾燥容器と水蒸気圧縮機と水蒸気凝縮器を主たる構成要素とする水蒸気再圧縮式乾燥装置の回転撹拌式水蒸気凝縮器において、気密の乾燥容器（１）の両端部中央に取り付けられた第１および第２の軸箱（２、３）と、該第１および第２の軸箱（２、３）によりモータにより駆動される内軸（７）と、該内軸（７）と一体に構成される中空軸（８）と前記中空軸（８）と前記軸箱（２、３）との間に設けられたシール（８ａ、８ｂ）と前記中空軸（８）の外周に放射状に取付けられて中空に構成された多数のスポーク（９）と、該スポーク（９）で支持された複数の外径が異なり互いに逆ピッチの金属板袋状構造を同心に配置した中空螺旋部（１０〜１３）と、該中空螺旋部（１０〜１３）の中空部と連通し前記スポーク（９）に穿孔された通気穴（９ａ、９ｂ）とを備えてなり、前記水蒸気圧縮機（３０）の吸入側は前記乾燥容器（１）に接続され、水蒸気圧縮機（３０）からの水蒸気は前記第１の軸箱（２）、中空軸（８）、スポーク（９）を結ぶ通路により、前記中空螺旋部（１０〜１３）に流入され、その凝縮水は前記スポーク（９）、中空軸（８）、第２の軸箱（３）を結ぶ通路により、前記乾燥容器（１）の外部に排出される。
【００１２】
また、本発明によれば、乾燥容器と水蒸気圧縮機と水蒸気凝縮器を主たる構成要素とする水蒸気再圧縮式乾燥装置の回転撹拌式水蒸気凝縮器において、気密の乾燥容器（１）の両端部中央に取り付けられた第１および第２の軸箱（２、３）と、該第１および第２の軸箱（２、３）により回転自在に軸支され、一端が駆動軸（４７）、他端が水蒸気の通路（４８ａ）を有するキャップ（４８）を具備する中空軸（８）と、該中空軸（８）と前記軸箱（２、３）との間に設けられたシール（８ａ、８ｂ）と、前記中空軸（８）の外周に放射状に取り付けられ中空に構成された多数のスポーク（４９）と、該スポーク（４９）で支持される金属製の丸パイプまたは角パイプで構成された複数の外径及び巻き方向が異なるつるまきばね形状のコイル部（４２〜４５）と、該コイル部（４２〜４５）の中空部と連通し前記スポーク（４９）に穿孔された通気穴（４９ａ、４９ｂ）とを備えてなり、前記水蒸気圧縮機（３０）の吸入側は前記乾燥容器に（１）に接続され、水蒸気圧縮機（３０）からの水蒸気は前記第１の軸箱（２）、中空軸（８）、スポーク（４９）を結ぶ通路により、前記コイル部（４２〜４５）に流入され、その凝縮水は前記スポーク（４９）、中空軸（８）、第２の軸箱（３）を結ぶ通路により、前記乾燥容器（１）の外部に排出される。
【００１３】
さらに、本発明によれば、水蒸気凝縮器として働く中空螺旋部の具体的な構造が、パイプをつるまきばね状に曲げ加工したコイル状熱交換器であり、コイル部を構成するパイプは断面形状は円形断面に限定されるものではなく、角断面その他でもよい。
【００１４】
また水蒸気凝縮器の各中空螺旋部は、回転軸の中央部でピッチが逆になるように構成することが好ましい。
さらに、乾燥容器が二重ジャケット構造の水蒸気凝縮器を併用せずに、回転撹拌式水蒸気凝縮器のみを水蒸気凝縮器として用いることもできる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１において、鋼板或いはステンレス鋼板で形成され、真空に耐えるよう構成されている気密容器である円筒状の乾燥容器１は、その両端部中央には、一方の軸箱である第１の軸箱２と他方の軸箱である第２の軸箱３とが取り付けられ、上部に投入口１ａ、下部に排出口１ｂが設けられている。また、乾燥容器１の外側は図示しない耐熱性の断熱材、例えばグラスウール等で覆われている。
【００１６】
そして、第１の軸箱２の外側端部には全体を符合Ｇで示す水蒸気凝縮器の内軸７を軸支するベアリング４とシール４ａとが設けられ、内側端部には中空軸８の外周と当接するシール８ａが取り付けられ、第２の軸箱３の外側端部には内軸７を軸支するベアリング５とシール５ａとが設けられており、内側端部にはシール８ｂが取り付けられるとともに、第２の軸箱３の外側には軸７を駆動するギアードモータ６が取り付けられている。
【００１７】
また、図２を参照して、内軸７と中空軸８とは両端に設けられたプラグ７ａと７ｂとで一体に構成され、プラグ７ａには水蒸気通路２０が設けられ、プラグ７ｂには凝縮水通路２１が設けられている。そして、中空軸８の外周には中空に構成された多数のスポーク９が放射状に（図示の例は一箇所４本宛、１０箇所）取り付けられている。そして、それらのスポーク９にはそれぞれ２箇所に通路穴９ａと９ｂとが穿孔されている。
【００１８】
さらに、図１のＡ−Ａ断面を示す図３を参照して、それらのスポーク９には鋼板またはステンレス鋼板で構成された複数の中空螺旋状部である第１の中空螺旋状部１０とその内周に同芯に取り付けられた第２の中空螺旋状部１１とが互いに逆ねじとなるよう設けられ、かつ、中央部でそれら第1及び第2の中空螺旋部はねじれ方向が逆転するよう構成されている（符号１２、１３で示し、以下特定の場合を除き符号１０と１１とで代表する）。そして、スポーク９に穿孔された通路穴９ａと第１の中空螺旋部１０の中空部とが連通し、通路穴９ｂは第２の中空螺旋部１１の中空部とが連通するよう構成されている。なお、図における符合１２ａ、１３ａは中空螺旋部１２、１３の断面をそれぞれ示している。
【００１９】
そして、第１の軸箱２は水蒸気圧縮機３０を介して通路ａで乾燥容器１に連結され、その通路ａは第１の弁３６を介して余熱用ボイラ３５に連結され、第２の軸箱３は通路ｃで第２の弁３７に、通路ｄにより蒸気トラップ３３に連結されている。
【００２０】
以下、図４を参照して、作用について説明する。
投入口１ａから高含水廃棄物を入れ，蓋を閉じて予熱用ボイラ３５と水蒸気凝縮器Ｇを駆動するギアードモータ６をオンし、第１の弁３６を開とする。水蒸気Ｓ（水蒸気の流れは鎖線で示す）は第１の弁３６、第１の軸箱２、中空軸８、スポーク９及び通路穴９ａ、９ｂを介して第１及び第２の中空螺旋部１０、１１に入り、廃棄物を加熱しながら凝縮し、凝縮水Ｗ（凝縮水の流れは実線で示す）は中空螺旋部１０、１１からスポーク９を介して中空軸８に入り、第２の軸箱３及び蒸気トラップ３３を介して排出され、不凝縮性ガスは第２の弁を介して大気に排出される。
【００２１】
かかる予熱運転により容器１内の被乾燥物を１００℃近くまで加熱した後、第１の弁３６を閉じ、余熱用ボイラ３５を停止し、水蒸気圧縮機３０を運転する。圧縮機３０の運転により容器１内部は減圧され、まず容器内部の空気が排除される。この空気は不凝縮性のため第２の弁３７を開として外部に排出し、空気がなくなれば第２の弁３７を閉じる。第１、第２の弁３６、３７は自動でも手動でもよい。
【００２２】
以上記載の内容は基本的に従来技術と同様の部分であるが、本願の回転攪拌式水蒸気凝縮器においては、水蒸気凝縮器Ｇを構成する第１及び第２の中空螺旋部の表面積が大であり、かつ、複数の逆ねじに構成された中空螺旋部１０、１１が回転して常に新しい被乾燥物に偏りなく接触するため、その伝熱能力は極めて高くなる。そして、中空螺旋部内で凝縮した凝縮水は回転により中空軸８より高い位置にきたときスポーク内を通過して中空軸８に入り第２の軸箱を介して排出されるため、水蒸気通路と凝縮水通路を分離する必要がなく、回転部分を有するにも拘わらず構造簡単であり、安価である。
【００２３】
上記の例では、中空螺旋部は２個で構成されているが、３個以上で構成することができ，上記の実施形態に限定されるものでない。
【００２４】
図５は、本発明の第２実施形態を示し、水蒸気凝縮器Ｇを構成する中空螺旋部に換えてパイプで構成された複数の外径及び巻き方向が異なる気密に構成されたコイル部４２、４３、４４、４５（図示の例は４個のコイル）とし、駆動部分以外は内軸を省略して中空軸８を直接支持するよう構成したこと以外、第１実施形態と同じである。
【００２５】
そして、図６に示すように中央部で巻き方向を逆にするよう配置したパイプで形成されたスポーク４９(図示の例は４本宛、３箇所)が取り付けられた中空軸８を用いている。猶、符合４７はギヤードモータに取り付けられる駆動軸、４８は水蒸気の通路４８ａを有するキャップをそれぞれ示している。
【００２６】
また、図７は図５のＢ−Ｂ断面図を示し、中空シャフト８とスポーク９とにより水蒸気及び凝縮水の通路が形成されることを示し、凝縮水はスポーク９が中空シャフト８より上方に位置しているとき、中空軸に流入するよう構成されている。
【００２７】
作用効果については第１実施形態は粘性が高い被乾燥物の場合にも絡みにくい利点があり、第２実施形態は溶接個所が少なく、内軸を省略しているため安価である。
【００２８】
ボイラーからの水蒸気で乾燥する従来の乾燥装置においても回転撹拌式水蒸気凝縮器を用いる例はあった。しかし従来の回転撹拌式水蒸気凝縮器は簡易なものであり、二重ジャケット式凝縮器の補助として用いられていた。本発明による回転撹拌式水蒸気凝縮器は伝熱性能が良好であるため、二重ジャケット式凝縮器を省略できる利点がある。しかし伝熱能力をさらに強化するために、本発明による回転撹拌式水蒸気凝縮器と二重ジャケット式凝縮器を併用することも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されており、以下の優れた効果を奏することができる。
（１）水蒸気ヒートポンプを熱源とする乾燥装置において、水蒸気凝縮器の伝熱能力を大幅に向上することができる。
（２）乾燥容器を２重壁とする凝縮器のように伝熱面積の上限がなく、大型化しても必要な伝熱面積が確保できる。
（３）凝縮器の伝熱面が移動しているため、常に被乾燥物の湿った面と接触できるので、伝熱能力が向上する。
（４）２重壁を省略できるために容器構造が簡単であり、大気圧より高圧になる水蒸気凝縮器が容器内にあるため安全である。
（５）水蒸気凝縮器が互いに逆ピッチの複数の回転螺旋部で構成されるため攪拌により被乾燥物が偏らず、効率がよい乾燥ができる。また中央部でピッチを逆にすれば排出にも便利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す回転攪拌式水蒸気凝縮器を備えた乾燥装置の全体構成図。
【図２】図１の２重軸とスポークとを示す図。
【図３】図１のＡ−Ａ断面図。
【図４】図１の水蒸気凝縮器の作用を説明する図。
【図５】本発明の別の実施形態を示す回転攪拌式水蒸気凝縮器を備えた乾燥装置の全体構成図。
【図６】図５の中空軸とスポ−クとを示す図。
【図７】図５のＢ−Ｂ断面図。
【図８】凝縮温度差とＣＯＰとの関係を示す計測値グラフ図。
【符号の説明】
１・・・乾燥容器
２・・・第１の軸箱
３・・・第２の軸箱
４、５・・・ベアリング
６・・・ギアードモータ
７・・・内軸
８・・・中空軸
９、４９・・・スポーク
１０、１１、１２、１３・・・中空螺旋部
４２、４３、４４、４５・・・コイル部
３０・・・水蒸気圧縮機
３３・・・蒸気トラップ
３６・・・第１の弁
３７・・・第２の弁

Claims

乾燥容器と水蒸気圧縮機と水蒸気凝縮器を主たる構成要素とする水蒸気再圧縮式乾燥装置の回転撹拌式水蒸気凝縮器において、気密の乾燥容器（１）の両端部中央に取り付けられた第１および第２の軸箱（２、３）と、該第１および第２の軸箱（２、３）によりモータにより駆動される内軸（７）と、該内軸（７）と一体に構成される中空軸（８）と前記中空軸（８）と前記軸箱（２、３）との間に設けられたシール（８ａ、８ｂ）と前記中空軸（８）の外周に放射状に取付けられて中空に構成された多数のスポーク（９）と、該スポーク（９）で支持された複数の外径が異なり互いに逆ピッチの金属板袋状構造を同心に配置した中空螺旋部（１０〜１３）と、該中空螺旋部（１０〜１３）の中空部と連通し前記スポーク（９）に穿孔された通気穴（９ａ、９ｂ）とを備えてなり、前記水蒸気圧縮機（３０）の吸入側は前記乾燥容器（１）に接続され、水蒸気圧縮機（３０）からの水蒸気は前記第１の軸箱（２）、中空軸（８）、スポーク（９）を結ぶ通路により、前記中空螺旋部（１０〜１３）に流入され、その凝縮水は前記スポーク（９）、中空軸（８）、第２の軸箱（３）を結ぶ通路により、前記乾燥容器（１）の外部に排出されることを特徴とする水蒸気再圧縮式乾燥装置の回転撹拌式水蒸気凝縮器。
乾燥容器と水蒸気圧縮機と水蒸気凝縮器を主たる構成要素とする水蒸気再圧縮式乾燥装置の回転撹拌式水蒸気凝縮器において、気密の乾燥容器（１）の両端部中央に取り付けられた第１および第２の軸箱（２、３）と、該第１および第２の軸箱（２、３）により回転自在に軸支され、一端が駆動軸（４７）、他端が水蒸気の通路（４８ａ）を有するキャップ（４８）を具備する中空軸（８）と、該中空軸（８）と前記軸箱（２、３）との間に設けられたシール（８ａ、８ｂ）と、前記中空軸（８）の外周に放射状に取り付けられ中空に構成された多数のスポーク（４９）と、該スポーク（４９）で支持される金属製の丸パイプまたは角パイプで構成された複数の外径及び巻き方向が異なるつるまきばね形状のコイル部（４２〜４５）と、該コイル部（４２〜４５）の中空部と連通し前記スポーク（４９）に穿孔された通気穴（４９ａ、４９ｂ）とを備えてなり、前記水蒸気圧縮機（３０）の吸入側は前記乾燥容器に（１）に接続され、水蒸気圧縮機（３０）からの水蒸気は前記第１の軸箱（２）、中空軸（８）、スポーク（４９）を結ぶ通路により、前記コイル部（４２〜４５）に流入され、その凝縮水は前記スポーク（４９）、中空軸（８）、第２の軸箱（３）を結ぶ通路により、前記乾燥容器（１）の外部に排出されることを特徴とする水蒸気再圧縮式乾燥装置の回転撹拌式水蒸気凝縮器。