JP4974460B2 - 熱伝達のための方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は一般的に、熱を伝達するために水を用いる熱交換器に関し、より特定的に、熱伝達を向上させるために、逆浸透システムを軟水器と組合せて用いる方法およびシステムに関する。

熱を伝達するために水を用いる熱交換器が公知である。これらの熱交換器の２つの例として、ボイラおよびクーリングタワーがある。ボイラによって蒸気が生成されると、またはクーリングタワーから水が蒸発すると、無機質の堆積物が典型的に残される。通常、蒸気または蒸発によって失われた水を補うために追加された水によって、さらに多くの無機物がもたらされる。結局、伝熱面での無機質の堆積物の蓄積は、熱伝達を大幅に妨げるレベルに達し得る。さらに、高濃度の無機物によって熱交換器の腐食がもたらされることにより、熱交換器の効率がさらに低下し得る。

無機質の堆積物の蓄積、たとえばスケールの付着のために提案された１つの解決法は、ブローダウンとして知られるプロセスである。ブローダウンは、熱交換器から無機質の堆積物で飽和された水を排出するプロセスである。このプロセスは熱交換器内の無機質の堆積物のレベルをうまく減じ得るが、典型的にさまざまな新しい問題をもたらす。当業者は、これらの問題は通常、廃棄エネルギー、廃水および水を処理するために用いられる化学物質を含むことを理解するであろう。特に、エネルギーが典型的に廃棄されるのは、排出されたブローダウン水が、ボイラで生成された蒸気と同じ温度を有するからである。さらに、水および化学物質が明らかに廃棄されるのは、排出されたブローダウン水は通常、熱交換器によって再利用されないからである。

提案された別の解決法では、水から望ましくない無機質の堆積物を濾過し、かつ熱交換器から排出された、加熱された水および化学物質の体積を減じるための逆浸透システム（ＲＯシステム）が用いられる。通常、ＲＯシステムは、熱交換器および蒸発池の間で動作可能に接続されている。かなりの量の無機質の堆積物が熱交換器内に蓄積すると、水は典型的に熱交換器からＲＯシステムに渡される。ＲＯシステムは、通常無機質の堆積物を除去し、水の一部を熱交換器へ戻すことにより、加熱された水をリサイクルする。ＲＯシステムはまた、典型的に蒸発池またはさまざまな他の種類の廃棄物槽への水の一部で無機質の堆積物を退ける。

この提案された解決方法の欠点は、比較的過剰な量の水が最終的に熱交換器から排出されるということである。特に、この提案された解決法では、典型的に熱交換器によって再利用されるために、水の約７５％だけがリサイクルされるに過ぎない。蒸発池に排出される残りの水は、上述の以前に提案された解決法と比較すると低い程度ではあるが、廃棄される水、熱および化学物質のかなりの部分に相当する。

したがって、熱交換器によって再利用されるために、加熱された水および化学物質のより多くの部分をリサイクルする熱伝達の方法およびシステムが必要である。

本発明は、使用される水の量およびそれに関連する費用を減じる、熱を伝達するために水を用いるための方法およびシステムを提供する。

本発明はまた、水を処理するために用いられる化学物質および殺生剤の量、およびそれに関連する費用を減じる、熱を伝達するために水を用いるための方法およびシステムを提供する。

本発明はさらに、熱を効率的に保持し、かつエネルギーの損失に関連する費用を減じる、熱を伝達するために水を用いるための方法およびシステムを提供する。

本発明に従うと、熱を伝達するために水を用いるための方法およびシステムが提供される。一実施例において、このシステムは、給水を前処理するための２つの軟水器を含む。軟水器は濾過装置に結合されて、軟水を濾過装置に送る。濾過装置は軟水から無機物を除去して、濾過された水量および退けられた水量を生じる。濾過装置は熱交換器に、たとえばクーリングタワーに結合されて、濾過された水量を熱交換器に送る。熱交換器は濾過された水量を蒸発させ、無機質の堆積物量を生じる。その後で、無機質の堆積物量は、無機質の堆積物の除去のために、ならびにリサイクルされた水量およびブローダウンの水量を生じるために、濾過装置に送られる。リサイクルされた水量は再利用のために熱交換器に送られ、ブローダウンの水量は廃棄物槽に排出される。

本発明の１つの利点は、水のかなりの部分、たとえば９０％がリサイクルされることにより、水の供給および水の排出に関連した費用を減じるということである。

本発明の別の利点は、加熱された水のかなりの部分、たとえば９０％がリサイクルされることにより、熱およびエネルギーが保存され、かつ熱交換器の効率が高められるということである。

本発明のさらに別の利点は、処理された水のかなりの部分、たとえば９０％がリサイクルされることにより、水を所望のｐＨレベルに保持するために必要とされる化学物質の量を減じ、かつそれに関連する費用を減じるということである。

本発明の他の利点は、添付の図面および別掲の特許請求の範囲と関連して考える際に、好ましい実施例の詳細な説明の点に照らして見ると明らかになるであろう。

本発明をより完全に理解するために、ここで添付の図面でより詳細に示され、かつ本発明の例によって以下に記載された実施例を参照すべきである。

以下の図面では、さまざまな図面における同じ構成要素を示すために、同じ参照番号が用いられる。本発明は、特にクーリングタワー１２に適している。しかしながら、本発明はボイラ等のさまざまな他の熱交換器内で用いられてもよいことが理解される。

図１を参照すると、給水を前処理し、かつクーリングタワー１２の効率を向上させるための濾過装置１４および軟水器１６を用いたシステム１０の概略図が示されている。好ましくは、システム１０は、クーリングタワー１２内で熱を伝達するために用いられる前に給水を前処理するための２つの軟水器１６を含む。しかしながら、システム１０は、代わりに１つだけの軟水器１６、または要望に応じて２つを超える軟水器１６を含んでもよい。

軟水器は、イオン交換技術を用いて硬度を除去する。当業者が理解するように、軟水器は、無機物、たとえばカルシウムおよびマグネシウムを水から除去し、これらはさもなけ
れば水が蒸発するとスケールまたは他の堆積物を形成する可能性がある。水の前処理が有益なのは、水が蒸発する前に無機質イオンのかなりの部分を除去することにより、かなりの量のスケールまたは他の堆積物の形成が防がれるからである。広範囲にわたるイオン交換の後で、軟水器はブライン溶液で再生され得る。

好ましくは、均等化槽１８は軟水を受け、所望の水量を保管する。均等化槽１８は、好ましくは軟水を、化学物質供給槽２０または他の好適な供給源から投与された効果的な量の苛性化学物質と混合する。好適な苛性化学物質の例として水酸化ナトリウムおよび硫酸が含まれる。しかしながら、さまざまな他の好適な化学物質が水のｐＨレベルを調整するために用いられてもよいことが理解される。

これらの化学物質は、水と接触した金属の腐食を減じるために、水のｐＨレベルを調整することを目的としている。当該技術で周知のように、腐食は典型的に、その環境と共に起こる電気化学反応による金属の劣化として定義される。水のｐＨレベルを調整することの利益は、腐食を減じることにより、クーリングタワー１２における熱交換器チューブの劣化および予想される破損を減じ、かつクーリングタワー１２の所望のレベルの効率を維持することができるということである。

さらに、均等化槽１８は好ましくは、殺生剤を受けるための殺生剤供給タンク２２に結合される。殺生剤は、塩素、臭素、オゾン、およびさまざまな他の好適な殺生剤、または微生物成長抑制剤であってもよい。効果的な量の殺生剤を均等化槽に注入して、温水における微生物の成長を制御するために水と混合する。そうしなければ、当業者によって理解されるように、クーリングタワー１２における微生物の増殖が制御されないため、熱交換器の汚染、腐食、およびフィルタ、スクリーンまたは膜の目詰まりがもたらされる恐れがある。

濾過装置１４は均等化槽１８に結合され、そこから処理された水を受ける。この濾過装置１４は、好ましくは少なくとも１つの汽水膜を有する逆浸透システムである。しかしながら、如何なる他の好適な濾過装置を用いてもよいことが理解される。

好ましくは、濾過装置１４は、水に残ったかなりの部分の無機物を除去する。無機物を除去することによって、退けられた水量および濾過された水量が生じる。退けられた水量は、水から濾過された無機質の堆積物を含み、蒸発池、下水管またはさまざまな他の好適な槽等の廃棄物槽２４に排出される。この点で、当業者は、濾過装置１４が軟水器１６と類似していることを理解するであろう。なぜなら、それは水における無機物の濃度をさらに減じることにより、クーリングタワーにおけるスケールの付着の量をさらに減じるからである。さらに、当業者は、濾過装置１４が、微生物の成長およびさまざまな他の望ましくない物質を水から除去し得ることを理解するであろう。

クーリングタワー１２は、好ましくは濾過された水量を受けるための濾過装置１４に結合される。当該技術で周知のように、クーリングタワー１２は、所与の供給源から濾過された水に、熱を伝達するために用いられる。典型的に、濾過された水は羽根またはチューブ等の伝熱面に亘って広がり、これらの面からの熱を吸収する。水がこの態様で分配され、かつ温度を上げられると、水が蒸発し、無機質の堆積物に残され得る。軟水器１６および濾過装置１４によって前処理された結果として、水における無機物の量は大幅に減じられ、結果として残された堆積物量が減じられる。この点で、無機質の堆積物はかなり遅い速度でクーリングタワー１２に堆積し得、クーリングタワー内の無機質の堆積物のレベルは比較的長い期間に亘って所望の範囲内に留まり得る。当業者は、これらの結果によって、クーリングタワー１２の効率が向上し、かつその運転費が減じられることを理解するであろう。

クーリングタワー１２における無機質の堆積物のレベルが最終的に所望のレベルを超えるときに、クーリングタワー１２は、無機質の堆積物を含んだ水を濾過装置１４に排出する。濾過装置１４は、無機質の堆積物を含んだ水から無機質の堆積物を濾過して、ブローダウンの水量およびリサイクルされた水量を生じる。退けられた水量と同様に、ブローダウンの水量は廃棄物槽２４に排出される。さらに、リサイクルされた水量は、熱伝達において再利用するためにクーリングタワー１２に戻される。好ましくは、このシステム１０の構造は、水の約９０％の回復を可能にすることができる。上述のように、このような回復は化学物質およびエネルギーの保存に繋がる。

ここで図２を参照すると、本発明の代替の実施例に従った、熱を伝達するために水を用いる別のシステム１０′の例が示されている。好ましい実施例で記載されたシステム１０と同様に、このシステム１０′は１つ以上の軟水器１６を含む。特に、これらの軟水器１６は、給水から硬度を除去するという点で、好ましい実施例で詳細に述べたものと同様に機能する。

図１で詳細に述べたシステム１０とは対照的に、このシステム１０′は、軟水器１６に直接結合されたクーリングタワー１２を含む。さらに、クーリングタワー１２は、クーリングタワー１２内の堆積物のレベルに拘らず、均等化槽１８および濾過装置１４を通って、連続的に水をリサイクルする。代替の実施例の全体的な構成は、図１の実施例とは僅かに異なるが、各々の個々の構成要素、たとえば均等化槽は、双方の実施例で同様に動作する。このシステム１０′の構成は、約９０％の回復率をもたらすことができる。

ここで図３を参照すると、本発明の一実施例に従った、熱を伝達するために濾過装置１４および軟水器１６を用いるための方法を示すフロー図が示されている。この方法は、ステップ３０で始まり、その後すぐにステップ３２に進む。

ステップ３２で、給水は、水からかなりの量の無機物を除去するための１つ以上の軟水器１６を通って処理される。このステップは、自動機械を用いて達成されるか、またはオペレータによって手動で操作されてもよい。軟水器は、好ましくは、ブライン溶液で再生され、代わりにさまざまな他の好適な化学物質によって再生される。軟水器を通って処理された後で、順序はステップ３４に進む。

ステップ３４で、処理された水は均等化槽１８に送られ、ここで効果的な量の軟水が蓄積され保管される。水量は典型的に、クーリングタワーのサイズ、伝熱面の表面積、および水が吸収する熱の量に依存する。次に順序はステップ３６に進む。

ステップ３６で、効果的な量の苛性化学物質が均等化槽における水に追加される。苛性化学物質は、水の腐食性を減じるために、水のｐＨレベルを所望の点に調整する。結果として、化学物質はクーリングタワー１２の寿命および効率を維持するために有益である。この化学物質は、水酸化ナトリウム、硫酸、または水のｐＨレベルを調整することのできるさまざまな他の好適な化学物質であってもよい。さらに、この化学物質の量は、通常、均等化槽１８における水量および水の既存のｐＨレベルに依存する。一旦十分な量の化学物質が追加されると、順序はステップ３８に進む。

ステップ３８で、効果的な量の殺生剤が均等化槽１８における水に追加される。この殺生剤は、水における微生物の成長を制御することを目的とし、金属表面の腐食を減じ、クーリングタワーの効率を維持し、かつフィルタ、スクリーンおよび膜の汚染を減じる。苛性化学物質と同様に、殺生剤の量は典型的に、均等化槽１８における水の量および水中の微生物の増殖のレベルに依存する。好ましくは殺生剤はオゾンである。しかしながら、殺
生剤は、塩素、臭素、または微生物の成長を管理するためのさまざまな他の好適な薬品であってもよい。十分な量の殺生剤が適切に水と混合された後で、順序はステップ４０に進む。

ステップ４０で、水は、さまざまな望ましくない物質を水から除去するために、均等化槽１８から濾過装置１４に運ばれる。濾過装置１４は、汽水膜を有するＲＯシステムであってもよく、代わりにさまざまな他の好適な濾過装置であってもよい。典型的な望ましくない物質は、水中に残る無機物および微生物を含み得る。しかしながら、さまざまな他の望ましくない物質が水から濾過され得ることが理解される。濾過装置１４は水を濾過して、退けられた水量および濾過された水量を生じる。退けられた水量は、好ましくは下水管、蒸発池またはさまざまな他の好適な廃棄物槽に排出される。次に、順序はステップ４２に進む。

ステップ４２で、濾過された水量は、濾過装置１４からクーリングタワー１２に運ばれる。クーリングタワー１２は、ヒートシンクとして水を利用し、通常水を蒸発させる。水が蒸発すると、無機質の堆積物が典型的に残される。軟水器１６および濾過装置１４で水を前処理した結果として、比較的少量の無機質の堆積物のみが沈殿する。この点で、無機質の堆積物は比較的遅い速度でクーリングタワー１２内に蓄積することにより、クーリングタワー１２から水が排出されなければならない頻度が減じられる。クーリングタワー１２から水を排出する頻度を減じることによって、クーリングタワー１２およびその動作に関連する費用の効率が増大する。

一旦望ましくないレベルの無機質の堆積物が最終的にクーリングタワーに蓄積すると、ステップ３４から４２が繰返される。特に、効果的な量の無機質の堆積物を含んだ水は、クーリングタワー１２から均等化槽１８に運ばれることにより、順序をステップ３４から再び開始する。これらのステップを繰返すことによって、かなりの部分の水、たとえば８７−９０％がリサイクルされ、廃棄物槽２４に排出されるべきブローダウン水を比較的少量にすることができる。また、蒸発した水を取り替えるのに必要とされる補給水は少なくてすみ、排出されたものを廃棄物槽２４へのブローダウン水と取り換えるのに必要とされる化学物質および殺生剤も少なくてすむ。

本発明の特定の実施例が示され、記載されたが、複数の変形および代替の実施例が当業者には思い浮かぶであろう。したがって、本発明は別掲の特許請求の範囲の観点においてのみ制限されることが意図される。

本発明の一実施例に従った、熱伝達を向上させるために逆浸透システムおよび軟水器を用いたシステムを示す概略図である。 本発明の代替の実施例に従った、熱伝達を向上させるために逆浸透システムおよび軟水器を用いた別のシステムを示す概略図である。 本発明の一実施例に従った、熱を伝達するために水を用いるためにの一方法の論理的なフロー図である。

Claims (5)

1. 熱を伝達するために水を用いるシステムであって、
   給水を軟水にするための少なくとも１つの軟水器と、
   前記少なくとも１つの軟水器から軟水を受ける熱交換器とを含み、
   前記少なくとも１つの軟水器により処理された水が、第１にそして直接的に前記熱交換器に供給され、
   前記熱交換器は、前記供給された水の一部を蒸発させて、無機質の堆積物を含んだ水量を生じ、
   前記システムはさらに、
   前記熱交換器に結合され、かつ前記無機質の堆積物を含んだ水量を受ける濾過装置を含み、
   前記濾過装置は前記無機質の堆積物を含んだ水量から複数の無機物を除去し、かつ濾過された水量および退けられた水量を生じ、
   前記濾過された水量は前記熱交換器に送られ、
   前記退けられた水量は廃棄物槽に排出され、
   前記熱交換器および前記濾過装置の間に動作可能に接続された均等化槽をさらに含み、
   前記均等化槽は所望のｐＨレベルの水を得るために用いられるシステム。
2. 前記濾過装置は逆浸透システムである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記逆浸透システムは、少なくとも１つの汽水膜を含む、請求項２に記載のシステム。
4. 前記均等化槽は、化学物質供給槽および殺生剤供給槽のうちの少なくとも１つに結合され、前記化学物質供給槽は、前記所望のｐＨレベルの水を得るために、前記均等化槽に苛性化学物質を供給し、前記殺生剤供給槽は、水中の微生物の成長を制御するために、前記均等化槽に殺生剤を供給する、請求項３に記載のシステム。
5. 前記少なくとも１つの軟水器は、第１の軟水器および第２の軟水器を含む、請求項１に記載のシステム。

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