JP7055053B2 - 分離ユニット及びそれを備えた熱回収システム - Google Patents

Description

ここに開示された技術は、分離ユニット及びそれを備えた熱回収システムに関する。

例えば、特許文献１には、蒸気混じりの空気が流れるパイプ内に冷却水を噴射して、蒸気を凝縮させる分離ユニットが開示されている。発生した凝縮水と冷却水とは、管路を介してパイプから排出される一方、空気等の凝縮しない流体は、パイプを通過していく。

特開２００７－１３９２１８号公報

ところで、このような分離ユニットにおいては、蒸気が混じりの空気からより多くの蒸気を分離させると共に、蒸気を分離後の空気からより多くの水を分離させることが求められる。例えば、蒸気の凝縮により発生したドレン（復水）は、多くの熱量を有するため、より多くの蒸気を分離させることは、より多くの熱を回収することにつながる。

ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、蒸気混じりの空気からより多くの蒸気及び水を分離させることにある。

ここに開示された分離ユニットは、蒸気混じりの空気が流入する流入部と、前記流入部から流入する蒸気混じりの空気に水を噴射する噴射部と、蒸気混じりの空気と水との混合流体から水を分離する分離器とを備え、前記分離器は、前記混合流体を旋回させながら水を分離する旋回流路を有している。

ここに開示された熱回収ユニットは、前記分離ユニットと、水から熱を回収する熱交換器と、前記分離ユニットにおいて分離された水を前記熱交換器に供給すると共に、前記熱交換器を通過後の水を前記噴射部に供給する循環ユニットとを備える。

前記分離ユニットによれば、蒸気混じりの空気からより多くの蒸気及び水を分離させることができる。

前記熱回収システムによれば、蒸気混じりの空気からより多くの蒸気及び水を分離させることができ、ひいては、より多くの熱を回収することができる。

図１は、熱回収システムの概略構成を示す配管系統図である。 図２は、分離器の平面図である。 図３は、図２のIII－III線における分離器の断面図である。

以下、例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、熱回収システム１００の概略構成を示す配管系統図である。

熱回収システム１００は、蒸気混じりの空気から蒸気を凝縮させてドレン（復水）として分離し、発生したドレンから熱を回収するシステムである。熱回収システム１００は、蒸気混じりの空気から蒸気を凝縮させると共に、空気と水とを分離する分離ユニット１０と、分離ユニット１０において分離された水から熱を回収する熱交換器７０と、分離ユニット１０において分離された水を熱交換器７０に供給すると共に、熱交換器７０を通過後の水を分離ユニット１０に供給する循環ユニット８０と、分離ユニット１０から排出される空気に含まれる水分を取り除く徐水ユニット９０とを備えている。

分離ユニット１０は、容器１１と、容器１１に設けられ、蒸気混じりの空気が流入する流入部１２と、流入部１２から流入する蒸気混じりの空気に水を噴射する噴射部１３と、蒸気混じりの空気と水との混合流体から水を分離する分離器２０とを有している。

容器１１は、有底の略円筒状に形成されている。容器１１の側周壁の比較的上部に、流入部１２が設けられている。流入部１２には、蒸気使用装置（図示省略）等から廃棄された蒸気が空気と共に流通する蒸気管が接続されている。流入部１２は、容器１１に開口している。蒸気混じりの空気は、流入部１２を介して容器１１内に流入する。

容器１１の天井の中央に噴射部１３が設けられている。噴射部１３は、ノズルによって形成されている。噴射部１３は、容器１１の軸心を中心とする円錐状に下方に向かって水を噴射する。噴射部１３は、流入部１２よりも高い位置に配置されている。噴射部１３は、流入部１２から容器１１内に流入してくる蒸気混じりの空気に水を吹きかける。これにより、噴射部１３は、空気中に含まれる蒸気を凝縮させる。

分離器２０は、容器１１内において、流入部１２よりも下方の位置に配置されている。詳しくは後述するが、分離器２０は、旋回流路２２が形成された本体２１と、旋回流路２２を通過後の空気を排出する排気管２３とを有している。分離器２０の旋回流路２２には、蒸気混じりの空気に水が噴射された後の混合流体が流入する。旋回流路２２は、混合流体を旋回させながら、混合流体から水を分離する。尚、分離後の空気には、蒸気が残留している場合や、水の一部が水滴（ミスト）として混ざっている場合もある。

分離後の空気は、排気管２３を介して、容器１１、即ち、分離ユニット１０から排出される。排気管２３は、容器１１の側周壁を貫通している。排気管２３は、接続管９１を介して徐水ユニット９０に接続されている。分離後の水は、容器１１の下部（即ち、分離器２０よりも下方の部分）に溜まる。

熱交換器７０は、熱が回収される水が流通する流路７１と、流路７１を流通する水から熱を回収する冷却水が供給される給水管７２と、熱を回収後の温水が排出される排水管７３とを有している。流路７１には、分離ユニット１０からの水が循環ユニット８０によって供給される。流路７１を通過した水は、循環ユニット８０によって再び分離ユニット１０に戻される。給水管７２からの冷却水は流路７１を通過する水から熱を回収し、温水として排水管７３から排出される。

循環ユニット８０は、分離ユニット１０と熱交換器７０を接続する排水管８１と、熱交換器７０と分離ユニット１０の噴射部１３を接続する給水管８２と、排水管８１に設けられた電動ポンプ８３とを有している。排水管８１の上流端は、分離ユニット１０の容器１１の底に接続されている。排水管８１の下流端は、熱交換器７０の流路７１の上流端に接続されている。給水管８２の上流端は、熱交換器７０の流路７１の下流端に接続されている。給水管８２の下流端は、噴射部１３に接続されている。電動ポンプ８３を作動させることによって、分離ユニット１０と熱交換器７０との間を水が循環する。詳しくは、分離ユニット１０の容器１１の底に溜まった水が排出され、熱交換器７０に供給される。熱交換器７０で熱が回収された水は、噴射部１３に供給され、噴射部１３から容器１１内に噴射される。噴射された水は、最終的に容器１１の底に再び溜まる。

徐水ユニット９０は、分離ユニット１０の排気管２３から排出される空気に含まれる水分を取り除く。図示を省略するが、例えば、徐水ユニット９０は、容器と、容器内に配置されたコイル状の伝熱管とを有している。伝熱管には冷却水が流通している。容器には、排気管２３から排出される空気が接続管９１を介して流入する。この空気が蒸気又は水滴を含んでいる場合には、空気が伝熱管と接触することによって、蒸気が凝縮し、又は、水滴が伝熱管に付着し、空気が徐水される。徐水後の空気は、排気管９２を介して徐水ユニット９０から排出される。一方、徐水により発生した水は、排水管９３を介して徐水ユニット９０から排出される。排水管９３の下流端は、排水管８１に接続されている。つまり、徐水ユニット９０によって取り除かれた水は、循環ユニット８０によって回収される。

ここで、分離器２０の詳細な構成について説明する。図２は、分離器２０の平面図である。図３は、図２のIII－III線における分離器２０の断面図である。図２，３では、排気管２３を省略している。

分離器２０の本体２１は、軸Ｘを軸心とする略円筒状に形成されている。本体２１は、容器１１の側周壁に嵌っており、容器１１を上下に仕切っている（図１参照）。本体２１の中央を排気管２３が貫通している。排気管２３は、軸Ｘに沿って延びている。排気管２３の上流端は、下方に向かって開口している。排気管２３は、本体２１から上方に延びた後、側方に屈曲して、容器１１の側周壁を貫通している（図１参照）。

本体２１には、排気管２３を囲むように６本の旋回流路２２が形成されている。旋回流路２２は、排気管２３の周囲を旋回するように配置されている。旋回流路２２は、軸Ｘを中心とする円弧状に、且つ、上方から下方へ傾斜するように（即ち、鉛直方向に対して傾斜するように）延びている。一の旋回流路２２の特に下流側の部分は、別の旋回流路２２の上流側の部分の下方に延びている。旋回流路２２の上流端は上方に開口し、旋回流路２２の下流端は下方に開口している。

続いて、このように構成された分離ユニット１０及び熱回収システム１００の動作について説明する。

分離ユニット１０においては、蒸気混じりの空気が流入部１２を介して容器１１内に流入する。このとき、噴射部１３は、電動ポンプ８３の作動により水を下方に向かって噴射している。噴射された水は、流入部１２から流入した蒸気混じりの空気に吹きかけられる。空気と蒸気と水の混合流体は、噴射された水の流れに乗って下方へ流れていく。このとき、蒸気の少なくも一部は、水が吹きかけられることによって凝縮してドレンとなる。つまり、混合流体のうちの水は、噴射部１３から噴射された水と凝縮して発生したドレンとが含まれる。

混合流体は、分離器２０の旋回流路２２に流入する。混合流体は、旋回流となって旋回流路２２を通過する（図２，３の太矢印参照）。通過後の混合流体は、容器１１のうち分離器２０の下方の空間へ流入する。このとき、旋回流路２２は、混合流体を旋回させることによって混合流体を撹拌し、蒸気の凝縮を促進する。また、旋回流路２２は、混合流体を旋回させることによって、混合流体に遠心力を作用させ、混合流体から水を分離させる。つまり、混合流体が旋回流路２２に流入してしばらくは、遠心力もそれほど大きくないので撹拌機能が優位となり、蒸気と水のミキシングが促進される。混合流体の旋回が続くと、やがて遠心力が大きくなり、水が軸Ｘを中心とする半径方向外側へ離れて行く。こうして、旋回流路２２から流出してくる混合流体では、水が半径方向の比較的外側に位置し、空気が半径方向の比較的内側に位置した状態となっている。

ここで、分離器２０は、本体２１の中央を貫通する排気管２３を有し、旋回流路２２は、排気管２３の周囲を旋回するように配置されている。このため、旋回流路２２の旋回半径（軸Ｘを中心とする半径）が大きくなり、ひいては、水に作用する遠心力が大きくなる。その結果、より多くの水を分離することができる。

こうして分離された水は、容器１１の底に溜まっていく。この水は、蒸気が凝縮したドレンを含むため、比較的高温になっている。一方、分離された空気は、容器１１の底に溜まった水の上方の空間に滞留する。尚、この空気には蒸気が混じっている場合もあるが、その量は、流入部１２からの流入時と比較して大幅に減っている。この空間には、排気管２３の上流端が開口している。そのため、滞留する空気は、排気管２３の上流端から上方へ向かって排気管２３内に流入する（図３の二点鎖線の矢印参照）。

ここで、旋回流路２２からは、旋回流路２２の延長方向に水が流出する。そのため、旋回流路２２から流出する水は、容器１１の側周壁に沿って流れる。排気管２３の上流端は、容器１１の中央に設けられているので、容器１１の側周壁から比較的離れている。これにより、排気管２３に流入する空気が巻き込む水の量が低減される。

このように、分離ユニット１０は、蒸気混じりの空気中の蒸気を凝縮させつつ、空気と水とを分離する。

分離されて容器１１の底に溜まった水は、電動ポンプ８３の作動により、排水管８１を介して排水される。排水管８１を流通する水は、熱交換器７０に供給される。排水管８１から流路７１に流入した水は、給水管７２から供給される冷却水と熱交換する。冷却水は、流路７１の水から熱を回収して温水となり、排水管７３を介して排出される。こうして、分離ユニット１０で分離された水から熱が回収されていく。

流路７１を通過した水は、流路７１に流入する前に比べて温度が低下している。温度が低下した水は、給水管８２を介して噴射部１３に供給され、噴射部１３によって容器１１内に噴射される。噴射された水は、前述の如く、蒸気を凝縮させた後、分離器２０で分離され、容器１１の底に再び貯留される。このように、容器１１に溜まった水は、循環ユニット８０によって分離ユニット１０と熱交換器７０との間で循環させられる。

一方、排気管２３から排出された空気は、徐水ユニット９０に流入する。容器１１の下部には旋回流路２２を通過した水が次々に落下してくるので、容器１１の下部に貯留されている水の上方の空間には水滴（ミスト）が舞っている可能性がある。そのため、この空間に滞留している空気には、水滴が混ざっている可能性がある。また、旋回流路２２を流出後の空気は、旋回流路２２の通過時に水と撹拌されているので、多少の水滴が混ざっている可能性もある。このように、排気管２３から排出される空気は、水分を含んでいる場合がある。徐水ユニット９０は、排気管２３から排出される空気から水分を取り除く。水分が取り除かれた空気は、排気管９２を介して排出される。一方、取り除かれた水は、電動ポンプ８３の作動により、排水管９３を介して循環ユニット８０に回収される。

こうして、熱回収システム１００は、蒸気混じりの空気から蒸気を凝縮させてドレンとして分離し、発生したドレンから熱を回収する。このような構成において、分離ユニット１０は、蒸気混じりの空気に水を噴射した後の混合流体に旋回流路２２を通過させることによって、蒸気の凝縮を促進しつつ、混合流体から水を分離させる。これにより、分離ユニット１０は、より多くの蒸気を凝縮させ、且つ、より多くの水を分離させることができる。その結果、熱回収システム１００は、蒸気混じりの空気からより多くの熱を回収することができる。

以上のように、分離ユニット１０は、蒸気混じりの空気が流入する流入部１２と、流入部１２から流入する蒸気混じりの空気に水を噴射する噴射部１３と、蒸気混じりの空気と水との混合流体から水を分離する分離器２０とを備え、分離器２０は、混合流体を旋回させながら水を分離する旋回流路２２を有している。

この構成によれば、蒸気混じりの空気に水が吹きかけられた後の空気、蒸気及び水の混合流体は、分離器２０の旋回流路２２を通過する。混合流体が旋回流路２２を通過する際に、撹拌が促進されることによって凝縮する蒸気が増加し、最終的には遠心力によって水が分離される。その結果、蒸気混じりの空気からより多くの蒸気を凝縮させると共に、より多くの水を分離することができる。また、旋回流路２２は、蒸気と水の撹拌促進と水の分離との両方を行うので、分離ユニット１０をコンパクトに形成することができる。

また、分離器２０は、旋回流路２２を通過後の空気を排出する排気管２３をさらに有し、旋回流路２２は、排気管２３の周囲を旋回するように配置されている。

この構成によれば、旋回流路２２の旋回半径が大きくなり、混合流体に作用する遠心力が大きくなる。その結果、より多くの水を分離することができる。

さらに、旋回流路２２は、混合流体を上方から下方へ流通させ、排気管２３の上流端は、下方へ向かって開口しており、旋回流路２２を通過後の空気は、上流端から上方へ向かって排気管２３内に流入する。

この構成によれば、混合流体が旋回流路２２を概ね上方から下方へ向かって通過した後、水を分離された空気は、下方から上方に向かって排気管２３に流入していく。

また、熱回収システム１００は、分離ユニット１０と、水から熱を回収する熱交換器７０と、分離ユニット１０において分離された水を熱交換器７０に供給すると共に、熱交換器７０を通過後の水を噴射部１３に供給する循環ユニット８０とを備える。

この構成によれば、熱回収システム１００は、分離ユニット１０で分離された水を循環ユニット８０によって熱交換器７０に供給し、熱交換器７０によって熱が回収される。熱の回収後の水は、循環ユニット８０によって分離ユニット１０の噴射部１３に供給され、蒸気混じりの空気に噴射される。噴射後の水は、分離ユニット１０において、ドレンと共に分離される。分離後の水は、循環ユニット８０によって再び熱交換器７０に供給される。熱回収システム１００は、このような動作を繰り返すことによって、蒸気混じりの空気から熱を回収する。

さらに、熱回収システム１００は、分離ユニット１０から排出される空気に含まれる水分を取り除く徐水ユニット９０をさらに備え、循環ユニット８０は、徐水ユニット９０によって取り除かれた水を回収する。

この構成によれば、分離ユニット１０から排出される空気は、徐水され、取り除かれた水は、分離ユニット１０と熱交換器７０との間を循環する水として循環ユニット８０に回収される。詳しくは、蒸気混じりの空気に水が噴射され、その後、混合流体が旋回流路２２で撹拌される構成においては、空気から水が分離されるとしても、ミスト状の水分が空気中に含まれ得る。徐水ユニット９０を設けることによって、空気中の水分が取り除かれ、最終的には乾燥した空気が排出される。また、取り除かれた空気は、循環ユニット８０によって回収され、噴射部１３が噴射する水として利用される。

《その他の実施形態》
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、前記実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、前記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、前記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

分離器２０の構成は、前述の構成に限られない。例えば、分離器２０は、排気管２３を有していなくてもよい。その場合、排気管２３は、分離器２０よりも下方において容器１１に設けられ得る。また、旋回流路２２の本数は、６本に限られない。旋回流路２２は、１本でもよく、複数本であってもよい。

熱回収システム１００の構成も前述の構成に限られない。例えば、徐水ユニット９０は、省略されてもよい。また、熱交換後の水は、噴射部１３から噴射する水として利用されなくてもよい。

以上説明したように、ここに開示された技術は、分離ユニット及びそれを備えた熱回収システムについて有用である。

１００ 熱回収システム
１０ 分離ユニット
１２ 流入部
１３ 噴射部
２０ 分離器
２２ 旋回流路
２３ 排気管
７０ 熱交換器
８０ 循環ユニット
９０ 徐水ユニット

Claims (5)

1. 蒸気混じりの空気が流入する流入部と、
   前記流入部から流入する蒸気混じりの空気に水を噴射する噴射部と、
   蒸気混じりの空気と水との混合流体から水を分離する分離器とを備え、
   前記分離器は、前記混合流体を旋回させながら水を分離する旋回流路を有し、
   前記旋回流路を通過後の空気には、水が噴射されない分離ユニット。
2. 請求項１に記載の分離ユニットにおいて、
   前記分離器は、前記旋回流路を通過後の空気を排出する排気管をさらに有し、
   前記旋回流路は、前記排気管の周囲を旋回するように配置されている分離ユニット。
3. 請求項２に記載の分離ユニットにおいて、
   前記旋回流路は、前記混合流体を上方から下方へ流通させ、
   前記排気管の上流端は、下方へ向かって開口しており、
   前記旋回流路を通過後の空気は、前記上流端から上方へ向かって前記排気管内に流入する分離ユニット。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の分離ユニットと、
   水から熱を回収する熱交換器と、
   前記分離ユニットにおいて分離された水を前記熱交換器に供給すると共に、前記熱交換器を通過後の水を前記噴射部に供給する循環ユニットとを備える熱回収システム。
5. 請求項４に記載の熱回収システムにおいて、
   前記分離ユニットから排出される空気に含まれる水分を取り除く徐水ユニットをさらに備え、
   前記循環ユニットは、前記徐水ユニットによって取り除かれた水を回収する熱回収システム。

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