JPH0243901A - 直接接触式蒸発器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は直接接触式蒸発器に関する。

（従来の技術） 一般に、直接接触式蒸発器は、過熱流体をその飽和圧力
よりも低い圧力中でフラッシュ蒸発させるものであり、
あらゆる産業において古くから利用されている。また、
この直接接触式蒸発器は新エネルギーシステムや熱回収
システムに多く利用される傾向にある。

一方、このフラッシュ蒸発には、過熱流体を直接蒸発さ
せるものであるために沸騰伝熱面が存在しないこと、ス
ケール付着の心配がないこと、および構造が比較的簡単
であること等の特徴がある。

また、このフラッシュ蒸発は流体の相変化を利用するた
めに非常に高い伝熱係数を有し、同じ熱量を変換する固
体表面を介する熱交換器に比べて極めて小型の熱交換器
を構成することができる。

ここで、新エネルギーシステムの中の１つである海洋温
度差発電は、海洋の温度の低い深層海水と温度の高い表
層海水を取入れ、その温度差を利用して発電を行なうよ
うにしたものであり、このシステムには、開サイクル方
式、閉サイクル方式、ミストリフト方式、複合サイクル
等のサイクル構成がある。

以下、これらのいくつかについて説明する。

まず、開サイクル方式は、高い真空度を保ったフラッシ
ュ蒸発器に表層海水を導き入れ、そこで海水をフラッシ
ュ蒸発させ、発生した蒸気を用いてタービン発電機を回
転させ電力を得るというものである。さらに、このター
ビンから排気された蒸気は、凝縮器で凝縮される。ここ
で、凝縮器を表面接触式とした場合には、凝縮液は淡水
となり、海水淡水となるので、海水淡水化プラントとし
ても機能することができる。

また、アンモニアやフロンガスを動作触媒とする閉サイ
クル方式は、固体表面を介して熱の授受が行われるため
に、フラッシュ蒸発器が使用される。

このような開サイクル方式と閉サイクル方式においては
、開サイクル方式は閉サイクル方式に比べて蒸発温度を
容易に高くすることができるので、それだけタービンで
の熱落差を大きくとることができ、発電出力が大きくな
る。また、開サイクル方式は閉サイクル方式に比べて熱
交換器の製造コストが低いため、プラントの経済性はさ
らに向上する。

しかし、開サイクル方式では、動作触媒が常温に近い海
水をフラッシュ蒸発させた蒸気であるために、蒸気の圧
力は約０．０３ａｔａと極めて低い圧力であり、システ
ム全体を真空容器とする必要がある。また、蒸気が低温
、低圧であるため所要の発電出力を得るためには、通常
の火力、原子力発電システムに比べて、大量の蒸気を必
要とし、１ｋＷの発電量に対して約７０ｋｇ／ｈの蒸気
が必要となる。また、これだけの蒸気をフラッシュ蒸発
器で発生させるためには、１ｋＷ当り、約１０ｔ　ｏ　
ｎ　／　ｈの表層海水を必要とする。

このような開サイクル方式のフラッシュ蒸発器は、極め
て低い温度圧力条件やもとで、大量の蒸気および海水を
流さなければならないので、海水側の流路の圧力損失が
少ないこと、蒸気側の圧力損失が少ないこと、構造が簡
単であること、高い蒸発効率を有すること、小型である
こと、および腐蝕、コロ−ジョン、汚れの付着が起こり
にくいこと等の点を考慮しなければならない。

そこで、開サイクル方式の直接接触式蒸発器については
、上方噴出方式のフラッシュ蒸発器がその構造の単純さ
、蒸発効率の高さから近年、最も何望なフラッシュ蒸発
器とされてきている。

第７図はこの上方噴出方式の直接接触式蒸発器の縦断面
図を示したものである。図中符号ｌはケーシングであり
、このケーシング１の一側下方には温海水出口２が設け
られている。また、このケーシング１内下方には温海水
入口３を一側下方に有する水室４が設けられており、こ
の水室４の上板部４ａには複数本の噴出管５が垂直に設
けられている。

このような上方噴出方式の直接接触式蒸発器において、
温海水人口３より水室４内に圧送された海水は、噴出管
５から上方に噴出されるたけの、極めて簡ｌ１１な構造
であるため、蒸気側、海水側とも圧力損失が極めて小さ
い。

ところが、上方噴出方式の直接接触式蒸発器は最近の概
念であり、実機を想定しての実証試験は、未だ行われて
おらず、わずかに噴出管１本のときの性能評価試験が、
米国、仏国で実施されているにすぎない。実機における
噴出管は管群を形成するために、管ピッチ、管の配列、
噴出管の高さ、蒸気流速の設定値等の最適値を決定しな
ければならず、管群の状態でのフラッシュ蒸発の蒸発特
性を知る必要がある。そこで発明者は、上方噴出式のフ
ラッシュ蒸発器の性能評価試験装置を作製し、管群にお
ける本方式の蒸発特性を調査した結果、管ピッチをある
程度狭くした場合に、噴出管１本当りの蒸発量を増加し
、熱負荷を上げると、噴流夏の気泡の発生、生長が激し
くなり、噴流の拡散によって流体の表面積か増大し、蒸
発効率は大きくなる。さらに、熱負荷を上げていくと、
気泡の発生が一層激しくなり、噴流同志が互いに衝突し
、気泡と液の二相からなる層（以下気泡層という）によ
って流路全体が覆われてしまう（第８図）。

（発明が解決しようとする課題） ところが、噴流同志が互いに衝突しあって形成された気
泡層によって、蒸発器が上下に分離され、気泡層の下方
で圧力の比較的高い部分が形成されるため、気泡層の下
方では蒸発が抑制されてしまう。そのため、蒸気の発生
は気泡層の上面からのみ起こるようになり、また気泡層
そのものが蒸気の流れを阻害するため、蒸発効率が著し
く低下してしまう。

第９図は縦軸に蒸発効率Ｅ、横軸に蒸気の動圧Ｐをとり
、蒸発効率の変化を示したものである。

図中実線は上述試験における噴出管群を構成した場合の
蒸発効率を示す曲線である。動圧の低い部分ては蒸発効
率は約０．８８程度を示すが、負荷を増加していくと、
噴流の中で気泡が生長し流れの分散が起こるために、蒸
発効率は約０．９４まで上昇する。しかしながら、負荷
をさらに増加すると上述したように、気泡層が形成され
るため、蒸発効率が急速に低下してしまう。また、気泡
層は全体では安定したものではなく、気泡層によって噴
出管の下部に圧力の高い部分が形成された後に、気泡層
の一部が途切れると、そこから圧力の高い蒸気が流出す
るので、蒸気流が変動し、蒸気流速が一時的に増加する
。これによって、直径の大きな海水液滴が蒸気流によっ
て、プラント内に運ばれるため、タービン、復水器の腐
蝕等の原因となり、プラントの健全性を損なう。

本発明は上述のような問題点に鑑みてなされたものであ
り、蒸気側の圧力損失を高めることなく、気泡層の形成
による蒸気流路の閉塞を防止し、蒸発効率の向上を図る
ことのできる上方噴出方式の直接接触式蒸発器を提供す
ることを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、ケーシングの下方に設けられた水室の上板部
に複数本の噴出管を立設した上方噴出式の直接接触式蒸
発器において、各噴出管の上部にそれぞれ噴出管と同心
状の仕切筒を配設し、互いに隣接する仕切筒間に形成さ
れた間隙によって、上記噴出管の上方部に生じる気泡層
より上方に開口する蒸気流路を形成したことを特徴とし
、他の発明は互いに隣接する噴出管の間に、下端が上記
噴出管の一側に開口し、上端が噴出管の上方部に生じる
気泡層より上方に開口する蒸気流通管を配設したことを
特徴とする。

（作　用） 温海水が噴出管を介して蒸発器内に噴出されると、そこ
でフラッシュ蒸発をし、蒸気を発生する。

さらに、負荷を上昇させると噴出管から噴出された噴流
同志が互いに衝突しあって、気泡層が形成される。とこ
ろが、本発明ではこの気泡層は蒸気流路の内部には形成
されないので、ここで発生した蒸気は蒸気流路を介して
、上方に流出される。

また、他の発明ではこの気泡層は蒸気流通管の内部には
形成されないので、ここで発生した蒸気は蒸気流通管を
介して、上方に流出される。

（実施例） 以下、添附図面を参照して本発明の一実施例について説
明する。

第１図は本発明における直接接触式蒸発器の縦断面図を
示したものである。図中符号１はケーシングてあり、こ
のケーシング１の一側下方には温海水出口２が設けられ
ている。また、このケーシング１内下方には温海水人口
３を一側下方に有する水室４が設けられており、この水
室４の上板部４ａには複数本の噴出管５が垂直に設けら
れている。第２図は本実施例の主要部の部分拡大図、第
３図は第２図の上面図である。第２図において、噴出管
５の上部には仕切部材固定板７が固定されており、さら
にこの仕切部材固定板７には噴出管５と同心状に円筒形
状の仕切筒８が固定されている。ここで、この仕切筒８
は隣接する噴出管５に設けられた仕切筒８同志で接する
ように固定されている。すなわち、噴出管５は仕切筒８
の直径が隣同志の噴出管５の距離とほぼ等しくなる様に
設置されている。また、互いに隣接する仕切筒８間に形
成された間隙によって、上記噴出管５の上方部に生ずる
気泡層６より上方に開口する蒸気流路９が形成されてい
る。

しかして、表層の温海水は温海水入口３から水室４内に
入り、噴出管５を介して蒸発器内に噴出される。ここで
、この蒸発器内の圧力が温海水の飽和圧力よりも低い圧
力で保持された場合には蒸発器内に噴出された温海水は
フラッシュ蒸発をし、蒸気を発生する。さらに、負荷が
上昇すめと、噴出管５から噴出された噴流同志が互いに
衝突しあって、気泡層６が形成される。この時、本実施
例においては、気泡層６の拡散の範囲が円筒状の仕切筒
８によって限定されるので（第４図）、そこで発生した
蒸気は、気泡層６に衝突し、下方に押しやられ、さらに
円筒状の仕切筒８を隣接して組合わせたことにより形成
された蒸気流路９を介して、上方に流出する。一方、蒸
発潜熱を失って、飽和温度近くまで温度を下げた温海水
は温海水出口５を介して外部に放出される。

第５図は上方噴出方式のフラッシュ蒸発器の蒸発効率を
示したものである。上述実施例の蒸発効率は図中実線で
示されたものであるが、従来の蒸発効率（第９図参照）
と比べて、高効率であることがわかる。具体的には動圧
が約０．２ｋｇ／ｄで蒸発効率は約０．９７にまで達し
ており、その後援やかに効率は低下するが、従来の場合
と比べて、低下の割合が緩やかであることがわかる。こ
のように、蒸気流速の速い領域で、蒸発効率が高い値を
示すということは、蒸発器内の蒸気流速を高い値で設置
することができ、機器の小型化を図ることができる。ま
た、不安定な気泡層６が仕切筒８内に形成されても、蒸
気流路９を設けることにより、蒸気流速の変動を小さく
することができる。

また、このように蒸気流速の変動を小さくすることによ
って、温海水の同伴層粒を少なくすることができ、蒸発
器出口における湿分分離器の負荷を小さくし、圧力損失
の低下によるタービン発電出力の増加を図ることができ
る。

第６図は本発明の一実施例を示したものである。

これは、水室４の上板部４ａに固定された複数本の噴出
管５の間に蒸気管用固定部材１１を固定し、この蒸気管
用固定部材１１に上記噴出管５の頂端より若干下方で開
口する蒸気流通管１０を装着したものである。

しかして、表層の温海水が噴出管５を介して蒸発器内で
噴出され、そこでフラッシュ蒸発され、蒸気を発生する
。そして、負荷が上昇し、噴出管５から噴出された噴流
同志が互いに衝突しあって気泡層６が形成されると、発
生した蒸気は気泡層６に衝突し、下方に押しやられ、蒸
気流通管１゜を介して上方に流出する。

なお、蒸気流通管１０の形状は円筒形状に限定されるも
のではなく、蒸気流路を形成するダクトの機能を有する
ものであれば、どのような形状であってもよい。

〔発明の効果〕

本発明は上述のように複数の噴出管を立設し、この互い
に隣接する噴出管の間に蒸気管路を形成したことによっ
て、気泡層の形成による蒸気流路の閉塞を防止すること
ができ、圧力損失の上昇にともなう蒸発効率の低下を防
止することができる。

また、蒸気流路の変動を小さくして、同伴層粒の瓜を低
減することができる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における一実施例の直接接触式蒸発器の
縦断面図、第２図は本発明における一実施例の主要部の
部分拡大図、第３図は第２図の上面図、第４図は本発明
における一実施例の作用の説明図、第５図は本発明にお
ける上方噴出方式のフラッシュ蒸発器の蒸発効率を示し
た図、第６図は本発明における他の実施例の説明図、第
７図は従来の直接接触式蒸発器の縦断面図、第８図は従
来の直接接触式蒸発器の作用の説明図、第９図は従来の
上方噴出方式のフラッシュ蒸発器の蒸発効率を示した図
である。 １・・・ケーシング、２・・・温海水出口、３・・・温
海水入口、４・・・水室、４ａ・・・上板部、５・・・
噴出管、６・・・気泡層、７・・・仕切部材固定板、８
・・・仕切筒、９・・・蒸気流路、 １０・・・蒸気流通管、 ・・蒸気管用 固定部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ケーシングの下方に設けられた水室の上板部に複数
   本の噴出管を立設した上方噴出式の直接接触式蒸発器に
   おいて、各噴出管の上部にそれぞれ噴出管と同心状の仕
   切筒を配設し、互いに隣接する仕切筒間に形成された間
   隙によって、上記噴出管の上方部に生じる気泡層より上
   方に開口する蒸気流路を形成したことを特徴とする直接
   接触式蒸発器。 ２、ケーシングの下方に設けられた水室の上板部に複数
   本の噴出管を立設した上方噴出式の直接接触式蒸発器に
   おいて、互いに隣接する噴出管の間に、下端が上記噴出
   管の一側に開口し、上端が噴出管の上方部に生じる気泡
   層より上方に開口する蒸気流通管を配設したことを特徴
   とする直接接触式蒸発器。