JPS5813835B2 - 回転羽根型蒸発器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、回転羽根型蒸発器に係り、回転羽根の摩耗の
少ない回転羽根型蒸発器に関するものである。

一般に、廃液を処理する場合には、廃棄物量の減容をは
かることは周知のことである。

特に、敷地内への貯蔵スペースが問題となる原子力発電
所では、再生廃液等の放射性廃液は、２０重量％程度に
濃縮された後、回転羽根型蒸発器等の乾燥固化装置で粉
体化することが考えられている。

従来の回転羽根型蒸発器の構造を第１図および第２図に
示す。

回転羽根型蒸発器１６は、胴体９内に回転羽根１０が取
付けられる回転軸１５を設けたものである。

回転軸１５は、上部軸受１と下部軸受１２によって支持
される。

胴体９の上部に、蒸気出口３および処理液入口５が設け
られる。

胴体９の下部には、粉体取出口１４が設けられる下部コ
ーン１３が設けられる。

胴体９内の上部に、ミストセパレータ２および分配器６
が配置され、蒸気室４が形成される。

ジャケット８が胴体９の周囲に取付けられ，ジャケット
８には熱媒体入口７および熱媒体出口１１が設けられる
。

回転羽根１０は、回転軸１５にサポートアーム１９で固
定されるサポートリング２０に、支持軸２１を介して取
付けられる。

放射性物質を含む処理液は、処理液人口５より胴体９内
に供給され、分配器（デイストリビュータ）６により円
周方向に均一に分配され、重力により胴体９の内面を流
下していく。

沸騰水型原子炉においては硫酸ナトリウムを主成分とす
る廃液が発生し、この廃液が処理液として処理液入口５
より胴体９内に供給される。

流下した処理液は、回転軸１５に取りつけられている回
転羽根１０を矢印２２の方向に回転させることにより胴
体９の内面に遠心力によって押しつけられる。

このようにして胴体９の内面に処理液の薄膜が形成され
る。

薄膜に形成された処理液は、胴体９の外部よりジャケッ
ト８内を流れる熱媒体（１７０℃の蒸気）により加熱さ
れて濃縮され、硫酸ナ｝ ＩＪウム等の溶解成分が析出
してスラリー状となる。

ジャケット８で囲まれる胴体９の壁面が、伝熱面１７で
ある。

更に濃縮が進むとスラリーが乾燥して析出固体１８とな
る。

この時、析出固体１８の一部が伝熱面１７に付着したま
まスケールとなって伝熱面１７の熱伝達率を低下させる
おそれがある。

しかし、回転羽根１０の移動によって回転羽根１０の先
端部が伝熱面１７上の析出固体１８を掻取り、スケール
の発生を防止している。

回転羽根１０で伝熱面１７上の液膜を強制的に運動させ
ることによって、伝熱面１７から液膜への熱伝達が促進
される。

回転羽根１０により掻取られた析出固体１８は、粉体と
なって粉体取出口１４より排出される。

回転羽根型蒸発器１６は、回転羽根１０によってスケー
ルが防止されかつ高伝熱特性が得られるので、信頼性が
高くコンパクトな濃縮固化装置である。

しかし、回転羽根１０は、伝熱面１７上の析出固体１８
を除去するために、遠心力によって常に伝達面７に押付
けられながら移動している。

この結果、回転羽根１０の先端部が摩耗し、伝熱面１７
上にスケールが発生する。

したがって、回転羽根１０の交換を頻繁に行なう必要が
あり、回転羽根型蒸発器の稼動率が低下する。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、回
転羽根型蒸発器の稼動率を向上させることにある。

本発明の特徴は、処理液が内部に供給されかつ壁面が加
熱される容器と、前記容器内に挿入される回転軸と、前
記回転軸の軸方向に複数段配置される回転羽根とからな
る回転羽根型蒸発器において、前記容器の内壁に対向す
る前記回転羽根の先端に、前記容器の円周方向に突出す
る突出部を設け、前記突出部の前記容器の円周方向の長
さを変化させることにより回転羽根の押付力を軸方向に
変化させ、前記容器内で前記処理液が溶液状態にある領
域に存在する前記突出部の長さを最も長くして押付力を
最も小さくすることにある。

本発明は、回転羽根型蒸発器の回転羽根の摩耗量が面圧
に依存し、回転羽根型蒸発器の胴体内壁へのスケール析
出の有無は回転羽根の胴体内壁への押付力に依存するこ
とを実験的に確認することによってなされたものである
。

回転羽根型蒸発器の回転羽根によって胴体内壁に作用す
る押付力Ｆ１を、第２図に基づいて詳細に説明する。

第２図において、点Ａは回転羽根１０と伝熱面１７が接
触している点、点Ｂは支持軸２１の軸心、点０は回転軸
１５の軸心、点Ｇ１は回転羽根１０に遠心力が作用する
重心の位置で通常の重力に対する重心とは一致しない。

回転羽根１０は、回転軸１５まわりの回転で生じる遠心
力ｆ１によって伝熱面１７に押付けられる。

この押付力Ｆ１は次式で示される。

ここで、Ｗ１は回転羽根１０の軸方向単位長さ当りの重
量、ωは回転軸１５まわりの角速度、ｌはＡとＢとの距
離、ｒ１はＯと０１との距離、ｒ２はＢと０１との距離
、θ１はＢＧ１とＯＧ１が作る角度である。

押圧力Ｆ，は、直線ＡＢに対して直角な方向に作用する
。

本発明の好適な一実施例である回転羽根型蒸発器２３を
第３図に基づいて説明する。

回転羽根型蒸発器１６と同一構成は同一符号で示す。

回転羽根型蒸発器２３は、回転羽根型蒸発器１６と回転
羽根の形状が異なっているだけである。

回転羽根２４は、支持部２５と、支持部２５に取付けら
れる羽根部２６とからなっている。

支持部２５が、支持軸２１に回転可能に取付けられ、円
周方向に８枚存在する。

胴体９の伝熱面１７の内壁に対向する回転羽根２４の先
端部に、すなわち、羽根部２６の先端部に胴体９の円周
方向に突出する突出部２７が形成される。

回転羽根２４の先端の曲線ＣＤによって形成される面が
、伝熱面１７の内壁に対向する面である。

曲線ＣＤの長さは、Ｓである。

曲線ＣＤの長さは、羽根部２６の横断面で最も長い。

回転軸１５の回転時に、回転羽根２４によってＡ点で伝
熱面１７に垂直に（ＯＡの延長線上）作用する力Ｆ３は
、押付力Ｆ１の作用する方向とＯＡの延長線とのなす角
をαとすると、Ｆ３−Ｆ１０ＯＳで表わされる。

回転羽根型蒸発器２３においても押付力Ｆ１は、（１）
式で示される。

ただし（１）式中のＷ１は、回転羽根型蒸発器２３にお
いては回転羽根２４の軸方向単位長さ当りの重量となる
。

伝熱面１７に作用する回転羽根２４の軸方向単位長さ当
りの面圧は、Ｆ３／ｓとなる。

押付力Ｆ１を一定に保持して曲線ＣＤの長さ（ｓ）を増
加させれば、回転羽根２４の摩耗量は減少する。

回転羽根２４の摩耗量は、曲線ＣＤの長さに反比例して
減少する。

距離ｌが一定で長さＳを増加させた時の押付力の変化を
考える。

長さＳを増加させれば、回転羽根２４の重量Ｗ１は、必
然的に増加するので、押圧力Ｆ１は、当然大きくなるし
かし、回転羽根２４の形状を変えて（例えば、角ＢＥＣ
を変える）回転羽根２４の重心Ｇ１の位置を変化させ、
距離ｒ１およびｒ２、さらに角度θの変化によって遠心
力ｆ１が増加しても押付力Ｆ，の増加を抑制し一定にす
ることができる。

回転羽根２４の重量が増加したことによる遠心力ｆ１の
増加分は、支持軸２１で支えられる。

支持軸２１の直径は、許容せん断応力によって決まる。

支持軸２１の直径は、加わる荷重の平方根に比例して増
加させる必要がある。

第３図においてＯＢより左部分の回転羽根２４の重量を
増加させると押付力Ｆ１は減少し、ＯＢより右部分の回
転羽根２４の重量を増加させると、押付力Ｆ１は増加す
る。

回転羽根２４は、先端に長さＳの突出部２７を設けた分
だけ、支持軸２１の軸心と支持部２５の軸心をずらせる
ことによって押付力Ｆ１の増加を抑えている。

本実施例では、突出部２７を設けることによって羽根部
２６の重量が約２倍に増加して支持軸２１の直径を１，
４倍にする必要はあるが、伝熱面１７に作用する。

面圧を低下させることができるので回転羽根２４の摩耗
量を１／５に低減することができる。

回転羽根２４の寿命が延び、保守点検の回数が減少する
ので、回転羽根型蒸発器２３の稼動率が向上する。

伝熱面１７へのスケール付着も防止できる。

羽根部２６の厚みを先端部だけでなく全体を一様に厚く
しても、曲線ＣＤの長さを大きくでき、押付力Ｆ１を変
化させることなく伝熱面１７の内壁に作用する面圧を小
さくすることができる。

しかし、これを達成するためには、支持軸２１の直径を
著しく増加させる必要がある。

回転羽根型蒸発器２３の性能は、同一断面に存在する回
転羽根２４の枚数が多い程、良くなる。

同一断面における回転羽根２４の枚数は、サポートリン
グ２０への取付けによって制限される。

支持軸２１の直径が極端に大きくなると、同一断面に配
置可能な回転羽根２４の枚数が減少し、回転羽根型蒸発
器２３の性能が低下する。

回転羽根２４の摩耗量は、突出部２Ｔの回転方向側（Ｃ
点側）よりも回転方向と反対方向側（Ｄ点側）が大きい
ので、突出部２Ｔの厚みをＣ点側からＤ点側に向って厚
くするとよい。

回転羽根２４の突出部２７は、回転方向側（Ｃ点側）に
突出させて形成してもよい。

第４図は、回転羽根の他の実施例である。

回転羽根２８は、羽根部２９に開口３０を設けた点が回
転羽根２４と異なっている。

支持部２５に設けられる貫通孔３１は、支持軸２１が挿
入される穴である。

回転羽根２８を設けた回転羽根型蒸発器も、前述した実
施例と同様な効果を得ることができる。

さらに開口３０を設けることによって、回転羽根２８を
軽量化でき、支持軸２１の直径を大きくする必要がない
。

このため、同一断面に配置可能な回転羽根２８の枚数を
増加でき、回転羽根型蒸発器の性能を向上させることが
できる。

本発明の他の実施例を、第５図、第６図、第Ｔ図、第８
図および第９図に基づいて説明する。

前述した実施例と同一構成は、同一符号で示す。

前述した実施例は、特願昭５２−９５１２７号明細書に
記載された軸方向に配置された複数の回転羽根の摩耗量
の相違および特願昭５２−１３３４８７号明細書に記載
された回転羽根の摩耗に基づく押付力Ｆ１の減少という
問題をかかえている。

本実施例は、回転軸の軸方向における回転羽根による伝
熱面に作用する押付力をその軸方向で変化させることに
よって前者の問題点を、さらに回転羽根にバランスウエ
ートを取付けることによって後者の問題点を解消したも
のである。

第５図は、本実施例の回転羽根型蒸発器３２の回転羽根
２４の部分を拡大したものである。

本実施例の回転羽根型蒸発器３２は、前述した実施例の
回転羽根型蒸発器２３の回転羽根２４に、バランスウエ
ート３３を取付けたものである。

回転羽根２４は、回転軸１５にその軸方向に５段設けら
れる。

点Ｇ２は、バランスウエート３３に遠心力が作用する重
心の位置である。

バランスウエート３３は、回転軸１５の軸心０まわりの
回転によって生じる遠心力ｆ２によって、回転羽根２４
の伝熱面１７への押付力を変化させる。

バランスウエート２３による押付力Ｆ２は次式で示され
る。

ここで、Ｗ２はバランスウエート２３の軸方向単位長さ
当りの重量、ｒ３はＯと０２との距離、ｒ４はＢと０２
との距離、θ２はＢＧ２とＯＧ２が作る角度である。

バランスウエート３３を有する回転羽根２４によって伝
熱面１７に作用する押付力Ｆは、（１）式によって得ら
れるＦ１と（２）式によって得られるＦ２の合力（Ｆ１
＋Ｆ２）となる。

したがって、回転羽根２４の摩耗量き押付力Ｆ１の関係
を求め，バランスウエート３３による押付力Ｆ２を適当
に選定することにより、合力（Ｆ１十Ｆ２）を一定に保
つことが可能となる。

バランスウエート３３の取付け位置は、後述するように
押付力Ｆ１の減少分だけ補償するため、支持軸２１の軸
心を通り支持軸２１の中心Ｂと回転軸１５の軸心Ｏを結
ぶ直線に垂直な直線より回転軸１５の軸心側にする必要
がある。

また、バランスウエート３３の形状（ｒ３ｙｒ４）、重
量（Ｗ２）、取付け位置（θ２の初期値）は、回転羽根
２４の摩耗量と押付力Ｆ１の関係、および適正な押付力
Ｆより決定する。

第６図は前述した本実施例による回転羽根２４の摩耗量
と押付力Ｆの具体的な検討結果である。

ここで、７＝６ ９ｍｌ１！，ｒｌ： １ ７ ｆｕｌ
ｌ， ｒ２＝４ ０ｍｍ， ｒ３＝１ ２７ｍｍ， ｒ
４＝２ ６ｍｍ， Ｗ１＝２．０ｋ９７ｍＷ２＝１．０
ｋｇ／ｍ，ω＝４２ｒａｄ／Ｓ初期のθ１＝２３度、初
期のθ２＝１６５度である。

Ｆ１は回転羽根２４のみによる押付力、Ｆ２はバランス
ウエート３３のみによる押付け力、Ｆ＝（Ｆ１＋Ｆ２）
は本実施例によるバランスウエート付き回転羽根の押付
力である。

回転羽根２４の摩耗に伴い、押付力Ｆ１は徐々に減少す
るが押付力Ｆ２は徐々に増加するので、押付力Ｆはほぼ
一定となる。

しかし回転羽根２４の摩耗量が７朋以上になると、回転
羽根２４がもはや伝熱面１７と接触することが不可能と
なる。

したがって、回転羽根２４が伝熱面１７と接触不可能と
なる点が本実施例での回転羽根２４の寿命となる。

回転羽根２４の突出部２７の厚みは、７朋以上ある。

ここで、バランスウエート３３の取付位置が、前述した
位置でなければならない理由を、第５図および第７図に
基づいて説明する。

バランスウエート３３による押付力Ｆ２は、次式で求ま
る。

ただし、θ３はＯＢとＢＧ２とのなす角（ＯＢを基準）
である。

回転羽根２４の摩耗と共に、θ３，ｓｉｎθ３およびＦ
２は増加する。

したがって、（Ｆ１＋Ｆ２）を一定に保持できる。

バランスウエート３３の取付位置は、ｓｉｎθ３が回転
羽根２４の摩耗と共に増加するように設定する必要があ
る。

θ３とＦ２の関係は、第７図のようになるので、−９０
゜くθ３く９０゜を満足するようにしなければならない
。

すなわち、バランスウエート３３の重心Ｇ２が、点Ｂを
通り直線ＯＢに垂直な直線Ｐよりも回転軸１５の軸心Ｏ
側に存在するように、バランスウエート３３を取付ける
必要がある。

このように、回転羽根２４にバランスウエード３３を取
付けることにより、回転羽根２４の摩耗限界を回転羽根
型蒸発器３２の約３．５倍に増加できる。

その結果、回転羽根２４の寿命は、回転羽根型蒸発器３
２に比較して著しく長くなる。

また、押付力を適正に設定し、かつ一定に保持できるの
でスケール発生防止が容易となるという効果も生じる。

回転羽根にバランスウエートを取付けた回転羽根型蒸発
器は、特公昭３８−６０７４号公報の第１０図および第
１１図に示されておりすでに公知である。

しかし、特公昭３８−６０７４号公報では、バランスウ
エートの重心の位置が、回転羽根の支持軸の軸心と回転
軸の軸心を結ぶ直線に直角でかつ支持軸の軸心を通る直
線よりも伝熱面側に存在する。

したがって、この蒸発器における角度θ２は、回転羽根
の摩耗と共に減少する。

特公昭３８−６０７４号公報の蒸発器の押付力Ｆ （＝
Ｆ１十Ｆ２）は、回転羽根の摩耗と共に急激に減少し、
回転羽根の交換回数の増加および伝熱面上のスケール発
生等のトラブルが生じる。

前述した本実施例は、特公昭３８−６０７４号公報の蒸
発器にて発生する問題も解消できる。

垂直壁を落下する液膜の厚さは、粘性係数のｌ／３乗に
比例することが知られている（例えばＴｒａｎｓｐｏｒ
ｓ Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ Ｐ３７ ）。

回転羽根型蒸発器内の胴体内壁に沿って落下する処理液
は、濃縮されて粘性係数が増加するに伴って、液膜の厚
さが増加する。

回転羽根型蒸発器２１内の処理液（沸騰水型原子炉で発
生する廃液）の濃縮過程を、第８図に基づいて詳細に説
明する。

処理液は、処理流入口５から胴体９内に供給され伝熱面
１７の内壁に沿って下降する間に、まず沸点まで加熱さ
れ、以後は蒸発によって濃縮される。

処理液中の硫酸ナトリウムの濃度が飽和濃度以下である
ならば、処理液は溶液状態（第８図のＨの領域）にある
。

硫酸ナ｝ ＩＪウムの濃度が飽和濃度以上に濃縮される
と、溶液中に硫酸ナｔ− ＩＪウムの小さな固形物が析
出し、処理液はスラリー状となる。

この領域を固体析出部■という。処理液人口５で動粘性
係数がＩＣ ｐｏｉｓｅであった処理液は、スラリー
化によってその動粘性係数が第９図の特性Ｘで示すよう
に１ ０’Ｃｐｏｉｓｅと急激に増加し、液膜の厚みが
増大する。

さらに、処理液の濃縮が進むと、処理液は液状ではなく
湿った析出固体の連なった状態となる。

この部分を乾燥部Ｊという。

固体析出部■で析出した析出固体（硫酸ナトリウム）は
、粉体となって落下する。

溶液部Ｈでは溶液Ｋのみが存在し、固体析出部■では溶
液Ｋと固形物Ｌとが共存し、更に乾燥部Ｊでは粉体Ｍが
存在する。

胴体９内での処理液の各状態の領域、すなわち、溶液部
Ｈ、固体析出部■および乾燥部Ｊに配置されるすべての
回転羽根２４の摩耗量を一様にするためには、各段の回
転羽根２４による押付力Ｆ（Ｆ１＋Ｆ２）を第９図の特
性Ｙのように変化させるとよい。

ここで、特性Ｘは、回転軸１５の軸方向における処理液
の動粘性係数の変化を示す。

回転羽根２４の押付力Ｆを、第９図の特性Ｙのように、
回転軸１５の軸方向で各段毎に変えると、溶液部Ｈにお
ける回転羽根２４の摩耗量が減少し、各回転羽根２４の
摩耗量は回転軸１５の軸方向で等しくなる。

すなわち、胴体９内における処理液の動粘性係数の最も
小さい溶液部Ｈに存在する回転羽根２４の押付力Ｆを最
も小さくし、その動粘性係数の最も大きな固体析出部工
に存在する回転羽根２４の押付力Ｆを最も大きくする。

伝熱面１１の摩耗量と回転羽根２４の摩耗量は比例関係
にあるので、伝熱面１７の摩耗量を軸方向で一定にする
ことができる。

回転軸１５の軸方向に存在する各段の回転羽根２４によ
る押付力Ｆを各段毎に変えるためには、各段毎の回転羽
根２４の形状を前述したように変えればよい。

このように回転軸方向において回転羽根２４の押付力Ｆ
を変えた本実施例によれば、回転羽根２４の摩耗量を回
転軸１５の軸方向において均一にでき、軸方向における
最犬の摩耗量は第３図に示す実施例の約１／３になる。

したがって、軸方向における特定の回転羽根２４の摩耗
量が大きくなることはなく、これに伴う回転羽根２４の
交換作業を解消できる。

バランスウエート３３を設け、回転軸１５の軸方向で溶
液部Ｈに配置される回転羽根２４の押付力Ｆを最も小さ
くすることによって、第３図に示す実施例よりも回転羽
根２４の交換回数を低減できる。

回転羽根型蒸発器３２によって原子力発電プラントから
発生する放射性廃液を処理する場合には、回転羽根２４
の交換回数を低減できるので、作業員の放射線被ばくの
危険性を減少することができる。

第３図に示す実施例においても、同様に作業員の放射線
被ばくの危険性を減少することができる。

前述した回転羽根型蒸発器３２においては、回転軸１５
の軸方向の各段に設けられる回転羽根２４の突出部２７
の長さＳは、各回転羽根２４において等しくなっている
。

溶液部Ｈに存在する回転羽根２４の長さを短かくし、回
転羽根２４が伝熱面１７に接触しないようにしてもよい
。

したがって、溶液部Ｈに存在する回転羽根２４によって
伝熱面１７に作用する押付力Ｆを零にすることができ、
この回転羽根２４の摩耗を防止することができる。

押付力Ｆを回転軸１５の軸方向に変化させないで、回転
羽根２４の突出部２７の長さＳを、回転軸１５の軸方向
に設けられる回転羽根２４で毎段毎に変化させても、軸
方向に存在する回転羽根２４の摩耗量を均一にすること
ができる。

すなわち、溶液部Ｈに存在する回転羽根２４の突出部２
７の長さＳを最も長くし、固体析出部に存在する回転羽
根２４の突出部２７の長さＳを最も短かくする。

前述した回転軸の軸方向で、回転羽根の突出部の円周方
向の長さを変えることまたは回転羽根によって作用する
押付力を変えることは、第３図に示す実施例に適用する
ことが可能である。

以上述べた本発明によれば、回転羽根の摩耗量が減少し
、回転羽根の交換回数を低減できるので回転羽根型蒸発
器の稼動率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は回転羽根型蒸発器の縦断面図、第２図は第１図
の■一■断面における従来の回転羽根型蒸発器の回転羽
根の構造を示す説明図、第３図は本発明の好適な一実施
例である回転羽根型蒸発器の回転羽根の構造を示す説明
図、第４図は回転羽根の他の実施例を示す斜視図、第５
図は本発明の他の実施例で第１図の■一■断面に相当す
る部分の構造図、第６図は第５図に示す実施例の回転羽
根の摩耗量と押付力の関係を示す特性図、第７図は角度
θ３と押付力Ｆ２との関係を示す特性図、第８図は回転
羽根型蒸発器内での処理液の濃縮乾燥過程を示す説明図
、第９図は第５図に示す回転羽根型蒸発器の軸方向にお
ける回転軸の軸方向における各回転羽根の押付力を示す
特性図。 ８・・・・・・ジャケット、９・・・・・・胴体、１５
・・・・・・回転軸、２１・・・・・・支持軸、２３，
３２・・・・・・回転羽根型蒸発器、２４ ． ２８・
・・・・・回転羽根、２７・・・・・・突出部、３０・
・・・・・開口、３３・・・・・・バランスウエート。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 処理液が内部に供給されかつ壁面が加熱される容器
   と、前記容器内に挿入される回転軸と、前記回転軸の軸
   方向に複数段配置される回転羽根とからなる回転羽根型
   蒸発器において、前記容器の内壁に対向する前記回転羽
   根の先端に、前記容器の円周方向に突出する突出部を設
   け、前記突出部の前記容器の円周方向の長さを変化させ
   ることにより回転羽根の押付力を軸方向に変化させ、前
   記容器内で前記処理液が容液状態にある領域に存在する
   前記突出部の長さを最も長くして押付力を最も小さくす
   ることを特徴とする回転羽根型蒸発器。