JPS5818562B2 - 塩水から蒸気を生成する方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的に動力または新鮮な水もしくはその両方
を生じるため廃熱を回収する装置に係り、更に詳細にい
えば、これらの目的を果すためサイクルにおいて回転分
離機およびタービン・エレメントを使用することに係る
ものである。

廃熱を回収し、動力を発生しまた海水の如き塩水から新
鮮な水を生成するため有効な装置が絶えず要求される。

多くの熱回収サイクルと新鮮な水の生成装置がこれまで
に提案されたが、これら装置のどれも本発明により達成
される如き構造と、作用モードと結果とにおいて多くの
異例の利点を具現するものとは信じられない。

基本的には、本発明はヂーゼル・エンジン、ガス・ター
ビン、ボイラー施設等からの廃気の「廃熱」を回収する
有効で簡単な方法を提供する。

液体への熱は伝達により比較的に低いレベルのエンジン
の廃気から回収され、この液体は次いでノズル内で膨張
せしめられて２相流体（液体の滴と気体との混合物）を
生じる。

膨張する気体の運動エネルギーは気体と液体との質量比
に基いて液体に分配され、この運動エネルギーが液体タ
ービンを駆動するために利用される。

ノズルと、回転分離機および液体作動のタービンの部品
が設けられ、全体としてサイクルは蒸気タービンを作動
させるため液体を蒸発させるランキン（Ｒａｎｋｉｎ）
サイクルよりも重要な利点を有している。

これらの利点には簡素、信頼性、回転部品が低温での作
動、一層有効な熱伝達および潜在的に改良された熱力学
的効率が含まれる。

このことに関して、本発明を具体化する簡単な装置は典
型的にはランキンの装置の価格の５０ないし６０％の価
格である。

以上述べた基本的装置は海水に関連して利用すると前記
した利点の全てを有しまた新鮮な水を供給するが、この
装置はまた廃熱から動力を生じつつある工業的用途では
海水を濃縮するためにも使用できる。

サイクルの動力発生効率は一層高価なランキン・サイク
ルのものに匹敵でき、このサイクルで使用された塩水ま
たは海水の一部分は塩水を付随的に濃縮しつつ持ち運び
できる水として供給される。

基本的には、本発明の方法は、熱い流体（燃焼生成物の
如き）からの熱を塩水の如き液体に伝達することと、塩
水を加圧状態でノズルに送ることと、塩水をノズル内で
膨張させてジェット状態で蒸気と液体の滴とを生じさせ
ることと、ジェットの運動エネルギーを使用して回転分
離機を回転させ分離機上に液体の回転する層すなわちリ
ングを形成しそれに伴い蒸気を使用可能な状態で分離す
る（濃縮後に新鮮な水を生じるため）こととを含んでい
る。

分離機上の回転する液体のリングのエネルギーは次いで
典型的にはタービンを駆動してシャフトの動力出力を誘
導し、取り除かれた塩水は後記するように再使用できる
。

効率を増大するためいくつかの分離機とタービンとの段
を後記する方法で使用できる。

本発明の前記した目的、その他の目的ならびに利点は添
付図面を参照して以下に本発明の例示的具体例について
詳細に説明することにより明らかになることと思う。

動力と新鮮な水とを生じる基本的な廃熱回収ガイクルが
第１図に示しである。

例えば、海水の如き塩水（またはその他の液体）が符号
１０で示した個所で供給され、もし必要ならばこの塩水
の圧力はポンプ１１により増大せしめられる。

比較的に冷たい塩水は次いで符号１２で示した如くコイ
ル１５，１６を含んでいる凝縮器１３．１４の如き熱伝
達手段を通過し、この熱伝達手段内で塩水はコイル１７
．１８からの熱伝達により加熱される。

符号１７で示した如くコイル１８を通過せしめられる蒸
気は凝縮され熱供給し、蒸気の場合には、その結果によ
る新鮮な水の凝縮物は使用のため符号２０で示した個所
で取り出される。

加熱された液体すなわち塩水は次いで一次熱交換器２１
に入り、例えば、内燃機関の如き熱供給源２２により生
成した熱い燃焼生成物の如き熱い反流体から熱を取り上
げる。

装置全体は、たとえば、ヂーゼル・エンジンが広く使用
される船に特に使用される。

このことに関して、海水は図示した如く熱い燃焼生成物
が上を流れるコイル２３を通り流れる。

加熱された液体すなわち塩水は次いで符号１２ａで示し
た如くノズル手段（例えば、ノズル２４）に導かれ、こ
のノズル手段はそれを通り流れる流体を受領して膨張さ
せ、ノズル手段から排出されたジェット２５に蒸気と液
体の滴とを形成するよう接続すなわち位置決めされてい
る。

このようなノズルが米国特許第３，８７９，９４９号明
細書に記載されている。

膨張により液体の滴に運動エネルギーを与え、ジェット
における２相混合物が回転分離機２６のリムに衝突する
。

・回転分離機２６はジェットの通路に米国特許第：ｊ、
ｓ ７９，９４９号明細書に記載した如く分離機のリム
に液体の層を形成するようジェットにより回転せしめら
れるよう位置決めされている。

ジェットと液体とからの蒸気の分離もまた生じ、蒸気は
分離器を収容するハウジング２７内に集積してハウジン
グから符号２８で示した個所で出る。

この蒸気は次いで前記した凝縮器１３．１４に流れる。

また符号２９で示した液体タービン手段も設けてあり、
回転分離機２６と、回転タービン２９と出力シャフト３
０との共通の軸線が符号３１で示しである。

分離機のリムに形成された回転リングすなわち層からの
液体は米国特許第３，８７９，９４９号明細書に記載し
た如くノズルによってタービンに通されてタービンを駆
動するため取り除かれ、後記する第４図ないし第８図に
示しであるように、タービンにより生じた動力はシャフ
ト３１において取り出される。

凝縮した塩水の如き使用ずみの流体はタービンから符号
３２で示した個所から出て海に戻すことができる。

このようにして得られる新鮮な水の量は号イクルに入る
塩水の量の可成りの部分である。

第４図ないし第８図にはケーシング１８０内で共軸に回
転可能な典型的なノズル１６７と、ケーシング１８０内
で回転する分離機ホイール１６８と半径流タービン１６
９とが示しである。

液体と蒸気すなわちガスとの混合物が高圧でノズルの入
口１７０に供給される。

混合物はノズルの出口１７１で低圧に膨張し、その結果
による高速の２相ジエツト１７２が第８図に示した如く
附号１７５で示した個所で回転分離機のリム１７４の内
面１７３に衝突する。

塩分を含んだ液体はその慣性と遠心力とにより内面１７
３上の層１７６で濃縮され、他方、ガスまたは蒸気は分
離して通路１７７を慣通して半径方向に内方に流れ固定
のケーシングすなわち、ハウジング１８０に設けた口孔
１７９を通り排出パイプ１７８に入る。

回転分離機はハウジング１８０に装着され分離機のホイ
ール車軸１６８ａを受ける軸受１８１により支持されて
いる。

分離機１６８の回転は非常に僅かであるすきまと軸受の
摩擦損失とによってのみ妨げられる。

従って、通路１７７を通るガスの内向きの流れにより回
転分離機に与えられたトルクにより助けられた衝突する
ジェット１γ２と表面１７３との間の極めて僅かな相対
的速度は液層１７６の速度をジェット１７２の速度にほ
ぼ等しい値に保持するのに役立つ。

液体は液体層１７６から回転分離機６８のリムに設けた
通路１８２を通り流れて分離機ホイール１６８の一体の
部品を形成する環状室１８３に入る。

その結果として、別の液体層１８４が形成され遠心力に
より表面１８５に覆接せしめられる。

この液体の層は分離機ホイール内を同心的に回転し液体
層１８４に浸漬した入口通路１８６を有するタービン転
子１６９用の流体エネルギー源を形成する。

タービン転子１６９は液体層１８４に交差するよう配置
された羽根または通路を有することができ、第５図と第
６図とには半径流れ型タービンが示しである。

タービン転子は典型的には分離機ホイール１６８よりも
低い角速度で回転し層１８４からの液体を入口１８６に
入らせ、通路１８７を通り半径方向に内方に流れタービ
ン・シャフト１９０に設けた軸線方向通路１８７ａとタ
ービン・シャフト１９０の壁に設けた孔１８９とを経て
液体出口バイブ１８８に流れさせる。

シャフト１９０は負荷にそれにより回転せしめられるよ
うにして接続されている。

タービン１６９は軸受１９１に支持されている。

タービン通路１８７はそれぞれデフユーザ１９２を組み
入れると好適で、このデフユーザ内では入口１８６に入
る液体は、遠心力による半径方向通路１８７内の圧力降
下を考慮に入れても排出パイプ１８８内の液圧がタービ
ン・ケーシング１８０内の圧力より可成り高く事実、ノ
ズルの入口１７０における圧力より大となるような圧力
に部分的に変換できる。

従って、デフユーザ１９２は圧送に必要な液体を供給で
きる。

排出パイプ１８８においで高圧で運転するには、シャフ
ト１９０とハウジング１８０との間の液体の漏洩量はラ
ビンス・シール１９３と漏洩液体をハウジング１８０の
底部１９５に戻すドレン１９４とにより減少せしめられ
、この漏洩その他の内部漏源からの液体はスリンガ羽根
１９６により取り上げられジェット１７２内に戻るよう
ほうられる６シヤフト・シール１９７によりハウジング
１８０の外部に液体が漏洩するのは防止される。

タービンの入口々孔１８６．の外部形状は液体層１８４
を舌とし妨害する外部抗力と騒流とを極減するようにす
る必要がある。

第７図に示した構造ではタービンの入口の液体層１８４
の表面に交差する部分用にくささび状支柱１９８を使用
し、従って、支柱がさえぎる流れは符号１９９で示す個
所で最大の騒流で分割されタービンの入口１８６の背後
の通った跡の帯域２００における液体層に殆んど速度が
失われることなく戻される。

異なる流体流量で作動できるようにするため、通路１９
２にはタービン入口１８６の面積を変える作用を行う可
動壁２０１を設けることができる。

従って、第４図ないし第８図の具体例は必須的に非常に
低い摩擦でガス相と液体相とを分離できるようにする可
動面を設け、この可動面はジェットが接線をなして向け
られる周面を有し、自由に回転する第１のホイールから
成り、また第２の流体から分離されホイールに回転を与
えたが動力伝達を行わない第１の流体を捕捉する手段を
含んでいる。

この具体例は第１の周面と近接して延びている周面を有
する第２のホイールを設け、従って、これら２つのホイ
ールはそれらの間に分離された第１の流体を収容しこの
流体を第２のホイールに供給する間隙を形成し、この間
隙では流体の運動エネルギーは一部分はシャフト動力に
一部分は圧送動力に変換される。

再び第２図を参照すると、海水は符号１１０で示した個
所で変形例の装置に入り、ポンプ１１１により加圧され
、符号１１２で示した通路において凝縮器１１３内のコ
イル１１５を通過し才だ凝縮器１１４内のコイル１１６
を通過する６塩水は次いで第１図の熱交換器２１に相等
する一次熱交換器１２１内のコイル１２３を通過する。

エンジン１２２は第１図のエンジン２２に相等する。

加熱された海水は次いで符号１１２ａで示した如く通過
し符号１２４で示した第１段のノズル手段に至りこのノ
ズル手段を通りその内部で膨張し第１段のジェットにお
いてスチームの如き蒸気と液体の滴とを形成する。

第１段の回転分離機段１２６がこのジェットの通路に位
置決めされジェットの運動エネルギーにより回転せしめ
られ分離手段上に液体の層を形成しく前記した如く）そ
れに付随して蒸気またはスチームが分離する。

蒸気は符号１２９で示した如く分離機ハウジング１２８
から凝縮器１１４内のコイル１１７に至り、この凝縮器
内で部分的に凝縮され加圧された蒸気と水滴として第３
の回転分離様手段３２６に関係したノズル３２４を通過
せしめられる。

第１段のタービン１２９が分離機１２６に組み合わされ
分離機１２６上の回転層からの液状塩水を受領し第１の
タービン段を駆動し、出力シャフトは符号１３１で示し
である。

タービン１２９を通過した減圧の塩水は符号２００で示
した如く第２段のノズル手段２２４を通過せしめられそ
の内部を通り膨張せしめられ第２段のジェットに蒸気と
水滴とを形成する。

このジェットは第２段の回転分離様手段２２６（ジェッ
トの通路にある）に衝突して分離機を回転させ分離機上
に塩水の層を形成しそれと共に回転する。

分離された蒸気は符号２１９で示した如くハウジング２
２８から凝縮器１１３のコイル２１８に通過せしめられ
符号１２０で示した個所で凝縮し新鮮な水として取り出
される。

第２段のタービン手段２２９が分離器２２６と連通しく
前記した如くに）回転する層から塩水を受領し、このよ
うな運動エネルギーが第２段のタービンを駆動する。

このタービンを通過した塩水は符号３００で示した個所
で取り除かれる。

第２段のタービンの出力シャフトが符号２３１で示しで
ある。

第３段の回転タービンが符号３２９で示してあり第３段
の回転分離機３２６と連通している。

分離機３２６により分離された液体は前記した第１およ
び第２段の場合と同様にタービン３２９を駆動するため
に使用される。

この場合に、分離機とタービンとを通過する液体は典型
的には新鮮な水であり、従って、タービンにより符号１
２０ａで示した如く取り除かれる水は新鮮な水の蒸気１
２０と合体せしめられることができる。

タービンの出カシャフトは符号３３１で示しである。

タービン段１２９，２２９および３２９は全て共通のシ
ャフト上に位置決めすることもできるしまたはそれらの
シャフト１３１．２３１．３３１は互いに接続できる。

更にまた、第２図に示した分離機とタービンとの段はす
べて共軸にできる。

第２図にはまた図示した如く凝縮器１１４．１１３に接
続されて段１２９，２２９および３２９に対応する分離
機およびタービン段１１２９，１２２９および１３２９
を備えた平行な機構４００が示しである。

その他の点ではこの装置４００は第２図に示した装置と
同じで対応す乞部品は末尾に数字を加えて示しである。

６００°Ｆで熱い燃焼生成物を生じる内燃機関を使用す
る典型的な施設では、海水の作用流体は６００′″Ｆに
加熱され１５３４ｐｓｉａで飽和した液状の水として第
１のノズルに供給される。

中間段の温度は可変であり、第３図に示した控え目な仮
定を使用して、この温度は第２段の圧力を１１８ｐｓｉ
ａとして３４０’Ｆに選択できる。

図示したガイクルは２３係のガイクル効率を有している
。

正味の動力出力十数り除かれた熱で割った正味の動力出
力として定義した総合的サイクル効率、すなわち・ ５
・＝Ｐｎ＋Ｑｃが前記した廃熱条件用に概算した。

この概算が第３図に中間段の温度の■関数としてこの概
算の控え目な種々の度に対して作図されている。

ガイクルに入る流体（１００分比で示した蒸気）の量Ｘ
はＯから２０の範囲内で変化する。

タービン・ノズルの効率ｈ はタービンの効率ｈ１を７
５係ないし８０％にして８０係ないし９０係として選ん
である。

現在示したパラメータを表わす概算は最高２３係までの
ガイクル効率レベルを示す。

このガイクル効率は十分に開発された有機ランキン・ガ
イクル（これは副生物の水を供給しない）に匹敵する。

上述のサイクルは通常の濃度の海水に熱を伝える。

蒸気を通過させることと液体の濃縮とは流れがノズルに
達する進中じない。

従って高い濃度の塩水がノズルおよび分離機のみに接触
する。

この接触は一時的でありこれは腐蝕を防止する。

このことは非常に腐蝕性の地熱塩水で証明された。

このガイクルは堆積と腐蝕という問題を排除するためサ
イクル効率を僅かに犠牲にしてすなわち第３図に鎖線の
カーブで示した如くに表面から水は蒸発しないよう作用
せしめられることができる。

このガイクルはま殆非常に小さい寸法から非常に大きい
寸法にまで種々寸法を変えることができる。

要約すると、以上説明した塩水ガイクルは船のエンジン
の排気の「廃熱」を保存し、電気付属機器を運動するシ
ャフト動力と新鮮な水とを生じる。

生じたシャフト動力は新鮮な水を供給しない一層複雑で
高価な有機ランキン・サイクル・ボイラーから生じたも
のに相等する。

本発明の利点には次の如きものが含まれる。

すなわち、 （１）当初の費用が安くまた運転費も安い。

（２）簡略で信頼性がある。

厳密な公差を要求される部品が非常に少ない。

（３）追加の流体を必要とせず毒性物物質に関する問題
がない。

（４）寸法を変えることができる。

（５）気化率が低いので効率の良い対流熱交換器（小型
の交換器）である。

（６）タービンの１分毎の回転数が低い（歯車箱を省略
）。

（７）熱交換器では濃縮塩水が処理されない（他の製氷
機に相対的に）、。

。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る装置の線図、第２図は変形例の装
置の線図、第３図はサイクル効率のグラフ、第４図はノ
ズルと、、、分離機とタービンとの組合わせの側面図、
第５図は第８図の５−５線に沿い切断して示した拡大断
面図、第６図は第５図の６−６線に沿い切断して示した
断面部分図、第７図は第６図の７−７線に沿い切断して
示した拡大断面図、第８図は第４図の組合わせの一部断
面上面図である。 ２１．１２１・・・・・・熱伝達手段、２２，１２２・
・・・・・エンジン、２４，１２４・・−・・・ノズル
手段、２６゜１２６・・・・・・分離様手段、２９，１
２９・・・・・・タービン手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱い流体から塩水に熱を伝達することと、加熱され
   た塩水を加圧状態でノズル手段に送ることと、 塩水をノズル手段内で膨張させてジェット状態の蒸気と
   液体の滴とを生成することと、 塩水の膨張した流れに回転分離機手段を置きジェットの
   運動エネルギーにより該分離機手段を回転させて該分離
   機手段に塩水の回転する層を形成しそれに伴い蒸気を分
   離してその後取り除けるようにすることから成る熱い流
   体と、ノズル手段と回転分離機手段とを使用して塩水か
   ら蒸気を生成する方法。 ２ 熱い流体から塩水に熱を伝達することと、加熱され
   た塩水を加圧状態でノズル手段に送ることと、 塩水をノズル手段内で膨張させてジェット状態の蒸気と
   液体の滴とを生成することと、 塩水の膨張した流れに回転分離機手段を置きジェットの
   運動エネルギーにより該分離機手段を回転させて該分離
   機手段に塩水の回転する層を形成しそれに伴い蒸気を分
   離してその後取り除けるようにすることと、 タービン手段を利用し、回転する層からの液体をノズル
   手段によってタービン手段に通過させてタービン手段を
   駆動することを含む塩水から蒸気を生成する方法。 ３ 熱い流体から塩水に熱を伝達することと、加熱され
   た塩水を加圧状態でノズル手段に送ることと、 塩水をノズル手段内で膨張させてジェット状態の蒸気と
   液体の滴とを生成することと、 塩水の膨張した流れに回転分離機手段を置きジェットの
   運動エネルギーにより該分離機手段を回転させて該分離
   機手段に塩水の回転する層を形成しそれに伴い蒸気を分
   離してその後取り除けるようにすることと、 塩水を加熱する以前に塩水を蒸気と熱伝達関係になるよ
   う通過させて蒸気を凝縮させることを含む塩水から蒸気
   を生成する方法。 ４ 蒸気を凝縮して新鮮な水を生成することを含む特許
   請求の範囲第１項の方法。 ５ タービンから動力を抽出することを含む特許請求の
   範囲第２項の方法。 ６ 熱い流体が燃焼生成物から成る特許請求の範囲第１
   項の方法。 ７ 燃焼源を作動させて燃焼生成物を生成することを含
   む特許請求の範囲第６項の方法。 ８ エンジンを作動させて燃焼生成物を生成することを
   含む特許請求の範囲第６項の方法。 ９ 熱い流体が廃熱ガスである特許請求の範囲第１項の
   方法。 １０分離されたスチームをスチーム・タービンを通り通
   過させタービンを駆動し且つ動力を生じることを含む特
   許請求の範囲第１項の方法。