JPS636241B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は特定の多段濃縮装置に用いる被濃縮液
供給量制御システムに関する。

本発明に用いる特定の多段濃縮装置は、抵濃度
の溶液をとくに沸騰せしめたり減圧にして蒸発せ
しめたりすることなく、最小の熱量で最大の濃縮
効率をうることができるものであり、本出願人が
先に開発したものである（特願昭56−69649号）。

その多段濃縮装置は第１図に示すように、３枚
以上の熱伝導性の良好な加熱凝縮板E₁〜E_o+1を断
熱ケース１内に間隔を設けて配置し、各板の下面
に吸液層S₁〜S_oを設けて複数の濃縮段を形成して
なるものである。

熱源HSが太陽熱のように上方から加えられる
ばあい、吸液層S₁〜S_oは濃縮部となり、板E₂〜
E_o+1の上面が凝縮面となる。被濃縮液は供給パイ
プP₁〜P_oから吸液層S₁〜S_oに供給され、濃縮液
排出パイプC₁〜C_oから濃縮液が、また凝縮液排
出パイプW₁〜W_oから凝縮液が排出される。

熱源が地熱や他の廃熱などのような下方から加
えられるものであるばあいは、濃縮部と凝縮部と
が逆の位置となる。

以下、本発明に用いる多段濃縮装置の作用を熱
源HSとして太陽熱を用い、被濃縮液として海水
を用いた太陽熱を利用した海水の淡水化を代表例
にあげて説明する。

前記の構成を有する多段濃縮装置は、太陽熱に
より板E₁を加熱し、各段における海水の蒸発→
凝縮の繰返しによつて潜熱の形で熱をつぎの段へ
順次移動せしめるものである。このばあい板E₁
〜E_o+1の一方の面が蒸発面となり他方の面が凝縮
面となる。しかし排出される蒸留水および濃縮海
水により熱が系外に排出されるなどの熱損失によ
つて上段から下段へと温度勾配が生じており、そ
のため連続的な蒸発→凝縮が繰返されるのであ
る。そこで今ｉ段目の吸海水層S_iの蒸発温度をT_i
とすると、クラジウス・クラペイロンの式からｉ
段目で生成する蒸留水の生成量W_iは次式で近似
的に表わされる。

W_i＝10^A-B１／T_i （） （式中、ＡおよびＢは定数である。） 式（）から明らかなようにTiが大きくなれ
ばW_iは大となり、したがつて定常的に連続運転
するためにはW_iに見合う海水を補充しなければ
ならない。本発明者らの実験および研究の結果、
その海水の補充量F_iは、次式： F_i＝aW_i （） で近似的に表わされ、定数ａは約1.3〜3.0が適当
であることが見出された。

それを超えて多量に海水を補給すると海水の加
熱に多くの熱量が消費されしかも蒸発残量が多い
ため、系外に多量の熱が排出されるので熱効率が
わるくなる。また少なすぎても濃縮されすぎてス
ケールや固形塩分の析出などの問題が生ずる。

さらに前記のごとく各段の温度はそれぞれ異な
り、熱源に近い方から順次低くなる温度勾配を有
しているため、各段に供給する海水の最適量も変
化する。すなわち飽和蒸気圧曲線に対応して蒸発
においても凝縮においても高温ほどその量は大き
い。したがつて上段は下段よりも多く海水を供給
する必要がある。ところで、段間隔などの条件を
同じにするときは、隣接する段間の生成蒸留水量
の減衰率G_i（＝W_i／W_i-1）は１未満の値でマクロ的に みればほぼ一定の値をとる。すなわち、後述のご
とくG_i＝0.85〜0.95となる。

したがつてｉ＋１段目の海水の供給量F_i+1は次
式によつて表わされる。

F_i+1＝aG_i+1W_i＜F_i （） 以上のごとく、本発明者らは種々研究を重ねた
結果、各段の供給量は各段またはいずれかの段の
蒸発温度を測定することにより被濃縮液の最適供
給量が決定できることを見出し、その原理に基づ
いて各段へ最適海水量を供給するシステムを開発
した。

すなわち本発明は、３枚以上の熱伝導性の良好
な加熱凝縮板を断熱ケース内に間隔を設けて配置
し、各板の少なくとも下面に吸液層を設けて複数
の濃縮段を形成し、被濃縮液を各加熱凝縮板の熱
源に対して背面側に通して加熱蒸発せしめ、対面
する加熱凝縮板の凝縮面で蒸気を凝縮する多段濃
縮装置において、該多段濃縮装置に供給される熱
量または１つの濃縮段の温度を測定し、該熱に関
する情報に基づいて各段への被濃縮液の供給量を
あらかじめ決定された比率で最適量に維持するこ
とを特徴とする多段濃縮装置の被濃縮液供給制御
システムに関する。

本明細書において多段濃縮装置に供給される熱
量とは、多段濃縮装置自体に供給される熱量のみ
ならず、多段濃縮装置の近傍で該濃縮装置とほぼ
同一条件の個所に供給される熱量をも含む概念で
ある。

濃縮段の温度の測定は、いずれか１つの濃縮段
または加熱凝縮板について行なう。

そこでまず多段濃縮装置に供給される熱量を測
定して制御を行なうばあいについて説明する。な
お、以下被濃縮液として海水を用い、熱源として
太陽熱を用いるばあいを代表例としてあげて説明
する。

第２図に本発明の制御システムを用いるスケー
ルアツプされた濃縮システムの系統図を、第３図
に本発明に用いる多段濃縮装置と最終分配器の一
実施例を示す。

第２図に示す濃縮システムは５段の多段濃縮装
置２を６台組合せたものであり、海水はタンク３
からメインポンプ４で第１分配器５に送られ、２
等分されて第２分配器６に送られ、この第２分配
器でさらに３等分されて最終分配器７に送られ
る。最終分配器７からは濃縮装置２の各段に５本
のパイプが連結されている。

最終分配器７からの各段への供給量の比率は、
前記式（）を参考にして実験の繰返しによつて
あらかじめ決められている。このような供給量の
比率が固定されている最終分配器７の一実施例を
第３図に基づいて説明する。

最終分配器７はタンク８と５本のキヤピラリー
管９ａ〜９ｅからなり、各キヤピラリー管９ａ〜
９ｅのヘツド１０は大気と連通している。キヤピ
ラリー管９ａ〜９ｅはそれぞれ口径または管長の
異なるものであり、それらによつて５本のキヤピ
ラリー管を通過する海水の量をあらかじめ決めら
れた比率にすることができる。また各キヤピラリ
ー管を通過する海水の量の増減はタンク８中の海
水の水位でコントロールすることができる。

すなわち濃縮装置２の各段への海水の最適量の
コントロールは、タンク８への海水の供給量によ
つてコントロールすることができるのである。

したがつて、最終分配器７への海水の供給量
を、たとえばメインポンプ４、第１分配器５およ
び（または）第２分配器６でコントロールすれば
よい。またはこれらを連結するパイプにバルブ
（図示されていない）を設けてコントロールして
もよい。

そのほか第５図に示すように、高架タンク１４
と定水頭タンク１６とワツクスエレメント弁１８
またはバイメタル弁とを組合せたシステムにより
供給量をコントロールしてもよい。

第３図に示す実施例では多段濃縮装置に供給さ
れる熱量を最上段の加熱凝縮板の上表面に熱電対
などの温度センサ１１を配置することによつて測
定している。

温度センサ１１で測定された温度情報はコント
ロールボツクス１２に送られ、コントロールボツ
クス１２からの信号により第２分配器６中のバル
ブ（図示されていない）の開度をコントロール
し、最終分配器７への海水の供給量を調節してタ
ンク８の水位をコントロールする。その結果濃縮
装置の全段に供給される海水の量が最適量に調節
される。

このように最上段の温度を測定するばあい、コ
ントロールボツクス１２での処理は、第１段用の
キヤピラリー管９ａの流量が前記式（）と
（）を満足するように第２分配器からの供給量
の制御を行なうだけでよい。というのは、残りの
キヤピラリー管９ｂ〜９ｅはそれぞれ前記式
（）を満足するようにあらかじめ供給比率が固
定されているからである。

また濃縮装置の中間段に温度センサを配置して
も同様に全段の供給量をコントロールすることが
できる。

さらに温度センサ１１からの信号をメインポン
プ４に送り、メインポンプの出力を制御してもよ
く、メインポンプ４にダイヤフラムポンプを使用
してダイヤフラムのストロークを制御してもよ
い。

前記のごとく温度センサを濃縮装置の外部で該
濃縮装置の上表面とほぼ同一条件の個所に配置し
て海水の供給量を制御してもよく、そのばあいた
とえば差温式日射計の集熱板温度または廃熱利用
における加熱部温度を測定すればよい。

なお第３図に示す濃縮装置について前記式
（）で用いた減衰率Ｇは、本発明者らが繰返し
実験した結果、ほぼ0.85〜0.95の範囲の値であつ
た。

また最終分配器７からの海水の分配供給に、キ
ヤピラリー管９ａ〜９ｅに代えて開度があらかじ
め決められているバルブ（図示されていない）を
用いてもよい。

コントロールボツクス１２、における処理を通
常の電気回路で行なつてもよいが、段数が増加す
るなど濃縮システムが複雑になるときは、マイク
ロプロセツサにより行なうこともできる。

つぎに第４図および第５図に基づき、濃縮装置
の近傍に供給される熱量により直接バルブの開度
を調節して海水の供給量をコントロールする実施
例を説明する。

この実施例では、メインポンプ４と第１分配器
５の間に高架タンク１４と定水頭タンク１６とワ
ツクスエレメント弁１８とからなる制御部が設け
られている。

メインポンプ４により海水タンク３から汲みあ
げられた海水は高架タンク１４に入れられる。高
架タンク１４にはレベルスイツチ１５が配設され
ており、レベルスイツチ１５の高低によりメイン
ポンプ４を自動的に間欠運転せしめて高架タンク
１４の水位を調節する。

高架タンク１４から定水頭タンク１６への供給
はボールタツプ１７により海水の重力量によつて
行ない、その結果定水頭タンク１６の水位は常に
一定となつている。定水頭タンク１６から第１分
配器５への海水の供給はワツクスエレメント弁１
８によつて行なう。

ワツクスエレメント弁１８は第６図に示すごと
く、ワツクスエレメント２０と弁部２１とから構
成されている。

ワツクスエレメント２０は弁部２１の上部蓋２
２に取りつけられており、ガラスカバー２３で覆
われている。ワツクスエレメント２０は弁部２１
のシヤフト２４に断熱継手２５により連結されて
おり、シヤフト２４の他端には弁２６が設けられ
ている。該弁２６と弁座２７の間隔により入口ニ
ツプル２８から出口ニツプル２９へと流れる海水
の量を調節する。

ワツクスエレメント２０は該エレメントに供給
される熱量、たとえば日射量に応じて内封されて
いるワツクスが体積変化することを利用し、ワツ
クスエレメントの芯棒３０を伸縮せしめるもので
ある。

日射量が増大するとワツクスエレメント内のワ
ツクスが膨張して芯棒３０が伸長し、シヤフト２
４を押し下げ、弁２６と弁座２７の間隔を拡げて
通過海水量を増す。日射量が減少すると逆の動作
が生起し、スプリング３１の働きにより日射量に
応じた位置までシヤフトが上がる。

日射量に応じた流水量を決定するには、前記式
（）と（）および実験に基づき、ワツクスエ
レメント２０の取りつけ位置などを調節すること
により行なえばよい。

このようにこの実施例では第１分配器５への海
水の供給、すなわち最終分配器７への海水の供給
は、前記の実施例とは異なり温度センサ（すなわ
ちワツクスエレメント）と弁とをダイレクトに連
動せしめることができるため、コントロールボツ
クスなどの電気的、電子的処理機構が不要とな
り、故障などの問題が減少しメインテナンスなど
もきわめて容易になる。

なお、ワツクスエレメントに代えてバイメタル
を用いても同様の制御を行なうことができる。

本発明に用いる多段濃縮装置は種々の溶液の濃
縮、蒸留だけではなく、海水の淡水化などにも用
いることができる。他の溶液を用いるばあいには
その溶液ごとに実験により前記定数ａや減衰率
G_i、その他の条件をあらかじめ決定する必要があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の制御システムによつて制御す
る多段濃縮装置の一実施例の概略断面図、第２図
は本発明の制御システムの系統図、第３図は多段
濃縮装置の別の実施例と最終分配器とを組合せた
状態の斜視図、第４図は本発明の制御システムの
別の実施例を用いる濃縮システムの系統図、第５
図はワツクスエレメント弁の部分縦断面図であ
る。 （図面の主要符号）、２：多段濃縮装置、３：
海水タンク、４：メインポンプ、５：第１分配
器、６：第２分配器、７：最終分配器、８：タン
ク、９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ：キヤピラリ
ー管、１１：温度センサ、１２、：コントロール
ボツクス、E₁，E₂，E₃，E_o：加熱凝縮板、HS：
熱源、P₁，P₂，P₃，P_o：被濃縮液供給パイプ、
S₁，S₂，S₃，S_o：吸液層、W₁，W₂，W_o：凝縮
液排出パイプ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ３枚以上の熱伝導性の良好な加熱凝縮板を断
   熱ケース内に間隔を設けて配置し、各板の少なく
   とも下面に吸液層を設けて複数の濃縮段を形成
   し、被濃縮液を各加熱凝縮板の熱源に対して背面
   側に通して加熱蒸発せしめ、対面する加熱凝縮板
   の凝縮面で蒸気を凝縮する多段濃縮装置におい
   て、該多段濃縮装置に供給される熱量または１つ
   の濃縮段の温度を測定し、該熱に関する情報に基
   づいて各段への被濃縮液の供給量を予じめ決定さ
   れた比率で最適量に維持することを特徴とする多
   段濃縮装置の被濃縮液供給量制御システム。