WO2015022941A1 - 水封式水蒸気圧縮機 - Google Patents

水封式水蒸気圧縮機 Download PDF

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和治 高田
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株式会社ネクスト
コーヨー・テクノ 株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C19/00—Rotary-piston pumps with fluid ring or the like, specially adapted for elastic fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2210/00—Fluid
    • F04C2210/22—Fluid gaseous, i.e. compressible
    • F04C2210/227—Steam

Definitions

  • the present invention relates to a refilling apparatus for make-up water of a water ring type steam compressor.
  • a water-sealed vacuum compressor that has a rotary impeller and sucks and compresses a compressible fluid using space volume change is economical because it has few failures, quiet operation is possible, and the price is low.
  • a water-sealed vacuum compressor that has been widely used and discharges air as a compressible fluid to the atmosphere is well known as a "water-sealed vacuum pump" (hereinafter “water-sealed vacuum compressor” Say.).
  • water-sealed vacuum compressor Say.
  • the gas to be inhaled and the water used for the water-seal are supplied from separate passages.
  • turbo blower which compresses by centrifugal force of high speed rotation
  • roots blower which compresses using a change of space volume composed of metal parts
  • screw blower etc.
  • the rotation speed is high, and there are many failures due to the large area of mechanically driven metal contacts, and complicated and high-precision machining is required for manufacturing, which makes the manufacturing cost expensive.
  • an object of the present invention is to provide a water-sealed water vapor compressor which is inexpensive, has no failure, can be operated quietly, and is inexpensive for the purpose of compression of water vapor.
  • the main structure of a conventional water ring vacuum compressor that is, a structure having a rotary impeller and using suction and compression utilizing space volume change, is used for water sealing
  • a water vapor compressor comprising a supplementary water pipe in the suction water vapor passage of the compressor, and a high speed injection of a small amount of supplementary water from the end of the supplementary water pipe to lower the suction chamber temperature of the water vapor compressor did.
  • the temperature of the steam suction chamber is lowered because the makeup water used for the water-seal is merely mixed by replenishing makeup water to the hot water circulation Since it was necessary to add a large amount of make-up water by all means, the compression efficiency was poor, resulting in a drop in the water vapor intake efficiency.
  • low-temperature makeup water consumes the steam compressed by the compressor and is discharged at the same temperature as the compressed steam at the discharge port of the steam compressor, so a large amount of makeup water causes a large heat loss. It was accompanied.
  • a supplementary water pipe is provided in the suction water vapor passage of the conventional water ring type vacuum compressor, and the supplementary water is injected into the water vapor suction chamber at high speed in consideration of the rotational speed of the rotary impeller.
  • the replenishment water jetted at high speed lowers the temperatures of the rotary impeller and the left and right walls constituting the steam suction chamber, and the replenishment water covers the rotating inner surface of the high temperature water circulation by the centrifugal force action to carry out water circulation Control the evaporation of Therefore, it has become possible to lower the steam suction chamber temperature with a small amount of makeup water and to increase the steam suction efficiency, and the small amount of makeup water reduced the heat loss and led to the improvement of the thermal efficiency.
  • the state of high vacuum degree of high vacuum degree (to 4 kPa abs) Can be created.
  • This high degree of vacuum is a degree of vacuum that could not be achieved by a water-sealed vacuum compressor alone as a conventional vacuum pump, and thus, a gas ejector and a water-sealed vacuum compressor, which have not been highly efficient until now This vacuum degree has been achieved by a combination system of
  • the water ring type water vapor compressor of the present invention has a large compression ratio with a small amount of compression as compared with other water vapor compressors, for example, a centrifugal turbo blower. Even in a small-capacity water-sealed steam compressor having such a defect, by compensating for this defect in combination with a multiple effect evaporator, it has become possible to supply a large-capacity evaporative concentrator. For example, since steam at 75 ° C can be sucked and compressed to 100 ° C at atmospheric pressure, the multi-effect evaporator can be operated within this temperature difference range of 25 ° C, and 8 ° C at 3 ° C per effect. It became possible to operate the heavy-effect evaporator.
  • the water-sealed steam compressor is easy to manufacture because of its low-speed rotation system, has a long life, is quiet in operation, and is inexpensive, so it can be supplied as a steam compressor of a less expensive steam concentrator. It became.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1 showing an outline of a water-seal type steam compressor in which a supplementary water pipe is provided in a suction steam passage. It is the elements on larger scale of FIG. 1 which showed a mode that makeup water flowed in a steam suction chamber of a water ring type steam compressor from a makeup water pipe. It is a flow sheet which shows a case where an example of the present invention and a triple effect evaporator are adopted.
  • the main structure of a conventional water-sealed vacuum compressor is, as shown in FIG. 1, having a rotary impeller 63 in a horizontal cylinder, with the shaft 61 of the horizontal cylinder and the blade axle 62 in the same direction.
  • the positions of both axes are arranged differently.
  • the water-sealed steam compressor 60 uses the main structure of the above-described conventional water-sealed vacuum compressor, while using compressible fluid as steam, and the water reflux 65 in the can by the centrifugal force of the rotation of the rotary impeller. Meanwhile, water vapor is drawn from the water vapor inlet 66 into the space formed by the water circulation and the rotary impeller, and the drawn water vapor is compressed and compressed using the space volume change generated by the rotation of the rotary impeller. Then, the steam that has become high temperature is discharged from the discharge steam passage 67A through the steam discharge port 67.
  • the suction steam passage of the conventional water-sealed vacuum compressor simply has an opening for sucking the compressible fluid into the steam suction chamber 63C (details omitted), but in the present invention, as shown in FIG. 1 and FIG.
  • a supplementary water pipe 64A is provided, and low temperature supplementary water is injected from the supplementary water discharge port 64 of the small diameter hole at the end of the supplementary water pipe into the water vapor suction chamber 63C.
  • the rotational speed of the rotary impeller 63 is 3 to 4 m / sec, in consideration of this, high speed injection is performed from the makeup water discharge port so as to reach the axial direction depth of the water vapor suction chamber.
  • the replenished water injected at high speed enters the water vapor suction chamber and lowers the temperature of the rotary impeller and the right wall 63A and the left wall 63B which constitute the water vapor suction chamber, and as shown in FIG.
  • the rotating inner surface of the water reflux 65 is held down by the low temperature replenishing water lid 69 to exert the effect of suppressing the evaporation of the high temperature water reflux, and the temperature of the water vapor suction chamber can be made lower than the suction water vapor temperature.
  • a large hole is adopted for the water vapor suction port shown in FIGS. 1 and 2, a circular hole, an elliptical hole or the like similar to a conventional water-sealed vacuum compressor may be adopted.
  • the normal pressurization mechanism for example, a pump, a nozzle, etc.
  • the mechanism which ejects replenishment water (details are omitted).
  • the operation will be described using FIG.
  • the triple effect evaporative concentration apparatus includes a first effect evaporator 10, a second effect evaporator 20, a third effect evaporator 30, a condenser 40, and a condensed water pump as main devices in addition to a water ring type steam compressor. It is a system which consists of 48 and vacuum pump 50 grade
  • the temperature difference resulting from the heat transfer resistance, the increase in the boiling point of the concentrate, and the heat transfer area is, for example, 5 ° C.
  • 85 ° C. water vapor should be added.
  • the temperature 80 ° C. of the concentrate of the first effect evaporator is adjusted by turning the electric heater 90 ON / OFF.
  • the makeup water discharge port 64 of the steam compressor 60 is replenished with makeup water of 70 ° C. from the condensed water pump 48 through the makeup water pipe 64A.
  • the steam density is 0.24 As it is kg / m 3 , water vapor will be sucked in at a high speed of 100 m / sec or more.
  • H 6.5 m if the rotation speed is 1800 rpm and the inner radius of water reflux is 6 cm, and even if the temperature of high temperature water reflux is 100 ° C, it sucks steam of 75 ° C. It is possible pressure.
  • make-up water supplied to the water ring type water vapor compressor 60 for water circulation formation can be usefully used with less heat loss in combination with the multiple effect evaporator.
  • the water ring type water vapor compressor of the present invention in which the supplementary water pipe is provided in the suction water vapor passage of the compressor and the small amount of supplementary water is injected at high speed from the end of the supplementary water pipe to reduce the suction chamber temperature Since it is sufficient to supply water, it can be used in a wide industrial field as a water-sealed steam compressor with low heat loss.

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Abstract

【課題】圧縮性流体として水蒸気を対象とし、少ないエネルギーで故障がなく静粛に運転できかつ安価な水封式水蒸気圧縮機を提供する。 【解決手段】　圧縮性流体として水蒸気を可能とすべく、従来の水封式真空圧縮機の主要な構造、すなわち、回転羽根車を有し空間容積変化を利用して吸入・圧縮する構造、を用いて水封式水蒸気圧縮機を構成し、該圧縮機の吸入水蒸気通路内に補給水管を設け、該補給水管端から少量の補給水を高速噴射させて、該水蒸気圧縮機の吸入室温度を低下させるようにした。

Description

水封式水蒸気圧縮機
　本願発明は、水封式水蒸気圧縮機の補給水の補給装置に関する。
　回転羽根車を有し空間容積変化を利用して圧縮性流体を吸入・圧縮する水封式真空圧縮機は、故障が少なく、静粛な運転ができ、かつ価格が安い等、経済性が高いため、広く使用されてきており、空気を圧縮性流体として大気中に排出する水封式真空圧縮機は「水封式真空ポンプ」としてよく知られている（以下、「水封式真空圧縮機」という。）。
この水封式真空圧縮機では、吸入する気体と水封に使用する水とは別々の通路から供給されている。
　この水封式真空圧縮機で水蒸気を圧縮しようとすると、圧縮機内の水環流温度は圧縮した水蒸気温度と同じ高温になり、このままでは水蒸気吸入室の温度は吸入すべき水蒸気温度より高くなるため、水封式真空圧縮機で水蒸気を吸入・圧縮してヒートポンプとして使用することは無理とされてきた。
　気体を圧縮する他の方法としては、高速回転の遠心力によって圧縮するターボブロワ、金属部品で構成する空間容積の変化を利用して圧縮するルーツブロワ、スクリュウブロワ等が使われてきているが、これらはいずれも回転が高速であり、また機械的に駆動される金属接触部が多面積におよぶため故障が多く、製作に複雑・高精度な機械加工が必要なため製作費が高価になる難点があった。
　一方、地球環境汚染防止対策から不要廃液の処理が重要視され、このため簡便かつ安価に溶液を濃縮できる装置が求められており、また、水資源を得る手段として、海水から安価に真水を得る蒸発装置が世界的に望まれている。
しかし、従来から蒸発濃縮装置には蒸気エジェクタ・ヒートポンプが使用されてきているが、この方式ではエジェクタ・ヒートポンプを駆動するために別途蒸気をボイラー等から供給する必要があって、エネルギー効率が高いとは言えず、熱エネルギー効率のよい圧縮機として水封式水蒸気圧縮機が求められてきている。
特開平０５－１８０１８４号公報 特開２００４－０４１５８０号公報
　従って、本願発明の目的は、水蒸気の圧縮を目的として、少ないエネルギーで、故障がなく、静粛運転でき、かつ安価な水封式水蒸気圧縮機を提供することにある。
　圧縮性流体として水蒸気を可能とすべく、従来の水封式真空圧縮機の主要な構造、すなわち、回転羽根車を有し空間容積変化を利用して吸入・圧縮する構造、を用いて水封式水蒸気圧縮機を構成し、該圧縮機の吸入水蒸気通路内に補給水管を設け、該補給水管端から少量の補給水を高速噴射させて、該水蒸気圧縮機の吸入室温度を低下させるようにした。
　従来の水封式真空圧縮機では、水封に使用する補給水は、高温の水環流に補給水を補給して単に混合するだけであったことから、水蒸気吸入室の温度を低くするにはどうしても多量の補給水を加える必要があったため、圧縮効率が悪く、水蒸気の吸入効率の低下を招いていた。
また、低温の補給水は、圧縮機で圧縮された水蒸気を消費して、水蒸気圧縮機の吐出口では圧縮水蒸気と同温度となって吐出されることから、多量の補給水は大きな熱損失を伴っていた。
そこで、本願発明では、従来の水封式真空圧縮機の吸入水蒸気通路内に補給水管を設け、補給水を回転羽根車の回転速度を考慮して高速で水蒸気吸入室に噴射させることとした。
これにより、高速で噴射された補給水は水蒸気吸入室を構成する回転羽根車と左壁・右壁の温度を下げるとともに、補給水は遠心力作用で高温水環流の回転内面を覆って水環流の蒸発を抑えることになる。依って、少量の補給水で水蒸気吸入室温度を下げ、水蒸気の吸入効率を上げることが可能となり、補給水の少量化は熱損失を減少させ、熱効率の向上につながった。
　実施例の一つとして、単独でかつ常温(２０℃)の補給水を供給して本願発明の水封式水蒸気圧縮機を運転すると、高真空度(３～４kPa abs)の高真空度の状態をつくることができる。この高真空度は、従来の真空ポンプとしての水封式真空圧縮機単独では達成できなかった真空度であり、このため、いままでは、効率の高くないガスエジェクターと水封式真空圧縮機との組み合わせシステムによって、この真空度を達成していたものである。
　本願発明の水封式水蒸気圧縮機は、他の水蒸気圧縮機、例えば遠心ターボブロワ、に比べ、圧縮量が少ない割に圧縮率が大きい。
このような欠点を有する容量の小さい水封式水蒸気圧縮機でも、多重効用蒸発器との組み合わせでこの欠点を補うことにより、処理能力の大きな蒸発濃縮装置を供給できるようになった。
例えば、７５℃の水蒸気を吸入し大気圧状態で１００℃まで圧縮できることから、この温度差範囲２５℃内で多重効用蒸発装置を作動させることができ、１効用当たり３℃の作動をするなら８重効用蒸発器の作動が可能となった。
　さらに、水封式水蒸気圧縮機は、低速回転方式故に、製作が容易であり、寿命が永く、運転は静かであり、安価であるから、一層廉価な蒸気濃縮装置の蒸気圧縮機として供給が可能となった。
　また、水封式水蒸気圧縮機を用いて、水蒸気を吸入・圧縮し、圧縮水蒸気から加熱熱源を得られることとしたことから、コンパクトかつ取扱いの容易な加熱熱源を得る水封式水蒸気圧縮機としての提供が可能になり、他に熱源を必要とする場合であっても付加する加熱源（例、電気ヒータ）は少量で済み、別途水蒸気をボイラー等から供給する必要性を著しく軽減させた。
吸入水蒸気通路内に補給水管を設けた水封式水蒸気圧縮機の概要を示す断面図である。 吸入水蒸気通路内に補給水管を設けた水封式水蒸気圧縮機の概要を示す図１のＡ－Ａ矢視断面図である。 補給水管から補給水が水封式水蒸気圧縮機の水蒸気吸入室内を流れる様子を示した図１の部分拡大図である。 本願発明の実施例、３重効用蒸発缶を採用した場合、を示すフローシートである。
　従来の水封式真空圧縮機の主たる構造は、図１に示すように、横丸胴缶体内に回転羽根車６３を有し該横丸胴缶体の軸６１と羽根車軸６２を同方向とし両軸位置が異なる配置にしたものである。
水封式水蒸気圧縮機６０は、上記従来の水封式真空圧縮機の主たる構造を利用しつつ、圧縮性流体を水蒸気とし、回転羽根車の回転の遠心力で該缶体内に水環流６５を形成し、一方、該水環流と回転羽根車で構成する空間に水蒸気を水蒸気吸入口６６から吸入し、回転羽根車の回転で生じる空間容積の変化を利用して吸入した水蒸気を圧縮し、圧縮して高温となった水蒸気を水蒸気吐出口６７を介して吐出水蒸気通路６７Ａから排出する。
　従来の水封式真空圧縮機の吸入水蒸気通路は単に水蒸気吸入室６３Ｃに圧縮性流体を吸入させる開口を有する物であるが（詳細省略）、本願発明においては、図１および図２に示すように、吸入水蒸気通路６８内に補給水管６４Ａを設けたものであって、補給水管端の小径孔の補給水発射口６４から低温補給水を水蒸気吸入室６３Ｃに噴射する。
この際、回転羽根車６３の回転速度は３～４m/secであるから、これを考慮して、水蒸気吸入室の軸方向奥まで到達するように、補給水発射口から高速噴射する。
高速噴射された補給水は水蒸気吸入室に入り、水蒸気吸入室を構成する回転羽根車と右壁６３Ａ・左壁６３Ｂの温度を下げ、さらに図３に示すように、補給水は遠心力作用で水環流６５の回転内面を低温補給水蓋６９で押さえつけて高温水環流の蒸発を抑える効果を発揮し、水蒸気吸入室内温度を吸入水蒸気温度より低くできる。
図１および図２に示す水蒸気吸入口には、大きな開孔が採用されているが、従来の水封式真空圧縮機と同様な円孔・楕円孔等を採用してもよい。
なお、補給水を噴出させる機構には通常の加圧機構（例．ポンプ、ノズル等）が適宜使用される（詳細省略）。
　本願発明の水封式水蒸気圧縮機６０は、単独でも使用できるものであるが、応用例として３重効用（効用数Ｎ＝３）の蒸発濃縮装置に水封式水蒸気圧縮機を組み合わせたシステムを用いて作動を説明する（図４）。
３重効用蒸発濃縮装置は、水封式水蒸気圧縮機の他に、主たる機器として、第１効用蒸発器１０、第２効用蒸発器２０、第３効用蒸発器３０、凝縮器４０、凝縮水ポンプ４８および真空ポンプ５０等からなるシステムである。
　第１効用蒸発器１０で８０℃の水蒸気を発生させるには、伝熱抵抗と濃縮液の沸点上昇分と伝熱面積から生じる温度差が例えば５℃なら、第１効用蒸発器には加熱水蒸気として８５℃の水蒸気が加えられなければならない。
なお、第１効用蒸発器の濃縮液の温度８０℃は電気ヒータ９０を ON/OFF させて調節する。
水蒸気圧縮機６０の補給水発射口６４には凝縮水ポンプ４８から補給水管６４Ａを介して７０℃の補給水が補給される。
一方、水蒸気圧縮機の水蒸気吸入口６６には、第２（＝Ｎ－１）番目効用蒸発器２０で汽水分離された７５℃の水蒸気の一部が導かれてくる。
例えば、補給水噴射で水蒸気吸入室温度を ７４℃に下げることができれば、７４℃の水蒸気圧力 = 0.37696kg/cm2.abs、導かれてくる水蒸気は７５℃であって、７５℃の水蒸気圧力 = 0.39313kg/cm2.abs であるから、差圧は 0.39313-0.37696 = 0.01617kg/cm2となり、この圧力差によって、７５℃の飽和水蒸気は水蒸気吸入口から吸入されると、水蒸気比重は 0.24kg/m3 なので 100m/sec以上の高速で水蒸気は吸入されることになる。
因みに遠心力で生じる圧力Ｈ(m水柱)は、回転数 1800 rpm・水環流内面半径 6cm なら、Ｈ=6.5 m であり、高温水環流の温度が １００℃であっても ７５℃ の水蒸気を吸入できる圧力となる。
　以上から、水封式水蒸気圧縮機６０の水環流形成用に補給された補給水は、多重効用蒸発器との組み合わせにより熱損失が少なく有用に利用できることが判る。
　圧縮機の吸入水蒸気通路内に補給水管を設け、該補給水管端から少量の補給水を高速噴射させて、吸入室温度を低下させるようにした本願発明の水封式水蒸気圧縮機は、少量の補給水で済むことから、熱損失の少ない水封式水蒸気圧縮機として、広い産業分野での利用が可能となった。
　　　６０　　水封式水蒸気圧縮機
　　　　６１　　横丸胴缶体の軸
　　　　６２　　羽根車軸
　　　　６３　　回転羽根車
　　　　６３Ａ　右壁
　　　　６３Ｂ　左壁
　　　　６３Ｃ　水蒸気吸入室
　　　　６４　　補給水発射口
　　　　６４Ａ　補給水管
　　　　６５　　水環流
　　　　６６　　水蒸気吸入口
　　　　６７　　水蒸気吐出口
　　　　６７Ａ　吐出水蒸気通路
　　　　６８　　吸入水蒸気通路
　　　　６９　　低温補給水蓋
　　　１０　　第１効用蒸発器
　　　２０　　第２効用蒸発器
　　　３０　　第３効用蒸発器
　　　４０　　凝縮器
　　　　４８　　凝縮水ポンプ
　　　５０　　真空ポンプ
　　　９０　　電気ヒータ

Claims (1)

  1. 　回転羽根車を有し空間容積変化を利用して圧縮性流体を吸入・圧縮する水封式真空圧縮機において、圧縮性流体を水蒸気とし、該圧縮機の吸入通路を吸入水蒸気通路とし、さらに吸入水蒸気通路内に補給水管を設けたこと、を特徴とする水封式水蒸気圧縮機。
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