WO2020045662A1 - 熱交換器 - Google Patents

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WO2020045662A1
WO2020045662A1 PCT/JP2019/034253 JP2019034253W WO2020045662A1 WO 2020045662 A1 WO2020045662 A1 WO 2020045662A1 JP 2019034253 W JP2019034253 W JP 2019034253W WO 2020045662 A1 WO2020045662 A1 WO 2020045662A1
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WO
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heat exchange
flow path
working fluid
shell
phase
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/034253
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French (fr)
Inventor
康之 池上
健 安永
敬之 渡辺
定幸 實原
Original Assignee
国立大学法人佐賀大学
株式会社ゼネシス
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Filing date
Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D1/00—Evaporating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D5/00—Condensation of vapours; Recovering volatile solvents by condensation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/02—Treatment of water, waste water, or sewage by heating
    • C02F1/04—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/02—Treatment of water, waste water, or sewage by heating
    • C02F1/04—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation
    • C02F1/06—Flash evaporation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28B—STEAM OR VAPOUR CONDENSERS
    • F28B1/00—Condensers in which the steam or vapour is separate from the cooling medium by walls, e.g. surface condenser
    • F28B1/02—Condensers in which the steam or vapour is separate from the cooling medium by walls, e.g. surface condenser using water or other liquid as the cooling medium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/08—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger that can be used as an evaporator and a condenser for desalination in a steam power cycle, for example, adapted to a hybrid cycle type ocean thermal energy conversion device.
  • Ocean temperature difference power generation which generates power using the temperature energy of surface seawater and deep seawater in the ocean, is expected to be put to practical use, and research and development are being promoted in various countries.
  • three types of open cycle, closed cycle and hybrid cycle are widely known.
  • the hybrid cycle employs a steam power cycle that uses a low-boiling-point medium as the working fluid, as in the closed cycle, thereby eliminating the need for a special turbine as in the case of the open cycle, and the use of steam as a high-temperature heat source.
  • the surface seawater as a high-temperature heat source and the evaporator heat transfer surface come into contact with each other, and the heat transfer surface is corroded by biological dirt and seawater. It is not necessary to worry about the generation of seawater, and the water condensed with water vapor derived from seawater used for heat exchange with the working fluid in the evaporator can be used for drinking, etc. Practical application in areas that require desalination is desired.
  • an evaporator that evaporates the working fluid evaporates the working fluid by exchanging heat with the steam that evaporates the seawater and at the same time condenses the steam and condensate.
  • freshwater and also serves as a condenser for seawater desalination equipment.
  • the conventional plate-type heat exchanger can be made compact by using a plate as a main component as shown in the patent document.
  • evaporation that is, a phase change from a liquid phase to a gas phase occurs in a flow path on the working fluid side.
  • an evaporator that evaporates a working fluid in a hybrid cycle system simultaneously condenses water vapor.
  • a condensate of fresh water is obtained, and the steam side can be regarded as a condenser.
  • the conventional evaporator will have a heat Since the fluids to be exchanged have a cross-flow configuration, the flow path on the working fluid side in the evaporator is horizontal. In this case, when the liquid-phase working fluid that flows laterally into the heat exchanger evaporates by heat exchange, the evaporated gas-phase working fluid flows upward with respect to the liquid-phase working fluid.
  • the problem is that the working fluid does not stay in the upper part of the flow path and does not come out of the heat exchanger, and the remaining gas phase inhibits the contact between the liquid working fluid and the heat transfer surface, and As the efficiency of evaporation decreases, the stagnant portion becomes thermal resistance, and the efficiency of heat exchange with steam through the heat transfer surface decreases at this portion, so that the liquid phase operation through the heat transfer surface as a whole heat exchanger The heat exchange between the fluid and the steam does not proceed well, and there is a problem that the efficiency of condensation cannot be increased as expected.
  • the flow path on the side of the working fluid to be evaporated is set to be in the vertical direction so that the evaporation is performed efficiently,
  • the flow path on the (high-temperature fluid side) is horizontal.
  • the condensate after condensation flows downward with respect to the vapor in the gas phase, and the condensate in which the water vapor is condensed flows into the flow path.
  • the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problem, and a heat exchange unit in which plates are combined is arranged in an appropriate direction in a shell, and heat exchange between a gas-phase high-temperature fluid and a liquid-phase low-temperature fluid is reliably performed. It is an object of the present invention to provide a heat exchanger in which evaporation of a low-temperature fluid and condensation of a high-temperature fluid can efficiently and concurrently proceed in a heat exchange section.
  • the heat exchanger according to the present invention exchanges heat between the high-temperature fluid in the gas phase and the low-temperature fluid in the liquid phase flowing from the outside through the heat exchange section made of a heat-conductive material, thereby condensing the high-temperature fluid in the gas phase.
  • a heat exchanger for evaporating a low-temperature fluid in a liquid phase a heat exchanger for evaporating a low-temperature fluid in a liquid phase has an internal space separated from the outside by a partition, and the high-temperature fluid in a gas phase can be introduced into the internal space from the outside and condensed from the internal space to the outside.
  • a high-temperature fluid in a liquid phase can be taken out, and a hollow container-like shell provided with a flow path for inflow and outflow of the low-temperature fluid that penetrates a partition wall is provided.
  • the high-temperature fluid in a gas phase is steam
  • the low-temperature fluid in the liquid phase is a working fluid of the steam power cycle and is in the liquid phase
  • the heat exchange unit is configured to perform a plurality of heat exchange plates made of a substantially rectangular metal thin plate in a plurality of juxtaposed states by a predetermined substantially For adjacent heat exchange at two parallel end portions While being welded in a watertight state with the rate, another adjacent heat exchange plate and another substantially parallel two end portions that are substantially perpendicular to the two end sides are welded in a watertight state and all are integrated, and each heat A first flow path through which the steam and the condensed water condensed by the water vapor pass through the exchange plate, and a second flow path through which the working fluid passes are formed every other, and the steam and
  • An opening portion of the first flow passage and an opening portion of the second flow passage through which a working fluid can flow in and out are formed as a right-angled arrangement, and the heat exchange portion is provided in the inner space of the shell in the second space.
  • a predetermined gap is interposed between the flow path and the inner surface of the shell partition other than the opening part of the flow path, and the opening part of the first flow path is disposed up and down.
  • the inflow and outflow channels are connected to each other.
  • the heat exchange between the working fluid in the liquid phase flowing first and the steam flowing in from the shell internal space is performed, and the heat exchange forms a fresh water condenser that condenses the steam to obtain fresh water as condensed water.
  • heat exchange is performed between steam and a working fluid of a steam power cycle, and a condenser for desalination that obtains fresh water by condensing steam and a working fluid in a liquid phase is vaporized by evaporating a working fluid in a liquid phase.
  • a heat exchanger that also serves as an evaporator that obtains the working fluid, a structure in which a heat exchange unit in which a plurality of substantially rectangular heat exchange plates are integrated in a parallel state is arranged in a shell is adopted.
  • the heat exchange section can be downsized by allowing heat to flow through the heat exchange plate by evaporating the working fluid and condensing the steam. , Desalination and steam power with heat exchanger Mechanism unloading with size of the entire system and it included the cycle can be achieved.
  • the steam can linearly and smoothly enter the first flow path between the parallel heat exchange plates of the heat exchange section from the internal space of the shell, and the pressure loss in the flow path can be suppressed, and the condensation can be smoothly progressed.
  • the water can flow down and can be taken out efficiently. Furthermore, since the contact between the water vapor and the heat exchange plate and the resulting heat transfer occur smoothly without interruption, heat exchange between the water vapor and the liquid-phase working fluid flowing into the second flow path separating the plate also occurs. The working fluid can be smoothly advanced, and the working fluid can be efficiently evaporated.
  • the heat exchange portion may be provided in the shell internal space, and the opening of the second flow path on the working fluid outflow side may be provided with respect to the opening of the working fluid inflow side.
  • the heat exchanging section is disposed so as to be inclined so as to be on the upper side.
  • the heat exchange unit is disposed in the shell internal space in an inclined state, the liquid-phase working fluid flows into the second flow passage of the heat exchange unit, and the liquid-phase working fluid is exchanged with steam for heat exchange.
  • the gas-phase working fluid is directed toward the upper part and the opening part of the second flow path due to the property of moving upward to the generated gas-phase working fluid, so that the gas-phase working fluid is Even if the gas-phase working fluid continues to move upward in the second flow path, the working fluid does not stay in the upper part of the second flow path, and the accumulated gas-phase working fluid Prevents the liquid-phase working fluid from contacting the surface of the heat exchange plate with the liquid-phase working fluid, thereby reliably preventing heat exchange between the liquid-phase working fluid and steam and evaporation of the working fluid from being performed smoothly. Evaporation of working fluid and condensation of water vapor can be performed efficiently with a heat exchanger .
  • the water condensed in the first flow path gathers on the side where the heat exchange part is inclined, and flows down from the predetermined range, which is the lowermost part of the opening, to the outside of the heat exchange part, and receives the condensed water.
  • the size of the water recovery section leading to the outside of the shell can be reduced, and the heat exchanger can be made more compact.
  • the heat exchanger according to the present invention has, as necessary, a hollow depressurized container having an evaporating space communicating with the inner space of the shell therein, and the evaporating space being in a depressurized state lower than the atmospheric pressure.
  • an injection unit that is disposed in the decompression container and that injects seawater introduced from the outside into the internal space of the decompression container, and is disposed at least in communication with the evaporation space of the decompression container, and the evaporating space
  • a pressure reducing device that adjusts the internal space of the shell to a pressure lower than the saturated vapor pressure of the seawater, wherein the seawater injected from the injection unit is flash-evaporated in the evaporation space of the pressure-reducing container, and the water vapor obtained by evaporation is provided. Is condensed in the heat exchange section.
  • an injection unit that injects seawater into the evaporation space of the decompression container communicating with the internal space of the shell is provided, and the seawater is sprayed, sprayed, water film-shaped, or water column-shaped from the injection unit.
  • Etc. and the evaporating space is depressurized by the decompression device, seawater is flash-evaporated in the evaporating space, and the obtained water vapor is guided to the inner space of the shell and condensed in the heat exchange part.
  • seawater desalination By continuously introducing the water vapor evaporated from the seawater into the heat exchange section, seawater desalination can be performed efficiently, and energy consumption related to evaporation and condensation other than the pressure reducing device that lowers the pressure in the pressure reducing vessel can be suppressed. This means that fresh water can be obtained at low cost. Furthermore, if the seawater to be evaporated is obtained by recovering predetermined exhaust heat, heat energy corresponding to the temperature difference with the working fluid in the heat exchanger can be recovered by the steam power cycle, and the yield of condensed water can be secured. Waste heat can be used effectively, and energy use efficiency can be increased.
  • the decompression container is provided integrally with the shell below the shell, and one of the partition walls separating the evaporation space of the decompression container and the internal space of the shell.
  • the part is a mist removal part that prevents the seawater of the liquid present in the evaporation space from proceeding to the interior space of the shell while allowing the movement of gas from the evaporation space to the interior space of the shell. is there.
  • the decompression container is integrated with the shell, the inner space of the shell and the evaporating space are brought close to each other, and the steam generated in the evaporating space is quickly passed through the inner space of the shell to form the heat exchange section.
  • the pressure loss of the steam moving to the heat exchange section can be reduced, and the temperature drop of the steam and the accompanying decrease in the heat exchange performance can be prevented, and the condensation of the steam and the evaporation of the working fluid can be efficiently performed. Can proceed.
  • the space for evaporation and the internal space of the shell are separated by the mist removing part, and while the water vapor is allowed to advance to the shell internal space, seawater is prevented from proceeding from the evaporation space to the shell internal space, Even if the evaporating space where seawater is present is located close to the shell internal space, seawater components will not accidentally flow into the heat exchange section, thus reliably preventing contamination and corrosion of the heat exchange section and reducing maintenance frequency. Can be suppressed.
  • the liquid level position of the liquid-phase working fluid in the working fluid circulation flow path of the steam power cycle is set above the heat exchange unit, and the heat exchange unit The working fluid in the liquid phase exists in the entire second flow path, and can exchange heat with the steam in the first flow path via the heat exchange plate of the heat exchange unit.
  • the level of the liquid phase working fluid in the working fluid flow path of the steam power cycle is adjusted so that the level of the liquid phase working fluid is above the heat exchange unit, and the working fluid is steam
  • the generated gas-phase working fluid travels upward as bubbles while traveling in the liquid phase working fluid that has not evaporated toward the opening of the second flow path, By flowing out from the opening to the outside, even if the gas-phase working fluid continues to move upward in the second flow path, the working fluid does not stay at the upper part of the second flow path, and the accumulated gas-phase working fluid is in the liquid phase.
  • the heat exchanger according to the present invention if necessary, of at least one of the upper and lower openings of the first flow path in the heat exchange section, on the cooling fluid inflow side in the second flow path.
  • a substantially box-shaped non-condensable gas collecting portion which is disposed so as to cover a predetermined range portion close to the opening portion, and has one open end communicating with an inner region of the non-condensing gas collecting portion, and an outer portion of the shell.
  • a substantially tubular non-condensable gas discharge portion that is disposed with the other open end positioned at the other end thereof and that can discharge the non-condensable gas collected in the non-condensable gas collection portion to the outside of the shell.
  • the condensation easily proceeds at a low temperature near the entrance of the second flow path in the first flow path, and the non-condensable gas is collected along the area where the non-condensable gas contained in the steam is likely to stay.
  • a non-condensable gas discharge section is provided to connect the non-condensable gas discharge section, and the non-condensable gas can be discharged to the outside of the flow path through the non-condensable gas collection section and the non-condensable gas discharge section.
  • heat exchanger In the heat exchanger according to the present invention, heat exchange is performed between the gaseous high-temperature fluid and the liquid-phase low-temperature fluid flowing from the outside through the heat exchange unit made of a heat conductive material, and the gaseous high-temperature fluid is condensed.
  • the heat exchanger for evaporating the low-temperature fluid in the liquid phase the heat exchanger has an internal space separated from the outside by the partition, and the high-temperature fluid in the gas phase can be introduced into the internal space from the outside, and can be introduced from the internal space to the outside.
  • a high-temperature fluid in a condensed liquid phase can be taken out, and a hollow container-like shell provided with a low-temperature fluid inflow / outflow passage that penetrates a partition wall is provided, and the plurality of heat exchange units are substantially in parallel.
  • Each of the heat exchange plates made of a rectangular metal sheet is welded in a predetermined substantially parallel two end portions to one adjacent heat exchange plate and in a watertight state, while another adjacent heat exchange plate is Another substantially parallel pair substantially perpendicular to the two end sides Welded in a watertight state at the side portions and all are integrated, and a first flow path through which the high-temperature fluid passes and a second flow path through which the low-temperature fluid passes between the heat exchange plates are formed alternately.
  • the opening portion of the first flow passage through which the inflow and outflow of the first flow passage and the opening portion of the second flow passage through which the low-temperature fluid can flow in and out are formed so as to form a right angle, and the heat exchange portion is provided in the inner space of the shell.
  • a predetermined gap is interposed between the opening of the second flow path and the inner surface of the shell partition other than the opening of the second flow path, and while the opening of the first flow path is positioned up and down, the low-temperature fluid outflow side of the second flow path
  • the entire heat exchanging portion is arranged to be inclined such that the opening portion is located above the opening portion on the low temperature fluid inflow side, and the low temperature fluid inflow / outflow channel and the opening portion of the second channel are connected.
  • Low-temperature liquid flow flowing through the low-temperature fluid inflow and outflow channels A gas phase hot fluid flowing from the shell interior space and is intended for heat exchange.
  • a heat exchange unit in which a plurality of substantially rectangular heat exchange plates are integrated in a parallel state is disposed in an inclined state in the shell internal space, and each of the parallel heat exchange units is formed.
  • first and second passages are alternately generated through which a gas-phase high-temperature fluid and a liquid-phase low-temperature fluid to be subjected to heat exchange are generated.
  • the low-temperature fluid is passed through the heat exchange plate so as to form a cross-flow, and the high-temperature fluid in the gas phase is condensed and the low-temperature fluid in the liquid phase is evaporated.
  • the heat exchange unit By exchanging heat between the heat exchanger and the low-temperature fluid, the heat exchange unit can be downsized, so that the entire system including the heat exchanger can be downsized and the load can be reduced accordingly. Also, when the liquid-phase low-temperature fluid flows into the second flow path of the heat exchange section with respect to the inclined heat exchange section, and evaporates in the second flow path by heat exchange with the high-temperature fluid, the generated gas phase Due to the nature of the low-temperature fluid, which tends to move upward, toward the upper part of the second flow path and toward the opening of the second flow path, the gas-phase low-temperature fluid flows from the upper part of the opening part of the second flow path.
  • the low-temperature fluid does not stay at the upper part of the second flow path, and the accumulated gas-phase low-temperature fluid and the liquid-phase low-temperature fluid are heated.
  • the heat exchange between the liquid-phase low-temperature fluid and the gas-phase high-temperature fluid and the evaporation of the liquid-phase low-temperature fluid do not occur smoothly by preventing the contact with the surface of the exchange plate, thereby ensuring the heat exchange. It is possible to efficiently evaporate the liquid-phase low-temperature fluid and condense the gas-phase high-temperature fluid in the vessel.
  • 1 is a schematic explanatory diagram of an ocean temperature difference power generation system to which a heat exchanger according to a first embodiment of the present invention is applied. It is a longitudinal section of the heat exchanger concerning a 1st embodiment of the present invention. It is a longitudinal section of the heat exchanger concerning a 2nd embodiment of the present invention. It is a front view of the heat exchanger concerning a 3rd embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic perspective view of another heat exchange unit and a non-condensable gas collection unit in the heat exchanger according to the third embodiment of the present invention. It is a schematic front view of a heat exchange part and a non-condensable gas collection part in a heat exchanger concerning a 4th embodiment of the present invention. It is a partially cutaway perspective view of the non-condensable gas collection part in the heat exchanger concerning a 4th embodiment of the present invention. It is an explanatory view of the attachment state to the plate for heat exchange of the non-condensable gas collection part in the heat exchanger concerning a 4th embodiment of the present invention.
  • the heat exchanger 10 is formed by integrating a plurality of heat exchange plates 15 made of a plurality of substantially rectangular metal thin plates in a parallel state, and is provided with a gas-phase high-temperature fluid flowing in from the outside.
  • a hollow container-like shell having a heat exchange unit 11 for exchanging heat with a low-temperature fluid in a liquid phase, and an internal space separated from the outside by a partition, and arranged so as to house the heat exchange unit 11 in this internal space. 12 is provided.
  • the heat exchange unit 11 is disposed in the internal space of the shell 12 and exchanges heat between a high-temperature fluid flowing from the outside and a liquid-phase working fluid as a low-temperature fluid to condense the vapor and condense liquid. In addition, at least a part of the liquid-phase working fluid is evaporated to obtain a gas-phase working fluid.
  • the heat exchange unit 11 is configured such that each of the plurality of heat exchange plates 15 made of a substantially rectangular metal thin plate is arranged in a watertight state with one heat exchange plate adjacent at two predetermined end portions that are substantially parallel to each other.
  • the other heat exchange plates adjacent to each other and the other substantially parallel two end sides substantially orthogonal to the two end sides are welded in a watertight state, and all are integrally formed. (See FIG. 2).
  • the heat exchange unit 11 has one first passage 15b between the heat exchange plates 15 through which the steam and the condensate condensed by the steam pass, and one second passage 15c through which the working fluid passes.
  • the opening of the first flow passage 15b, which is generated every other time, and through which the vapor and the condensate can flow, and the opening of the second flow passage 15c, through which the working fluid can flow, are arranged at a right angle.
  • the heat exchange unit 11 tilts the entire heat exchange unit into the inner space of the shell 12 such that the opening on the working fluid outflow side of the second flow path 15c is above the opening on the working fluid inflow side. Is arranged.
  • the arrangement of the heat exchange unit 11 at an angle is not limited to a mode in which the heat exchange unit 11 is attached to the shell 12 in an inclined state (see FIG. 1), but the heat exchange unit is arranged inside.
  • the inclined shell may be installed at an angle to obtain a state in which the heat exchange unit integrated with the shell is inclined.
  • the shell 12 is formed in the shape of a hollow container having an internal space isolated from the outside, is capable of introducing steam from the outside to the internal space, and capable of taking out condensate from the internal space to the outside, and penetrates the partition. This is a configuration in which a working fluid inflow / outflow channel is provided.
  • the heat exchanging portion 11 that is tilted and accommodated in the shell 12 connects the inflow / outflow passage of the working fluid and the opening of the second passage 15c, and also connects the opening other than the opening of the second passage 15c.
  • a working fluid that is arranged so as to interpose a predetermined gap between the inner surface of the shell partition wall and the opening of the first flow path 15b so as to face up and down, and flows into each second flow path 15c through the inflow / outflow flow path; Heat is exchanged with the steam flowing into each first flow path 15b from the shell internal space.
  • a water recovery unit 12b for receiving the condensed liquid is provided near the side surface of the shell 12.
  • a pipe 13 serving as a working fluid circulation flow path of a steam power cycle for allowing a working fluid to flow into and out of each of the second flow paths 15c of the heat exchange section 11 through the inflow / outflow flow path. It is a configuration to be connected. Further, outside the shell 12, a storage unit 19 for collecting the condensed liquid that flows down from the heat exchange unit 11, reaches the inner space of the shell 12, and is finally discharged out of the shell is also connected.
  • the ocean temperature difference power generation system 1 to which the heat exchanger 10 according to the present embodiment is applied includes a steam power cycle unit 50 that converts heat energy obtained from a working fluid into power, and the steam power cycle unit 50 converts heat energy from heat energy. It is configured to include a power generation device 55 that generates power using the generated power, and a flash evaporator 61 that obtains water vapor by evaporating a part of seawater.
  • the heat exchanger 10 is supplied with steam derived from the surface seawater generated by the flash evaporator 61 as the high-temperature fluid, and flows in through the internal space of the shell 12 and the steam flowing through the inner space of the shell 12.
  • the heat exchange unit 11 exchanges heat with the liquid-phase working fluid to form a fresh water (seawater desalination) condenser that condenses water vapor to obtain fresh water as condensed water, and operates the liquid phase. It forms an evaporator of the steam power cycle unit 50 that evaporates the fluid to obtain a gas-phase working fluid.
  • the steam power cycle unit 50 exchanges heat between a working fluid composed of a low-boiling medium such as ammonia and water vapor as the high-temperature fluid, and evaporates the working fluid to produce a vapor-phase working fluid.
  • the exchanger 10 a turbine 52 that operates by introducing a gas-phase working fluid, and converts thermal energy possessed by the working fluid into power, and converts the gas-phase working fluid that has exited the turbine 52 into a deep seawater or the like.
  • the condenser 53 is condensed by exchanging heat with the cooling fluid to form a liquid phase, and a pump 54 for sending the liquid-phase working fluid extracted from the condenser 53 to the evaporator 31.
  • the turbine 52 and the pump 54 are known devices similar to those used in a general steam power cycle, and the description is omitted.
  • the power generator 55 generates power using the power converted from the thermal energy in the steam power cycle unit 50. Specifically, the power generator 55 is driven by the turbine 52 to generate power.
  • the power generator 55 is the same as that used for power generation using a known turbine as a drive source, and a detailed description thereof will be omitted.
  • the steam power cycle unit 50 and the power generator 55 constitute a temperature difference power generator that generates power in a steam power cycle.
  • the flash evaporator 61 has a hollow depressurized container 61a having therein an evaporating space communicating with the inner space of the shell 12 of the heat exchanger 10, and the evaporating space being in a depressurized state lower than the atmospheric pressure.
  • An injection unit 61b disposed in the decompression container 61a and injecting seawater introduced from the outside into the evaporation space of the decompression container 61a into a mist, a water droplet, a water film, a water column, or the like; In this configuration, the seawater injected from the injection unit 61b is flash-evaporated in the evaporation space in the decompression container 61a to obtain water vapor.
  • the decompression vessel 61 a of the flash evaporator 61 communicates with the shell 12 of the heat exchanger 10 so that the steam generated in the flash evaporator 61 can be introduced into the internal space of the shell 12.
  • a decompression exhaust device 16 is connected to the shell 12 of the heat exchanger 10 through a pipe or the like, and the evaporating space in the decompression container 61a of the flash evaporator 61 communicating with the inner space of the shell 12 is reduced by the decompression container.
  • the pressure is adjusted to be lower than the saturated vapor pressure of water at the same temperature as the seawater to be evaporated in 61a, the temperature at which the water in the seawater changes (evaporates) from the liquid phase to the gaseous phase in the decompression vessel 61a, and In the heat exchange unit 11 in the shell 12, the temperature at which the vapor changes from the gaseous phase to the liquid phase (condensation) is maintained to be lower than the respective temperatures at the atmospheric pressure.
  • the seawater not evaporated in the decompression container 61a is drained from the decompression container 61a and discharged to the sea.
  • the seawater introduced into the flash evaporator 61 to be evaporated is, for example, warm seawater on the surface of the ocean, and the seawater taken from the sea is once led to a deaerator (not shown) to remove air in the seawater. It is led to the flash evaporator 61.
  • the combination of the flash evaporator 61 for obtaining the water vapor by flash-evaporating the seawater in the decompression vessel 61a and the heat exchanger 10 for condensing the water vapor evaporated by the flash evaporator 61 is the seawater.
  • a seawater desalination apparatus 60 for obtaining fresh water containing no salt from the seawater is provided.
  • both the steam power cycle unit 50 and the seawater desalination device 60 of the ocean temperature difference power generation system 1 including the heat exchanger 10 are in the operating state, and the heat exchanger 10 exchanges heat between steam and the working fluid. It is assumed that it is performed continuously.
  • the liquid-phase working fluid flowing into each of the second flow paths 15c of the heat exchange section 11 through the inflow / outflow flow path of the shell 12 is a heat exchange plate.
  • the heat exchange with the water vapor in the first flow path 15b is performed via the heat pipe 15, and a part of the heat is evaporated.
  • the working fluid evaporates in the second flow path 15c the gas-phase working fluid that is generated as air bubbles tends to move upward in the liquid-phase working fluid.
  • it goes to the upper part of the flow path 15c it goes to the opening part on the outflow side of the second flow path 15c located on the upper side.
  • the heat exchange unit 11 is arranged at an angle such that the opening on the working fluid outflow side in the second flow path 15c is located at the top, the vapor-phase working fluid is allowed to evaporate as the evaporation proceeds. Even if the state of ascending the flow path 15c continues, the gas-phase working fluid can escape from the upper part of the opening of the second flow path 15c to the outside of the second flow path 15c, and the gas-phase working fluid can flow out of the second flow path 15c. There is no stay at the top of the.
  • the heat exchanger 10 exchanges the heat of the working fluid in the liquid phase with the water vapor, raises the temperature of the working fluid, and evaporates the working fluid.
  • the activated working fluid operates the turbine 52, and the turbine 52 drives the power generator 55 to generate power.
  • the working fluid that has exited the turbine 52 is introduced into the condenser 53, and is condensed by heat exchange with the cooling fluid separately introduced into the condenser 53 to become a liquid phase.
  • the working fluid in the liquid phase returns to the inside of the heat exchanger 10 after being pressurized by the pump 54, and each process after the evaporation is repeated.
  • seawater withdrawn from the sea is once led to a deaerator (not shown) to remove air in the seawater, and then introduced into the flash evaporator 61.
  • the seawater is jetted from the jetting portion 61b into the space inside the depressurized container 61a in the form of a mist, a water droplet, a water film, or a water column in the depressurized container 61a of the flash evaporator 61.
  • Most of the water in the seawater changes into gaseous water containing no impurities, ie, water vapor, by flash evaporation in the pressure reducing vessel 61a whose pressure is reduced to about 10 to 60 mmHg, and at the same time, the temperature of the seawater drops I do.
  • the water vapor obtained by evaporation of the water travels in the decompression vessel 61a together with the surrounding gas, and reaches the heat exchanger 10 in a state separated from the liquid (mist).
  • the steam enters the internal space from the upper opening of the shell 12. Then, the steam proceeds through the inner space of the shell 12 and flows in from the upper and lower openings in the first flow path 15b of the heat exchange unit 11. That is, the steam flows from the inner space of the shell 12 into the first flow path 15b from the upper opening portion of the first flow path 15b in the heat exchange section 11, and proceeds downward in the first flow path 15b. And heat exchange with the working fluid via the heat exchanger, condenses on the surface of the heat exchange plate 15 facing the first flow path 15b, and becomes liquid water.
  • the steam proceeds downward in the internal space of the shell 12, passes beside the heat exchange unit 11, reaches below the heat exchange unit 11, and then turns upward to be below the first flow path 15 b in the heat exchange unit 11. Also flows into the first flow path 15b from the opening portion on the side of the first flow path, and heat-exchanges with the working fluid via the heat exchange plate 15 while traveling upward through the first flow path 15b, so that the heat exchange flow faces the first flow path 15b. It condenses on the surface of the plate 15 and becomes liquid water.
  • the water condensed on the surface of the heat exchange plate 15 flows down to the lower opening portion of the first flow path 15b in the heat exchange unit 11, but the heat exchange unit 11 is disposed at an inclined position, Water condensed in the one flow path 15b flows on the surface of the heat exchange plate 15 toward the inflow side opening portion of the second flow path 15c in the lower heat exchange section 11, and gathers there. From the lowermost part of the lower opening portion to the outside of the heat exchange section 11.
  • a water recovery part 12b which receives the water condensed in the internal space of the shell 12 and guides it to the outside is provided, such a water recovery part 12b is a part that can flow down the condensed water in the lower opening portion of the first flow path 15b.
  • the heat exchanger can be reduced to a size corresponding to the range, and the heat exchanger can be made compact.
  • the water flowing down from the heat exchange unit 11 goes out of the shell 12 and is collected in the storage unit 19, and is sent out to the outside as a mass of water.
  • the heat exchange is performed between the steam and the working fluid of the steam power cycle, and the condenser that condenses the steam to obtain fresh water and the working fluid in the liquid phase are evaporated.
  • the heat exchanger 10 also serving as an evaporator for obtaining a gas-phase working fluid, a structure in which a heat exchange unit 11 in which a plurality of substantially rectangular heat exchange plates 15 are integrated in a parallel state is disposed in a shell 12.
  • every other flow path through which the steam to be heat-exchanged and the working fluid pass is generated between the parallel heat exchange plates 15 constituting the heat exchange section 11, and the steam and the working flow Since the fluid and the fluid are circulated through the heat exchange plate so as to form a cross-flow, and the working fluid is evaporated and the steam is condensed, the heat exchange between the steam and the working fluid is performed via the heat exchange plate 15.
  • the heat exchange part 11 Reduction can, the heat exchanger of the entire system that includes the desalination and mechanism of the steam power cycle having a 10 size and load reduction associated therewith can be reduced.
  • steam can linearly and smoothly enter the first flow path 15b between the parallel heat exchange plates 15 of the heat exchange unit 11 from the internal space of the shell 12, and the pressure loss in the flow path is suppressed to smoothly promote condensation.
  • the condensed water is allowed to flow down and can be taken out efficiently.
  • the contact between the steam and the heat exchange plate 15 and the resulting heat transfer occur smoothly without interruption, so that the heat between the steam and the liquid-phase working fluid flowing into the second flow path 15c separating the plate is generated.
  • the replacement can be smoothly advanced, and the working fluid can be efficiently evaporated.
  • the liquid phase in the heat exchanger 10 is changed.
  • the working fluid and the gas-phase working fluid are separated from each other, and only the gas-phase working fluid is caused to flow out to the working-fluid flow path on the outlet side.
  • a gas-liquid separator is provided on the downstream side of the heat exchanger in the steam power cycle, and the liquid-phase working fluid and the gas-phase working fluid can be separated by this gas-liquid separator. Then, the liquid level of the liquid phase working fluid in the working fluid flow path of the steam power cycle may be adjusted so that the liquid level of the liquid phase working fluid is positioned above the heat exchange section.
  • the working fluid when the working fluid is evaporated in the second flow path by heat exchange with steam, the generated gas-phase working fluid travels upward as bubbles, and the opening of the second flow path together with the non-evaporated liquid-phase working fluid. Part, and flows out from the opening part, so that the working fluid does not stay at the upper part of the second flow path even if the vapor-phase working fluid continues to move upward in the second flow path, and the accumulated gas remains.
  • the working fluid can be efficiently evaporated and the water vapor condensed by the heat exchanger.
  • the opening portion on the working fluid outflow side and the opening portion on the working fluid inflow side may have the same vertical position.
  • the present invention is applied to a hybrid cycle type ocean temperature difference power generation system, in which heat exchange is performed between steam derived from seawater and a working fluid, and steam is condensed to obtain fresh water. And the role of an evaporator that evaporates a liquid-phase working fluid to obtain a gas-phase working fluid, but is not limited thereto. And a heat exchanger that condenses a high temperature fluid in a gas phase and evaporates a low temperature fluid in a liquid phase.
  • the seawater desalination device 60 is formed in combination with the flash evaporator 61, and the internal space of the shell 12 is communicated with the decompression container 61 a of the flash evaporator 61.
  • the present invention is not limited to this.
  • the shell 22 of the heat exchanger 20 has a predetermined size, and the shell 22 also serves as a depressurizing container of the flash evaporator and serves as an injection unit 65b of the flash evaporator 65.
  • a configuration may be adopted in which the evaporating portion and the condensing portion of the seawater desalination apparatus are collectively disposed in a common shell, by accommodating the heat exchange section 21 and the introduction flow path of the seawater.
  • the flash evaporator 65 includes a shell 22 of the heat exchanger 20 which also serves as a decompression vessel for reducing the internal space to the atmospheric pressure or less, an injection unit 65b for seawater injection disposed in the shell 22, A mist removing unit 65c for capturing and removing minute water droplets (mist) of seawater mixed in the steam flow toward the heat exchange unit 21 in the shell 22 is provided.
  • the seawater is guided to the spraying section 65b, and is sprayed upward into the inner space of the shell 22 in the form of a mist.
  • the inside of the shell 22 is depressurized by a decompression exhaust device (not shown) to a pressure equal to or lower than the saturated vapor pressure of water at the same temperature as the seawater injected from the injection portion 65b.
  • Seawater is sprayed upward from a large number of spraying portions 65b disposed in the shell 22 in the form of mist or water droplets, and part of the water changes into water vapor by flash evaporation, and at the same time, the temperature of the seawater drops.
  • Water vapor obtained by evaporation of water passes through the mist removing section 65c and flows into the heat exchange section 21 in the same shell 22. Since the evaporating portion and the condensing portion are integrally accommodated in the shell 22, the pressure loss in the flow of steam from the evaporating side to the condensing side can be reduced.
  • the components forming the flash evaporator 65 and the heat exchange unit 21 are accommodated in the shell 22 of the heat exchanger 20, and the evaporator and the condenser are integrally arranged. Since the steam obtained by the flash evaporator 65 can enter the heat exchange unit 21 as it is, it is easy to maintain the reduced pressure, and it is ensured that the steam reaches the heat exchange unit 21 in the gas phase and is condensed. As a result, a series of processes from evaporation to condensation can be smoothly performed in the shell 22, the efficiency of the condensation can be increased, and the exhaust from the inside of the shell 22 can be directly guided to the decompression exhaust device and discharged. The entire apparatus has a simple and compact structure, so that the cost can be reduced.
  • the heat exchanger according to the present embodiment includes a heat exchange unit 11 and a shell 12, similarly to the first embodiment, except that the opening of the first flow path 15b in the heat exchange unit 11 is different.
  • a substantially box-shaped non-condensable gas collecting portion 17 disposed over a predetermined range of the portion, and communicating with an inner region of the non-condensing gas collecting portion 17 so that the non-condensable gas can be discharged out of the shell 12.
  • the non-condensable gas collecting unit 17 is formed of a substantially box-like body that is partially open, and includes a second flow path of at least one of the upper and lower openings of the first flow path 15 b in the heat exchange unit 11. 15c is provided so as to cover a predetermined range portion near the opening portion on the working fluid inflow side in 15c.
  • the non-condensable gas discharge unit 18 is formed in a substantially tubular shape, and has one open end communicating with the inside region of the non-condensable gas collection unit 17 and the other open end located outside the shell 12.
  • a decompression device (not shown) is connected to the other open end so that the non-condensable gas collected in the non-condensable gas collection unit 17 can be discharged to the outside of the shell 12. It is.
  • the seawater taken from the sea is once guided to the deaerator 61d of the seawater desalination apparatus 1, and after the air in the seawater is removed, the seawater is introduced into the flash evaporator 61. Then, it is assumed that most of the water in the seawater injected into the space inside the decompression vessel 14a of the flash evaporator 61 whose pressure has been reduced becomes steam by flash evaporation, and this steam flows into the heat exchanger 10.
  • the steam enters the internal space from the opening at the top of the shell 12. Then, the steam proceeds in the internal space of the shell 12 and flows in from the upper and lower openings in the first flow path 15b of the heat exchange unit 11.
  • the steam that has flowed into the first flow path 15b from the upper opening portion exchanges heat with the working fluid through the heat exchange plate 15 while traveling downward through the first flow path 15b, and is transferred to the first flow path 15b. It condenses on the surface of the heat exchange plate 15 facing it, and becomes water in the liquid phase. Further, the steam that has flowed into the first flow path 15b from the lower opening portion exchanges heat with the working fluid via the heat exchange plate 15 while traveling upward through the first flow path 15b. And condenses on the surface of the heat exchange plate 15 to become liquid water.
  • the non-condensable gas flowing into the first flow path 15b together with the steam is separated from the water that has condensed and becomes a liquid phase.
  • This non-condensable gas normally naturally exits outside the first flow path 15b, and is discharged to the outside of the shell 12 by the vacuum exhaust device 16 through the internal space of the shell 12.
  • the temperature of the working fluid on the second flow path 15c side Is lower than that of the other parts, the condensation of the vapor proceeds easily, and the amount of the non-condensable gas to be separated increases.
  • the non-condensable gas collecting unit 17 is arranged so as to cover a predetermined range near the opening on the working fluid inflow side in the second flow path 15c, of the upper opening of the first flow path 15b in the heat exchange unit 11.
  • the non-condensable gas can be sucked from the first flow path 15b through the non-condensable gas collection unit 17 and the non-condensable gas discharge unit 18 to remove the remaining non-condensable gas, and the steam and heat in the first flow path 15b can be removed.
  • Contact with the surface of the exchange plate and condensation of the vapor by heat exchange can be continued without being hindered by the non-condensable gas.
  • the heat exchanger in the region near the second flow passage inlet in the first flow passage 15b, condensation easily proceeds at a low temperature, and the non-condensable gas contained in the steam is likely to stay in the region.
  • an uncondensable gas collecting unit 17 is provided, and an uncondensable gas discharging unit 18 is connected to the uncondensable gas collecting unit 17. Since the shell can be discharged from the first channel 15b to the outside of the shell, the non-condensable gas remaining in a part of the first channel 15b can be drawn to the non-condensable gas collecting part 17 and removed, and the non-condensable gas accumulated in the first channel 15b can be removed. The gas can be prevented from contacting the steam with the heat exchange plate 15 to prevent the steam from being condensed, so that the gas can be efficiently condensed.
  • the non-condensable gas collecting unit is provided in the upper opening, but the operation in the second flow passage 15c of the first flow passage 15b of the heat exchange unit 11 is performed.
  • the non-condensable gas collecting portion 17 may be provided on the lower side as shown in FIG.
  • the non-condensable gas collecting portion is formed in a box shape and is arranged so as to cover a part of the opening portion.
  • the end of the non-condensable gas collecting unit 17 has a shape in which a plurality of projecting protrusions 17b are arranged in a tooth shape, and the protrusion 17b at this end is inserted into the first flow path 15b to a predetermined depth.
  • a partition fixed to each heat exchange plate 15 sandwiching the first flow path 15b and dividing the portion near the opening of the first flow path into a part communicating with the internal space of the shell and a part communicating with the non-condensable gas collecting part 17 It can also be configured to function as.
  • the end portion of the non-condensable gas collecting section 17 partitions the first flow path 15b as a partition, and even if steam flows into a position near the non-condensable gas collecting section 17 in the first flow path opening, the partition section does not. Since it is prevented from proceeding toward the non-condensable gas collection unit 17, the steam that has flowed into the opening portion does not go to the non-condensable gas collection unit 17 but proceeds to the first flow path 15 b as far as possible, and The flow into the condensed gas collecting unit 17 can be suppressed, and the vapor can be prevented from being erroneously discharged through the non-condensable gas collecting unit 17, so that the vapor can be surely condensed without any leakage.

Abstract

プレートを組み合わせた熱交換部をシェル内に適切な向きで配設し、気相高温流体と液相低温流体との熱交換を確実に行わせて、低温流体の蒸発と高温流体の凝縮を並行して効率よく進行させられる熱交換器である。水蒸気と蒸気動力サイクルの作動流体とを熱交換させ、水蒸気を凝縮させる凝縮器と、作動流体を蒸発させる蒸発器とを兼ねる熱交換器１０として、複数の熱交換用プレートを並列状態で一体化した熱交換部１１をシェル１２内に配設した構造を採用し、並列する各熱交換用プレート間には水蒸気と作動流体の通る各流路を一つおきに生じさせて、これら各流路に水蒸気と作動流体とを互いに直交流となるように流通させ、作動流体を蒸発、水蒸気を凝縮させることから、熱交換用プレートを介して熱交換を行わせるようにして熱交換部１１を小型化でき、熱交換器１０が含まれるシステム全体の小型化が図れる。

Description

熱交換器
　本発明は、例えばハイブリッドサイクル方式の海洋温度差発電装置に適応して蒸気動力サイクルの蒸発器及び淡水化用の凝縮器として用いることのできる、熱交換器に関する。
　海洋における表層海水と深層海水の温度エネルギーを利用して発電を行う海洋温度差発電は、その実用化を強く期待されており、各国で研究開発が進められている。
　この海洋温度差発電の方式としては、オープンサイクル、クローズドサイクル、ハイブリッドサイクルの三種類が広く知られている。このうち、ハイブリッドサイクルは、クローズドサイクル同様の低沸点媒体を作動流体とする蒸気動力サイクルを採用することで、オープンサイクルの場合のような特殊なタービンを用いずに済む点や、高温熱源として水蒸気を用いることで、クローズドサイクルの場合のように、作動流体の蒸発器において、高温熱源としての表層海水と蒸発器伝熱面とが接触することに伴う、伝熱面の生物汚れや海水による腐食の発生を懸念する必要がない点などの特長を有しており、また、蒸発器で作動流体との熱交換に使用された海水由来の水蒸気の凝縮した水を飲用等に使用できることから、海水淡水化を必要とする地域での実用化が望まれている。
　こうしたハイブリッドサイクルによる海洋温度差発電システムにおいて、作動流体を蒸発させる蒸発器は、海水を蒸発させた水蒸気と作動流体を熱交換させることで作動流体を蒸発させると同時に、水蒸気を凝縮させて凝縮液としての真水を得ており、海水淡水化装置の凝縮器を兼ねるものとなっている。
　こうした蒸発器と凝縮器を兼ねる熱交換器としては、従来、シェルアンドチューブ型の熱交換器を用いることが検討されていたが、海洋温度差発電システムでは各熱交換媒体間の温度差が小さいことで、熱交換器の規模を大きくすることが避けられないため、このような用途の熱交換器として、プレートを伝熱要素とすることでコンパクト化を図りやすいプレート式熱交換器や、その改良型の適用が提案されている。
　こうした従来のプレート式の熱交換器の一例として、特許第３１００３７１号公報に記載されるものがある。
特許第３１００３７１号公報
　従来のプレート式の熱交換器は、前記特許文献に示されるようにプレートを主な構成要素とすることでコンパクトを図ることができるものであった。前記特許文献に示されるもののように、主に蒸発器として用いられる熱交換器の場合、作動流体側の流路では蒸発、すなわち液相から気相への相変化が生じているが、こうした従来の蒸発器は、蒸発が効率よく行われるようにした構成、すなわち、蒸発する作動流体の流路が上下方向に延びるものとなっている。
　こうした従来の蒸発器の、ハイブリッドサイクルの海洋温度差発電システムにおける作動流体蒸発用の蒸発器への適用を考えると、ハイブリッドサイクルのシステムにおいて作動流体を蒸発させる蒸発器は、同時に、水蒸気を凝縮させて真水の凝縮液を得ることとなり、この水蒸気側については凝縮器と見なせる。
　仮に、水蒸気側で凝縮が効率よく行われるように、前記特許文献に示される従来の蒸発器の水蒸気側（高温流体側）の流路が上下方向となるようにすると、従来の蒸発器は熱交換対象の流体同士が直交流をなす構成であることから、蒸発器における作動流体側の流路は横向きとなる。この場合、横向きに熱交換器に流入する液相の作動流体が熱交換で蒸発すると、蒸発後の気相の作動流体は液相の作動流体に対し上方に向かうようになることで、気相の作動流体が流路上部に滞留して熱交換器の外に出ない問題が生じやすく、滞留した気相分が液相の作動流体と伝熱面との接触を阻害して、作動流体の蒸発の効率が低下すると共に、滞留部分が熱抵抗となり、この部分で伝熱面を介した水蒸気との熱交換の効率が落ちることで、熱交換器全体として伝熱面を介した液相作動流体と水蒸気との熱交換もうまく進まず、目論み通りに凝縮の効率を高めることはできないという課題を有していた。
　また、前記従来の蒸発器において、一般的な蒸発器と同様に、蒸発が効率よく行われるように、蒸発する作動流体側の流路が上下方向となるようにすると、直交流をなす水蒸気側（高温流体側）の流路が横向きとなる。この場合、横向きに熱交換器に流入する水蒸気が熱交換で凝縮すると、凝縮後の凝縮液は気相の水蒸気に対し下方に向かうようになるのに伴い、水蒸気の凝縮した凝縮液が流路下部に集まって、横向きとなった開口から排出されにくくなり、内部に滞留して再蒸発したり、過冷液部として熱抵抗を発生させるといった問題が生じ、その分、水蒸気と作動流体との熱交換の効率が落ちることで、前記同様、熱交換器全体としての蒸発の効率を目論み通りに高めることはできないという課題を有していた。
　本発明は前記課題を解消するためになされたもので、プレートを組み合わせた熱交換部をシェル内に適切な向きで配設し、気相高温流体と液相低温流体との熱交換を確実に行わせるようにして、熱交換部で低温流体の蒸発と高温流体の凝縮を並行して効率よく進行させられる熱交換器を提供することを目的とする。
　本発明に係る熱交換器は、外部から流入する気相の高温流体と液相の低温流体とを伝熱性材料製の熱交換部を介して熱交換させ、気相の高温流体を凝縮させると共に、液相の低温流体を蒸発させる熱交換器において、隔壁で外部から隔離された内部空間を有し、当該内部空間に外部から前記気相の高温流体を導入可能且つ内部空間から外部へ凝縮した液相の高温流体を取出し可能とされると共に、隔壁を貫通する前記低温流体の流入出用流路を設けられる中空容器状のシェルを備え、前記気相の高温流体が、水蒸気であり、前記液相の低温流体が、蒸気動力サイクルの作動流体で液相のものであり、前記熱交換部が、複数並列状態とされた略矩形状金属薄板製の各熱交換用プレートを、所定の略平行をなす二端辺部位で隣合う一の熱交換用プレートと水密状態として溶接される一方、隣合う他の熱交換用プレートと前記二端辺と略直交する他の略平行な二端辺部位で水密状態として溶接されて全て一体化され、各熱交換用プレート間に前記水蒸気及び当該水蒸気の凝縮した凝縮水の通る第一流路と作動流体の通る第二流路とをそれぞれ一つおきに生じさせ、且つ水蒸気及び凝縮水が流入出可能な前記第一流路の開口部分と、作動流体が流入出可能な前記第二流路の開口部分とが、直角をなす配置として形成され、前記熱交換部が、前記シェルの内部空間に、前記第二流路の開口部分以外でシェル隔壁内面との間に所定の隙間を介在させ、且つ第一流路の開口部分を上下に位置させて配設され、前記流入出用流路と前記第二流路の開口部分とを接続されてなり、前記流入出用流路を通じて流入する液相の作動流体とシェル内部空間から流入する水蒸気とを熱交換させ、当該熱交換で、水蒸気を凝縮させて凝縮水としての真水を得る造水用凝縮器をなすと共に、液相の作動流体を蒸発させて気相の作動流体を得る蒸気動力サイクルの蒸発器をなすものである。
　このように本発明によれば、水蒸気と蒸気動力サイクルの作動流体とを熱交換させ、水蒸気を凝縮させて真水を得る淡水化用凝縮器と、液相の作動流体を蒸発させて気相の作動流体を得る蒸発器とを兼ねる熱交換器として、複数の略矩形状の熱交換用プレートを並列状態で一体化した熱交換部をシェル内に配設した構造を採用し、熱交換部をなす並列する各熱交換用プレート間には熱交換対象の水蒸気と作動流体の通る各流路を一つおきに生じさせて、これら各流路に水蒸気と作動流体とを熱交換用プレートを隔てて直交流となるように流通させ、作動流体を蒸発、水蒸気を凝縮させることにより、熱交換用プレートを介して水蒸気と作動流体との熱交換を行わせるようにして熱交換部を小型化でき、熱交換器を有する淡水化及び蒸気動力サイクルの機構が含まれるシステム全体の小型化やそれに伴う負荷軽減が図れる。また、熱交換部の並列する熱交換用プレート間の第一流路に水蒸気がシェルの内部空間から直線的にスムーズに進入でき、流路の圧力損失を抑えてスムーズに凝縮を進行させられ、凝縮水を流下させて効率よく取り出せる。さらに、水蒸気と熱交換用プレートとの接触とそれに伴う伝熱が滞りなくスムーズに生じることで、この水蒸気と、プレートを隔てた第二流路に流入した液相の作動流体との熱交換も無理なく進行させられ、作動流体を効率よく蒸発させられる。
　また、本発明に係る熱交換器は必要に応じて、前記熱交換部が、前記シェル内部空間に、前記第二流路における作動流体流出側の開口部分が作動流体流入側の開口部分に対し上側となるように熱交換部全体を傾けて配設されるものである。
　このように本発明によれば、シェル内部空間に熱交換部を傾けた状態で配設して、液相作動流体を熱交換部の第二流路に流入させ、水蒸気との熱交換によりこの第二流路で蒸発させると、発生する気相作動流体の上方に進もうとする性質に伴い、第二流路上部に向かうと共に開口部分の方へ進むことにより、気相作動流体が第二流路の開口部分上部から外部に流出可能となり、気相作動流体が第二流路を上昇する動きが続いても作動流体が第二流路の上部に滞留せず、溜まった気相作動流体が液相作動流体と熱交換用プレート表面との接触を妨げて液相作動流体と水蒸気との熱交換及び作動流体の蒸発がスムーズに行われない状態となるのを確実に防ぐことができ、熱交換器で効率よく作動流体の蒸発と水蒸気の凝縮を行わせることができる。
　また、第一流路で水蒸気の凝縮した水が熱交換部を傾けた側に寄り集まり、開口部分の最も下寄りとなった所定範囲から熱交換部外へ流下することとなり、凝縮した水を受けてシェル外部に導く水回収部を小さくして熱交換器のコンパクト化が図れる。
　また、本発明に係る熱交換器は必要に応じて、前記シェルの内部空間に連通する蒸発用空間を内部に有し、当該蒸発用空間を大気圧より低い減圧状態とされる中空の減圧容器と、当該減圧容器内に配設され、減圧容器の内部空間に外部から導入された海水を噴射する噴射部と、少なくとも前記減圧容器の蒸発用空間に連通させて配設され、前記蒸発用空間及びシェルの内部空間を前記海水の飽和蒸気圧より低い圧力に調整する減圧装置とを備え、前記減圧容器の蒸発用空間で噴射部から噴射された海水をフラッシュ蒸発させ、蒸発で得られた水蒸気を前記熱交換部で凝縮させるものである。
　このように本発明によれば、シェルの内部空間に連通する減圧容器の蒸発用空間に海水を噴射する噴射部を設け、噴射部から海水を霧状、水滴状、水膜状、又は水柱状、等となるように噴射すると共に、蒸発用空間を減圧装置で減圧状態として、海水を蒸発用空間でフラッシュ蒸発させ、得られた水蒸気をシェルの内部空間に導いて熱交換部で凝縮するようにし、海水から蒸発させた水蒸気を継続的に熱交換部に導入することにより、効率良く海水淡水化が行えると共に、減圧容器内圧力を下げる減圧装置以外の蒸発・凝縮に係るエネルギー消費を抑えられることとなり、低コストで淡水を得ることができる。さらに、蒸発させる海水を所定の排熱を回収したものとすれば、熱交換器での作動流体との温度差に相当する熱エネルギーを蒸気動力サイクルで回収でき、凝縮水の収量を確保しつつ排熱を有効利用でき、エネルギーの利用効率を高められる。
　また、本発明に係る熱交換器は必要に応じて、前記減圧容器が、シェルの下側にシェルと一体に配設され、減圧容器の蒸発用空間とシェルの内部空間とを隔てる隔壁の一部が、蒸発用空間からシェルの内部空間への気体の移動は許容しつつ、蒸発用空間に存在する液体の海水がシェルの内部空間へ進行するのを阻止するミスト除去部とされるものである。
　このように本発明によれば、減圧容器をシェルと一体化してシェルの内部空間と蒸発用空間を近接させ、蒸発用空間で生じた水蒸気が速やかにシェルの内部空間を経て熱交換部の第一流路に流入させられることにより、熱交換部へ移動する水蒸気の圧力損失を小さくして、水蒸気の温度低下とそれに伴う熱交換性能低下を阻止でき、効率よく水蒸気の凝縮と作動流体の蒸発を進められる。また、蒸発用空間とシェルの内部空間とをミスト除去部で分離して、水蒸気のシェル内部空間への進行は許容しつつ、海水が蒸発用空間からシェル内部空間へ進むのを防ぐことで、海水が存在する蒸発用空間をシェル内部空間に近い配置としていても、誤って海水の成分が熱交換部へ流入することはなく、熱交換部の汚染や腐食を確実に防止してメンテナンス頻度を抑えられる。
　また、本発明に係る熱交換器は必要に応じて、前記蒸気動力サイクルの作動流体循環流路における液相作動流体の液面位置が、前記熱交換部より上側に設定され、熱交換部の第二流路全域に液相の作動流体が存在して、熱交換部の熱交換用プレートを介して第一流路の水蒸気と熱交換可能とされるものである。
　このように本発明によれば、蒸気動力サイクルの作動流体流路における液相作動流体の液面位置を調整して、液相作動流体の液面を熱交換部より上側とし、作動流体を水蒸気との熱交換により第二流路で蒸発させると、発生する気相作動流体が気泡として上方に進みながら、蒸発していない液相作動流体中を第二流路の開口部分の方へ進み、開口部分から外部に流出することにより、気相作動流体が第二流路を上昇する動きが続いても作動流体が第二流路の上部に滞留せず、溜まった気相作動流体が液相作動流体と熱交換用プレート表面との接触を妨げて液相作動流体と水蒸気との熱交換及び作動流体の蒸発がスムーズに行われない状態となるのを確実に防ぐことができ、熱交換器で効率よく作動流体の蒸発と水蒸気の凝縮を行わせることができる。
　また、本発明に係る熱交換器は必要に応じて、前記熱交換部における前記第一流路の上側又は下側の少なくとも一方の開口部分のうち、前記第二流路における冷却用流体流入側の開口部分に近い所定範囲部分を覆って配設される、略箱状の不凝縮ガス収集部と、当該不凝縮ガス収集部の内側領域に一方の開口端部を連通させると共に、前記シェルの外側に他方の開口端部を位置させて配設され、不凝縮ガス収集部に集まった不凝縮ガスをシェル外に排出可能とする略管状の不凝縮ガス排出部とを備えるものである。
　このように本発明によれば、第一流路における第二流路入口近くの低温で凝縮が進行しやすく、蒸気に含まれていた不凝縮ガスが滞留しやすい領域に沿って、不凝縮ガス収集部を設けて、不凝縮ガス排出部を接続し、これら不凝縮ガス収集部と不凝縮ガス排出部を通じて不凝縮ガスを流路の外に排出可能とすることで、滞留した不凝縮ガスを不凝縮ガス収集部に引き寄せて第一流路から外部に排除でき、第一流路に溜まった不凝縮ガスが水蒸気と熱交換用プレートとの接触を妨げて凝縮が進まない状態となるのを防ぐことができ、効率よく凝縮を行わせることができる
　また、本発明に係る熱交換器は、外部から流入する気相の高温流体と液相の低温流体とを伝熱性材料製の熱交換部を介して熱交換させ、気相の高温流体を凝縮させると共に、液相の低温流体を蒸発させる熱交換器において、隔壁で外部から隔離された内部空間を有し、当該内部空間に外部から前記気相の高温流体を導入可能且つ内部空間から外部へ凝縮した液相の高温流体を取出し可能とされると共に、隔壁を貫通する低温流体流入出用流路を設けられる中空容器状のシェルを備え、前記熱交換部が、複数並列状態とされた略矩形状金属薄板製の各熱交換用プレートを、所定の略平行をなす二端辺部位で隣合う一の熱交換用プレートと水密状態として溶接される一方、隣合う他の熱交換用プレートと前記二端辺と略直交する他の略平行な二端辺部位で水密状態として溶接されて全て一体化され、各熱交換用プレート間に高温流体の通る第一流路と低温流体の通る第二流路とをそれぞれ一つおきに生じさせ、且つ高温流体が流入出可能な前記第一流路の開口部分と低温流体が流入出可能な前記第二流路の開口部分とが直角をなす配置として形成され、前記熱交換部が、前記シェルの内部空間に、前記第二流路の開口部分以外でシェル隔壁内面との間に所定の隙間を介在させ、且つ第一流路の開口部分を上下に位置させつつ、前記第二流路における低温流体流出側の開口部分が低温流体流入側の開口部分に対し上側となるように熱交換部全体を傾けて配設され、前記低温流体流入出用流路と前記第二流路の開口部分とを接続されて、低温流体流入出用流路を通じて流入する液相低温流体とシェル内部空間から流入する気相高温流体とを熱交換させるものである。
　このように本発明によれば、複数の略矩形状の熱交換用プレートを並列状態で一体化した熱交換部をシェル内部空間に傾けた状態で配設し、熱交換部をなす並列する各熱交換用プレート間には熱交換対象の気相の高温流体と液相の低温流体の通る第一と第二の各流路を一つおきに生じさせて、これら各流路に高温流体と低温流体とを熱交換用プレートを隔てて直交流となるように流通させ、気相の高温流体を凝縮させると共に、液相の低温流体を蒸発させることにより、熱交換用プレートを介して高温流体と低温流体との熱交換を行わせるようにして熱交換部を小型化でき、熱交換器を含むシステム全体の小型化やそれに伴う負荷軽減が図れる。また、傾けた状態の熱交換部に対し、液相低温流体を熱交換部の第二流路に流入させ、高温流体との熱交換によりこの第二流路で蒸発させると、発生する気相低温流体が、その上方に進もうとする性質に伴い、第二流路上部に向かうと共に第二流路開口部分の方へ進むことで、気相低温流体が第二流路の開口部分上部から外部に流出可能となり、気相低温流体が第二流路を上昇する動きが続いても低温流体が第二流路の上部に滞留せず、溜まった気相低温流体が液相低温流体と熱交換用プレート表面との接触を妨げて液相低温流体と気相高温流体との熱交換及び液相低温流体の蒸発がスムーズに行われない状態となるのを確実に防ぐことができ、熱交換器で効率よく液相低温流体の蒸発と気相高温流体の凝縮を行わせることができる。
本発明の第１の実施形態に係る熱交換器の正面図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱交換器における熱交換部の概略構成説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱交換器を適用する海洋温度差発電システムの概略説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱交換器の縦断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る熱交換器の縦断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る熱交換器の正面図である。 本発明の第３の実施形態に係る熱交換器における熱交換部及び不凝縮ガス収集部の概略斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る熱交換器における他の熱交換部及び不凝縮ガス収集部の概略斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係る熱交換器における熱交換部及び不凝縮ガス収集部の概略正面図である。 本発明の第４の実施形態に係る熱交換器における不凝縮ガス収集部の一部切欠斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係る熱交換器における不凝縮ガス収集部の熱交換用プレートへの取付状態説明図である。
　（本発明の第１の実施形態）
　以下、本発明の第１の実施形態を図１ないし図４に基づいて説明する。本実施形態では、ハイブリッドサイクル方式の海洋温度差発電システムに適用した例について説明する。
　前記各図において本実施形態に係る熱交換器１０は、複数の略矩形状金属薄板製の各熱交換用プレート１５を並列状態で一体化して形成され、外部から流入する気相の高温流体と液相の低温流体とを熱交換させる熱交換部１１と、隔壁で外部から隔離された内部空間を有し、この内部空間に熱交換部１１を収める状態で配設される中空容器状のシェル１２とを備える構成である。
　前記熱交換部１１は、シェル１２の内部空間に配設され、外部から流入する高温流体としての蒸気と低温流体としての液相の作動流体とを熱交換させ、蒸気を凝縮させて凝縮液を得ると共に、液相の作動流体の少なくとも一部を蒸発させて気相作動流体を得るものである。
　この熱交換部１１は、複数並列状態とされた略矩形状金属薄板製の各熱交換用プレート１５を、所定の略平行をなす二端辺部位で隣合う一の熱交換用プレートと水密状態として溶接される一方、隣合う他の熱交換用プレートと前記二端辺と略直交する他の略平行な二端辺部位で水密状態として溶接されて、全て一体化されて形成される構成である（図２参照）。
　そして、熱交換部１１は、各熱交換用プレート１５間に、前記蒸気及びこの蒸気の凝縮した凝縮液の通る第一流路１５ｂと、前記作動流体の通る第二流路１５ｃとをそれぞれ一つおきに生じさせ、且つ蒸気及び凝縮液が流入出可能な前記第一流路１５ｂの開口部分と、作動流体が流入出可能な前記第二流路１５ｃの開口部分とが、直角をなす配置とされる構成である。すなわち、熱交換部１１は、前記各第一流路１５ｂを通る蒸気と前記各第二流路１５ｃを通る作動流体とが直交流をなす、いわゆるクロスフロー型熱交換器の構造を採ることとなる。
　加えて、熱交換部１１は、シェル１２の内部空間に、第二流路１５ｃにおける作動流体流出側の開口部分が作動流体流入側の開口部分に対し上側となるように熱交換部全体を傾けて配設される。
　なお、熱交換部１１を傾けて配設するにあたっては、シェル１２に対し熱交換部１１を傾けた状態で取り付ける態様（図１参照）に限られるものではなく、熱交換部を内部に配設したシェルを傾けて設置することで、シェルと一体の熱交換部が傾いた状態を得るようにしてもかまわない。
　前記シェル１２は、外部から隔離された内部空間を有する中空容器状に形成され、内部空間に外部から蒸気を導入可能且つ内部空間から外部へ凝縮液を取出し可能とされると共に、隔壁を貫通する作動流体の流入出用流路を設けられる構成である。
　このシェル１２内に傾けて収められる熱交換部１１が、作動流体の流入出用流路と第二流路１５ｃの開口部分とを接続されると共に、この第二流路１５ｃの開口部分以外でシェル隔壁内面との間に所定の隙間を介在させ、且つ第一流路１５ｂの開口部分を上下に向けるように配置され、流入出用流路を通じて各第二流路１５ｃに流入する作動流体と、シェル内部空間から各第一流路１５ｂに流入する蒸気とを熱交換させることとなる。
　この他、シェル１２の内部空間には、傾けて配設される熱交換部１１から凝縮液が偏って流下するのに対応して、凝縮液を受ける水回収部１２ｂがシェル１２の側面寄りに設けられる。
　また、シェル１２の外側には、熱交換部１１の各第二流路１５ｃに前記流入出用流路を通じて作動流体を流入出させる、蒸気動力サイクルの作動流体循環流路をなす管路１３が接続される構成である。さらに、このシェル１２の外側には、熱交換部１１から流下してシェル１２内部空間に達し、最終的にシェル外に排出される凝縮液を回収する貯留部１９も接続される。
　本実施形態に係る熱交換器１０を適用する海洋温度差発電システム１は、作動流体の得た熱エネルギーを動力に変換する蒸気動力サイクル部５０と、この蒸気動力サイクル部５０で熱エネルギーから変換された動力を利用して発電を行う発電装置５５と、海水の一部を蒸発させて水蒸気を得るフラッシュ蒸発器６１とを備える構成である。
　前記熱交換器１０は、前記フラッシュ蒸発器６１で生じさせた表層海水由来の水蒸気を前記高温流体として供給され、シェル１２内部空間を経て流入する水蒸気と、シェル１２の流入出用流路を通じて流入する液相の作動流体とを熱交換部１１で熱交換させることで、水蒸気を凝縮させて凝縮水としての真水を得る造水用（海水淡水化用）凝縮器をなすと共に、液相の作動流体を蒸発させて気相の作動流体を得る蒸気動力サイクル部５０の蒸発器をなすものである。
　前記蒸気動力サイクル部５０は、例えばアンモニア等の低沸点媒体からなる作動流体と前記高温流体としての水蒸気とを熱交換させ、作動流体を蒸発させて気相の作動流体を得る蒸発器としての熱交換器１０と、気相の作動流体を導入されて作動し、作動流体の保有する熱エネルギーを動力に変換するタービン５２と、このタービン５２を出た気相の作動流体を深層海水等の所定の冷却用流体と熱交換させることで凝縮させて液相とする凝縮器５３と、凝縮器５３から取出された液相作動流体を蒸発器３１に送込むポンプ５４とを備える構成である。このうち、タービン５２及びポンプ５４については、一般的な蒸気動力サイクルで用いられるのと同様の公知の装置であり、説明を省略する。
　前記発電装置５５は、蒸気動力サイクル部５０で熱エネルギーから変換された動力を利用して発電を行う、具体的には、タービン５２により駆動されて発電を行うものである。この発電装置５５は、公知のタービンを駆動源とする発電に用いられるのと同様のものであり、詳細な説明を省略する。これら蒸気動力サイクル部５０と発電装置５５とで、蒸気動力サイクルで発電を行う温度差発電装置が構成される。
　前記フラッシュ蒸発器６１は、熱交換器１０のシェル１２の内部空間に連通する蒸発用空間を内部に有し、この蒸発用空間を大気圧より低い減圧状態とされる中空の減圧容器６１ａと、この減圧容器６１ａ内に配設され、減圧容器６１ａの蒸発用空間に外部から導入された海水を霧状、水滴状、水膜状、又は水柱状、等となるように噴射する噴射部６１ｂとを備え、噴射部６１ｂから噴射された海水を減圧容器６１ａ内の蒸発用空間でフラッシュ蒸発させて水蒸気を得る構成である。
　このフラッシュ蒸発器６１の減圧容器６１ａが、熱交換器１０のシェル１２と連通することで、フラッシュ蒸発器６１で生じた水蒸気をシェル１２の内部空間に導入可能とされる。
　また、熱交換器１０のシェル１２には、減圧排気装置１６が管路等を通じて接続され、シェル１２の内部空間及びこれに連通するフラッシュ蒸発器６１の減圧容器６１ａにおける蒸発用空間を、減圧容器６１ａ内で蒸発させようとする海水と同温度における水の飽和蒸気圧より低い圧力に調整し、減圧容器６１ａ内で海水中の水分が液相から気相に変化する（蒸発する）温度、及び、シェル１２内の熱交換部１１で蒸気の気相から液相に変化する（凝縮する）温度をそれぞれ大気圧における各温度に比べて低くなるよう維持する仕組みとされる。
　これにより減圧容器６１ａ内に導入された海水の一部が液相から気相に変化すると共に、液相で残った海水の温度が低下する仕組みである。この減圧容器６１ａ内で蒸発しなかった分の海水は、減圧容器６１ａから排水されて海へ排出されることとなる。
　フラッシュ蒸発器６１に導入して蒸発させる海水は、例えば海洋表層の温海水とされ、海から取水した海水をいったん脱気装置（図示を省略）に導いて、海水中の空気を除去した後、フラッシュ蒸発器６１に導くようにされる。
　以上のような、海水を減圧容器６１ａ内でフラッシュ蒸発させて水蒸気を得るフラッシュ蒸発器６１と、このフラッシュ蒸発器６１で蒸発させた水蒸気を凝縮させる熱交換器１０とを組み合わせたものが、海水から塩分を含まない真水を得る海水淡水化装置６０をなすこととなる。
　次に、前記構成に基づく熱交換器の作動状態について説明する。前提として、熱交換器１０を含む海洋温度差発電システム１の蒸気動力サイクル部５０と海水淡水化装置６０とがいずれも作動状態にあり、熱交換器１０で水蒸気と作動流体との熱交換が継続的に行われているものとする。
　熱交換器１０では、シェル内の熱交換部１１における第一流路１５ｂに高温流体としての海水由来の水蒸気を流通させると共に、熱交換部１１の第二流路１５ｃに低温流体としての蒸気動力サイクル部５０の液相作動流体を流通させ、これら各第一流路１５ｂを通る水蒸気と各第二流路１５ｃを通る作動流体とを熱交換させる。
　ここで、作動流体の通る第二流路１５ｃに着目すると、シェル１２の流入出用流路を通じて熱交換部１１の各第二流路１５ｃに流入する液相の作動流体は、熱交換用プレート１５を介して第一流路１５ｂの水蒸気と熱交換し、一部が蒸発する。作動流体が第二流路１５ｃで蒸発すると、気泡として発生する気相作動流体は、液相作動流体中でその上方に進もうとする性質に伴い、傾けて設置した熱交換部１１の第二流路１５ｃ上部に向かうと共に、上寄りに位置する第二流路１５ｃの流出側の開口部分の方へ進むこととなる。
　このように、第二流路１５ｃにおける作動流体流出側の開口部分が上部に位置するように熱交換部１１を傾けて配設していることで、蒸発の進行で気相作動流体が第二流路１５ｃを上昇する状況が続いても、気相作動流体は第二流路１５ｃの開口部分上部から第二流路１５ｃの外に抜け出すことができ、気相作動流体が第二流路１５ｃの上部に滞留するようなことはない。
　このため、従来の蒸発器をその作動流体流路を単に横向きとして設けた場合のように、熱交換で液相の作動流体が蒸発すると、蒸発後の気相の作動流体が流路の外に出ずに流路上部に滞留し、滞留した気相作動流体が液相の作動流体と熱交換用プレート表面との接触を妨げることで、作動流体と水蒸気との熱交換の効率が低下する、といった状態となるのを防止できる。
　こうして、熱交換器１０が液相の作動流体を水蒸気と熱交換させ、作動流体を昇温、蒸発させるのに続いて、蒸気動力サイクル部５０側では、熱交換器１０で蒸発して気相となった作動流体が、タービン５２を作動させ、このタービン５２により発電装置５５が駆動されて発電を行う。タービン５２を出た作動流体は凝縮器５３に導入され、これとは別に凝縮器５３内に導入された冷却用流体との熱交換により凝縮され、液相となる。液相の作動流体はポンプ５４による加圧を経て熱交換器１０内に戻り、さらに蒸発以降の各過程を繰返すこととなる。
　一方、海水淡水化装置６０側では、まず、海から取水された海水が、いったん脱気装置（図示を省略）に導かれ、海水中の空気を除去された後、フラッシュ蒸発器６１に導入される。
　海水は、フラッシュ蒸発器６１の減圧容器６１ａ内で、噴射部６１ｂから霧状、水滴状、水膜状、又は水柱状、等となるように減圧容器６１ａ内の空間に噴射される。約１０～６０ｍｍＨｇ程度まで圧力を低くされた減圧容器６１ａ内で、海水中の水分の大部分がフラッシュ蒸発により不純物を含まない気相の水、すなわち水蒸気に相変化し、同時に海水の温度は降下する。
　水分の蒸発により得られた水蒸気は、周囲のガスと共に減圧容器６１ａ内を進み、液分（ミスト）と分離された状態で熱交換器１０に到達する。
　熱交換器１０では、水蒸気がシェル１２の上部の開口から内部空間に進入する。そして、水蒸気は、シェル１２の内部空間を進んで熱交換部１１の第一流路１５ｂにおける上下の開口部分から流入する。すなわち、水蒸気は、シェル１２の内部空間から熱交換部１１における第一流路１５ｂの上側の開口部分から第一流路１５ｂに流入して、第一流路１５ｂを下向きに進みながら、熱交換用プレート１５を介して作動流体と熱交換して、第一流路１５ｂに面する熱交換用プレート１５表面で凝縮し、液相の水となる。また、水蒸気は、シェル１２の内部空間を下方に進んで熱交換部１１の横を通り、熱交換部１１の下に達した後、上向きに転じて熱交換部１１における第一流路１５ｂの下側の開口部分からも第一流路１５ｂに流入し、第一流路１５ｂを上向きに進みながら、熱交換用プレート１５を介して作動流体と熱交換して、第一流路１５ｂに面する熱交換用プレート１５表面で凝縮し、液相の水となる。
　こうして上下の開口部分から第一流路１５ｂに流入した水蒸気が、熱交換部１１内部を進みながら、熱交換用プレート１５を介して作動流体と熱交換して凝縮する中、特に下側の開口部分から流入した水蒸気が速やかに熱交換用プレート１５の下部に接触できることで、水蒸気の熱交換用プレート１５各部との接触に伴う熱交換がスムーズに進んで、熱交換器内部へ向って流れる未凝縮の水蒸気を順次凝縮させられる。
　熱交換用プレート１５表面で凝縮した水分は、流下して熱交換部１１における第一流路１５ｂの下側の開口部分に向かうが、熱交換部１１を傾けて配設していることで、第一流路１５ｂで水蒸気の凝縮した水が、下側となった熱交換部１１における第二流路１５ｃの流入側開口部分の側に熱交換用プレート１５表面を流れて寄り集まり、第一流路１５ｂの下側開口部分の最も下寄りとなった一部範囲から熱交換部１１外へ流下することとなる。
　これにより、シェル１２の内部空間に凝縮した水を受けて外部に導く水回収部１２ｂを設ける場合、こうした水回収部１２ｂを第一流路１５ｂの下側開口部分における凝縮水の流下しうる一部範囲に対応する程度に小さくすることができ、熱交換器のコンパクト化が図れる。
　熱交換部１１から流下した水は、シェル１２の外に出て貯溜部１９内に集められ、まとまった量の水として外部に送出される。
　このように、本実施形態に係る熱交換器においては、水蒸気と蒸気動力サイクルの作動流体とを熱交換させ、水蒸気を凝縮させて真水を得る凝縮器と、液相の作動流体を蒸発させて気相の作動流体を得る蒸発器とを兼ねる熱交換器１０として、複数の略矩形状の熱交換用プレート１５を並列状態で一体化した熱交換部１１をシェル１２内に配設した構造を採用し、熱交換部１１をなす並列する各熱交換用プレート１５間には熱交換対象の水蒸気と作動流体の通る各流路を一つおきに生じさせて、これら各流路に水蒸気と作動流体とを熱交換用プレートを隔てて直交流となるように流通させ、作動流体を蒸発、水蒸気を凝縮させることから、熱交換用プレート１５を介して水蒸気と作動流体との熱交換を行わせるようにして熱交換部１１を小型化でき、熱交換器１０を有する淡水化及び蒸気動力サイクルの機構が含まれるシステム全体の小型化やそれに伴う負荷軽減が図れる。また、熱交換部１１の並列する熱交換用プレート１５間の第一流路１５ｂに水蒸気がシェル１２の内部空間から直線的にスムーズに進入でき、流路の圧力損失を抑えてスムーズに凝縮を進行させられ、凝縮水を流下させて効率よく取り出せる。さらに、水蒸気と熱交換用プレート１５との接触とそれに伴う伝熱が滞りなくスムーズに生じることで、この水蒸気と、プレートを隔てた第二流路１５ｃに流入した液相の作動流体との熱交換も無理なく進行させられ、作動流体を効率よく蒸発させられる。
　なお、前記実施形態に係る熱交換器において、熱交換部１１の第二流路１５ｃで液相作動流体の蒸発を行わせて気相の作動流体を得ると、この熱交換器１０で液相作動流体と気相作動流体とを分離して、出口側の作動流体流路には気相作動流体のみを流出させる、すなわち、液相作動流体の到達限界としての液面位置を熱交換部１１内にとどめる構成としているが、この他、蒸気動力サイクルにおける熱交換器の後段側に気液分離器を設けて、この気液分離器で液相作動流体と気相作動流体とを分離可能とした上で、蒸気動力サイクルの作動流体流路における液相作動流体の液面位置を調整して、液相作動流体の液面を熱交換部より上側に位置させる構成とすることもできる。
　この場合、作動流体を水蒸気との熱交換により第二流路で蒸発させると、発生する気相作動流体が気泡として上方に進みながら、蒸発していない液相作動流体と共に第二流路の開口部分の方へ進み、開口部分から外部に流出することとなり、気相作動流体が第二流路を上昇する動きが続いても作動流体が第二流路の上部に滞留せず、溜まった気相作動流体が液相作動流体と熱交換用プレート表面との接触を妨げて液相作動流体と水蒸気との熱交換及び作動流体の蒸発がスムーズに行われない状態となるのを確実に防ぐことができ、熱交換器で効率よく作動流体の蒸発と水蒸気の凝縮を行わせることができる。
　そして、このように液面位置を熱交換器の熱交換部より上側とする場合は、前記実施形態のようにシェルの内部空間に熱交換部を傾けて配設する必要はなく、熱交換部の第二流路における作動流体流出側の開口部分と作動流体流入側の開口部分との上下方向における位置を同じにしてもかまわない。
　また、前記実施形態に係る熱交換器においては、ハイブリッドサイクル方式の海洋温度差発電システムに適用して、海水由来の水蒸気と作動流体とを熱交換させ、水蒸気を凝縮させて真水を得る凝縮器の役割と共に、液相の作動流体を蒸発させて気相の作動流体を得る蒸発器の役割を与えられる構成としているが、これに限らず、他の気相の高温流体と液相の低温流体とを熱交換させ、気相の高温流体を凝縮させると共に、液相の低温流体を蒸発させる熱交換器とすることもできる。
　（本発明の第２の実施形態）
　前記第１の実施形態に係る熱交換器においては、フラッシュ蒸発器６１と組み合わせて海水淡水化装置６０をなすようにし、シェル１２の内部空間をフラッシュ蒸発器６１の減圧容器６１ａと連通させる構成としているが、これに限らず、図５に示すように、熱交換器２０のシェル２２が所定の大きさとされて、シェル２２がフラッシュ蒸発器の減圧容器を兼ねてフラッシュ蒸発器６５の噴射部６５ｂや海水の導入流路等を熱交換部２１と共に収容して、海水淡水化装置の蒸発部分と凝縮部分が共通のシェル内に一まとめに配設される構成とすることもできる。
　この場合、フラッシュ蒸発器６５は、内部空間を大気圧以下に減圧される減圧容器を兼ねる熱交換器２０のシェル２２と、このシェル２２内に配設される海水噴射用の噴射部６５ｂと、シェル２２内を熱交換部２１へ向う蒸気流の中に混じった海水の微細水滴（ミスト）を捕捉して取除くミスト除去部６５ｃとを備えるものとなる。このフラッシュ蒸発器６５では、海水が噴射部６５ｂに導かれ、シェル２２の内部空間へ上向きに霧状に噴射される。シェル２２内は、前記実施形態同様、噴射部６５ｂから噴射される海水と同温度における水の飽和蒸気圧以下の圧力に減圧排気装置（図示を省略）により減圧されている。
　海水は、シェル２２内に配置された多数の噴射部６５ｂから上向きに霧状又は水滴状に噴射され、水分の一部はフラッシュ蒸発により水蒸気に相変化し、同時に海水の温度は降下する。水分の蒸発により得られた水蒸気はミスト除去部６５ｃを通り、同じシェル２２内の熱交換部２１に流入する。シェル２２内に蒸発部分と凝縮部分が一体に収容されていることで、蒸発側から凝縮側へ向う水蒸気の流れにおける圧力損失を小さくできる。
　このように、本実施形態に係る熱交換器においては、熱交換器２０のシェル２２内にフラッシュ蒸発器６５をなす各部と熱交換部２１が収容されて蒸発器と凝縮器とが一体に配設され、フラッシュ蒸発器６５で得られた水蒸気がそのまま熱交換部２１に進入可能となることから、減圧した圧力を維持しやすく確実に水蒸気を気相で熱交換部２１に到達させて凝縮させられることとなり、シェル２２内でスムーズに蒸発から凝縮までの一連の過程を進ませられ、凝縮に係る効率を高められると共に、シェル２２内からの排気をそのまま減圧排気装置に導いて排出できるなど、装置全体をシンプル且つコンパクトな構造として低コスト化も図れる。
　（本発明の第３の実施形態）
　本発明の第３の実施形態を図６及び図７に基づいて説明する。
　前記各図において本実施形態に係る熱交換器は、前記第１の実施形態同様、熱交換部１１と、シェル１２とを備える一方、異なる点として、熱交換部１１における第一流路１５ｂの開口部分における所定範囲部分を覆って配設される略箱状の不凝縮ガス収集部１７と、この不凝縮ガス収集部１７の内側領域に連通して、不凝縮ガスをシェル１２外に排出可能とする略管状の不凝縮ガス排出部１８とをさらに備える構成を有するものである。
　前記不凝縮ガス収集部１７は、一部開放状態とした略箱状体で形成され、熱交換部１１における第一流路１５ｂの上側又は下側の少なくとも一方の開口部分のうち、第二流路１５ｃにおける作動流体流入側の開口部分に近い所定範囲部分を覆って配設される構成である。
　前記不凝縮ガス排出部１８は、略管状に形成され、前記不凝縮ガス収集部１７の内側領域に一方の開口端部を連通させると共に、前記シェル１２の外側に他方の開口端部を位置させて配設される構成であり、この他方の開口端部に減圧装置（図示を省略）を接続されて、不凝縮ガス収集部１７に集まった不凝縮ガスをシェル１２外に排出可能とするものである。
　次に、前記構成に基づく熱交換器における不凝縮ガスの除去について説明する。前提として、前記第１の実施形態同様、海から取水された海水が、いったん海水淡水化装置１の脱気装置６１ｄに導かれ、海水中の空気を除去された後、フラッシュ蒸発器６１に導入され、減圧されたフラッシュ蒸発器６１の減圧容器１４ａ内の空間に噴射された海水中の水分の大部分がフラッシュ蒸発により蒸気となって、この蒸気が熱交換器１０に流入するものとする。
　熱交換器１０では、前記第１の実施形態同様、蒸気がシェル１２の上部の開口から内部空間に進入する。そして、蒸気は、シェル１２の内部空間を進んで熱交換部１１の第一流路１５ｂにおける上下の開口部分から流入する。
　蒸気のうち、上側の開口部分から第一流路１５ｂに流入した蒸気は、第一流路１５ｂを下向きに進みながら、熱交換用プレート１５を介して作動流体と熱交換して、第一流路１５ｂに面する熱交換用プレート１５表面で凝縮し、液相の水となる。また、下側の開口部分から第一流路１５ｂに流入した蒸気は、第一流路１５ｂを上向きに進みながら、熱交換用プレート１５を介して作動流体と熱交換して、第一流路１５ｂに面する熱交換用プレート１５表面で凝縮し、液相の水となる。
　蒸気が凝縮すると、蒸気と共に第一流路１５ｂに流入していた不凝縮ガスが、凝縮し液相となった水と分離する。この不凝縮ガスは、通常は第一流路１５ｂの外に自然に出て、シェル１２の内部空間を経て減圧排気装置１６でシェル１２外に排出される。しかし、熱交換部１１の第一流路１５ｂのうち、熱交換用プレートを隔てた第二流路１５ｃにおける作動流体流入側の開口部分に近い部分では、第二流路１５ｃ側の作動流体の温度が他部より低いことで、蒸気の凝縮が進みやすく、分離する不凝縮ガスの量も多くなる。こうして不凝縮ガスが多くなることで、この部分では不凝縮ガスの排出が滞って滞留状態になりやすく、そのままでは、溜まった不凝縮ガスが蒸気と熱交換用プレート１５との接触を妨げて蒸気の凝縮が進まない状態となりかねない。
　これに対し、熱交換部１１における第一流路１５ｂの上側の開口部分のうち、第二流路１５ｃにおける作動流体流入側の開口部分に近い所定範囲部分を覆うように不凝縮ガス収集部１７を配設して、この不凝縮ガス収集部１７と不凝縮ガス排出部１８を通じて不凝縮ガスを第一流路１５ｂから吸引して、滞留した不凝縮ガスを除去でき、第一流路１５ｂにおける蒸気と熱交換用プレート表面との接触、熱交換による蒸気の凝縮を、不凝縮ガスに妨げられることなく継続させられる。
　このように、本実施形態に係る熱交換器においては、第一流路１５ｂにおける第二流路入口近くの低温で凝縮が進行しやすく、蒸気に含まれていた不凝縮ガスが滞留しやすい領域に沿って、不凝縮ガス収集部１７を設けると共に、この不凝縮ガス収集部１７に不凝縮ガス排出部１８を接続し、これら不凝縮ガス収集部１７と不凝縮ガス排出部１８を通じて不凝縮ガスを第一流路１５ｂからシェル外部に排出可能とすることから、第一流路１５ｂの一部に滞留した不凝縮ガスを不凝縮ガス収集部１７に引き寄せて除去でき、第一流路１５ｂに溜まった不凝縮ガスが蒸気と熱交換用プレート１５との接触を妨げて蒸気の凝縮が進まない状態となるのを適切に防いで、効率よく凝縮を行わせることができる。
　なお、前記実施形態に係る熱交換器においては、不凝縮ガス収集部を上側の開口部分に設けるようにしているが、熱交換部１１の第一流路１５ｂのうち、第二流路１５ｃにおける作動流体流入側の開口部分に近い所定範囲部分に対応する開口部分であれば、図８に示すように、不凝縮ガス収集部１７を下側に設けるようにしてもかまわない。
　（本発明の第４の実施形態）
　前記第３の実施形態に係る熱交換器においては、不凝縮ガス収集部を箱状に形成して開口部分の一部を覆うように配設する構成としているが、この他、図９ないし図１１に示すように、不凝縮ガス収集部１７の端部を、突出する凸部１７ｂが歯型状に複数並ぶ形状とし、この端部の凸部１７ｂを第一流路１５ｂに所定深さまで挿入すると共に、第一流路１５ｂを挟む各熱交換用プレート１５に固定して、第一流路の開口部分寄り部位をシェルの内部空間に通じる部分と前記不凝縮ガス収集部１７に通じる部分とに分ける隔壁として機能させる構成とすることもできる。
　この場合、不凝縮ガス収集部１７の端部が隔壁として第一流路１５ｂを区画し、仮に蒸気が第一流路開口部分における不凝縮ガス収集部１７に近い位置に流入しても、隔壁部分で不凝縮ガス収集部１７の方へ進むのを阻止されることから、開口部分に流入した蒸気が不凝縮ガス収集部１７へ向かわずにそのまま第一流路１５ｂを奥まで進む状態として、蒸気の不凝縮ガス収集部１７への流入を抑制できることとなり、不凝縮ガス収集部１７を通じて誤って蒸気が排出されるのを防いで、蒸気をもれなく確実に凝縮させることができる。
　１　　　　　　　海洋温度差発電システム
　１０　　　　　　熱交換器
　１１　　　　　　熱交換部
　１２　　　　　　シェル
　１２ｂ　　　　　水回収部
　１３　　　　　　管路
　１５　　　　　　熱交換用プレート
　１５ｂ　　　　　第一流路
　１５ｃ　　　　　第二流路
　１６　　　　　　減圧排気装置
　１７　　　　　　不凝縮ガス収集部
　１７ｂ　　　　　凸部
　１８　　　　　　不凝縮ガス排出部
　１９　　　　　　貯溜部
　２０　　　　　　熱交換器
　２１　　　　　　熱交換部
　２２　　　　　　シェル
　５０　　　　　　蒸気動力サイクル部
　５２　　　　　　タービン
　５３　　　　　　凝縮器
　５４　　　　　　ポンプ
　５５　　　　　　発電装置
　６０　　　　　　海水淡水化装置
　６１、６５　　　フラッシュ蒸発器
　６１ａ　　　　　減圧容器
　６１ｂ、６５ｂ　噴射部
　６５ｃ　　　　　ミスト除去部

Claims (7)

  1. 　外部から流入する気相の高温流体と液相の低温流体とを伝熱性材料製の熱交換部を介して熱交換させ、気相の高温流体を凝縮させると共に、液相の低温流体を蒸発させる熱交換器において、
    　隔壁で外部から隔離された内部空間を有し、当該内部空間に外部から前記気相の高温流体を導入可能且つ内部空間から外部へ凝縮した液相の高温流体を取出し可能とされると共に、隔壁を貫通する前記低温流体の流入出用流路を設けられる中空容器状のシェルを備え、
    　前記気相の高温流体が、水蒸気であり、
    　前記液相の低温流体が、蒸気動力サイクルの作動流体で液相のものであり、
    　前記熱交換部が、複数並列状態とされた略矩形状金属薄板製の各熱交換用プレートを、所定の略平行をなす二端辺部位で隣合う一の熱交換用プレートと水密状態として溶接される一方、隣合う他の熱交換用プレートと前記二端辺と略直交する他の略平行な二端辺部位で水密状態として溶接されて全て一体化され、各熱交換用プレート間に前記水蒸気及び当該水蒸気の凝縮した凝縮水の通る第一流路と作動流体の通る第二流路とをそれぞれ一つおきに生じさせ、且つ水蒸気及び凝縮水が流入出可能な前記第一流路の開口部分と、作動流体が流入出可能な前記第二流路の開口部分とが、直角をなす配置として形成され、
    　前記熱交換部が、前記シェルの内部空間に、前記第二流路の開口部分以外でシェル隔壁内面との間に所定の隙間を介在させ、且つ第一流路の開口部分を上下に位置させて配設され、前記流入出用流路と前記第二流路の開口部分とを接続されてなり、
    　前記流入出用流路を通じて流入する液相の作動流体とシェル内部空間から流入する水蒸気とを熱交換させ、当該熱交換で、水蒸気を凝縮させて凝縮水としての真水を得る造水用凝縮器をなすと共に、液相の作動流体を蒸発させて気相の作動流体を得る蒸気動力サイクルの蒸発器をなすものであることを
    　特徴とする熱交換器。
  2. 　前記請求項１に記載の熱交換器において、
    　前記熱交換部が、前記シェル内部空間に、前記第二流路における作動流体流出側の開口部分が作動流体流入側の開口部分に対し上側となるように熱交換部全体を傾けて配設されることを
    　特徴とする熱交換器。
  3. 　前記請求項１又は２に記載の熱交換器において、
    　前記シェルの内部空間に連通する蒸発用空間を内部に有し、当該蒸発用空間を大気圧より低い減圧状態とされる中空の減圧容器と、
    　当該減圧容器内に配設され、減圧容器の内部空間に外部から導入された海水を噴射する噴射部と、
    　少なくとも前記減圧容器の蒸発用空間に連通させて配設され、前記蒸発用空間及びシェルの内部空間を前記海水の飽和蒸気圧より低い圧力に調整する減圧装置とを備え、
    　前記減圧容器の蒸発用空間で噴射部から噴射された海水をフラッシュ蒸発させ、蒸発で得られた水蒸気を前記熱交換部で凝縮させることを
    　特徴とする熱交換器。
  4. 　前記請求項３に記載の熱交換器において、
    　前記減圧容器が、シェルの下側にシェルと一体に配設され、
    　減圧容器の蒸発用空間とシェルの内部空間とを隔てる隔壁の一部が、蒸発用空間からシェルの内部空間への気体の移動は許容しつつ、蒸発用空間に存在する液体の海水がシェルの内部空間へ進行するのを阻止するミスト除去部とされることを
    　特徴とする熱交換器。
  5. 　前記請求項１ないし４のいずれかに記載の熱交換器において、
    　前記蒸気動力サイクルの作動流体循環流路における液相作動流体の液面位置が、前記熱交換部より上側に設定され、熱交換部の第二流路全域に液相の作動流体が存在して、熱交換部の熱交換用プレートを介して第一流路の水蒸気と熱交換可能とされることを
    　特徴とする熱交換器。
  6. 　前記請求項２に記載の熱交換器において、
    　前記熱交換部における前記第一流路の上側又は下側の少なくとも一方の開口部分のうち、前記第二流路における冷却用流体流入側の開口部分に近い所定範囲部分を覆って配設される、略箱状の不凝縮ガス収集部と、
    　当該不凝縮ガス収集部の内側領域に一方の開口端部を連通させると共に、前記シェルの外側に他方の開口端部を位置させて配設され、不凝縮ガス収集部に集まった不凝縮ガスをシェル外に排出可能とする略管状の不凝縮ガス排出部とを備えることを
    　特徴とする熱交換器。
  7. 　外部から流入する気相の高温流体と液相の低温流体とを伝熱性材料製の熱交換部を介して熱交換させ、気相の高温流体を凝縮させると共に、液相の低温流体を蒸発させる熱交換器において、
    　隔壁で外部から隔離された内部空間を有し、当該内部空間に外部から前記気相の高温流体を導入可能且つ内部空間から外部へ凝縮した液相の高温流体を取出し可能とされると共に、隔壁を貫通する低温流体流入出用流路を設けられる中空容器状のシェルを備え、
    　前記熱交換部が、複数並列状態とされた略矩形状金属薄板製の各熱交換用プレートを、所定の略平行をなす二端辺部位で隣合う一の熱交換用プレートと水密状態として溶接される一方、隣合う他の熱交換用プレートと前記二端辺と略直交する他の略平行な二端辺部位で水密状態として溶接されて全て一体化され、各熱交換用プレート間に高温流体の通る第一流路と低温流体の通る第二流路とをそれぞれ一つおきに生じさせ、且つ高温流体が流入出可能な前記第一流路の開口部分と低温流体が流入出可能な前記第二流路の開口部分とが直角をなす配置として形成され、
    　前記熱交換部が、前記シェルの内部空間に、前記第二流路の開口部分以外でシェル隔壁内面との間に所定の隙間を介在させ、且つ第一流路の開口部分を上下に位置させつつ、前記第二流路における低温流体流出側の開口部分が低温流体流入側の開口部分に対し上側となるように熱交換部全体を傾けて配設され、前記低温流体流入出用流路と前記第二流路の開口部分とを接続されて、低温流体流入出用流路を通じて流入する液相低温流体とシェル内部空間から流入する気相高温流体とを熱交換させることを
    　特徴とする熱交換器。
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