海水の淡水化システム及びその方法
【課題】システム全体として熱効率を高め、海水の淡水化に要するための無駄なエネルギが極力使用されないようにするための海水の淡水化システムを提供する。
【解決手段】システムＳに、海水のうち蒸気となる割合を第１の流路１１に、濃縮水となる割合を第２の流路１２にそれぞれ流通させるための分離率調整部２１と、沸点上昇後の海水の飽和温度である第２の飽和温度を認識するための沸点上昇認識部２４と、第２の飽和温度に予め定めた熱交換温度差の値を加算して蒸留水の飽和温度である第３の飽和温度を求め、蒸留水が第３の飽和温度となるように圧縮機５での圧縮率を定める圧縮率演算部２２と、第１の熱交換器１を通過した海水の温度が海水の飽和温度である第１の飽和温度となるように調整する温度差調整部２３とを有する制御装置２０と、第２の熱交換器２を通過した海水の温度を第１の飽和温度まで上昇させるための加熱手段３とを備えた。
【解決手段】システムＳに、海水のうち蒸気となる割合を第１の流路１１に、濃縮水となる割合を第２の流路１２にそれぞれ流通させるための分離率調整部２１と、沸点上昇後の海水の飽和温度である第２の飽和温度を認識するための沸点上昇認識部２４と、第２の飽和温度に予め定めた熱交換温度差の値を加算して蒸留水の飽和温度である第３の飽和温度を求め、蒸留水が第３の飽和温度となるように圧縮機５での圧縮率を定める圧縮率演算部２２と、第１の熱交換器１を通過した海水の温度が海水の飽和温度である第１の飽和温度となるように調整する温度差調整部２３とを有する制御装置２０と、第２の熱交換器２を通過した海水の温度を第１の飽和温度まで上昇させるための加熱手段３とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海水を淡水化するための淡水化システム及びその方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
海水を淡水化する方法としては、多段フラッシュ法やＲＯ膜法等が用いられている。多段フラッシュ法は、加熱された海水を減圧された蒸発器で沸騰蒸発させ、その発生蒸気を凝縮して淡水を生産する海水の淡水化方法である。この多段フラッシュ法は、海水の品質を問わず使用でき、大量の淡水を作成できるが、熱効率が悪く、そのために多量のエネルギを必要とする。ＲＯ膜法は、半透膜を通して海水から淡水を得るものである。このＲＯ膜法は、半透膜が海水中の微生物や析出物で目詰まりしないように入念に前処理をする必要があり、その整備にコストがかかり、さらには製造した淡水の塩濃度が高いこと等の難点がある。
【０００３】
一方で、蒸発器での蒸気を圧縮させる蒸気圧縮法による海水の淡水化方法が実用化されている。一般的な蒸気圧縮法は例えば特許文献１に記載されている。すなわち、蒸気を圧縮して断熱温度上昇させ、この温度をもって熱交換に用いるための温度差を得るものである。この蒸気圧縮法は上述した多段フラッシュ法と同様、蒸発法に属するが、多段フラッシュ法に比して半分程度のエネルギで運転が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１８８５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した蒸気圧縮法で海水を淡水化する方法は、一般的にシステム全体としての熱効率が悪いため、そのシェアが５％程度である。そのため、システム全体として熱交換率を高めて運転効率を向上させる技術が望まれている。
【０００６】
本発明は、上記従来技術を考慮したものであり、システム全体として熱効率を高め、海水の淡水化に要するための無駄なエネルギが極力使用されないようにするための海水の淡水化システム及びその方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明では、供給された海水が流通する海水供給流路と、前記海水供給流路に配設された分離器及び混合器と、前記海水供給流路の一部を形成し、前記分離器及び混合器の間に架け渡された第１の流路及び第２の流路と、該第１及び第２の流路に配設された第１及び第２の熱交換器と、前記海水供給流路の終端に形成され、前記海水の飽和温度である第１の飽和温度で前記海水を蒸発する蒸発器と、該蒸発器によって発生した蒸気が流通し、前記蒸発器及び前記第１の熱交換器の順番で通過する蒸留水還り流路と、前記蒸発器によって発生した濃縮水が流通し、前記第２の熱交換器を通過する濃縮水還り流路と、前記蒸留水還り流路に配設され、前記蒸気を圧縮するための圧縮機とを備えた海水の淡水化システムにおいて、前記海水のうち前記蒸気となる割合を前記第１の流路に、前記濃縮水となる割合を前記第２の流路にそれぞれ流通させるために前記分離器での前記海水の分離率を調整する分離率調整部と、前記蒸発器内での蒸発による前記海水の沸点上昇を認識し、沸点上昇後の前記海水の飽和温度である第２の飽和温度を認識するための沸点上昇認識部と、該沸点上昇認識部にて認識された前記第２の飽和温度に予め定めた熱交換温度差の値を加算して前記蒸留水の飽和温度である第３の飽和温度を求め、前記蒸留水が前記第３の飽和温度となるような圧力を決定して前記圧縮機での圧縮率を定める圧縮率演算部と、前記第１の熱交換器を通過した前記海水の温度が前記第１の飽和温度となるように調整する温度差調整部とを有する制御装置と、前記第２の熱交換器を通過した前記海水の温度を前記第１の飽和温度まで上昇させるための加熱手段とをさらに備えたことを特徴とする海水の淡水化システムを提供する。
【０００８】
好ましくは、前記加熱手段は、前記蒸留水還り流路における前記蒸発器と前記第１の熱交換器との間に配設され、且つ前記第２の流路における前記第２の熱交換器と前記蒸発器との間に配設された第３の熱交換器である。
【０００９】
また、本発明では、海水を蒸発させるべき蒸発器まで通じ、且つ分離器にて分岐された第１の流路及び第２の流路を有する海水供給流路に海水を供給し、前記分離器にて、前記第１の流路に流す前記海水と前記第２の流路に流す前記海水との分離率を前記蒸発器における前記海水の蒸発率と濃縮率との比率と一致させて前記第１及び第２の流路にそれぞれ流し、前記海水供給流路に配設され、且つ前記第１及び第２の流路が合流する混合器に前記第１及び第２の流路からそれぞれ海水を流入するに際し、前記第１及び第２の流路にそれぞれ配設された第１及び第２の熱交換器を用いて前記海水の温度を海水の飽和温度である第１の飽和温度まで加熱し、前記海水を前記蒸発器にて蒸発させて蒸気を含む蒸留水とし、前記蒸発器内での蒸発によって沸点上昇を生じた後の前記海水の飽和温度である第２の飽和温度を認識し、前記第２の飽和温度に予め定めた熱交換温度差の値を加算して、前記蒸留水の飽和温度である第３の飽和温度を求め、前記蒸留水が流通する蒸留水還り流路に配設された圧縮機にて前記蒸留水を前記第３の飽和温度となるまで圧縮し、前記第３の飽和温度の前記蒸留水を前記蒸発器及び前記第１の熱交換器の順番に通過させて前記海水の蒸発及び加熱に用い、前記蒸発器にて発生した濃縮水を濃縮水還り流路に流通させて前記第２の熱交換器での前記海水の加熱に用いることを特徴とする海水の淡水化方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、第１の流路を通った海水は第１の熱交換器により海水の飽和温度である第１の飽和温度まで上昇され、第２の流路を通った海水は第２の熱交換器及び加熱手段により海水の飽和温度である第１の飽和温度まで上昇される。したがって、これらの海水は混合器にて同一の温度で混合される。したがって、第１の流路と第２の流路を通った海水の温度がともに飽和温度で揃った状態で海水は蒸発器にて蒸発される。これにより、蒸発器での蒸発に際して最低限の熱量で海水を蒸発させることができる。また、分離率調整部は、海水の濃縮率（蒸発率）に応じてそれぞれ海水を分離させる。したがって、蒸留水及び濃縮水の顕熱をそれぞれの割合に応じた海水と熱交換させることができ、効率よく回収することができる。また、予め熱交換温度差を定め、沸点上昇を起こした海水の第２の飽和温度に対して熱交換温度差を加算した第３の飽和温度を求め、蒸留水がこの第３の飽和温度となるように蒸気の圧縮率を定める。この熱交換温度差は、各熱交換器で最も効率よく熱交換できる温度差である。第１の熱交換器では、第３の飽和温度の蒸留水と海水とが熱交換されるため、海水を第１の飽和温度まで上昇させることができ、無駄なく蒸留水の顕熱を回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る海水淡水化システムの概念を示した概略図である。
【図２】本発明に係る海水淡水化システムの装置構成を示した概略図である。
【図３】海水を５０％濃縮したときの温度と熱量との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明が適用される淡水化システムについて説明する。
図１に示すように、このシステムＳは、熱交換器１〜４と圧縮機５とを備えている。熱交換器は、それぞれ第１の熱交換器１〜３及び蒸発器４からなる。蒸発器４は海水供給端６と海水供給流路７を介して接続されている。システムＳは、海水供給端６から供給される海水を淡水にするためのものである。海水供給流路７には、第１〜３の熱交換器１、２、３が配設されている。具体的には、海水供給流路７には分離器８が設けられていて、ここで流路７は第１の流路１１及び第２の流路１２に分岐される。第１の流路１１には上述した第１の熱交換器１が配設され、第２の流路１２には上述した第２の熱交換器２及び第３の熱交換器３がそれぞれ第２の流路１２の上流側から順番に配設されている。そして、第１及び第２の流路１１、１２は混合器９にて再び一つの流路となり、蒸発器４に接続される。
【００１３】
蒸発器４は、供給された海水を蒸発させるものである。蒸発器４は気液分離器１０に接続されている。蒸発器４で生じた蒸気及び濃縮水は、気液分離器１０にてそれぞれ分離され、蒸気は蒸留水還り流路１３に、濃縮水は濃縮水還り流路１４に導かれる。蒸留水還り流路１３には上述した圧縮機５が配設され、この圧縮機５で蒸気は圧縮される。圧縮機５の下流には、上述した蒸発器４、第３の熱交換器３、第１の熱交換器１がそれぞれ順番に配設されている。すなわち、蒸留水は蒸発器４、第３の熱交換器３、第１の熱交換器１の順番でそれぞれ海水と熱交換される。なお、蒸発器４で熱交換されるまでは、蒸留水は蒸発した状態で流通している。蒸留水還り流路１３における第１の熱交換器１のさらに下流には、熱交換器１６が配設されていて、この熱交換器１６にて蒸留水はさらに冷却水によって冷却される。蒸留水還り流路１３は蒸留水回収端１８を出口としている。蒸留水は十分に冷却されてから蒸留水回収端１８より回収される。
【００１４】
一方、濃縮水還り流路１４には上述した第２の熱交換器２が配設されている。すなわち、濃縮水は第２の熱交換器２で海水と熱交換される。濃縮水還り流路１４における第２の熱交換器２のさらに下流には、熱交換器１７が配設されていて、この熱交換器１７にて濃縮水はさらに冷却水によって冷却される。濃縮水還り流路１４は濃縮水回収端１９を出口としている。濃縮水は十分に冷却されてから濃縮水回収端１９より回収される。
【００１５】
また、図２に示すように、第１〜第３の熱交換器１〜３は例えば熱交換ユニット１５として一体化されている。図２を参照して海水から淡水化への流れを概説すると、海水供給端６から供給された海水は、海水供給流路７にある熱交換ユニット１５を通って蒸発器４に導かれ、この蒸発器４で蒸発される。蒸発された海水は蒸気状態の蒸留水と濃縮水に分離される。蒸気は圧縮機５によって圧縮されて蒸発器４での熱交換により液状の蒸留水となる。蒸留水は蒸留水還り流路１３にある蒸発器４及び熱交換ユニット１５を通って蒸留水回収端１８から回収される。一方で濃縮水は濃縮水還り流路１４にある熱交換ユニット１５を通って濃縮水回収端１９から回収される。
【００１６】
さらに、このシステムＳには制御装置２０が備わっている。この制御装置２０は、システム全体としての熱効率を高め、海水の淡水化に要するための無駄なエネルギが極力使用されないようにするためのものである。そのために、制御装置２０は、蒸発器４、圧縮機５、熱交換ユニット１５に接続されている。制御装置２０には、分離器８での海水の分離率を調整するための分離率調整部２１が備わっている。また、圧縮機５による蒸気の圧縮率を定めるための圧縮率演算部２２も備わっている。また、各熱交換器での熱交換温度差を状況に応じて変更するための温度差調整部２３も備わっている。また、蒸発器４内での蒸発による海水の沸点上昇を認識するための沸点上昇認識部２４も備わっている。
【００１７】
上述したシステムＳを用いて海水を淡水化させる方法を以下に説明する。なお、図１では各流路における海水、蒸留水、濃縮水の温度及び圧力を記載している。
まず、海水供給端６から海水（例えば２０℃）を供給する。ここで、分離率に応じて海水は分離率調整部２１によって調整された分離器８で分離される。この分離率は、蒸発器４での海水の濃縮率（蒸発率）に応じて定められるものであり、作業者が予め決定する。濃縮率としては、２５％〜７５％の範囲が適しているが、濃縮率が高いとスケールが発生しそれが蒸発器４内の機器等に付着するため、あるいは濃縮率が低いと熱交換率が低下してしまうため、５０％が最も適している。濃縮率が５０％であれば、分離器８での分離率は、５０：５０となる。濃縮率が２５％であれば、第１の流路１１と第２の流路１２への分離率は、７５：２５となる。分離器８によってそれぞれ第１の流路１１と第２の流路１２に流通するように分離された海水は、熱交換ユニット１５にて温度が上昇される。具体的には、第１の流路１１内の海水は、第１の熱交換器１内を通って後述する蒸留水と熱交換される。熱交換後、海水は飽和温度（１０１℃）まで上昇される。
【００１８】
第２の流路１２内の海水は、まず第２の熱交換器２内を通って後述する濃縮水と熱交換される。そして、第３の熱交換器３内を通って後述する蒸留水と熱交換される。第２及び第３の熱交換器２、３での熱交換後、海水は飽和温度（１０１℃）まで上昇される。第１の流路１１及び第２の流路１２は混合器９で一つにまとめられる。すなわち、第１及び第２の流路１１、１２を流通してきた海水は、それぞれ同一の飽和温度の状態で混合される。そして、飽和温度のまま蒸発器４内に導かれ、後述する蒸気（蒸留水）と熱交換されて蒸発される。
【００１９】
蒸発器４で生じた濃縮水は、気液分離器１０にて濃縮水のみが流通する濃縮水還り流路１４に導かれる。このとき、蒸発器４での蒸発により濃縮水は沸点上昇を起こしている。濃縮率が５０％のときは飽和温度１０１℃の海水が濃縮水となって１０２℃になっている。濃縮水はこの状態で第２の熱交換器２で海水と熱交換される。具体的には、濃縮水の入口温度と海水の出口温度が予め定めた熱交換温度差となるように熱交換される。すなわち、１０２℃で濃縮水が入ってくるので、海水は９７℃となる。このようにして、濃縮率５０％で得られた濃縮水の顕熱は第２の熱交換器２で回収される（例えば濃縮水は２５．４℃となる）。そのため、上述した分離器８での分離率は５０％になっている。濃縮水はさらに熱交換器１７で冷却され、濃縮水回収端１９から回収される。
【００２０】
蒸発器４で生じた蒸気（蒸気状態の蒸留水）は、気液分離器１０にて蒸気のみが流通する蒸留水還り流路１３に導かれる。ここで蒸気は圧縮率演算部２２の結果に基づいて動作する圧縮機５により圧縮され、温度上昇される。この蒸気は、圧縮機５での圧縮に伴い蒸発潜熱を有している。この状態の蒸気が蒸発器４にて海水の蒸発に用いられる。すなわち、飽和温度で蒸発器４に供給された海水は、蒸気の潜熱を用いて熱交換されて蒸発されるため、潜熱はここで回収される。このとき蒸気は凝縮されて蒸留水となる。上述した圧縮機５での圧縮率は、蒸発器４にて熱交換した後の蒸留水の飽和温度を基準にして定められる。この蒸留水の飽和温度は、蒸発器４を通過した後の海水の飽和温度（海水濃縮（蒸発）後の飽和温度）に対して予め定めた熱交換温度差だけ高く設定される。蒸留水の飽和温度がこの高く設定された温度となるように、蒸気は圧縮機５にて圧縮される。例えば、濃縮率５０％の場合、飽和温度１０１℃で蒸発器４に流入した海水は、蒸気の潜熱を用いて蒸発されて蒸気となるが、このとき濃縮により沸点上昇が起こり、飽和温度は１０２℃となる。予め設定された熱交換温度差が５℃であれば、海水蒸発のために用いられた蒸気は熱交換後１０７℃になって凝縮されるように設定される。飽和温度が１０７℃に相当する蒸留水となるような圧力は飽和蒸気圧表を用いて求められる。例えば、飽和温度が１０７℃の蒸留水を得るためには、圧縮機５で蒸気を２８ＭＰａＧまで圧縮すればよい。なお、沸点上昇の幅は濃縮率によって異なるため、この沸点上昇後の飽和温度の値は、上述した沸点上昇認識部２４に予め入力するか、あるいはセンサ等によって計測した結果を入力してもよい。
【００２１】
蒸発器４を通過した蒸留水は、わずかに蒸気が包含された状態である。この蒸気が有する潜熱は第３の熱交換器３にて回収される。具体的には、第２の熱交換器２で温度上昇された海水をさらに飽和温度まで高めるために用いられる。ここでは海水の顕熱と蒸留水が有する蒸気の潜熱とが熱交換される。これにより、第２の熱交換器２で９７℃まで上昇した海水の温度は、飽和温度である１０１℃までさらに上昇される。したがって、上述したように、第１の流路１１又は第２の流路１２を経て混合器９にて混合された海水はともに飽和温度の１０１℃であるため、蒸発器４内での海水の温度低下を防止でき、蒸発に関するエネルギのロスを防止することができる。
【００２２】
第３の熱交換器３を通過した蒸留水は、第１の熱交換器１で海水と熱交換される。具体的には、蒸留水の入口温度が１０７℃である場合に、海水の出口温度は１０１℃となる。上述では、熱交換温度差を５℃としたが、このような値にすると、海水の出口温度が１０２℃となってしまい、海水が飽和温度よりも高くなってしまうので蒸発してしまう。したがって、海水の出口温度が飽和温度となることを限度として、予め定めた熱交換温度差以上の最小値を新たな熱交換温度差として定める。この例では新たな熱交換温度差は６℃になり、海水は飽和温度の１０１℃まで上昇される。なお、この判断は上述した温度差調整部２３にて行われる。このようにして、濃縮率５０％で得られた蒸留水の顕熱は、第１の熱交換器１で回収される（例えば蒸留水は２８℃となる）。そのため、上述した分離器８での分離率は５０％になっている。上流水はさらに熱交換器１６で冷却され、濃縮水回収端１８から回収される。
【００２３】
まとめると、第１〜第３の熱交換器１〜３及び蒸発器４における熱交換温度差は、蒸留水又は濃縮水が有する顕熱の入口温度と海水の出口温度が予め定めた一定の値となるように制御され、このうち海水の出口温度が飽和温度を超える熱交換器においては予め定めた熱交換温度差以上の最小値を新たな熱交換温度差とする。また、蒸発器４に流入する海水の温度は、一定の飽和温度とする。
【００２４】
このような制御を行うことで、熱効率は向上する。例えば、図３を参照すれば明らかなように、温度と熱量とを示すグラフ（いわゆるＴ−Ｑ線図）においても、熱交換温度差を一定にすることで、要した熱はほぼ回収できることになり、熱効率は向上することになる。図３について説明すると、グラフのＡ部分は、蒸留水からの顕熱の回収と海水の温度上昇を示している。グラフのＢ部分は、濃縮水からの顕熱の回収と海水の温度上昇を示している。グラフのＣ部分は、海水の蒸発と蒸留水（蒸気）の潜熱の回収とを示している。なお、Ｃ部分の上側のグラフで１２８℃まで立ち上がっている部分は、蒸気を圧縮させて断熱温度上昇をさせたときの状態を示している。このＴ−Ｑ線図を見れば、海水の温度を上昇させるときと蒸留水又は濃縮水の温度を下降させるときの温度を一定（グラフとしては平行）にすることで、効率が高まっていることがわかる。このグラフの平行の幅が開くと、その分無駄な熱が必要になるので、温度差は可能な限り小さい方がよい。現状の装置等の性能を考慮すれば、理想の熱交換温度差は５℃であることがわかっている。なお、グラフのＤ部分は、第３の熱交換器３での蒸留水に含まれる蒸気の潜熱の回収を示している。このように、システムＳ全体としてみると第３の熱交換器３による熱回収は少量であるため、ここでの海水の温度上昇は蒸留水の潜熱を用いずに他の加熱手段を用いてもよい。
【００２５】
上記と重複する部分もあるが、本発明についてさらに説明する。
システムＳの構成は上述したとおりであるが、簡単に説明すると、供給されるべき海水は海水供給流路７を流れる。海水供給路７には分離器８と混合器９が配設されている。海水供給流路７は分離器８で第１の流路１１及び第２の流路１２に分岐され、これら第１及び第２の流路１１、１２は混合器９で一つにまとまっている。すなわち、第１の流路１１及び第２の流路１２は分離器８及び混合器９の間に架け渡されている。第１の流路１１及び第２の流路１２にはそれぞれ第１の熱交換器１及び第２の熱交換器２が配設されている。海水供給流路７の終端には、蒸発器４が配設されている。この蒸発器４は、海水の飽和温度である第１の飽和温度で海水を蒸発するためのものである。蒸発器４は気液分離器１０に接続され、それぞれ蒸留水（蒸気）と濃縮水に分離される。蒸留水は蒸留水還り流路１３を通る。この蒸留水還り流路１３にはそれぞれ上述した蒸発器４及び第１の熱交換器１が配設されている。すなわち、蒸発器４及び第１の熱交換器１では、海水と蒸留水が熱交換される。一方濃縮水は濃縮水還り流路１４を通る。この濃縮水還り流路１４には第２の熱交換器が配設されている。すなわち、第２の熱交換器２では、海水と濃縮水が熱交換される。蒸留水還り流路１３における蒸発器４の上流側には、蒸気の状態の蒸留水を圧縮するための圧縮機５が配設されている。
【００２６】
このようなシステムＳにおいて、制御装置２０が備わっている。制御装置２０は分離率調整部２１、圧縮率演算部２２、温度差調整部２３、沸点上昇認識部２４を有している。分離率調整部２１は、海水のうち蒸気となる割合を第１の流路１１に、濃縮水となる割合を第２の流路１２にそれぞれ流通させるために分離器８での海水の分離率を調整するためのものである。この結果に基づいて、海水は分離器８で分離される。沸点上昇認識部２４は、蒸発器４内での蒸発による海水の沸点上昇を認識し、沸点上昇後の海水の飽和温度である第２の飽和温度を認識するためのものである。圧縮率演算部２２は、沸点上昇認識部２４にて認識された第２の飽和温度に予め定めた熱交換温度差の値を加算して蒸留水の飽和温度である第３の飽和温度を求め、蒸留水が第３の飽和温度となるような圧力を決定して圧縮機５での圧縮率を定めるものである。温度差調整部２３は、第１の熱交換器１を通過した海水の温度が第１の飽和温度となるように調整するものである。そして、システム１はさらに、第２の熱交換器２を通過した海水の温度を第１の飽和温度まで上昇させるための加熱手段を備えている。この加熱手段は、具体的には第３の熱交換器３であるが、他の加熱作用を有する装置を用いてもよい。
【００２７】
このようなシステムＳでは、第１の流路１１を通った海水は第１の熱交換器１により海水の飽和温度である第１の飽和温度まで上昇され、第２の流路１２を通った海水は第２の熱交換器２及び加熱手段（第３の熱交換器３）により海水の飽和温度である第１の飽和温度まで上昇される。したがって、これらの海水は混合器９にて同一の温度で混合される。したがって、第１の流路１１と第２の流路１２を通った海水の温度がともに飽和温度で揃った状態で海水は蒸発器４にて蒸発される。これにより、蒸発器４での蒸発に際して最低限の熱量で海水を蒸発させることができる。また、分離率調整部２１は、海水の濃縮率（蒸発率）に応じてそれぞれ海水を分離させる。したがって、蒸留水及び濃縮水の顕熱をそれぞれの割合に応じた海水と熱交換させることができ、効率よく回収することができる。また、予め熱交換温度差を定め、沸点上昇を起こした海水の第２の飽和温度に対して熱交換温度差を加算した第３の飽和温度を求め、蒸留水がこの第３の飽和温度となるように蒸気の圧縮率を定める。この熱交換温度差は、各熱交換器で最も効率よく熱交換できる温度差である。現状一般的に用いられている熱交換器では、５℃が好ましい。第１の熱交換器１では、第３の飽和温度の蒸留水と海水とが熱交換されるため、海水を第１の飽和温度まで上昇させることができ、無駄なく蒸留水の顕熱を回収することができる。
【００２８】
また、濃縮水は沸点上昇を起こした後の第２の飽和温度であるため、第１の飽和温度に比べてわずかに高い温度のままである。この第２の飽和温度の濃縮水と海水とを第２の熱交換器２で熱交換しても海水は第１の飽和温度まで上昇しない。一方、蒸発器４では圧縮された蒸気と第１の飽和温度の海水が熱交換され、蒸気は蒸留水となる。このとき、蒸留水にはわずかに蒸気が含まれているため、わずかに潜熱を有している。上述した第２の熱交換器２を通過して温度上昇している海水と潜熱を有する蒸留水とを第３の熱交換器３にて熱交換することで、第２の流路１２を通過した海水を第１の飽和温度まで上昇させることができる。したがって、上述した加熱手段として第３の熱交換器３を用いることで、蒸留水の潜熱を利用してシステムＳ全体として熱量を効率よく利用することができる。
【００２９】
本発明でシステムＳ全体としての熱効率を高めるためには、分離器８にて、第１の流路１１に流す海水の流量と第２の流路１２に流す海水の流量との比率を蒸発器４における海水の蒸発率と濃縮率との比率と合致させ、混合器９に流入する第１の流路１１及び第２の流路１２からの海水の温度を第１の飽和温度に揃え、第２の飽和温度に熱交換温度差を加算して第３の飽和温度を求め、蒸留水が第３の飽和温度となるように蒸気を圧縮すればよい。
【符号の説明】
【００３０】
１ 第１の熱交換器
２ 第２の熱交換器
４ 蒸発器
５ 圧縮機
７ 海水供給流路
８ 分離器
９ 混合器
１１ 第１の流路
１２ 第２の流路
１３ 蒸留水還り流路
１４ 濃縮水還り流路
２０ 制御装置
２１ 分離率調整部
２２ 圧縮率演算部
２３ 温度差調整部
２４ 沸点上昇認識部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海水を淡水化するための淡水化システム及びその方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
海水を淡水化する方法としては、多段フラッシュ法やＲＯ膜法等が用いられている。多段フラッシュ法は、加熱された海水を減圧された蒸発器で沸騰蒸発させ、その発生蒸気を凝縮して淡水を生産する海水の淡水化方法である。この多段フラッシュ法は、海水の品質を問わず使用でき、大量の淡水を作成できるが、熱効率が悪く、そのために多量のエネルギを必要とする。ＲＯ膜法は、半透膜を通して海水から淡水を得るものである。このＲＯ膜法は、半透膜が海水中の微生物や析出物で目詰まりしないように入念に前処理をする必要があり、その整備にコストがかかり、さらには製造した淡水の塩濃度が高いこと等の難点がある。
【０００３】
一方で、蒸発器での蒸気を圧縮させる蒸気圧縮法による海水の淡水化方法が実用化されている。一般的な蒸気圧縮法は例えば特許文献１に記載されている。すなわち、蒸気を圧縮して断熱温度上昇させ、この温度をもって熱交換に用いるための温度差を得るものである。この蒸気圧縮法は上述した多段フラッシュ法と同様、蒸発法に属するが、多段フラッシュ法に比して半分程度のエネルギで運転が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１８８５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した蒸気圧縮法で海水を淡水化する方法は、一般的にシステム全体としての熱効率が悪いため、そのシェアが５％程度である。そのため、システム全体として熱交換率を高めて運転効率を向上させる技術が望まれている。
【０００６】
本発明は、上記従来技術を考慮したものであり、システム全体として熱効率を高め、海水の淡水化に要するための無駄なエネルギが極力使用されないようにするための海水の淡水化システム及びその方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明では、供給された海水が流通する海水供給流路と、前記海水供給流路に配設された分離器及び混合器と、前記海水供給流路の一部を形成し、前記分離器及び混合器の間に架け渡された第１の流路及び第２の流路と、該第１及び第２の流路に配設された第１及び第２の熱交換器と、前記海水供給流路の終端に形成され、前記海水の飽和温度である第１の飽和温度で前記海水を蒸発する蒸発器と、該蒸発器によって発生した蒸気が流通し、前記蒸発器及び前記第１の熱交換器の順番で通過する蒸留水還り流路と、前記蒸発器によって発生した濃縮水が流通し、前記第２の熱交換器を通過する濃縮水還り流路と、前記蒸留水還り流路に配設され、前記蒸気を圧縮するための圧縮機とを備えた海水の淡水化システムにおいて、前記海水のうち前記蒸気となる割合を前記第１の流路に、前記濃縮水となる割合を前記第２の流路にそれぞれ流通させるために前記分離器での前記海水の分離率を調整する分離率調整部と、前記蒸発器内での蒸発による前記海水の沸点上昇を認識し、沸点上昇後の前記海水の飽和温度である第２の飽和温度を認識するための沸点上昇認識部と、該沸点上昇認識部にて認識された前記第２の飽和温度に予め定めた熱交換温度差の値を加算して前記蒸留水の飽和温度である第３の飽和温度を求め、前記蒸留水が前記第３の飽和温度となるような圧力を決定して前記圧縮機での圧縮率を定める圧縮率演算部と、前記第１の熱交換器を通過した前記海水の温度が前記第１の飽和温度となるように調整する温度差調整部とを有する制御装置と、前記第２の熱交換器を通過した前記海水の温度を前記第１の飽和温度まで上昇させるための加熱手段とをさらに備えたことを特徴とする海水の淡水化システムを提供する。
【０００８】
好ましくは、前記加熱手段は、前記蒸留水還り流路における前記蒸発器と前記第１の熱交換器との間に配設され、且つ前記第２の流路における前記第２の熱交換器と前記蒸発器との間に配設された第３の熱交換器である。
【０００９】
また、本発明では、海水を蒸発させるべき蒸発器まで通じ、且つ分離器にて分岐された第１の流路及び第２の流路を有する海水供給流路に海水を供給し、前記分離器にて、前記第１の流路に流す前記海水と前記第２の流路に流す前記海水との分離率を前記蒸発器における前記海水の蒸発率と濃縮率との比率と一致させて前記第１及び第２の流路にそれぞれ流し、前記海水供給流路に配設され、且つ前記第１及び第２の流路が合流する混合器に前記第１及び第２の流路からそれぞれ海水を流入するに際し、前記第１及び第２の流路にそれぞれ配設された第１及び第２の熱交換器を用いて前記海水の温度を海水の飽和温度である第１の飽和温度まで加熱し、前記海水を前記蒸発器にて蒸発させて蒸気を含む蒸留水とし、前記蒸発器内での蒸発によって沸点上昇を生じた後の前記海水の飽和温度である第２の飽和温度を認識し、前記第２の飽和温度に予め定めた熱交換温度差の値を加算して、前記蒸留水の飽和温度である第３の飽和温度を求め、前記蒸留水が流通する蒸留水還り流路に配設された圧縮機にて前記蒸留水を前記第３の飽和温度となるまで圧縮し、前記第３の飽和温度の前記蒸留水を前記蒸発器及び前記第１の熱交換器の順番に通過させて前記海水の蒸発及び加熱に用い、前記蒸発器にて発生した濃縮水を濃縮水還り流路に流通させて前記第２の熱交換器での前記海水の加熱に用いることを特徴とする海水の淡水化方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、第１の流路を通った海水は第１の熱交換器により海水の飽和温度である第１の飽和温度まで上昇され、第２の流路を通った海水は第２の熱交換器及び加熱手段により海水の飽和温度である第１の飽和温度まで上昇される。したがって、これらの海水は混合器にて同一の温度で混合される。したがって、第１の流路と第２の流路を通った海水の温度がともに飽和温度で揃った状態で海水は蒸発器にて蒸発される。これにより、蒸発器での蒸発に際して最低限の熱量で海水を蒸発させることができる。また、分離率調整部は、海水の濃縮率（蒸発率）に応じてそれぞれ海水を分離させる。したがって、蒸留水及び濃縮水の顕熱をそれぞれの割合に応じた海水と熱交換させることができ、効率よく回収することができる。また、予め熱交換温度差を定め、沸点上昇を起こした海水の第２の飽和温度に対して熱交換温度差を加算した第３の飽和温度を求め、蒸留水がこの第３の飽和温度となるように蒸気の圧縮率を定める。この熱交換温度差は、各熱交換器で最も効率よく熱交換できる温度差である。第１の熱交換器では、第３の飽和温度の蒸留水と海水とが熱交換されるため、海水を第１の飽和温度まで上昇させることができ、無駄なく蒸留水の顕熱を回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る海水淡水化システムの概念を示した概略図である。
【図２】本発明に係る海水淡水化システムの装置構成を示した概略図である。
【図３】海水を５０％濃縮したときの温度と熱量との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明が適用される淡水化システムについて説明する。
図１に示すように、このシステムＳは、熱交換器１〜４と圧縮機５とを備えている。熱交換器は、それぞれ第１の熱交換器１〜３及び蒸発器４からなる。蒸発器４は海水供給端６と海水供給流路７を介して接続されている。システムＳは、海水供給端６から供給される海水を淡水にするためのものである。海水供給流路７には、第１〜３の熱交換器１、２、３が配設されている。具体的には、海水供給流路７には分離器８が設けられていて、ここで流路７は第１の流路１１及び第２の流路１２に分岐される。第１の流路１１には上述した第１の熱交換器１が配設され、第２の流路１２には上述した第２の熱交換器２及び第３の熱交換器３がそれぞれ第２の流路１２の上流側から順番に配設されている。そして、第１及び第２の流路１１、１２は混合器９にて再び一つの流路となり、蒸発器４に接続される。
【００１３】
蒸発器４は、供給された海水を蒸発させるものである。蒸発器４は気液分離器１０に接続されている。蒸発器４で生じた蒸気及び濃縮水は、気液分離器１０にてそれぞれ分離され、蒸気は蒸留水還り流路１３に、濃縮水は濃縮水還り流路１４に導かれる。蒸留水還り流路１３には上述した圧縮機５が配設され、この圧縮機５で蒸気は圧縮される。圧縮機５の下流には、上述した蒸発器４、第３の熱交換器３、第１の熱交換器１がそれぞれ順番に配設されている。すなわち、蒸留水は蒸発器４、第３の熱交換器３、第１の熱交換器１の順番でそれぞれ海水と熱交換される。なお、蒸発器４で熱交換されるまでは、蒸留水は蒸発した状態で流通している。蒸留水還り流路１３における第１の熱交換器１のさらに下流には、熱交換器１６が配設されていて、この熱交換器１６にて蒸留水はさらに冷却水によって冷却される。蒸留水還り流路１３は蒸留水回収端１８を出口としている。蒸留水は十分に冷却されてから蒸留水回収端１８より回収される。
【００１４】
一方、濃縮水還り流路１４には上述した第２の熱交換器２が配設されている。すなわち、濃縮水は第２の熱交換器２で海水と熱交換される。濃縮水還り流路１４における第２の熱交換器２のさらに下流には、熱交換器１７が配設されていて、この熱交換器１７にて濃縮水はさらに冷却水によって冷却される。濃縮水還り流路１４は濃縮水回収端１９を出口としている。濃縮水は十分に冷却されてから濃縮水回収端１９より回収される。
【００１５】
また、図２に示すように、第１〜第３の熱交換器１〜３は例えば熱交換ユニット１５として一体化されている。図２を参照して海水から淡水化への流れを概説すると、海水供給端６から供給された海水は、海水供給流路７にある熱交換ユニット１５を通って蒸発器４に導かれ、この蒸発器４で蒸発される。蒸発された海水は蒸気状態の蒸留水と濃縮水に分離される。蒸気は圧縮機５によって圧縮されて蒸発器４での熱交換により液状の蒸留水となる。蒸留水は蒸留水還り流路１３にある蒸発器４及び熱交換ユニット１５を通って蒸留水回収端１８から回収される。一方で濃縮水は濃縮水還り流路１４にある熱交換ユニット１５を通って濃縮水回収端１９から回収される。
【００１６】
さらに、このシステムＳには制御装置２０が備わっている。この制御装置２０は、システム全体としての熱効率を高め、海水の淡水化に要するための無駄なエネルギが極力使用されないようにするためのものである。そのために、制御装置２０は、蒸発器４、圧縮機５、熱交換ユニット１５に接続されている。制御装置２０には、分離器８での海水の分離率を調整するための分離率調整部２１が備わっている。また、圧縮機５による蒸気の圧縮率を定めるための圧縮率演算部２２も備わっている。また、各熱交換器での熱交換温度差を状況に応じて変更するための温度差調整部２３も備わっている。また、蒸発器４内での蒸発による海水の沸点上昇を認識するための沸点上昇認識部２４も備わっている。
【００１７】
上述したシステムＳを用いて海水を淡水化させる方法を以下に説明する。なお、図１では各流路における海水、蒸留水、濃縮水の温度及び圧力を記載している。
まず、海水供給端６から海水（例えば２０℃）を供給する。ここで、分離率に応じて海水は分離率調整部２１によって調整された分離器８で分離される。この分離率は、蒸発器４での海水の濃縮率（蒸発率）に応じて定められるものであり、作業者が予め決定する。濃縮率としては、２５％〜７５％の範囲が適しているが、濃縮率が高いとスケールが発生しそれが蒸発器４内の機器等に付着するため、あるいは濃縮率が低いと熱交換率が低下してしまうため、５０％が最も適している。濃縮率が５０％であれば、分離器８での分離率は、５０：５０となる。濃縮率が２５％であれば、第１の流路１１と第２の流路１２への分離率は、７５：２５となる。分離器８によってそれぞれ第１の流路１１と第２の流路１２に流通するように分離された海水は、熱交換ユニット１５にて温度が上昇される。具体的には、第１の流路１１内の海水は、第１の熱交換器１内を通って後述する蒸留水と熱交換される。熱交換後、海水は飽和温度（１０１℃）まで上昇される。
【００１８】
第２の流路１２内の海水は、まず第２の熱交換器２内を通って後述する濃縮水と熱交換される。そして、第３の熱交換器３内を通って後述する蒸留水と熱交換される。第２及び第３の熱交換器２、３での熱交換後、海水は飽和温度（１０１℃）まで上昇される。第１の流路１１及び第２の流路１２は混合器９で一つにまとめられる。すなわち、第１及び第２の流路１１、１２を流通してきた海水は、それぞれ同一の飽和温度の状態で混合される。そして、飽和温度のまま蒸発器４内に導かれ、後述する蒸気（蒸留水）と熱交換されて蒸発される。
【００１９】
蒸発器４で生じた濃縮水は、気液分離器１０にて濃縮水のみが流通する濃縮水還り流路１４に導かれる。このとき、蒸発器４での蒸発により濃縮水は沸点上昇を起こしている。濃縮率が５０％のときは飽和温度１０１℃の海水が濃縮水となって１０２℃になっている。濃縮水はこの状態で第２の熱交換器２で海水と熱交換される。具体的には、濃縮水の入口温度と海水の出口温度が予め定めた熱交換温度差となるように熱交換される。すなわち、１０２℃で濃縮水が入ってくるので、海水は９７℃となる。このようにして、濃縮率５０％で得られた濃縮水の顕熱は第２の熱交換器２で回収される（例えば濃縮水は２５．４℃となる）。そのため、上述した分離器８での分離率は５０％になっている。濃縮水はさらに熱交換器１７で冷却され、濃縮水回収端１９から回収される。
【００２０】
蒸発器４で生じた蒸気（蒸気状態の蒸留水）は、気液分離器１０にて蒸気のみが流通する蒸留水還り流路１３に導かれる。ここで蒸気は圧縮率演算部２２の結果に基づいて動作する圧縮機５により圧縮され、温度上昇される。この蒸気は、圧縮機５での圧縮に伴い蒸発潜熱を有している。この状態の蒸気が蒸発器４にて海水の蒸発に用いられる。すなわち、飽和温度で蒸発器４に供給された海水は、蒸気の潜熱を用いて熱交換されて蒸発されるため、潜熱はここで回収される。このとき蒸気は凝縮されて蒸留水となる。上述した圧縮機５での圧縮率は、蒸発器４にて熱交換した後の蒸留水の飽和温度を基準にして定められる。この蒸留水の飽和温度は、蒸発器４を通過した後の海水の飽和温度（海水濃縮（蒸発）後の飽和温度）に対して予め定めた熱交換温度差だけ高く設定される。蒸留水の飽和温度がこの高く設定された温度となるように、蒸気は圧縮機５にて圧縮される。例えば、濃縮率５０％の場合、飽和温度１０１℃で蒸発器４に流入した海水は、蒸気の潜熱を用いて蒸発されて蒸気となるが、このとき濃縮により沸点上昇が起こり、飽和温度は１０２℃となる。予め設定された熱交換温度差が５℃であれば、海水蒸発のために用いられた蒸気は熱交換後１０７℃になって凝縮されるように設定される。飽和温度が１０７℃に相当する蒸留水となるような圧力は飽和蒸気圧表を用いて求められる。例えば、飽和温度が１０７℃の蒸留水を得るためには、圧縮機５で蒸気を２８ＭＰａＧまで圧縮すればよい。なお、沸点上昇の幅は濃縮率によって異なるため、この沸点上昇後の飽和温度の値は、上述した沸点上昇認識部２４に予め入力するか、あるいはセンサ等によって計測した結果を入力してもよい。
【００２１】
蒸発器４を通過した蒸留水は、わずかに蒸気が包含された状態である。この蒸気が有する潜熱は第３の熱交換器３にて回収される。具体的には、第２の熱交換器２で温度上昇された海水をさらに飽和温度まで高めるために用いられる。ここでは海水の顕熱と蒸留水が有する蒸気の潜熱とが熱交換される。これにより、第２の熱交換器２で９７℃まで上昇した海水の温度は、飽和温度である１０１℃までさらに上昇される。したがって、上述したように、第１の流路１１又は第２の流路１２を経て混合器９にて混合された海水はともに飽和温度の１０１℃であるため、蒸発器４内での海水の温度低下を防止でき、蒸発に関するエネルギのロスを防止することができる。
【００２２】
第３の熱交換器３を通過した蒸留水は、第１の熱交換器１で海水と熱交換される。具体的には、蒸留水の入口温度が１０７℃である場合に、海水の出口温度は１０１℃となる。上述では、熱交換温度差を５℃としたが、このような値にすると、海水の出口温度が１０２℃となってしまい、海水が飽和温度よりも高くなってしまうので蒸発してしまう。したがって、海水の出口温度が飽和温度となることを限度として、予め定めた熱交換温度差以上の最小値を新たな熱交換温度差として定める。この例では新たな熱交換温度差は６℃になり、海水は飽和温度の１０１℃まで上昇される。なお、この判断は上述した温度差調整部２３にて行われる。このようにして、濃縮率５０％で得られた蒸留水の顕熱は、第１の熱交換器１で回収される（例えば蒸留水は２８℃となる）。そのため、上述した分離器８での分離率は５０％になっている。上流水はさらに熱交換器１６で冷却され、濃縮水回収端１８から回収される。
【００２３】
まとめると、第１〜第３の熱交換器１〜３及び蒸発器４における熱交換温度差は、蒸留水又は濃縮水が有する顕熱の入口温度と海水の出口温度が予め定めた一定の値となるように制御され、このうち海水の出口温度が飽和温度を超える熱交換器においては予め定めた熱交換温度差以上の最小値を新たな熱交換温度差とする。また、蒸発器４に流入する海水の温度は、一定の飽和温度とする。
【００２４】
このような制御を行うことで、熱効率は向上する。例えば、図３を参照すれば明らかなように、温度と熱量とを示すグラフ（いわゆるＴ−Ｑ線図）においても、熱交換温度差を一定にすることで、要した熱はほぼ回収できることになり、熱効率は向上することになる。図３について説明すると、グラフのＡ部分は、蒸留水からの顕熱の回収と海水の温度上昇を示している。グラフのＢ部分は、濃縮水からの顕熱の回収と海水の温度上昇を示している。グラフのＣ部分は、海水の蒸発と蒸留水（蒸気）の潜熱の回収とを示している。なお、Ｃ部分の上側のグラフで１２８℃まで立ち上がっている部分は、蒸気を圧縮させて断熱温度上昇をさせたときの状態を示している。このＴ−Ｑ線図を見れば、海水の温度を上昇させるときと蒸留水又は濃縮水の温度を下降させるときの温度を一定（グラフとしては平行）にすることで、効率が高まっていることがわかる。このグラフの平行の幅が開くと、その分無駄な熱が必要になるので、温度差は可能な限り小さい方がよい。現状の装置等の性能を考慮すれば、理想の熱交換温度差は５℃であることがわかっている。なお、グラフのＤ部分は、第３の熱交換器３での蒸留水に含まれる蒸気の潜熱の回収を示している。このように、システムＳ全体としてみると第３の熱交換器３による熱回収は少量であるため、ここでの海水の温度上昇は蒸留水の潜熱を用いずに他の加熱手段を用いてもよい。
【００２５】
上記と重複する部分もあるが、本発明についてさらに説明する。
システムＳの構成は上述したとおりであるが、簡単に説明すると、供給されるべき海水は海水供給流路７を流れる。海水供給路７には分離器８と混合器９が配設されている。海水供給流路７は分離器８で第１の流路１１及び第２の流路１２に分岐され、これら第１及び第２の流路１１、１２は混合器９で一つにまとまっている。すなわち、第１の流路１１及び第２の流路１２は分離器８及び混合器９の間に架け渡されている。第１の流路１１及び第２の流路１２にはそれぞれ第１の熱交換器１及び第２の熱交換器２が配設されている。海水供給流路７の終端には、蒸発器４が配設されている。この蒸発器４は、海水の飽和温度である第１の飽和温度で海水を蒸発するためのものである。蒸発器４は気液分離器１０に接続され、それぞれ蒸留水（蒸気）と濃縮水に分離される。蒸留水は蒸留水還り流路１３を通る。この蒸留水還り流路１３にはそれぞれ上述した蒸発器４及び第１の熱交換器１が配設されている。すなわち、蒸発器４及び第１の熱交換器１では、海水と蒸留水が熱交換される。一方濃縮水は濃縮水還り流路１４を通る。この濃縮水還り流路１４には第２の熱交換器が配設されている。すなわち、第２の熱交換器２では、海水と濃縮水が熱交換される。蒸留水還り流路１３における蒸発器４の上流側には、蒸気の状態の蒸留水を圧縮するための圧縮機５が配設されている。
【００２６】
このようなシステムＳにおいて、制御装置２０が備わっている。制御装置２０は分離率調整部２１、圧縮率演算部２２、温度差調整部２３、沸点上昇認識部２４を有している。分離率調整部２１は、海水のうち蒸気となる割合を第１の流路１１に、濃縮水となる割合を第２の流路１２にそれぞれ流通させるために分離器８での海水の分離率を調整するためのものである。この結果に基づいて、海水は分離器８で分離される。沸点上昇認識部２４は、蒸発器４内での蒸発による海水の沸点上昇を認識し、沸点上昇後の海水の飽和温度である第２の飽和温度を認識するためのものである。圧縮率演算部２２は、沸点上昇認識部２４にて認識された第２の飽和温度に予め定めた熱交換温度差の値を加算して蒸留水の飽和温度である第３の飽和温度を求め、蒸留水が第３の飽和温度となるような圧力を決定して圧縮機５での圧縮率を定めるものである。温度差調整部２３は、第１の熱交換器１を通過した海水の温度が第１の飽和温度となるように調整するものである。そして、システム１はさらに、第２の熱交換器２を通過した海水の温度を第１の飽和温度まで上昇させるための加熱手段を備えている。この加熱手段は、具体的には第３の熱交換器３であるが、他の加熱作用を有する装置を用いてもよい。
【００２７】
このようなシステムＳでは、第１の流路１１を通った海水は第１の熱交換器１により海水の飽和温度である第１の飽和温度まで上昇され、第２の流路１２を通った海水は第２の熱交換器２及び加熱手段（第３の熱交換器３）により海水の飽和温度である第１の飽和温度まで上昇される。したがって、これらの海水は混合器９にて同一の温度で混合される。したがって、第１の流路１１と第２の流路１２を通った海水の温度がともに飽和温度で揃った状態で海水は蒸発器４にて蒸発される。これにより、蒸発器４での蒸発に際して最低限の熱量で海水を蒸発させることができる。また、分離率調整部２１は、海水の濃縮率（蒸発率）に応じてそれぞれ海水を分離させる。したがって、蒸留水及び濃縮水の顕熱をそれぞれの割合に応じた海水と熱交換させることができ、効率よく回収することができる。また、予め熱交換温度差を定め、沸点上昇を起こした海水の第２の飽和温度に対して熱交換温度差を加算した第３の飽和温度を求め、蒸留水がこの第３の飽和温度となるように蒸気の圧縮率を定める。この熱交換温度差は、各熱交換器で最も効率よく熱交換できる温度差である。現状一般的に用いられている熱交換器では、５℃が好ましい。第１の熱交換器１では、第３の飽和温度の蒸留水と海水とが熱交換されるため、海水を第１の飽和温度まで上昇させることができ、無駄なく蒸留水の顕熱を回収することができる。
【００２８】
また、濃縮水は沸点上昇を起こした後の第２の飽和温度であるため、第１の飽和温度に比べてわずかに高い温度のままである。この第２の飽和温度の濃縮水と海水とを第２の熱交換器２で熱交換しても海水は第１の飽和温度まで上昇しない。一方、蒸発器４では圧縮された蒸気と第１の飽和温度の海水が熱交換され、蒸気は蒸留水となる。このとき、蒸留水にはわずかに蒸気が含まれているため、わずかに潜熱を有している。上述した第２の熱交換器２を通過して温度上昇している海水と潜熱を有する蒸留水とを第３の熱交換器３にて熱交換することで、第２の流路１２を通過した海水を第１の飽和温度まで上昇させることができる。したがって、上述した加熱手段として第３の熱交換器３を用いることで、蒸留水の潜熱を利用してシステムＳ全体として熱量を効率よく利用することができる。
【００２９】
本発明でシステムＳ全体としての熱効率を高めるためには、分離器８にて、第１の流路１１に流す海水の流量と第２の流路１２に流す海水の流量との比率を蒸発器４における海水の蒸発率と濃縮率との比率と合致させ、混合器９に流入する第１の流路１１及び第２の流路１２からの海水の温度を第１の飽和温度に揃え、第２の飽和温度に熱交換温度差を加算して第３の飽和温度を求め、蒸留水が第３の飽和温度となるように蒸気を圧縮すればよい。
【符号の説明】
【００３０】
１ 第１の熱交換器
２ 第２の熱交換器
４ 蒸発器
５ 圧縮機
７ 海水供給流路
８ 分離器
９ 混合器
１１ 第１の流路
１２ 第２の流路
１３ 蒸留水還り流路
１４ 濃縮水還り流路
２０ 制御装置
２１ 分離率調整部
２２ 圧縮率演算部
２３ 温度差調整部
２４ 沸点上昇認識部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された海水が流通する海水供給流路と、
前記海水供給流路に配設された分離器及び混合器と、
前記海水供給流路の一部を形成し、前記分離器及び混合器の間に架け渡された第１の流路及び第２の流路と、
該第１及び第２の流路に配設された第１及び第２の熱交換器と、
前記海水供給流路の終端に形成され、前記海水の飽和温度である第１の飽和温度で前記海水を蒸発する蒸発器と、
該蒸発器によって発生した蒸気が流通し、前記蒸発器及び前記第１の熱交換器の順番で通過する蒸留水還り流路と、
前記蒸発器によって発生した濃縮水が流通し、前記第２の熱交換器を通過する濃縮水還り流路と、
前記蒸留水還り流路に配設され、前記蒸気を圧縮するための圧縮機と
を備えた海水の淡水化システムにおいて、
前記海水のうち前記蒸気となる割合を前記第１の流路に、前記濃縮水となる割合を前記第２の流路にそれぞれ流通させるために前記分離器での前記海水の分離率を調整する分離率調整部と、
前記蒸発器内での蒸発による前記海水の沸点上昇を認識し、沸点上昇後の前記海水の飽和温度である第２の飽和温度を認識するための沸点上昇認識部と、
該沸点上昇認識部にて認識された前記第２の飽和温度に予め定めた熱交換温度差の値を加算して前記蒸留水の飽和温度である第３の飽和温度を求め、前記蒸留水が前記第３の飽和温度となるような圧力を決定して前記圧縮機での圧縮率を定める圧縮率演算部と、
前記第１の熱交換器を通過した前記海水の温度が前記第１の飽和温度となるように調整する温度差調整部と
を有する制御装置と、
前記第２の熱交換器を通過した前記海水の温度を前記第１の飽和温度まで上昇させるための加熱手段とをさらに備えたことを特徴とする海水の淡水化システム。
【請求項２】
前記加熱手段は、前記蒸留水還り流路における前記蒸発器と前記第１の熱交換器との間に配設され、且つ前記第２の流路における前記第２の熱交換器と前記蒸発器との間に配設された第３の熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の海水の淡水化システム。
【請求項３】
海水を蒸発させるべき蒸発器まで通じ、且つ分離器にて分岐された第１の流路及び第２の流路を有する海水供給流路に海水を供給し、
前記分離器にて、前記第１の流路に流す前記海水と前記第２の流路に流す前記海水との分離率を前記蒸発器における前記海水の蒸発率と濃縮率との比率と一致させて前記第１及び第２の流路にそれぞれ流し、
前記海水供給流路に配設され、且つ前記第１及び第２の流路が合流する混合器に前記第１及び第２の流路からそれぞれ海水を流入するに際し、前記第１及び第２の流路にそれぞれ配設された第１及び第２の熱交換器を用いて前記海水の温度を海水の飽和温度である第１の飽和温度まで加熱し、
前記海水を前記蒸発器にて蒸発させて蒸気を含む蒸留水とし、
前記蒸発器内での蒸発によって沸点上昇を生じた後の前記海水の飽和温度である第２の飽和温度を認識し、
前記第２の飽和温度に予め定めた熱交換温度差の値を加算して前記蒸留水の飽和温度である第３の飽和温度を求め、
前記蒸留水が流通する蒸留水還り流路に配設された圧縮機にて前記蒸留水を前記第３の飽和温度となるまで圧縮し、
前記第３の飽和温度の前記蒸留水を前記蒸発器及び前記第１の熱交換器の順番に通過させて前記海水の蒸発及び加熱に用い、
前記蒸発器にて発生した濃縮水を濃縮水還り流路に流通させて前記第２の熱交換器での前記海水の加熱に用いることを特徴とする海水の淡水化方法。
【請求項１】
供給された海水が流通する海水供給流路と、
前記海水供給流路に配設された分離器及び混合器と、
前記海水供給流路の一部を形成し、前記分離器及び混合器の間に架け渡された第１の流路及び第２の流路と、
該第１及び第２の流路に配設された第１及び第２の熱交換器と、
前記海水供給流路の終端に形成され、前記海水の飽和温度である第１の飽和温度で前記海水を蒸発する蒸発器と、
該蒸発器によって発生した蒸気が流通し、前記蒸発器及び前記第１の熱交換器の順番で通過する蒸留水還り流路と、
前記蒸発器によって発生した濃縮水が流通し、前記第２の熱交換器を通過する濃縮水還り流路と、
前記蒸留水還り流路に配設され、前記蒸気を圧縮するための圧縮機と
を備えた海水の淡水化システムにおいて、
前記海水のうち前記蒸気となる割合を前記第１の流路に、前記濃縮水となる割合を前記第２の流路にそれぞれ流通させるために前記分離器での前記海水の分離率を調整する分離率調整部と、
前記蒸発器内での蒸発による前記海水の沸点上昇を認識し、沸点上昇後の前記海水の飽和温度である第２の飽和温度を認識するための沸点上昇認識部と、
該沸点上昇認識部にて認識された前記第２の飽和温度に予め定めた熱交換温度差の値を加算して前記蒸留水の飽和温度である第３の飽和温度を求め、前記蒸留水が前記第３の飽和温度となるような圧力を決定して前記圧縮機での圧縮率を定める圧縮率演算部と、
前記第１の熱交換器を通過した前記海水の温度が前記第１の飽和温度となるように調整する温度差調整部と
を有する制御装置と、
前記第２の熱交換器を通過した前記海水の温度を前記第１の飽和温度まで上昇させるための加熱手段とをさらに備えたことを特徴とする海水の淡水化システム。
【請求項２】
前記加熱手段は、前記蒸留水還り流路における前記蒸発器と前記第１の熱交換器との間に配設され、且つ前記第２の流路における前記第２の熱交換器と前記蒸発器との間に配設された第３の熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の海水の淡水化システム。
【請求項３】
海水を蒸発させるべき蒸発器まで通じ、且つ分離器にて分岐された第１の流路及び第２の流路を有する海水供給流路に海水を供給し、
前記分離器にて、前記第１の流路に流す前記海水と前記第２の流路に流す前記海水との分離率を前記蒸発器における前記海水の蒸発率と濃縮率との比率と一致させて前記第１及び第２の流路にそれぞれ流し、
前記海水供給流路に配設され、且つ前記第１及び第２の流路が合流する混合器に前記第１及び第２の流路からそれぞれ海水を流入するに際し、前記第１及び第２の流路にそれぞれ配設された第１及び第２の熱交換器を用いて前記海水の温度を海水の飽和温度である第１の飽和温度まで加熱し、
前記海水を前記蒸発器にて蒸発させて蒸気を含む蒸留水とし、
前記蒸発器内での蒸発によって沸点上昇を生じた後の前記海水の飽和温度である第２の飽和温度を認識し、
前記第２の飽和温度に予め定めた熱交換温度差の値を加算して前記蒸留水の飽和温度である第３の飽和温度を求め、
前記蒸留水が流通する蒸留水還り流路に配設された圧縮機にて前記蒸留水を前記第３の飽和温度となるまで圧縮し、
前記第３の飽和温度の前記蒸留水を前記蒸発器及び前記第１の熱交換器の順番に通過させて前記海水の蒸発及び加熱に用い、
前記蒸発器にて発生した濃縮水を濃縮水還り流路に流通させて前記第２の熱交換器での前記海水の加熱に用いることを特徴とする海水の淡水化方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２３９９６８（Ｐ２０１２−２３９９６８Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１１４５１（Ｐ２０１１−１１１４５１）
【出願日】平成２３年５月１８日（２０１１．５．１８）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１８日（２０１１．５．１８）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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