JPH0564703A

JPH0564703A - 凝縮器

Info

Publication number: JPH0564703A
Application number: JP22917091A
Authority: JP
Inventors: Koichi Chino; 千野耕一; Tsutomu Baba; 務馬場; Toshio Sawa; 俊雄澤; Kiyomi Funabashi; 船橋清美
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-09-09
Filing date: 1991-09-09
Publication date: 1993-03-19

Abstract

(57)【要約】【目的】低い温度差であっても高い伝熱効率で蒸気を
凝縮し得る凝縮器を提供する。特に、火力又は原子力発
電所の温排水からの蒸留法による純水製造設備における
蒸気凝縮器として好適。【構成】発電所の復水器２からの温排水を減圧室５で
蒸発させ、疎水性多孔膜式の水滴除去室６で水滴を除去
した蒸気は凝縮器８で凝縮して純水になる。凝縮器８
は、内面を親水化した有機材（例、ポリスルホン）製の
無孔中空糸の束を伝熱管としており、中空糸の中を通る
蒸気は外側を流れる海水で冷却されて凝縮する。【効果】単位体積当りの伝熱管面積を大きくでき且つ
伝熱管を薄肉にできるので、伝熱効率が良く、小型で高
効率の凝縮器が得られる。従って、低い温度差で働く純
水製造設備用の凝縮器として好適である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は蒸気を凝縮して液にする
ための凝縮器に係り、例えば原子力発電所又は火力発電
所で発生する温排水に含まれる熱エネルギーを利用して
温排水を蒸留して純水を製造する純水製造設備における
水蒸気凝縮用として好適に用いられる凝縮器に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電所では、原子炉１基あたり１
０００ｔｏｎ／ｄａｙほどの純水を利用している。発電
所に近接して河川が存在する場合には、河川を精製して
純水を製造しているが、近くに多量の淡水が得られない
場合には、海水を淡水化している。この淡水化方式に主
として用いられている方式には、蒸留法や多段フラッシ
ュ蒸留法、イオン交換膜法、逆浸透膜法がある。

【０００３】蒸留法は、海水を加熱して水蒸気に相変化
させて、この水蒸気を凝縮器で凝縮することで淡水化す
るものである。海水に含有する塩類の蒸発温度は水の蒸
発温度に比較して高いので、水蒸気に含まれる塩類の濃
度は海水濃度の１万分の１程度に低減できるので、この
蒸気を凝縮すると塩濃度が低い淡水が得られる。

【０００４】多段フラッシュ蒸留法は、蒸留法の一種で
あるが、水蒸気の凝縮に用いる冷却水の温度が蒸気を凝
縮する過程で上昇することに着目して、この冷却水とし
て用いる海水を沸騰圧力以下に低下させることにより冷
却水の一部を蒸発させ、更に、この発生した水蒸気を凝
縮させるのに用いた冷却水を、圧力を低下させて蒸発さ
せる。このように蒸発を多段で実施し、各段で発生した
水蒸気は集められて最終的に凝縮器で凝縮され、淡水と
なる。この多段フラッシュ蒸留法は、１段で全量を蒸発
させる方式と比較して、同一量の淡水を得るのに必要な
熱エネルギーを、大幅に減少することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】蒸留法または多段フラ
ッシュ蒸留法では、以下のような問題が存在する。すな
わち、蒸気を凝縮させる前記凝縮器に必要な伝熱管の面
積は冷却水と蒸気との温度差に反比例して増加する。冷
却材として用いる海水と蒸気との温度差が低いので、前
記凝縮器の大きさが膨大となり、このため純水の製造費
用が高価になる。

【０００６】よって、本発明の広義の目的は、同じ大き
さの従来の凝縮器と比較して、伝熱効率が遥かに優れた
凝縮器を提供することにあり、また、より特定的な目的
は、この凝縮器を蒸留法による純水製造設備の凝縮器と
して用いることにより純水製造コストを下げることを可
能にすることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的の達成のため、
本発明は、特許請求の範囲の各請求項に記載の凝縮器を
提供するものである。

【０００８】

【作用】一般に伝熱管を有する凝縮器における凝縮熱伝
達では、蒸気と伝熱管との熱伝達率が高いので、熱伝達
は伝熱管の熱伝導で律速される。従来は伝熱管が金属製
であり、海水で冷却する場合には、耐食性の観点から、
金属としては熱伝導率の悪いステンレスを用いる例が多
い。金属伝熱管の場合には、加工性の点から伝熱管の肉
厚は少なくとも数ｍｍと厚くなり、このため凝縮器全体
の熱交換器の形状が大きくなる。これに対して本発明の
如く、有機材製の無孔質中空糸を伝熱管に用いると、加
工性が良いために伝熱管の肉厚を０．１ｍｍほどまで薄
くできる上に、伝熱管の外径を１ｍｍ以下にできるため
に、同一体積での伝熱面面積が大きくできる。上記のよ
うに中空糸を凝縮器の伝熱管として用いると、単位体積
当たりの伝熱面積が大きくなる上に、伝熱管の肉厚を薄
くすることができ、伝熱面面積当たりの熱流束が大きい
ので、凝縮器の熱交換器が大幅に小型化できる。

【０００９】

【実施例】原子力発電所または火力発電所から発生する
温排水の熱エネルギーを利用して純水を生成する装置に
本発明を実施した実施例を図１を用いて以下に説明す
る。原子炉又はボイラーで発生した高温の蒸気は、ター
ビン１を回転させて電気を発生させた後、復水器２によ
り凝縮されて水に戻る。この復水器２に用いる冷却水と
しては、海岸に立地した発電所では、海水が利用されて
いる。この復水器での冷却用に使用されて温度が上昇し
た海水（温排水）が保有する熱エネルギーを利用して純
水の製造を行う。

【００１０】先ず、温排水の一部をポンプ３により分岐
して、ノズル４により細かい水滴に分散して減圧室５に
注入して、沸点が温排水の温度以下になるように、雰囲
気圧力を低下させる。熱伝導の速度は球径の２乗に反比
例するので、細かな水滴化をすることで、水滴は中心ま
で雰囲気の飽和圧力に相当する温度に低下する。この温
度低下量に対応する熱エネルギーが放出されて、水滴の
一部が蒸発して水蒸気となる。水滴同志が衝突すると合
体してその球径が大きくなるが、水滴の球径が小さいほ
ど伝熱効果が良いので、水滴同志の衝突はできるだけ少
ない方が良い。そこで、減圧室５の上部に設けるノズル
４は、相互間の距離が同一になるように、三角格子状に
配列する。

【００１１】温排水の温度と沸騰温度の差が２℃である
とき、ノズル４から流出する水滴の０．３７％が蒸気に
相変化する。今、必要な純水量を１０００ｔｏｎ／日と
して、これを２０時間の運転で生成する場合には、減圧
室５で水滴化すべき水量は毎時約１４０００ｔｏｎとな
る。ノズル４の内径を２ｍｍとし吐出圧力を２ＭＰａと
すると、流出量は実験結果より約０．５ｔｏｎ／ｈとな
るので、必要なノズル４の数は２８，０００本となる。
これを１００ｍｍ間隔で三角格子状に配列すると、減圧
室５は約１６ｍ角で、高さ３ｍほどの規模となる。この
様に減圧室５は大型の負圧容器になるので、内部に梁を
設けて外圧に耐える構造とする。梁を用いる代わりに、
複数の減圧室に仕切ることも可能である。

【００１２】減圧室５で発生した蒸気は水滴除去室６へ
排出され、残りの水滴は減圧室５の下部に溜り、Ｕシー
ル７を経由して海洋へ放出される。Ｕシール７部の途中
に逆止弁７′を設けることで、流出量の変動により減圧
室５の液面が周期的に変化して減圧室５内部の圧力が変
動するのを防止する。減圧室５で発生した蒸気は減圧室
５の上部の出口より水滴除去室６に排出される。出口を
上部に設けたのは、蒸気に含有する水滴量をできるだけ
少なくするためである。

【００１３】水滴除去室は６は、ポリスルホンやポリテ
トラフロルエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリ
イミド、ポリアクリロニトリル等の水を弾く性質がある
疎水性で微細な細孔を有する膜（疎水性多孔膜）を用い
て、蒸気から水滴を除去するものである。すなわち、疎
水性多孔膜に水滴を含む蒸気流を接触させると、蒸気は
膜を透過するが、細孔径より球径が大きい水滴は膜を透
過しない。一般に蒸気流内では、小さな水滴同志は衝突
合体して次第に球径が増大するので、球径が１μｍ以下
の水滴はほとんど存在しない。したがって、細孔質が１
μｍ以下の膜を用いると、水滴を除去することが可能で
あり、膜を透過した蒸気を凝縮させて得られる処理液
は、そのまま純水として発電所内で使用することができ
る。

【００１４】疎水性多孔膜を透過する蒸気流量につい
て、膜前後の圧力差を１０ｋＰａで実験した結果を図２
に示す。蒸気流量は膜の細孔径（膜孔径）の２乗に反比
例することを見出した。また、同一の細孔径の膜で実験
すると蒸気流量は膜前後の圧力差に比例することを見出
した。これらの蒸気流量に対する影響因子の定性的な関
係は、円管を流れる粘性流と同一である。この原因は、
細孔径が小さいために細孔壁の面積が大きくなり、細孔
壁と蒸気流との粘性摩擦が流量を左右する支配因子にな
っているためである。したがって、膜素材が蒸気流量へ
およぼす影響、それほど大きくはない。いま、大部分の
水滴が除去できる１μｍの細孔径を有する疎水性多孔膜
を用い、膜前後の圧力差を図２の実験より１桁小さい１
ｋＰａとした場合には、蒸気の透過量は毎時約０．０２
ｔｏｎとなる。要求される純水の生成量が毎時５０ｔｏ
ｎ（１０００ｔｏｎ／ｄａｙに相当）なので、必要な膜
面積は２５００ｍ²となる。

【００１５】このような大きな膜面積を得るためには水
滴除去室６内に設ける膜の構造は図３、図４に示す積層
膜エレメント構造とし、これにより、水滴除去室６を小
型化する。この積層膜エレメントは、ＰＴＦＥ膜よりな
る中空円盤１３の中にスペーサ１２を挿入し、この円盤
１３を中心の円管１４に連通する様に多数積み重ねて１
体に結合し、１端を端板１５の出口穴１６に結合したも
のである。蒸気は水滴除去室６に流入すると、積層膜エ
レメントの外から円盤１３の間の間隙に流れ込み、更に
円盤１３の膜の外側から内部に透過し、スペーサ１２部
分を通って、中心の円管１４に流入し、端板１５の出口
穴１６から流出する。エレメントの円盤１３が垂直に設
けられているので、膜面で除去された水滴は膜の疎水性
により弾かれながら、重力により水滴除去室６の下部に
集められる。水滴除去室６では蒸気は上部から注入し、
できるだけ流れを下降流とすることで、膜面を流下する
液膜の移動を加速する。このような積層膜エレメントの
採用により、水滴除去室１ｍ³ 当たり面積５０ｍ²の膜
を吸収することが可能となるので、水滴除去室６は８ｍ
角の大きさでよい。

【００１６】水滴除去室６で分離した水滴は、Ｕシール
６′を通して元の減圧室５に戻す。また、蒸気は凝縮器
８に移送する。本実施例では水滴除去室６を小型化する
ために積層型の膜エレメントを使用したが、この他にも
スパイラル型や中空糸膜を用いる方式も考えられる。積
層型のエレメントは一定期間毎に薬剤で洗浄した後で、
乾燥空気により乾燥する。

【００１７】凝縮器８は有機材製の無孔質の中空糸の多
数本よりなる中空糸モジュール９を備えている。この無
孔中空糸は例えばポリスルホン、ポリテトラフロルエチ
レン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリイミド、ポリア
クリロニトリル等の材質で出来ている。各中空糸は内面
を親水化してあることが好ましい。例えば、上記材質の
うちＰＴＦＥを除いた中空糸を親水化処理したものを用
いてよい（ＰＴＦＥは疎水性が非常に強いので親水化に
は適さない。）本実施例では、各中空糸は外径が３ｍ
ｍ、内径が２ｍｍであって、孔の無い親水化されたポリ
スルホン製である。この中空糸を相互間に間隙を設けて
多数本束ねたモジュール９は、上下をフランジで凝縮器
８に固定してある。この中空糸の外部を冷却する海水
は、ステンレス製の網状のフィルターにより固形物を除
去した後、凝縮器８を通る。蒸気は各中空糸の中に上部
より流入し、中空糸を伝熱管として海水により冷却さ
れ、中空糸の内面に凝縮水が液膜を形成する。この凝縮
水は重力と中空糸内部を下降する蒸気流の粘性力によ
り、中空糸膜面を流下して凝縮器下部に溜る。伝熱管と
なる中空糸の肉厚が薄いので、伝熱管と内面側の蒸気と
の凝縮熱伝達率は大きくなり、中空糸外面と海水との層
流熱伝達が伝達の律速過程となる。海水は凝縮器８に下
部から注入し、オーバーフローで上部から流出させる。
これにより、海水側における自然対流効果による伝熱の
促進を図ると共に、中空糸の下部を最も低温にすること
により中空糸の流路方向での温度差を一定にすることで
伝熱効率の向上を図る。凝縮器８の下部は真空ポンプ１
０に接続する。この真空ポンプが減圧室５、水滴除去室
６および凝縮室８よりなる系全体を減圧している。減圧
室５において温排水を減圧したときに、海水に溶存して
いた空気は蒸気に混入して系全体の圧力を上昇させる
が、この空気を真空ポンプ１０で排出することで、系内
の圧力を一定に保つ。真空ポンプ１０を凝縮器８の下部
に接続することで、凝縮器８は下部の方が圧力が低くで
きる。したがって、仮に凝縮器８内の中空糸内部の全断
面が凝縮水で満たされた場合でも、この圧力差によって
凝縮水は中空糸から排出できる。凝縮器８下部に流下し
た凝縮水は純水であり、ポンプ１１により貯蔵タンクに
移送される。

【００１８】この凝縮器８の寿命は、海水に含まれる微
生物の作用による劣化が支配因子である。そこで、１日
の間に運転を停止している時間に海水の入口を閉鎖し
て、凝縮器８内の海水の塩素濃度が２ｐｐｍになるよう
に、塩素ガスを吹き込む。この塩素の殺菌作用により、
膜面における微生物の成長を抑制することができる。本
実施例では小型の凝縮器の採用により、温排水から純水
の製造が可能となり、従来は海洋に放出していた熱エネ
ルギーの有効活用が可能となった。

【００１９】

【発明の効果】本発明の凝縮器は、伝熱管として無孔質
の有機材製中空糸を伝熱管として用いるので、伝熱管を
肉薄にでき、且つ単位体積当りで見て伝熱面面積を大き
くできるので、伝熱効率が非常に良い。この凝縮器は、
海水との温度差が低い発電所の温排水からの蒸留法によ
る純水製造設備の水蒸気凝縮器として用いることによ
り、設備の大幅なコスト低減が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の凝縮器を用いた温排水からの純水製造
設備の例を示す図。

【図２】疎水性多孔質膜の蒸気流量の実験結果の図。

【図３】積層型エレメントの斜視図。

【図４】積層型エレメントの断面図。

【符号の説明】

１…タービン２…復水器５…減圧室６…水滴除去室８…凝縮器９…中空糸モジ
ュール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者船橋清美茨城県日立市森山町1168番地株式会社日立製作所エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】相互に間隙を置いて配置された有機材製
の無孔質中空糸の多数本を具備し、各中空糸を伝熱管と
して、これを介して、その一方の側に蒸気を、他方の側
に冷却用液を流すように構成したことを特徴とする凝縮
器。
【請求項２】各中空糸は内面が親水性化されており、
蒸気を各中空糸の内側に、冷却用液を各中空糸の外側に
流す様に構成した請求項１の凝縮器。
【請求項３】前記蒸気は蒸留法または多段蒸留法によ
る純水製造設備における水滴除去後の水蒸気である請求
項１または２の凝縮器。