JP2007120811A - 吸収ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】精溜器の分離能力を有効に改善して、冷媒がアンモニアで吸収剤が水であり、ＧＡＸサイクルを実現することが出来る吸収ヒートポンプの提供。
【解決手段】吸収剤が水で冷媒がアンモニアであり、冷媒蒸気を再生する再生器１と、系外から熱エネルギーＱ_Ｌを取り入れて冷媒を蒸発する蒸発器２と、吸収剤が冷媒を吸収する吸収器３と、冷媒蒸気が凝縮する凝縮器４と、再生器１で発生した冷媒蒸気から吸収剤を分離する精溜器１１と、凝縮器４及び吸収器３を冷却する冷却水が流れる冷却水ラインＬｗとを備え、該冷却水ラインＬｗは、冷却水が精溜器１１を経由した後に凝縮器４と吸収器３を流れる様に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、大気が保有する熱量等の未利用エネルギーを低温熱源として利用する吸収ヒートポンプに関する。

従来技術に係るヒートポンプの例として、単効用増熱型ヒートポンプを図４で示す。
図４において、システム全体を符号４０で示す単効用増熱型ヒートポンプは、例えば、燃料ガス供給ラインＬｆから都市ガスが燃料として投入される再生器１と、系外から例えば空気熱Ｑ_Ｌを取り入れて冷媒を蒸発する蒸発器２と、吸収剤が冷媒を吸収する吸収器３と、冷媒蒸気が凝縮する凝縮器４とを備えている。

吸収器３及び凝縮器４は冷却水ラインＬｗによって冷却される。即ち、冷却水ラインＬｗを流過する冷却水は、吸収器３及び凝縮器４によって熱が投入され、昇温される様に構成されており、昇温された冷却水は給湯に供されている。
吸収器３と再生器１とは吸収溶液ラインの循環ポンプ５の介装されたラインＬ１及びラインＬ２によって接続され、そのラインＬ１とラインＬ２には溶液熱交換器６が介装され、ラインＬ２の吸収溶液の熱をラインＬ１の吸収溶液に投与する様に構成されている。
さらに、再生器１には精溜器１１が装備されており、気相冷媒（例えばアンモニア蒸気）から吸収剤蒸気（例えば水蒸気）を分離するとともに、ラインＬ１における溶液熱交換器６よりも吸収器３側の領域で、精溜器１１内の熱エネルギーを吸収器３から再生器１に向う吸収溶液に与え、吸収溶液を昇温する様に構成されている。

精溜器１１で発生した冷媒蒸気（例えばアンモニア蒸気）はラインＬ３を介して凝縮器４に流入し、凝縮器４内で凝縮して液相のアンモニアになり、更にこの液相のアンモニアはラインＬ４を介して蒸発器２に流入する。
蒸発器２内の液相のアンモニアは蒸発器２内で、大気からの熱エネルギーＱ_Ｌにより蒸発して冷媒蒸気（アンモニア蒸気）となって、ラインＬ５を介して吸収器３に流入し、吸収器３内で再生器１から戻った吸収溶液(吸収剤である水の比率が高いアンモニア溶液)に吸収される。そして、吸収剤の比率が減少した状態で、循環ポンプ５で再生器１に送られる。

図４の例では、蒸発器２では、上述した通り大気からの熱エネルギーＱ_Ｌにより液相冷媒を気化しているが、気化熱源としては大気からの熱エネルギーのみならず、河川、下水などの未利用エネルギーを汲み上げて用いることも可能なように構成されている。

係る単効用吸収ヒートポンプにおいて効率化を図る技術として、ＧＡＸサイクル（Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ａｂｓｏｒｂｅｒ Ｈｅａｔ ｅＸｃｈａｎｇｅ ｃｙｃｌｅ）と呼ばれる技術が存在する。

図３は、冷媒がアンモニアで吸収剤が水の単効用吸収ヒートポンプのサイクルを示している。
図３において、太い実線である直線Ａは冷媒であるアンモニア濃度が１００％の状態を示しており、細い実線Ｂは吸収剤である水１００％の状態を示している。
図３において、吸収液の循環系統（吸収器３及び再生器１、ラインＬ１、Ｌ２）における温度軸方向の幅（点Ｐｃ２と点Ｐｃ３を結ぶ線分の幅、及び、点Ｐｃ４と点Ｐｃ１点を結ぶ線分の幅）を、高温側（図３中右側）へ拡張したのがＧＡＸサイクルである。

図３においては、ＧＡＸサイクル（点Ｐｃ５、Ｐｃ６、Ｐｃ３、Ｐｃ４を結ぶ点線と、直線Ａとで表現されるサイクル）は点線で示されている。一方、通常のサイクルは実線で表現されている。なお、図３において、通常の単効用サイクルとＧＡＸサイクルで共通する部分は、実線と点線とを平行に書いて表現している。
通常のサイクル（実線のサイクル）と比較すれば明らかな様に、ＧＡＸサイクル（点線のサイクル）では濃度幅を広くとっているため、高効率化が実現できる。

しかし、ＧＡＸサイクルで高効率化されると、再生器出口（Ｐｃ５）から吸収器入口（Ｐｃ６）に至る部分が、水１００％ライン（図３の直線Ｂ）に近接してしまう。
再生器出口（Ｐｃ５）から吸収器入口（Ｐｃ６）に至る部分が、水１００％ラインＢに近接してしまうことは、精溜器１１で気相冷媒（アンモニア蒸気）から吸収剤蒸気（水蒸気）を分離するのが困難であることを意味している。
すなわち、ＧＡＸサイクルで高効率化するためには、精溜器１１の分離性能を向上させて、気相冷媒（アンモニア蒸気）から吸収剤蒸気（水蒸気）を分離する能力を向上させてやる必要がある。

これに対して、従来、精溜器の分離能力を有効に改善する手法が提供されておらず、そのため、冷媒がアンモニアで吸収剤が水の単効用吸収ヒートポンプでは、ＧＡＸサイクルで高効率化することが困難であった。

ここで、精溜器の分離能力を有効に改善するために、吸収冷凍機で得られた冷水を用いて精溜器を冷却することが考えられるが、精溜器を加熱した後に昇温した冷水の使い途が無くなるので、吸収冷凍機を使用する事自体が無意味である。

その他の従来技術として、例えば、大気温度が低く大気熱交換用循環水が十分に加熱されない場合に凝縮熱により大気熱交換用循環水を加熱し、大気温度が高く大気熱交換用循環水が十分に冷却されない場合に気化熱により大気熱交換用循環水を冷却する吸収ヒートポンプシステムが提案されている（特許文献１）。
しかし、係る従来技術は気温が低い場合にも確実に暖房運転を実行し、且つ、気温が高くても確実に冷房運転を実行することを目的としており、精溜器の分離能力を有効に改善するものではなく、上述した問題点を解消しない。
特開２００５−７７０３７号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、精溜器の分離能力を有効に改善して、例えば冷媒がアンモニアで吸収剤が水の単効用吸収ヒートポンプで、ＧＡＸサイクルを実現して高効率化することが出来る吸収ヒートポンプの提供を目的としている。

本発明の吸収ヒートポンプは、冷媒蒸気を再生する再生器（１）と、系外から熱エネルギー（空気熱等の未利用エネルギーＱ_Ｌ）を取り入れて冷媒を蒸発する蒸発器（２）と、吸収剤が冷媒を吸収する吸収器（３）と、冷媒蒸気が凝縮する凝縮器（４）と、再生器（１）で発生した冷媒蒸気から吸収剤を分離する精溜器（１１）と、凝縮器（４）及び吸収器（３）を冷却する冷却水が流れる冷却水ライン（Ｌｗ）とを備え、該冷却水ライン（Ｌｗ）は、冷却水が精溜器（１１）を経由した後に凝縮器（４）と吸収器（３）を流れる様に配置されていることを特徴としている（請求項１：図１）。
ここで、例えば、吸収剤は水で冷媒がアンモニアであり、或いは、冷媒がフッ化アルコールで吸収剤が有機吸収剤である。

凝縮器（４）と吸収器（３）を冷却する以前の冷却水に対して再生器（１）から排出された排気ガスが保有する熱量を投入する熱交換器（７：潜熱回収熱交換器）を備えているのが好ましい（請求項２：図２）

本発明は、単効用サイクルに限定される。ＧＡＸサイクルは単効用でないと実現が困難だからである。

上述する構成を具備する本発明によれば、冷却水ライン（Ｌｗ）は、冷却水が精溜器（１１）を経由した後に凝縮器（４）と吸収器（３）を流れる様に配置されているので（請求項１）、温度の低い上水により精溜器（１１）が冷却されて、精溜器（１１）における冷却性能が向上する。
精溜器（１１）の冷却性能が向上する結果として、再生器（１）出口（図３のＰｃ５）から吸収器（３）入口（図３のＰｃ６）に至る部分が、水１００％ライン（図３の線Ｂ）に近接していても、精溜器（１１）において気相冷媒（例えば、アンモニア蒸気）から吸収剤蒸気（例えば、水蒸気）が確実に分離される。
その結果、ＧＡＸサイクルを実現することが可能となり、濃度幅の広いＧＡＸサイクルを実現することによって、吸収ヒートポンプを高効率化することが可能となる。

本発明において、凝縮器（４）と吸収器（３）を冷却する以前の冷却水に対して再生器（１）から排出された排気ガスが保有する熱量を投入する熱交換器（７：潜熱回収熱交換器）を備えれば（請求項２）、再生器（１）で燃焼した後の都市ガス等の排ガスが保有する熱量を上水の加熱に有効利用できるので、燃料利用効率が向上する。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
先ず、図１のブロック図に基づいて第１実施形態を説明する。
システム全体を符号１０１で示す吸収ヒートポンプは、例えば、燃料ガス供給ラインＬｆによって都市ガスが燃料として投入される再生器１と、系外から例えば空気熱Ｑ_Ｌを取り入れて冷媒を蒸発する蒸発器２と、吸収剤（図示の例では水）の比率が高い吸収溶液（図示の例ではアンモニア水溶液）が冷媒（図示の例ではアンモニア）を吸収する吸収器３と、冷媒蒸気が凝縮する凝縮器４とを備えている。
尚、図示の例では、蒸発器２は空気熱Ｑ_Ｌによって蒸発を促進しているが、空気熱のみならず、河川、下水などの未利用エネルギーを汲み上げて用いることも可能である。

吸収器３と再生器１とは吸収溶液ラインであって循環ポンプ５の介装されたラインＬ１及びラインＬ２によって吸収溶液が循環する様に接続されている。ラインＬ１とラインＬ２には溶液熱交換器６が介装されており、溶液熱交換器６ではラインＬ２の吸収溶液の熱をラインＬ１の溶液に投与する様に構成されている。
さらに、再生器１には、精溜器１１が装備されており、再生器１で発生した冷媒蒸気（アンモニア蒸気）から吸収剤（水蒸気）を分離している。

蒸留器１１、凝縮器４及び吸収器３は冷却水ラインＬｗによって冷却される様に構成されている。すなわち、冷却水ラインＬｗは図示しない上水道から上水（冷却水）が、先ず、蒸留器１１を経由し、凝縮器４、吸収器３の順に流過して、蒸留器１１、凝縮器４、吸収器３から熱を投与され、昇温された冷却水（温水）は給湯に供される。

精溜器１１で発生した冷媒蒸気（アンモニア蒸気）はラインＬ３によって凝縮器４に至り、凝縮器４内で凝縮して液相のアンモニアになり、更にこの液相のアンモニアはラインＬ４で蒸発器２に入る。
蒸発器２内の液相のアンモニアは、蒸発器２内で（例えば、空気熱Ｑ_Ｌにより）蒸発して冷媒蒸気（アンモニア蒸気）となり、ラインＬ５を介して吸収器３に流入する。吸収器３内では、再生器１から戻った吸収溶液（吸収剤である水の比率が高い吸収溶液）に吸収される。そして、吸収剤である水の比率が低くなった常態の吸収溶液は、循環ポンプ５で再生器１に送られる。

第１実施形態の吸収ヒートポンプ１０１では、冷却水ラインＬｗは先ず精溜器１１を経由してから、凝縮器４、吸収器３を経由する。そして、冷却水ラインＬｗを流れる冷却水は、凝縮器４及び吸収器３で加熱され昇温する以前の温度の低い状態で、精溜器１１で熱交換が為されるので、温度の低い上水により精溜器１１が冷却されることとなる。そして、温度の低い上水で冷却されるため、精溜器１１内における冷却性能が向上し、気相の吸収剤である水蒸気が確実に凝縮して再生器１内に落下し以って冷媒蒸気から分離されるので、吸収剤と冷媒との分離性能が向上する。

精溜器１１における吸収剤と冷媒蒸気との分離性能が向上する結果として、図３のＰＴ線図において、再生器１出口（Ｐｃ５）から吸収器３入口（Ｐｃ６）に至る部分（Ｐｃ５とＰｃ６とを結ぶ点線部分）が、水１００％ライン（図３のＢ）に近接していても、精溜器１１において気相冷媒（アンモニア蒸気）から吸収剤蒸気（水蒸気）が確実に分離される。
そのため、図３の点線で示す濃度幅の広いＧＡＸサイクルが実現可能となり、吸収ヒートポンプの高効率運転が可能となる。

凝縮器４及び吸収器３を冷却するのは、精溜器１１を冷却して加熱された冷却水であるが、冷媒がアンモニアで吸収剤が水の場合には、吸収器３において吸収剤が結晶化すること（晶析）は無いので、冷却水が精溜器１１で加熱されても問題は生じない。

ここで、ＧＡＸサイクルは単効用でないと実現が困難なので、図１で示す吸収ヒートポンプ１０１はあくまでも単効用であり、二重効用タイプではない。

次に、図２のブロック図に基づいて第２実施形態の吸収ヒートポンプ１０２を説明する。
図２の第２実施形態は、図１の第１実施形態に対して、冷却水ラインＬｗにおける上流側に潜熱回収熱交換器７を介装した実施形態である。
燃料ガス供給ラインＬｆから再生器１に投入された燃料の燃焼排ガス（再生器１に設けた排ガスラインＬｇを流過する）が保有する熱量を、精溜器１１に供給される以前の（冷却水ラインＬｗを流れる）冷却水に投入する様に構成されている。

従来の吸収ヒートポンプでは燃料の燃焼排ガスが凝縮することにより再生器１が腐食することを防止するため、燃料の燃焼排ガスが再生器１から出る温度は高温であり、高温の燃焼排ガスはそのまま系外に排出されていた。すなわち、高温の燃焼排ガスが保有する熱エネルギーは、何等利用されること無く廃棄されていた。
図２の第２実施形態では、システムを潜熱回収部（図２の線Ｚの上方側）と吸収ヒートポンプ部（図２の線Ｚの下方側）とに分ける様に構成して、潜熱回収部に潜熱回収熱交換器７を設けることにより、再生器１１で燃焼した後の都市ガス等の排ガスが保有する熱を上水の加熱に有効利用出来る。

従って、その分、従来廃棄されていた熱エネルギーの分だけ、吸収ヒートポンプの燃料利用効率が向上する。しかも、再生器１を出る際における燃料の燃焼排ガス温度は低下させる必要が無いので、再生器１の腐食の恐れも無い。
その他の構成及び作用効果は、図１の第１実施形態と同様である。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。

本発明の第１実施形態の全体構成を示したブロック図。 本発明の第２実施形態の全体構成を示したブロック図。 水を吸収溶液に、アンモニアを冷媒としたヒートポンプサイクルを説明する圧力−温度線図。 従来技術の吸収ヒートポンプの全体構成を示したブロック図。

符号の説明

１・・・再生器
２・・・蒸発器
３・・・吸収器
４・・・凝縮器
５・・・循環ポンプ
６・・・溶液熱交換器
７・・・潜熱回収熱交換器
１１・・・精溜器
Ｌ１、Ｌ２・・・吸収溶液ライン
Ｌｆ・・・燃料ガス供給ライン
Ｌｗ・・・冷却水ライン

Claims (2)

1. 冷媒蒸気を再生する再生器と、系外から熱エネルギーを取り入れて冷媒を蒸発する蒸発器と、吸収剤が冷媒を吸収する吸収器と、冷媒蒸気が凝縮する凝縮器と、再生器で発生した冷媒蒸気から吸収剤を分離する精溜器と、凝縮器及び吸収器を冷却する冷却水が流れる冷却水ラインとを備え、該冷却水ラインは、冷却水が精溜器を経由した後に凝縮器と吸収器を流れる様に配置されていることを特徴とする吸収ヒートポンプ。
2. 凝縮器と吸収器を冷却する以前の冷却水に対して再生器から排出された排気ガスが保有する熱量を投入する熱交換器を備えている請求項１の吸収ヒートポンプ。

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