JP2009068816A - 吸収式冷凍機 - Google Patents

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Abstract

【課題】蒸発器と吸収器を2組備えた2段蒸発吸収サイクルにおいて、サイクルの熱交換温度差を有効に利用して大きな汲み上げ温度差が得られる吸収式冷凍機を提供する。
【解決手段】ほぼ垂直に設置した複数の伝熱管の外面に溶液を流下し冷媒蒸気を吸収する吸収器を構成し、伝熱管の内面に冷媒を流下させて管外面の吸収熱を奪う蒸発器を構成するとともに、高温蒸発器の冷媒タンクの仕切り高さを低温蒸発器の冷媒タンクの仕切り高さより低くして高温蒸発器の冷媒蒸気の流動抵抗を小さくし、大きな汲み上げ温度差が得られるようにした。
【選択図】図1

Description

本発明は、2組の蒸発器と吸収器を有し、高圧側の蒸発器によって低圧側の吸収器を冷却する構成とした2段蒸発吸収冷凍機に関する。
背景技術として特許文献1の公知技術が挙げられる。この特許文献1では、2組の蒸発器と吸収器が設置され、高温側の蒸発器で低温側の吸収器を冷却する構成となっている。低温側吸収器から高温側蒸発器への熱輸送は、ヒートパイプ23を用いた実施例と、高温側蒸発器の液冷媒を低温側吸収器の伝熱管内に循環させて吸収熱を奪い高温側蒸発器内でフラッシュ蒸発させる実施例が示されている。また、低温側の蒸発器の液冷媒を散布する冷媒ポンプの吸込配管と高温側蒸発器の下部とを連通する配管の構成が示されている。
また、他の背景技術として、特許文献2の公知技術が挙げられる。特許文献2では、2組の蒸発器と吸収器が設置され、高温側蒸発器11と低温側吸収器22は伝熱面81を介して隣接しており、低温側吸収器の吸収熱を高温側蒸発器に直接伝える構成となっている。また、高温蒸発器の冷媒は冷媒ポンプにより高温蒸発器の伝熱面に散布されるとともに、冷媒ポンプの吐出配管から分岐して低温蒸発器に送られる構成となっている。
特開平7−139844号公報 特開2000−227262号公報
特許文献1の公知技術では、低温側吸収器から高温側蒸発器への熱輸送に、ヒートパイプ23による熱輸送あるいは液冷媒の顕熱による熱輸送を行っているために、熱交換温度差が大きくなり、その分サイクルの汲み上げ温度差が小さくなるという欠点があった。
これに対して、特許文献2の公知技術では、高温側蒸発器11と低温側吸収器22は伝熱面81を介して隣接しており、低温側吸収器の吸収熱を高温側蒸発器に直接伝える構成となっており、熱交換温度差を小さくして、サイクルの汲み上げ温度差を大きくすることができる。しかし、高温側蒸発器11から高温側吸収器21への蒸気の流動抵抗については配慮がなされていない。即ち、高温側蒸発器の表面から発生する蒸気は上昇しようとするが、散布装置があるため上方への蒸気の抜けが悪く流動抵抗が大きくなる。この抵抗が大きいと、高温側吸収器での蒸気の吸収効率が悪くなり高温側吸収器と高温側蒸発器の温度差を大きく出来なくなる恐れがある。
また、冷媒ポンプ61、62が低温側蒸発器12と高温側蒸発器11の両方に設置されており、ポンプ台数が増加してコストが上昇するとともに、電力消費量も増加するという不具合点があった。さらに、低温側吸収器と高温側吸収器の両方に設置されており、ポンプ台数が増加してコストが上昇するとともに、電力消費量も増加するという不具合点があった。
本発明の目的は、蒸発器と吸収器を2組備え、高温側の蒸発器で低温側の吸収器を冷却する構成とすることにより、汲み上げ温度差を大きくして、低温度の駆動熱源でも低い温度の冷熱が得られる2段蒸発吸収サイクルにおいて、サイクルの熱交換温度差を有効に利用して大きな汲み上げ温度差が得られる吸収式冷凍機を提供することである。逆に同等の汲み上げ温度差を得るのに必要な伝熱面積を小さくして、小型で低コストな吸収式冷凍機を提供することである。また、本発明の他の目的は、サイクルの媒体を循環するためのポンプ台数を削減して冷凍機のコストを削減しエネルギー効率の向上を可能とする吸収式冷凍機を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明においては、低温吸収器をほぼ垂直に設置した複数の伝熱管の外面に構成して低温蒸発器と蒸気通路で接続し、高温蒸発器をほぼ垂直に設置した前記複数の伝熱管の内面に構成して高温吸収器と蒸気通路で接続し、高温蒸発器の下部に配置した冷媒タンクと低温蒸発器の下部に配置した冷媒タンクを連通管で連通するとともに、高温蒸発器から高温吸収器への蒸気通路の下端部の高さを、低温蒸発器から低温吸収器への蒸気通路の下端部の高さよりも低くしている。
また、上記の目的を達成するために、本発明においては、高温蒸発器で蒸発した冷媒蒸気をほぼ垂直な複数の伝熱管の上下の開口から流出させ、高温吸収器へ導く構成としている。
さらに、上記の目的を達成するために、本発明においては、低温蒸発器と高温蒸発器の2ヶ所の蒸発器への液冷媒の供給を同一の冷媒ポンプで行うように構成している。また、再生器からの溶液を吸収器へ送る配管に溶液ポンプを設置し、この溶液ポンプの吐出側配管を分岐して、一方は高温吸収へ、他方は低温吸収器へ接続するように構成している。
本発明によれば、低温吸収器と高温蒸発器の間の熱交換温度差を小さくするとともに、高温蒸発器から高温吸収器までの蒸気流動抵抗を小さくすることができ、汲み上げ温度差を増加させることができる。
また、本発明によれば、冷媒ポンプ及び溶液ポンプの台数を削減して冷凍機のコストを低減するとともに、冷凍機のエネルギー効率を向上することができる。
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
図1は本発明の吸収式冷凍機の一実施例を示すサイクル系統図である。吸収式冷凍機は、再生器1、凝縮器2、高温吸収器3、高温蒸発器4、低温吸収器5、低温蒸発器6、溶液熱交換器71、72、溶液ポンプ14、34、54、冷媒ポンプ64などを備えている。ここで、冷媒は水で、溶液は蒸発した水を吸収する臭化リチウム水溶液である。
再生器1内には伝熱管11が備えられており、伝熱管11の上部には溶液散布装置12が配置されている。凝縮器2の内部には伝熱管21が備えられており、再生器1と凝縮器2は蒸気通路13で接続されている。再生器1の底部は溶液ポンプ14と溶液熱交換器71を介して高温吸収器3の上部に設けられた溶液散布装置32と配管で接続されている。
高温吸収器3の内部には伝熱管31が配置されており、下部は溶液タンク33となっている。溶液タンク33の底部は、溶液ポンプ34、溶液熱交換器72を介して低温吸収器5の上部に設けられた溶液散布装置52と配管で接続されている。
図1、図3に示すように、高温蒸発器4はほぼ垂直に配置された伝熱管41の内面に構成されており、上部は冷媒散布装置42に開口し、蒸気通路48、エリミネータ46を介して高温吸収器3と接続される。伝熱管41の下部は冷媒タンク43に開口し、蒸気通路47、エリミネータ46を介して高温吸収器3と接続される構成となっている。冷媒タンク43と溶液タンク33は仕切り45で仕切られている。冷媒タンク43の底部は、絞り22を介して凝縮器2の底部と配管で接続されるとともに、連通管44を介して低温蒸発器6の下部に配置された冷媒タンク63と接続されている。
低温吸収器5は前記伝熱管41の外面に構成されており、上部には伝熱管41が貫通し、まわりから伝熱管41の外面に溶液を供給する溶液散布装置52が備えられており、下部には溶液タンク53が配置されている。溶液タンク53の底部は溶液ポンプ54、溶液熱交換器72、71を介して、高温再生器1の上部に設けられた溶液散布装置12と配管で接続されている。
図3で高温蒸発器4と低温吸収器5における作動流体の流れを説明する。高温蒸発器4および低温吸収器5は複数の伝熱管41で構成されるが、本図では1本の伝熱管について説明する。
高温蒸発器4の冷媒散布装置42にはポンプ64から開口部49を通って液冷媒が送られ、伝熱管41の上部の開口部から管41の内壁に沿って流下し、その後冷媒タンク43に集められる。液冷媒は伝熱管41の内壁に沿って流下する間に、管41の外壁を流下する溶液からの吸収熱を受けて蒸発する。蒸発した冷媒蒸気は伝熱管41の上部の開口、溶液散布装置42、蒸気通路48を通る経路と、伝熱管41の下方の開口、蒸気通路47を通る経路の2つの経路から高温吸収器3へ送られる。
低温吸収器5の溶液散布装置52にはポンプ34から開口部55を通って溶液が送られ、伝熱管41が貫通する開口穴と伝熱管41の外壁との隙間56から管外41の外壁に沿って流下し、溶液タンク53に集められる。溶液は伝熱管41の外壁に沿って流下する間に、低温蒸発器6からの冷媒蒸気を吸収し、その時の吸収熱は伝熱管41の内壁を流下する冷媒液により冷却される。
低温蒸発器6の内部には伝熱管61が備えられており、上部には冷媒散布装置62、下部には冷媒タンク63が配置されており、エリミネータ66を介して低温吸収器5と接続している。冷媒タンク63と溶液タンク53は仕切り65で仕切られている。冷媒タンク63の底部は、前記したように連通管44を介して冷媒タンク43と接続されるとともに、冷媒ポンプ64、分岐部67を介して冷媒散布装置62と、さらに分岐部67からUシール部68を介して冷媒散布装置42と配管で接続している。
このように構成した吸収式冷凍機の動作は以下の通りである。再生器1の溶液散布装置12から散布された溶液は伝熱管11上で管内を流れる加熱媒体と熱交換して、冷媒蒸気を発生し、溶液は濃縮される。濃縮された溶液は、溶液ポンプ14により溶液熱交換器71に送られ、低温吸収器5からの溶液と熱交換して冷却され、高温吸収器3の溶液散布装置32に送られる。
高温吸収器3において溶液散布装置32から散布された溶液は、伝熱管31上で高温蒸発器4からの冷媒蒸気を吸収し、冷媒吸収により発生した吸収熱は伝熱管31内を流れる冷却水により冷却される。冷媒蒸気を吸収して濃度が薄くなった溶液は溶液タンク33に一旦溜められて、溶液ポンプ34により溶液熱交換器72に送られる。溶液熱交換器72で低温吸収器5からの溶液と熱交換して冷却され、低温吸収器5の溶液散布装置52に送られる。
低温吸収器5において溶液散布装置52から伝熱管41の外面に供給された溶液は、ほぼ垂直な伝熱管41の外面を流下する間に、低温蒸発器6からの冷媒蒸気を吸収し、冷媒吸収により発生した吸収熱は伝熱管41内の冷媒により冷却される。冷媒蒸気を吸収して濃度がさらに薄くなった溶液は溶液タンク53に一旦溜められて、溶液ポンプ54により溶液熱交換器72に送られる。溶液熱交換器72で高温吸収器3からの溶液と熱交換して温度上昇した溶液は、溶液熱交換器71で再生器からの溶液と熱交換してさらに温度上昇したのち、再生器1の溶液散布装置12に送られる。
一方、再生器1で発生した冷媒蒸気は、蒸気通路13を通って凝縮器2に送られ、伝熱管21の表面で凝縮液化する。この時の凝縮熱は伝熱管21内を流れる冷却水で冷却される。凝縮液化した冷媒は凝縮器2の底部から絞り22を通って高温蒸発器4の冷媒タンク43に送られる。
冷媒タンク43の液冷媒は連通管44を介して冷媒タンク63の液冷媒と連通しており、冷媒タンク63の液冷媒は冷媒ポンプ64により、分岐部67、Uシール部68を通って、低温蒸発器6の冷媒散布装置62および高温蒸発器4の冷媒散布装置42に送られる。
冷媒散布装置42の液冷媒は伝熱管41の上部の開口部から管内壁に沿って流下し、管外を流下する溶液からの吸収熱を受けて蒸発する。蒸発した冷媒蒸気は、伝熱管41の上部の開口部、溶液散布装置42、蒸気通路48を通ってエリミネータ46から高温吸収器3へ送られる経路、及び伝熱管41の下部の開口部、蒸気通路47を通ってエリミネータ46から高温吸収器3へ送られる経路、これら2つの経路から高温吸収器3へ送られる。伝熱管41の内面で蒸発しきれなかった液冷媒は冷媒タンク43に溜められる。
冷媒散布装置62の液冷媒は伝熱管61に散布され、伝熱管61内を流れる冷水から熱を奪って蒸発し、エリミネータ66を通って低温吸収器5に送られる。伝熱管61上で蒸発しきれなかった液冷媒は冷媒タンク63に溜められる。
吸収式冷凍機の部分負荷運転条件や冷却水温度の低い運転条件などでは、冷媒ポンプ64の冷媒流量が低下し、冷媒流量がゼロとなる場合も発生する可能性がある。このような場合においても、Uシール部68の冷媒液は落下することなく残っているので、高温蒸発器4と低温蒸発器6が蒸気側で連通して圧力差がなくなることはない。
以上説明したように本実施例においては、ほぼ垂直に設置した伝熱管41の外面で冷媒蒸気を吸収した溶液の吸収熱を、伝熱管41の内面を流下する液冷媒の蒸発潜熱で直接冷却するようにしているので、低温吸収器と高温蒸発器の間の熱交換温度差を小さくすることができるとともに、高温蒸発器4の圧力は低温蒸発器6の圧力よりも高く、高温蒸発器4の冷媒タンク43は低温蒸発器6の冷媒タンク63と連通管44を介して連通しているので、冷媒タンク43の液面高さは冷媒タンク63の液面高さよりも低くなる。
これにより冷媒タンク43と溶液タンク33の間の仕切り45の高さ(高温蒸発器4から高温吸収器3への蒸気通路の下端部の高さ)は、冷媒タンク63と溶液タンク53の間の仕切り65の高さ(低温蒸発器6から低温吸収器5への蒸気通路の下端部の高さ)よりも低くできるので、蒸気通路47の流路面積を広くすることができ、冷媒蒸気の流動抵抗を小さくできる。この抵抗の減少により冷媒蒸気の高温吸収器3での吸収効率が高まり、高温吸収器3と高温蒸発器4の間の温度落差を大きくすることができ、低温蒸発器から高温吸収器までの汲み上げ温度差を大きくすることができる。
また、高温蒸発器4の伝熱管41の上部の開口と下部の開口の両方から冷媒蒸気を導いて、高温吸収器に送るようにし、冷媒蒸気の流動抵抗を小さくすることができたので、高温吸収器3と高温蒸発器4の間の温度落差を大きくすることができ、低温蒸発器から高温吸収器までの汲み上げ温度差を大きくすることができる。逆に、汲み上げ温度差が同等であれば各蒸発器、吸収器の伝熱面積を小さくして、小型で低コストな吸収式冷凍機を提供することができる。
また、高温蒸発器4の冷媒タンク43と低温蒸発器6の冷媒タンク63を連通管44を介して連通するとともに、冷媒タンク63の液冷媒を冷媒ポンプ64により、冷媒散布装置42及び冷媒散布装置62の両方に送るようにしたので、高温蒸発器4と低温蒸発器6のそれぞれに冷媒ポンプが必要ではなくなり、冷媒ポンプの台数を削減して、吸収式冷凍機のコストを削減するとともに、消費電力も低減できるのでエネルギー効率の高い吸収式冷凍機を提供することができる。
また、吸収式冷凍機の部分負荷運転条件や冷却水温度の低い運転条件などでは、冷媒ポンプ64の冷媒流量が低下し、冷媒流量がゼロとなる場合も発生する可能性がある。このような場合においても、Uシール部68の冷媒液は落下することなく残っているので、高温蒸発器4と低温蒸発器6が蒸気側で連通して圧力差がなくなり、汲み上げ温度差が低下するという不具合を防止することができる。
本実施例において、凝縮器2の伝熱管21と高温吸収器3の伝熱管31は独立に構成されているが、管内を流れる冷却水を両者に直列に流しても良いし、並列に流しても良い。
図2は本発明の吸収式冷凍機の他の実施例を示すサイクル系統図である。本実施例は、サイクルの主な構成要素は図1の実施例と同様であり、再生器1から高温吸収器3及び低温吸収器5への溶液経路と、高温吸収器3及び低温吸収器5から再生器1への溶液経路、冷媒ポンプ64から高温蒸発器4及び低温蒸発器6への冷媒経路が異なっている。
以下、図1の実施例と異なっている構成及び作用について説明する。再生器1の底部は溶液ポンプ14、溶液熱交換器71を介し、その後2つに分岐して一方は高温蒸発器3の溶液散布装置32、他方はさらに溶液熱交換器72を介して低温吸収器5の溶液散布装置52と配管で接続されている。また、高温吸収器3の下部の溶液タンク33と低温吸収器5の下部の溶液タンク53の底部から出た配管は合流し、溶液ポンプ54により溶液熱交換器72、71を通って、再生器1の溶液散布措置12に接続している。
また、低温蒸発器6の下部の冷媒タンク63の底部からの配管は冷媒ポンプ64を通ったのち分岐部67で分岐して、一方は高温蒸発器4の冷媒散布装置42、他方は低温蒸発器6の冷媒散布装置62に接続されている。分岐部67の高さは、低温蒸発器6の下部の冷媒タンク63の最低液面高さよりも低い位置に配置されている。その他の構成は実施例1と同様である。
上記の様に構成した本実施例の吸収式冷凍機の動作で実施例1と異なる点は、以下の通りである。再生器1で冷媒蒸気を発生し濃縮された溶液は、溶液ポンプ14により溶液熱交換器71に送られ、低温吸収器5および高温吸収器3からの溶液と熱交換して冷却され、その後2つに分岐して、一方は高温吸収器3の溶液散布装置32に送られる。他方はさらに溶液熱交換器72に送られ、低温吸収器5および高温吸収器3からの溶液と熱交換してさらに冷却され、低温吸収器5の溶液散布装置52に送られる。
高温吸収器3の下部の溶液タンク33と低温吸収器の溶液タンク53のそれぞれの溶液は、溶液ポンプ54により溶液熱交換器72、71を通って、再生器1の溶液散布装置12に送られる。冷媒タンク63の液冷媒は冷媒ポンプ64により、配管途中の分岐部67で分岐して、一方は高温蒸発器4の冷媒散布装置42へ送られ、他方は低温蒸発器6の冷媒散布装置62に送られる。
以上説明したように、本実施例においては、再生器で加熱濃縮された溶液を1台の溶液ポンプ14で高温吸収器3と低温吸収器5に送るようにしているので、溶液ポンプの台数を削減し、吸収式冷凍機のコストを低減するとともに、消費電力も低減できるのでエネルギー効率の高い吸収式冷凍機を提供することができる。
また、吸収式冷凍機の部分負荷運転条件や冷却水温度の低い運転条件などでは、冷媒ポンプ64の冷媒流量が低下し、冷媒流量がゼロとなる場合も発生する可能性がある。このような場合においても、分岐部67は冷媒タンク63の最低液面高さより低い位置にあるので常に液冷媒で満たされており、高温蒸発器4と低温蒸発器6が蒸気側で連通して圧力差がなくなることにより冷媒蒸気の流動抵抗が大きくなって、汲み上げ温度差が低下するという不具合を防止することができる。
本発明の実施例1のサイクル系統図である。 本発明の実施例2のサイクル系統図である。 本発明の実施例の作動流体の流れの説明図である。
符号の説明
1…再生器、2…凝縮器、3…高温吸収器、4…高温蒸発器、5…低温吸収器、6…低温蒸発器、11、21、31、41、61…伝熱管、12、32、52…溶液散布装置、14、34、54…溶液ポンプ、33、53…溶液タンク、43、63…冷媒タンク、42、62…冷媒散布装置、45、65…仕切り、47、48…蒸気通路、67…分岐部、68…Uシール部、71、72…溶液熱交換器。

Claims (6)

  1. 低温蒸発器、低温吸収器、高温蒸発器、高温吸収器、再生器、凝縮器、溶液熱交換器で構成され、低温吸収器の吸収熱を高温蒸発器の蒸発潜熱で冷却する吸収式冷凍機において、
    前記低温吸収器をほぼ垂直に設置した複数の伝熱管の外面に構成して前記低温蒸発器と蒸気通路で接続し、前記高温蒸発器を前記ほぼ垂直に設置した複数の伝熱管の内面に構成して前記高温吸収器と蒸気通路で接続し、
    高温蒸発器の冷媒タンクと低温蒸発器の冷媒タンクを連通管で連通するとともに、高温蒸発器から高温吸収器への蒸気通路の下端部の高さを、低温蒸発器から低温吸収器への蒸気通路の下端部の高さよりも低くしたことを特徴とする吸収式冷凍機。
  2. 低温蒸発器、低温吸収器、高温蒸発器、高温吸収器、再生器、凝縮器、溶液熱交換器で構成され、低温吸収器の吸収熱を高温蒸発器の蒸発潜熱で冷却する吸収式冷凍機において、
    前記低温吸収器をほぼ垂直に設置した複数の伝熱管の外面に構成して前記低温蒸発器と蒸気通路で接続し、
    前記高温蒸発器を前記複数の伝熱管の内面に構成して、前記伝熱管の上下の開口に連通する2系統の蒸気通路を介して前記高温吸収器と接続し、前記高温蒸発器で蒸発した冷媒蒸気を前記伝熱管の上下の開口から流出させ、前記高温吸収器へ導くことを特徴とする吸収式冷凍機。
  3. 前記低温蒸発器と前記高温蒸発器の2ヶ所の蒸発器への液冷媒の供給を同一の冷媒ポンプで行うように構成したことを特徴とする請求項1または2に記載の吸収式冷凍機。
  4. 前記冷媒ポンプの吐出側配管の低温蒸発器と高温蒸発器への分岐部から低温蒸発器への配管または高温蒸発器への配管のいずれかにUシールを設けたことを特徴とする請求項3に記載の吸収式冷凍機。
  5. 前記冷媒ポンプの吐出側配管の低温蒸発器と高温蒸発器への分岐部を、前記冷媒ポンプの吸込配管が接続されている冷媒タンクの最低液面より低い位置に設けたこと特徴とする請求項3に記載の吸収式冷凍機。
  6. 再生器からの溶液を吸収器へ送る配管に溶液ポンプを設置し、この溶液ポンプの吐出側配管を分岐して、一方は高温吸収へ、他方は低温吸収器へ接続するように構成したことを特徴とする請求項1または2に記載の吸収式冷凍機。
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