JP2012127643A - 自己適合型多段吸収ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】第１の凝縮器（４）に供給された第１の流体から蒸気を発生させる発生器（２）または脱着装置を備える吸収ヒートポンプを提供すること。
【解決手段】蒸発器（７）が、凝縮器の下流側に設けられ、蒸発器の出口（７Ｂ）が、第３のライン（８）によって、発生器に溶液を供給するポンプ（１４）の吸引側に連結された低圧吸収器（１００）の混合器の入口に連結され、発生器は、少なくとも１つの積層弁（３０、３１）が設けられた第６のライン（１９）によって、吸収器（１００、２００〜１００）に供給する貧溶液入口に連結された貧容器出口（２Ｃ）を備える、ヒートポンプ。第２のライン（６）は、低圧吸収器（１００）と熱交換接触させられ、第３のライン（６Ａ）を介して蒸発器（７）に供給する液体／蒸気分離器（５１）内に通じており、分離器（５１）の蒸気出口は、中圧吸収器ユニット（２００）内に通じている。
【選択図】図１

Description

本発明は、自己適合型多段吸収ヒートポンプに関する。

Ｄ．Ｃ．Ｅｒｉｃｋｓｏｎ，Ｊ．Ｔａｎｇ著の「Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｌｉｆｔ−ｃｙｃｌｅｓ ｆｏｒ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｐｏｗｅｒｅｄ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ」の論文内に記載されているものなどの２段サイクル用のヒートポンプが、知られている。

このタイプの吸収サイクルは、一重効用サイクルと比べて低温の熱が供給されるその固有の能力のために有利である。たとえば、Ｈ２Ｏ／ＮＨ３を用いて、サイクルは、多段ではない吸収サイクルを下回る約５０℃で作動することができる。

この欠点は、サイクル効率が、一重効用サイクルのものの約２分の１であることである。この理由のため、これらのサイクルはまた、一重−二重効用二段としても知られている。

発生器においてより低い温度でサイクルを作動させるために、凝縮器を離れる液体冷媒が、２つの流れに分割される。これらの２つの液体冷媒の流れの一方は、蒸発器に向かい、他方は、冷媒蒸発によって冷却される吸収器、すなわち低圧吸収器（ＬＰＡ）を冷却するように働く中圧蒸発器（ＩＰＥ）に向かう。

Ｄ．Ｃ．Ｅｒｉｃｋｓｏｎ，Ｊ．Ｔａｎｇ著の「Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｌｉｆｔ−ｃｙｃｌｅｓ ｆｏｒ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｐｏｗｅｒｅｄ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ」

このタイプの冷媒の流れの分割は、これらのサイクルの適用を問題のあるものにする２つの欠点を生じさせる。

２つの冷媒の流れへの分割は、通常、ａ）スプリッタの形状、ｂ）入口および２つの出口における冷媒の流量、およびｃ）入口および２つの出口分岐における圧力の関数となる。

スプリッタは、２つの分岐間の最適な冷媒分割のための決定された基準状態（発生器への熱入力、蒸発器または低圧吸収器における作動圧力および熱負荷）に対して最適化され得る。

しかしながら、最適化とは異なる作動状態下では、スプリッタは、２つの下流側分岐の要求事項に釣り合わない方法で冷媒を違う形で分割し、それによってサイクル効率の損失がもたらされ、この損失は、特定の場合、全面的なものである。

同じく実質的には水力学的理由のため、非常に生じやすいサイクル過渡状態下では、たとえば凝縮器の圧力が（通常、空気凝縮式機械の場合周囲温度の変化により）変動する、もしくは発生器の熱入力が変動する、もしくは蒸発圧力が変動するとき、サイクル状態の周期的揺動が起こされる可能性があり、または２つのスプリッタの出口分岐に沿った冷媒流の変動の影響における「フィードバック」によって、不安定さが誘発される可能性がある。

したがって、スプリッタは、システムが最適化されるものとは異なる状態下では、効率損失を引き起こすだけでなく、加えて全体的状態の揺動および不安定さが、サイクル圧力状態においてすばやい変動が存在する非常に一般的な状態下の際に引き起こされる可能性があり、したがって制御を問題のあるものにし、これと共に大幅なパフォーマンスの低減を付随し、場合によってはサイクル安全パラメータの限界状態に到達して、その結果の停止を伴う。

不安定さの問題は、吸収器を冷却するために中圧で蒸発するように供給された冷媒が、それが完全に蒸発するか、部分的に液体で残るかに関係なく、蒸発器において有用な冷媒として「失われる」ということに由来する。さらに、吸収器を冷却するために供給された冷媒の量が、吸収が不完全であるという意味で不十分である場合、サイクルは、「切断」され、したがってその作動状態の程度が低減される。

必要とされる正確な冷媒量を各々の瞬間において評価し、これを、一方の側および他方の側に沿って各々の瞬間において正確に分配することができる分割システムが、必要とされている。

これらの因子（評価および分割）は、事実上達成不可能ではない場合、能動的な機械的分割システム（すなわち、モータ、積層弁など）にとっても非常に複雑なものである。

本発明の目的は、可変の作動状態下でより安定的にかつより大きな効率性を有して作動することができる多段ヒートポンプを提供することである。

これらおよび他の目的は、添付の特許請求の範囲の技術的教示による多段ヒートポンプを提供することによって達成される。

本発明のさらなる特性および利点は、添付の図で非限定的な例として示された、ヒートポンプの好ましいが非独占的な実施形態の説明から明らかになる。

本発明のヒートポンプの簡略図である。 本発明の異なる実施形態を示す図である。

前記の図を参照すれば、これらは、全体的に参照符号１によって示されたヒートポンプを示している。

図１に示されたヒートポンプは、第２の流体（この場合は水）に吸収される第１の流体（この具体的な場合はアンモニア）を冷媒として用いて、あるサイクルで作動する。吸収ヒートポンプは、たとえば内燃エンジン冷却回路、ソーラーパネルによって加熱された回路、産業用プロセス水などでもよい低温供給源（８０〜９０℃）から熱Ｑを受け入れる従来の発生器２または脱着装置を備える。

発生器の、有利には整流器２０１を介する蒸気出口は、第１のライン３を用いることによって好ましくは空気冷却式凝縮器４に連結される。

凝縮器４を離れるライン６は、逆流熱交換器３４（任意選択で）を通過し、前記ライン６内に設けられた積層弁５０の下流側に存在する熱交換器１０と熱交換連通させられる。

ライン６内に存在する流体（熱交換器１０によって引き出された熱量に応じて、混合された蒸気および液体）が、液体／蒸気分離器５１内に通じる。

液体／蒸気分離器は、第３のライン６Ａに連結された冷媒液体出口５１Ａを有しており、第３のライン６Ａは、積層弁５を介して、分離器５１を（熱源として、冷却される環境からの空気を有することができる）蒸発器７に連結する。

蒸発器の出口７Ｂは、（場合によっては熱交換器３４を通過する）第３のライン８によって混合器５２の蒸気入口５２Ａに連結される。混合器５２は、冷媒流体によって冷却された、熱交換器１０に連結された液体溶液／蒸気混合物のための出口５２Ｃを備える。混合器５２および熱交換器１０は、実際には、低圧吸収器ユニット１００として作用する。

熱交換器１０の出口１０Ｂは、ポンプ１４の吸引側に連結され、その送出側から第４のライン１５が、別の混合器５３内に通じるように延びる。

ポンプの下流側のライン１５は、中圧再生式復熱装置５４を通過し、次いで富アンモニア溶液が、水蒸気凝縮を容易するためにそこから熱を引き出す整流器２０１（設けられた場合）との熱交換を経る。

逆止め弁３２を介して、第５のライン１６が、分離器５１の蒸気出口５１Ｂを別の混合器５３の蒸気入口に連結しており、別の混合器５３の蒸気入口は、液体溶液／蒸気の混合物を、外側に熱を伝達する中圧吸収器の熱交換器５７内に導入する。混合器５３および熱交換器５７は、中圧吸収器ユニット２００として作用する。

中圧吸収器２００の出口は、第２のポンプ１４Ａの吸引側と関連付けられ、送出側は、設けられた場合高圧再生器５５との熱交換を経た後で発生器２内に通じる第８のライン１７に連結される。

発生器２の基部において、出口２Ｃが設けられ、出口２Ｃからアンモニア貧溶液が、少なくとも１つの積層弁３０が設けられた第６のライン１９を介して、混合器５２の貧溶液入口２Ｂに供給される。

設けられた場合、第６のライン内に存在する貧溶液は、再生器５４と熱交換する。

本発明の作動は、当該技術分野の専門家には明白であり、したがって説明されない。

本発明によれば、液体冷媒の分割は、全体流を、冷媒の一部が吸収器上の熱負荷のために蒸発する熱交換器１０内に通して、次いで蒸気および残存する冷媒の部分の両方を分離容器５１内に注ぎ込み、ここから、蒸気部分が、中圧吸収器２００に供給され、液体部分が、蒸発圧力（積層５）にされて蒸発器７に供給されることによって回避される。

全体的なサイクル作動は変化しないが、スプリッタは省かれ、（蒸発器に有用な冷媒を引き出すが、非常に小さな熱上昇でサイクルを作動させることができるためには必須である）吸収器１０を冷却するための冷媒量は、吸収器において引き出された負荷に基づいて「自己適合」する。

本質的には、吸収器１０上の熱負荷、すなわちこれを冷却する冷媒によって分散される熱は、主に、液体内の蒸気を吸収するプロセスにおいて生成された熱によって与えられ、最小部分は、液体顕熱冷却プロセスによって与えられる。

したがって、吸収器ユニット１００の熱交換器１０を通る全冷媒の通路において、ごく一部しか蒸発せず、吸収熱の第１の近似と等しく、一方で残存する液体部分は、すべて蒸発器７で利用可能である。

液体は、後続の分離器内で２つの液体相および蒸気相に分離するという簡単なプロセスで５１内で分離される。本質的には、容器５１は、重力によって液体相を底部において分離し、蒸気相を上部において分離することができるような容積および断面を有する。

したがって、吸収器に対する冷媒「消費」は、常に吸収のために働くものであり、特定の条件下で吸収熱がゼロになる（吸収される蒸気が無い）傾向がある場合、冷媒消費は、ほぼゼロ（冷却顕熱のみ）になるはずである。

したがって、知られている技術で遭遇する問題は、克服され、加えて二重効用の必要性が小さくなる傾向がある好適な状態下では、一重−二重効用多段サイクルは、一重効用サイクルに匹敵する、すなわちより大きな効率性を有する傾向がある。

図１に示されるものとは対照的に、図２の実施形態は、それだけで必要な圧力上昇を達成するポンプ１４を１つだけ有している。

２つのプラントに類似するこれらの構造的部分は、図１を説明するためにすでに使用された同じ参照符号によって示される。これらは、さらに説明はされない。

構造的回路の改変は、図２から明らかである。本質的には、第４のライン１５は、別の混合器５３内に通じる代わりに、発生器２内に直接通じている。再生器２０１および高圧復熱装置５５および低圧復熱装置５４は、この場合、ライン１５内に設けられ得ることも明らかである。

発生器２を離れる貧溶液の第６のライン１９は、別の熱交換器５７がその下流側に設けられた混合器５３内に通じている。混合器５３、および熱を外側に伝達する熱交換器５７の組合せは、中圧吸収器２００として作用する。ライン１９は、任意選択で、高圧復熱装置５５から、吸収器２００の上流側を通る。混合器５３の上流側に設けられた積層弁３１は、ライン１９内の液体圧力と弁５０によって設定されたものを釣り合わせる。

混合器５３からの富溶液出口が、積層弁３０が中に設けられた第７のライン２０によって混合器５２に連結される。熱交換器５７が中に存在するこのラインは、（設けられた場合）低圧復熱装置５４と熱交換する。

本発明の作動は、当該技術分野の専門家には明白であり、したがって説明されない。

本発明のさまざまな実施形態が説明されてきたが、同じ発明原理を利用することによって他のものが着想され得る。すべての説明された構成要素は、技術的に等価の要素によって置き換えられ得る。さらに、冷媒およびそれが中で吸収される液体は、必要な技術的要求事項によって随意に選択され得る。

新規の発想は、基本的には、知られている技術が冷媒分割を含むあらゆる多段サイクルに適用可能である。本発明によれば、サイクルは、冷媒分割を解消し、すべての冷媒を低圧吸収器、または好ましい場合、同じ熱交換器の他方の側にある中圧吸収器まで通すことによって改変される。

液体／蒸気分離器もまた加えられる必要があり、この中では、蒸気ラインは、中圧吸収器に向かい、液体は蒸発器に進む。

１ ヒートポンプ
２ 発生器
２Ｂ 貧溶液入口
２Ｃ、７Ｂ、１０Ｂ、５２Ｃ 出口
３ 第１のライン
４ 空気冷却式凝縮器
５、３０、３１、５０ 積層弁
６ 第２のライン
６Ａ、８ 第３のライン
７ 蒸発器
１０、５７ 熱交換器
１０Ｃ 富化された溶液出口
１４ ポンプ
１４Ａ 吸引側
１５ 第４のライン
１６ 第５のライン
１７ 第８のライン
１９ 第６のライン
２０ 第７のライン
３２ 逆止め弁
３４ 逆流熱交換器
５１ 液体/蒸気分離器
５１Ａ 冷媒液体出口
５１Ｂ 蒸気出口
５２、５３ 混合器
５２Ａ 蒸気入口
５４ 中圧再生式復熱装置
５５ 高圧再生器
１００ 低圧吸収器ユニット
２００ 中圧吸収器ユニット
２０１ 整流器

Claims (11)

1. 伝達流体と熱交換接触させて第１の凝縮器（４）に第１のライン（３）を通して供給された第１の流体から蒸気を発生させる発生器（２）または脱着装置を備える吸収ヒートポンプにして、凝縮器の下流側では、第２のライン（６）が、冷媒液体を、第１の積層弁（５）がその上流側に設けられた蒸発器（７）に供給するために設けられ、蒸発器の出口（７Ｂ）が、第３のライン（８）によって、低圧吸収器ユニット（１００）の一部である混合器の蒸気入口 （５２Ａ）に連結され、吸収器ユニット（１００）が、溶液を供給するための第４のライン（１５）によって送出側が発生器に連結されたポンプ（１４）の吸引側に連結された富化された溶液出口（１０Ｃ）を備え、発生器が、少なくとも１つの積層弁（３０、３１）が設けられた第６のライン（１９）によって吸収器（１００、 ２００〜１００）に供給する貧溶液入口に連結された貧溶液出口（２Ｃ）を備える、吸収ヒートポンプであって、第２のライン（６）が、低圧吸収器（１００）と熱交換接触させられ、その上流側に積層弁（５０）を備え、ライン（６）が、液体／蒸気分離器（５１）内に通じており、分離器液体の出口（５１Ａ）が、第３のライン（６Ａ）を介して蒸発器（７）に供給し、分離器（５１）の蒸気出口が、中圧吸収器ユニット（２００）内に通じていることを特徴とする、ヒートポンプ。
2. 中圧吸収器（２００）の出口が、第２のポンプ（１４Ａ）の吸引側に連結され、その送出側が、発生器（２）内に通じる第８のライン（１７）に連結され、第４のライン（１５）が、中圧吸収器ユニット（２００）を形成する混合器（５３）内、次いで熱交換器（５７）において通じている、請求項１に記載のヒートポンプ。
3. 第６のライン（１９）が、中圧吸収器（２００）内に通じており、中圧吸収器の出口が、積層弁（３０）が設けられた第７のライン（２０）によって、低圧吸収器（１００）の入口に連結される、請求項１に記載のヒートポンプ。
4. 第４のライン（１５）および第６のライン（１９）が、低圧再生器 （５４）として作用する熱交換器を介して熱交換連通させられる、請求項２に記載のポンプ。
5. 第６のライン（１９）および第８のライン（１７）が、高圧再生器（５５）として作用する熱交換器を介して熱交換連通させられる、請求項２または４に記載のポンプ。
6. 第４のライン（１５）および第６のライン（１９）が、高圧再生器（５５）として作用する熱交換器を介して熱交換連通させられる、請求項３に記載のポンプ。
7. 第４のライン（１５）および第７のライン（２０）が、低圧再生器（５４）として作用する熱交換器を介して熱交換連通させられる、請求項３または６に記載のポンプ。
8. 第２のライン（６）および第３のライン（８）が、熱交換器（３４）を介して熱交換連通させられる、請求項１から７の一項または複数項に記載のポンプ。
9. 逆止め弁（３２）が、第３のライン（１６）内に設けられる、請求項１から８の一項または複数項に記載のポンプ。
10. 多段ヒートポンプの安定性および効率を向上させるための方法であって、凝縮器を離れる冷媒液体の圧力を低下させるステップと、低圧吸収器（１００）をこの液体で冷却するステップと、吸収器（１００）を冷却した流体を液体の流れと蒸気の流れに分離するステップと、液体を蒸発器に方向付け、蒸気を中圧吸収器（２００）に方向付けるステップとを特徴する、方法。
11. 冷媒が、中圧において液体相を蒸気相から分離させることによって２つの流れに分割される、請求項１０に記載の方法。

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