JP2014153026A

JP2014153026A - 吸収式ヒートポンプ装置

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Publication number: JP2014153026A
Application number: JP2013025392A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Itaya; 義紀板谷; Kenji Marumo; 謙次丸毛
Original assignee: Morimatsu Research Institution Co Ltd
Current assignee: Morimatsu Research Institution Co Ltd
Priority date: 2013-02-13
Filing date: 2013-02-13
Publication date: 2014-08-25

Abstract

【課題】排熱の利用効率が高い吸収式ヒートポンプ装置１を提供する。
【解決手段】本発明の吸収式ヒートポンプ装置１は、蒸発器１１と、吸収器１２と、再生器１３と、凝縮器１４とを備えている。吸収器１２は、下部に空気入口３１を備えており、上部に空気出口３２を備えており、空気入口３１と空気出口３２とを連通させる空気通路３３が内部に設けられている。空気入口３１から導入された空気が、空気通路３３を通過して空気出口３２に到達するまでの間に、吸収器１２の内部の伝熱管２７を通過する吸収液との熱交換を行って高温空気となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸収式ヒートポンプ装置に関する。特に、１００℃未満の廃温水を熱源として、より高温の熱を得るヒートポンプ装置に関する。

エネルギー使用量の削減や二酸化炭素の排出量の削減を目的として、比較的低温の熱源から熱エネルギーを汲み出して再利用する技術の検討が進められている。そのようなエネルギー再利用技術の一つとして、吸収式ヒートポンプ装置が知られている。

吸収式ヒートポンプ装置の基本的な構成を、以下に説明する。吸収式ヒートポンプ装置は、蒸発器と、吸収器と、再生器と、凝縮器とを備えている。蒸発器では、溶媒が熱源の供給路上に撒布され、熱源と熱交換を行うことで蒸発して溶媒蒸気となる。吸収器では、蒸発器から供給された溶媒蒸気に吸収液がスプレーまたは混合される。吸収液は溶媒を吸収し、吸収熱を発生する。溶媒を吸収した吸収液は、再生器に移されて廃温水によって加熱され、溶媒と吸収液とに再び分離される。分離された冷媒は凝縮器で冷却されて液体となり、蒸発器に循環される。分離された吸収液は、吸収器に循環される。吸収式ヒートポンプ装置では、吸収器で得られる吸収熱や、凝縮器で得られる凝縮熱が、熱交換によりくみ上げられて利用される。

吸収式ヒートポンプ装置のエネルギーの利用効率を向上させる試みの一つとして、特許文献１には、エンジン排熱を利用するヒートポンプ装置が開示されている。引用文献１のヒートポンプ装置は、高温再生器と低温再生器とを備えている。高温再生器は排気排熱で吸収液を加熱し、低温再生器は温水排熱で吸収液を加熱する。暖房運転時、低温再生器は、流入、流出停止手段によって吸収液の流入と流出が停止される。また、低温再生器で発生し、凝縮器で液化した冷媒は、暖房運転時に低温再生器に戻される。このような構成によって特許文献１のヒートポンプ装置は、暖房運転時、第１熱媒体が高温再生器による吸収ヒートポンプで加熱されるとともに、さらに低温再生器によるボイラー運転で加熱される。このような第１熱媒体を暖房に用いることによって、従来よりも暖房効率を５５％向上させることができる。引用文献１のヒートポンプ装置は、液相と液相の熱交換によって、暖房効率を向上させている技術の一例である。

特許文献２には、地中に埋設されて冷媒を地中との間で熱交換させる埋設熱交換器を備えており、蒸発器の冷媒を埋設された熱交換器との間で循環させることで、冬季の成績係数を向上させる吸収式ヒートポンプシステムが開示されている。

ヒートポンプシステムのエネルギーの利用効率を示す一つの指標に、成績係数（ＣＯＰ）がある。ＣＯＰは、（加熱能力）÷（消費電力）で示される値であり、加熱能力に対して消費電力が小さいほど、成績係数は高くなる。従来の圧縮式ヒートポンプシステムの成績係数は、２〜４程度であるものが一般的である。

特開平０８−１５９５９３号公報特開２００８−２０２８５３号公報

このように、ヒートポンプ装置の成績係数をより向上させるために、種々の試みが行われている。しかしながら、従来のヒートポンプ装置は、高効率な稼働のために、配管や装置を追加したり制御条件を複雑に設定したりする必要があった。このため、より簡易な装置によってより効率よくエネルギーを利用することのできるヒートポンプ装置が求められていた。

本願発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、比較的簡易な構成によって、従来よりも効率よく熱源のエネルギーを再利用することができる吸収式ヒートポンプ装置を提供することを目的としている。

本発明は、１００℃未満の廃温水を供給されて、１００℃よりも高い温度の空気を供給する吸収式ヒートポンプ装置に関する。本発明に係る吸収式ヒートポンプ装置は、以下の構成を備えている。即ち、
ａ）廃温水供給経路から供給された廃温水と溶媒との間で熱交換することで溶媒を加熱して蒸発させ溶媒蒸気を得る蒸発器と、
ｂ）溶媒蒸気を吸収液に吸収させる吸収器と、
ｃ）前記廃温水供給経路から供給された廃温水によって、溶媒蒸気を吸収した吸収液を加熱し、溶媒蒸気と吸収液とを分離させる再生器と、
ｄ）分離された溶媒蒸気を冷却して溶媒に凝縮させる凝縮器と、
を備えている。本発明の吸収式ヒートポンプ装置の吸収器は、下部に空気入口を備えており、上部に空気出口を備えており、前記空気入口と前記空気出口とを連通させる空気通路が内部に設けられており、空気入口から導入された空気が、空気通路を通過して前記空気出口に到達するまでの間に、溶媒蒸気を吸収した吸収液との間で熱交換を行って高温空気となることを特徴とする。

本発明の吸収式ヒートポンプ装置は、吸収器の内部の空気通路に導入された空気が、吸収熱を生じている吸収液と熱交換を行うことで、高温の空気を得ることができる。このような気相と液相との間の熱交換（気−液熱交換）を行うことにより、従来よりも高い成績係数で効率よく高温温の空気を得ることができる。

本発明の吸収式ヒートポンプ装置は、溶媒を水とし、吸収液を臭化リチウム水溶液とすることが好ましい。

本発明のヒートポンプ装置は、吸収器内で吸収剤と空気との気−液熱交換を行う構成を備えたことにより、従来の圧縮式ヒートポンプよりも成績係数（ＣＯＰ）が高いという優れた特性を有する。

本発明の吸収式ヒートポンプ装置は、下部に空気入口を設け、上部に空気出口を設け、空気入口と空気出口とを連通させる空気通路を内部に設けるという簡易な構成であって、ヒートポンプ全体の寸法を変更する必要がないにも拘わらず、高効率で熱エネルギーの再利用を行うことができる。

図１は、本発明の実施形態の吸収式ヒートポンプ装置１を模式的に示す概略構成図である。図２は、本発明の実施形態の吸収器１２の構成を模式的に示す概略構成図である。図３は、本発明の吸収式ヒートポンプ装置１の稼働条件の一例を示すグラフである。図４は、本発明の吸収式ヒートポンプ装置１の稼働条件の一例を示すグラフである。

以下に、発明を実施するための形態として、本発明の吸収式ヒートポンプ装置を、廃温水を利用して高温の空気を得るために使用する形態について説明する。本実施形態においては、溶媒として水が用いられており、溶媒を吸収する吸収液として高濃度の臭化リチウム溶液が用いられている。

以下に、図面を参照しつつ、本実施形態の吸収式ヒートポンプ装置１の構成と作用について説明する。図１に本実施例の吸収式ヒートポンプ装置１（以下、単にヒートポンプ装置１とも言う）の概略構成図を示す。本実施例のヒートポンプ装置１は、蒸発器１１と、吸収器１２と、再生器１３と、凝縮器１４とを備えている。

本実施形態のヒートポンプ装置１は、図示されない廃温水供給源と接続されており、廃温水を供給される。廃温水は、廃温水供給経路２１によって最初に再生器１３に導入されて再生器１３の内部を通過し、次に蒸発器１１の内部に導入されて蒸発器１１の内部を通過して、排出される。

蒸発器１１は、上部に溶媒である水の液膜形成手段（図示されない）が設けられた熱交換器である。液膜形成手段は、凝縮器１４から溶媒供給経路２２ａを通過して流入した水によって、伝熱管内壁に液膜を形成させる。水は、蒸発器１１の内部を通過する廃温水供給経路２１の中の廃温水との間で熱交換を行って昇温し気化する。蒸発器１１の内部は初期投入水温度の飽和蒸気圧まで減圧されているため、水は定常運転時に７３℃〜７５℃の温度範囲で気化し、水蒸気（溶媒蒸気）となる。この水蒸気は、蒸発器１１の下部側面に連通している蒸気供給路２４を通過して、吸収器１２上部側面に開口している蒸気入口２５に到達し、吸収器１２に供給される。

図２に、本実施形態の吸収器１２の構成を模式的に示す。吸収器１２は、上部に蒸気入口２５と、蒸気入口と直径方向で直角側となる上部側面に設けられている臭化リチウム導入口２６とを備えている。吸収器１２の内部には、その上下方向に延在している複数の伝熱管２７が収容されている。伝熱管２７の上端部は上方に向かって開口しており、伝熱管２７の下端部は吸収器１２の底部に向かって開口している。蒸気入口２５から供給された水蒸気と、臭化リチウム導入口２６から導入された高濃度の臭化リチウム（ＬｉＢｒ）水溶液（以下、臭化リチウム高濃度溶液とも言う）とは、それぞれ伝熱管２７に導入される。伝熱管２７内で水蒸気は臭化リチウム高濃度溶液に吸収され、このとき吸収熱が発生する。臭化リチウム高濃度溶液は、水蒸気を吸収することで希釈されて、臭化リチウム低濃度溶液となる。臭化リチウム低濃度溶液は、伝熱管２７の下端部から吸収器１２の底部に流出して一時保管される。図２では、簡略化のために伝熱管２７を３本図示しているが、熱交換をより効率よく行うために、より多くの伝熱管２７を用いることができる。例えば、銅Ｃ１２０１のコルゲートチューブ製の伝熱管２７に４６本の縦管を用いて、正三角形配列の錯列にて配置することができる。

更に本実施形態の吸収器１２は、空気入口３１が下部側面に開口しており、空気出口３２が上部側面に開口している。空気入口３１と空気出口３２とは、吸収器１２の側面と伝熱管２７の外面との間に設けられている空気通路３３によって、連通している。本実施形態において、空気入口３１は図示されない送風手段に接続されており、廃温水によって予熱された空気が供給される。空気入口３１から空気通路３３に導入された空気は、空気通路３３内を上昇して前記空気出口３２に到達するまでの間に、吸収液が放出する吸収熱と熱交換して昇温し、高温空気となり、空気出口３２から外部の熱利用手段である乾燥機２に供給される。本実施形態では、外部の熱利用手段の一例として乾燥機を示したが、高温の空気は他の任意の熱利用手段に供給することができる。

再度図１を参照して、吸収器１２、再生器１３、及び凝縮器１４と、これらを接続する配管経路の構成と作用について説明する。吸収器１２と再生器１３との間には、吸収液循環経路２８ａ，２８ｂが配置されている。吸収液循環経路２８ａは、吸収器１２の底部と再生器１３の本体側面の上部とを接続しており、吸収液循環経路２８ｂは、再生器１３の底部と吸収器１２の臭化リチウム導入口２６とを接続している。

吸収液循環経路２８ａは、吸収器１２の底部に一時保管されている臭化リチウム低濃度溶液を溶液熱交換器４０に非加熱側臭化リチウム溶液として供給し、さらに再生器１３内に供給する。再生器１３に供給された臭化リチウム低濃度溶液は、廃温水供給経路２１の中を通過する廃温水と熱交換することで昇温される。臭化リチウム低濃度溶液が昇温されると、吸収液に吸収されていた溶媒の水が再び水蒸気となり、吸収液と水とが分離する。水蒸気が分離することで得られる臭化リチウム高濃度溶液は、再生器１３の下部に一時貯留された後、吸収液循環経路２８ｂを通過して、溶液熱交換器４０により加温され、加熱導入口２６へ送られ、吸収器１２の伝熱管２７に導入される。

再生器１３の下部と凝縮器１４の中央部とを、溶媒供給経路２２ｂが接続している。溶媒供給経路２２ｂは、再生器１３で吸収液から分離された水蒸気を凝縮器１４に導入する。凝縮器１４に導入された水蒸気は、凝縮器１４の内部に配置された冷却水供給路２９を通過する冷却水によって冷却されて、再び水に凝縮する。水は、凝縮器１４の下部に一旦貯留した後、溶媒供給経路２２ａを経由して移送ポンプにより蒸発器１１の上部に再び導入され、液膜形成手段によって、溶媒として機能させるために蒸発器１１の内部に流下される。

このように、本実施形態のヒートポンプ装置１は、吸収器１２内の伝熱管２７を通過する臭化リチウム高濃度溶液が水蒸気を吸収する時の吸収熱を、熱交換によって伝熱管２７の外側に設けられた空気通路３３を通過する空気と熱交換させて、くみ出させることができる。このような気−液熱交換を行うことで、本発明のヒートポンプ装置１は、熱の再利用を高効率で達成することができ、ＣＯＰを向上させることができる。

本発明のヒートポンプ装置１に、吸収液として市販されている臭化リチウム５５重量％水溶液を用い、廃温水供給源から約８０℃の廃温水を供給して稼働させた場合の、稼働条件と得られる高温の空気の熱量を説明する。図３は、ヒートポンプ装置１を９時間連続稼働させた場合の稼働条件の変化を示すグラフである。図４は、本実施例のヒートポンプ装置１によって得られる空気温度の変化と、追加的な稼働条件の変化を示すグラフである。図３及び図４に示した運転期間の中で、時刻８時５０分から１０時５０分までの間は、運転立上期間であり、１０時５０分から１７時３０分までが定常運転期間であり、１７時３０分以降が運転停止期間である。図３の実線Ｌに示すように、定常運転中、廃温水の供給量は、毎分６３０×１０^３ｍｌ（誤差±２×１０^３ｍｌ）でほぼ一定に維持管理されている。

図３の実線Ｇに示すとおり、定常運転中、再生器１３の入口に供給される廃温水は、温度が８０．０℃±０．２℃となるように管理されている。実線Ｈに示したように、再生器１３を通過した廃温水の出口温度は、７９．７℃〜８０．０℃であって、再生器１３を通過することによる廃温水の温度低下は、０．２℃〜０．３℃である。実線Ｊに示したように、蒸発器１１の入口における廃温水の温度もまた、７９．７℃〜８０．０℃に維持されており、再生器１３の出口から蒸発器１１の入口までの廃温水供給経路２１での温度変化はほとんど認められない。一方、実線Ｉに示したように、蒸発器１１を通過した廃温水の出口温度は、７７．０℃〜７９．０℃となり、蒸発器１１で溶媒である水の蒸発に熱が使用されている。蒸発器を通過することによる廃温水の温度低下は、１℃〜３℃であり、廃温水の供給量と温度変化を積算した値から計算された蒸発器１１内の熱交換量は、１５２×１０^３ｋＪ／ｈ〜１６２×１０^３ｋＪ／ｈであった。尚、本実施例においては、凝縮器１４に供給する冷却水の量を実線Ｅ，Ｋで表すように０．２５ｍ^３／ｍｉｎと０．５０ｍ^３／ｍｉｎの二段階に変化させているが、この範囲での冷却水の量の変動が他の稼働条件に大きな影響を与えないことが確認されている。

図４の実線Ａに示したように、吸収器１２に供給される水蒸気の温度は、定常運転中、７３．０℃〜７４．０℃で維持されている。一方、水蒸気を吸収した臭化リチウム水溶液の温度は、吸収熱を生じることによって、実線Ｂに示したように１２５℃〜１３０℃となる。本実施例においては、吸収器１２への空気の送風量を１４１０Ｎｍ^３／ｈ〜１４２１Ｎｍ^３／ｈと設定した。吸収剤と熱交換する空気は、空気入口３１ではその温度が７５℃〜８０℃で維持されているが（実線Ｃ）、空気通路３３の中で昇温して空気出口３２ではその温度が１２０℃から最終的には１２５℃となった（実線Ｄ）。これらの結果から算出された空気の昇温熱量は、６８４００ｋＪ／ｈ〜７０１００ｋＪ／ｈであった。

本実施例のヒートポンプ装置１の成績係数について検討した結果を以下に示す。本実施例の使用動力の測定値は、１３時０９分から１８時３４分までの３２５分間で、３．６ｋＷｈであり、１時間当たりの動力に換算すると、０．６６５ｋＷｈであった。この動力は、主に蒸発器１１で溶媒の蒸発に用いられたエネルギーである。一方、得られた高温空気の熱量は、上述したとおり６８４００ｋＪ／ｈ〜７０１００ｋＪ／ｈであり、この値は１９．０２ｋＷｈ〜１９．４６ｋＷｈに相当する。つまり、本実施例のヒートポンプ装置１の成績係数（ＣＯＰ）は、吸収器１２の吸収熱による出力のみを考慮した場合であっても、２８．６〜２９．３となる。吸収器１２の性能向上を行えば、成績係数を一層向上させることが可能である。

本実施例のヒートポンプ装置１を用いて、運転条件を一部変更し、更なる試験を行った結果を、以下の表１に示す。いずれの場合に於いても、成績係数は２０以上の結果が得られている。

以上、実施例において本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。たとえば、吸収器１２の伝熱管２７及び空気通路３３の配置、並びにその他の配管の配置は、本来の機能を損なわない範囲で自由に変更が可能である。

１吸収式ヒートポンプ装置
２乾燥機
１１蒸発器
１２吸収器
１３再生器
１４凝縮器
２１廃温水供給経路
２２ａ，２２ｂ溶媒供給経路
２５蒸気入口
２６臭化リチウム導入口
２７伝熱管
３１空気入口
３２空気出口
３３空気通路
４０溶液熱交換器

Claims

１００℃未満の廃温水を供給されて、１００℃よりも高い温度の空気を供給する吸収式ヒートポンプ装置であって、
前記吸収式ヒートポンプ装置は、
ａ）廃温水供給経路から供給された廃温水と溶媒との間で熱交換することで、前記溶媒を加熱して蒸発させ溶媒蒸気を得る蒸発器と、
ｂ）前記溶媒蒸気を吸収液に吸収させる吸収器と、
ｃ）前記廃温水供給経路から供給された廃温水によって、前記溶媒蒸気を吸収した吸収液を加熱し、前記溶媒蒸気と前記吸収液とを分離させる再生器と、
ｄ）分離された前記溶媒蒸気を冷却して溶媒に凝縮させる凝縮器と、
を備えており、
前記吸収器は、下部に空気入口を備えており、上部に空気出口を備えており、前記空気入口と前記空気出口とを連通させる空気通路が内部に設けられており、
前記空気入口から導入された空気が、前記空気通路を通過して前記空気出口に到達するまでの間に、前記溶媒蒸気を吸収した吸収液との熱交換を行って高温空気となることを特徴とする吸収式ヒートポンプ装置。
前記溶媒が水であり、前記吸収液が臭化リチウム水溶液であることを特徴とする請求項１記載の吸収式ヒートポンプ装置。