JP2019152390A - 吸収式冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧吸収器より低圧吸収器での溶液散布量を多くすることができ、溶液が流下する垂直管の濡れた伝熱面を増加させ、熱交換に寄与できる有効伝熱面積の最大化を図ることができる吸収式冷凍機を提供する。【解決手段】低圧吸収器１５および高圧蒸発器１６は、複数本の垂直に延びる垂直管（伝熱管）１４を有し、各垂直管１４の管内が高圧蒸発器１６を構成し、各垂直管１４の管外が低圧吸収器１５を構成する。そして、再生器１に接続され再生器１で濃縮された溶液を高圧吸収器６および低圧吸収器１５へ送るための溶液配管２９は分岐部Ａを有し、分岐部Ａから、高圧吸収器６に溶液を送るための溶液配管３０と、低圧吸収器１５に溶液を送るための溶液配管３１とに分岐している。【選択図】図１

Description

本発明は、複数組の蒸発器と吸収器を備え、高圧側の蒸発器によって低圧側の吸収器を冷却する吸収式冷凍機に関する。

２組の蒸発器と吸収器を備える吸収式冷凍機は、蒸発器と吸収器を１組備えた吸収式冷凍機より、低温熱源を利用できる。一方で、蒸発器と吸収器の組合せが２組必要になることから、吸収式冷凍機としての外形寸法が大型化してしまうため、装置の小型化が課題となる。特開２００８−９５９７６号公報（特許文献１）に記載の吸収式冷凍機では、装置の小型化のために、圧力レベルが異なる２組の蒸発器と吸収器の組合せのうち、低圧側の低圧吸収器と高圧側の高圧蒸発器を垂直管（垂直配置された伝熱管）で構成し、垂直管の管外面を低圧吸収器、管内面を高圧蒸発器とし、低圧吸収器および高圧蒸発器を流下液膜式の熱交換器としている。特許文献１の吸収式冷凍機では、高圧再生器からの溶液が高温熱交換器を通過後に低圧再生器からの溶液と合流した後に、高圧吸収器、低圧吸収器の順に循環している。つまり、高圧吸収器と低圧吸収器へ流入する溶液散布量は、高圧蒸発器からの冷媒蒸気を吸収した後の溶液が低圧吸収器に流入するので、低圧吸収器の方がわずかに多くなるが、高圧吸収器と低圧吸収器ではほぼ同じになる。

また、特開２００１−３１７８３５号公報（特許文献２）に記載の吸収式冷凍機では、高圧再生器からの溶液が高温熱交換器を通過後に低圧再生器からの溶液と合流し、溶液ポンプで昇圧し中温熱交換器を通過後に分岐して、一方を高圧吸収器、もう一方を低圧吸収器に循環している。

特開２００８−９５９７６号公報 特開２００１−３１７８３５号公報

低圧吸収器と高圧蒸発器を垂直管で構成した吸収式冷凍機において、十分な性能を得るためには、垂直管とした低圧吸収器と高圧蒸発器の伝熱面を濡らし、熱交換できる有効伝熱面の最大化が重要になる。従来の複数本の伝熱管を水平配置した水平管群で構成されている場合では、水平管群上部に散布された溶液を、伝熱管外を隣接する伝熱管に互いに移動しながら流下させることができるので、伝熱面を濡らしやすい。

一方、垂直管の場合では、各垂直管に供給された溶液で伝熱面を濡らす必要があるが、隣接する伝熱管に移動することができないので、供給された溶液はほぼ直線的に流下することになる。したがって、濡れた伝熱面を増加させ、熱交換に寄与できる有効伝熱面積の最大化を図るためには、各垂直管に供給する溶液量を多くすることが有効な手段となる。

つまり、水平管群の伝熱面と垂直管の伝熱面を十分に濡らすために必要な、溶液散布量が異なり、垂直管では水平管群より多くの溶液散布量が必要となる。

特許文献１の技術では、高圧吸収器、低圧吸収器の順で溶液を循環させる構成となっていることから、高圧吸収器と低圧吸収器での溶液散布量がほぼ同じになるので、垂直管の低圧吸収器の伝熱面を十分に濡らすことができない。

一方、特許文献２の技術では、高圧再生器からの溶液と低圧再生器からの溶液を合流した溶液を分岐し、高圧吸収器と低圧吸収器に分配して循環させている。特許文献２は、高圧吸収器、低圧吸収器とも上部に散布装置が備えられ、伝熱管内を伝熱媒体が流れ、伝熱管外を溶液が流下する構成が記載されていることから、高圧吸収器及び低圧吸収器とも水平管群で構成されていると推定できる。つまり、特許文献２の低圧吸収器は、垂直管とは異なる構成であり、特許文献２の技術では垂直管に対応できない。

そこで、本発明の目的は、高圧吸収器より低圧吸収器での溶液散布量を多くすることができ、溶液が流下する垂直管の濡れた伝熱面を増加させ、熱交換に寄与できる有効伝熱面積の最大化を図ることができる吸収式冷凍機を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る吸収式冷凍機は、低圧蒸発器、低圧吸収器、高圧蒸発器、高圧吸収器、凝縮器、再生器、冷媒ポンプ、および溶液ポンプを備え、前記低圧吸収器および前記高圧蒸発器は、略鉛直に延びる伝熱管を有し、各伝熱管の管内が前記高圧蒸発器を構成し、各伝熱管の管外が前記低圧吸収器を構成し、 前記再生器に接続され前記再生器で濃縮された溶液を前記高圧吸収器および前記低圧吸収器へ送るための溶液配管は分岐部を有し、前記分岐部から、前記高圧吸収器に溶液を送るための溶液配管と、前記低圧吸収器に溶液を送るための溶液配管とに分岐している。

本発明によれば、高圧吸収器より低圧吸収器での溶液散布量を多くすることができ、溶液が流下する垂直管の濡れた伝熱面を増加させ、熱交換に寄与できる有効伝熱面積の最大化を図ることができる吸収式冷凍機を提供することができる。

第１の実施形態に係る吸収式冷凍機のサイクル系統図である。 流下液膜式再生器の性能特性を示すグラフ。 第２の実施形態に係る吸収式冷凍機のサイクル系統図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。なお、各図において、同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。

第１の実施形態
図1は、本発明の第１の実施形態に係る吸収式冷凍機１００のサイクル系統図である。

吸収式冷凍機１００は、再生器１、凝縮器４、高圧吸収器６、高圧蒸発器１６、低圧吸収器１５、低圧蒸発器１８、溶液熱交換器２６、２７、冷媒ポンプ２１、２２、溶液ポンプ２３、２４、２５などを備えている。図中のＡは溶液の分岐部、Ｂは溶液の合流部を示す。

再生器１の内部には、水平配置した複数本の伝熱管３が設けられており、当該伝熱管３の上部には溶液散布装置２が配置されている。再生器１は、流下液膜式の熱交換器である。凝縮器４の内部には、水平配置した複数本の伝熱管５が設けられている。再生器１と凝縮器４とは、蒸気通路２８で気相部が連通されている。再生器１の底部には、溶液配管２９が接続されている。溶液配管２９は、溶液ポンプ２５および溶液熱交換器２７を介して分岐部Ａまで延びている。分岐部Ａの一方側には、溶液配管３０が接続され、他方には、溶液配管３１が接続されている。溶液配管３０は、高圧吸収器６の上部に設けられた溶液散布装置７に接続されている。溶液配管３０には、流量調整弁３９が設けられている。溶液配管３１は、溶液熱交換器２６を介して低圧吸収器１５の上部に設けられた溶液散布装置１２に接続されている。流量調整弁３９により、分岐部Ａから高圧吸収器６までの溶液配管３０を流れる溶液の圧力損失は、分岐部Ａから低圧吸収器１５までの溶液配管３１を流れる溶液の圧力損失より大きく設定される。なお、伝熱管３は、その機能を発揮できるのであれば、正確に水平である必要はなく実質的に水平（略水平）であればよい。

高圧吸収器６の内部には、水平配置された複数本の伝熱管８が設けられている。高圧吸収器６の底部には、溶液配管３３が接続されている。溶液配管３３は、溶液ポンプ２４を介し合流部Ｂまで延びている。

低圧吸収器１５と高圧蒸発器１６とは一体的に構成され、それぞれの内部空間は、管板１０、１１、隔壁４０等により分割されている。管板１０、１１により、垂直に配置された複数本の垂直管（伝熱管）１４群が支持されている。各垂直管１４の上端および下端は、管板１０、１１に支持され、各垂直管１４の管内は、高圧蒸発器１６の内部に連通し、各垂直管１４の管外（外周面）は、低圧吸収器１５内に位置している。なお、垂直とは水平面に対しての垂直であり、すなわち鉛直を示している。また、伝熱管１４としての機能を発揮できるのであれば、正確に鉛直である必要はなく実質的に鉛直（略鉛直）であればよい。

低圧吸収器１５は、複数本の垂直管１４の管外側が伝熱面となり、上部には垂直管１４が貫通する溶液散布装置１２が備えられている。低圧吸収器１５の底部には、溶液配管３４が接続されている。溶液配管３４は、溶液ポンプ２３および溶液熱交換器２６を介して、合流部Ｂまで延びている。合流部Ｂにおいて、溶液配管３２、３３、３４が互いに接続されている。溶液配管３２は、合流部Ｂから溶液熱交換器２７を介して再生器１まで延び、その上部に設けられた溶液散布装置２に接続されている。

高圧蒸発器１６は、複数本の垂直管１４の管内側が伝熱面となり、垂直管１４の上下が内部に開口し、エリミネータ９を介して高圧吸収器６と気相部が連通する構成となっている。高圧蒸発器１６には、冷媒配管３５が接続されている。高圧蒸発器１６の底部には、冷媒配管３７と連通管３８とが接続されている。冷媒配管３７は、冷媒ポンプ２２を介して高圧蒸発器１６の上部まで延び、高圧蒸発器１６の冷媒散布装置１７に接続されている。連通管３８は低圧蒸発器１８の底部まで延びている。

低圧蒸発器１８の内部には、水平配置された複数本の伝熱管２０が設けられ、上部には冷媒散布装置１９が配置され、エリミネータ１３を介して低圧吸収器１５と気相部が連通している。低圧蒸発器１８の底部には、連通管３８と冷媒配管３６とが接続されている。冷媒配管３６は、冷媒ポンプ２１を介して低圧蒸発器１８の上部まで延び、低圧蒸発器１８の冷媒散布装置１９に接続されている。なお、本実施形態において、冷媒は例えば水であり、溶液は例えば臭化リチウム水溶液である。

このように構成した吸収式冷凍機１００の動作は以下の通りである。

再生器１の溶液散布装置２から散布された溶液は、伝熱管３の管外を流下しながら伝熱管３の管内を流れる加熱媒体に加熱され、冷媒蒸気を発生し、溶液は濃縮される。濃縮された溶液は、溶液配管２９内を溶液ポンプ２５により溶液熱交換器２７に送られ、溶液配管３２内を流れる溶液と熱交換して冷却され後に分岐部Ａで分岐する。分岐部Ａで分岐した溶液の一方が、溶液配管３０内を流れて高圧吸収器６の溶液散布装置７に送られ、他方が、溶液配管３１内を流れて溶液熱交換器２６に送られ低圧吸収器１５からの溶液と熱交換して冷却され、低圧吸収器１５の溶液散布装置１２に送られる。分岐部Ａから高圧吸収器６までの溶液配管３０を流れる溶液の圧力損失は、分岐部Ａから低圧吸収器１５までの溶液配管３１を流れる溶液の圧力損失より大きく設定されている。これにより、溶液配管３１を流れる溶液の量は、溶液配管３０を流れる溶液の量よりも多くなる。

高圧吸収器６において溶液散布装置７から散布された溶液は、伝熱管８の管外を流下しながら高圧蒸発器１６からの冷媒蒸気を吸収し、濃度が薄くなる。冷媒吸収により発生した吸収熱は、伝熱管８の管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、高圧吸収器６下部に一旦溜められ、溶液配管３３を流れ溶液ポンプ２４により合流部Ｂに送られる。

低圧吸収器１５では、溶液散布装置１２からの溶液が垂直管１４の外面に供給される。当該溶液は、垂直管１４の外面を流下しながら、低圧蒸発器１８からの冷媒蒸気を吸収する。冷媒吸収により発生した吸収熱は、垂直管１４内を流下する高圧蒸発器１６の冷媒の加熱に利用される。冷媒蒸気を吸収して濃度が薄くなった溶液は、低圧吸収器１５の下部に一旦溜められて、溶液配管３４内を溶液ポンプ２３により溶液熱交換器２６に送られ、分岐部Ａから低圧吸収器１５に送られる溶液配管３１内の溶液と熱交換して温度上昇し、合流部Ｂへ送られる。合流部Ｂでは、高圧吸収器６と低圧吸収器１５からの溶液が合流し、溶液熱交換器２７で再生器１からの溶液と熱交換して温度上昇したのち、再生器１の溶液散布装置２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２８を通って凝縮器４に送られ、伝熱管５の管内を流れる冷却水で冷却され、伝熱管５の管外面で凝縮液化する。凝縮液化した冷媒液は凝縮器４の底部から冷媒配管３５を通って高圧蒸発器１６に導かれる。

高圧蒸発器１６下部に溜められた冷媒液は、一部が連通管３８を流れて低圧蒸発器１８に送られ、残部が冷媒ポンプ２２により高圧蒸発器１６上部の冷媒散布装置１７に送られる。

冷媒散布装置１７から散布された冷媒液は、垂直管１４の上部の開口部から管内面を流下し、管外を流下する低圧吸収器１５の溶液からの吸収熱で加熱され蒸発する。蒸発した冷媒蒸気は、垂直管１４の上下の開口部からエリミネータ９を通って高圧吸収器６へ送られる。垂直管１４の管内面で蒸発しきれなかった冷媒液は高圧蒸発器１６下部に溜められる。

また、連通管３８を通って高圧蒸発器１６から低圧蒸発器１８に送られた冷媒液は、冷媒配管３６内を冷媒ポンプ２１により低圧蒸発器１８上部の冷媒散布装置１９に送られる。

冷媒散布装置１９の冷媒液は、伝熱管２０の管外に散布され、伝熱管２０の管内を流れる冷水から熱を奪って蒸発し、エリミネータ１３を通って低圧吸収器１５に送られる。伝熱管２０上で蒸発しきれなかった冷媒液は低圧蒸発器１８下部に溜められる。

以上説明したように本実施形態に係る吸収式冷凍機１００においては、垂直に設置した垂直管１４の管外面で冷媒蒸気を吸収した溶液の吸収熱を、垂直管１４の管内面を流下する冷媒液の蒸発潜熱で直接冷却するようにしているので、低圧吸収器１５と高圧蒸発器１６の間の熱損失を小さくすることができ、装置の小型化に寄与できる。

吸収式冷凍機１００によれば、低圧吸収器１５および高圧蒸発器１６は、複数本の垂直に延びる垂直管（伝熱管）１４を有し、各垂直管１４の管内が高圧蒸発器１６を構成し、各垂直管１４の管外が低圧吸収器１５を構成する。そして、再生器１に接続され再生器１で濃縮された溶液を高圧吸収器６および低圧吸収器１５へ送るための溶液配管２９は分岐部Ａを有し、分岐部Ａから、高圧吸収器６に溶液を送るための溶液配管３０と、低圧吸収器１５に溶液を送るための溶液配管３１とに分岐している。

かかる構成によれば、高圧吸収器６よりも低圧吸収器１５への溶液の流入量を多くすることができる。垂直管１４により構成された低圧吸収器１５では、隣接する垂直管１４同士を互いに移動することができないため、各垂直管１４に供給された溶液は伝熱面をほぼ直線的に流下することになる。したがって、かかる構成にすることによって、各垂直管１４への溶液の供給量（液膜流量）を多くすることができ、伝熱面を濡らし有効伝熱面積の最大化を図ることができる。

また、分岐部Ａから高圧吸収器６に溶液を送るための溶液配管３０には、流量調整手段としての流量調整弁３９が設けられている。分岐部Ａから高圧吸収器６までの溶液の圧力損失を、分岐部Ａから低圧吸収器１５までの溶液の圧力損失より容易に大きくすることができ、高圧吸収器６より低圧吸収器１５への溶液の流入量を多くすることができる。また、高圧吸収器６および低圧吸収器１５への溶液循環量を任意に調整できるので、自由度のある機器配置をすることができる。なお、分岐部Ａから高圧吸収器６までの溶液の圧力損失を、分岐部Ａから低圧吸収器１５までの溶液の圧力損失より大きくすることが可能な流量調整手段は、流量調整弁３９に限らず、オリフィスであってもよいし、他の手段であってもよい。

また、再生器１から分岐部Ａへ溶液を送るための溶液配管２９と低圧吸収器１５から再生器１へ溶液を送るための溶液配管３２との間で熱交換を行う高温側の溶液熱交換器２７と、分岐部Ａから低圧吸収器１５に溶液を送るための溶液配管３１と低圧吸収器１５から再生器１へ溶液を送るための溶液配管３４との間で熱交換を行う低温側の溶液熱交換器と、をさらに備え、分岐部Ａは、高温側の溶液熱交換器２７と低温側の溶液熱交換器２６との間に位置する。これにより、伝熱管８を水平配置した高圧吸収器６と、伝熱管１４を垂直配置した低圧吸収器１５に適した溶液量を供給することができるので、高圧吸収器６および低圧吸収器１５における冷媒蒸気の吸収を効率よく行うことができる。

また、低圧吸収器１５から再生器１へ溶液を送るための溶液配管３２、３４において、低圧吸収器１５と低温側の溶液熱交換器２６との間には溶液ポンプ２３が設けられ、低温側の溶液熱交換器２６と高温側の溶液熱交換器２７との間には合流部Ｂを有し、合流部Ｂには、高圧吸収器６から延び溶液ポンプ２４が設けられた溶液配管３３が接続されている。

これにより、合流部Ｂにおいて、高圧吸収器６からの溶液を溶液ポンプ２４で昇圧することで逆流を防止し、低圧吸収器１５からの溶液を溶液熱交換器２６で昇温させることで、高圧吸収器６からの溶液の温度差で生じる自己蒸発を防止し、溶液の循環を妨げることなく運転することができる。

また、再生器１は、水平配置した複数本の伝熱管３を有し、再生器１に導かれた溶液が当該伝熱管３外を流下液膜式で流下するように構成されている。図２は、流下液膜式の熱交換器とした再生器１における溶液散布流量と伝熱管３の管外熱伝達率との関係を示す図である。横軸が溶液散布流量、縦軸が伝熱管の管外熱伝達率を示す。図２に示すように、溶液散布流量を増加させると、管外熱伝導率は増加する。

本実施形態では、再生器１への溶液流入量は、高圧吸収器６と低圧吸収器１５からの溶液を合流させた分となる。つまり、再生器１への溶液流入量が、特許文献１のように高圧吸収器６、低圧吸収器１５の順で流した場合より多くすることができる。本実施形態のように、再生器１を水平配置した伝熱管３とし伝熱管３外を溶液が流下液膜式で熱交換する場合、図２に示すように溶液散布量の増加に比例して管外熱伝達率を向上させることができる。よって、本実施形態では、低圧吸収器１５の垂直管１４と高圧吸収器６の水平配置した伝熱管８に適した溶液流入量に設定することができるとともに、再生器１への溶液流入量が増加することにより管外熱伝達率を向上できる。

第２の実施形態
図３は、本発明の第２の実施形態に係る吸収式冷凍機１１０のサイクル系統図である。

第１の実施形態に係る吸収式冷凍機１００と同一の構成については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。図３に示すように、低温側の溶液熱交換器２６と高温側の溶液熱交換器２７との間にはエゼクタ５０が設けられ、エゼクタ５０には、高圧吸収器６から延びる溶液配管３３が接続されている。

高圧吸収器６からの溶液は、溶液配管３３を介してエゼクタ５０に送られる。低圧吸収器１５からの溶液は、溶液配管３４内を溶液ポンプ２３により溶液熱交換器２６を介してエゼクタ５０に送られる。エゼクタ５０は、低圧吸収器１５からの溶液ポンプ２３で昇圧された溶液を駆動液として、高圧吸収器６からの溶液を吸引して合流させる。合流後の溶液は、溶液配管３２内を溶液熱交換器２７を介し再生器１に送られる。

これにより、第１の実施形態の溶液ポンプ２４をエゼクタ５０に置き換えることができるので、コストを低減し、消費電力を低減することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。

例えば、再生器１からの溶液を、低圧吸収器１５の垂直管１４と高圧吸収器６の水平配置した伝熱管８とに並列に散布する構成を有するものであれば、図１と図３のサイクル系統図に限定されることない。すなわち、図１と図３の溶液循環経路が組込まれた装置であれば、再生器１が複数ある場合や、複数のサイクルを組合せた場合であってもよく、上記の実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。

１：再生器
２、７、１２：溶液散布装置
３、５、８、２０：水平配置された複数本の伝熱管
４：凝縮器
６：高圧吸収器
９、１３：エリミネータ
１０、１１：管板
１４：垂直管
１５：低圧吸収器
１６：高圧蒸発器
１７、１９：冷媒散布装置
１８：低圧蒸発器
２１、２２：冷媒ポンプ
２３、２４、２５：溶液ポンプ
２６、２７：溶液熱交換器
２８：蒸気通路
２９、３０、３１、３２、３３、３４：溶液配管
３５、３６、３７：冷媒配管
３８：連通管
５０：エゼクタ

Claims (6)

1. 低圧蒸発器、低圧吸収器、高圧蒸発器、高圧吸収器、凝縮器、再生器、冷媒ポンプ、および溶液ポンプを備え、
   前記低圧吸収器および前記高圧蒸発器は、略鉛直に延びる伝熱管を有し、各伝熱管の管内が前記高圧蒸発器を構成し、各伝熱管の管外が前記低圧吸収器を構成し、
   前記再生器に接続され前記再生器で濃縮された溶液を前記高圧吸収器および前記低圧吸収器へ送るための溶液配管は分岐部を有し、前記分岐部から、前記高圧吸収器に溶液を送るための溶液配管と、前記低圧吸収器に溶液を送るための溶液配管とに分岐している、吸収式冷凍機。
2. 前記分岐部から前記高圧吸収器に溶液を送るための溶液配管には、流量調整手段が設けられている、請求項１に記載の吸収式冷凍機。
3. 前記再生器から前記分岐部へ溶液を送るための溶液配管と、前記低圧吸収器から前記再生器へ溶液を送るための溶液配管と、の間で熱交換を行う高温側の溶液熱交換器と、
   前記分岐部から前記低圧吸収器に溶液を送るための溶液配管と、前記低圧吸収器から前記再生器へ溶液を送るための溶液配管と、の間で熱交換を行う低温側の溶液熱交換器と、をさらに備え、
   前記分岐部は、前記高温側の溶液熱交換器と前記低温側の溶液熱交換器との間に位置する、請求項１または請求項２に記載の吸収式冷凍機。
4. 前記低圧吸収器から前記再生器へ溶液を送るための溶液配管において、前記低圧吸収器と前記低温側の溶液熱交換器との間には溶液ポンプが設けられ、前記低温側の溶液熱交換器と前記高温側の溶液熱交換器との間には合流部を有し、前記合流部には、前記高圧吸収器から延び溶液ポンプが設けられた溶液配管が接続されている、請求項３に記載の吸収式冷凍機。
5. 前記低圧吸収器から前記再生器へ溶液を送るための溶液配管において、前記低圧吸収器と前記低温側の溶液熱交換器との間には溶液ポンプが設けられ、前記低温側の溶液熱交換器と前記高温側の溶液熱交換器との間にはエゼクタが設けられ、前記エゼクタには、前記高圧吸収器から延びる溶液配管が接続されている、請求項３に記載の吸収式冷凍機。
6. 前記再生器は、略水平配置した伝熱管を有し、前記再生器に導かれた溶液が当該伝熱管外を流下液膜式で流下するように構成されている、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の吸収式冷凍機。
   

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