JP3684897B2 - 吸収冷凍機の縦型吸収器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸収冷凍機，吸収冷温水機に係り、特にその一部をなす、吸収液を液膜として流下させ冷媒蒸気を吸収する縦型吸収器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、吸収剤として例えば臭化リチウムを用い、冷媒として例えば水を用いる吸収冷温水機が特開平７−７７３６７号公報に開示されている。該公報の吸収冷温水機の例を図４を参照して説明する。吸収冷凍機も基本的な構成はほぼ同じである。吸収溶液のＬiＢr濃度は、作動流体が装置内を循環するにつれて変動するが、この変動はほぼ３段階に分けることができ、濃度レベルの低い方から、希溶液、中間濃溶液、濃溶液と呼ぶ。
【０００３】
図示の吸収冷温水機は、上部低温胴１、その下方に配置された下部低温胴５、それらと別体に構成された高温再生器８、低温溶液熱交換器１４と、高温溶液熱交換器１５、低温ポンプ１７、高温ポンプ２２、冷媒ポンプ３３を配管接続し、吸収冷凍サイクルを構成している。
【０００４】
上部低温胴１は、低温再生器２及び凝縮器３から構成され、凝縮器３の下部には液溜り４が設けられている。下部低温胴５は、蒸発器６と吸収器７を含んで構成され、蒸発器６と前記凝縮器３は管路３１で連通されているとともに、蒸発器６の底部には下部溜り３２が、吸収器７の底部には液溜り１６が、それぞれ形成されている。高温再生器８は、燃焼室９と、燃焼室９に装着された燃焼装置１３と、燃焼室９に接続された排気筒１２と、燃焼室９の周囲を覆って二重壁様に形成された熱回収器１０と、熱回収器１０に接続して配置された気液分離器１１と、を含んで構成されている。
【０００５】
吸収器７の下部の液溜り１６の希溶液は、低温ポンプ１７により管路１８、１９、低温溶液熱交換器１４、管路２０を経て、低温再生器２に送られる。低温再生器２に送られた希溶液は、気液分離器１１から管路２１を経て流入する高温の冷媒蒸気により濃縮され、中間濃溶液となる。この中間濃溶液は低温再生器２を出てから２分され、一方は管路２８に導かれ、他方は高温ポンプ２２により、管路２３、２４、高温溶液熱交換器１５の被加熱流体側、管路２５を経て高温再生器８に送られる。高温再生器８に送られた中間濃溶液は、燃焼装置１３の燃焼によって加熱され、熱回収器１０の中を上昇し、気液分離器１１に入り、冷媒蒸気と濃溶液に分離される。この濃溶液は、高温再生器８内の圧力約６５０mmＨgと、下部低温胴５の内部の圧力約６mmＨgとの差圧により、濃溶液管路２６、高温溶液熱交換器１５の加熱流体側、管路２７を経て、先に分流した管路２８の中間濃溶液と合流し、混合されて混合濃溶液となる。この混合濃溶液は、次いで低温溶液熱交換器１４の加熱流体側、管路２９を経て吸収器７の散布装置３０に導かれ、吸収器７の伝熱管上に散布される。散布された混合濃溶液は、蒸発器６から流入する冷媒蒸気を吸収して希溶液となり、吸収器底部の液溜り１６に流下する。液溜り１６に流下した冷媒は、上記サイクルを繰り返す。
【０００６】
一方、気液分離器１１で分離された冷媒蒸気は、管路２１を経て低温再生器２に入り、管路２０を経て低温再生器２に導入される希溶液を加熱する。希溶液を加熱して凝縮液化された冷媒液は管路４６を経て凝縮器３に導かれ、また、冷媒蒸気に加熱されて前記希溶液から発生した冷媒蒸気は凝縮器３に導かれて凝縮し、冷媒液となる。これらの冷媒液は、管路３１を経て蒸発器６に入り、下部溜り３２に貯溜される。この冷媒液は、冷媒ポンプ３３により、管路３４、管路３５を経て蒸発器６に内装された散布装置３６に送られ、蒸発器６の伝熱管上に散布される。
【０００７】
冷房に供するための冷水は、管路３７から蒸発器６に入り、散布装置３６から滴下される冷媒の蒸発潜熱により冷却され、蒸発器から管路３８を経て流出する。吸収器７を冷却する冷却水は、管路３９、管路４０、管路４１を経て流出し、途中の吸収器７では吸収熱を、凝縮器３では凝縮熱を奪い、系外へ持ち出す。また、前記冷媒溜り４の底部と蒸発器６を連通する管路に介装された冷暖切換弁６０を開き、さらに、管路３９に供給する冷却水を止めることにより、管路３８から温水を得ることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の如き吸収冷温水機あるいは吸収冷凍機における吸収器として、多数の伝熱管（以下吸収管という）を縦方向に設置した図５に示すような縦型の吸収器が用いられることがある。図示の縦型吸収器は、縦方向に設置した多数の吸収管７Ａと、各吸収管７Ａの下端が接続された吸収管下部ヘッダー７Ｂと、各吸収管７Ａの上端が接続された吸収器上部ヘッダー７Ｃと、を含んで構成され、吸収管下部ヘッダー７Ｂには希溶液を取り出す管路１８が、吸収器上部ヘッダー７Ｃには混合濃溶液を供給する管路２９が、それぞれ接続されている。
【０００９】
各吸収管７Ａの上端は吸収器上部ヘッダー７Ｃの底面をなす仕切り板７Ｅから上方に突出しており、吸収器上部ヘッダー７Ｃに供給された混合濃溶液は、吸収器上部ヘッダー７Ｃに一旦貯溜されたのち、各吸収管７Ａ内部に滴下される。この縦型吸収器７においては、吸収管上部と吸収器上部ヘッダー７Ｃにより散布装置３０が構成されている。
【００１０】
図６に散布装置３０の詳細を示す。図示のように、各吸収管７Ａの上端は吸収器上部ヘッダー７Ｃの底面（以下、仕切り板という）７Ｅから上方に突出しており、突出部分の吸収管７Ａの壁面に溶液滴下口７Ｄが形成されている。吸収器上部ヘッダー７Ｃに一旦貯溜された混合濃溶液は、溶液滴下口７Ｄから吸収管７Ａ内部に導かれ、吸収管７Ａ内壁面に液膜を形成しつつ流下する。一方、蒸発器６から流入した冷媒蒸気は、吸収管７Ａの上端から吸収管７Ａ内に流入し、液膜を形成しつつ流下する混合濃溶液に吸収されるのである。
【００１１】
冷媒蒸気は先に述べたように吸収管７Ａの上端から吸収管７Ａ内に流入するが、各吸収管７Ａの上端は、図示のように、吸収器上部ヘッダー７Ｃの仕切り板７Ｅから上方に突出しており、したがって、吸収器上部ヘッダー７Ｃに貯溜された混合濃溶液（以下、吸収液という）５０の液面からも上方に突きでた形となっている。この形状は、冷媒蒸気が吸収管に流入するときの蒸気の入り口損失が大きくなる形状である。
【００１２】
また、図７に示すような形状の散布装置も特開平７−７７３６７号公報に開示されている。図７に示す構成では、吸収器上部ヘッダーの底面をなす下段仕切り板６８の上方に上段仕切り板６６を配置し、大径伝熱管８２の上端を下段仕切り板６８の上方に突出させて堰７８を形成し、大径伝熱管８２の上端部に小径伝熱管６４の下部を挿入するとともに該小径伝熱管６４の上端部を上段仕切り板６６の上方に突出させている。供給される吸収液７７は、一旦、下段仕切り板６８上の吸収液室７２に貯溜され、堰７８の上端を越えて大径伝熱管８２の内周と小径伝熱管６４の外周の間の隙間８０から大径伝熱管８２の内周壁に沿って流下する。一方、冷媒蒸気は、上段仕切り板６６の上方に突出した小径伝熱管６４の上端から小径伝熱管６４に流入し、小径伝熱管６４を経て吸収面をなす大径伝熱管８２に流入する。したがって、突出部を通過することによる圧力損失と、小径部を通過することによる流速増加に伴う圧力損失が生ずる。
【００１３】
一般的に、吸収器における冷媒蒸気の吸収量の大小は、蒸発器での蒸発圧力と、吸収液のもつ飽和蒸気圧の差の大きさに依存する。この差が大きければ、溶液の冷媒蒸気吸収量は大きくなる。ところで、吸収面近傍（吸収管内壁面近傍）における冷媒蒸気圧力は、蒸発器で蒸発した冷媒蒸気が吸収面近傍に到達するまでに生ずる圧力損失があるため、蒸発圧力よりも低くなる。その圧力損失の大きさは、吸収量の低下となって表れる。したがって、冷媒蒸気が蒸発器から吸収面近傍に到達するまでに生ずる圧力損失をできるだけ少なくすることが、冷媒蒸気の吸収量を大きくする上で重要になる。
【００１４】
ＬiＢr溶液を吸収液に用いる吸収冷凍機においては、吸収器の圧力は低く、数Ｔorrのオーダーとなっており、冷媒蒸気は蒸発器から吸収器の吸収管に速い速度で流入する。したがって、冷媒蒸気の流路に障害物や絞りがあると、冷媒蒸気の流れが妨げられ、吸収管に流入する冷媒蒸気量が低下して吸収器の性能が落ちる。特に最も冷媒蒸気の流速が速くなる吸収管上端部の冷媒蒸気入り口部には、冷媒蒸気の流れを阻害する障害物があってはならない。前記図７に示す従来技術の例では、吸収管上端部の冷媒蒸気入り口部が小径伝熱管６４で構成されているため、冷媒蒸気の吸収管への流入量が小径伝熱管６４の内径で制限され、高い吸収能力は期待できない。また、図６に示す例では、ストレート管が用いられ、滴下機構も冷媒蒸気の流れへの抵抗とならないように工夫されている。しかし、吸収管上部での流速は依然速く、ここでの流速を、流量を低下させることなく落して圧力損失を減らすことが重要である。
【００１５】
本発明の課題は、縦型吸収器における冷媒蒸気の吸収管への流入量を増やして吸収器の性能を向上させるにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、吸収管上部での冷媒蒸気の流速と通過面積（流路断面積）に着目し、冷媒蒸気の吸収管への流入量を増加させて吸収器の性能向上を図るものである。
【００１７】
上記の課題を達成するための本発明の第１の手段は、ほぼ水平に配置された仕切り板と、該仕切り板の上方に上端部を突出させ、その軸線をほぼ鉛直方向にして配置された複数個の伝熱管とを含んでなり、前記仕切り板上に貯溜され前記伝熱管の壁面に開口された溶液滴下口を経て伝熱管内周壁に沿って流下する吸収液に、前記伝熱管の上端部から流入する冷媒蒸気を吸収させる縦型吸収器において、前記伝熱管の上端部から前記溶液滴下口の下方の所定位置に至る範囲の伝熱管の内径を、それより下方の前記伝熱管本来の内径ｄ₁よりも、拡大してあることを特徴とする。
【００１８】
上記の課題を達成するための本発明の第２の手段は、上記第１の手段において、伝熱管の上端部から前記溶液滴下口の下方の所定位置に至る範囲の伝熱管の内径が、伝熱管の上端部から前記溶液滴下口の下方の中間位置に至る第１の範囲と、前記溶液滴下口の下方の中間位置から前記中間位置の下方の前記所定位置に至る第２の範囲の２段階に分けて拡大され、第１の範囲では均一の大きさの内径ｄ₂（＞ｄ₁）に、第２の範囲では内径ｄ₂から内径ｄ₁となるようにテーパ状に、それぞれ拡大されていることを特徴とする。
【００１９】
上記の課題を達成するための本発明の第３の手段は、上記第１の手段において、伝熱管の上端部から前記溶液滴下口の下方の所定位置に至る範囲の伝熱管の内径が、上端部で最大の内径ｄ₂（＞ｄ₁）となり、下方になるにつれて小さくなり前記所定位置で内径ｄ₁となるように、テーパ状に拡大されていることを特徴とする。
【００２０】
上記の課題を達成するための本発明の第４の手段は、上記第１乃至第３の手段において、ｄ₂＝１.０５ｄ₁〜１.２ｄ₁であることを特徴とする。
【００２１】
そして、吸収冷凍機や吸収冷温水機の一部を構成する吸収器として、上記第１乃至第４の手段のいずれかに記載された縦型吸収器を用いることにより、吸収冷凍機や吸収冷温水機の性能を向上させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１，図２を参照して説明する。
【００２３】
図１は本発明の第１の実施の形態を示す。本実施の形態が前記図５に示す従来技術と異なるのは、吸収管７Ａの上端部から下方に距離ｓの位置までの範囲を、内径がｄ₂となるように拡大してある点である。他の構成は図５，図６と同じであるので図示並びに説明を省略する。距離ｓは大きいほど効果があるが、少なくとも溶液滴下口７Ｄが内径拡大範囲に含まれるよう設定される。また、吸収管上端部の内径拡大後の内径ｄ₂はできるだけ大きい方がよいが、加工上の制約を考慮すると、吸収管７Ａの元々の内径をｄ₁としたとき、概ね、ｄ₂＝１.０５ｄ₁〜１.２ｄ₁とするのが望ましい。ｄ₁＜ｄ₂＜１.０５ｄ₁であっても、効果は得られる。
【００２４】
上記構成とすることにより、吸収管上部での流路断面積が増加し、同一流量であれば流速が低下する。流速の低下により吸収管入り口部での圧力損失が低減され、吸収面近傍での冷媒蒸気圧力を高めることができる。
【００２５】
本実施の形態において、吸収試験を行った。吸収管は、拡管前の内径ｄ₁＝１７．３ｍｍの管を用い、拡管後の内径ｄ₂＝１９ｍｍ、前記ｓ＝５０ｍｍとした管を用いた。本実施の形態の吸収管は、拡管していない管に比べ、３〜６％の吸収能力の向上を示した。
【００２６】
図２に本発明の第２の実施の形態を示す。本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なるのは、吸収管上部の内径の拡大が中間位置で連続する二つの領域に分けて行われ、上側（吸収管の入り口側）の第１の領域（伝熱管上端部から中間位置まで）では均一な内径ｄ₂に内径が拡大され（ストレート拡管）、下側の第２の領域（中間位置から前記所定位置まで）では内径ｄ₂から内径ｄ₁に変化するテーパ状に内径が拡大されていることである。この場合も、概ね、ｄ₂＝１.０５ｄ₁〜１.２ｄ₁とするのが望ましい。また、溶液滴下口７Ｄは、第１の領域に含まれるように距離ｓ₁を設定するのが望ましい。第２の領域の距離ｓ₂も、冷媒蒸気を滑らかに吸収管の内径が拡大されていない部分に導入するために、可能なかぎり長くするのが望ましい。
本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００２７】
テーパ状の拡管もストレートの拡管も、拡管ツールにより施工可能である。
【００２８】
図３は、本発明の第３の実施の形態である縦型吸収器の吸収管上端部分を示す断面図である。本実施の形態が前記図５に示す従来技術の縦型吸収器と異なるのは、吸収管７Ａの上端部から下方に距離ｓの位置（以下、所定位置という）までの範囲を、上端部が最大径となるように、テーパ状に内径を拡大してある点である。他の構成は図５，図６と同じであるので図示並びに説明を省略する。
【００２９】
距離ｓは大きいほど効果があるが、少なくとも溶液滴下口７Ｄが内径拡大範囲に含まれるよう設定される。また、吸収管上端部の内径拡大後の内径ｄ₂はできるだけ大きい方がよいが、加工上の制約を考慮すると、吸収管７Ａの元々の内径をｄ₁としたとき、概ね、ｄ₂＝１.０５ｄ₁〜１.２ｄ₁とするのが望ましい。ｄ₁＜ｄ₂＜１.０５ｄ₁であっても、効果は得られる。
【００３０】
上記構成とすることにより、吸収管上部での流路断面積が増加し、同一流量であれば流速が低下する。流速の低下により吸収管入り口部での圧力損失が低減され、吸収面近傍での冷媒蒸気圧力を高めることができる。また、吸収管上部をテーパ状にすることにより、冷媒蒸気が滑らかに吸収管内に導入され、縮流による圧力損失も低減される。これらの作用により、吸収管に流入する冷媒蒸気の量が増加し、吸収器の性能が向上する。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、冷媒蒸気の流れが最も速く、流入量の制限を受けやすい吸収管入り口上部の内径を広げることで、流速を低減させるとともに冷媒蒸気の流入量を増やすことが可能となり、吸収器の吸収能力が向上し、したがって、吸収冷凍機あるいは吸収冷温水機の冷凍能力が向上する効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の部分を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の部分を示す断面図である
【図３】本発明の第３の実施の形態の部分を示す断面図である
【図４】吸収冷温水機の全体構成の例を示す系統図である。
【図５】従来技術の例を示す断面図である。
【図６】図４に示す従来技術の部分の詳細を示す断面図である。
【図７】従来技術の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 上部低温胴 ２ 低温再生器
３ 凝縮器 ４ 冷媒溜り
５ 下部低温胴 ６ 蒸発器
７ 吸収器 ７Ａ 吸収管
７Ｂ 吸収管下部ヘッダー ７Ｃ 吸収器上部ヘッダー
７Ｄ 溶液滴下口 ７Ｅ 仕切り板
８ 高温再生器 ９ 燃焼室
１０ 熱回収器 １１ 気液分離器
１２ 排気筒 １３ 燃焼装置
１４ 低温溶液熱交換器 １５ 高温溶液熱交換器
１６ 液溜り １７ 低温ポンプ
１８，１９，２０，２１ 管路 ２２ 高温ポンプ
２３，２４，２５ 管路 ２６ 濃溶液管路
２７，２８，２９ 管路 ３０ 散布装置
３１ 管路 ３２ 下部溜り
３３ 冷媒ポンプ ３４，３５ 管路
３６ 散布装置 ３７，３８，３９，４０ 管路
４１，４６ 管路 ５０ 吸収液
６０ 冷暖切換弁 ６４ 小径伝熱管
６６ 上段仕切り板 ６８ 下段仕切り板
７０ キャップ ７０Ａ 開口
７２ 吸収液室 ７７ 吸収液
７８ 堰 ８０ 隙間
８２ 大径伝熱管

Claims (6)

1. ほぼ水平に配置された仕切り板と、該仕切り板の上方に上端部を突出させ、その軸線をほぼ鉛直方向にして配置された複数個の伝熱管とを含んでなり、前記仕切り板上に貯溜され前記伝熱管の壁面に開口された溶液滴下口を経て伝熱管内周壁に沿って流下する吸収液に、前記伝熱管の上端部から流入する冷媒蒸気を吸収させる縦型吸収器において、前記伝熱管の上端部から前記溶液滴下口の下方の所定位置に至る範囲の伝熱管の内径を、それより下方の前記伝熱管の本来の内径ｄ₁よりも、拡大してあることを特徴とする縦型吸収器。
2. 伝熱管の上端部から前記溶液滴下口の下方の所定位置に至る範囲の伝熱管の内径が、伝熱管の上端部から前記溶液滴下口の下方の中間位置に至る第１の範囲と、前記溶液滴下口の下方の前記中間位置から前記中間位置の下方の前記所定位置に至る第２の範囲の２段階に分けて拡大され、第１の範囲では均一の大きさの内径ｄ₂に、第２の範囲では内径ｄ₂（＞ｄ₁）から内径ｄ₁となるようにテーパ状に、それぞれ拡大されていることを特徴とする請求項１に記載の縦型吸収器。
3. 伝熱管の上端部から前記溶液滴下口の下方の所定位置に至る範囲の伝熱管の内径が、上端部で最大の内径ｄ₂（＞ｄ₁）となり、下方になるにつれて小さくなり前記所定位置で内径ｄ₁となるように、テーパ状に拡大されていることを特徴とする請求項１に記載の縦型吸収器。
4. ｄ₂＝１.０５ｄ₁〜１.２ｄ₁であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の縦型吸収器。
5. 再生器、凝縮器、蒸発器、吸収器、溶液熱交換器及び溶液循環ポンプを順次配管接続して吸収冷凍サイクルを構成してなる吸収冷凍機において、前記吸収器が、請求項１乃至４のいずれかに記載の縦型吸収器であることを特徴とする吸収冷凍機。
6. 再生器、凝縮器、蒸発器、吸収器、溶液熱交換器及び溶液循環ポンプを順次配管接続して吸収冷凍サイクルを構成してなる吸収冷温水機において、前記吸収器が、請求項１乃至４のいずれかに記載の縦型吸収器であることを特徴とする吸収冷温水機。

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