JP3832191B2 - 吸収冷凍機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作動温度の異なる2組の蒸発器と吸収器を有する吸収冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の吸収冷凍機では、例えば特開平１１−３０４２７７号公報に記載のように、高温再生器と低温再生器で濃縮された吸収溶液の全てを、高温吸収器に導いている。そして、高温吸収器から流出した溶液を、低温溶液熱交換器の加熱側を経由して低温吸収器に導いている。その結果、低温吸収器における吸収溶液の入口濃度を、高温吸収器における吸収溶液の出口濃度に同じにしている。また、高温蒸発器の加熱側と低温吸収器の被加熱側を配管で接続して、蒸発熱と吸収熱を授受していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に記載の吸収冷凍機では、高温吸収器に供給される冷却水の温度が低下すると、高温蒸発器内の圧力が低下して冷媒が凍結するおそれがある。そのため、冷却水温度の下限値を高く設定する必要があり、冷却水温度の許容範囲が小さい。また、冷媒凍結を回避しようとして高温再生器の入熱量を低下させると、低温蒸発器における伝熱量が低下し、所望の冷凍能力が得られなくなる。さらに、吸収サイクル全体の温度レベルを上げて、冷媒凍結を回避すると低温蒸発器の蒸発温度も上昇して所望の冷凍温度が得られなくなる。
【０００４】
さらに、上記特開平11-304277号公報に記載の吸収冷凍機では、高温蒸発器の加熱側と低温吸収器の被加熱側を接続しているので、管内を流れる伝熱媒体に広く採用されている水(冷却水)を用いると、管内温度が低下して高温蒸発器の管内を流れる水が凍結する恐れがある。高温蒸発器内の伝熱管が破損すると、真空破壊を生じ、吸収冷凍機の故障の一因となる。この不具合を回避するために、伝熱媒体にブライン等の不凍液を用いるとコストが増大する。なお、伝熱媒体を水から他の媒体に変更すると伝熱性能が低下し、それに伴い伝熱面積の増大や蒸発器の大型化を引き起こす。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、吸収冷凍機における冷媒や伝熱媒体の凍結を防止することにある。本発明の他の目的は、氷温以下の冷熱を取り出すことができる、信頼性の高い吸収冷凍機を実現することにある。そして本発明では、少なくともこれらのいずれかの目的を達成すればよい。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
再生器、凝縮器、高温蒸発器、低温蒸発器、高温吸収器及び低温吸収器を備えた吸収冷凍機において、高温蒸発器で冷却された伝熱媒体を低温吸収器に循環させて低温吸収器の冷却を行うように循環路を形成し、再生器で加熱濃縮された濃溶液を、低温吸収器及び高温吸収器で冷媒を吸収して薄められた稀溶液と熱交換する熱交換器を設け、また高温吸収器の溶液溜めから低温吸収器へ導く配管と、前記熱交換器で熱交換して冷却された濃溶液を前記高温吸収器に導く第１の流路と前記第 1 の流路から分岐され前記低温吸収器に導く配管にパイパスして導く前記低温吸収器に導く第２の流路とを設け、前記第２の流路に流量制御手段を設けると共に前記高温蒸発器に冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段を設け、この冷媒温度を検出手段が検出した冷媒温度に基づいて前記流量制御手段を制御する制御装置を設けたものである。
【０００９】
そして好ましくは、前記循環路に伝熱媒体の温度を検出する伝熱媒体温度検出手段を設け、この温度検出手段が検出した伝熱媒体温度に基づいて前記高温吸収器内を流通する冷却水の温度と流量の少なくともいずれかを制御する制御装置とを備えたものである。
【００１０】
さらに好ましくは、前記循環路に設けた伝熱媒体の温度を検出する伝熱媒体の温度検出手段と、前記高温吸収器の冷却水入口と前記高温吸収器から外部へ冷却水が流出する流出部より下流位置とを結ぶバイパス配管と、このバイパス配管中に設けられた流量制御手段と、前記温度検出手段が検出した伝熱媒体温度に基づいて前記高温吸収器内を流通する冷却水の流量を、前記流量制御手段を用いて制御する制御装置とを備えたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の吸収冷凍機の一実施例を、図１を用いて説明する。吸収冷凍機２００は、低温蒸発器１、低温吸収器２、高温蒸発器３、高温吸収器４、凝縮器５、低温再生器６、高温再生器７、低温溶液熱交換器８、中温溶液熱交換器９、高温溶液熱交換器１０およびドレンクーラ７１とを備えている。吸収冷凍機２００の内部には作動流体として冷媒と吸収溶液が充填されている。冷媒は水で、吸収溶液は臭化リチウム水溶液である。吸収冷凍機200を構成する上記各機器は、配管で接続されている。その配管中には、溶液ポンプ２１、４１、６１、希薄溶液ポンプ１２、冷媒ポンプ３１、熱媒体ポンプ３３、冷却水ポンプ４３が配置されている。また、配管またはその内部を流れる作動流体の温度を検出する温度センサ１４、３４、３５、４４が、配管中または配管近傍に取付けられている。
【００１３】
このように構成した吸収冷凍機２００においては、高温再生器７および低温再生器６において、冷媒は吸収溶液から加熱分離され冷媒蒸気になる。高温再生器７で発生した冷媒蒸気は、低温再生器６内に設けた伝熱管６ａに導かれる。その際、低温再生器6内の上部に配置した散布装置６ｂから伝熱管６aの周囲に散布された吸収溶液により冷却される。また、伝熱管６a外で発生した冷媒蒸気は凝縮器５に導かれ、凝縮器５内に配置した伝熱管５a内を流れる冷却水により冷却される。これら、伝熱管５a、６a内を流れる冷媒は、冷却されて凝縮する。凝縮した冷媒は凝縮器５の底部に導かれた後、配管５１を介して高温蒸発器３に導かれる。
【００１４】
高温蒸発器３に導かれた冷媒は、高温蒸発器３の底部の冷媒溜り３ｃに溜められる。そして、この冷媒溜り３ｃに配管を介して接続された冷媒ポンプ３１により、その一部が高温蒸発器３に送られる。そして高温蒸発器３内の上部に配置された冷媒散布手段３ｂから、高温蒸発器３内に配置された伝熱管３aの周囲に散布される。その際、伝熱管３ａ内を流れる伝熱媒体により加熱されて蒸発し、冷媒蒸気となる。発生した冷媒蒸気は、高温吸収器４に導かれ、吸収溶液に吸収される。高温蒸発器３の冷媒溜り３ｃに溜まった冷媒の残りの一部は、配管１１を介して低温蒸発器１の下部に設けた冷媒溜り１ｃに導かれる。
【００１５】
低温蒸発器１内の冷媒には、少量の吸収剤が混入されている。この吸収剤が混入した希薄溶液である冷媒の濃度は、０℃以下においても凍結しない濃度に調整されている。この希薄溶液は、希薄溶液ポンプ１２により低温蒸発器１の冷媒溜り１ｃから低温蒸発器１内の上部に設けられたに散布装置１ｂに送られる。そして、散布装置１ｂから低温蒸発器１内に配置した蒸発伝熱管１aの周囲に散布される。その際、伝熱管１a内を流れる冷熱媒体により加熱される。
【００１６】
希薄溶液が加熱されると、希薄溶液から冷媒の一部が蒸発して、冷媒蒸気を発生する。発生した冷媒蒸気は低温吸収器２に導かれ、低温吸収器２内の吸収溶液に吸収される。蒸発しないで残った冷媒と吸収剤(臭化リチウム)は、伝熱管１aの回りを伝ってまたは回りから冷媒溜り１ｃに流下する。この流下した冷媒は、高温蒸発器からの冷媒と混合し、再び希薄溶液ポンプ１２によって散布装置１ｂに送られる。
【００１７】
蒸発伝熱管１a内を流通する冷熱媒体は、冷媒の蒸発熱によって冷却される。その後、冷熱媒体配管１３を介して吸収冷凍機２００から冷熱需要先に供給される。冷熱需要先で冷熱を利用して温度が上昇した冷熱媒体は、再び低温蒸発器１に導かれて冷却される。冷熱媒体は、このように吸収冷凍機２００と図示しない冷熱需要先との間を循環する。なお、本実施例においては、温度が０℃以下となっても凍結しないブライン等の不凍液を冷熱媒体に用いている。
【００１８】
低温吸収器２内には、吸収伝熱管２aが配置されている。吸収伝熱管２aの回りに、吸収溶液が散布装置２ｂから散布されている。散布された吸収溶液は吸収伝熱管２a内を流れる伝熱媒体により冷却され、低温蒸発器２内に漂う冷媒蒸気を吸収する。吸収熱を奪って温度が上昇した伝熱媒体は、吸収伝熱管２aと蒸発伝熱管３aとを接続する配管３２およびこの配管３２に介在させた熱媒体ポンプ３３により、高温蒸発器３の蒸発伝熱管３aに導かれる。蒸発伝熱管３aの内部を流通する伝熱媒体は、蒸発伝熱管の周囲で蒸発する冷媒の蒸発熱により、冷却される。そして、再び低温吸収器２に戻る。伝熱媒体は、吸収冷凍機２００と図示しない冷熱需要先との間を循環する。なお、本実施例では熱媒体に、安価で熱伝達特性の良い水を用いている。
【００１９】
低温吸収器２で冷媒蒸気を吸収した溶液は、低温吸収器の下部に設けた溶液溜め２cに溜められる。溶液溜め２cに溜められた溶液は、溶液ポンプ２１により、低温溶液熱交換器８、中温溶液熱交換器９およびドレンクーラ７１に順に送られる。そしてこれら各機器で順次加熱される。 ところで、高温再生器７には流量調整用のフロートバルブ７４が設けられている。ドレンクーラ７１を経た溶液は、このフロートバルブ７４に導かれる。そして、フロートバルブ７４を経た後は二分されて、その一方が溶液配管７５を介して高温溶液熱交換器１０に導かれる。高温溶液熱交換器１０で加熱された溶液は、高温再生器７に導かれる。フロートバルブ７４を経た溶液の残りは、低温再生器６に導かれ、低温再生器６内の上部に配置された散布装置６bから、低温再生器内６内の伝熱管６aの周囲に散布される。
【００２０】
高温再生器７に導かれた溶液は、熱源蒸気により加熱濃縮され、冷媒蒸気を発生する。ここで、熱源蒸気は入熱量調整用の制御弁７３を有する配管から、高温再生器７の加熱側に導かれている。熱源蒸気が吸収溶液を加熱すると、熱源蒸気は凝縮してドレンを発生する。発生したドレンは、ドレンクーラ７１に導かれ、中温溶液熱交換器９を経てドレンクーラ７１に導かれた溶液を加熱する。これにより、ドレンの顕熱が回収される。
【００２１】
高温再生器７で加熱濃縮された吸収溶液は、高温再生器７の流量調整部７aに連通する配管７６を介して高温溶液熱交換器１０に導かれる。そして、フロートバルブ７４を経た吸収溶液と熱交換するときに、顕熱が回収される。高温溶液熱交換器１０を経た高温再生器７から導かれた吸収溶液は、低温再生器６からの吸収溶液と合流した後、溶液ポンプ６１により、中温溶液熱交換器に導かれる。
【００２２】
一方、低温再生器６に導かれた吸収溶液は、高温再生器７で発生し伝熱管６a内に導かれた冷媒蒸気によって加熱濃縮される。その際、冷媒蒸気を発生する。加熱に用いられた冷媒蒸気は、伝熱管６a内で凝縮してドレンを発生する。発生したドレンは、低温再生器６と連通した凝縮器５へ導かれる。ドレンを発生する際に、凝縮熱で吸収溶液が加熱される。
【００２３】
低温再生器６で加熱濃縮された濃溶液となった吸収溶液は、高温再生器７から高温溶液熱交換器１０を経た吸収溶液と合流する。そして、溶液ポンプ６１によって昇圧され、中温溶液熱交換器９で冷却された後に高温吸収器４に導かれる。
【００２４】
高温吸収器４内の上部には、散布装置４bが配置されている。濃縮された吸収溶液は散布装置４ｂから、高温吸収器４内に配置した吸収伝熱管４aの周囲に散布される。そして、伝熱管４a内を流れる冷却水によって冷却され、高温蒸発器３内に漂う冷媒蒸気を吸収する。高温吸収器４の下部には溶液溜め４cが設けられている。冷媒蒸気を吸収した溶液は、この溶液溜め４cに溜められる。溶液溜め４ｃの底部に接続された配管中に設けた溶液ポンプ４１が、溶液溜め４cに溜まった溶液を低温溶液熱交換器８に送る。そして、低温溶液熱交換器８において、低温吸収器２から送られた吸収溶液と熱交換して温度が低下した後、低温吸収器２の散布装置２bに導かれる。
【００２５】
高温吸収器４から導かれた溶液は、低温吸収器２の散布装置２bから、吸収伝熱管２aの周囲に散布される。吸収伝熱管２aの内部を、高温蒸発器の伝熱管３a内で冷却された伝熱媒体が流れている。伝熱管２aの管外の吸収溶液は、この伝熱媒体によって冷却され、低温蒸発器１内に漂う冷媒蒸気を吸収する。
【００２６】
高温再生器７及び低温再生器６で加熱濃縮された吸収溶液は、中温熱交換器９で低温吸収器２から導かれた溶液と熱交換して温度低下した後、その一部が高温吸収器バイパス配管４５を介して低温溶液熱交換器８に導かれ、残りが配管９１を経て高温吸収器４の散布手段４bに導かれる。バイパス配管４５には、このバイパス配管４５内を流れる溶液の流量を調節する制御弁４５ａが設けられている。バイパス配管４５を設けたことにより、低温吸収器２に流入する吸収溶液の濃度が、高温吸収器４から流出する溶液の濃度よりも高くなる。
【００２７】
このように構成した吸収冷凍機２００内を流れる冷媒や溶液の流量および温度を制御するために、制御装置１００を設けている。制御装置１００には、冷熱媒体出口温度を検出する温度センサ１４、伝熱媒体温度を検出する温度センサ３４、高温蒸発器冷媒温度を検出する温度センサ３５および冷却水入口温度を検出する温度センサ４４が検出した各温度信号が入力される。制御装置はこれらの信号に基づいて、溶液ポンプ２１、４１、６１、熱媒体ポンプ３３および制御弁４５ａを制御する。
【００２８】
具体的には、高温蒸発器３の冷媒や伝熱媒体の温度が低下したとき、すなわち高温蒸発器冷媒温度と熱媒体温度と冷却水入口温度の少なくともいずれかが各々の設定値よりも低下したときに、制御装置１００は制御弁４５ａを開いて高温吸収器のバイパス流量を増加させる。これとは逆に、上記各温度センサ３４、３５、４４が検出した温度がすべて各々の設定値以上であれば、制御弁４５ａを閉じる。
【００２９】
吸収冷凍機２００には、冷却水配管４２ににより冷却水が供給される。この冷却水配管４２にバイパスして、冷却水バイパス配管４２ａが設けらている。冷却水バイパス配管４２ａは、制御弁４２ｂを有している。制御弁４２ｂは制御装置１００に接続されている。
【００３０】
制御装置１００は、通常運転時は制御弁４２ｂを閉じる。高温蒸発器３の冷媒および伝熱媒体の温度が低下すると、すなわち高温蒸発器の冷媒温度と伝熱媒体温度と冷却水入口温度の少なくともいずれかが各々の設定値より低下すると、制御弁４２ｂを開く。これにより、冷却水のバイパス流量が増加し、吸収冷凍機に供給される冷却水の流量が減少する。
【００３１】
本実施例においては、高温吸収器をバイパスして低温吸収器に溶液を導くバイパス配管４５を設けたので、低温吸収器２に流入する吸収溶液の濃度が上昇する。吸収溶液濃度が上昇すると吸収温度も上昇し、吸収伝熱管内を流れる伝熱媒体の温度が上昇する。これに伴い、伝熱媒体を冷却する高温蒸発器３の蒸発温度が上昇し、高温蒸発器３の冷媒温度も上昇するから、冷媒の凍結を防止できる。また、高温蒸発器３と低温吸収器２とを循環する伝熱媒体に水を用いても、その水の凍結を防止できる。水が凍結しないので伝熱媒体として水を使用できるから、ブライン等の不凍液を用いる必要が無く安価である。水は熱伝達特性が良いので、伝熱面積を小さくでき、装置の小型化とコストダウンが図れる。
【００３２】
本実施例においては、冷媒温度センサ３５と熱媒体温度センサ３４と冷却水温度センサ４４の少なくともいずれかが検出した温度情報に基づいて、制御装置が高温吸収器バイパス配管４５の流量を制御している。したがって、冷媒や伝熱媒体の凍結の恐れがない通常運転時には、高温吸収器バイパス配管４５の流量をゼロとすることが可能になり、高温吸収器内の吸収伝熱管に供給する溶液流量を最大にできる。その結果、高温吸収器の伝熱性能を向上できる。なお、通常運転時にはバイパス流量ゼロの高性能運転を行い、冷却水温度が低下した場合などには冷媒凍結を防止するために制御弁４５ａを開いて凍結防止運転を行うことにより、運転可能範囲を拡大できる。
【００３３】
また、冷媒温度センサ３５と伝熱媒体温度センサ３４と冷却水温度センサ４４の少なくともいずれかが検出した温度に基づいて、バイパス配管４２ａ内を流れる冷却水の流量を制御している。これにより、通常運転時は冷却水ポンプ４３から吐出される冷却水の全量を吸収冷凍機に供給し、冷媒凍結のおそれがあるときには吸収冷凍機に供給する冷却水の流量を減少させることが可能になる。その結果、冷却水が低温となっても高温蒸発器３の冷媒および伝熱媒体が凍結するおそれがなく、幅広い冷却水温度範囲にわたって吸収冷凍機を運転できる。
【００３４】
本発明の他の実施例を、図2に示す。本実施例では、低温吸収器に流入する溶液の濃度を、高温吸収器から流出する溶液の濃度よりも高くしている。そのため、本実施例では図1に示した実施例と異なり、高温再生器および低温再生器で加熱濃縮された濃溶液を中温溶液熱交換器９に導いた後、低温吸収器へ導く配管経路と高温吸収器に導く配管系路に別れて流れるようにしたことにある。すなわち、高温吸収器４には流量制御弁45aを有する配管91が接続されており、低温吸収器2にはこの配管91から分岐し、低温溶液熱交換器8を介在させた配管92が接続されている。その他の吸収冷凍機の構成は、図1に示した吸収冷凍機と同様である。
【００３５】
本実施例では、図１に示した実施例に比べて、低温吸収器２に流入する溶液濃度がさらに高くなり、冷媒凍結に対して余裕度がさらに大きくなる。また、バイパス配管４２ｂの流量を制御して吸収冷凍機に供給する冷却水の流量を制御しているが、冷却水ポンプ４３をインバータ制御するようにしてもよい。その場合、冷却水ポンプ４３の消費電力も低減できる。
【００３６】
さらに、上記各実施例においては、冷媒および伝熱媒体の凍結を防止するために、冷却水の流量を制御して高温吸収器４の冷却能力を低下させている。この代わりに、冷却水を温度制御してもよい。すなわち、高温蒸発器３内の冷媒の温度または伝熱媒体の温度が各々の予め定められた値より低下したら、冷却水温度を上昇させる。これにより、高温吸収器４内の溶液が冷媒を吸収する吸収能力を低減させ、蒸発温度の低下を防止する。その結果、冷媒および伝熱媒体の凍結を防止することができる。
【００３７】
なお、溶液ポンプ６１をインバータ制御して、高温吸収器４に供給される吸収溶液の流量を減少させてもよい。この溶液ポンプのインバータ制御を冷却水の流量制御や温度制御と組み合せれば、さらに凍結防止の上では大きな効果が得られる。
【００３８】
また、上記各実施例においては、高温吸収器バイパス配管４５に制御弁４５ａを設けたが、この制御弁の代わりに固定絞り手段を設けてもよい。このようにすれば、制御系が簡素になるとともに、この絞り手段を設けることによって凍結防止が可能になる。固定絞り手段は、内径が十分に小さい配管であってもよい。さらに、手動式の流量調整弁を固定絞り手段として用いてもよい。
【００３９】
この場合は、経年劣化等による機器の特性の変化に応じてバイパス流量を変更できるという利点がある。
【００４０】
さらに、上記各実施例では再生器を2個有する２重効用吸収冷凍機について説明したが、再生器が１個の単効用吸収冷凍機や再生器を３個有する３重効用吸収冷凍機についても本発明を適用できることは言うまでもない。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、吸収冷凍機において、中温溶液熱交換器から流出する溶液を低温吸収器と高温吸収器に分配可能にしたので、高温蒸発器の冷媒と高温蒸発器および低温吸収器の間を循環する伝熱媒体の凍結を防止できる。その結果、年間を通じて安定した冷凍能力と冷熱媒体温度が得られる。さらに、冷熱媒体に水を利用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る吸収冷凍機の一実施例の系統図である。
【図２】本発明に係る吸収冷凍機の他の実施例の系統図である。
【符号の説明】
１…低温蒸発器、２…低温吸収器、３…高温蒸発器、４…高温吸収器、５…凝縮器、６…低温再生器、７…高温再生器、８…低温溶液熱交換器、９…中温溶液熱交換器、１０…高温溶液熱交換器、１１…冷媒配管、１１ａ…冷媒流量調整弁、１２…希薄溶液ポンプ、１３…冷熱媒体配管、１４…冷熱媒体温度センサ、２１…溶液ポンプ、３１…冷媒ポンプ、３２…伝熱媒体配管、３３…伝熱媒体ポンプ、３４…伝熱媒体温度センサ、３５…冷媒温度センサ、４１…溶液ポンプ、４２…冷却水配管、４２ａ…冷却水バイパス配管、４２ｂ…制御弁、４３…冷却水ポンプ、４４…冷却水温度センサ、４５…高温吸収器バイパス配管、４５ａ…制御弁、５１…冷媒配管、６１…溶液ポンプ、７１…ドレンクーラ、７２…熱源蒸気配管、７３…蒸気制御弁、７４…フロートバルブ、７５、７６、９１…溶液配管。

Claims (3)

1. 再生器、凝縮器、高温蒸発器、低温蒸発器、高温吸収器及び低温吸収器を備えた吸収冷凍機において、
   前記高温蒸発器で冷却された伝熱媒体を前記低温吸収器に循環させて前記低温吸収器の冷却を行うように循環路を形成し、
   前記再生器で加熱濃縮された濃溶液を、前記低温吸収器及び高温吸収器で冷媒を吸収して薄められた稀溶液と熱交換する熱交換器を設け、また高温吸収器の溶液溜めから低温吸収器へ導く配管と、前記熱交換器で熱交換して冷却された濃溶液を前記高温吸収器に導く第１の流路と前記第 1 の流路から分岐され前記低温吸収器に導く配管にパイパスして導く前記低温吸収器に導く第２の流路とを設け、前記第２の流路に流量制御手段を設けると共に前記高温蒸発器に冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段を設け、この冷媒温度を検出手段が検出した冷媒温度に基づいて前記流量制御手段を制御する制御装置を設けたことを特徴とする吸収冷凍機。
2. 請求項１に記載の吸収冷凍機において、
   前記循環路に伝熱媒体の温度を検出する伝熱媒体温度検出手段を設け、この温度検出手段が検出した伝熱媒体温度に基づいて前記高温吸収器内を流通する冷却水の温度と流量の少なくともいずれかを制御する制御装置とを備えたことを特徴とする吸収冷凍機。
3. 請求項１に記載の吸収冷凍機において、
   前記循環路に設けた伝熱媒体の温度を検出する伝熱媒体の温度検出手段と、前記高温吸収器の冷却水入口と前記高温吸収器から外部へ冷却水が流出する流出部より下流位置とを結ぶバイパス配管と、このバイパス配管中に設けられた流量制御手段と、前記温度検出手段が検出した伝熱媒体温度に基づいて前記高温吸収器内を流通する冷却水の流量を、前記流量制御手段を用いて制御する制御装置とを備えたことを特徴とする吸収冷凍機。

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