JP3862631B2 - 発電及び吸収冷温水装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電及び吸収冷温水装置に係り、特に、ガスタービン、エンジン等の外部からの排熱を熱源として、吸収冷温水機を運転すると共に、吸収冷温水機内に組込んだ冷媒蒸気を駆動源とする膨張機で、発電機を駆動して発電をも行う発電及び吸収冷温水装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
排熱を用いて冷温水を製造する装置、あるいは排熱を用いて発電をする装置など、どちらか一方を目的にした装置が、従来から用いられてきた。
排熱を用いて冷温水を製造し、冷暖房をする場合、中間期には、冷温水負荷がほとんどなくなり、排熱が有効利用できなくなる。
一方、排熱を用いて発電をする装置は、一年中、排熱の利用はできるが、発電効率は低い。冷暖房が必要な時期は、発電した電気で冷凍機あるいはヒートポンプを運転するよりも、排熱で吸収冷温水機を直接駆動した方が利用効率が高くできることが多い。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術に鑑み、冷温水製造と共に発電が可能な簡易な装置を用いて、冷暖房負荷が無い時には、発電単独の運転が可能で、熱源温度が多種類に渡る場合あるいは顕熱変化をする場合、温度レベルに合わせて、膨張機の出力を増大することが可能な発電及び吸収冷温水装置を提供することを課題とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、温度の異なる二種類以上の熱源を利用し、あるいは顕熱変化をする熱源流体を入口から出口に向かって温度の異なる多熱源として利用し、少なくとも、高熱源再生器、低熱源再生器、凝縮器、吸収器、蒸発器及びこれらの機器を接続する溶液流路と冷媒流路とを有する吸収冷温水機であって、前記高熱源再生器からの冷媒蒸気及び低熱源再生器からの冷媒蒸気で駆動する冷媒蒸気膨張機を備え、該冷媒蒸気膨張機に発電機を接続したことを特徴とする発電及び吸収冷温水装置としたものである。
前記発電及び吸収冷温水装置において、冷媒蒸気膨張機は、高熱源再生器で発生する冷媒蒸気を該膨張機の最高圧部に導き、また、順次温度の低下した熱源再生器で発生する冷媒蒸気を、該膨張機の低圧側に導くように構成することができる。
【0006】
前記発電及び吸収冷温水装置において、前記吸収冷温水機には、高熱源再生器で発生する冷媒蒸気を熱源とする低温再生器を設け、該冷媒蒸気を前記冷媒蒸気膨張機又は低温再生器又は両者に導けるように切替機構を設けた配管で接続することができ、前記冷媒蒸気膨張機には、高熱源再生器からの冷媒蒸気で駆動する高圧冷媒蒸気膨張機と、低熱源再生器で駆動する低圧冷媒蒸気膨張機とを別個に設け、前記高熱源再生器で発生する冷媒蒸気を低温再生器に導く場合には、前記高圧冷媒蒸気膨張機と発電機との接続を解除し、前記低圧冷媒蒸気膨張機単独で駆動する制御機構を有することができ、前記凝縮器又は低温再生器と吸収器とは、それらの蒸気系を弁を有する配管で接続することができ、また、前記蒸発器には、溶液流路の溶液を該蒸発器の伝熱面に導く、暖房サイクル時に作動する弁を有する配管を接続することができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明は、冷暖房を必要とする時は、効率よく冷暖房を行うと共に、冷暖房が不要な時は発電を行えるようにしている。特に、発電単独運転への切替を容易にしている。
また、発電装置と冷凍装置とで機器をなるべく兼用することで、発電装置に、別途電気式冷凍装置を設けるよりもコンパクトでコストメリットを出している。
吸収剤と冷媒との組合せは、特に指定はないが、効率を上げるためには、なるべく吸収剤と冷媒との沸点差が大きいことが望ましい。
膨張機としては、タービン型、スクリュウ型、スクロール型等各種型式があり、主に、蒸気の容積流量で型式選択を行うことができる。
【0008】
次に、本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図1〜図8は、本発明を説明するための発電及び吸収冷温水装置のフロー構成図であり、図1及び図3は参考例である。
図において、Aは吸収器、GH、GH1、GH2は高熱源再生器、GLXは低熱源再生器、Gは低温再生器、Cは凝縮器、Eは蒸発器、Xは低温熱交換器、XH、XH1、XH2は高温熱交換器、SPは溶液ポンプ、RPは冷媒ポンプ、V1〜V9は弁、1と2は冷媒蒸気通路、3と4は冷却水、5は熱源、6は冷温水通路であり、また、7は冷媒蒸気膨張機、8は発電機、11〜17は溶液流路、18〜25は冷媒流路である。
図1、図2及び図5では、吸収器A、蒸発器E、凝縮器Cを、一つの角型缶胴に収め、該缶胴の下部に吸収器Aを、また吸収器Aの斜め上部に蒸発器E、吸収器A上部に凝縮器Cを配置し、吸収器A、蒸発器Eの低圧側と、凝縮器Cとを、斜め隔壁で分け、斜め隔壁の下側には蒸発器Eから吸収器Aへの冷媒蒸気が流れる通路2を配した構造としている。
【0009】
また、この缶胴とは別に、高温排ガスを熱源5とする高熱源再生器GH又はGH1、GH2と低熱源再生器GLXと溶液熱交換器X、XH、又はXH1、XH2及び膨張機7と発電機8とが配備されている。
そして、この缶胴の吸収器A及び凝縮器Cと高熱源再生器GH又はGH1、GH2、低熱源再生器GLX及び膨張機7とは、溶液流路11〜16及び冷媒流路20〜25でそれぞれ接続されて構成されている。
また、図3、図4及び図5〜図8は、図1の角型缶胴において、凝縮器Cの上部に低温再生器Gを配置し、該低温再生器Gと凝縮器Cとを斜め隔壁で分け、冷媒蒸気が流れる通路1とすると共に、缶胴の吸収器A、低温再生器G及び凝縮器Cと高熱源再生器GH、低熱源再生器GLX及び膨張機7とを、溶液流路11〜16及び冷媒流路20〜25でそれぞれ接続されて構成されている。
【0010】
次に、図1を用いてそれぞれの運転について説明する。
図1は、水、メタノール、水+メタノール、TFEなど、低圧冷媒であって、圧力があまり高くないとして、前記のように、吸収器、蒸発器、凝縮器を角型缶胴に収めて示している。
まず、冷房運転においては、弁V2、弁V3は閉止しており、蒸発器Eで冷媒蒸気が蒸発して、冷水(又はブライン)を冷却する。蒸発した冷媒は、吸収器Aにて、冷却水で冷却されている吸収溶液に吸収される。
【0011】
吸収器Aの溶液は、流路11から溶液ポンプSPで低温熱交換器Xの被加熱側を通った後、一部が流路13から低熱源再生器GLXに送られ、残部は高温熱交換器XHの被加熱側を通り高熱源再生器GHに送られる。高熱源再生器GH、低熱源再生器GLXで熱源5によってそれぞれ加熱され、冷媒蒸気を発生し、溶液は吸収剤が濃縮された状態になる。高熱源再生器GHで発生した冷媒は、流路20により冷媒蒸気膨張機7で仕事をして凝縮器Cに、また、低熱源再生器GLXで発生した冷媒蒸気は、流路24から直接凝縮器Cに入って凝縮し、蒸発器Eに戻る。濃縮溶液は、流路12から熱交換器XH、Xの加熱側を通って、流路16から吸収器Aに戻り、吸収器伝熱面に散布される。冷水負荷があまり無く、冷房出力がオーバーする時は、熱源5が排熱の場合、熱源を最大限使用して発電量を確保し、一方、冷水(冷房)出力調整のため、膨張機7からの冷媒蒸気の一部を流路25から弁V1を開として吸収器Aに導く。
【0012】
暖房運転においては、暖房時には、基本的には吸収器A、凝縮器Cに冷却水3、4を流さず、吸収溶液を流路17から弁V2を開として蒸発器E伝熱面に散布して温水を製造する。なお、高圧冷媒のときには散布式蒸発器ではなく、満液式蒸発器で差し支えない。
高熱源再生器GHで発生した冷媒蒸気は、冷媒蒸気膨張機7で仕事をし、低圧冷媒蒸気となって、低熱源再生器GLXで発生した冷媒蒸気と共に、流路25から弁V1を開として蒸発器Eに入り、蒸発器伝熱面に散布されている吸収溶液に吸収される。
温水負荷があまり無く出力オーバーになる時は、熱源が排熱の場合、熱源を最大限使用して発電量を確保し、一方、温水(暖房)出力調整のため、冷却水を流し、余分な出力を捨てる。
冷却水は、温度を調整、あるいは流量を調整して、温水の容量制御をすることになる。
【0013】
発電単独運転においては、基本的には吸収器Aに吸収溶液を散布すると共に冷却水3を流し、冷媒蒸気膨張機出口の蒸気を流路25から弁V1を開として吸収器Aに導いて吸収させる。凝縮器Cには冷却水を流さなくてよいのであるが、流れていても差し支えない。
また、低熱源再生器GLXで発生した冷媒蒸気を、膨張機7低圧部に導けるようにしてもよい。
各再生器GH、GLXへの溶液の供給は、希溶液を分岐するようにして示したが、まず高熱源再生器GH、次いで低熱源再生器GLXに流してもよいし、逆に流してもよい。
図2は、再生器をGH1、GH2、GLXの三段にし、溶液を高温側から順次流すようにしている。また、膨張機7に冷媒蒸気が順次入るようにしている。最終段の冷媒蒸気も膨張機に導いてもよい。図2では、図1と同様にそれぞれの運転を行うことができる。
【0014】
次に、図3を用いてそれぞれの運転について説明する。
図3は、一二重効用サイクルの可能な装置を示す。高熱源再生器GHに高温側熱源流体を、低熱源再生器GLXに低温側熱源流体を投入する。
高熱源再生器GHの発生蒸気は、冷媒蒸気膨張機7に導くと発電ができ、一方低温再生器Gに導いて加熱源として利用すれば、冷凍能力を増加させることができる。
低熱源再生器GLXで発生した冷媒蒸気は、凝縮器Cに導く。低熱源温度が高ければ、発生冷媒を冷媒蒸気膨張機7の低圧部あるいは低圧段を経由して凝縮器Cに導いてもよい。また、冷媒蒸気膨張機7と凝縮器Cとに切替選択導入などとしてもよい。
凝縮器Cと吸収器Aとを弁V1を有する配管25で結び、冷媒蒸気膨張機7から出る低圧冷媒蒸気を凝縮器Cで凝縮させるか、吸収器Aに吸収させるか調節あるいは選択できる。
【0015】
冷房運転においては、高熱源再生器GHからの冷媒蒸気は、冷房負荷が多く冷房主体で運転する場合は、流路23から低温再生器Gに導いて溶液の加熱濃縮に利用(二重効用サイクル)し、冷房負荷が高負荷でなく発電主体で運転する場合は、流路20から冷媒蒸気膨張機7に導いて発電し、膨張後の冷媒を凝縮させて冷房に利用する。
低熱源再生器GLXからの冷媒蒸気は、冷房中は基本的には凝縮器Cに導く。
冷水負荷があまり無く出力オーバーになる時は、凝縮器Cと吸収器Aとの間の弁V1を開とし、冷媒蒸気膨張機出口から吸収器Aに入る蒸気量を調節する。
蒸発器Eで冷媒蒸気が蒸発して、冷水(又はブライン)を冷却する等は図1と同じである。
溶液の循環は、吸収冷凍機のシリーズフロー、パラレルフロー、リバースフロー、これらの混合したフロー等各種で行うことができる。
【0016】
暖房運転においては、暖房時には、吸収器A、凝縮器Cに冷却水3、4を流さず、吸収溶液を流路17から弁V2を開として蒸発器E伝熱面に散布して温水を製造する。
高熱源再生器GHで発生した冷媒蒸気は、冷媒蒸気膨張機7にて仕事をした後、低熱源再生器GLXで発生した冷媒蒸気と共に吸収器A又は蒸発器Eに入り、蒸発器伝熱面に散布されている吸収溶液に吸収され、蒸発器Eを流れる温水を加熱する。
温水負荷があまり無く出力オーバーになる時は、冷却水を流して調節する。
【0017】
発電単独運転においては、高熱源再生器GHで発生した冷媒蒸気は、冷媒蒸気膨張機7に導き、膨張機7で仕事をした後吸収器Aの吸収溶液に吸収される。
低熱源再生器GLXで発生した冷媒蒸気は、吸収器Aにて吸収溶液に吸収される。なお、低熱源再生器GLXで発生した冷媒蒸気を冷媒蒸気膨張機の低圧段に導く構成の場合には、膨張機7で仕事をした後、吸収器Aにて吸収される。
図4は、低熱源再生器GLXでの冷媒蒸気も、凝縮器C又は膨張機7に選択して流せるようにしたものである。冷却水温度が低い場合の冷房運転時に、膨張機7に冷媒蒸気を導く。また、発電単独時にも膨張機7に冷媒蒸気を導く。暖房時は温度によって選択することになる。
【0018】
図5は、冷房運転においては、吸収器Aの溶液は、流路11から溶液ポンプSPで低温熱交換器Xの被加熱側を通った後、高温熱交換器XHの被加熱側を通り高熱源再生器GHに送られ、高熱源再生器GHで熱源5によって加熱され、冷媒蒸気を発生し、溶液は吸収剤が濃縮された状態になる。その後、高温熱交換器XHの加熱側を通って、低熱源再生器GLXに送られ、そこで熱源によって、加熱濃縮され、冷媒蒸気を発生する。濃縮溶液は低温熱交換器Xの加熱側を通って、吸収器Aに戻り、吸収器伝熱面に散布される。なお、吸収器Aは、高圧冷媒のときには散布式吸収器ではなく、満液式吸収器で差し支えない。
高熱源再生器GHで発生した冷媒は、流路20により冷媒蒸気膨張機7の高圧部から入って仕事をし、また、低熱源再生器GLXで発生した冷媒蒸気は、冷媒蒸気膨張機7の中間段に入って前記高熱源再生器GHからの冷媒蒸気と共に仕事をして凝縮器Cに入る。凝縮器Cで凝縮した冷媒は、蒸発器Eに戻る。冷水負荷があまり無く、冷房出力がオーバーする時は、出力調整のため、膨張機7からの冷媒蒸気の一部を流路25から弁V1を開として吸収器Aに導く。
【0019】
暖房運転においては、弁V1、弁V2、弁V3は開としており、暖房時には、基本的には吸収器A、凝縮器Cに冷却水3、4を流さず、吸収溶液を流路17から弁V2を開として蒸発器E伝熱面に散布して温水を製造し、弁V3を開として、吸収器Aに戻す。弁V3を省略し、蒸発器Eからオーバーフローして吸収器Aに戻るようにしてもよく、また、溶液の導入位置を変えても差し支えない。
高熱源再生器GHで発生した冷媒蒸気と低熱源再生器GLXで発生した冷媒蒸気は、冷媒蒸気膨張機7で仕事をし、低圧冷媒蒸気となって、流路22から凝縮器C経由で吸収器A、蒸発器Eに入り、蒸発器E伝熱面に散布されている吸収溶液に吸収される。
温水負荷があまり無く出力オーバーになる時は、出力調整のため、冷却水を流し、余分な出力を捨てる。
冷却水は、温度を調整、あるいは流量を調整して、温水の容量制御をすることになる。
【0020】
発電単独運転においては、弁V2、弁V3は閉止し、弁V1は開としており、基本的には吸収器Aに吸収溶液を散布すると共に冷却水3を流し、冷媒蒸気膨張機出口の蒸気を凝縮器C経由で流路25から弁V1を開として吸収器Aに導いて吸収させる。凝縮器Cには冷却水を流さなくてよいのであるが、流れていても差し支えない。
図5では、再生器への溶液の供給は、希溶液をまず高熱源再生器GHに送り、そこで濃縮された溶液を低熱源再生器GLXに送り、その後、吸収器Aに戻るようにして示しているが、まず低熱源再生器GLX、次いで高熱源再生器GHに流し、吸収器Aに戻すようにしてもよい。
また、吸収器Aの溶液の一部を低熱源再生器GLXに、残部を高熱源再生器GHに送り、両再生器から吸収器Aに戻るようにしてもよい。
【0021】
図6は、一二重効用サイクルの可能な装置を示す。高熱源再生器GHに高温側熱源流体5を、低熱源再生器GLXに低温側熱源流体を投入する。高熱源再生器GHの発生蒸気は、冷媒蒸気膨張機7に導くと発電ができ、一方、低温再生器Gに導いて加熱源として利用すれば、冷凍能力を増加させることができる。
弁V4を閉止して運転すると、低温再生器の機能がなくなり、図5とほぼ同じ運転になる。
冷房運転においては、弁V2、V3は閉止、弁V1調節(基本的には閉止)、弁V4は調節としており、弁V4を閉止して運転すると、発電を重視した冷房運転となり、一方弁V4を開にすると、低温再生器Gが機能し、冷房出力が増加する。高熱源再生器GHからの冷媒蒸気の一部は、冷媒蒸気膨張機7にも流れ、仕事をする。
【0022】
図示していないが、高熱源再生器GHから冷媒蒸気膨張機7への流路20に切替弁を挿入し、低温再生器Gに全ての冷媒蒸気がいくようにしてもよい。このとき、冷媒蒸気膨張機7の高圧段が抵抗となるので、膨張機7を分割しておき、必要に応じて発電機8と接続できるようにしてもよい。また、膨張機7と発電機8の組合せをそれぞれに持たせ、個別発電としてもよい。
暖房運転においては、弁V1、V2、V3は開、弁V4は閉として運転する。
発電単独運転においては、弁V2、V3、V4は閉止、弁V1は開として運転する。
【0023】
図7は、図6の弁V4を流路23ではなく、弁V8として溶液流路13に挿入している。
溶液が低温再生器Gに送られると、低温再生器Gが機能し、高熱源再生器GHの冷媒蒸気が低温再生器Gの加熱側で凝縮し、一二重効用サイクルとなる。弁V8を閉止すると、冷媒蒸気は凝縮せず、図6の流路23の弁V4を閉止したときと同じ効果を出す。
冷房運転においては、弁V2、V3は閉止、弁V1は調節(基本的には閉止)、弁V8は調節として運転する。流路13の弁V8の調節で、冷房出力の調節ができ(弁V8開で出力増大、閉で減少)、弁V8閉止でも出力オーバーのときは、弁V1を調節する(V1開で出力減少)。
暖房運転においては、弁V1、V2、V3は開、弁V8は閉として運転し、また発電単独運転においては、弁V2、V3、V8は閉止、弁V1は開として運転する。
【0024】
二重効用サイクルの溶液の循環に、シリーズフロー、パラレルフロー、リバースフロー等各種サイクルが存在し、一二重効用にも同様に各種存在するが、本発明はこれら各種サイクルに適用できる。
図8は、溶液の流し方を変えた例であり、また、図7の低温再生器Gの機能変更を行う弁V8の位置を変えた例であり、高熱源再生器GHから低温再生器Gに送る溶液を流路12’に設けた弁V9を開として、吸収器Aに戻している。
図9に、熱源再生器部分の別の例の部分構成図を示す。
前記の図1〜図8においては、高熱源再生器GH及び低熱源再生器GLXにおいて、吸収溶液の流れと、熱源ガスの流れが平行流として記載されているが、図9のように熱源ガスの流れと吸収溶液の流れを対向流とすることもでき、この方が熱効率上、好ましい。
【0025】
吸収器A、蒸発器E等は、低圧冷媒を用いるときは、散布式の熱交換器の形態をとるが、アンモニア等の高圧冷媒のときには散布式ではなく、満液式の熱交換器の形態としても差し支えない。
吸収冷温水機としているが、吸収冷凍機に適用しても差し支えない。
また、冷却水の代りに空気とするなど、冷却媒体を代えてもよく、冷却水を空気あるいは熱媒など別の媒体としてもよい。
冷媒と吸収剤との沸点差があまり高くない場合、吸収冷凍機としては精留器が必要になり、構成機器中に精留器を含んでいても差し支えない。
【0026】
【発明の効果】
本発明によれば、ガスタービン、エンジン等の外部からの排熱を熱源として、吸収冷温水機を運転すると共に、吸収冷温水機内に組込んだ冷媒蒸気を駆動源とする膨張機で、発電機を駆動して発電をも行うことができ、また、冷暖房負荷が無い時には、発電単独の運転が可能で、熱源温度が多種に渡る場合、あるいは顕熱変化をする場合、温度レベルに合わせて、膨張機の出力を増大することができる発電及び吸収冷温水装置とすることができた。
また、低熱源再生器の冷媒蒸気は、常に膨張機経由で凝縮器に行く構成とし、吸収冷温水機の冷暖出力のない単独運転への切替を容易にすると共に、低温再生器の機能停止(蒸気を低温再生器で凝縮させない)を、低温再生器への溶液供給停止で行えるようにできた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明を説明するための発電及び吸収冷温水装置の参考例を示すフロー構成図。
【図2】 本発明の発電及び吸収冷温水装置の一例を示すフロー構成図。
【図3】 本発明を説明するための発電及び吸収冷温水装置の参考例を示すフロー構成図。
【図4】 本発明の発電及び吸収冷温水装置の他の例を示すフロー構成図。
【図5】 本発明の発電及び吸収冷温水装置の他の例を示すフロー構成図。
【図6】 本発明の発電及び吸収冷温水装置の他の例を示すフロー構成図。
【図7】 本発明の発電及び吸収冷温水装置の他の例を示すフロー構成図。
【図8】 本発明の発電及び吸収冷温水装置の他の例を示すフロー構成図。
【図9】 本発明に用いる熱源再生器部分の別の例を示す部分構成図。
Claims (6)
- 温度の異なる二種類以上の熱源を利用し、あるいは顕熱変化をする熱源流体を入口から出口に向かって温度の異なる多熱源として利用し、少なくとも、高熱源再生器、低熱源再生器、凝縮器、吸収器、蒸発器及びこれらの機器を接続する溶液流路と冷媒流路とを備えた吸収冷温水機であって、前記高熱源再生器からの冷媒蒸気及び低熱源再生器からの冷媒蒸気で駆動する冷媒蒸気膨張機を備え、該冷媒蒸気膨張機に発電機を接続したことを特徴とする発電及び吸収冷温水装置。
- 前記冷媒蒸気膨張機は、高熱源再生器で発生する冷媒蒸気を該膨張機の最高圧部に導き、また、順次温度の低下した熱源再生器で発生する冷媒蒸気を、該膨張機の低圧側に導くように構成したことを特徴とする請求項1記載の発電及び吸収冷温水装置。
- 前記吸収冷温水機には、高熱源再生器で発生する冷媒蒸気を熱源とする低温再生器を設け、該冷媒蒸気を前記冷媒蒸気膨張機又は低温再生器又は両者に導けるように切替機構を設けた配管で接続したことを特徴とする請求項1又は2記載の発電及び吸収冷温水装置。
- 前記冷媒蒸気膨張機には、高熱源再生器からの冷媒蒸気で駆動する高圧冷媒蒸気膨張機と、低熱源再生器からの冷媒蒸気で駆動する低圧冷媒蒸気膨張機とを別個に設け、前記高熱源再生器で発生する冷媒蒸気を低温再生器に導く場合には、前記高圧冷媒蒸気膨張機と発電機との接続を解除し、前記低圧冷媒蒸気膨張機単独で駆動する制御機構を有することを特徴とする請求項3記載の発電及び吸収冷温水装置。
- 前記凝縮器又は低温再生器と吸収器とは、それらの蒸気系を弁を有する配管で接続したことを特徴とする請求項1〜4いずれか1項記載の発電及び吸収冷温水装置。
- 前記蒸発器には、溶液流路の溶液を該蒸発器の伝熱面に導く、暖房サイクル時に作動する弁を有する配管を接続したことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項記載の発電及び吸収冷温水装置。
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