JP4064199B2 - 三重効用吸収式冷凍機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気調和装置等の熱源機として使用される三重効用吸収式冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
三重効用吸収式冷凍機に関する従来技術としては、例えば特開昭６０−１３４１７２号公報に記載のものが挙げられる。本従来技術では、高温再生器、中温再生器及び低温再生器、凝縮器、蒸発器、吸収器、溶液熱交換器類、溶液ポンプ及び冷媒ポンプなどを主要構成機器とし、これら機器を溶液配管、冷媒配管などで接続する構成になっている。
【０００３】
また本従来技術の溶液サイクルは、３個の再生器へ並列的に希溶液を供給してそれぞれ濃縮させる、いわゆるパラレルフロー方式の採用により、高温再生器の低温、低圧作動化を図っている。
【０００４】
また、三重効用吸収式冷凍機に外部排熱を有効に利用する従来技術としては、例えば特開平７−２１８０２１号公報に記載のものが挙げられる。本従来技術では、低温再生器に中温再生器で発生した冷媒蒸気とは別の熱源としてエンジンの温水排熱を併用して利用することが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６０−１３４１７２号公報
【特許文献２】
特開平７−２１８０２１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の外部排熱を有効に利用する三重効用吸収式冷凍機は、外部排熱が有る場合でも無い場合でも、溶液循環制御は同じ方式を採用していた。ここで、外部排熱が無い場合の溶液循環制御は、高温再生器、中温再生器及び低温再生器に送る溶液量を少なくした方が、それぞれの再生器で冷媒蒸気を発生するまでの温度（沸点）に到達するまでの加熱量を少なくすることができるので、効率が良くなる。
【０００７】
しかしながら、ここで８０〜９０℃の外部排熱温水を低温再生器に投入する運転を考えた場合、低温再生器に外部排熱が加わるため低温再生器における交換熱量が増える。よって、溶液循環量が排熱無しの時と同じとすると、低温再生器出口溶液温度が上昇することになる。ここで、外部排熱温水と低温再生器溶液の温度差はもともと数℃から１０℃程度と小さいため、低温再生器溶液温度が数℃上昇すると外部排熱から熱が伝わりにくくなる。また、低温再生器の伝熱管内に排熱温水を流すので、通常サイクルの中温再生器で発生した冷媒蒸気と比較すると一般的に管内の伝熱性能は劣る。これらの理由により低温再生器への溶液循環量が少ないと十分に排熱を回収できなくなる。
【０００８】
従って、外部排熱を利用しない運転時に効率が良くなるような溶液循環量制御をすると、外部排熱を十分に利用することができないという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、外部排熱を利用しない運転時に効率が良くなるような溶液循環量制御ができ、かつ外部排熱を利用する場合でも十分にそれを利用できる三重効用吸収式冷凍機を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、高温再生器、中温再生器及び低温再生器、凝縮器、吸収器、蒸発器、複数の溶液熱交換器、これらの機器を結ぶ溶液配管及び冷媒配管、溶液及び冷媒をサイクル内に循環させる溶液ポンプ及び冷媒ポンプを備え、前記吸収器から希溶液を少なくとも前記高温再生器と前記低温再生器に並列に送る配管を設けた三重効用吸収式冷凍機において、前記低温再生器に外部からの低温排熱を供給する排熱供給部を設け、前記溶液ポンプをインバータ制御し、中温再生器及び高温再生器に送るそれぞれの希溶液ラインに、それぞれの戻り濃溶液量に比例して希溶液を送る制御機構を設け、外部排熱投入時に前記溶液ポンプをインバータ制御する。
【００１４】
これにより、本発明に係る三重効用吸収式冷凍機の発明は、排熱使用時に希溶液ポンプの周波数を上げて吸収器から低温再生器に送る希溶液量を多くすることである。ここで、中温再生器及び高温再生器に送られる希溶液循環量は、それぞれの戻り濃溶液量に比例した希溶液量を送る制御機構を設けているので、希溶液ポンプの周波数を上げても増えることは無い。よって、低温再生器へ送る溶液循環量のみ増やすことができるので、効率を下げることなく外部排熱を十分に回収することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る三重効用吸収式冷凍機のサイクル系統図で、中温再生器、低温再生器などへ高温再生器と並行に希溶液を流す、いわゆるパラレルフロー方式のものである。
【００１６】
三重効用吸収式冷凍機は、高温再生器１、気液分離器１５、中温再生器２、低温再生器３、凝縮器４、蒸発器５、冷媒ポンプ５５、吸収器６、希溶液ポンプ７０、濃溶液ポンプ８１、低温熱交換器８、中温熱交換器９、高温熱交換器１０、ＬＧドレン熱交換器８５、ＭＧドレン熱交換器９５、排ガス熱交換器１０５、１０６、およびこれら機器を結ぶ溶液配管及び冷媒配管などから構成されている。本実施形態においては、冷凍機の冷媒には水、吸収剤には臭化リチウムが用いられている。
【００１７】
次に、この冷凍機の詳細構成を運転中の動作と共に説明する。
冷房に供される冷水は、蒸発器５で冷媒の蒸発熱によって冷却されて配管５９から冷房負荷系に送られる。このとき発生した冷媒蒸気は、吸収器６の溶液によって吸収される。この吸収によって蒸発器内の圧力と蒸発温度とが低圧、低温に維持される。なお、本実施形態では、蒸発器５及び吸収器６は、２段蒸発吸収型の構成となっている。すなわち、上段側の蒸発部５ａで蒸発した冷媒蒸気は、上段側の吸収部６ａ、下段側の蒸発部５ｂで蒸発した冷媒蒸気は下段側の吸収部６ｂでそれぞれ吸収される。この構成により、冷凍機の運転効率を一層向上している。
【００１８】
吸収器６では、高温再生器１、中温再生器２、低温再生器３の各再生器で過熱濃縮された溶液、すなわち濃溶液が配管Ｐ３により供給され伝熱管群６３上に滴下される。滴下された濃溶液は、吸収器６内の伝熱管群６３内を流れる冷却水によって冷却されると共に冷媒蒸気を吸収し、濃度のより薄い溶液すなわち希溶液となって吸収器６の下部に滞留する。
【００１９】
この希溶液は、希溶液ポンプ７０によって配管Ｐ２により分岐され、低温熱交換器８およびＬＧドレン熱交換器８５に送られる。
【００２０】
低温熱交換器８に送られた希溶液は、吸収器６に流入する濃溶液と熱交換して温度上昇する。一方、ＬＧドレン熱交換器８５に送られた希溶液は、低温再生器３内で凝縮した冷媒液および中温再生器２からＭＧドレン熱交換器９５を通過した冷媒液と熱交換して温度上昇する。その後、これらの希溶液は一旦合流し、再び分岐して、一部は配管Ｐ６により低温再生器３に、他の一部は中温熱交換器９に、残りはＭＧドレン熱交換器９５に送られる。ＬＧドレン熱交換器８５で希溶液と熱交換して温度低下した冷媒液は、配管Ｐ７により凝縮器４に導かれる。
【００２１】
中温再生器２で発生した冷媒蒸気は配管Ｐ４を経由して伝熱管群３３に送られる。また、排熱供給部３８から送られた外部からの排熱を、高温再生器１の排ガスと希溶液とを熱交換する排ガス熱交換器１０５を経由し、配管Ｐ１２により送られてきた排ガスと熱交換し、その熱交換後の排熱が伝熱管群３４に送られる。低温再生器３に送られた希溶液は、伝熱管群３３、３４で過熱濃縮されて濃度の濃い溶液すなわち濃溶液となる。この濃溶液は、配管Ｐ８により高温再生器１及び中温再生器２からの配管Ｐ３’を流れる濃溶液と合流し、濃溶液ポンプ８１によって、低温熱交換器８を経由して配管Ｐ３により吸収器６へ送られる。低温再生器３で発生した冷媒蒸気は、凝縮器４に送られ、そこで凝縮伝熱管４３内を流れる冷却水によって冷却されて凝縮し、ＬＧドレン熱交換器８５で希溶液と熱交換した冷媒液と共に配管Ｐ９により蒸発器５へ送られる。
【００２２】
一方、中温熱交換器９に送られた希溶液は、高温再生器１、中温再生器２からの濃溶液と熱交換してさらに温度上昇する。またＭＧドレン熱交換器９５に送られた希溶液は、中温再生器２内で凝縮した冷媒液と熱交換して温度上昇する。そして、これらの希溶液は一旦合流し、再び分岐して、一部は配管Ｐ１１により中温再生器２に、残りは高温熱交換器１０及び排ガス熱交換器１０５に送られる。
【００２３】
ＭＧドレン熱交換器９５で希溶液と熱交換して温度を下げた冷媒液は、低温再生器３内で凝縮した液冷媒と合流してＬＧドレン熱交換器８５に送られる。
【００２４】
配管Ｐ１１により中温再生器２に送られた希溶液は、高温再生器１で発生した冷媒蒸気を流す配管Ｐ５に散布される。そして、そのとき冷媒蒸気の凝縮熱によって過熱濃縮されて濃溶液となり、フロートボックス２４にオーバーフローする。フロートボックス２４内にはフロートバルブ２５が設置されている。このフロートバルブ２５は、フロートボックス２４内の濃溶液の液位によって、中温再生器２に送られる希溶液量を調節する流量調整手段となっている。フロートボックス２４内の濃溶液は、配管Ｐ１０により高温再生器１で過熱濃縮された濃溶液の配管Ｐ３’と合流して、中温熱交換器９の高温側流路に導かれる。
【００２５】
中温再生器２の加熱に用いられて管内で凝縮した冷媒は、配管Ｐ５によりＭＧドレン熱交換器９５に送られて、希溶液を顕熱で加熱した後に、低温再生器で凝縮した冷媒液と合流し、ＬＧドレン熱交換器８５を経て凝縮器４に送られる。また中温再生器２で発生した冷媒蒸気は低温再生器３に送られ、ここで低温再生器３に流入した希溶液を過熱濃縮する。
【００２６】
一方、高温熱交換器１０に送られた希溶液は、高温再生器１からの濃溶液と熱交換してさらに温度上昇する。また、排ガス熱交換器１０５に送られた希溶液は、高温再生器１の加熱に用いられた後の燃焼ガスと熱交換して温度上昇する。そして、これらの希溶液は合流してフロートボックス２４ａ内に設置されたフロートバルブ２５ａを介して高温再生器１に流入する。このフロートバルブ２５ａは、フロートボックス２４ａ内の濃溶液の液位によって高温再生器１に送られる希溶液量を調節する流量調整手段となっている。
【００２７】
本実施の形態の高温再生器１は貫流式となっており、燃料を燃焼するバーナ１２、このバーナ１２の周囲に同心円状に配置されて溶液を過熱濃縮する伝熱管群などから構成されている。
【００２８】
高温再生器１に流入した希溶液は、伝熱管群の管内に導かれ、燃焼ガスとの熱交換によって過熱濃縮されて濃溶液となった後、発生した冷媒蒸気と共に、高温再生器１の出口部に設置された気液分離器１５に導かれる。そして、気液分離器１５内において冷媒蒸気と分離される。気液分離器１５で冷媒蒸気から分離された濃溶液はフロートボックス２４ａに送られ、そこから、高温熱交換器１０に送られる。高温熱交換器１０では、濃溶液は高温再生器１に流入する希溶液と熱交換して温度低下した後、中温再生器２で過熱濃縮された濃溶液と合流し、さらに中温熱交換器９に送られる。気液分離器１５で濃溶液から分離された冷媒蒸気は、配管Ｐ５により中温再生器２に送られて、中温再生器２の希溶液を過熱濃縮して管内で凝縮した後、ＭＧドレン熱交換器９５に導かれる。
【００２９】
本実施の形態では、高温再生器１での燃料の燃焼による入熱の他に、外部から８０〜９０℃程度の低温排熱を投入できる排熱供給部３８を備えた構成となっている。すなわち、低温再生器３の内部には、中温再生器２で発生した冷媒蒸気が流入する伝熱管群３３に加えて、外部から排熱を投入する伝熱管群３４が設置されている。
【００３０】
さらに、この伝熱管群３４に導かれる熱媒体は、低温再生器３に流入する前に排熱交換器１０６によって予熱されている。排熱交換器１０６には、排ガス熱交換器１０５で希溶液の一部を加熱した後の排ガスが導かれている。また、低温再生器の希溶液入口配管には制御弁２１０が設けられている。制御装置２０１が排熱投入量を監視しており、この排熱投入量によって制御弁２１０の開度が制御される。
【００３１】
例えば、本実施の形態では、外部排熱が有る場合は制御弁２１０の開度を大きくして、低温再生器３に流入する希溶液量を増やしている。これにより、低温再生器３内に設置された伝熱管３４に降りかかる溶液量が増えて、伝熱性能が向上する。また、これにより低温再生器３の出口溶液温度が低くなり、外部排熱温度との出口溶液温度との温度差が維持でき、より多くの排熱を利用することができる。
【００３２】
外部排熱が無い場合は制御弁２１０の開度を小さくして、低温再生器３に流入する希溶液量を減らしている。これにより、内部冷凍サイクル効率を向上させることができる。
【００３３】
次に、本発明の他の実施の形態について図２を用いて説明する。図２に示す三重効用吸収式冷凍機の基本構成要素は、図１の実施の形態と同様である。図１の実施の形態と異なる点は、吸収器６から低温熱交換器８及びＬＧドレン熱交換器８５を経て低温再生器３に送る溶液配管Ｐ６と、その溶液配管Ｐ６と並列に仕切弁２１２が設置された溶液配管Ｐ６０を設けた構成としたことである。
【００３４】
本実施の形態によれば、外部排熱が有る場合には仕切弁２１２を開くことで低温再生器に流入する希溶液流量を増やし、外部排熱が無い場合は仕切弁２１２を閉じることで低温再生器に流入する希溶液流量を減らすことにより、外部排熱が無い場合は効率が良く、かつ外部排熱がある場合はそれを十分に利用できる運転が可能となる。
【００３５】
次に、本発明のさらに他の実施の形態について図３を用いて説明する。図３に示す三重効用吸収式冷凍機の基本構成要素は、図１の実施の形態と同様である。図１の実施の形態と異なる点は、配管Ｐ６に制御弁２１０設けない構成としたものである。この構成場合には、希溶液ポンプ７０をインバータ制御するようにしている。
【００３６】
本実施の形態によれば、外部排熱が有る場合にはインバータ周波数を大きくすることで低温再生器に流入する希溶液流量を増やし、外部排熱が無い場合はインバータ周波数を小さくすることで低温再生器に流入する希溶液流量を減らす。ここで、中温再生器と高温再生器に流入する希溶液量はそれぞれフロートバルブ２５、２５ａによりコントロールされているので、インバータ周波数が大きくなっても希溶液循環量が増えることはない。従って、外部排熱がない場合は効率が良く、外部排熱がある場合はそれを十分に利用できる運転が可能となる。
【００３７】
以上説明してきた全ての実施の形態においては、蒸発器５および吸収器６はいわゆる２段蒸発吸収の構成となっているが、これは、吸収式冷凍機で一般的に用いられている１段蒸発吸収の構成とした場合においても、本発明の適用により、同様の優れた効果を発揮することは明白である。
【００３８】
また以上説明してきた全ての実施の形態においては、吸収器の溶液出口に設けられた低温溶液ポンプ７０は特に回転数制御を行わない構成としているが、これは、インバータをさらに追加して、制御装置２０１によって制御しても良い。この場合は、フロートバルブ２５、２５ａの動作安定化による信頼性向上、低温再生器３への溶液供給量制御による部分負荷効率の向上、起動時のハンマリング回避による低温熱交換器８及びＬＧドレン熱交換器８５の耐圧強度低減、さらには必要最小限の動力で駆動することによる消費電力の低減などの利点がある。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の三重効用吸収式冷凍機によれば、外部排熱が無い場合は、三重効用の内部サイクル効率を上げることにより省エネを図り、外部排熱が有る場合は、それを最大限に有効に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る三重効用吸収式冷凍機の系統図である。
【図２】本発明の他の実施の形態に係る三重効用吸収式冷凍機の系統図である。
【図３】本発明のさらに他の実施の形態に係る三重効用吸収式冷凍機の系統図である。
【符号の説明】
１…高温再生器、２…中温再生器、３…低温再生器、４…凝縮器、５…蒸発器、６…吸収器、８…低温熱交換器、９…中温熱交換器、１０…高温熱交換器、１２…バーナ、１５…気液分離器、２４、２４ａ…フロートボックス、２５、２５ａ…フロートバルブ、３３、３４、４３、６３…伝熱管、５５…冷媒ポンプ、５９…冷水配管、５ａ…上段側蒸発器、５ｂ…下段側蒸発器、６ａ…上段側吸収器、６ｂ…下段側吸収器、７０…希溶液ポンプ、８１…濃溶液ポンプ、８５…ＬＧドレン熱交換器、９５…ＭＧドレン熱交換器、１０５、１０６…排ガス熱交換器、２０１…制御装置、２１１…制御弁、２１２…仕切弁、２１３…希溶液配管。

Claims (1)

1. 高温再生器、中温再生器及び低温再生器、凝縮器、吸収器、蒸発器、複数の溶液熱交換器、これらの機器を結ぶ溶液配管及び冷媒配管、溶液及び冷媒をサイクル内に循環させる溶液ポンプ及び冷媒ポンプを備え、前記吸収器から希溶液を少なくとも前記高温再生器と前記低温再生器に並列に送る配管を設けた三重効用吸収式冷凍機において、前記低温再生器に外部からの低温排熱を供給する排熱供給部を設け、前記溶液ポンプをインバータ制御し、中温再生器及び高温再生器に送るそれぞれの希溶液ラインに、それぞれの戻り濃溶液量に比例して希溶液を送る制御機構を設け、外部排熱投入時に前記溶液ポンプをインバータ制御することを特徴とする三重効用吸収式冷凍機。

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