JP4212083B2 - 排熱投入型一二重効用吸収冷温水機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排熱投入型一二重効用吸収冷温水機に係り、特に、ガスタービン、エンジン等の外部からの排熱を吸収冷温水機の熱源として、一二重効用サイクルで運転する排熱駆動吸収冷温水機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、排熱高温再生器及び排熱低温再生器に外部の排熱を投入し、冷房を一二重効用サイクルで行う冷凍機で、さらに暖房サイクルも行えるものが次のように提案されている。
（１）特公昭５７−２０５４３号公報では、排ガス駆動一二重効用で、暖房時、排熱高温再生器とこれに接続された温水器を、冷暖切替弁で他の機器から切り離し、排熱低温再生器には熱源を投入しないで、排熱高温再生器のみに熱源を投入して、温水器から温水を取出す方式である。
この方式では、排熱低温再生器で、本来なら利用できるはずの排熱を利用しないで、排出してしまう欠点があり、また多くの冷暖切替弁（内部系に３弁、排ガス系に２弁）及び温水器が必要になっている。ただし、下記に示す蒸発器温水取り出し方式の場合の溶液循環ポンプの運転は必要ない。
【０００３】
（２）特公昭６０−２５８９号公報では、排ガス駆動一二重効用で、暖房時、排熱高温再生器とこれに接続された温水器及び排熱低温再生器とこれに接続された温水器とを、他の機器から冷暖切替弁で切り離し、排熱高温再生器及び排熱低温再生器に熱源を投入して、両温水器から温水を取出す方式である。多くの冷暖切替弁（内部系に６弁）及び温水器２器が必要になっている。
ただし、下記に示す蒸発器温水取り出し方式の場合の溶液循環ポンプの運転は必要ない。
（３）特開平４−２５７６６８号公報では、一二重効用吸収冷温水機で、温水熱交換器を省略して、暖房モード時に温水を蒸発器から取出す方式が説明されている。高温再生器から、冷媒蒸気及び吸収溶液を直接吸収器に導入し、蒸発器で冷媒蒸気を凝縮させている。排熱低温再生器の熱は、該排熱低温再生器と組になる凝縮器に蒸発器を出た温水を導いて、該温水に与えている。凝縮器が温水器を兼用しており、特に温水器を追加する必要はないが、切替弁が多いという問題がある。
【０００４】
【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、高価な温水器が不要な温水蒸発器と共に、冷暖切替を簡易に行うことができる排熱高温再生器及び排熱低温再生器に外部の排熱を投入し、一二重効用サイクルを行う吸収冷温水機を提供することを課題とする。
【０００５】
【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、排熱高温再生器、排熱低温再生器、低温再生器、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、冷房モードで蒸発器から冷水を取出す状態と、暖房モードで蒸発器から温水を取出す状態とを切替え可能に構成した排熱投入型一二重効用吸収冷温水機において、前記低温再生器で発生した冷媒蒸気が凝縮器に流れる通路を有すると共に、暖房モード時も前記排熱高温再生器の冷媒蒸気を前記低温再生器の加熱側に導く構成とし、暖房モード時に前記低温再生器及び前記排熱低温再生器の蒸気を蒸発器又は吸収器に導く配管と、暖房モード時に前記蒸発器の液溜めの冷媒液を吸収器側に移動させる配管とを設けたことを特徴とする排熱投入型一二重効用吸収冷温水機としたものである。
前記吸収冷温水機において、低温再生器及び排熱低温再生器の蒸気は、暖房モード時に開く弁を介して蒸発器又は吸収器に導く配管が接続されており、また、冷媒に水、吸収溶液にＬｉＢｒ水溶液を用い、暖房モード時に吸収器出口の溶液濃度を４６ｗｔ％以下に調節する手段を有するのがよく、さらに、排熱高温再生器には、追焚き用の高温再生器を付設することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明では、冷媒に水、吸収溶液に無機塩類水溶液を用いた吸収冷温水機を対象とする。
本発明の暖房サイクルでは、排熱低温再生器及び低温再生器で発生する冷媒蒸気を、蒸発器に導き、冷媒蒸気を凝縮させて温水を加熱するため、排熱低温再生器に特別な温水器は不要である。暖房サイクル時に循環する溶液の濃度を低下させることで、蒸発器の冷媒と平衡する吸収器の溶液温度を低下させることができる。
蒸発器で冷媒蒸気を凝縮させ、温水を蒸発器から取出す暖房方式では、温水取出し温度をＴｈとすると、凝縮温度（蒸発器露点）は、蒸発器で温水に熱を伝える駆動力（温度差）で、△Ｔｅ高くなり、Ｔｈ＋△Ｔｅとなる。これに平衡する吸収器の溶液温度は、溶液の沸点上昇△Ｔｓだけ高くなり、Ｔｈ＋△Ｔｅ＋△Ｔｓとなる。ここに、△Ｔｅは、蒸発器の伝熱面積、伝熱係数、負荷状態にもよるが、△Ｔｅ＝１〜３℃程度である。
【０００７】
吸収器、蒸発器への冷媒蒸気は、排熱で加熱される排熱低温再生器及び高温再生器冷媒で加熱される低温再生器の両低温再生器から導入される。低温再生器系と吸収器、蒸発器の間には、弁を有する冷媒蒸気配管があり、暖房時開とするわけであるが、この弁及び配管前後で、蒸気流動のための差圧が必要であり、これを飽和蒸気温度に換算して△Ｔｖと表記すると、低温再生器の発生冷媒蒸気の露点（飽和温度）は、Ｔｈ＋△Ｔｅ＋△Ｔｖ、溶液の温度は、沸点上昇分だけ高く、サイクル濃度幅を無視すれば、概略、Ｔｈ＋△Ｔｅ＋△Ｔｖ＋△Ｔｓとなる。サイクル濃度幅を考慮すれば、低温再生器出口溶液温度は、Ｔｈ＋△Ｔｅ+△Ｔｖ＋△Ｔｓ＋αとなる。αは溶液循環量などにより変化するが、２〜１０℃程度となる。
この溶液を加熱する低温再生器の加熱側冷媒蒸気露点（高温再生器の露点）は、伝熱のために△Ｔｇ高くなり、Ｔｈ＋△Ｔｅ＋△Ｔｖ＋△Ｔｓ＋α＋△Ｔｇとなる。冷媒に水、吸収溶液にＬｉＢｒ水溶液を用い、吸収器出口の溶液循環ポンプ部の溶液濃度を変化させた場合の、各部の概略温度を表１に示す。
【０００８】
【表１】

冷房サイクル時に、蒸発器に溜まる冷媒量を多くし、暖房サイクル時には、溶液系に冷媒を多量に戻すことにより、溶液濃度を低下させることができ、大気圧以下の運転が可能となる。また、溶液循環ポンプ部の溶液温度も低下させることができる。余裕を見ると、暖房時の吸収器出口濃度を４６ｗｔ％以下とすることが望ましい。
【０００９】
次に、本発明を、図１〜図３に示す本発明の吸収冷温水機のフロー構成図を
用いて説明する。
図において、Ａは吸収器、Ｇは低温再生器、ＧＨは排熱高温再生器、ＧＲは排熱低温再生器、ＧＨＡは高温再生器、Ｃは凝縮器、Ｅは蒸発器、Ｘは低温熱交換器、ＸＨは高温熱交換器、ＳＰは溶液ポンプ、ＲＰは冷媒ポンプ、Ｖ１〜Ｖ３は弁、１と２は冷媒蒸気通路、３と４は冷却水、５は高温排ガス、６は冷温水通路、１１〜１７は溶液流路、１８〜２４は冷媒流路である。
このように、本発明では、吸収器Ａ、蒸発器Ｅ、低温再生器Ｇ、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、さらに、凝縮器Ｃ上部に低温再Ｇを配置し、吸収器Ａ、蒸発器Ｅの低圧側と、低温再生器Ｇ、凝縮器Ｃの高圧側とを、斜め隔壁で分け、この斜め隔壁の上側に低温再生器Ｇから凝縮器Ｃへの冷媒蒸気が流れる通路１を配し、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。
【００１０】
また、この缶胴とは別に、高温排ガス５を熱源とする排熱高温再生器ＧＨと排熱低温再生器ＧＲ、及び高温再生器ＧＨＡと溶液熱交換器Ｘ、ＸＨが配備されている。そして、この缶胴の吸収器Ａ及び低温再生器Ｇと、排熱高温再生器ＧＨ及び排熱低温再生器ＧＲ、高温再生器ＧＨＡとは、溶液流路１１〜１７及び冷媒流路２０〜２４でそれぞれ接続されている。
排熱として、ガスタービン、ガスエンジンなどからの排ガスを、先ず排熱高温再生器ＧＨ、次いで排熱低温再生器ＧＲに導いて熱源としている。
次に、図１について説明すると、図１は、吸収溶液が、吸収器Ａから高温再生器ＧＨ−低温再生器Ｇと、排熱低温再生器ＧＲとを経由して吸収器Ａに循環するシリーズフローの例である。
【００１１】
図１の吸収冷温水機の冷房運転においては、弁Ｖ１、Ｖ２を閉止、ポンプＳＰ、ＲＰを運転として、冷房サイクルを行う。
吸収器Ａからの希溶液の一部を、流路１３から排熱低温再生器ＧＲに導いて、排熱で加熱濃縮し、濃縮液を流路１５、１６を通り吸収器Ａに戻す。発生した冷媒蒸気は、流路２１から低温再生器Ｇ経由あるいは直接凝縮器Ｃに導く。吸収器Ａからの希溶液の大部分は、流路１１から排熱高温再生器ＧＨに導き、排熱で加熱濃縮し、次いで、流路１２から低温再生器Ｇに導き、排熱高温再生器ＧＨで発生した冷媒蒸気で加熱濃縮する。排熱高温再生器ＧＨからの冷媒蒸気は、流路２０を通り低温再生器Ｇの加熱側で冷媒液となり、凝縮器Ｃに導かれる。両低温再生器Ｇ、ＧＲで発生する冷媒蒸気は、凝縮器Ｃにて冷却され冷媒液となる。
凝縮器Ｃの冷媒液は、流路１８から蒸発器Ｅに導かれる。蒸発器Ｅで、冷媒液は冷水６から熱を奪い、冷凍効果を出すと共に自らは蒸発して、吸収器Ａの溶液に吸収される。吸収器Ａ、凝縮器Ｃは、冷却水３、４で冷却される。
【００１２】
また、暖房運転においては、弁Ｖ１、Ｖ２を開として、冷暖を切替える。ポンプＳＰは運転、ＲＰは停止とする。また冷却水３、４は流さない。
冷媒蒸気は、低温再生器Ｇの圧力レベルの機器（低温再生器Ｇ、排熱低温再生器ＧＲ、凝縮器Ｃ）と吸収器Ａ又は蒸発器Ｅとを結ぶ配管２２中の弁Ｖ１を通り、蒸発器Ｅに導き、ここで凝縮させる。凝縮した液は、弁Ｖ２を通って、吸収器Ａに戻る。低温再生器Ｇ及び排熱低温再生器ＧＲからの溶液は、流路１４、１５から流路１６に合流して、低温熱交換器Ｘの加熱側を経由して吸収器Ａに戻り、先程の冷媒液と混合する。
【００１３】
排熱高温再生器ＧＨで、排熱によって吸収溶液は加熱濃縮され、発生する冷媒蒸気は、流路２０から低温再生器Ｇの加熱側に行き、低温再生器Ｇで溶液を加熱濃縮し、冷媒蒸気自身は凝縮して、凝縮器Ｃ経由で流路１８から蒸発器Ｅに戻る。一方、排熱低温再生器ＧＲでも排熱によって、吸収溶液が加熱濃縮され、冷媒蒸気が発生する。また、低温再生器Ｇで溶液は、排熱高温再生器ＧＨからの冷媒蒸気によって、加熱濃縮され冷媒蒸気を発生する。これら両低温再生器Ｇ、ＧＲで発生した冷媒蒸気は、流路２２から弁Ｖ１を通って、吸収器Ａ又は蒸発器Ｅに入る。
弁Ｖ２は、冷媒液を蒸発器Ｅの下部から吸収器Ａに戻すように取付け、暖房時の蒸発器Ｅの冷媒保有量を少なくしている。
【００１４】
また、本発明では、冷房サイクル時に、蒸発器Ｅの冷媒液溜め部には、冷却水温度が高く、冷水温度が低く、出力最大の時に、溶液循環濃度が最大になり、溶液から放出される冷媒が溜まることになる。液溜め部に多量の冷媒が入るようになっていれば、冷媒が溶液側に吸収され、移行したとき、非常に希薄な濃度まで運転が可能になる。一方、吸収器Ａ下部の液溜めは、最大濃度時にはほぼ空になり、最小濃度時に、冷媒が溶液側に移行して溶液の容積が増大した分を貯えるクッションの役目をする。なお、一部の吸収器Ａの伝熱面積が溶液に浸ってもよいとして、液溜めを小さくすることもある。
【００１５】
冷房サイクル時のサイクル濃度が、冷却水温度、冷水温度、冷房出力等で決まってくるのに対し、暖房サイクル時の濃度は、温水等の運転条件ではなく、冷温水機に充填する溶液、冷媒量から決まってくる。
上述のように、冷暖切替は、弁Ｖ１と弁Ｖ２及び冷房で必要な機器の運転、停止で可能になる。
このうち、弁Ｖ２は、冷房時に使用する希釈弁、即ち冷房サイクルの結晶防止のために冷媒液を蒸発器Ｅから吸収器Ａに戻す弁を利用することも可能である。従って、この場合は本発明により、冷暖切替のため、新たに追加する機器は、弁Ｖ１のみとなっている。
【００１６】
蒸発器Ｅの冷媒保有量が同一であっても、排熱高温再生器ＧＨ、排熱低温再生器ＧＲ、低温再生器Ｇ、高温熱交換器ＸＨ、低温熱交換器Ｘの保有量が少なくなると、循環溶液濃度の変化を大きく取れる。図１に示した例では、排熱再生器ＧＨ、ＧＲに、垂直伝熱管の内側が溶液、外側が排ガスとなる液管式の排熱再生器（高温及び低温）を用い、溶液保有量を少なくしている。また、低温再生器Ｇは溶液を散布する方式とし、溶液保有量を極力少なくしている。さらに、溶液熱交換器Ｘ、ＸＨは、プレート式熱交換器とすることが望ましく、溶液保有量を少なくすることができ、実験機では容易に４０〜４５ｗｔ％の吸収器出口濃度とすることができた。
また、冷媒液を戻す弁Ｖ２を蒸発器Ｅ下部とし、殆どの冷媒液を溶液側に戻すこと、及び吸収器Ａ、蒸発器Ｅを除く機器の必要な液保有量を極力減らすことで、暖房時の溶液濃度を薄くすることができる。
【００１７】
図２は、吸収器Ａからの溶液を、低温溶液熱交換器Ｘの被加熱側を出た後、分岐し、一部を流路１３から低温再生器Ｇに、残りの部分を流路１１から高温熱交換器ＸＨの被加熱側を経由して、排熱高温再生器ＧＨに導いているパラレルフローの例である。
低温再生器Ｇで加熱濃縮された溶液は、流路１４から排熱低温再生器ＧＲに導き、排熱で加熱濃縮された後、流路１５を通り低温熱交換器Ｘの加熱側に接続されている。排熱高温再生器ＧＨで加熱濃縮された溶液は、流路１２を通り高温熱交換器ＸＨの加熱側を経由して、流路１５と合流して低温熱交換器Ｘの加熱側に接続されている。
図２では、溶液フローが、図１と異なるのみで、冷暖切替の弁動作、機器動作は同じである。
図1及び図２では、溶液のフローを、パラレルフロー、シリーズフローをベースにしたもので説明しているが、リバースフロー、あるいはこれらの混合したサイクルフロー等各種のものに適用できる。
冷暖切替の弁動作、機器動作は同様にできる。
【００１８】
図３では、負荷に対して、排熱が充分にないとき、高温再生器ＧＨＡで追焚きをする例を示している。
追焚きをしても、暖房出力が、排熱単独運転の全出力程度であれば、弁Ｖ１と弁Ｖ２で冷暖切替が可能である。追焚きをして、出力を大幅に増加させる場合には、高温再生器ＧＨＡから冷媒蒸気を、流路２３から流路２４の弁Ｖ３を開として蒸発器Ｅ系に直接導いて、高温再生器ＧＨＡの内圧及び温度を抑えても差支えない。
弁Ｖ１の大幅なサイズアップをせずに、圧力の高い冷媒蒸気を弁サイズの小さな弁Ｖ３の追加でカバーすることになる。
【００１９】
【発明の効果】
前記のように、本発明においては、暖房サイクルでは、排熱低温再生器及び低温再生器で発生する冷媒蒸気を、蒸発器に導き、冷媒蒸気を凝縮させて温水を加熱するため、排熱低温再生器に特別な温水器は不要であり、冷暖切替を簡易に行うことができる排熱投入型一二重効用サイクルを行う冷吸収冷温水機を提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の吸収冷温水機の一例を示すフロー構成図。
【図２】本発明の吸収冷温水機の他の例を示すフロー構成図。
【図３】本発明の吸収冷温水機の他の例を示すフロー構成図。
【符号の説明】
Ａ：吸収器、Ｇ：低温再生器、ＧＨ：排熱高温再生器、ＧＲ：排熱低温再生器、ＧＨＡ：高温再生器、Ｃ：凝縮器、Ｅ：蒸発器、Ｘ：低温熱交換器、ＸＨ：高温熱交換器、ＳＰ：溶液ポンプ、ＲＰ：冷媒ポンプ、Ｖ１〜Ｖ３：弁、１、２：冷媒蒸気通路、３、４：冷却水、５：高温排ガス、６：冷温水通路、１１〜１７：溶液流路、１８〜２４：冷媒流路

Claims (4)

1. 排熱高温再生器、排熱低温再生器、低温再生器、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、冷房モードで蒸発器から冷水を取出す状態と、暖房モードで蒸発器から温水を取出す状態とを切替え可能に構成した排熱投入型一二重効用吸収冷温水機において、前記低温再生器で発生した冷媒蒸気が凝縮器に流れる通路を有すると共に、暖房モード時も前記排熱高温再生器の冷媒蒸気を前記低温再生器の加熱側に導く構成とし、暖房モード時に前記低温再生器及び前記排熱低温再生器の蒸気を蒸発器又は吸収器に導く配管と、暖房モード時に前記蒸発器の液溜めの冷媒液を吸収器側に移動させる配管とを設けたことを特徴とする排熱投入型一二重効用吸収冷温水機。
2. 前記低温再生器及び前記排熱低温再生器の蒸気は、暖房モード時に開く弁を介して蒸発器又は吸収器に導く配管が接続されていることを特徴とする請求項１記載の排熱投入型一二重効用吸収冷温水機。
3. 前記吸収冷温水機は、冷媒に水、吸収溶液にＬｉＢｒ水溶液を用い、暖房モード時に吸収器出口の溶液濃度を４６ｗｔ％以下に調節する手段を有することを特徴とする請求項１又は２記載の排熱投入型一二重効用吸収冷温水機。
4. 前記排熱高温再生器には、追焚き用の高温再生器を付設したことを特徴とする請求項１、２又は３記載の排熱投入型一二重効用吸収冷温水機。

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