JP4233201B2 - 排熱吸収冷凍機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン、スターリングエンジン、ミラーサイクルガスエンジンといったエンジンから発生する排熱を回収して冷凍用媒体を取り出すように構成した排熱吸収冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の排熱吸収冷凍機としては、図６の従来例の概略構成図に示すようなアンモニア吸収冷凍機があった。
この従来例によれば、ガスエンジン０１に、カップリング０２を介して発電機０３が連動連結されている。
【０００３】
ガスエンジン０１のエンジン冷却部の出口と入口とにわたって、エンジン冷却水（ジャケット冷却水）を循環する第１のポンプ０４を介装した循環配管０５が接続され、この循環配管０５に、単効用吸収冷凍機を構成する再生器０６が設けられている。再生器０６には、ガスエンジン０１からのエンジン冷却水（温度85〜95℃）によって蒸発可能なアンモニアを冷媒とし、かつ、水を吸収剤とした非共沸混合媒体としてアンモニア−水系溶液が収容されている。
【０００４】
再生器０６には、精留器０７を介して水を分離したアンモニア蒸気を供給するように凝縮器０８が連通接続され、かつ、再生器０６に第１の配管０９を介して吸収器０１０が接続されるとともに、凝縮器０８に第２の配管０１１を介して蒸発器０１２が接続され、更に、吸収器０１０と蒸発器０１２とが連通接続され、単効用吸収冷凍機が構成されている。
【０００５】
凝縮器０８では、再生器０６で蒸発したアンモニアを凝縮液化し、その液化したアンモニアを蒸発器０１２に噴霧供給により戻すようになっている。
また、蒸発器０１２では、吸収器０１０における水によるアンモニアの吸収に伴い、アンモニアが蒸発するようになっている。
【０００６】
再生器０６と吸収器０１０とにわたって、溶液ポンプ０１３を介装した第３の配管０１４が接続され、この第３の配管０１４と第１の配管０９との間に熱交換器０１５が設けられ、再生器０６に戻す液化したアンモニア−水系溶液を、再生器０６から吸収器０１０に流すアンモニア−水系溶液によって加熱するようになっている。
【０００７】
上記構成により、ガスエンジン０１からの低温排熱であるエンジン冷却水を利用して、蒸発器０１２でのアンモニアの蒸発に伴い、冷水を得るようになっている。
【０００８】
ところが、アンモニアや、ＬｉＢｒ（リチウムブロマイド）などの吸収式冷凍機では、吸収プロセスや蒸発プロセスにたよっているために、電動型圧縮機によって冷媒を強制的に圧縮・膨張する冷媒回路を備えた冷凍機に比べ、成績係数が低くなる傾向にある。
【０００９】
そのため、従来より、吸収式冷凍機の成績係数を高くする方法が種々検討され、その一つとして、蒸発器０１２と吸収器０１０との間に電動型圧縮機を設け、蒸発器０１２内の蒸気を吸引し、その吸引した蒸気を吸収器０１０に加圧供給するようなプロセスが提案されている。
【００１０】
この構成によれば、吸収器０１０内での圧力は低下しないため、前述のような電動型圧縮機によって冷媒を強制的に圧縮・膨張する冷媒回路を備えた冷凍機の場合と同様に低温の温度を取り出すことができる。また、性能面においても、電動型圧縮機に使用する電力を除いた場合の成績係数を 1.2倍以上に高めることができる。また、従来の方法では、デューリング線図上、エンジン冷却水レベルの温度を加熱源として、−10℃以下の冷熱を取り出すことができないが、この構成によれば取り出すことができるようになる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電動型圧縮機の場合、電動モータと圧縮機とを連動連結し、伝動軸の軸受部に対して潤滑と漏洩に対するシールをしなければならず、例えば、アンモニア吸収冷凍機に適用した場合、潤滑油が系内に混入するとアンモニアの蒸発が阻害されるなど、冷媒への伝熱に弊害を及ぼすなど、潤滑油と漏洩の問題が、開発を阻害する大きな要因になっていた。
【００１２】
また、同時に、電動型圧縮機の駆動に必要な電力が大きくてランニングコストが増大する問題があった。もちろん、潤滑油や漏洩の問題だけであれば、密閉式のキャンドモータを用いることも可能であるが、ランニングコストやイニシャルコストが増大する欠点があった。
【００１３】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ランニングコストおよびイニシャルコストのいずれも安価にして冷凍用媒体を得られるようにするとともに、再生器内の溶液の加熱に圧縮機から排出される蒸気の熱を有効に利用できるようにすることを目的する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の排熱吸収冷凍機は、上述のような目的を達成するために、
130℃よりも低い温度のエンジン冷却水を発生するエンジン冷却部(1a)と、
130℃よりも高い温度の排ガスを発生するエンジン(1) と、
再生器(8) と吸収器(12)と凝縮器(10)と蒸発器(14)とから成る単効用吸収冷凍機と、
前記エンジン(1) からのエンジン冷却水を熱源とするように前記エンジン冷却部(1a)と前記再生器(8) とにわたって接続される循環配管(7) と、
前記エンジン(1) からのエンジン冷却水によって蒸発可能な冷媒を含む非共沸混合媒体を前記吸収器(12)から前記再生器(8) に供給する配管(16)と、
前記再生器(8) から前記吸収器(12)に非共沸混合媒体を供給する配管(11)と、
前記配管(16)の途中に接続されて前記吸収器(12)から前記再生器(8) に供給する非共沸混合媒体の一部を取り出す分岐配管(19)と、
前記エンジン(1) に接続されて前記エンジン(1) からの排気ガスを取り出すガス配管(4) と、
前記ガス配管(4) と前記分岐配管(19)との間に設けられて、前記エンジン(1) からの排ガスにより非共沸混合媒体を加熱して蒸発させる熱交換器(20)と、
前記分岐配管(19)に設けられて、前記熱交換器(20)で蒸発した非共沸混合媒体の蒸気によって駆動する蒸気タービン(21)と、
前記蒸発器(14)に連通接続され、前記蒸気タービン(21)に一体的に連動連結されて前記蒸発器(14)内の蒸気を吸引して前記吸収器(12)との間に圧力差を発生させる圧縮機(24)と、
前記圧縮機(24)に連通接続されて前記圧縮機(24)から排出される蒸気を前記吸収器(12)に供給する蒸気配管(30)と、
前記蒸発器(14)に付設されて冷凍用媒体を取り出す冷凍用媒体取り出し管(31)とを備え、
前記再生器(8) 内におけるエンジン冷却水との熱交換後の非共沸混合媒体の溶液と熱交換するように、前記蒸気配管(30)の途中箇所を前記再生器(8) 内に導入するように構成する。
【００１５】
エンジン(1) からのエンジン冷却水によって蒸発可能な冷媒を含む非共沸混合媒体としては、アンモニア−水系の混合溶液、メタノール−水系の混合溶液等が使用できる。この非共沸混合媒体は、冷媒と吸収剤以外に、腐食防止などのために若干の第三成分を含んでいてもよい。
【００１６】
【作用】
本発明の排熱吸収冷凍機の構成によれば、エンジン(1) からのエンジン冷却水を熱源として単効用吸収冷凍機を作動する。一方、エンジン(1) からの排気ガスにより、吸収器(12)から再生器(8) に供給される非共沸混合媒体の一部を熱交換器(20)を介して加熱して非共沸混合媒体の蒸気を発生させ、その蒸気によって蒸気タービン(21)を駆動し、蒸気タービン(21)に一体的に連動連結した圧縮機(24)を駆動する。この圧縮機(24)により、蒸発器(14)内の蒸気を吸引して蒸発器(14)内の圧力を吸収器(12)内の圧力よりも低下させ、蒸発器(14)での蒸発に伴い、冷凍用媒体取り出し管(31)を通じて低温の冷凍用媒体を取り出すことができる。
また、圧縮機(24)から排出される蒸気の蒸気配管(30)を再生器(8) 内に導入して、エンジン冷却水との熱交換後の非共沸混合媒体の溶液を加熱し、冷媒の分離を促進し、再生器(8) から出て吸収器(12)に供給される非共沸混合媒体の溶液の温度を高くすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る排熱吸収冷凍機の実施例を示す概略構成図であり、原動機としてのガスエンジン１に、カップリング２を介して発電機３が連動連結されている。
【００１８】
高温排熱源としてのガスエンジン１の排気管にガス配管４が接続され、そのガス配管４に、ＮＯｘ成分を除去する脱硝装置５が付設されている。
【００１９】
ガスエンジン１の低温排熱源としてのエンジン冷却部１ａの出口と入口とにわたって、エンジン冷却水（ジャケット冷却水）を循環する第１のポンプ６を介装した循環配管７が接続され、この循環配管７に、単効用吸収冷凍機を構成する再生器８が設けられている。再生器８には、ガスエンジン１からのエンジン冷却水（温度85〜95℃）によって蒸発可能なアンモニアを冷媒とし、かつ、水を吸収剤とした非共沸混合媒体としてのアンモニア−水系溶液が収容されている。
【００２０】
再生器８には、精留器９を介して水を分離したアンモニア蒸気を供給するように凝縮器１０が連通接続され、再生器８に第１の配管１１を介して吸収器１２が接続されるとともに、凝縮器１０に第２の配管１３を介して蒸発器１４が接続され、更に、吸収器１２と蒸発器１４とが連通接続され、単効用吸収冷凍機が構成されている。
【００２１】
凝縮器１０では、再生器８で蒸発した冷媒を凝縮液化し、その液化した冷媒を蒸発器１４に噴霧供給により戻すようになっている。
蒸発器１４では、吸収器１２における吸収剤による冷媒の吸収に伴い、冷媒が蒸発するようになっている。
【００２２】
吸収器１２から再生器８にわたって、第１の溶液ポンプ１５を介装した第３の配管１６が接続され、この第３の配管１６と第１の配管１１との間に第１の熱交換器１７が設けられ、再生器８に戻す液化したアンモニア−水系溶液を、再生器８から吸収器１２に流すアンモニア−水系溶液によって加熱するようになっている。
【００２３】
第３の配管１６の吸収器１２と第１の熱交換器１７との間に、第２の溶液ポンプ１８を介装した分岐配管１９が接続され、この分岐配管１９とガス配管４とにわたって第２の熱交換器２０が設けられ、液化したアンモニア−水系溶液をガスエンジン１からの排気ガスとの伝熱により加熱し、高温高圧の蒸気を発生させるように構成されている。
【００２４】
分岐配管１９に蒸気タービン２１が接続されるとともに、その蒸気タービン２１と第１の配管１１とが第４の配管２２を介して接続され、単効用吸収冷凍機の作動媒体であるアンモニア−水系溶液の高温高圧の蒸気によって蒸気タービン２１を駆動するとともに、蒸気タービン２１から排出される蒸気を吸収器１２に戻すように構成されている。
【００２５】
第４の配管２２の途中箇所が、再生器８内におけるエンジン冷却水との熱交換後のアンモニア−水系溶液と熱交換するように再生器８内に導入され、蒸気タービン２１から排出される蒸気の熱を利用して、再生器８から出て吸収器１２に供給されるアンモニア−水系溶液の温度を高くできるように構成されている。
【００２６】
図２の断面図に示すように、蒸気タービン２１に伝動軸２３を介して圧縮機２４が一体的に連動連結され、蒸気タービン２１、伝動軸２３および圧縮機２４が、パッキング２５を介してシールした状態で一体化されたケーシング２６内に収容されるとともに、伝動軸２３が気体軸受２７を介して回転自在に支持されている。
【００２７】
気体軸受２７には、第２の熱交換器２０で発生した高温高圧の蒸気が供給され、単効用吸収式冷凍機の作動媒体であるアンモニア−水系溶液によって潤滑するように構成されている。この気体軸受２７からの蒸気は、第４の配管２２を通じて吸収器１２に戻されるようになっている。
【００２８】
第２の配管１３の途中箇所に第４の熱交換器２８が設けられ、この第４の熱交換器２８で熱交換可能に、吸収器１２と前述の圧縮機２４とを接続する第１の蒸気配管２９が設けられ、圧縮機２４によって蒸発器１４内の蒸気を吸引するようになっている。
【００２９】
圧縮機２４と第１の配管１１とが第２の蒸気配管３０を介して接続され、その第２の蒸気配管３０の途中箇所が、再生器８内におけるエンジン冷却水との熱交換後のアンモニア−水系溶液と熱交換するように再生器８内に導入され、圧縮機２４から排出される蒸気の熱を利用して、再生器８から出て吸収器１２に供給されるアンモニア−水系溶液を加熱してその温度を高くし、その後に、吸収器１２に供給するように構成されている。
【００３０】
蒸発器１４に、冷凍用媒体としてのブラインを取り出す冷凍用媒体取り出し管３１が付設されている。このブラインとの熱交換により、食品とか下水処理システムでの下水汚泥などの被冷却物を冷却・冷凍するのである。
凝縮器１０および吸収器１２には、クーリングタワーからの冷却水を供給する冷却管３２が通されている。
【００３１】
上記構成により、圧縮機２４から排出される蒸気の顕熱を利用して再生器８から出て吸収器１２に供給されるアンモニア−水系溶液の温度を高くし、吸収器１２から出るアンモニア−水系溶液のアンモニア濃度を低くして吸収器１２内の圧力を低くし、圧縮機２４の圧縮比を減少できるようになっている。
【００３２】
図３のデューリング線図に示すように、精留器９から凝縮器１０への出口でのアンモニア−水系溶液のアンモニア（ＮＨ3 ）濃度ξR によって凝縮器１０の状態（▲１▼）が決まり、それによって、再生器８の状態（▲２▼）、すなわち、再生器８から吸収器１２への出口のアンモニア濃度ξr が決まる。吸収器１２の出口のアンモニア濃度をξa とすると（▲３▼）、アンモニア−水系溶液の循環比ａが、
ａ＝（ξR −ξa ）／（ξr −ξa ）
となり、この循環比ａを設計上で決定すれば、吸収器１２の出口のアンモニア濃度ξa が決まり、吸収器１２の状態（▲４▼）が決まる。
【００３３】
再生器８から吸収器１２への出口のアンモニア濃度ξr は、再生器８から吸収器１２への出口の温度で決まり、従来では、エンジン１からのエンジン冷却水（ジャケット冷却水）の温度で決まっていた。
【００３４】
上記実施例によれば、循環比ａを一定とした場合、圧縮機２４から排出される蒸気の顕熱を利用して再生器８から吸収器１２への出口の温度を高くし（▲２▼’）、再生器８から吸収器１２への出口のアンモニア濃度ξr を低くして吸収器１２内の圧力をＰａ→Ｐａ’へと低くできるようにする（▲４▼’）。また、圧縮機２４の吐出圧力Ｐａを一定にした場合、循環比ａを小さく、吸収器１２の出口のアンモニア濃度ξa と再生器８から吸収器１２への出口のアンモニア濃度ξr の濃度差を大きくできる。
【００３５】
このため、圧縮機２４の吐出圧力が一定であれば、吸収器１２から再生器８にアンモニア−水系溶液を送るための第１の溶液ポンプ１５のポンプ動力が小さくて済むとともに、その送液量を減少できて第３の配管１６を小径にでき、全体をコンパクトに構成できる。
また、アンモニア−水系溶液の循環比ａを一定にすれば、すなわち、吸収器１２から再生器８に送るアンモニア−水系溶液の量が一定であれば、圧縮機２４の圧力差を小さくでき、冷凍機全体としての設計の自由度が高くなって設計しやすくできることになる。
【００３６】
図４は、第１の変形例を示す概略構成図であり、上記実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、第２の蒸気配管３０において、再生器８内を通して放熱させた後、第１の配管１１に合流させるまでの途中箇所に、給湯管４１への給湯用温水取り出し用の熱交換器４２が設けられ、圧縮機２４から排出されて再生器８の加熱に利用された後の蒸気の熱を給湯用温水の取り出しに利用するように構成されている。
蒸気タービン２１から排出される蒸気は、再生器８内を通さずに第１の配管１１に合流させるように構成されている。他の構成は実施例と同じであり、同じ番号を付すことにより、その説明は省略する。
【００３７】
図５は、第２の変形例を示す概略構成図であり、上記実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、第２の蒸気配管３０において、再生器８を通して放熱させた後、第１の熱交換器１７を経て吸収器１２から再生器８に送るアンモニア−水系溶液と熱交換する第５の熱交換器５１が設けられ、その第５の熱交換器５１を経た後に第１の配管１１に合流するように構成されている。他の構成は実施例と同じであり、同じ番号を付すことにより、その説明は省略する。
【００３８】
上記実施例では、気体軸受２７に、第２の熱交換器２０で発生した高温高圧の蒸気を供給するように構成しているが、例えば、吸収器１２からのアンモニア−水系溶液を供給するなど、要するに、単効用吸収式冷凍機の作動媒体であるアンモニア−水系溶液によって潤滑するものであれば、各種の構成が採用できる。
【００３９】
また、上記第１実施例では、ガスエンジン１によって発電機３を駆動して電力を取り出す、いわゆるコジェネレーションシステムを示したが、ガスエンジン１によって各種の機械装置を駆動する場合にも適用できる。
【００４０】
上述実施例のガスエンジン１としては、ミラーサイクルガスエンジンやディーゼルエンジンやスターリングエンジンなど各種のエンジンを用いることができる。
【００４１】
なお、わかりやすくするために、特許請求の範囲、ならびに、課題を解決するための手段および作用それぞれの欄において、構成部材に参照図番を付しているが、これに制限されるものでは無い。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の排熱吸収冷凍機によれば、エンジンからのエンジン冷却水を熱源として単効用吸収冷凍機を作動しながら、エンジンからの排ガスにより蒸気タービンを駆動して圧縮機を駆動し、蒸発器内の圧力を吸収器内の圧力よりも低下させて低温の冷凍用媒体を取り出すから、エンジンからのエンジン冷却水および排ガスによって冷凍用媒体を取り出すことができ、ランニングコストおよびイニシャルコストのいずれも安価にして、零度よりも低温の冷凍用媒体を得ることができる。
すなわち、例えば、上述の圧縮機として電動型圧縮機を用いれば、圧縮機の駆動に電力を要するためにランニングコストが増大する。本発明ではこのような駆動電力が不要である。
また、蒸気タービンを駆動する蒸気と、蒸発器内の圧力を吸収器内の圧力よりも低下させるために圧縮機によって吸引する蒸気とが、いずれも単効用吸収冷凍機の作動媒体である非共沸混合媒体の蒸気であり、また、軸受潤滑を同一媒体で行えることから、蒸気タービンと圧縮機ならびにそれらを連動連結する伝動軸を同じケーシング内に収容することができ、電動モータと圧縮機とを連動連結する伝動軸に対する軸受部の潤滑と漏洩に対するシールに複雑な構成を採用したり、密閉式のキャンドモータを用いたりする場合に比べてイニシャルコストを安価にできる。
しかも、圧縮機から排出される蒸気の熱を利用して、エンジン冷却水との熱交換後の非共沸混合媒体の溶液を加熱し、冷媒の分離を促進し、再生器から出て吸収器に供給される非共沸混合媒体の溶液の温度を高くするから、吸収器から出る非共沸混合媒体の溶液の濃度を低くできて吸収器内の圧力を低くでき、圧縮機の圧縮比を減少できる。また、圧縮機の吐出圧力を一定にする場合であれば、溶液の循環比を小さくできる。後者の場合では、吸収器から再生器に非共沸混合媒体の溶液を送るためのポンプ動力が小さくて済むとともに、その送液量を減少できて小径の配管で済み、全体をコンパクトに構成でき、また、前者の場合では、吸収器から再生器に送る非共沸混合媒体の溶液の量を一定にする場合であれば、圧縮機の圧力差を小さくでき、冷凍機全体としての設計の自由度が高くなって設計しやすくできる。
そのうえ、この圧縮機から排出される蒸気の熱を利用するのに、蒸気配管の途中箇所を再生器内に導入し、蒸気の熱を有効に利用できている。
すなわち、本発明者は、先に、蒸気タービンから排出される蒸気と圧縮機から排出される蒸気を混合し、その混合した蒸気によって、吸収器から再生器に送られる非共沸混合媒体の溶液を加熱する構成を提案している（特開平１１−３５２８０４号）。ところが、この提案例の場合、圧縮機から排出される蒸気では冷媒濃度が 100％に近いのに対して、蒸気タービンから排出される蒸気では冷媒濃度が小さい。この結果、混合に伴って、圧縮機から排出される蒸気の顕熱が、蒸気タービンから排出される蒸気中の吸収剤の蒸発に消費され、その混合蒸気の温度が低下する。本発明は、この点をも改良し、圧縮機から排出される蒸気の凝縮潜熱を十分に利用できるようにしたのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排熱吸収冷凍機の実施例を示す概略構成図である。
【図２】要部の断面図である。
【図３】デューリング線図である。
【図４】第１の変形例を示す概略構成図である。
【図５】第２の変形例を示す概略構成図である。
【図６】従来例の概略構成図である。
【符号の説明】
１…ガスエンジン
１ａ…エンジン冷却部
４…ガス配管
７…循環配管
８…再生器
１０…凝縮器
１２…吸収器
１４…蒸発器
１６…第３の配管
１９…分岐配管
２０…第２の熱交換器
２１…蒸気タービン
２４…圧縮機
３０…第２の蒸気配管
３１…冷凍用媒体取り出し管
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン、スターリングエンジン、ミラーサイクルガスエンジンといったエンジンから発生する排熱を回収して冷凍用媒体を取り出すように構成した排熱吸収冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の排熱吸収冷凍機としては、図６の従来例の概略構成図に示すようなアンモニア吸収冷凍機があった。
この従来例によれば、ガスエンジン０１に、カップリング０２を介して発電機０３が連動連結されている。
【０００３】
ガスエンジン０１のエンジン冷却部の出口と入口とにわたって、エンジン冷却水（ジャケット冷却水）を循環する第１のポンプ０４を介装した循環配管０５が接続され、この循環配管０５に、単効用吸収冷凍機を構成する再生器０６が設けられている。再生器０６には、ガスエンジン０１からのエンジン冷却水（温度85〜95℃）によって蒸発可能なアンモニアを冷媒とし、かつ、水を吸収剤とした非共沸混合媒体としてアンモニア−水系溶液が収容されている。
【０００４】
再生器０６には、精留器０７を介して水を分離したアンモニア蒸気を供給するように凝縮器０８が連通接続され、かつ、再生器０６に第１の配管０９を介して吸収器０１０が接続されるとともに、凝縮器０８に第２の配管０１１を介して蒸発器０１２が接続され、更に、吸収器０１０と蒸発器０１２とが連通接続され、単効用吸収冷凍機が構成されている。
【０００５】
凝縮器０８では、再生器０６で蒸発したアンモニアを凝縮液化し、その液化したアンモニアを蒸発器０１２に噴霧供給により戻すようになっている。
また、蒸発器０１２では、吸収器０１０における水によるアンモニアの吸収に伴い、アンモニアが蒸発するようになっている。
【０００６】
再生器０６と吸収器０１０とにわたって、溶液ポンプ０１３を介装した第３の配管０１４が接続され、この第３の配管０１４と第１の配管０９との間に熱交換器０１５が設けられ、再生器０６に戻す液化したアンモニア−水系溶液を、再生器０６から吸収器０１０に流すアンモニア−水系溶液によって加熱するようになっている。
【０００７】
上記構成により、ガスエンジン０１からの低温排熱であるエンジン冷却水を利用して、蒸発器０１２でのアンモニアの蒸発に伴い、冷水を得るようになっている。
【０００８】
ところが、アンモニアや、ＬｉＢｒ（リチウムブロマイド）などの吸収式冷凍機では、吸収プロセスや蒸発プロセスにたよっているために、電動型圧縮機によって冷媒を強制的に圧縮・膨張する冷媒回路を備えた冷凍機に比べ、成績係数が低くなる傾向にある。
【０００９】
そのため、従来より、吸収式冷凍機の成績係数を高くする方法が種々検討され、その一つとして、蒸発器０１２と吸収器０１０との間に電動型圧縮機を設け、蒸発器０１２内の蒸気を吸引し、その吸引した蒸気を吸収器０１０に加圧供給するようなプロセスが提案されている。
【００１０】
この構成によれば、吸収器０１０内での圧力は低下しないため、前述のような電動型圧縮機によって冷媒を強制的に圧縮・膨張する冷媒回路を備えた冷凍機の場合と同様に低温の温度を取り出すことができる。また、性能面においても、電動型圧縮機に使用する電力を除いた場合の成績係数を 1.2倍以上に高めることができる。また、従来の方法では、デューリング線図上、エンジン冷却水レベルの温度を加熱源として、−10℃以下の冷熱を取り出すことができないが、この構成によれば取り出すことができるようになる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電動型圧縮機の場合、電動モータと圧縮機とを連動連結し、伝動軸の軸受部に対して潤滑と漏洩に対するシールをしなければならず、例えば、アンモニア吸収冷凍機に適用した場合、潤滑油が系内に混入するとアンモニアの蒸発が阻害されるなど、冷媒への伝熱に弊害を及ぼすなど、潤滑油と漏洩の問題が、開発を阻害する大きな要因になっていた。
【００１２】
また、同時に、電動型圧縮機の駆動に必要な電力が大きくてランニングコストが増大する問題があった。もちろん、潤滑油や漏洩の問題だけであれば、密閉式のキャンドモータを用いることも可能であるが、ランニングコストやイニシャルコストが増大する欠点があった。
【００１３】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ランニングコストおよびイニシャルコストのいずれも安価にして冷凍用媒体を得られるようにするとともに、再生器内の溶液の加熱に圧縮機から排出される蒸気の熱を有効に利用できるようにすることを目的する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の排熱吸収冷凍機は、上述のような目的を達成するために、
130℃よりも低い温度のエンジン冷却水を発生するエンジン冷却部(1a)と、
130℃よりも高い温度の排ガスを発生するエンジン(1) と、
再生器(8) と吸収器(12)と凝縮器(10)と蒸発器(14)とから成る単効用吸収冷凍機と、
前記エンジン(1) からのエンジン冷却水を熱源とするように前記エンジン冷却部(1a)と前記再生器(8) とにわたって接続される循環配管(7) と、
前記エンジン(1) からのエンジン冷却水によって蒸発可能な冷媒を含む非共沸混合媒体を前記吸収器(12)から前記再生器(8) に供給する配管(16)と、
前記再生器(8) から前記吸収器(12)に非共沸混合媒体を供給する配管(11)と、
前記配管(16)の途中に接続されて前記吸収器(12)から前記再生器(8) に供給する非共沸混合媒体の一部を取り出す分岐配管(19)と、
前記エンジン(1) に接続されて前記エンジン(1) からの排気ガスを取り出すガス配管(4) と、
前記ガス配管(4) と前記分岐配管(19)との間に設けられて、前記エンジン(1) からの排ガスにより非共沸混合媒体を加熱して蒸発させる熱交換器(20)と、
前記分岐配管(19)に設けられて、前記熱交換器(20)で蒸発した非共沸混合媒体の蒸気によって駆動する蒸気タービン(21)と、
前記蒸発器(14)に連通接続され、前記蒸気タービン(21)に一体的に連動連結されて前記蒸発器(14)内の蒸気を吸引して前記吸収器(12)との間に圧力差を発生させる圧縮機(24)と、
前記圧縮機(24)に連通接続されて前記圧縮機(24)から排出される蒸気を前記吸収器(12)に供給する蒸気配管(30)と、
前記蒸発器(14)に付設されて冷凍用媒体を取り出す冷凍用媒体取り出し管(31)とを備え、
前記再生器(8) 内におけるエンジン冷却水との熱交換後の非共沸混合媒体の溶液と熱交換するように、前記蒸気配管(30)の途中箇所を前記再生器(8) 内に導入するように構成する。
【００１５】
エンジン(1) からのエンジン冷却水によって蒸発可能な冷媒を含む非共沸混合媒体としては、アンモニア−水系の混合溶液、メタノール−水系の混合溶液等が使用できる。この非共沸混合媒体は、冷媒と吸収剤以外に、腐食防止などのために若干の第三成分を含んでいてもよい。
【００１６】
【作用】
本発明の排熱吸収冷凍機の構成によれば、エンジン(1) からのエンジン冷却水を熱源として単効用吸収冷凍機を作動する。一方、エンジン(1) からの排気ガスにより、吸収器(12)から再生器(8) に供給される非共沸混合媒体の一部を熱交換器(20)を介して加熱して非共沸混合媒体の蒸気を発生させ、その蒸気によって蒸気タービン(21)を駆動し、蒸気タービン(21)に一体的に連動連結した圧縮機(24)を駆動する。この圧縮機(24)により、蒸発器(14)内の蒸気を吸引して蒸発器(14)内の圧力を吸収器(12)内の圧力よりも低下させ、蒸発器(14)での蒸発に伴い、冷凍用媒体取り出し管(31)を通じて低温の冷凍用媒体を取り出すことができる。
また、圧縮機(24)から排出される蒸気の蒸気配管(30)を再生器(8) 内に導入して、エンジン冷却水との熱交換後の非共沸混合媒体の溶液を加熱し、冷媒の分離を促進し、再生器(8) から出て吸収器(12)に供給される非共沸混合媒体の溶液の温度を高くすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る排熱吸収冷凍機の実施例を示す概略構成図であり、原動機としてのガスエンジン１に、カップリング２を介して発電機３が連動連結されている。
【００１８】
高温排熱源としてのガスエンジン１の排気管にガス配管４が接続され、そのガス配管４に、ＮＯｘ成分を除去する脱硝装置５が付設されている。
【００１９】
ガスエンジン１の低温排熱源としてのエンジン冷却部１ａの出口と入口とにわたって、エンジン冷却水（ジャケット冷却水）を循環する第１のポンプ６を介装した循環配管７が接続され、この循環配管７に、単効用吸収冷凍機を構成する再生器８が設けられている。再生器８には、ガスエンジン１からのエンジン冷却水（温度85〜95℃）によって蒸発可能なアンモニアを冷媒とし、かつ、水を吸収剤とした非共沸混合媒体としてのアンモニア−水系溶液が収容されている。
【００２０】
再生器８には、精留器９を介して水を分離したアンモニア蒸気を供給するように凝縮器１０が連通接続され、再生器８に第１の配管１１を介して吸収器１２が接続されるとともに、凝縮器１０に第２の配管１３を介して蒸発器１４が接続され、更に、吸収器１２と蒸発器１４とが連通接続され、単効用吸収冷凍機が構成されている。
【００２１】
凝縮器１０では、再生器８で蒸発した冷媒を凝縮液化し、その液化した冷媒を蒸発器１４に噴霧供給により戻すようになっている。
蒸発器１４では、吸収器１２における吸収剤による冷媒の吸収に伴い、冷媒が蒸発するようになっている。
【００２２】
吸収器１２から再生器８にわたって、第１の溶液ポンプ１５を介装した第３の配管１６が接続され、この第３の配管１６と第１の配管１１との間に第１の熱交換器１７が設けられ、再生器８に戻す液化したアンモニア−水系溶液を、再生器８から吸収器１２に流すアンモニア−水系溶液によって加熱するようになっている。
【００２３】
第３の配管１６の吸収器１２と第１の熱交換器１７との間に、第２の溶液ポンプ１８を介装した分岐配管１９が接続され、この分岐配管１９とガス配管４とにわたって第２の熱交換器２０が設けられ、液化したアンモニア−水系溶液をガスエンジン１からの排気ガスとの伝熱により加熱し、高温高圧の蒸気を発生させるように構成されている。
【００２４】
分岐配管１９に蒸気タービン２１が接続されるとともに、その蒸気タービン２１と第１の配管１１とが第４の配管２２を介して接続され、単効用吸収冷凍機の作動媒体であるアンモニア−水系溶液の高温高圧の蒸気によって蒸気タービン２１を駆動するとともに、蒸気タービン２１から排出される蒸気を吸収器１２に戻すように構成されている。
【００２５】
第４の配管２２の途中箇所が、再生器８内におけるエンジン冷却水との熱交換後のアンモニア−水系溶液と熱交換するように再生器８内に導入され、蒸気タービン２１から排出される蒸気の熱を利用して、再生器８から出て吸収器１２に供給されるアンモニア−水系溶液の温度を高くできるように構成されている。
【００２６】
図２の断面図に示すように、蒸気タービン２１に伝動軸２３を介して圧縮機２４が一体的に連動連結され、蒸気タービン２１、伝動軸２３および圧縮機２４が、パッキング２５を介してシールした状態で一体化されたケーシング２６内に収容されるとともに、伝動軸２３が気体軸受２７を介して回転自在に支持されている。
【００２７】
気体軸受２７には、第２の熱交換器２０で発生した高温高圧の蒸気が供給され、単効用吸収式冷凍機の作動媒体であるアンモニア−水系溶液によって潤滑するように構成されている。この気体軸受２７からの蒸気は、第４の配管２２を通じて吸収器１２に戻されるようになっている。
【００２８】
第２の配管１３の途中箇所に第４の熱交換器２８が設けられ、この第４の熱交換器２８で熱交換可能に、吸収器１２と前述の圧縮機２４とを接続する第１の蒸気配管２９が設けられ、圧縮機２４によって蒸発器１４内の蒸気を吸引するようになっている。
【００２９】
圧縮機２４と第１の配管１１とが第２の蒸気配管３０を介して接続され、その第２の蒸気配管３０の途中箇所が、再生器８内におけるエンジン冷却水との熱交換後のアンモニア−水系溶液と熱交換するように再生器８内に導入され、圧縮機２４から排出される蒸気の熱を利用して、再生器８から出て吸収器１２に供給されるアンモニア−水系溶液を加熱してその温度を高くし、その後に、吸収器１２に供給するように構成されている。
【００３０】
蒸発器１４に、冷凍用媒体としてのブラインを取り出す冷凍用媒体取り出し管３１が付設されている。このブラインとの熱交換により、食品とか下水処理システムでの下水汚泥などの被冷却物を冷却・冷凍するのである。
凝縮器１０および吸収器１２には、クーリングタワーからの冷却水を供給する冷却管３２が通されている。
【００３１】
上記構成により、圧縮機２４から排出される蒸気の顕熱を利用して再生器８から出て吸収器１２に供給されるアンモニア−水系溶液の温度を高くし、吸収器１２から出るアンモニア−水系溶液のアンモニア濃度を低くして吸収器１２内の圧力を低くし、圧縮機２４の圧縮比を減少できるようになっている。
【００３２】
図３のデューリング線図に示すように、精留器９から凝縮器１０への出口でのアンモニア−水系溶液のアンモニア（ＮＨ3 ）濃度ξR によって凝縮器１０の状態（▲１▼）が決まり、それによって、再生器８の状態（▲２▼）、すなわち、再生器８から吸収器１２への出口のアンモニア濃度ξr が決まる。吸収器１２の出口のアンモニア濃度をξa とすると（▲３▼）、アンモニア−水系溶液の循環比ａが、
ａ＝（ξR −ξa ）／（ξr −ξa ）
となり、この循環比ａを設計上で決定すれば、吸収器１２の出口のアンモニア濃度ξa が決まり、吸収器１２の状態（▲４▼）が決まる。
【００３３】
再生器８から吸収器１２への出口のアンモニア濃度ξr は、再生器８から吸収器１２への出口の温度で決まり、従来では、エンジン１からのエンジン冷却水（ジャケット冷却水）の温度で決まっていた。
【００３４】
上記実施例によれば、循環比ａを一定とした場合、圧縮機２４から排出される蒸気の顕熱を利用して再生器８から吸収器１２への出口の温度を高くし（▲２▼’）、再生器８から吸収器１２への出口のアンモニア濃度ξr を低くして吸収器１２内の圧力をＰａ→Ｐａ’へと低くできるようにする（▲４▼’）。また、圧縮機２４の吐出圧力Ｐａを一定にした場合、循環比ａを小さく、吸収器１２の出口のアンモニア濃度ξa と再生器８から吸収器１２への出口のアンモニア濃度ξr の濃度差を大きくできる。
【００３５】
このため、圧縮機２４の吐出圧力が一定であれば、吸収器１２から再生器８にアンモニア−水系溶液を送るための第１の溶液ポンプ１５のポンプ動力が小さくて済むとともに、その送液量を減少できて第３の配管１６を小径にでき、全体をコンパクトに構成できる。
また、アンモニア−水系溶液の循環比ａを一定にすれば、すなわち、吸収器１２から再生器８に送るアンモニア−水系溶液の量が一定であれば、圧縮機２４の圧力差を小さくでき、冷凍機全体としての設計の自由度が高くなって設計しやすくできることになる。
【００３６】
図４は、第１の変形例を示す概略構成図であり、上記実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、第２の蒸気配管３０において、再生器８内を通して放熱させた後、第１の配管１１に合流させるまでの途中箇所に、給湯管４１への給湯用温水取り出し用の熱交換器４２が設けられ、圧縮機２４から排出されて再生器８の加熱に利用された後の蒸気の熱を給湯用温水の取り出しに利用するように構成されている。
蒸気タービン２１から排出される蒸気は、再生器８内を通さずに第１の配管１１に合流させるように構成されている。他の構成は実施例と同じであり、同じ番号を付すことにより、その説明は省略する。
【００３７】
図５は、第２の変形例を示す概略構成図であり、上記実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、第２の蒸気配管３０において、再生器８を通して放熱させた後、第１の熱交換器１７を経て吸収器１２から再生器８に送るアンモニア−水系溶液と熱交換する第５の熱交換器５１が設けられ、その第５の熱交換器５１を経た後に第１の配管１１に合流するように構成されている。他の構成は実施例と同じであり、同じ番号を付すことにより、その説明は省略する。
【００３８】
上記実施例では、気体軸受２７に、第２の熱交換器２０で発生した高温高圧の蒸気を供給するように構成しているが、例えば、吸収器１２からのアンモニア−水系溶液を供給するなど、要するに、単効用吸収式冷凍機の作動媒体であるアンモニア−水系溶液によって潤滑するものであれば、各種の構成が採用できる。
【００３９】
また、上記第１実施例では、ガスエンジン１によって発電機３を駆動して電力を取り出す、いわゆるコジェネレーションシステムを示したが、ガスエンジン１によって各種の機械装置を駆動する場合にも適用できる。
【００４０】
上述実施例のガスエンジン１としては、ミラーサイクルガスエンジンやディーゼルエンジンやスターリングエンジンなど各種のエンジンを用いることができる。
【００４１】
なお、わかりやすくするために、特許請求の範囲、ならびに、課題を解決するための手段および作用それぞれの欄において、構成部材に参照図番を付しているが、これに制限されるものでは無い。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の排熱吸収冷凍機によれば、エンジンからのエンジン冷却水を熱源として単効用吸収冷凍機を作動しながら、エンジンからの排ガスにより蒸気タービンを駆動して圧縮機を駆動し、蒸発器内の圧力を吸収器内の圧力よりも低下させて低温の冷凍用媒体を取り出すから、エンジンからのエンジン冷却水および排ガスによって冷凍用媒体を取り出すことができ、ランニングコストおよびイニシャルコストのいずれも安価にして、零度よりも低温の冷凍用媒体を得ることができる。
すなわち、例えば、上述の圧縮機として電動型圧縮機を用いれば、圧縮機の駆動に電力を要するためにランニングコストが増大する。本発明ではこのような駆動電力が不要である。
また、蒸気タービンを駆動する蒸気と、蒸発器内の圧力を吸収器内の圧力よりも低下させるために圧縮機によって吸引する蒸気とが、いずれも単効用吸収冷凍機の作動媒体である非共沸混合媒体の蒸気であり、また、軸受潤滑を同一媒体で行えることから、蒸気タービンと圧縮機ならびにそれらを連動連結する伝動軸を同じケーシング内に収容することができ、電動モータと圧縮機とを連動連結する伝動軸に対する軸受部の潤滑と漏洩に対するシールに複雑な構成を採用したり、密閉式のキャンドモータを用いたりする場合に比べてイニシャルコストを安価にできる。
しかも、圧縮機から排出される蒸気の熱を利用して、エンジン冷却水との熱交換後の非共沸混合媒体の溶液を加熱し、冷媒の分離を促進し、再生器から出て吸収器に供給される非共沸混合媒体の溶液の温度を高くするから、吸収器から出る非共沸混合媒体の溶液の濃度を低くできて吸収器内の圧力を低くでき、圧縮機の圧縮比を減少できる。また、圧縮機の吐出圧力を一定にする場合であれば、溶液の循環比を小さくできる。後者の場合では、吸収器から再生器に非共沸混合媒体の溶液を送るためのポンプ動力が小さくて済むとともに、その送液量を減少できて小径の配管で済み、全体をコンパクトに構成でき、また、前者の場合では、吸収器から再生器に送る非共沸混合媒体の溶液の量を一定にする場合であれば、圧縮機の圧力差を小さくでき、冷凍機全体としての設計の自由度が高くなって設計しやすくできる。
そのうえ、この圧縮機から排出される蒸気の熱を利用するのに、蒸気配管の途中箇所を再生器内に導入し、蒸気の熱を有効に利用できている。
すなわち、本発明者は、先に、蒸気タービンから排出される蒸気と圧縮機から排出される蒸気を混合し、その混合した蒸気によって、吸収器から再生器に送られる非共沸混合媒体の溶液を加熱する構成を提案している（特開平１１−３５２８０４号）。ところが、この提案例の場合、圧縮機から排出される蒸気では冷媒濃度が 100％に近いのに対して、蒸気タービンから排出される蒸気では冷媒濃度が小さい。この結果、混合に伴って、圧縮機から排出される蒸気の顕熱が、蒸気タービンから排出される蒸気中の吸収剤の蒸発に消費され、その混合蒸気の温度が低下する。本発明は、この点をも改良し、圧縮機から排出される蒸気の凝縮潜熱を十分に利用できるようにしたのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排熱吸収冷凍機の実施例を示す概略構成図である。
【図２】要部の断面図である。
【図３】デューリング線図である。
【図４】第１の変形例を示す概略構成図である。
【図５】第２の変形例を示す概略構成図である。
【図６】従来例の概略構成図である。
【符号の説明】
１…ガスエンジン
１ａ…エンジン冷却部
４…ガス配管
７…循環配管
８…再生器
１０…凝縮器
１２…吸収器
１４…蒸発器
１６…第３の配管
１９…分岐配管
２０…第２の熱交換器
２１…蒸気タービン
２４…圧縮機
３０…第２の蒸気配管
３１…冷凍用媒体取り出し管
Claims (1)
130℃よりも低い温度のエンジン冷却水を発生するエンジン冷却部(1a)と、
130℃よりも高い温度の排ガスを発生するエンジン(1) と、
再生器(8) と吸収器(12)と凝縮器(10)と蒸発器(14)とから成る単効用吸収冷凍機と、
前記エンジン(1) からのエンジン冷却水を熱源とするように前記エンジン冷却部(1a)と前記再生器(8) とにわたって接続される循環配管(7) と、
前記エンジン(1) からのエンジン冷却水によって蒸発可能な冷媒を含む非共沸混合媒体を前記吸収器(12)から前記再生器(8) に供給する配管(16)と、
前記再生器(8) から前記吸収器(12)に非共沸混合媒体を供給する配管(11)と、
前記配管(16)の途中に接続されて前記吸収器(12)から前記再生器(8) に供給する非共沸混合媒体の一部を取り出す分岐配管(19)と、
前記エンジン(1) に接続されて前記エンジン(1) からの排気ガスを取り出すガス配管(4) と、
前記ガス配管(4) と前記分岐配管(19)との間に設けられて、前記エンジン(1) からの排ガスにより非共沸混合媒体を加熱して蒸発させる熱交換器(20)と、
前記分岐配管(19)に設けられて、前記熱交換器(20)で蒸発した非共沸混合媒体の蒸気によって駆動する蒸気タービン(21)と、
前記蒸発器(14)に連通接続され、前記蒸気タービン(21)に一体的に連動連結されて前記蒸発器(14)内の蒸気を吸引して前記吸収器(12)との間に圧力差を発生させる圧縮機(24)と、
前記圧縮機(24)に連通接続されて前記圧縮機(24)から排出される蒸気を前記吸収器(12)に供給する蒸気配管(30)と、
前記蒸発器(14)に付設されて冷凍用媒体を取り出す冷凍用媒体取り出し管(31)とを備え、
前記再生器(8) 内におけるエンジン冷却水との熱交換後の非共沸混合媒体の溶液と熱交換するように、前記蒸気配管(30)の途中箇所を前記再生器(8) 内に導入したことを特徴とする排熱吸収冷凍機。
130℃よりも高い温度の排ガスを発生するエンジン(1) と、
再生器(8) と吸収器(12)と凝縮器(10)と蒸発器(14)とから成る単効用吸収冷凍機と、
前記エンジン(1) からのエンジン冷却水を熱源とするように前記エンジン冷却部(1a)と前記再生器(8) とにわたって接続される循環配管(7) と、
前記エンジン(1) からのエンジン冷却水によって蒸発可能な冷媒を含む非共沸混合媒体を前記吸収器(12)から前記再生器(8) に供給する配管(16)と、
前記再生器(8) から前記吸収器(12)に非共沸混合媒体を供給する配管(11)と、
前記配管(16)の途中に接続されて前記吸収器(12)から前記再生器(8) に供給する非共沸混合媒体の一部を取り出す分岐配管(19)と、
前記エンジン(1) に接続されて前記エンジン(1) からの排気ガスを取り出すガス配管(4) と、
前記ガス配管(4) と前記分岐配管(19)との間に設けられて、前記エンジン(1) からの排ガスにより非共沸混合媒体を加熱して蒸発させる熱交換器(20)と、
前記分岐配管(19)に設けられて、前記熱交換器(20)で蒸発した非共沸混合媒体の蒸気によって駆動する蒸気タービン(21)と、
前記蒸発器(14)に連通接続され、前記蒸気タービン(21)に一体的に連動連結されて前記蒸発器(14)内の蒸気を吸引して前記吸収器(12)との間に圧力差を発生させる圧縮機(24)と、
前記圧縮機(24)に連通接続されて前記圧縮機(24)から排出される蒸気を前記吸収器(12)に供給する蒸気配管(30)と、
前記蒸発器(14)に付設されて冷凍用媒体を取り出す冷凍用媒体取り出し管(31)とを備え、
前記再生器(8) 内におけるエンジン冷却水との熱交換後の非共沸混合媒体の溶液と熱交換するように、前記蒸気配管(30)の途中箇所を前記再生器(8) 内に導入したことを特徴とする排熱吸収冷凍機。
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