JP4727683B2 - ２段圧縮式冷凍システム - Google Patents

Description

本発明は化学プラント等において、所定の温度維持を必要とする反応炉の冷却等に使用される受液器を有する２段圧縮式冷凍システムに関するものである。

汎用されている２段圧縮の冷凍サイクルにおいては、第１段圧縮機による低圧吐出ガスを中間冷却器で冷却し、冷却したガスを中間冷却器から第２段圧縮機の入側へ供給するように構成されている。受液器を有する冷凍システムの従来技術として、特許文献１、２などがあり、この従来装置の中では受液器に該当するものが「レシーバ」又は「液溜め」と呼称して用いられている。

図５に、従来の化学プラント等に使用する２段圧縮式冷凍システムを示す。
図５において、この従来システムは、第１段圧縮機１Ａと第２段圧縮機１Ｂからなる２段圧縮機１と、第１段圧縮機１Ａの入側へ過熱ガスを供給する蒸発器２と、第１段圧縮機１Ａから吐出する過熱圧力ガスを受入れて冷却し冷却されたガスを第２段圧縮機１Ｂの入側へ供給する中間冷却器３と、第２段圧縮機１Ｂから吐出される過熱高圧ガスを凝縮する凝縮器４と、凝縮器４で凝縮され液化した低温度の冷液を受入れ蒸発器２へ戻す受液器５と、蒸発器２の出力低下時に凝縮器４から過熱ガスを蒸発器２及び第２段圧縮機１Ｂへ戻し供給する第１バイパス弁管路６と、第２バイパス弁管路７とで構成されている。

凝縮器４へは冷媒として冷却水が循環し、蒸発器２内には冷水が供給され、蒸発器２内での液体蒸発による熱吸収作用により内部を循環する冷水が冷却され、所定温度の冷水となって被冷却側へ循環供給されるようにしている。
中間冷却器３は、一般的に、第１段圧縮機１Ａから中間冷却器３へ入る過熱ガスとスプレー接触させる方式でガス冷却が行われてきている。

ところが、中間冷却器３が独立して設けられているため、中間冷却器３と受液器５の両方で液面コントロールや中間冷却器３のスプレー調整を行うことが必要になり、運転中のメンテナンス作業の負担が大きくなる不具合がある。また、それによって２段圧縮冷凍装置全体の設置スペースも大きくなっている。

特開平９−８９３９８号公報（図１） 特開平１０−９７２１号公報（図１）

本発明は、上述に鑑み、上述した従来の不具合に対し、２段圧縮式冷凍システム全体の機器構成を簡素化し、低コストで効率の良い２段圧縮式冷凍システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下（１）、（２）の手段を提案する。

（１）第１段圧縮機と第２段圧縮機からなる２段圧縮機と、前記第１段圧縮機の入側へ過熱ガスを供給する蒸発器と、前記第１段圧縮機から吐出する過熱圧力ガスを受入れて冷却し、冷却されたガスを前記第２段圧縮機の入側へ供給する中間冷却器と、前記第２段圧縮機から吐出される過熱高圧ガスを凝縮する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮され液化した低温度の冷液を受入れ前記蒸発器へ戻す受液器と、を備える２段圧縮式冷凍システムにおいて、前記受液器に前記中間冷却器を内蔵して、前記受液器が前記中間冷却器を兼用するように構成したことを特徴とするものである。さらに好ましくは、前記凝縮器と前記受液器とは、開閉器を介して管路接続され、前記受液器に内蔵される前記中間冷却器が、両端が閉鎖され長さ方向に且つ左右対称に多数のガス噴出孔を設けた円形断面のノズル管と、前記過熱圧力ガスを導入し、かつ前記ノズル管の中央部に接続した過熱ガス導入管により構成され、前記ノズル管のガス噴出孔は、前記ノズル管の下寄りに左右対称に外側斜め下方へ前記過熱圧力ガスを排出可能に設けられ、前記中間冷却器が前記受液器内の冷液中に保持されるように液面コントロールされたことを特徴とする。

（２）２段圧縮式冷凍システムにおいて、前記受液器に内蔵される前記中間冷却器が、前記受液器内の冷液中に保持され、冷液中に熱交換可能に前記過熱圧力を噴出させるノズル管を設けたものであることを特徴とする。好ましくは、２段圧縮式冷凍システムにおいて、前記液面コントロールは、中間冷却器に供給される前記過熱圧力ガスの流量、温度及び圧力に応じて、所定のガス噴出孔の配列、数、口径、及び高さと外側斜め下方への噴射角αを選定することにより行われることを特徴とする。

なお、受液器内での過熱圧力ガスと冷液との熱交換は、冷液内に過熱圧力ガスを吹き込むことや、冷液噴霧雰囲気内に過熱圧力ガスを供給する気液接触による直接的熱交換や、二重管式やプレート式などの熱交換器を用いて行えばよい。要するに、冷液により過熱圧力ガスを冷却すればよい。

受液器内に中間冷却器を内蔵して、受液および中間冷却機能を兼用せしめたので、２段圧縮式冷凍システム全体の機器構成を簡素化でき、低コストで効率の良い２段圧縮式冷凍システムである。

２段圧縮式冷凍システムにおける作用効果を奏すると共に、受液器の冷液中に過熱ガスを噴出させることにより、過熱ガスが冷液により効率よく熱交換され、省エネ化が達成できる。

また、第１段圧縮機から吐出される過熱圧力ガスを受液器に供給し、受液器内の冷液と熱交換せしめて冷却し、冷却されたガスを第２段圧縮機の入側に供給するので、従来設けていた中間冷却器を別途設ける必要がなくなり、２段圧縮式冷凍システムの機器構成を簡素化でき、低コストで効率の良い２段圧縮式冷凍システムである。

本発明に係る２段圧縮式冷凍システムを、図１ないし図４に基づき説明する。

図１は本発明の実施例１に係る２段圧縮式冷凍システムの構成図、図２は図１のＰ部を拡大して示す説明図、図３は図２のＡ−Ａ矢視に沿う断面図である。図４は本発明の実施例２に係るもので、図２に対応する説明図である。

図１に示す本２段圧縮式冷凍システムは、第１段圧縮機１Ａと第２段圧縮機１Ｂからなる２段圧縮機１と、第１段圧縮機１Ａの入側へ過熱ガスを供給する蒸発器２と、第１段圧縮機１Ａから吐出する過熱圧力ガスを受入れて冷却し、冷却されたガスを第２段圧縮機１Ｂの入側へ供給する中間冷却器１３と、第２段圧縮機１Ｂから吐出される過熱高圧ガスを凝縮する凝縮器４と、凝縮器４で凝縮され液化した低温度の冷液を受入れ蒸発器２へ戻す受液器１５と、蒸発器２の出力低下時に凝縮器４から過熱ガスを蒸発器２に供給する第１バイパス弁管路６と、過熱ガスを冷却ガス管路１７に供給する第２バイパス弁管路７とで構成されている。

また、図１、２に示すように、受液器１５内には中間冷却器１３を内蔵しており、受液器１５が中間冷却器１３を兼用するように構成している。中間冷却器１３は、受液器１５内の冷液１５Ｃ中に保持され、冷液１５Ｃ中に熱交換可能に過熱圧力ガスＧを気泡ガスｇとして噴出させるノズル管１３Ｂを設けたもので構成されている。

また、中間冷却器１３は、両端が閉鎖され長さ方向に且つ左右対称に多数のガス噴出孔１３Ｃを設けたノズル管１３Ｂと、該ノズル管１３Ｂの中央部に上向きに接続した過熱ガス導入管１３Ａにより構成され、過熱ガス導入管１３Ａの端部側を受液器１５の胴壁を鉛直上方へ貫通させて過熱ガス導入管１３Ａを受液器１５胴壁に固着支持することにより、ノズル管１３Ｂの全体を受液器１５内の冷液１５Ｃ中に所定の深さで水平浸漬させる高さに配設されている。

また、ノズル管１３Ｂのガス噴出孔１３Ｃは、ノズル管１３Ｂの下寄りに左右対称に外側斜め下方へ過熱ガスＧを排出可能に設けられていて（図３参照方）、図２で示すように、一列孔板又は多孔板の形式等で所定の開口率に設けられている。なお、ノズル管１３Ｂは円断面に限らず任意の断面の管材を使用してもよい。

受液器１５にはノズル管１３Ｂの一端側に離れて、上部側から冷液導入管１５Ａを配設し、また受液器１５の冷液導入管１５Ａと反対の端近くの上部に受液器１５内で冷却されたガスの出口管１３Ｄを配設している。図２において、１３Ｅはガス出口管１３Ｄの受液器１５内側に設けられたフィルターである。

受液器１５に内蔵された中間冷却器１３の導入管１３Ａは、第１段圧縮機１Ａの吐出口と過熱圧力ガス管路１６で接続されていて、第１段圧縮機１Ａから吐出する過熱圧力ガスを、受液器１５に供給する。また、受液器１５上のガス出口管１３Ｄは、第２段圧縮機１Ｂの入口と冷却ガス管路１７で接続されていて、受液器１５の冷液と気液接触して冷却したガスを第２段圧縮機１Ｂの入側に供給する。

また、第２段圧縮機１Ｂの吐出口と凝縮器４とは管路１８により、受液器１５上の冷液導入管１５Ａは凝縮器４の冷液出口管１９により、受液器１５と蒸発器２とは管路２０により、蒸発器２と第１段圧縮機１Ａの入側は管路２１により、それぞれ管路接続されている。また、図１において、１０、１１は開閉弁を示す。

しかして、本２段圧縮式冷凍システムでは、蒸発器２により気化されたガスは、フィルター２Ａを経て管路２１を通り第１段圧縮機１Ａの入側へ供給され、器内で圧縮されて第１段圧縮機１Ａの吐出口から一定圧力の第１段過熱ガスとして管路１６より中間冷却器１３へ連続的に送られる。中間冷却器１３で冷却されたガスは冷却ガス管路１７を経て第２段圧縮機１Ｂの入側へ供給され、器内で高圧縮されて吐出口から管路１８を経て凝縮器４へ送られる。

凝縮器４で凝縮された冷液が受液器１５へ送られる。蒸発器２のガス出力が低下したときは、凝縮器４から第１バイパス弁管路６及び第２バイパス弁管路７を通し第２段過熱ガスがそれぞれ蒸発器２及び第２段圧縮機１Ｂへのガス供給管路へ戻されて、第１段圧縮機１Ａ及び第２段圧縮機１Ｂの所定の運転状態が維持される。

受液器１５は受入れた冷液を所定深さに維持し、順次蒸発器２へ送液する。蒸発器２内には被冷却側から冷水が循環し、蒸発器２内での液体蒸発による熱吸収作用により冷水が再冷却され低温度冷水となって図示されない被冷却側へ供給される。

また、図１及び図２で示すように、この冷凍サイクル中において、受液器１５に内蔵した中間冷却器１３には、受液器１５内に初期的に存在する所定深さの冷媒液が保持され、過熱ガスは、ノズル管１３Ｂのガス噴出孔１３Ｃを通って中間冷却器１３内に所定の深さを保ち供給されている。

また、第１段圧縮機１Ａから中間冷却器１３へ供給された所定圧力の過熱ガスは、ガス導入管１３Ａからノズル管１３Ｂへ入った時、自身のガス圧力でノズル管１３Ｂ内の冷液面をガス噴出孔１３Ｃの高さレベルまで押し下げ、図３で示すようにガス噴出孔１３Ｃから中間冷却器１３内へ左右両側の冷液中に気泡となって噴出し、過熱ガスが急速に直接冷却されて冷液上の受液器１５内空間部に蓄えられようになる。

このとき、中間冷却器１３内において所定圧力の過熱ガスが内部冷液を押し下げる作用は、ガス噴出孔１３Ｃの間隔Ｌ、数、口径Ｄ、によって変化してくる。また、ガス噴出孔１３Ｃの高さと噴射角αが冷液中での気泡の上昇曲線に影響してくる。そしてこれらの各条件は、中間冷却器１に供給される過熱ガスの流量、温度 及び 圧力に応じて、所定のガス噴出孔１３Ｃの配列、数、口径、及び高さと噴射角αを選定することが必要である。

また、中間冷却器１３が、受液器１５中の冷液１５Ｃを受液器１５内でそのまま冷媒液として使用するから、受液器１５中の冷液の液面コントロールだけで中間冷却器１３と受液器１５の両方をコントロール可能になる。

以上述べた実施例のものは、２段圧縮式冷凍システムにおいて、受液器１５に内蔵される中間冷却器１３が、受液器１５内の冷液中に所定深さに位置保持され、冷液中に効率良く熱交換可能に過熱ガスを噴出させるノズル管１３Ｂを用いて最適設計に構成されたものである。

上述の２段圧縮式冷凍システムによれば以下に示す作用効果が得られる。
（１）中間冷却器を受液器に内蔵させて設けるため、中間冷却器の設置スペース分及び接続管路の占有分、冷凍装置の全体設備が簡素化され、設置スペースが減少される。
（２）中間冷却器を受液器に内蔵させて設けるため、受液器に保持する冷液をそのまま中間冷却の冷媒液として使用でき、中間冷却のための別個の冷媒液面制御が不要になり、装置全体の制御とメンテナンスが簡易化する。
（３）中間冷却器を受液器に内蔵させて設け、中間冷却器に供給される過熱ガスを受液器内の冷液中に気泡接触させて熱交換を行うため、沸騰熱伝達が発生し、高効率の熱伝達冷却が可能になり冷却能力が大幅に向上する。
（４）このため、冷凍システム全体の効率が向上し、設置スペース及びイニシャルコストの大幅な低減が可能になる。

本発明の第２実施例に係る２段圧縮式冷凍システムを図１および図４に基づき説明する。

この実施例のものは、気液スプレー接触式の中間冷却器２３を受液器２５内に内蔵し、受液器２５が中間冷却器２３を兼用するように構成したものであり、図４中、点線で囲んだ部分が、中間冷却器２３の兼用部分を示す。

受液器２５は、中央部の上下に図１の凝縮器４からの管路１９に接続する冷液導入管２５Ａ、及び、蒸発器２への冷液戻し管２５Ｂを備え、それは管路２０に接続している。

また、受液器２５の片端寄りに図１の第１段圧縮機１Ａの吐出口からの過熱圧力ガス管路１６に接続する過熱ガス導入管２３Ａと、冷液導入管２５Ａから分岐して受液器２５内上部に配設され、冷液供給管２５Ｃから冷液を供給される冷液スプレー管２３Ｂとを備えている。また、過熱ガス導入管２３Ａと反対端寄りに第２段圧縮機１Ｂ入側への冷却ガス管路１７と接続するガス出口管２３Ｄ、及び、フィルター２３Ｅを設けて構成している。

すなわち、この本実施例では、中間冷却器２３は受液器２５の本体と受液器２５へ供給される冷液を、そのまま中間冷却器２３用に兼用し、受液器２５へ供給される冷液でスプレー冷却するようにしている。他の構成は、実施例１（図１）と同様である。

しかして、本実施例のシステムでは、図１の第１段圧縮機１Ａから図４の中間冷却器２３へ送られる過熱ガスは、過熱ガス導入管２３Ａを通して受液器２５の本体内空間部に入り、受液器２５内の冷液スプレー管２３Ｂからスプレーされる冷液により冷却され、冷却されたガスはフィルター２３Ｅ及びガス出口管２３Ｄを通って、図１の第２段圧縮機１Ｂの入側へ供給される。

この間に図１の凝縮器４で凝縮され液化した低温度の冷液は、図４の冷液導入管２５Ａを通って受液器２５へ入り、その後、受液器２５底部の冷液２５Ｄは、順次冷液戻し管２５Ｂから管路２０を経て図１の蒸発器２へ送液される。

上述の２段圧縮式冷凍システムによれば以下に示す作用効果が得られる。
（１）中間冷却器２３を受液器２５に内蔵し兼用させて設けるため、中間冷却器２３の設置スペース分、及び、接続管路の占有分冷凍装置全体が簡素化され、設置スペースが減少する。
（２）中間冷却器２３本体を受液器２５本体部で兼用し、中間冷却器２３の冷却機能のみを受液器２５に内蔵させるため、受液器２５に内蔵する中間冷却器２３の構成が著しく簡略化し、経済的になる。
（３）中間冷却を受液器２５本体内で行うから、受液器２５内へ供給される冷液をそのまま中間冷却の冷媒液として使用でき、中間冷却の別個の冷媒液面制御が不要になり、装置全体の制御とメンテナンスが簡略化する。
（４）このため、冷凍装置の効率向上と設置スペース及びイニシャルコストの大幅な低減が可能になる。

上記実施例１、２は要するに、第１段圧縮機１Ａから吐出される過熱圧力ガスを受液器（１５又は２５）に供給し、受液器内の冷液と熱交換せしめて冷却し、冷却されたガスを第２段圧縮機１Ｂの入側に供給するので、従来設けていた中間冷却器を別途設ける必要がなくなり、２段圧縮式冷凍システムの機器構成を簡素化でき、低コストで効率の良い２段圧縮式冷凍システムである。

なお、冷液と過熱圧力ガスとは蓄えられた液中にて直接気液接触させる熱交換を行ってもよい。
また、以上の実施例で述べたように、本発明は、２段の圧縮機と中間冷却器と凝縮器と受液器と蒸発器を備えて２段圧縮式冷凍サイクルを行うシステムであって、前記受液器が中間冷却器を内蔵し及び兼用するように構成されたものと言える。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく必要に応じ、適宜設計変更し得るものである。また、上記実施例における各構成要素には、当業者が容易に想定できるものや、実質的に同一のものが含まれる。

本発明の実施例１に係る２段圧縮式冷凍システムの構成図である。 図１のＰ部を拡大して示す説明図である。 図２のＡ−Ａ矢視に沿う断面図である。 本発明の実施例２に係るものであり、図２に対応する説明図である。 従来の２段圧縮式冷凍システムの構成図である。

符号の説明

１ ２段圧縮機
１Ａ 第１段圧縮機
１Ｂ 第２段圧縮機
２ 蒸発器
２Ａ フィルター
３ 中間冷却器
４ 凝縮器
５ 受液器
６ 第１バイパス弁管路
７ 第２バイパス弁管路
１３ 中間冷却器
１３Ａ 過熱ガス導入管
１３Ｂ ノズル管
１３Ｃ ガス噴出孔
１３Ｄ ガス出口管
１３Ｅ フィルター
１５ 受液器
１５Ａ 冷液導入管
１５Ｂ 冷液戻し管
１５Ｃ 冷液
２３ 中間冷却器
２３Ａ 過熱ガス導入管
２３Ｂ 冷液スプレー管
２３Ｄ ガス出口管
２３Ｅ フィルター
２５ 受液器
２５Ａ 冷液導入管
２５Ｂ 冷液戻し管
２５Ｃ 冷液供給管
２５Ｄ 冷液

Claims (1)

1. 第１段圧縮機と第２段圧縮機からなる２段圧縮機と、前記第１段圧縮機の入側へ過熱ガスを供給する蒸発器と、前記第１段圧縮機から吐出する過熱圧力ガスを受入れて冷却し、冷却されたガスを前記第２段圧縮機の入側へ供給する中間冷却器と、前記第２段圧縮機から吐出される過熱高圧ガスを凝縮する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮され液化した低温度の冷液を受入れ前記蒸発器へ戻す受液器と、を備える２段圧縮式冷凍システムにおいて、
   前記受液器に前記中間冷却器を内蔵して、前記受液器が前記中間冷却器を兼用するように構成し、
   前記凝縮器と前記受液器とは、開閉器を介して管路接続され、
   前記受液器に内蔵される前記中間冷却器が、両端が閉鎖され長さ方向に且つ左右対称に多数のガス噴出孔を設けた円形断面のノズル管と、前記過熱圧力ガスを導入し、かつ前記ノズル管の中央部に接続した過熱ガス導入管により構成され、
   前記ノズル管のガス噴出孔は、前記ノズル管の下寄りに左右対称に外側斜め下方へ前記過熱圧力ガスを排出可能に設けられ、
   前記中間冷却器が前記受液器内の冷液中に保持されるように液面コントロールされ、
   前記液面コントロールは、中間冷却器に供給される前記過熱圧力ガスの流量、温度及び圧力に応じて、所定のガス噴出孔の配列、数、口径、及び高さと外側斜め下方への噴射角αを選定することにより行われることを特徴とする２段圧縮式冷凍システム。

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