JP4783854B2 - 排気ガスの余熱を利用するアンモニア吸収式冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスの余熱を利用するアンモニア吸収式冷凍装置に関し、特に、システム再起動装置を含むアンモニア吸収式冷凍装置に関する。

アンモニア吸収式冷凍は、熱エネルギーを動力源とする冷凍方式であり、蒸気圧縮冷凍が出現する前に広く使われていた。アンモニア吸収式冷凍は、その特徴としては、直接的に熱エネルギーを動力源とし、少量の補助電気エネルギーだけを用いれば、冷凍が実現できることである。また、アンモニア吸収式冷凍は、冷凍温度の範囲が広く、エアコンの稼動状態で使用できるだけではなく、冷凍温度が摂氏零度以下である各種の工業冷凍にも使用できる。従って、余熱がある場合、アンモニア吸収式冷凍装置を利用することによって、大多数の冷凍に関する要求を満足することができ、廃熱を再利用し、省エネルギーの目的を達することができる。

しかし、アンモニア吸収式冷凍の冷凍係数（制冷系数）が低いため、熱交換機器の体積が大きくなり、コストが高くなるので、使用される場所が大きく制限される。例えば、自動車、漁船のような運送設備は、それら自身は、冷凍の需要があり、それらのエンジンの排気ガスの余熱を利用して冷凍に用いることは、とても理想的な省エネルギー方法である。しかしながら、自動車、漁船のような運送設備は、それら自身の構造が相対的にコンパクトであり、あまり余裕なスペースがない。従って、アンモニア吸収式冷凍機器を前記のような運送機器に取り付けるために、吸収式冷凍の冷凍係数を向上する必要があり、これにより実装を行う体積と重さを小さくし、エンジンの排気ガスの余熱のエネルギーを充分に利用して、最高の冷凍パワーを得る。

中国特許出願公開番号CN2842312（特許文献１）に記載のアンモニア吸収式冷凍装置は、エンジンの排気ガスの余熱を利用して冷凍が実現でき、冷凍係数が高く、且つ、体積、重さが小さいので、自動車、漁船のような運送用具に用いられることが可能である。

前記特許文献１に記載の冷凍装置は、余熱発生器と、精留器と、リヒータ（回熱器）と、溶液絞り弁と、アンモニア液絞り弁と、蒸発器と、溶液ポンプと、コンデンサと、吸収器と、発生／吸収熱交換器と、蒸留器と、リクーラ（回冷器）とを備え、それらを接続することによって、それぞれアンモニア溶液循環回路及びアンモニア循環回路を構成する。当該装置におけるアンモニア溶液循環回路において、リヒータからのアンモニア溶液が溶液絞り弁を介して発生／吸収熱交換器の管の上部に入り、当該装置のアンモニア循環回路において、精留した後、コンデンサで凝縮されたアンモニア液が一次アンモニア液絞り弁を介してリクーラのアンモニア液通路に入って熱交換を行い、それから二次アンモニア液絞り弁を介して蒸発器に入る。このような液体の流れは、実際に冷媒がシステムの高圧部分から低圧部分に流れ込むことを含み、その流れは、熱エネルギーの作用を用いた冷凍装置システムが稼動したことによるものである。

しかしながら、排気ガスの余熱を利用するこのアンモニア吸収式冷凍装置が実際に漁船などの運送用具に用いられる場合に、漁船の操作に応じたエンジンの停止や、又は冷凍装置の故障によって冷凍装置の緊急停止が発生したときに、この緊急停止がシステムの循環の中断を引き起こす。また一方、このような緊急停止において、システムにおける高圧部分の冷媒が、引き続き低圧部分に流れ込んでいる。その結果、部分的にアンモニア溶液の濃度を急変化させると共にアンモニア溶液を大量にシステムの低圧領域に溜まらせ、このことが、冷凍システムの再起動を困難とし、当該冷凍装置を正常に作動させなくする恐れがある。

中国特許出願公開番号 CN2842312

本発明は、排気ガスの余熱を利用するアンモニア吸収式冷凍装置、特にシステム再起動装置を有し、排気ガスの余熱を利用するアンモニア吸収式冷凍装置を提供することを目的とする。当該アンモニア吸収式冷凍装置は、冷凍システムの頻繁な再起動に対応し、漁船のエンジンが緊急停止することによって冷凍システムの循環が中断し、冷凍システムを再起動することが必要となり、このような再起動が当該冷凍装置の正常作業に影響を及ぼさない。

本発明は、余熱発生器（１）と、精留器（５）と、リヒータ（３）と、溶液絞り弁（４）と、アンモニア絞り弁（１１）、（１３）と、蒸発器（１５）と、溶液ポンプ（９）と、吸収器（８）と、コンデンサ（１０）と、管と外郭を有する発生／吸収熱交換器（７）と、アンモニア液のインレットとアンモニア液のアウトレット及びアンモニアガスのインレットとアンモニアガスのアウトレットを備えるリクーラ（１２）とを備え、
ａ）余熱発生器（１）の外郭と、リヒータ（３）と、溶液絞り弁（４）と、発生／吸収熱交換器（７）の管と、吸収器（８）と、溶液ポンプ（９）と、精留器（５）と、発生／吸収熱交換器（７）の外郭と、蒸留器（２）／リヒータ（３）の結合体と、余熱発生器（１）の外郭とが順次接続して成る回路から構成されるアンモニア溶液循環回路と、
ｂ）余熱発生器（１）の外郭と、蒸留器（２）／リヒータ（３）の結合体と、精留器（５）と、コンデンサ（１０）と、アンモニア前段絞り弁（１１）と、リクーラ（１２）のアンモニア液のインレットと、リクーラ（１２）のアンモニア液のアウトレットと、アンモニア後段絞り弁（１３）と、蒸発器（１５）と、リクーラ（１２）のアンモニアガスのインレットと、リクーラ（１２）のアンモニアガスのアウトレットと、発生／吸収熱交換器（７）の外郭と、発生／吸収熱交換器（７）の管と、吸収器（８）と、溶液ポンプ（９）と、精留器（５）と、発生／吸収熱交換器（７）の外郭と、蒸留器（２）／リヒータ（３）の結合体と、余熱発生器（１）の外郭とが順次接続して成る回路から構成されるアンモニア循環回路と、を備えた排気ガスの余熱を利用するアンモニア吸収式冷凍装置において、
前記アンモニア溶液循環回路におけるリヒータ（３）のアウトレットと発生／吸収熱交換器（７）の頂部のインレットとの接続管路に、アンモニア溶液循環回路の電動開閉弁（６）が直列に連結するように設置され、前記アンモニア循環回路におけるコンデンサ（１１）のアウトレットと蒸発器（１５）のインレットとの間の接続管路に、アンモニア循環回路の電動開閉弁（１４）が直列に連結するように設置されている排気ガスの余熱を利用するアンモニア吸収式冷凍装置を提供する。

前記アンモニア溶液循環回路の電動開閉弁（６）とアンモニア循環回路の電動開閉弁（１４）は、本発明の前記冷凍装置の起動に伴ってオンとなり、前記冷凍装置の停止に伴ってオフとなることが可能である。

具体的には、前記アンモニア溶液循環回路の電動開閉弁（６）が前記溶液絞り弁（４）の前方管路又は後方管路に直列に取付けられる。前記アンモニア循環回路の電動開閉弁（１４）がアンモニア前段絞り弁（１１）の前方管路、又はアンモニア前段絞り弁（１１）とアンモニア後段絞り弁（１３）との間の管路、又はアンモニア後段絞り弁（１３）の後方管路に直接に取付けられる。

従来の技術に比べて、本発明は、従来の排気ガスの余熱を利用するアンモニア吸収式冷凍装置におけるアンモニア溶液循環回路に相応する管路にアンモニア溶液循環回路の電動開閉弁（６）を追加し、冷凍装置のアンモニア循環回路に相応する管路にアンモニア循環回路の電動開閉弁（１４）を追加したので、当該冷凍装置が停止する際に、前記２つの電動開閉弁（６）、（１４）がそれぞれ自動的にオフになり、冷凍システムの高圧部分と低圧部分を隔て、これらの２つの部分の溶液の濃度及び液量を保つという重要な効果を有する。更に、冷凍装置が再起動する時、前記２つの電動開閉弁（６）、（１４）が同時にオンになり、冷凍システムは短い時間内に正常の循環を回復し、漁船が運行する場合の動作状態に適用することができる。

本発明は、主に漁船に排気ガスの余熱を利用するアンモニア吸収式冷凍装置に用いられ、他には、類似のエンジン排気ガスの余熱を利用する冷凍装置にも用いられる。

本発明の排気ガスの余熱を利用するアンモニア吸収式冷凍装置の構成と流れを示す模式図である。

以下、本発明を具体的な実施例により、図面を参照して説明する。但し、これらの実施例と図面は、本発明を制限するものではなく、本発明を理解するための説明用のものだけとして用いられる。

従来の技術の欠陥を解決するために、本発明は、エンジンの排気ガスを利用して直接に加熱し、冷凍係数が高い、排気ガスの余熱を利用するアンモニア吸収式冷凍装置を提供する。

本発明は、前記の技術課題を解決するためになされたもので、本発明の実施の形態において、排気ガスの余熱を利用するアンモニア吸収式の冷凍装置は、余熱発生器１と、精留器５と、リヒータ３と、溶液絞り弁４と、アンモニア絞り弁１１、１３と、蒸発器１５と、溶液ポンプ９と、吸収器８と、コンデンサ１０と、管と外郭を備える発生／吸収熱交換器７と、アンモニア液のインレットとアンモニア液のアウトレット及びアンモニアガスのインレットとアンモニアガスのアウトレットを備えるリクーラ１２とを備え、前記冷凍装置は、ａ）余熱発生器１の外郭と、リヒータ３と、溶液絞り弁４と、発生／吸収熱交換器７の管と、吸収器８と、溶液ポンプ９と、精留器５と、発生／吸収熱交換器７の外郭と、蒸留器２／リヒータ３の結合体と、余熱発生器１の外郭とを順次接続して成る回路から構成されるアンモニア溶液循環回路と、ｂ）余熱発生器１の外郭と、蒸留器２／リヒータ３の結合体と、精留器５と、コンデンサ１０と、アンモニア前段絞り弁１１と、リクーラ１２のアンモニア液のインレットと、リクーラ１２のアンモニア液のアウトレットと、アンモニア後段絞り弁１３と、蒸発器１５と、リクーラ１２のアンモニアガスのインレットと、リクーラ１２のアンモニアガスのアウトレットと、発生／吸収熱交換器７の外郭と、発生／吸収熱交換器７の管と、吸収器８と、溶液ポンプ９と、精留器５と、発生／吸収熱交換器７の外郭と、蒸留器２／リヒータ３の結合体と、余熱発生器１の外郭とを順次接続して成る回路から構成されるアンモニア循環回路とを備え、前記アンモニア溶液循環回路におけるリヒータ３のアウトレットと発生／吸収熱交換器７の頂部のインレットとの接続管路にアンモニア溶液循環回路の電動開閉弁６が直列に連結するように配置され、前記アンモニア循環回路におけるコンデンサ１１のアウトレットと蒸発器１５のインレットとの接続管路にアンモニア循環回路の電動開閉弁１４が直列に連結するように構成されている。前記アンモニア溶液循環回路の電動開閉弁６とアンモニア循環回路の電動開閉弁１４は、本発明の前記冷凍装置の起動に伴ってオンとなり、且つ、前記冷凍装置の停止に伴ってオフとなる。

本発明における動作の流れを下記に示す。
余熱発生器１の外郭の液出口から高温であるアンモニアの低濃度溶液がリヒータ３に入り、余熱発生器１に戻される比較的に低温であるアンモニアの高濃度溶液と熱交換を行う。そして、温度の低下したアンモニアの低濃度溶液は、リヒータ３から出て、溶液絞り弁４を介して発生／吸収熱交換器７の管の上部に入り、アンモニアの吸収と熱交換を行い、その後、発生／吸収熱交換器７の管の底部から出て、吸収器８に入り、さらにアンモニアの吸収を行うとともに、吸収により熱を放出する。吸収器８から出たアンモニアの高濃度溶液が溶液ポンプ９に入り、溶液ポンプ９によって精留器５の溶液通路に送られ、ここで、余熱発生器１からのアンモニア・水の混合蒸気と熱交換を行う。精留過程において水分が精留器５の溶液通路の外面で凝縮して析出するとともに、熱を放出し、そして、これらの熱がスパイラルパイプ内の溶液に伝達する。吸熱した溶液が再び発生／吸収熱交換器７の外郭に入り込み、さらに発生／吸収熱交換器７の管の低濃度溶液がアンモニアガスを吸収するときに放出する熱を吸収した後、蒸留器２／リヒータ３の結合体に入り、ここでさらに熱を吸収し、最後に余熱発生器１に入る。これによって、アンモニア溶液循環回路が完了する。

余熱発生器１の外郭からのアンモニア・水の混合蒸気は、気液出入り口を介して蒸留器２／リヒータ３の結合体に流れ込み、これから精留器５に入って混合蒸気の水分を分離させ、精留した高純度のアンモニアガスはコンデンサ１０に入り、放熱し凝縮してアンモニア液となる。そして、アンモニア液は、アンモニア前段絞り弁１１を介してリクーラ１２のアンモニア液通路に入って熱交換を行い、これからアンモニア後段絞り弁１３を介して蒸発器１５に入る。蒸発器１５から出たアンモニア蒸気は、リクーラ１２のアンモニア蒸気通路に入って熱交換を行い、熱交換した後、発生／吸収熱交換器７の外郭の底部及び吸収器８に入り込んで、アンモニア溶液に吸収される。ここで、アンモニアが前記のアンモニア溶液循環回路に取り込まれ、最後に余熱発生器１に入り込み、これによって、アンモニア循環回路が完成される。

上記のアンモニア溶液循環回路において、溶液絞り弁４の下流であって、発生／吸収熱交換器７に入る前の管路にアンモニア溶液循環回路の電動開閉弁６が設けられている。本発明の冷凍装置において、アンモニア溶液循環回路の電動開閉弁６が冷凍装置の起動に伴ってオンとなり、冷凍装置の停止に伴ってオフとなることができる。

上記のアンモニア循環回路において、アンモニア後段絞り弁１３の下流であって、蒸発器１５に入る前の管路にアンモニア循環回路の電動開閉弁１４が設けられている。本発明の冷凍装置において、アンモニア循環回路の電動開閉弁１４が冷凍装置の起動に伴ってオンとなり、冷凍装置の停止に伴ってオフとなることができる。

本発明の冷凍装置において、リクーラ１２がカニューレ構造を採用し、内管の熱交換面に三次元フィンが加工されたため、冷却量の再利用が更に強化される。更に、蒸発器１５からの低温アンモニア蒸気とコンデンサ１０からのアンモニア液との間の熱交換がカニューレ内で行なわれる。

図１に示すように、リヒータ３と蒸留器２が一体化になっている。蒸留器２はいくつのタワートレイ１７と円筒タンクを有し、タワートレイ１７が円筒タンクの軸線に対して直交し、且つ、軸方向に一定の間隔を持って平行に配列され、タワートレイ１７の周囲と円筒タンクの内壁が緊密に接触する。リヒータ３はスパイラルパイプであり、タワートレイ１７の層と層の間で巻いている。タワートレイ１７は切り欠けを有する形であり、各タワートレイ１７の切り欠け部分がアンモニア・水の混合蒸気の上昇通路になる。更に、タワートレイ１７に溝が加工され、溝の位置がリヒータのスパイラルパイプに合っているので、タワートレイ１７上の溶液がスパイラルパイプ上を流れ、スパイラルパイプ内の溶液と熱交換を行うことに有利である。このような一体化の構造は、その特徴としては、余熱発生器１に戻った溶液が余熱発生器１から流出する高温の溶液と熱交換するだけでなく、余熱発生器１から出た高温のアンモニア・水の混合蒸気とも熱交換するので、よりよい再生効果が得られ、本装置の熱力学系数（熱力系数）が向上することである。

発生／吸収熱交換器７は、外郭と管を有する構造であり、垂直に設置されている。溶液絞り弁４からのアンモニア溶液が管を通って、管列の頂部から液分配器を介して自らの重さにより各管列の内壁に沿って均一に下方に流れ、そして、底部の出口から吸収器８に入る。精留器５からの溶液は外郭に沿って流れる。すなわち、溶液は、熱交換器７の下に入って熱交換器７の上から出て、蒸留器２に入る。管のアンモニア溶液がアンモニアガスを吸収する際に熱を生じ、これらの熱が外郭のアンモニア溶液に吸収される。前記の管列は内外壁にねじ溝が加工され、このねじ溝が管の溶液と外郭の溶液との間の熱交換を強化する。

排気ガスの余熱を利用するため、吸収式冷凍装置の余熱発生器１は相対的に独立な構造であり、余熱発生器１は外郭と管を有する構造であって、円筒タンク及び一群の管列から構成される。エンジンによる排気ガスが管を通り、すなわち、排気ガスの入口１８から入り、排気ガスの出口１９から排出する。アンモニア溶液が余熱発生器１の外郭を通る。余熱発生器１が管路を介して蒸留器２と接続し、余熱発生器１から出たアンモニア・水の混合蒸気及び余熱発生器１に戻ったアンモニア溶液がそれぞれ上記のように形成した接続管路を通って流れる。エンジンの排気ガスとアンモニア溶液との間の熱交換を促進するように、余熱発生器１における管列の内外壁それぞれにねじ溝が加工される。

蒸発器１５は、いくつの管列を緊密に束ねってなる管列の束及び外郭から構成されている。冷媒が管を通り、ブラインが外郭を通る。実装空間にバランスよく配置されるように管列及び外郭が、必要に応じて、長手方向に沿って所定の形状に曲がっている。ブラインポンプ（図示せず）の駆動により、ブラインが蒸発器１５と送冷端末１６との間を循環する。管列は、ブラインと冷媒との熱交換をよく行なうように表面に溝が加工される。

本発明の他の実施形態において、アンモニア溶液循環回路には、アンモニア溶液循環回路の電動開閉弁６が、溶液絞り弁４の下流でなく、溶液絞り弁４の上流とリヒータ３との間に設けられる。アンモニア溶液循環回路の電動開閉弁６が本発明の冷凍装置の起動に伴ってオンとなり、本発明の冷凍装置の停止に伴ってオフとなることが可能である。この実施形態は、本発明と同様な技術効果が得られる。

本発明のさらに他の実施形態において、アンモニア循環回路には、アンモニア循環回路の電動開閉弁１４がコンデンサ１０の下流とアンモニア前段絞り弁１１との間に設けられる。アンモニア循環回路の電動開閉弁１４が本発明の冷凍装置の起動に伴ってオンとなり、本発明の冷凍装置の停止に伴ってオフとなることが可能である。この実施形態は、本発明と同様な技術効果が得られる。

本発明のさらに他の実施形態において、アンモニア循環回路には、アンモニア循環回路の電動開閉弁１４がアンモニア前段絞り弁１１の下流とリクーラ１２との間に設けられる。アンモニア循環回路の電動開閉弁１４が本発明の冷凍装置の起動に伴ってオンとなり、本発明の冷凍装置の停止に伴ってオフとなることが可能である。この実施形態は、本発明と同様な技術効果が得られる。

本発明のさらに他の実施形態において、アンモニア循環回路には、アンモニア循環回路の電動開閉弁１４がアンモニア後段絞り弁１３の上流とリクーラ１２との間に設けられる。アンモニア循環回路の電動開閉弁１４が本発明の冷凍装置の起動に伴ってオンとなり、本発明の冷凍装置の停止に伴ってオフとなることが可能である。この実施形態は、本発明と同様な技術効果が得られる。

従来の技術における排気ガスの余熱を利用するアンモニア吸収式冷凍装置を実際に漁船などの運送用具に用いた場合に、漁船の操作に応じたエンジンの停止や、或いは冷凍装置の故障によって冷凍装置の緊急停止が発生したときに、この緊急停止がシステムの循環の中断を引き起こし、さらに冷凍システムの再起動を困難にし、冷凍装置を不調にするという問題が、本発明を実施することによって解決する。

１ 余熱発生器
２ コンデンサ
３ リヒータ（回熱器）
４ 溶液絞り弁
５ 精留器
６ アンモニア溶液循環回路の電動開閉弁
７ 発生／吸収熱交換器
８ 吸収器
９ 溶液ポンプ
１０ コンデンサ
１１ アンモニア前段絞り弁
１２ リクーラ（回冷器）
１３ アンモニア後段絞り弁
１４ アンモニア循環回路の電動開閉弁
１５ 蒸発器
１６ 送冷端末
１７ タワートレイ
１８ 排気ガス入口
１９ 排気ガス出口

Claims (4)

1. 余熱発生器と、精留器と、リヒータ（回熱器）と、溶液絞り弁と、アンモニア絞り弁と、蒸発器と、溶液ポンプと、吸収器と、コンデンサと、管と外郭を備える発生／吸収熱交換器と、アンモニア液のインレットとアンモニア液のアウトレット及びアンモニアガスのインレットとアンモニアガスのアウトレットを備えるリクーラ（回冷器）とを備え、
   ａ）余熱発生器の外郭と、リヒータと、溶液絞り弁と、発生／吸収熱交換器の管と、吸収器と、溶液ポンプと、精留器と、発生／吸収熱交換器の外郭と、蒸留器／リヒータの結合体と、余熱発生器の外郭とが順次接続して成る回路から構成されるアンモニア溶液循環回路と、
   ｂ）余熱発生器の外郭と、蒸留器／リヒータの結合体と、精留器と、コンデンサと、アンモニア前段絞り弁と、リクーラのアンモニア液のインレットと、リクーラのアンモニア液のアウトレットと、アンモニア後段絞り弁と、蒸発器と、リクーラのアンモニアガスのインレットと、リクーラのアンモニアガスのアウトレットと、発生／吸収熱交換器の外郭と、発生／吸収熱交換器の管と、吸収器と、溶液ポンプと、精留器と、発生／吸収熱交換器の外郭と、蒸留器／リヒータの結合体と、余熱発生器の外郭とが順次接続して成る回路から構成されるアンモニア循環回路と、
   を備えた排気ガスの余熱を利用するアンモニア吸収式冷凍装置において、
   前記アンモニア溶液循環回路におけるリヒータのアウトレットと発生／吸収熱交換器の頂部のインレットとの接続管路に、アンモニア溶液循環回路の電動開閉弁が直列に連結するように配置され、前記アンモニア循環回路におけるコンデンサのアウトレットと蒸発器のインレットとの接続管路に、アンモニア循環回路の電動開閉弁が直列に連結するように配置されていることを特徴とする排気ガスの余熱を利用するアンモニア吸収式冷凍装置。
2. 前記アンモニア溶液循環回路の電動開閉弁とアンモニア循環回路の電動開閉弁は、前記冷凍装置の起動に伴ってオンとなり、前記冷凍装置の停止に伴ってオフとなることが可能であることを特徴とする請求項１に記載のアンモニア吸収式冷凍装置。
3. 前記アンモニア溶液循環回路の電動開閉弁が前記溶液絞り弁の前方管路又は後方管路に直列に取付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンモニア吸収式冷凍装置。
4. 前記アンモニア循環回路の電動開閉弁がアンモニア前段絞り弁の前方管路、又はアンモニア前段絞り弁とアンモニア後段絞り弁との間の管路、又はアンモニア後段絞り弁の後方管路に直列に取付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンモニア吸収式冷凍装置。

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