JP4986666B2

JP4986666B2 - 吸収冷凍機

Info

Publication number: JP4986666B2
Application number: JP2007074845A
Authority: JP
Inventors: ▲隆▼一郎川上
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-03-22
Also published as: JP2008232572A

Description

本発明は、横一側面に蒸発器に連なって冷媒蒸気を導入する導入路を備えた吸収器本体と、その吸収器本体の上部に設けられて、吸収液を液滴として散布する吸収液散布手段と、その吸収液散布手段に供給される前に吸収液を過冷却する過冷却器とを備えた吸収冷凍機に関する。

吸収冷凍機の吸収器としては、吸収器本体内に冷却手段を設け、吸収器での冷媒蒸気の吸収時に発生する熱により温度が上昇した吸収液を冷却する、いわゆる冷却型吸収器が知られている。
ところが、構造が複雑で専用の熱交換器を吸収器本体内に組み込むために高価になる不都合がある。

このような不都合を回避する上で、汎用の熱交換器やパッケージエアコンなどに使用される空気熱交換器を過冷却器として用いることができる、いわゆる断熱吸収器が有利であり、従来、次のようなものが知られている。
すなわち、空冷吸収器の円筒状の伝熱器体中に蒸発器が一体に組み込んで構成され、再生器からの臭化リチウム濃溶液を上部空間側溶液散布トレイに導入し、その溶液散布トレイから伝熱器体の内壁面に液膜状態で流下させるとともに下部側液溜め部からの冷媒蒸気吸収後の臭化リチウム希溶液を溶液ポンプによりクロスフィン熱交換器構造よりなる空冷吸収液冷却器を介設した吸収液循環路（希溶液循環路）を通してスプレーノズルに導入した後、伝熱器体の上部空間側内壁面に霧状に吹き付けて上方から下方に緩やかに流下させ、各流下状態において蒸発器で蒸発し、エリミネータを介して拡散供給される冷媒蒸気を吸収させるようになっている（特許文献１参照）。
特開平１０−１２２６８５号公報

しかしながら、上述のように伝熱器体の上部空間側内壁面を流下する吸収液に冷媒蒸気を吸収させるものでは、伝熱器体の上部空間側内壁面と接触している部分が冷媒蒸気に接触せず、冷媒蒸気の吸収性能が低い欠点があった。
そこで、吸収器本体の上部から吸収液を液滴状態で散布するように構成したものがあるが、次のような問題があった。
散布された液滴の落下時間が重力加速度を受けて速くなり、下方になるほど冷媒蒸気との接触時間が短くなり、また、液滴の表面で冷媒蒸気が吸収され、下方になるほど液滴の表面の吸収液の濃度が減少し、吸収性能が低下する問題があった。

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、請求項１に係る発明は、冷媒蒸気と液滴との接触時間を長くするとともに、冷媒蒸気が接触する液滴表面の吸収液の濃度を極力高くして吸収性能を向上できるようにすることを目的とし、請求項２に係る発明は、吸収液を水平方向に分散して供給できるようにすることを目的とし、請求項３に係る発明は、吸収性能をより良好に向上できるようにすることを目的とする。

請求項１に係る発明は、上述のような目的を達成するために、
横一側面に蒸発器に連なって冷媒蒸気を導入する導入路を備えた吸収器本体と、前記吸収器本体の上部に設けられて、吸収液を液滴として散布する吸収液散布手段と、前記吸収液散布手段に供給される前に吸収液を過冷却する過冷却器とを備えた吸収冷凍機において、
前記吸収液散布手段を、吸収液を水平方向に分散して吸収液散布孔から液滴状態で滴下するトレイを備えて構成し、前記トレイの下方に、前記トレイから散布されて吸収液を吸収した液滴を受け留める中間トレイを複数段設けるとともに、前記中間トレイに、受け留めた吸収液を分散して液滴として散布する散布孔を分散させて設け、かつ、前記吸収液散布孔および前記散布孔の直径を１〜２ｍｍに構成するとともに、前記トレイからの液滴散布開始位置と最上位の前記中間トレイからの液滴散布開始位置との鉛直方向の間隔、および、上下方向で隣り合う前記中間トレイどうしの液滴散布開始位置の鉛直方向の間隔を２５〜４５ｍｍに設定してあることを特徴としている。

（作用・効果）
請求項１に係る発明の吸収冷凍機の構成によれば、トレイから液滴状態で滴下された液滴を中間トレイに受け留め、更に、その中間トレイから液滴として落下させ、重力加速度を受ける高さを減少させて、全体として最下端まで落下するのに要する時間を長くし、冷媒蒸気との接触時間を長くすることができる。また、冷媒蒸気の吸収によって表面の吸収液の濃度が低下した液滴どうしを混合した後、再度液滴として落下させ、液滴表面の吸収液の濃度を高くすることができる。更に、液滴の自然落下距離を短くして冷媒蒸気の流れ方向の力を受けての水平方向での移動距離を短くすることができる。
また、吸収液散布孔および散布孔の直径が１ｍｍ未満では、冷媒蒸気の流れの力を受けての液滴の水平方向での移動距離が大きくなって下流側の液滴と接触して大きな液滴になり表面積が減少する。一方、吸収液散布孔および散布孔の直径が２ｍｍを越えると、液滴自体の表面積が減少する。これらのことに鑑み、吸収液散布孔および散布孔の直径を１〜２ｍｍに構成するから、液滴自体の、および、冷媒蒸気の流れの力を受けての接触による表面積の減少を回避でき、より良好に吸収性能を向上できる。
しかも、鉛直方向の間隔が２５ｍｍ未満では、冷媒蒸気の流れを中間トレイによって阻害される。一方、鉛直方向の間隔が４５ｍｍを越えると、液滴の落下時間が短くなる。これらのことに鑑み、鉛直方向の間隔を２５〜４５ｍｍに設定する。
したがって、冷媒蒸気の流れを阻害せずに冷媒蒸気と液滴との接触時間を長くするとともに、冷媒蒸気が接触する液滴表面の吸収液の濃度を極力高くし、更に、冷媒蒸気の流れ方向の力を受けて液滴が下流側の液滴に接触して大きな液滴になることを回避できるから、吸収液に冷媒を吸収させる吸収性能を向上できる。

請求項２に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１に記載の吸収冷凍機において、
トレイ内に、凹部の底部に貫通孔が分散して形成された凹凸状の充填材を凹凸方向が交互になる状態で複数段充填して構成する。

（作用・効果）
請求項２に係る発明の吸収冷凍機の構成によれば、トレイに供給された吸収液を、最上部の充填材で凹部に沿って流しながら、貫通孔からそれより下方の充填材に供給し、その充填材で方向の異なる凹部に沿って流しながら、貫通孔からそれより下方に供給することができるから、吸収液を水平方向に分散して供給できる。

請求項３に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１または２に記載の吸収冷凍機において、
吸収液散布孔および散布孔の直径と冷媒蒸気の流れ方向で隣り合う前記吸収液散布孔および前記散布孔の間隔との比を１：３〜１：４に構成する。

（作用・効果）
直径と間隔との比が１：３未満では、冷媒蒸気の流れ方向の力によって隣り合う吸収液散布孔および散布孔から落下される液滴が接触し、大きな液滴になって表面積が減少する不都合がある。一方、直径と間隔との比が１：４を越えると、必要量の吸収液を散布する上で、吸収液散布孔および散布孔を形成する面積が大きくなって機体が大型化する。これらのことに鑑み、請求項３に係る発明の吸収冷凍機の構成によれば、直径と間隔との比を１：３〜１：４にするから、機体を大型化することなく液滴との接触面積を大きくしてより良好に吸収性能を向上できる。

以上の説明から明らかなように、請求項１に係る発明の吸収冷凍機によれば、トレイから液滴状態で滴下された液滴を中間トレイに受け留め、更に、その中間トレイから液滴として落下させ、重力加速度を受ける高さを減少させて、全体として最下端まで落下するのに要する時間を長くし、冷媒蒸気との接触時間を長くすることができる。また、冷媒蒸気の吸収によって表面の吸収液の濃度が低下した液滴どうしを混合した後、再度液滴として落下させ、液滴表面の吸収液の濃度を高くすることができる。更に、液滴の自然落下距離を短くして冷媒蒸気の流れ方向の力を受けての水平方向での移動距離を短くすることができる。
また、吸収液散布孔および散布孔の直径が１ｍｍ未満では、冷媒蒸気の流れの力を受けての液滴の水平方向での移動距離が大きくなって下流側の液滴と接触して大きな液滴になり表面積が減少する。一方、吸収液散布孔および散布孔の直径が２ｍｍを越えると、液滴自体の表面積が減少する。これらのことに鑑み、吸収液散布孔および散布孔の直径を１〜２ｍｍに構成するから、液滴自体の、および、冷媒蒸気の流れの力を受けての接触による表面積の減少を回避でき、より良好に吸収性能を向上できる。
しかも、鉛直方向の間隔が２５ｍｍ未満では、冷媒蒸気の流れを中間トレイによって阻害される。一方、鉛直方向の間隔が４５ｍｍを越えると、液滴の落下時間が短くなる。これらのことに鑑み、鉛直方向の間隔を２５〜４５ｍｍに設定する。
したがって、冷媒蒸気の流れを阻害せずに冷媒蒸気と液滴との接触時間を長くするとともに、冷媒蒸気が接触する液滴表面の吸収液の濃度を極力高くし、更に、冷媒蒸気の流れ方向の力を受けて液滴が下流側の液滴に接触して大きな液滴になることを回避できるから、吸収液に冷媒を吸収させる吸収性能を向上できる。

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、本発明に係る吸収冷凍機の実施例を示す全体概略構成図であり、ガスエンジン（図示せず）のエンジン冷却部からの排熱（エンジン冷却水）を加熱媒体として供給する再生器１内に、低圧下でエンジン冷却水（例えば、温度85℃）によって沸騰可能な、水を冷媒とし、かつ、リチウムブロマイドを吸収剤としたリチウムブロマイド水溶液（吸収液）が収容されている。

再生器１には、吸収液から分離された冷媒蒸気を供給するように凝縮器２が第１の配管３を介して連通接続され、再生器１に第２の配管４を介して吸収器５が接続されるとともに、凝縮器２に第３の配管６を介して蒸発器７が接続され、更に、吸収器５と蒸発器７とが冷媒蒸気の導入路を形成するエリミネータ８を介して連通接続され、吸収冷凍機が構成されている。

凝縮器２は、再生器１からの冷媒蒸気を流すフィン付きの熱交換用パイプ９と、その熱交換用パイプ９に外気を供給するファン１０と、液溜め１１とから構成され、冷媒蒸気を空冷によって凝縮液化し、その液化した冷媒液を液溜め１１に溜め、液化した冷媒液を蒸発器７に供給するようになっている。

蒸発器７は、散布ノズル１２を付設した冷媒液用液溜め部１３と、冷媒液用液溜め部１３から流下される冷媒液を分散させる分散板１４とから構成されている。
蒸発器７の下部と冷媒液用液溜め部１３とにわたって、冷媒ポンプ１５および冷熱取り出し用熱交換器１６を介装した循環配管１７が接続されている。
冷熱取り出し用熱交換器１６に、ガスヒートポンプ用の冷媒入口管１８と冷媒出口管１９とが接続され、吸収器５における吸収液による冷媒の吸収に伴って冷媒液を蒸発冷却し、その冷却冷媒液によってガスヒートポンプ用の冷媒を冷却するようになっている。

吸収器５は、蒸発器７と一体構成の吸収器本体２０の上部に吸収液散布手段２１を備えて構成されている。吸収液散布手段２１は、図２の一部破断分解斜視図、図３のトレイの平面図、および、図４の一部省略断面側面図（図３の一部省略Ａ−Ａ線拡大断面図）に示すように、トレイ２２の底面に吸収液散布孔２３を分散配備して構成されている。

トレイ２２内には、最下部にスペーサとしての支持部材２４を介して凹凸状の充填材２５が３段、凹凸方向を交互に変えて充填されている。充填材２５には、その凹部の底部に貫通孔２６が分散して形成されている（図２では貫通孔を示していない）。
充填材２５の上部に、スプレーノズル２７が設けられ、そのスプレーノズル２７と吸収器５の下部とが、吸収液ポンプ２８と過冷却器２９とを介装した第４の配管３０を介して接続され、吸収液を循環しながら過冷却し、吸収液に吸収させる冷媒量を増加し、更に、吸収液を充填材２５上に散布し、トレイ２２内での液深を大きくしながら水平方向に分散して吸収液を供給し、吸収液散布孔２３から液滴状態で滴下できるようになっている。２９ａは、過冷却器２９のファンを示している。

トレイ２２において、吸収液散布孔２３が、エリミネータ８から導入される冷媒蒸気の流れ方向に密で流れ方向に直交する水平方向に疎な状態で分布するように分散して配備され、冷媒蒸気の流れを阻害せずに液滴との接触面積を大きくして吸収性能を向上できるように構成されている。

第４の配管３０の吸収液ポンプ２８と過冷却器２９との間の箇所と再生器１とにわたって第５の配管３１が接続されている。第４の配管３０の一部と第５の配管３１とによって第２の配管４が構成されている。再生器１の下部と吸収器５とが第６の配管３２を介して接続され、この第６の配管３２と第５の配管３１との間に熱交換器３３が設けられ、再生器１に戻す吸収液を、再生器１から吸収器５に流す吸収液によって加熱するようになっている。

トレイ２２の下方に所定間隔を隔てて中間トレイ３４が設けられている。中間トレイ３４それぞれは、トレイ２２と同様に構成され、中間トレイ３４の底面には、図５の中間トレイの一部省略断面側面図に示すように、散布孔３５が、トレイ２２と同じ配置で、冷媒蒸気の流れ方向に密で流れ方向に直交する水平方向に疎な状態で分布するように分散して配備されている。トレイ２２と異なるのは、充填材２５の枚数の少ない分だけ薄く形成されている点だけである。

上記構成により、吸収液散布手段２１から散布された液滴を中間トレイ３４に受け留め、更に、その中間トレイ３４の散布孔３５から液滴として落下させ、また、中間トレイ３４から散布された液滴をその下方の中間トレイ３４に受け留め、より下方の中間トレイ３４に液滴として落下させていくようになっている。

この結果、吸収のための有効高さを分割することで、重力加速度を受ける高さを減少させて、全体として最下端まで落下するのに要する時間を長くし、冷媒蒸気との接触時間を長くすることができる。また、冷媒蒸気の吸収によって表面の吸収液の濃度が低下した液滴どうしを混合した後、再度液滴として落下させ、液滴表面の吸収液の濃度を高くすることができ、吸収液に冷媒を吸収させる吸収性能を向上できる。

再生器１は、再生器本体３６内に、外面を伝熱面に形成した伝熱部材としての鉛直方向の伝熱面を有するプレート３７を水平方向に並設し、プレート３７の下部にエンジン冷却後のエンジン冷却水をプレート３７内に供給する加熱媒体供給管３８を接続し、一方、プレート３７の上部に吸収液との熱交換によって冷却されたエンジン冷却水をプレート３７内から取り出す加熱媒体取り出し管３９を接続して構成されている。

次に、実験結果について説明する。
吸収液散布手段２１としては、外寸が縦横３２０×３１７ｍｍで周壁の厚みが４０ｍｍのトレイ２２に、縦方向（冷媒蒸気の流れ方向に直交する水平方向）に２２ｍｍのピッチで１５列、かつ、横方向（冷媒蒸気の流れ方向）に５．５ｍｍのピッチで、直径１．６ｍｍの吸収液散布孔２３を各列５５個（合計８２５個）形成したものを使用した。
一方、中間トレイ３４としては、外寸が縦横３２０×３１７ｍｍで周壁の厚みが１５ｍｍのものを使用し、その中間トレイ３４に上述吸収液散布孔２３と同じ配置で散布孔３５を形成したものを使用した。

上記中間トレイ３４を用い、吸収部の有効高さが１３６ｍｍで、トレイ２２からの液滴散布開始位置と最上位の中間トレイ３４からの液滴散布開始位置との鉛直方向の間隔（ピッチ）、および、隣り合う中間トレイ３４どうしの液滴散布開始位置の鉛直方向の間隔（ピッチ）を２０ｍｍ（６段：中間トレイ３４が５段）、２５ｍｍ（５段）、３０ｍｍ（４段）、４０ｍｍ（３段）および５０ｍｍ（２段）にし、蒸気流速２ｍ／ｓ、蒸発温度３００Ｋで処理して冷凍能力（ｋＷ）を測定したところ、図６のグラフ（トレイピッチと冷凍能力との関係を示すグラフ）に示す結果が得られた。
上記結果から、冷凍能力を８ｋW以上確保するうえで、トレイ２２からの液滴散布開始位置と最上位の中間トレイ３４からの液滴散布開始位置との鉛直方向の間隔（ピッチ）、および、隣り合う中間トレイ３４どうしの液滴散布開始位置の鉛直方向の間隔（ピッチ）それぞれ、すなわち、トレイピッチを２５〜４５ｍｍにするのが好ましいことがわかった。

また、冷媒蒸気の流れ方向の力による液滴の水平方向の移動距離（水平移動距離）について考察した実験結果について説明する。
外寸が縦横３２０×３１７ｍｍで周壁の厚みが４０ｍｍのトレイ２２に、縦方向（冷媒蒸気の流れ方向に直交する水平方向）に２２ｍｍのピッチで１５列、かつ、横方向（冷媒蒸気の流れ方向）に５．５ｍｍのピッチで、直径１ｍｍの吸収液散布孔２３を各列５５個（合計８２５個）形成したものと、同様にして直径２ｍｍの吸収液散布孔２３を形成したものとを準備した。

上記トレイ２２を吸収器本体２０に組み込み、冷媒蒸気の流速を変えながら、蒸発温度３００Ｋで処理して液滴の水平移動距離を測定したところ、図７および図８のグラフに示す結果が得られた。
上記結果から、吸収液散布孔２３の直径が１ｍｍのものの場合、図７に示すように、冷媒蒸気の流速が２ｍ／ｓでは、落下距離４５ｍｍでの水平移動距離が約１．５ｍｍである。
一方、吸収液散布孔２３の直径が２ｍｍのものの場合、図８に示すように、冷媒蒸気の流速が２ｍ／ｓでは、落下距離４５ｍｍでの水平移動距離が約０．５ｍｍであった。吸収液散布孔２３の直径が大きくなれば、水平移動距離が小さくなるが、表面積が減少するため、通常の処理における冷媒蒸気の流速の範囲が２ｍ／ｓ以下であることを考慮すれば、その直径としては２ｍｍ以下にするのが好ましい。

また、吸収液散布孔２３および散布孔３５を形成する際において、例えば、直径１ｍｍで形成した場合に、４５ｍｍ落下した時点で、液滴が冷媒蒸気の流れの力によって水平方向に１．５ｍｍ移動する。落下開始位置で考えると、液滴表面間距離において１．５ｍｍを越えていれば接触を確実に回避でき、半径の合計１ｍｍに１．５ｍｍを加えた距離を越える間隔、すなわち、２．５ｍｍを超える間隔を必要とする。一方、間隔が大きくなると、吸収液散布孔２３および散布孔３５を形成する面積が大きくなって機体が大型化することになる。このため、直径と間隔との比としては、１：３〜１：４にするのが好ましいことがわかる。

これらのことから、上述のように、トレイピッチを２５〜４５ｍｍにするとともに、吸収液散布孔２３および散布孔３５それぞれの直径を１〜２ｍｍにし、更に、吸収液散布孔２３および散布孔３５の直径と吸収液散布孔２３および散布孔３５の間隔との比を１：３〜１：４にすることにより、液滴の表面積を極力大きくしながら、冷媒蒸気の流れの力を受けての液滴どうしが接触して大きな液滴になることを回避でき、吸収性能を向上できることが明らかであった。

上記実施例では、吸収液散布手段２１をトレイ２２と吸収液散布孔２３とから構成し、更に、そのトレイ２２内に充填材２５を備えているが、本発明としては、充填材２５を備えないものでも良い。

本発明に係る吸収冷凍機の実施例を示す全体概略構成図である。一部破断分解斜視図である。トレイの平面図である。図３の一部省略Ａ−Ａ線拡大断面図である。中間トレイの一部省略断面側面図である。トレイピッチと冷凍能力との関係を示すグラフである。吸収液散布孔の直径１ｍｍでの蒸気流速に対する落下距離と水平移動距離との関係を示すグラフである。吸収液散布孔の直径２ｍｍでの蒸気流速に対する落下距離と水平移動距離との関係を示すグラフである。

符号の説明

７…蒸発器
８…エリミネータ（導入路）
２０…吸収器本体
２１…吸収液散布手段
２２…トレイ
２３…吸収液散布孔
２５…充填材
２６…貫通孔
２９…過冷却器
３４…中間トレイ
３５…散布孔

Claims

横一側面に蒸発器に連なって冷媒蒸気を導入する導入路を備えた吸収器本体と、前記吸収器本体の上部に設けられて、吸収液を液滴として散布する吸収液散布手段と、前記吸収液散布手段に供給される前に吸収液を過冷却する過冷却器とを備えた吸収冷凍機において、
前記吸収液散布手段を、吸収液を水平方向に分散して吸収液散布孔から液滴状態で滴下するトレイを備えて構成し、前記トレイの下方に、前記トレイから散布されて吸収液を吸収した液滴を受け留める中間トレイを複数段設けるとともに、前記中間トレイに、受け留めた吸収液を分散して液滴として散布する散布孔を分散させて設け、かつ、前記吸収液散布孔および前記散布孔の直径を１〜２ｍｍに構成するとともに、前記トレイからの液滴散布開始位置と最上位の前記中間トレイからの液滴散布開始位置との鉛直方向の間隔、および、上下方向で隣り合う前記中間トレイどうしの液滴散布開始位置の鉛直方向の間隔を２５〜４５ｍｍに設定してあることを特徴とする吸収冷凍機。
請求項１に記載の吸収冷凍機において、
トレイ内に、凹部の底部に貫通孔が分散して形成された凹凸状の充填材を凹凸方向が交互になる状態で複数段充填してある吸収冷凍機
請求項１または請求項２に記載の吸収冷凍機において、
吸収液散布孔および散布孔の直径と冷媒蒸気の流れ方向で隣り合う前記吸収液散布孔および前記散布孔の間隔との比を１：３〜１：４に構成してある吸収冷凍機。