JP5389366B2 - 水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機 - Google Patents

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Description

本発明は、水を冷媒とする吸湿性の吸収液を用いる吸収冷凍機と、水蒸気圧縮冷凍機とを組み合わせた水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機に関するものである。
従来、水蒸気圧縮冷凍機として、一例として図10に示すように、水蒸気を機械的に圧縮するための圧縮機1と、この圧縮機1で圧縮された過熱蒸気を導入し冷却して凝縮させるための凝縮器2と、この凝縮器2で凝縮した水を導入して冷水を取り出すための蒸発器3とを備えた構成のものが知られている。4は冷媒散布ポンプ、5は圧力調整手段である。
従来の水蒸気圧縮冷凍機における水冷媒は、安全性、環境性及び性能面において長所を有している。すなわち、水冷媒は毒性がなく、また、運転圧力が真空圧下のため破裂の危険性がない。また、水冷媒は、GWP(Global Warming Potential:地球温暖化係数)及び、ODP(Ozone Depletion Potential:オゾン破壊係数)がともにゼロである。また、水冷媒は、冷凍用途での理論成績係数が高く、高温域でも大きな蒸発潜熱を有している。このように、水冷媒には利点が多いので、水冷媒蒸気圧縮冷凍機の実用化に関する技術開発が望まれている。
しかしながら、従来の水蒸気圧縮冷凍機には、圧力比(凝縮圧力/蒸発圧力)が大きい、冷媒蒸気の比容積が大きい、単位容積当たりの冷凍能力が小さい、等の短所があり、高圧力比・大容量の圧縮過程を真空圧下で行う圧縮機が必要であるが、実際面では難しいという問題がある。
高圧力比・大容量の圧縮過程を真空圧下で行うことは何が難しいのかについて以下に説明する。まず、径の大きな羽根車を高速で回転させる必要があり、このためには、強度の高い特殊な材料を使う必要があり、強度の高い材料は、値段が高い。すなわち、商品として成立し難い。
逆に、一般的で廉価な材料で羽根車を作ろうとすると、羽根車の径に制限が生じ、圧縮できる冷媒蒸気量が限られ、このため、冷凍能力の小さな冷凍機しかできない。
従来から、冷媒にアンモニア、吸収液に水を使った吸収冷凍機とエンジン駆動の蒸気圧縮冷凍機を組み合わせた冷凍機、複合ヒートポンプシステムが知られている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3参照)。また、従来、水、フロン系冷媒、アンモニア等の冷媒を循環させて散布あるいは噴霧する蒸発器を用いたヒートポンプ及び熱利用装置が知られている(例えば、特許文献4参照)。
特開平8−145496号公報(第1頁、図1) 特開2007−263482号公報(第1頁、図1) 特開2007−225191号公報(第1頁、図2) 特開2005−241204号公報(第1頁、図2)
解決しようとする問題点は、蒸気圧縮冷凍機は水を冷媒とするので冷凍能力を大きくするために、高圧力比・大容量の圧縮過程を真空圧下で行う圧縮機を制作することが困難である点にある。
本発明は、特に高級な材料を使うことなく、冷凍能力を大きくすることができるとともに、高効率で安全性、環境性も兼ね備えた冷凍機を提供するために、水蒸気圧縮冷凍機に吸収器及び再生器を追加して、動力をほとんど増やすことなく、冷房冷凍能力が増加するように構成したことを最も主要な特徴とする。
本発明の水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機は、水蒸気を機械的(例えば、ターボ式、回転式、往復動式)に圧縮するための圧縮機と、この圧縮機で圧縮された過熱蒸気を導入し冷却して凝縮させるための凝縮器と、この凝縮器で凝縮した水を導入して冷水を取り出すための蒸発器とを備えた水蒸気圧縮冷凍機において、水を冷媒とする吸収液を導入する吸収器を、蒸気ラインを介して蒸発器に接続し、圧縮機と凝縮器とを接続する過熱蒸気ラインに再生器を設け、希溶液抜出しポンプを備えた希溶液抜出しラインを介して吸収器に再生器を接続し、この再生器と吸収器とを濃溶液ラインを介して接続したことを特徴としている(図1参照)。
この冷凍機において、希溶液抜出しライン及び濃溶液ラインに、希溶液と濃溶液との間で間接的に熱交換するための熱交換器を設けた構成をすることが望ましい(図1参照)。また、蒸発器又は凝縮器を低圧と高圧の2つに区分した構成としてもよい(図2参照)。また、蒸発器及び凝縮器を低圧と高圧の2つに区分した構成としてもよい(図2参照)。
また、これらの冷凍機において、再生器からの濃溶液ラインに、外部排熱を加熱源とする排熱回収再生器を設けた構成としてもよい(図3参照)。また、再生器を、外部排熱を加熱源とする排熱回収再生器とした構成としてもよい(図4参照)。
これらの冷凍機において、排熱回収再生器の代りに、外部熱源用の再生器を二重効用以上の多重効用とした構成としてもよい(図5参照)。また、この冷凍機において、外部排熱を加熱源とする排熱回収再生器をさらに設けた構成とすることができる(図6参照)。
また、これらの冷凍機において、低温側の再生器の蒸気ドレインライン、又は/及び排熱回収再生器の蒸気ラインに冷暖切替弁を設けた構成としてもよい(図4、図7参照)。また、上記の冷凍機において、エンジン駆動の蒸気圧縮冷凍機の場合、エンジンのジャケット及び排ガスから熱回収した排熱温水を熱源とするエンジン排熱再生器を設けた構成とすることができる(図8参照)。また、エンジン駆動の蒸気圧縮冷凍機の場合、エンジンのジャケット及び排ガスから熱回収した排熱温水を熱源とするエンジン排熱再生器を、排熱回収再生器の代りに設けることもできる(図8参照)。
また、上記の冷凍機において、エンジン駆動の蒸気圧縮冷凍機の場合、排熱回収再生器の代りに、外部熱源用の低温再生器及び高温再生器を設け、エンジンのジャケットで熱回収した排熱温水を低温再生器と同等の温度域で熱源として利用できるようにエンジン排熱再生器を設け、エンジンの排ガスは高温のまま高温再生器の熱源とするように構成することもできる(図9参照)。また、この冷凍機において、追焚きの高温再生器をさらに設けた構成とすることもできる(図9参照)。
本発明の冷凍機は、冷媒に水、吸収液にLiBr水溶液等(吸湿性の液体であれば可。LiBrに限定はしない)を使った吸収冷凍機と蒸気圧縮冷凍機を組み合わせたものである。蒸気圧縮冷凍機についても、エンジン駆動でもかまわないし、モーター駆動でもかまわない。また、本発明の冷凍機は、直膨式でも良いし、吸収冷凍機に用いる間接式でもかまわない。
本発明は上記のように構成されているので、つぎのような効果を奏する。
(1)特に高級な材料を用いることなく、冷凍能力を大きくすることができ、かつ、高効率で安全性に優れ、環境汚染のおそれもない。
(2)動力をほとんど増やすことなく、冷房冷凍能力を増加させることができる。
特に高級な材料を用いることなく、安全性、環境性、性能面に優れた冷凍機を提供するという目的を、水蒸気圧縮冷凍機に、吸収器及び再生器を追加することにより実現した。
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施できるものである。図1は、本発明の実施の第1形態による水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機を示している。
本実施形態による冷凍機は、水蒸気圧縮冷凍機と冷媒を水とする吸収液を用いる吸収冷凍機を組み合わせたものである。圧縮機の負担を減らすことで効率向上が図れるとともに、冷房能力の増加が見込める。再生器では、圧縮機で圧縮された加熱蒸気の熱を利用して再生を行う。加熱蒸気の顕熱の一部を使うことになるが、ガス体での利用となり、熱伝達が悪いので、排熱ボイラ構造の再生器を使用する。また、効率向上のために、従来の吸収冷凍機と同様に希溶液と濃溶液の間で熱交換するための熱交換器を搭載することが望ましい。
以下、図1に基づいて詳細に説明する。水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機は、水蒸気を機械的に圧縮するための圧縮機1と、この圧縮機1で圧縮された過熱蒸気を導入し冷却して凝縮させるための凝縮器2と、この凝縮器2で凝縮した水を導入して冷水を取り出すための蒸発器3とを備えた従来の水蒸気圧縮冷凍機において、水を冷媒とする吸収液を導入する吸収器10を、蒸気ライン12を介して蒸発器3に接続し、圧縮機1と凝縮器2とを接続する過熱蒸気ライン14に再生器16を設け、希溶液抜出しポンプ18を備えた希溶液抜出しライン20を介して吸収器10に再生器16を接続し、この再生器16と吸収器10とを濃溶液ライン22を介して接続して構成されている。4は冷媒散布ポンプ、5は圧力調整手段である。
吸収液としては、例えば、水を冷媒とした臭化リチウム(LiBr)水溶液が用いられるが、吸湿性の液体であれば、他の水溶液を用いてもよい。LiBrに何ら限定はされるものではない。
希溶液抜出しライン20及び濃溶液ライン22に、希溶液と濃溶液との間で間接的に熱交換するための熱交換器24が設けられている。
吸収器10で多量の冷媒蒸気を吸収して濃度が薄められた吸収液(希溶液)が吸収器10から熱交換器24に送給され、この熱交換器24により加熱された後に再生器16に送給される。前記希溶液は、この再生器16において、圧縮機で圧縮された過熱蒸気の熱を利用して再生され、吸収している冷媒の一部を水蒸気として凝縮器2に放出し、濃度がその分高くなって濃溶液となる。この濃溶液は熱交換器24の加熱側に前記希溶液を加熱する加熱源として戻された後、吸収器10に帰還する。この帰還した濃溶液は吸収器10において伝熱管上に散布され、冷却水により冷却されながら再び冷媒蒸気を吸収して希溶液となる。
図2は、本発明の実施の第2形態による水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機を示している。本実施形態による冷凍機は、蒸発器又は凝縮器を低圧と高圧の2つに区分した構成である。また、蒸発器及び凝縮器を低圧と高圧の2つに区分した構成としてもよい。2aは低圧側凝縮器、2bは高圧側凝縮器、3aは低圧側蒸発器、3bは高圧側蒸発器である。
すなわち、蒸発器は、低圧と高圧の2つに分けても良い。分ける方法は単胴を隔壁で仕切っても良いし、2つの胴に分けても良い。圧力比を小さくして圧縮機1の負担を減らすために、高圧側(冷水入口側)は、圧縮機1に接続し、低圧側(冷水出口側)を吸収器10に接続することが望ましい。コストを勘案して、冷媒散布ポンプ4は低圧側と高圧側で共通とし、1台とすることが望ましい。
凝縮器は、低圧と高圧の2つに分けても良い。分ける方法は単胴を隔壁で仕切っても良いし、2つの胴に分けても良い。低圧側(冷却水入口側)を圧縮機1に接続すれば、圧縮比を小さくして高効率化を図ることが可能である。また、再生器16に接続すれば、回収熱量を大きくとれ、能力増強が可能となる。効率と冷房能力のどちらを重視するかにより低圧側を圧縮機と再生器のどちらと接続するかを使い分ければ良い。勿論、前述のように単胴として、同圧とすることも可能である。蒸発器、凝縮器の個数の組み合わせは自由に選択することができる。他の構成及び作用は、実施の第1形態の場合と同様である。
図3は、本発明の実施の第3形態による水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機を示している。本実施形態による冷凍機は、再生器16からの濃溶液ライン22に、外部排熱を加熱源とする排熱回収再生器26を設けたものである。
本実施形態では、外部排熱を利用することにより、冷房出力を大きくすることが可能である。外部排熱には、90℃程度の排熱温水や、1kg/cm2 程度の廃蒸気が利用できる。排熱回収再生器26に接続する凝縮器2は、単独でも共通でもかまわない。他の構成及び作用は、実施の第1、2形態の場合と同様である。
図4は、本発明の実施の第4形態による水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機を示している。本実施形態による冷凍機は、再生器を、外部排熱を加熱源とする排熱回収再生器26としたものである。つまり、図1における再生器16の代わりに、排熱回収再生器26を設けて、吸収式側単独効用としたものである。
すなわち、排熱等、外部熱源を入れる場合には、再生器をつけなくても良い。排熱ボイラ構造の再生器は比較的容量が大きいので本構造とすることによりコンパクト化が期待できる。他の構成及び作用は、実施の第1、2形態の場合と同様である。
図5は、本発明の実施の第5形態による水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機を示している。本実施形態による冷凍機は、排熱回収再生器の代わりに、高温の外部熱源用の再生器を二重効用以上の多重効用としたものである。
図5では、一例として、低温再生器28及び高温再生器30を設けて二重効用とした場合を示している。32は低温熱交換器、34は高温熱交換器、36は濃溶液ポンプである。 このように、高温熱源があれば、実施第3、4形態における排熱回収再生器を多重効用化することが可能である。熱源としては、二重効用の場合は、蒸気(8kg/cm2 程度)、ガス・油など燃料の直接燃焼熱、排ガスなどが用いられ、三重効用の場合は、ガス・油など燃料の直接燃焼熱などが用いられる。図5は、いわゆるリバースサイクルであるが、シリーズでもパラレルでもかまわない。他の構成及び作用は、実施の第3、4形態の場合と同様である。
図6は、本発明の実施の第6形態による水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機を示している。本実施形態による冷凍機は、外部排熱を加熱源とする排熱回収再生器38を、低温再生器28の上流側にさらに設けて、吸収式・排熱投入型に構成したものである。
すなわち、実施の第5形態ににおける吸収式冷凍機側にさらに排熱を投入することも可能である。したがって、二種類の熱源を投入することになり、いわゆる、排熱投入型吸収冷凍機との組み合わせに構成されている。他の構成及び作用は、実施の第5形態の場合と同様である。
図7は、本発明の実施の第7形態による水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機を示している。本実施形態による冷凍機は、実施の第5、6形態における低温再生器28の蒸気ドレインライン40、及び排熱回収再生器38の蒸気ライン42にそれぞれ冷暖切替弁44、46を設けたものである。
このように冷暖切替弁44、46を設けることにより、従来の水蒸気圧縮ではできなかった暖房運転ができる。他の構成及び作用は、実施の第5、6形態の場合と同様である。また、実施の第3、4形態の排熱回収再生器の蒸気ラインに冷暖切替弁を設ける場合もある。
図8は、本発明の実施の第8形態による水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機を示している。本実施形態による冷凍機は、エンジン駆動の蒸気圧縮冷凍機の場合、エンジン48のジャケット及び排ガスから熱回収した排熱温水を熱源とするエンジン排熱再生器50を設けたものである。
また、エンジン駆動の蒸気圧縮冷凍機の場合、エンジンのジャケット及び排ガスから熱回収した排熱温水を熱源とするエンジン排熱再生器50を、実施の第4形態における排熱回収再生器26の代りに設けた構成としてもよい。
すなわち、エンジン駆動の場合、エンジン48のジャケット及び排ガスから熱回収した、排熱温水を吸収式側の熱源とすることも可能である。実施の第1形態はもちろん、第2形態に組み合わせても良い。実施の第3形態のように外部排熱回収再生器をさらに取り付けることも可能である。また、実施の第4形態の外部排熱回収再生器をエンジン排熱再生器に変えることもできる。他の構成及び作用は、実施の第1、2、3、4形態の場合と同様である。
図9は、本発明の実施の第9形態による水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機を示している。本実施形態による冷凍機は、エンジン駆動の蒸気圧縮冷凍機の場合、実施の第3、4形態における排熱回収再生器の代りに、外部熱源用の低温再生器28及び高温再生器30を設け、エンジン48のジャケットで熱回収した排熱温水を低温再生器と同等の温度域で熱源として利用できるようにエンジン排熱再生器52を設け、エンジン48の排ガスは高温のまま高温再生器30の熱源とするようにしたものである。
また、図9に示す構成に、追焚きの高温再生器をさらに設けるようにする場合もある。 上記のように、エンジン駆動の場合、エンジン48のジャケット排熱(温水)は実施の第8形態の場合と同じように低温再生器と同等の温度域で利用し、排ガスは高温のまま、高温再生器の熱源とすることも可能である。さらに、追焚きの高温再生器を追加しても良い。他の構成及び作用は、実施の第3、4形態の場合と同様である。
本発明の実施の第1形態による水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機の系統的概略構成図である。 本発明の実施の第2形態による水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機の系統的概略構成図である。 本発明の実施の第3形態による水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機の系統的概略構成図である。 本発明の実施の第4形態による水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機の系統的概略構成図である。 本発明の実施の第5形態による水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機の系統的概略構成図である。 本発明の実施の第6形態による水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機の系統的概略構成図である。 本発明の実施の第7形態による水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機の系統的概略構成図である。 本発明の実施の第8形態による水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機の系統的概略構成図である。 本発明の実施の第9形態による水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機の系統的概略構成図である。 従来の水蒸気圧縮冷凍機の系統的概略構成図である。
符号の説明
1 圧縮機
2 凝縮器
2a 低圧側凝縮器
2b 高圧側凝縮器
3 蒸発器
3a 低圧側蒸発器
3b 高圧側蒸発器
4 冷媒散布ポンプ
5 圧力調整手段
10 吸収器
12 蒸気ライン
14 過熱蒸気ライン
16 再生器
18 希溶液抜出しポンプ
20 希溶液抜出しライン
22 濃溶液ライン
24 熱交換器
26 排熱回収再生器
28 低温再生器
30 高温再生器
32 低温熱交換器
34 高温熱交換器
36 濃溶液ポンプ
38 排熱回収再生器
40 蒸気ドレンライン
42 蒸気ライン
44、46 冷暖切替弁
48 エンジン
50 排熱再生器
52 エンジン排熱再生器

Claims (9)

  1. 水蒸気を機械的に圧縮するための圧縮機と、この圧縮機で圧縮された過熱蒸気を導入し冷却して凝縮させるための凝縮器と、この凝縮器で凝縮した水を導入して冷水を取り出すための蒸発器とを備えた水蒸気圧縮冷凍機において、水を冷媒とする吸収液を導入する吸収器を、蒸気ラインを介して蒸発器に接続し、圧縮機と凝縮器とを接続する過熱蒸気ラインに再生器を設け、希溶液抜出しポンプを備えた希溶液抜出しラインを介して吸収器に再生器を接続し、この再生器と吸収器とを濃溶液ラインを介して接続し、希溶液抜出しライン及び濃溶液ラインに、希溶液と濃溶液との間で間接的に熱交換するための熱交換器を設け、蒸発器又は凝縮器を低圧と高圧の2つに区分して、蒸発器の冷水入口側である高圧側を圧縮機に蒸気ラインを介して接続し、蒸発器の冷水出口側である低圧側を吸収器に蒸気ラインを介して接続し、凝縮器の冷却水入口側である低圧側を圧縮機に過熱蒸気ラインを介して接続し、凝縮器の冷却水出口側である高圧側を再生器に冷媒蒸気ラインを介して接続することにより、圧縮機の圧縮比を小さくし、再生器からの濃溶液ラインに、外部排熱を加熱源とする排熱回収再生器を設けたことを特徴とする水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機。
  2. 水蒸気を機械的に圧縮するための圧縮機と、この圧縮機で圧縮された過熱蒸気を導入し冷却して凝縮させるための凝縮器と、この凝縮器で凝縮した水を導入して冷水を取り出すための蒸発器とを備えた水蒸気圧縮冷凍機において、水を冷媒とする吸収液を導入する吸収器を、蒸気ラインを介して蒸発器に接続し、圧縮機と凝縮器とを接続する過熱蒸気ラインに再生器を設け、希溶液抜出しポンプを備えた希溶液抜出しラインを介して吸収器に再生器を接続し、この再生器と吸収器とを濃溶液ラインを介して接続し、希溶液抜出しライン及び濃溶液ラインに、希溶液と濃溶液との間で間接的に熱交換するための熱交換器を設け、蒸発器又は凝縮器を低圧と高圧の2つに区分して、蒸発器の冷水入口側である高圧側を圧縮機に蒸気ラインを介して接続し、蒸発器の冷水出口側である低圧側を吸収器に蒸気ラインを介して接続し、凝縮器の冷却水入口側である低圧側を圧縮機に過熱蒸気ラインを介して接続し、凝縮器の冷却水出口側である高圧側を再生器に冷媒蒸気ラインを介して接続することにより、圧縮機の圧縮比を小さくし、前記再生器を外部排熱を加熱源とする排熱回収再生器としたことを特徴とする水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機。
  3. 排熱回収再生器の代りに、外部熱源用の再生器を二重効用以上の多重効用とした請求項1又は2記載の水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機。
  4. 外部排熱を加熱源とする排熱回収再生器をさらに設けた請求項3記載の水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機。
  5. 低温側の再生器の蒸気ドレインライン、又は/及び排熱回収再生器の蒸気ラインに冷暖切替弁を設けた請求項1〜4のいずれかに記載の水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機。
  6. 水蒸気を機械的に圧縮するためのエンジン駆動の圧縮機と、この圧縮機で圧縮された過熱蒸気を導入し冷却して凝縮させるための凝縮器と、この凝縮器で凝縮した水を導入して冷水を取り出すための蒸発器とを備えた水蒸気圧縮冷凍機において、水を冷媒とする吸収液を導入する吸収器を、蒸気ラインを介して蒸発器に接続し、圧縮機と凝縮器とを接続する過熱蒸気ラインに再生器を設け、希溶液抜出しポンプを備えた希溶液抜出しラインを介して吸収器に再生器を接続し、この再生器と吸収器とを濃溶液ラインを介して接続し、希溶液抜出しライン及び濃溶液ラインに、希溶液と濃溶液との間で間接的に熱交換するための熱交換器を設け、蒸発器又は凝縮器を低圧と高圧の2つに区分して、蒸発器の冷水入口側である高圧側を圧縮機に蒸気ラインを介して接続し、蒸発器の冷水出口側である低圧側を吸収器に蒸気ラインを介して接続し、凝縮器の冷却水入口側である低圧側を圧縮機に過熱蒸気ラインを介して接続し、凝縮器の冷却水出口側である高圧側を再生器に冷媒蒸気ラインを介して接続することにより、圧縮機の圧縮比を小さくし、圧縮機を駆動するエンジンのジャケット及び排ガスから熱回収した排熱温水を熱源とするエンジン排熱再生器を設けたことを特徴とする水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機。
  7. エンジン駆動の蒸気圧縮冷凍機の場合、エンジンのジャケット及び排ガスから熱回収した排熱温水を熱源とするエンジン排熱再生器を、排熱回収再生器の代りに設けた請求項2又は4記載の水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機。
  8. エンジン駆動の蒸気圧縮冷凍機の場合、排熱回収再生器の代りに、外部熱源用の低温再生器及び高温再生器を設け、エンジンのジャケットで熱回収した排熱温水を低温再生器と同等の温度域で熱源として利用できるようにエンジン排熱再生器を設け、エンジンの排ガスは高温のまま高温再生器の熱源とするようにした請求項1、2又は4記載の水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機。
  9. 追焚きの高温再生器をさらに設けた請求項8記載の水蒸気圧縮・吸収ハイブリッド冷凍機。
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