JP6486159B2 - 吸収式冷凍機及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、吸収式冷凍機及びその制御方法に関するものである。

従来、吸収剤として例えば臭化リチウム水溶液を用い、冷媒として水を用いる吸収式冷凍機が一般に知られている。吸収式冷凍機のサイクルでは、冷媒を吸収した溶液を再生するために、加熱源より溶液に熱を加え、冷媒を蒸発させることで濃縮を行う。この加熱源にバーナによる燃焼ガスを用い、さらに暖房運転も行えるようにしたものを直火焚き吸収式冷凍機と呼び、広く空調用の熱源機として用いられている。また、吸収式冷凍機は種々の熱源の利用が可能であることから、ガスタービンから排出される高温の燃焼排ガスを熱源として駆動することもできる。

このような吸収式冷凍機のエネルギー効率を高めるためには、高温再生器で熱を与えた後の排ガスから熱回収を行う排ガス熱交換器を設けることが望ましい。例えば、特許文献１に提案される三重効用吸収式冷凍機がある。

以下、上記三重効用吸収式冷凍機について説明する。

高温再生器、中温再生器及び低温再生器、凝縮器、吸収器、蒸発器、複数の溶液熱交換器、これらの機器を結ぶ溶液配管及び冷媒配管、溶液及び冷媒をサイクル内に循環させる溶液ポンプ及び冷媒ポンプを備え、吸収器から希溶液を少なくとも高温再生器と低温再生器に並列に送る配管を設けた構造を持っている。そして、高温再生器は貫流式となっており、燃料を燃焼するバーナ、バーナの周囲に同心円状に配置されて溶液を加熱濃縮する伝熱管群などから構成されている。

高温再生器に流入した希溶液は、伝熱管内に導かれ、燃焼ガスとの熱交換によって加熱濃縮されて濃溶液となった後、発生した冷媒蒸気とともに、高温再生器の出口部に設置された気液分離器に導かれる。そして、気液分離器内において冷媒蒸気と分離される。気液分離器で冷媒蒸気から分離された濃溶液は、フロートボックスに送られ、そこから高温熱交換器に送られる。

一方、高温熱交換器に送られた希溶液は、上記濃溶液と熱交換して温度上昇する。また、排ガス熱交換器に送られた希溶液は、高温再生器の加熱に用いられた後の燃焼ガスと熱交換して温度上昇する。そして、これらの希溶液は、合流してフロートボックス内に設置されたフロートバルブを介して高温再生器に流入する。このフロートバルブは、フロートボックス内の濃溶液の液位によって高温再生器に送られる希溶液量を調整する流量調整手段である。つまり、高温再生器から送られる溶液がフロートボックスの液位を変化させ、その液位の変化量に応じてフロートバルブが駆動し、希溶液が高温再生器に送られるようになっている。

特開２００４−１３２５５３号公報

吸収式冷凍機の起動時においては、溶液循環量が少ない状態で運転する。起動時は高温再生器と吸収器との圧力差が小さいため、溶液循環量が少ない量に抑制される。その溶液循環量を調整しているのはフロート弁である。すなわち、吸収式冷凍機の起動時は、溶液循環量を少なくするため、フロート弁の開度を小さくしている。

また、特許文献１に開示されている溶液配管の接続系統では、溶液循環量が少ない場合、排ガス熱交換器に送られる溶液循環量も少ない量に抑制される。そして、排ガス熱交換器は、高温再生器で燃焼した後の排ガスを加熱源としており、少ない量の溶液に対し、その比較的高温な排ガスとの熱交換を行う際、排ガス熱交換器内部で溶液が沸騰する可能性がある。その溶液沸騰は、その際に生じた気泡の滞留による溶液流路の圧力損失の増大、さらには冷凍機効率が低下する問題に発展する。

本発明の目的は、吸収式冷凍機の起動時において、フロート弁開度が小さい時でも、排ガス熱交換器に十分な溶液を供給し、溶液の沸騰を防止することにある。

本発明の吸収式冷凍機は、蒸発器、吸収器、凝縮器、高温再生器、低温再生器及び排ガス熱交換器並びにこれらを結合した配管を含み、吸収器の溶液が排ガス熱交換器を経由して高温再生器に向かう溶液配管の途中には、溶液の流量を調整するフロート弁が設けてあり、溶液配管は、フロート弁の上流側と下流側とを接続するバイパス配管を有する。

本発明によれば、吸収式冷凍機の起動時において、フロート弁開度が小さい時でも、排ガス熱交換器に十分な溶液を供給し、溶液の沸騰を防止することができる。

実施例１の吸収式冷凍機を示す概略構成図である。 実施例２の吸収式冷凍機を示す概略構成図である。

以下、本発明の実施形態に係る吸収式冷凍機において用いる手段について説明する。

第１の手段は、主にバーナの燃焼熱を駆動源とし、フロート弁によって溶液の供給量を制御する高温再生器と、その高温再生器の排ガス流路下流側に排ガス熱交換器を備えた吸収式冷凍機において、排ガス熱交換器の出口側溶液配管の途中から、フロート弁の出口側溶液配管の途中に対し、溶液を迂回させるバイパス配管を接続できる構造とする。その構造によって、フロート弁開度に係わらず、常時、排ガス熱交換器に溶液を一定量供給する。

第２の手段は、上記バイパス配管の途中に流量調整弁（以下、「流調弁」ともいう。）を設置し、かつ、排ガス熱交換器の出口側溶液配管の途中に溶液温度センサを設置する。排ガス温度と溶液温度の関係から溶液沸騰温度を事前に設定する。次に、排ガス熱交換器内部の溶液温度が、その設定値を超えないように、溶液温度の測定結果に基づき流調弁の開度を制御する。その方法によって、フロート弁の開度にかかわらず、常時、排ガス熱交換器に十分な溶液を供給する。

なお、上記温度測定は、溶液温度に限らず、排ガス熱交換器の入口排ガス温度で流調弁を制御してもよい。

第１、第２の手段により、排ガス熱交換器の出口溶液の温度測定結果に基いて、溶液バイパス配管の流調弁の開度制御を行い、十分な溶液循環量を確保することで、排ガス熱交換器内部の溶液沸騰を防止し、排ガスが持つ熱を効率よく回収できる。つまり、溶液に回収した熱は、吸収式冷凍機の駆動源として利用されるため、冷凍能力を増大させるとともに、吸収式冷凍機の効率を向上させるという効果が得られる。

なお、本明細書においては、「吸収式冷凍機」という用語を用いて説明するが、本発明は、「吸収式冷温水機」及び「吸収式ヒートポンプ」と呼ばれるものも含むものとする。

以下、実施例を用いて本発明の吸収式冷凍機について説明する。

図１は、実施例１の吸収式冷凍機の概略構成を示したものである。

本図において、吸収式冷凍機１０１は、高温再生器１０２と、低温再生器１０３と、凝縮器１０４と、蒸発器１０５と、吸収器１０６とを含む構成である。高温再生器１０２には、フロート室１０２ａと、フロート弁１０２ｂと、が設けられている。そのほか、吸収式冷凍機１０１は、周辺機器として、排ガス熱交換器１０７、高温熱交換器１０８、低温熱交換器１０９、溶液ポンプ（行き）１１０ａ、溶液ポンプ（戻り）１１０ｂ、冷媒ポンプ１１１、冷却水の熱を大気に開放する冷却塔（図示せず）、及びそれらを接続する配管類を具備する。

吸収式冷凍機１０１の運転時においては、通常、高い真空圧力に維持されている。また、蒸気圧は、高温再生器１０２、低温再生器１０３及び凝縮器１０４、蒸発器１０５及び吸収器１０６の順番で低くなっている。

以下、吸収式冷凍機１０１に用いる冷媒は水とし、溶液には例えば臭化リチウム水溶液を使用したことを想定して説明する。ただし、その他の冷媒や溶液でも同等の効果が得られる。

高温再生器１０２及び低温再生器１０３で生成された冷媒蒸気は、配管１１３及び通路１１４を通り、凝縮器１０４に送られる。凝縮器１０４において、冷媒蒸気は、凝縮し、液体となり、配管１１５を通り、蒸発器１０５に送られる。

蒸発器１０５に送られた冷媒は、冷媒ポンプ１１１によって配管１１６を通り、蒸発器１０５の上部から散布される。散布された冷媒は、高い真空度に維持された蒸発器１０５の内部で蒸発し、その際の蒸発潜熱を奪い、配管１１７を通る冷水の温度を下げる。そして、蒸発器１０５から温度が下がった冷水１１８を取り出し、空調機などの負荷側（図示せず）へ供給される。

蒸発器１０５で蒸発した冷媒蒸気は、吸収器１０６に送られ、その後、冷媒蒸気は、高温再生器１０２及び低温再生器１０３から送られてくる比較的濃度の高い溶液（濃溶液）に吸収される。冷媒蒸気を吸収した比較的濃度の低い溶液（稀溶液）は、溶液ポンプ１１０ａによってその溶液の一部または全部が高温再生器１０２へ送られる。高温再生器１０２へ送られた稀溶液は、バーナ１１９における都市ガス、灯油等の燃料の燃焼によって得られた熱で加熱され濃縮される。その際発生した冷媒蒸気が配管１１３を通り、再び凝縮器１０４へ送られる。

高温再生器１０２へ送られる稀溶液は、溶液温度をできるだけ高く、吸収器１０６へ送られる濃溶液の溶液温度は、できるだけ低くしたいので、低温熱交換器１０９及び高温熱交換器１０８を用いて濃溶液と稀溶液との間で熱交換を行う。さらに、高温再生器１０２へ向かう稀溶液の一部または全部は、分岐した配管１２０を介して排ガス熱交換器１０７へ送り、高温再生器１０２から送られてきた排ガス１２１によって更に加熱する。そうすることで、排ガス１２１が持つ熱をより多く回収して、冷凍能力を向上させることができる。

以上のように、冷媒が溶液によって輸送され、蒸発・凝縮を繰り返しながら冷熱を生成し続けることを可能にしている。

次に、吸収式冷凍機１０１の起動時における溶液のフローについて説明する。

吸収器１０６の底部に溜まった稀溶液は、溶液ポンプ（行き）１１０ａにより高温再生器１０２に送られる。低温熱交換器１０９を出た稀溶液は、高温熱交換器１０８及び排ガス熱交換器１０７へと分岐して送られる。高温熱交換器１０８を出た稀溶液の一部は低温再生器１０３へ送られ、それ以外は高温再生器１０２へ送られる。その途中で、排ガス熱交換器１０７で加熱された稀溶液と合流し、高温再生器１０２へ送られる。その稀溶液は、フロート弁１０２ｂを介して高温再生器１０２へ送られる。高温再生器１０２で加熱濃縮された濃溶液は、溶液ポンプ１１０ｂによって吸収器１０６へと送られる。

フロート室１０２ａから出た濃溶液の液量は、フロート１０２ｃが検知する液位１０２ｄに対応して、フロート弁１０２ｂの開度を調整することにより、高温再生器１０２に供給する稀溶液を制御する。

しかし、吸収式冷凍機１０１の起動時においては、高温再生器１０２と吸収器１０６との圧力差が小さいため、溶液ポンプ１１０ｂの駆動力だけでは十分な溶液循環量を確保できない。よって、フロート室１０２ａの液位１０２ｄが変化しないため、フロート弁１０２ｂの開度が変化せず、溶液の循環量が増えない。すなわち、前述の通り、吸収式冷凍機１０１の起動時は、溶液循環量が少なくなる。このため、排ガス熱交換器１０７の溶液供給量も少なくなる。そして、高温度の排ガス１２１が有する熱量に対して排ガス熱交換器１０７に供給される溶液の量が十分でないため、溶液が沸騰し、更に溶液が流れにくくなる。その結果、吸収式冷凍機１０１の性能が低下する。

そこで、本実施例においては、排ガス熱交換器１０７からフロート弁１０２ｂの上流側に向かう溶液配管１２２と、フロート弁１０２ｂの下流側の溶液配管１２３と、をバイパス配管１２４で接続し、フロート弁１０２ｂの開度に係わらず、常時、稀溶液を高温再生器１０２に送るように構成している。言い換えると、溶液配管１２２には、フロート弁１０２ｂの上流側と下流側とを接続するバイパス配管１２４が付設されている。これにより、起動時においても排ガス熱交換器１０７に一定量の稀溶液を供給することができるようになる。すなわち、排ガス熱交換器１０７に十分な溶液供給量を確保できる。

なお、高温再生器１０２の容量に応じて、バイパス配管１２４にオリフィスを設けてもよい。

本実施例においては、バイパス配管１２４は、弁を有しないため、常に開放状態にある。このため、バイパス配管１２４の流路抵抗は、適切な範囲とすることが望ましい。例えば、定格時においてバイパス配管１２４からの溶液の流量が、フロート弁１０２ｂを経由して高温再生器１０２に流入する溶液の流量よりも多い場合、高温再生器１０２に流入する溶液の量を適切に調整することができなくなる。よって、この場合、バイパス配管１２４の流路抵抗は、フロート弁１０２ｂの定格時の開度における流路抵抗よりも大きくし、フロート弁１０２ｂを経由する流路からの溶液の流入を優先することが望ましい。一方、起動時においては、フロート弁１０２ｂはほぼ閉じた状態となっている。このときは、バイパス配管１２４の流路抵抗は、フロート弁１０２ｂがほぼ閉じた状態における流路抵抗よりも小さくし、バイパス配管１２４を経由する溶液の流入を優先することが望ましい。

図２は、実施例１の吸収式冷凍機の概略構成を示したものである。

本実施例は、実施例１のバイパス配管１２４の途中に流調弁２０１（流量調整弁）を設置し、かつ、排ガス熱交換器１０７の出口側溶液配管１２２に温度センサ２０２（溶液温度センサ）を設置したものである。これ以外は、実施例１と同様であるため、説明は省略する。

温度センサ２０２は、排ガス熱交換器１０７で加熱された後の溶液温度を測定するものである。測定された溶液温度は、制御部２０３に送られ、流調弁２０１の開度を制御する。

排ガス熱交換器１０７の内部において、比較的に溶液が沸騰しやすい状態とは、溶液流量が少なく、高温の排ガスと熱交換する場合である。よって、常時、溶液の温度を測定して、その測定結果が沸騰温度に近づいた時には制御部２０３が「沸騰の可能性あり」と判定し、流調弁２０１の開度を大きくして溶液流量を増加させる。その制御により、排ガス熱交換器１０７の内部における溶液の沸騰を回避することができ、溶液流動の圧力損失増大を防止できる。さらには、排ガス１２１が持つより多くの熱を溶液に回収でき、吸収式冷凍機１０１の効率が向上する。

また、その制御を実現するために、事前に排ガス温度、溶液温度及び溶液圧力の関係から溶液沸騰温度を求めておく。図示していないが、高温再生器１０２と排ガス熱交換器１０７との間に、排ガス熱交換器１０７の入口における排ガスの温度を測定する排ガス温度センサを付設することが望ましい。

なお、本実施例では、溶液温度の測定結果に基づく流調弁２０１の開度制御について述べているが、上記両者の温度関係が事前に求まっている場合は、排ガス温度の測定結果に基づいて制御してもよい。

また、流調弁２０１の開度は、温度センサ２０２（溶液温度センサ）及び排ガス温度センサにより測定された温度に基いて調整されるように構成してもよい。

まとめると、本実施例における制御方法は、溶液温度センサにより溶液の温度を測定する工程と、溶液温度センサにより測定された温度に基いて流量調整弁の開度を調整する工程と、を含む。

さらに、本実施例における制御方法は、溶液温度センサにより溶液の温度を測定し、排ガス温度センサにより排ガスの温度を測定する工程と、溶液温度センサ及び排ガス温度センサにより測定された温度に基いて流量調整弁の開度を調整する工程と、を含むものであってもよい。

次に、表１を用いて、本実施例における流調弁制御方法について述べる。

表１は、運転状態と流調弁の開度との関係をまとめたものである。運転状態は、起動時と定格負荷時とに分けて示している。さらに、起動時は、ＴとＴｏとの大小関係で分けて示している。

ここで、Ｔは溶液が沸騰しない設定温度を示し、Ｔｏは排ガス熱交換器１０７の出口側溶液温度を示す。

本表に示すように、吸収式冷凍機１０１の起動時においてＴｏ＜Ｔの条件では、流調弁２０１の開度を小さくする。特に起動初期では、バーナ１１９の燃焼量も少なく、高温再生器１０２の圧力は低く、高温再生器１０２と吸収器１０６との圧力差も小さいため、高温再生器１０２から流出する濃溶液の流量が少ないままである。もし、その状態で、流調弁２０１の開度を大きくすると、多くの稀溶液が高温再生器１０２に送られ、冷凍機の能力が高くならない。

そして、起動後一定時間が過ぎると、バーナ１１９の燃焼量も多くなり、Ｔｏ≧Ｔの条件では、流調弁２０１の開度を大きくする。その状態では、バーナ燃焼量の増加により、高温再生器１０２の圧力が高く、高温再生器１０２と吸収器１０６との圧力差が大きくなるため、高温再生器１０２から流出する濃溶液の流量が多くなる。よって、フロート室１０２ａの液位１０２ｄが下がり、それと連動してフロート弁１０２ｂが開き、高温再生器１０２に送られる稀溶液の流量が増加する。それと同時にバーナ燃焼量増加に伴う排ガス温度上昇に対応するため、排ガス熱交換器１０７に供給する稀溶液の流量も増やす必要がある。したがって、流調弁２０１の開度を大きくする。

その後、定格負荷運転状態に移行した際、その時点ではバーナ１１９の燃焼量も定格状態となり、高温再生器１０２と吸収器１０６との圧力差、および、溶液ポンプ１１０ｂの駆動力によって濃溶液と稀溶液の循環量がバランスし、所定の冷凍能力を維持することができる。この状態では、フロート弁１０２ｂの制御のみで溶液循環を維持できるので、流調弁２０１の開度は小さくしてよい。さらに、定格運転状態が安定的に継続する場合は、流調弁２０１を閉じてもよい。ただし、部分負荷運転への切り替えなどを考慮して、常時、溶液温度の測定を行うことが望ましい。

以上のように、図２に示す溶液配管構造を有する吸収式冷凍機において表１に示す溶液循環制御を行うことにより、吸収式冷凍機１０１の起動時において溶液循環量が少ない場合でも、排ガス熱交換器１０７に稀溶液を多く供給することができる。これにより、排ガス熱交換器１０７内部における溶液の沸騰を回避し、内部の溶液流動の圧力損失増大を防止できる。

表１に基づく制御方法をまとめると、起動の際は、溶液の温度が、溶液が沸騰しない温度であってあらかじめ設定した温度より低いときは、流量調整弁の開度を小さくし、溶液の温度が、溶液が沸騰しない温度であってあらかじめ設定した温度以上のときは、流量調整弁の開度を大きくする。そして、定格負荷時においては、流量調整弁の開度を小さくし、又は閉とする。

１０１：吸収式冷凍機、１０２：高温再生器、１０２ａ：フロート室、１０２ｂ：フロート弁、１０２ｃ：フロート、１０３：低温再生器、１０４：凝縮器、１０５：蒸発器、１０６：吸収器、１０７：排ガス熱交換器、１０８：高温熱交換器、１０９：低温熱交換器、１１０ａ：溶液ポンプ（行き）、１１０ｂ：溶液ポンプ（戻り）、１１１：冷媒ポンプ、１１３：冷媒配管、１１４：通路、１１５：冷媒配管、１１６：冷媒配管、１１７：冷水配管、１１８：出口冷水、１１９：バーナ、１２０：溶液配管、１２１：排ガス、１２２、１２３：溶液配管、１２４：バイパス配管、２０１：流調弁、２０２：溶液温度センサ、２０３：制御部。

Claims (5)

1. 蒸発器、吸収器、凝縮器、高温再生器、低温再生器及び排ガス熱交換器並びにこれらを結合した配管を含み、
   前記吸収器の溶液が前記排ガス熱交換器を経由して前記高温再生器に向かう溶液配管の途中には、前記溶液の流量を調整するフロート弁が設けてあり、
   前記溶液配管は、前記フロート弁の上流側と下流側とを接続するバイパス配管を有し、
   前記バイパス配管は、流量調整弁を有し、
   前記溶液配管には、前記排ガス熱交換器の出口における溶液の温度を測定する溶液温度センサが付設され、
   前記流量調整弁の開度は、前記溶液温度センサにより測定された温度に基いて調整されるように構成されている、吸収式冷凍機。
2. 蒸発器、吸収器、凝縮器、高温再生器、低温再生器及び排ガス熱交換器並びにこれらを結合した配管を含み、
   前記吸収器の溶液が前記排ガス熱交換器を経由して前記高温再生器に向かう溶液配管の途中には、前記溶液の流量を調整するフロート弁が設けてあり、
   前記溶液配管は、前記フロート弁の上流側と下流側とを接続するバイパス配管を有し、
   前記バイパス配管は、流量調整弁を有し、
   前記溶液配管には、前記排ガス熱交換器の出口における溶液の温度を測定する溶液温度センサが付設され、
   前記高温再生器と前記排ガス熱交換器との間には、前記排ガス熱交換器の入口における排ガスの温度を測定する排ガス温度センサが付設され、
   前記流量調整弁の開度は、前記溶液温度センサ及び前記排ガス温度センサにより測定された温度に基いて調整されるように構成されている、吸収式冷凍機。
3. 蒸発器、吸収器、凝縮器、高温再生器、低温再生器及び排ガス熱交換器並びにこれらを結合した配管を含み、
   前記吸収器の溶液が前記排ガス熱交換器を経由して前記高温再生器に向かう溶液配管の途中には、前記溶液の流量を調整するフロート弁が設けてあり、
   前記溶液配管は、前記フロート弁の上流側と下流側とを接続するバイパス配管を有し、
   前記バイパス配管は、流量調整弁を有し、
   前記溶液配管には、前記排ガス熱交換器の出口における溶液の温度を測定する溶液温度センサが付設された、吸収式冷凍機を制御する方法であって、
   前記溶液温度センサにより前記溶液の温度を測定する工程と、
   前記溶液温度センサにより測定された温度に基いて前記流量調整弁の開度を調整する工程と、を含む、吸収式冷凍機の制御方法。
4. 蒸発器、吸収器、凝縮器、高温再生器、低温再生器及び排ガス熱交換器並びにこれらを結合した配管を含み、
   前記吸収器の溶液が前記排ガス熱交換器を経由して前記高温再生器に向かう溶液配管の途中には、前記溶液の流量を調整するフロート弁が設けてあり、
   前記溶液配管は、前記フロート弁の上流側と下流側とを接続するバイパス配管を有し、
   前記バイパス配管は、流量調整弁を有し、
   前記溶液配管には、前記排ガス熱交換器の出口における溶液の温度を測定する溶液温度センサが付設され、
   前記高温再生器と前記排ガス熱交換器との間には、前記排ガス熱交換器の入口における排ガスの温度を測定する排ガス温度センサが付設された、吸収式冷凍機を制御する方法であって、
   前記溶液温度センサにより前記溶液の温度を測定し、前記排ガス温度センサにより前記排ガスの温度を測定する工程と、
   前記溶液温度センサ及び前記排ガス温度センサにより測定された温度に基いて前記流量調整弁の開度を調整する工程と、を含む、吸収式冷凍機の制御方法。
5. 起動の際は、
   前記溶液の温度が、前記溶液が沸騰しない温度であってあらかじめ設定した温度より低いときは、前記流量調整弁の開度を小さくし、
   前記溶液の温度が、前記溶液が沸騰しない温度であってあらかじめ設定した温度以上のときは、前記流量調整弁の開度を大きくする、請求項３又は４に記載の吸収式冷凍機の制御方法。

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