JP6603066B2 - 排熱投入型吸収式冷温水機 - Google Patents

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Description

本発明は、排熱投入型吸収式冷温水機に関するものである。
吸収式冷温水機は、冷媒(水)と吸収液(臭化リチウム溶液)を用いて、蒸発・吸収・再生・凝縮の冷凍サイクルを繰り返し、その間の熱交換で冷温水を生成する装置であり、ビルなどの空調設備として広く普及している。また、吸収液の再生熱にガスエンジンなどの排熱を利用するものが、排熱投入型吸収式冷温水機であり、コージェネレーションシステムの一形態であって省エネ効果が高い空調設備として注目されている(例えば、下記特許文献1参照)。
図1は、従来の排熱投入型吸収式冷温水機の形態例を示している。排熱投入型吸収式冷温水機J1は、ガスエンジンG1で発生した排温水を利用して吸収液の再生加熱を行っている。ガスエンジンG1で発生した排温水は、排温水供給配管P1によって排熱投入型吸収式冷温水機J1内の排熱再生器J2に送られ、吸収液を加熱するための熱交換が行われて、排熱が回収される。排熱再生器J2で排熱が回収された排温水は、所定の戻り温度で排温水戻り配管P2を通ってガスエンジンG1に戻される。排温水供給配管P1と排温水戻り配管P2とは、三方弁Vを介してバイパス配管P3で接続されており、三方弁Vの開閉を制御することで、排熱再生器J2に送られる排温水の量と排熱再生器J2を経ること無くガスエンジンG1に戻される排温水の量の割合を適宜調整して、排温水の戻り温度を一定に保ち、ガスエンジンG1の安定運転を維持している。
特許第3639885号公報
近年、排熱投入型吸収式冷温水機の性能向上によって、排熱回収量が高まっている。これに対して、排熱投入型吸収式冷温水機の排熱供給源であるガスエンジンの効率も向上して排熱量が低下している。これによって、排熱投入型吸収式冷温水機の排熱回収量がガスエンジンからの排熱量を上回ってしまう状況がしばしば起こっている。この場合、排温水の戻り温度を一定に保つために前述した三方弁の制御を行うと、排熱回収量が変動し、排熱投入型吸収式冷温水機の冷凍能力が変動してしまうだけでなく、バイパス配管経由の排温水の戻りを断続的に繰り返すことになり、戻り温度が安定しないという問題があった。
そして、このように排温水から所望の熱を回収できず、冷凍能力が冷房負荷を下回ってしまう場合、吸収液の加熱・再生にガスバーナによる追い炊き運転が発生したり、排温水の温度が規定値以上になり、循環冷却水で熱を無駄に冷却塔に放熱したりする懸念があり、このような事態が生じると、エネルギーの有効利用を図るコージェネレーションシステムの本来の目的に反することになる。
本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、回収熱量を設定した状態に制御することで、排温水の戻り温度を安定化させ、冷凍能力の安定化を図ること、追い炊き運転の抑制や回収排熱の無駄な放熱を回避して、エネルギーの有効利用を図ること、システム全体の安定性向上とエネルギー利用効率の向上を図ること、などが本発明の目的である。
このような目的を達成するために、本発明は、以下の構成を具備するものである。
吸収液を加熱・再生する再生器と、加熱・再生により発生する水蒸気を冷却水との熱交換で凝縮液化する凝縮器と、液化した水を低圧下で蒸発させる蒸発器と、蒸発した水蒸気を冷却水との熱交換で凝縮すると共に吸収液に吸収させる吸収器と、前記吸収器と前記凝縮器にてそれぞれ熱交換する冷却水を、冷却塔を経由して循環させる冷却水循環流路とを備え、排熱供給源から投入される排熱を回収することで、吸収液の加熱・再生を行う排熱投入型吸収式冷温水機であって、前記冷却水循環流路を流れる冷却水の流量を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記排熱供給源から投入される排熱量に対して排熱回収量を設定した状態に調整するように、前記冷却水の流量を制御することを特徴とする排熱投入型吸収式冷温水機。
このような特徴を有する本発明の排熱投入型吸収式冷温水機は、循環する冷却水の流量を制御して、回収熱量を設定した状態に制御することで、排温水の戻り温度を安定化させ、冷凍能力の安定化を図ることができる。また、追い炊き運転の抑制や回収排熱の無駄な放熱を回避して、エネルギーの有効利用を図ることができる。これによって、排熱回収源を含むシステム全体の安定性向上とエネルギー利用効率の向上を図ることができる。
従来技術の排熱投入型吸収式冷温水機の形態例を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る排熱投入型吸収式冷温水機の構成例を示した説明図である。 冷却水流量と排熱回収量との関係の一例を示したグラフ(定格冷却水流量を100%とし、そのときの排熱回収量を1.0とする。)である。 本発明の実施形態に係る排熱投入型吸収式冷温水機の制御例を示した説明図(制御フロー)である。 本発明の実施形態に係る排熱投入型吸収式冷温水機の制御例を示した説明図(制御フロー)である。 本発明の実施形態に係る排熱投入型吸収式冷温水機の制御例を示した説明図(制御フロー)である。 本発明の実施形態に係る排熱投入型吸収式冷温水機の制御例を示した説明図(制御フロー)である。 本発明の実施形態に係る排熱投入型吸収式冷温水機の制御効果を示した説明図である((a)が制御をしない場合の排熱回収量、(b)が制御をした場合の排熱回収量)。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図2は、本発明の実施形態に係る排熱投入型吸収式冷温水機1を示している。排熱投入型吸収式冷温水機1は、冷凍サイクルを実行するための基本構成として、再生器2と、凝縮器3と、蒸発器4と、吸収器5を備えている。また、冷却塔6を経由して冷却水を循環させる冷却水循環流路7を備えている。
再生器2では、冷媒(例えば水)を吸収して希釈された吸収液(例えば臭化リチウム溶液)を加熱することで、冷媒である水を蒸発させて、吸収液を高濃度にして再生させる。再生器2は、ガスバーナ2Fなどの加熱手段を用いる高温再生器と低温再生器を段階的に設けたものであってもよい。再生された吸収液は吸収液配管8を通って吸収器5に送られる。
凝縮器3では、再生器2における加熱・再生によって発生した水蒸気を冷却水循環流路7を循環する冷却水との熱交換で凝縮液化する。凝縮器3内には、冷却水循環流路7に連通する熱交換部7Aが配置されている。
蒸発器4では、凝縮器3で液化した水を低圧下で蒸発させる。蒸発器4内には、冷水供給流路の熱交換部4Aが配置されており、気化熱を利用して冷水供給流路内の水の熱を奪い冷水を生成する。
吸収器5では、蒸発器4で蒸発した水蒸気を再生器2で再生された吸収液に吸収させると共に、吸収熱を冷却水循環流路7を循環する冷却水との熱交換で放熱する。冷媒である水を吸収して希釈された吸収液は、吸収液配管8を通って再生器2に送られる。吸収器5内には、冷却水循環流路7に連通する熱交換部7Bが配置されている。
排熱投入型吸収式冷温水機1では、ガスエンジンなどの排熱供給源Gからの排熱が投入され、吸収液の加熱・再生に利用される。排熱供給源Gで発生した排温水は、排温水供給配管11を介して排熱投入型吸収式冷温水機1内に送られ、吸収液ポンプ17で吸収液が循環する吸収液配管8と熱交換する排熱再生器10に供給される。排熱再生器10で排熱が回収された排温水は、戻りポンプ12Pを備える排温水戻り配管12を通ってガスエンジンなどの排熱供給源Gに戻される。
排温水供給配管11と排温水戻り配管12との間には、2本のバイパス配管13,15が設けられており、バイパス配管13は第1三方弁14を介して排温水戻り配管12に連通され、バイパス配管15は第2三方弁16を介して排温水戻り配管12に連通している。第1三方弁14と第2三方弁16は、排熱供給源Gを安定運転させるために適宜制御している。
冷却水循環流路7は、冷却塔6を経由すると共に、吸収器5内の熱交換部7Bと凝縮器3内の熱交換部7Aに連通しており、必要に応じて、冷却塔6の近くにバイパス流路7Cと冷却水三方弁7Dを備えている。そして、冷却水循環流路7に対しては、そこを流れる冷却水の流量を制御する制御部20が設けられている。制御部20は、出力を可変制御できる循環ポンプ21と、循環ポンプ21を駆動するインバータ22と、インバータ22を制御することで循環ポンプ21の出力を制御する制御装置23を備えている。
制御部20の制御動作を説明する。制御部20は、排熱供給源Gから投入される排熱量に対して、排熱再生器10にて回収する排熱回収量を設定した状態に調整するように、冷却水の流量を制御する。図3に示すように、冷却水循環流路7を流れる冷却水流量によって排熱回収量を調整することができる。図3は、循環ポンプ21を定格運転時の冷却水流量を100%として、その時の排熱回収量を1.0としており、冷却水流量を変化させたときの排熱回収量の変化を示している。図示のように、冷却水流量を低下又は増加させることで排熱回収量を低下又は増加調整することができる。冷却水流量を増加すると、凝縮器3や吸収器5において熱交換される熱量を増加させることができるので、冷凍サイクルのエネルギー吸収を高め、排熱回収量を増加することができる。逆に、冷却水流量を低下させると、冷凍サイクルのエネルギー吸収が低くなるので、排熱回収量を低下させることができる。
制御部20は、排熱供給源Gから投入される排温水の投入温度T1と排温水の戻り温度T2を計測する温度計測手段を備え、この温度計測手段が計測した投入温度T1と戻り温度T2の一方又は両方に基づいて、冷却水流量を制御する。また、再生器2での吸収液温度(高温再生器での吸収液温度)T3を計測する温度計測手段を備え、この温度計測手段が計測した吸収液温度T3に基づいて、冷却水流量を制御する。
温度計測手段としては、排温水供給管11に投入温度T1を計測する温度センサ11Tを設け、排温水戻り配管12に戻り温度T2を計測する温度センサ12Tを設け、再生器(高温再生器)2に吸収液温度T3を計測する温度センサ2Tをそれぞれ設けており、各温度センサ2T,11T,12Tの計測信号を制御装置23に入力して、制御装置23が出力する制御信号によって、インバータ22を介して循環ポンプ21を制御している。
制御部20の具体的な制御動作を図4〜図7に示した制御フローによって説明する。図4に示した例は、計測された戻り温度T2が設定温度Taになるように、冷却水の流量を制御しており、また、計測された吸収液温度T3が吸収液の結晶化を避ける設定温度Tnを超えた場合には、安全対策として冷却水の流量を最大流量に制御している。
図4の制御フローに沿って説明する。運転開始(ステップS10)後に、冷却水の流量を所定の流量に設定し(ステップS11)、所定の時間間隔で、戻り温度T2を計測する(ステップS12)。更に、所定の時間間隔で、再生器2(高温再生器)での吸収液温度T3を計測する(ステップS13)。そして、T3>Tnか否かの判断を行い(ステップS14)、T3>Tnであれば、吸収液温度T3が吸収液の結晶化を避ける設定温度Tnを超えているので、安全対策として、冷却水流量を最大に設定して(ステップS14a)、ステップS12に移行する。T3>Tnでなければ、T2=Taか否かの判断を行い(ステップS15)、T2=Taであれば、流量を変化させること無くステップS12に移行する。T2=Taでなければ、T2<Taか否かの判断を行い(ステップS16)、T2<Taであれば、冷却流量を減少させて排熱回収量を減少させるために、時間当たりの冷却水流量変化dG/dt=(T2−Ta)Rの制御を行い(ステップS16a)、T2<Taでなければ、冷却流量を増加させて排熱回収量を増加させるために、dG/dt=n(T2−Ta)Rの制御を行う(ステップS17)。Rは、定数であって、排熱投入型吸収式冷温水機1の冷却水の熱容量に応じて定めることができ、nは1より大きい定数であり、空調装置の特性に応じて定めることができる。その後は必要に応じて、運転禁止信号の有無を判断し(ステップS18)、運転禁止信号がなければ運転を継続し(ステップS12)、運転禁止信号があれば運転を停止する(ステップS19)。
図5に示した例は、計測された投入温度T1と戻り温度T2の温度差が設定温度差にTbなるように、冷却水の流量を制御しており、また、計測された吸収液温度T3が吸収液の結晶化を避ける設定温度Tnを超えた場合には、安全対策のために冷却水の流量を最大流量に制御している。
図5の制御フローに沿って説明する。ステップS20,S21,S23,S24,S24a,S28,S29は、図4に示したフローのステップS10,S11,S13,S14,S14a,S18,S19と同様である。この例では、ステップS22で、所定の時間間隔で投入温度T1と戻り温度T2の温度差ΔT(=T1−T2)を計測し、ステップS25で、ΔT=Tbか否かの判断を行い、ΔT=Tbであれば、流量を変化させること無くステップS22に移行する。ΔT=Tbでなければ、ΔT<Tbか否かの判断を行い(ステップS26)、ΔT<Tbでなければ、冷却流量を減少させて排熱回収量を減少させるために、時間当たりの冷却水流量変化dG/dt=(Tb−ΔT)Rの制御を行い(ステップS26a)、ΔT<Tbであれば、冷却流量を増加させて排熱回収量を増加させるために、dG/dt=n(Tb−ΔT)Rの制御を行う(ステップS27)。Rは、定数であって、排熱投入型吸収式冷温水機1の冷却水の熱容量に応じて定めることができ、nは1より大きい定数であり、空調装置の特性に応じて定めることができる。
図6に示した例は、計測された投入温度T1(又は戻り温度T2)の時間変化率が正の場合には、冷却水の流量を増大制御し、投入温度T1(又は戻り温度T2)の時間変化率が負の場合には、冷却水の流量を減少制御しており、また、計測された吸収液温度T3が吸収液の結晶化を避ける設定温度Tnを超えた場合には、安全対策のために冷却水の流量を最大流量に制御している。
図6の制御フローに沿って説明する。ステップS30,S31,S33,S34,S34a,S38,S39は、図4に示したフローのステップS10,S11,S13,S14,S14a,S18,S19と同様である。この例では、ステップS32で、所定の時間間隔で投入温度T1(又は戻り温度T2)の時間変化率dT1/dt(又はdT2/dt)を計測し、ステップS35で、dT1/dt=0(又はdT2/dt=0)か否かの判断を行い、dT1/dt=0(又はdT2/dt=0)であれば、流量を変化させること無くステップS32に移行する。dT1/dt=0(又はdT2/dt=0)でなければ、dT1/dt>0(又はdT2/dt>0)か否かの判断を行い(ステップS36)、dT1/dt>0(又はdT2/dt>0)でなければ、冷却流量を減少させて排熱回収量を減少させるために、時間当たりの冷却水流量変化dG/dt=dT1/dt・R(又はdG/dt=dT2/dt・R)の制御を行い(ステップS36a)、dT1/dt>0(又はdT2/dt>0)であれば、冷却流量を増加させて排熱回収量を増加させるために、dG/dt=n・dT1/dt・R(又はdG/dt=n・dT2/dt・R)の制御を行う(ステップS37)。Rは、定数であって、排熱投入型吸収式冷温水機1の冷却水の熱容量に応じて定めることができ、nは1より大きい定数であり、空調装置の特性に応じて定めることができる。
図7に示した例は、排熱回収量が排熱供給源Gから投入される排熱量と等しくなるように、冷却水の流量を制御し、また、計測された吸収液温度T3が吸収液の結晶化を避ける設定温度Tnを超えた場合には、安全対策のために冷却水の流量を最大流量に制御している。
図7の制御フローに沿って説明する。ステップS40,S41,S43,S44,S44a,S48,S49は、図4に示したフローのステップS10,S11,S13,S14,S14a,S18,S19と同様である。この例では、ステップS42で、所定の時間間隔で冷却水温度・流量、負荷と特性線図から排熱回収量(Qc)を推定する。そして、ステップS24で、Qc=Qe(Qeは、排熱供給源Gからの投入排熱量(設定値))か否かの判断を行い、Qc=Qeであれば、流量を変化させること無くステップS42に移行する。Qc=Qeでなければ、Qc<Qeか否かの判断を行い(ステップS46)、Qc<Qeでなければ、冷却流量を減少させて排熱回収量を減少させるために、時間当たりの冷却水流量変化dG/dt=(Qc−Qe)Rの制御を行い(ステップS46a)、Qc<Qeであれば、冷却流量を増加させて排熱回収量を増加させるために、dG/dt=n(Qc−Qe)Rの制御を行う(ステップS47)。Rは、定数であって、排熱投入型吸収式冷温水機1の冷却水の熱容量に応じて定めることができ、nは1より大きい定数であり、空調装置の特性に応じて定めることができる。
図8は、制御部20の制御効果を示している。制御部20の制御を行わない場合には、図8(a)に示すように、冷房負荷が変動すると、それに伴って排熱投入型吸収式冷温水機1における排熱回収量が変動することになり、排熱供給源Gからの投入排熱量より排熱回収量が増えてしまうと、第1三方弁14と第2三方弁16の制御がハンチングを起こしやすくなって、システム動作が不安定になったり、エネルギーの利用効率が低下するといった不具合が生じ易い。これに対して、制御部20による前述したような制御を行うと、図8(b)に示すように、冷房負荷の変動に拘わらず排熱供給源Gからの投入排気量と排熱投入型吸収式冷温水機1の排熱回収量を常に一致させることができる。これによって、システム動作を安定化させることができ、エネルギーの利用効率を高めることができる。
本発明の実施形態に係る排熱投入型吸収式冷温水機1の効果をより具体的に示すと、一つには、第1三方弁14と第2三方弁16のハンチング抑制によって、冷凍能力が安定化する。また、再生器2におけるバックアップガスバーナの追い炊き運転が抑制されるので、ガス消費量が削減される。また、排熱回収量の制御によって、冷却水の流量を低下させることができるので、冷却水を定流量で循環させていた従来技術と比較すると、冷却水の搬送動力の低減化が可能になり、その点でも省エネ効果の高い運転が可能になる。
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。特に、吸収式冷温水機の形式自体は各種の形式に対応可能であって、一重効用サイクル、二重効用サイクル、三重効用サイクル、リバースフロー、パラレルフロー、シリーズフローなど、様々なサイクルフローに対応することができる。
1:排熱投入型吸収式冷温水機,2:再生器,2F:ガスバーナ,
3:凝縮器,4:蒸発器,
5:吸収器,6:冷却塔,7:冷却水循環流路,8:吸収液配管,
7A,7B:熱交換部,7C:バイパス流路,7D:冷却水三方弁,
10:排熱再生器,11:排温水供給配管,
12:排温水戻り配管,12P:戻りポンプ,
13,15:バイパス配管,14:第1三方弁,16:第2三方弁,
17:吸収液ポンプ.
20:制御部,21:循環ポンプ,22:インバータ,23:制御装置,
2T,11T,12T:温度センサ(温度計測手段),
G:排熱供給源(ガスエンジン)

Claims (3)

  1. 吸収液を加熱・再生する再生器と、加熱・再生により発生する水蒸気を冷却水との熱交換で凝縮液化する凝縮器と、液化した水を低圧下で蒸発させる蒸発器と、蒸発した水蒸気を冷却水との熱交換で凝縮すると共に吸収液に吸収させる吸収器と、前記吸収器と前記凝縮器にてそれぞれ熱交換する冷却水を、冷却塔を経由して循環させる冷却水循環流路とを備え、排熱供給源から投入される排熱を回収することで、吸収液の加熱・再生を行う排熱投入型吸収式冷温水機であって、
    前記冷却水循環流路を流れる冷却水の流量を制御する制御部を備えると共に、
    前記排熱供給源から投入される排温水の投入温度と戻り温度をそれぞれ計測する温度計測手段を備え、
    前記制御部は、前記排熱供給源から投入される排熱量に対して排熱回収量を設定した状態に調整するように、前記冷却水の流量を制御し、前記温度計測手段によって計測された投入温度と戻り温度の温度差が設定温度差になるように、前記冷却水の流量を制御することを特徴とする排熱投入型吸収式冷温水機。
  2. 吸収液を加熱・再生する再生器と、加熱・再生により発生する水蒸気を冷却水との熱交換で凝縮液化する凝縮器と、液化した水を低圧下で蒸発させる蒸発器と、蒸発した水蒸気を冷却水との熱交換で凝縮すると共に吸収液に吸収させる吸収器と、前記吸収器と前記凝縮器にてそれぞれ熱交換する冷却水を、冷却塔を経由して循環させる冷却水循環流路とを備え、排熱供給源から投入される排熱を回収することで、吸収液の加熱・再生を行う排熱投入型吸収式冷温水機であって、
    前記冷却水循環流路を流れる冷却水の流量を制御する制御部を備えると共に、
    前記排熱供給源から投入される排温水の投入温度を計測する温度計測手段を備え、
    前記制御部は、前記排熱供給源から投入される排熱量に対して排熱回収量を設定した状態に調整するように、前記冷却水の流量を制御し、前記温度計測手段によって計測された投入温度の時間変化率が正の場合には、前記冷却水の流量を増大制御し、投入温度の時間変化率が負の場合には、前記冷却水の流量を減少制御することを特徴とする排熱投入型吸収式冷温水機。
  3. 吸収液を加熱・再生する再生器と、加熱・再生により発生する水蒸気を冷却水との熱交換で凝縮液化する凝縮器と、液化した水を低圧下で蒸発させる蒸発器と、蒸発した水蒸気を冷却水との熱交換で凝縮すると共に吸収液に吸収させる吸収器と、前記吸収器と前記凝縮器にてそれぞれ熱交換する冷却水を、冷却塔を経由して循環させる冷却水循環流路とを備え、排熱供給源から投入される排熱を回収することで、吸収液の加熱・再生を行う排熱投入型吸収式冷温水機であって、
    前記冷却水循環流路を流れる冷却水の流量を制御する制御部を備えると共に、
    前記排熱供給源から投入される排温水の戻り温度を計測する温度計測手段を備え、
    前記制御部は、前記排熱供給源から投入される排熱量に対して排熱回収量を設定した状態に調整するように、前記冷却水の流量を制御し、前記温度計測手段によって計測された戻り温度の時間変化率が正の場合には、前記冷却水の流量を増大制御し、戻り温度の時間変化率が負の場合には、前記冷却水の流量を減少制御することを特徴とする排熱投入型吸収式冷温水機。
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