JP6698297B2 - 吸収式冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、吸収式冷凍機に関する。

吸収式冷凍機は、熱駆動できることから、排熱として出た温水を駆動熱源として冷熱を供給することができる。再生器が１つの単効用サイクルでは、９０℃程度の温水を駆動熱源として７℃程度の冷熱を供給できる。

特許文献１には、再生器が２つの２段吸収サイクルとし、単効用サイクルより低い温度の温水を駆動熱源として冷熱を供給できることが記載されている。

また、特許文献２には、単効用サイクルと２段吸収サイクルを組合せた吸収式冷凍機が記載されている。これは、単効用サイクルと補助サイクルからなり、単効用サイクル側に高圧再生器と低圧再生器を設け、溶液の全量を吸収器、高圧再生器、低圧再生器、吸収器の順で循環させるシリーズフローとなっている。また、補助サイクル側は、補助吸収器と補助再生器からなり、補助吸収器の気相部が低圧再生器と連通し、補助再生器の気相部が高圧再生器と凝縮器の気相部と連通した構成が記載されている。特許文献２では、駆動熱源の温水を単効用サイクルに必要な温度から、２段吸収サイクルに必要な温度まで利用できるとしている。

特開２００４−２１１９７９号公報（図６） 韓国公開特許第１０−２０１１−００１４３７６号公報（図２）

省エネルギーを図るためには、１つの排熱源からできるだけ多くの冷熱を発生させ再利用することが有効な手段となる。そのための手段として、例えば、９０℃程度の温水を単効用サイクルの駆動熱源として利用し、その後、温度が下がった温水を再度２段吸収サイクルの駆動熱源として利用することが考えられる。しかし、この場合、それぞれサイクル構成の異なる吸収式冷凍機が２台必要となり、冷水及び冷却水の配管系統が２つとなるため、配管構成が複雑になってしまい、設置面積が大きくなるとともにコスト増加になってしまう。さらに、吸収式冷凍機を２台とした場合においては、溶液ポンプや冷媒ポンプの数もほぼ倍増してしまうので、消費電力量が多くなってしまう。

特許文献２の技術では、１台の吸収式冷凍機で上記課題に対応したサイクルとなっている。しかしながら、特許文献２の技術では、単効用サイクル側の吸収器から出た溶液の全量が流下液膜式の熱交換器からなる高圧再生器に流入し、高圧再生器を出た溶液の全量が流下液膜式の熱交換器からなる低圧再生器に流入するシリーズフローになっている。したがって、低圧再生器には、高圧再生器で濃縮された後の溶液が流入する。このため、低圧再生器で濃縮された溶液が最も濃度が濃くなる。溶液は同じ圧力であれば濃度の濃い方の溶液温度が高くなることから、低圧再生器では、高圧再生器で濃縮された溶液より濃度が濃くなることにより、駆動熱源との温度差が小さくなり、必要な伝熱面積が大きくなる。

また、シリーズフローの場合、高圧再生器と低圧再生器で熱交換器サイズが異なった場合に、それぞれに適した溶液流量に調整できない。特に、高圧再生器及び低圧再生器において流下液膜式の熱交換器を用いる場合、溶液の散布密度に適した熱交換器サイズにしようとすると、熱交換器サイズが固定されてしまい、機器の配置の自由度が小さくなってしまう。

さらに、単効用サイクル側では、溶液の全量を吸収器、高圧再生器、低圧再生器の順で循環させるために、それぞれの出口部に溶液ポンプを設置していることから、溶液ポンプの消費電力量が多くなることが考えられる。吸収式冷凍機では、熱駆動のメリットを出すためには、ポンプ駆動に必要な消費電力量の低減が有効な手段の一つとなる。

本発明の目的は、単効用サイクルに２段吸収サイクルを組合せた吸収式冷凍機において、９０℃程度の１つの排熱源から低温度に達するまで熱を回収して冷熱を供給するとともに、低圧再生器を小形化し、各熱交換器の配置に自由度を与え、溶液ポンプの数を適正化することにある。

本発明の吸収式冷凍機は、蒸発器と、吸収器と、低圧再生器と、高圧再生器と、補助吸収器と、補助再生器と、凝縮器と、溶液ポンプと、を備え、蒸発器と吸収器とは、気相部が連通し、低圧再生器と補助吸収器とは、気相部が連通し、高圧再生器と補助再生器と凝縮器とは、気相部が連通し、吸収器から高圧再生器に向かう溶液配管は、分岐部を有し、この分岐部には、低圧再生器に向かう溶液配管が連結され、溶液ポンプは、吸収器から分岐部に向かう溶液配管に設けられ、高圧再生器から吸収器に向かう溶液配管は、低圧再生器からの溶液配管と連結された合流部を有する。

本発明によれば、単効用サイクルに２段吸収サイクルを組合せた吸収式冷凍機において、９０℃程度の１つの駆動熱源をより低温まで回収して冷熱を供給することができ、かつ、低圧再生器を小形化することができる。

また、本発明によれば、機器の配置に自由度を持たせるとともに、溶液ポンプを削減し、消費電力を低減することができる。

実施例の吸収式冷凍機を示す模式構成図である。 実施例の吸収式冷凍機の吸収サイクルを示すデューリング線図である。

本発明は、３つの再生器へ熱源媒体を供給し、独立した２つの溶液サイクルからなる吸収式冷凍機に関する。

以下、本発明の具体的実施例について、図面を用いて説明する。なお、各図において、同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。

図１は、実施例の吸収式冷凍機を示すサイクル系統図である。

図２は、溶液の等濃度線からなるデューリング線図中に、本発明のサイクルの状態を示したグラフである。横軸に溶液温度を、縦軸に圧力をとっている。

図１のＥ、Ａ、ＬＧ、ＨＧ、ＡＡ、ＡＧ、Ｃと、図２のＥ、Ａ、ＬＧ、ＨＧ、ＡＡ、ＡＧ、Ｃとは同じ部分を示す。

先ず、本発明に係る吸収式冷凍機のサイクルフローについて説明する。

吸収式冷凍機は、単効用サイクル側と補助サイクル側とからなり、それぞれのサイクルで溶液が独立して循環する。単効用サイクル側は、蒸発器１、吸収器９、低圧再生器２２、高圧再生器３３、凝縮器４０、低温溶液熱交換器５５及び高温溶液熱交換器５６の熱交換器要素、冷媒ポンプ６、溶液ポンプ１４、３０などを備えている。補助サイクル側は、補助吸収器１６、補助再生器４４及び中温溶液熱交換器５７の熱交換器要素、溶液ポンプ２９、５４などを備えている。

次に、単効用サイクル側の動作について説明する。

蒸発器１では、冷媒ポンプ６で蒸発器１下部に溜められた冷媒を、冷媒配管７を通って散布装置２に導き、熱交換器３の伝熱管外に散布する。散布された冷媒は、熱交換器３の伝熱管内を流れる冷水に加熱され、一部冷媒蒸気となり、エリミネータ８を介して吸収器９に導かれる。このときに、冷媒が蒸発する際の蒸発潜熱を利用し、熱交換器３の伝熱管内を流れる冷水を冷却する。熱交換器３には、冷水配管４、５が接続され、負荷側に冷熱を供給するための冷水が通水される。

吸収器９では、低圧再生器２２と高圧再生器３３で濃縮された溶液が散布装置１０から熱交換器１１の伝熱管外に散布する。散布された溶液は、蒸発器１からの冷媒蒸気を吸収し、濃度が薄くなった後、溶液配管１５の途中に設置した溶液ポンプ１４で低温溶液熱交換器５５を通過後に分岐点Ａ（分岐部）で分岐し、一方が溶液配管３１の流量調整弁３２（流量調整手段）を介して低圧再生器２２に導かれる。分岐点Ａで分岐したもう一方の溶液は、高温溶液熱交換器５６を通って高圧再生器３３に導かれる。吸収器９の熱交換器１１の伝熱管内には、溶液が冷媒蒸気を吸収する際に発生する吸収熱を取り除くために冷却水が通水される。熱交換器１１には、冷却水配管１２、１３が接続されている。

低圧再生器２２では、吸収器９で濃度の薄くなった溶液が散布装置２３から熱交換器２４の伝熱管外に散布する。散布された溶液は、熱交換器２４の伝熱管内を流れる熱源媒体で加熱され、濃縮された溶液と冷媒蒸気に分離される。濃縮された溶液は、溶液配管２７を通って合流点Ｂ（合流部）で高圧再生器３３からの溶液と合流する。冷媒蒸気は、エリミネータ２１を介して補助サイクル側の補助吸収器１６に導かれる。低圧再生器２２の熱交換器２４には、熱源媒体配管２５、２６が接続されている。

高圧再生器３３では、吸収器９で濃度の薄くなり、低温溶液熱交換器５５と高温溶液熱交換器５６で昇温された溶液が散布装置３４から熱交換器３５の伝熱管外に散布される。散布された溶液は、熱交換器３５の伝熱管内を流れる熱源媒体で加熱され、濃縮された溶液と冷媒蒸気に分離される。濃縮された溶液は、溶液配管４９の途中に設置した高温溶液熱交換器５６を通って合流点Ｂに導かれる。合流点Ｂで合流した低圧再生器２２と高圧再生器３３からの濃縮された溶液は、溶液ポンプ３０で昇圧され、低温溶液熱交換器５５を通って吸収器９に導かれる。高圧再生器３３で濃縮された溶液から分離された冷媒蒸気は、バッフル３９を介して凝縮器４０に導かれる。高圧再生器３３の熱交換器３５には、熱源媒体配管３６、３７が接続されている。

凝縮器４０では、高圧再生器３３と補助再生器４４とで濃縮された溶液から分離された冷媒蒸気を、熱交換器４１の伝熱管内を流れる冷却水で冷却し、凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は、冷媒配管５０を通って蒸発器１に導かれる。熱交換器４１には、冷却水配管４２、４３が接続される。

次に、補助サイクル側の動作について説明する。

補助吸収器１６では、補助再生器４４で濃縮された溶液が散布装置１７から熱交換器１８の伝熱管外に散布される。散布された溶液は、単効用側サイクルの低圧再生器２２からの冷媒蒸気を吸収し濃度が薄くなった後、溶液配管２８の途中に設置された溶液ポンプ２９で中温溶液熱交換器５７を通過後に補助再生器４４に導かれる。補助吸収器１６の熱交換器１８の伝熱管内には、溶液が冷媒蒸気を吸収する際に発生する吸収熱を取り除くために冷却水が通水される。熱交換器１８には、冷却水配管１９、２０が接続されている。

補助再生器４４では、補助吸収器１６で濃度の薄くなった溶液が散布装置４５から熱交換器４６の伝熱管外に散布される。散布された溶液は、熱交換器４６の伝熱管内を流れる熱源媒体で加熱され、濃縮された溶液と冷媒蒸気に分離される。濃縮された溶液は、溶液配管５１の途中に設置した溶液ポンプ５４で、中温溶液熱交換器５７を通って補助吸収器１６に導かれる。濃縮された溶液から分離された冷媒蒸気は、バッフル５２を介して凝縮器４０に導かれる。補助再生器４４の熱交換器４６には、熱源媒体配管４７、４８が接続されている。

熱源媒体は、例えば、高圧再生器３３の熱交換器３５、低圧再生器２２の熱交換器２４、補助再生器４４の熱交換器４６の順で通水される。このとき、図２に示すように、熱源媒体を、高圧再生器３３出口の溶液温度より高い温度（９０℃程度）から、補助再生器４４出口の溶液温度に近い温度（６０℃程度）まで利用することができる。

なお、本実施例においては、図１に示すように、蒸発器１では冷媒が、吸収器９、低圧再生器２２、高圧再生器３３及び補助吸収器１６、補助再生器４４では溶液が、各熱交換器上部の散布装置から散布される流下液膜式の熱交換器としている。

以上のように、本発明の構成は、単効用サイクル側の低圧再生器２２と補助サイクル側の補助吸収器１６との気相部を連通し、単効用サイクル側の高圧再生器３３と凝縮器４０と補助サイクル側の補助再生器４４との気相部を連通することによって、単効用サイクルと２段吸収サイクルを組合せて運転することができる。なお、本実施例においては、溶液（吸収剤）として臭化リチウム水溶液を使用し、冷媒として水を使用している。

次に、本発明に係る構成と効果について図１及び図２で説明する。

吸収器９から出た溶液は、低温溶液熱交換器５５を通過後に分岐点Ａで分岐させる。これにより、図２にも示すように、低圧再生器２２には、吸収器９からの濃度の薄い溶液を流入させることができる。つまり、低圧再生器２２に流入させる溶液の温度を、高圧再生器３３出口より濃度が薄い分、低くすることができる。したがって、低圧再生器２２を駆動するための駆動熱源温度との温度差を大きく取ることができ、温度差が大きくなった分、伝熱面積を削減できる。

また、吸収器９からの溶液を、分岐点Ａで分岐させることで、高温溶液熱交換器５６での循環量を、吸収器９からの循環量より減らすことができる。これにより、循環量に併せて高温用液熱交換器５６のサイズを小形化できるとともに、溶液の顕熱損失を低減でき、吸収式冷凍機の効率向上を図ることができる。さらに、低圧再生器２２と高圧再生器３３は、低圧再生器２２と接続する溶液配管３１の途中に設けた流量調整弁３２によって、溶液の分配量を調整できるようにした。これにより、低圧再生器２２と高圧再生器３３への溶液の散布量を任意に調整できるので、機器の配置を決定する際に、熱交換器２４、３５のサイズを散布量が調整できる範囲で自由に設定できる。

また、低圧再生器２２と高圧再生器３３とで濃縮された溶液を合流点Ｂで合流し、合流点Ｂと低温溶液熱交換器５５との間に溶液ポンプ３０を配置する構成とした。これにより、高圧再生器３３からの溶液は、溶液ポンプ３０と高圧再生器３３内に溜められる溶液との液ヘッドと、低圧再生器２２との器内圧力差を利用して溶液ポンプ３０に押し込むとともに、低圧再生器２２からの溶液は、溶液ポンプ３０と低圧再生器２２内に溜められる溶液との液ヘッドを利用して溶液ポンプ３０に押し込むことができる。これにより、溶液ポンプ３０で高圧再生器３３と低圧再生器２２からの溶液を吸収器９に導くことができる。つまり、低圧再生器２２と高圧再生器３３の溶液を溶液ポンプ３０の１台で対応できるので、コスト低減とともに消費電力量を削減できる。

上述の実施例においては、流下液膜式の熱交換器を内蔵した構成について説明したが、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、１つの排熱源から低温度に達するまで熱を回収する観点から、満液式の熱交換器を内蔵した構成等においても本発明の効果を得ることができる。また、上述の実施例においては、分岐され低圧再生器に向かう溶液流路に流量調整弁を設けた流量調整手段について説明したが、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、高圧再生器に向かう溶液流路に流量調整弁を設けた構成としてもよいし、弁を設けずに、分岐部の下流側の２つの溶液流路にあらかじめ設定した適切な流路抵抗を設けた構成としてもよい。

１：蒸発器、２、１０、１７、２３、３４、４５：散布装置、３、１１、１８、２４、３５、４１、４６：熱交換器、４、５：冷水配管、６：冷媒ポンプ、７、５０：冷媒配管、８、２１：エリミネータ、９：吸収器、１２，１３、１９、２０、４２、４３：冷却水配管、１４、２９、３０、５４：溶液ポンプ、１５、２７、２８、３１、４９、５１：溶液配管、１６：補助吸収器、２２：低圧再生器、２５、２６、３６、３７、４７，４８：熱源媒体配管、３２：流量調整弁、３３：高圧再生器、３９、５２：バッフル、４０：凝縮器、４４：補助再生器、５５：低温溶液熱交換器、５６：高温溶液熱交換器、５７：中温溶液熱交換器。

Claims (7)

1. 蒸発器と、吸収器と、低圧再生器と、高圧再生器と、補助吸収器と、補助再生器と、凝縮器と、溶液ポンプと、を備え、
   前記蒸発器と前記吸収器とは、気相部が連通し、
   前記低圧再生器と前記補助吸収器とは、気相部が連通し、
   前記高圧再生器と前記補助再生器と前記凝縮器とは、気相部が配管を介さずに同等の圧力を保った状態で連通し、
   前記吸収器から前記高圧再生器に向かう溶液配管は、分岐部を有し、この分岐部には、前記低圧再生器に向かう溶液配管が連結され、
   前記溶液ポンプは、前記吸収器から前記分岐部に向かう前記溶液配管に設けられ、
   前記高圧再生器から前記吸収器に向かう溶液配管は、前記低圧再生器からの溶液配管と連結された合流部を有し、
   前記高圧再生器と前記低圧再生器とは、気相部が連通していない、吸収式冷凍機。
2. 前記分岐部から前記低圧再生器に向かう前記溶液配管には、流量調整手段が設けられている、請求項１記載の吸収式冷凍機。
3. 前記蒸発器、前記吸収器、前記低圧再生器、前記高圧再生器、前記補助吸収器及び前記補助再生器は、流下液膜式の熱交換器を有する、請求項１又は２に記載の吸収式冷凍機。
4. 前記合流部から前記吸収器に向かう前記溶液配管には、溶液ポンプが設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の吸収式冷凍機。
5. 前記吸収器から前記分岐部に向かう前記溶液配管と、前記合流部から前記吸収器に向かう前記溶液配管と、が熱交換をする低温溶液熱交換器が設けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の吸収式冷凍機。
6. 前記高圧再生器から前記合流部に向かう前記溶液配管と、前記分岐部から前記高圧再生器に向かう前記溶液配管と、が熱交換をする高温溶液熱交換器が設けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の吸収式冷凍機。
7. 前記補助吸収器から前記補助再生器に向かう溶液配管と、前記補助再生器から前記補助吸収器に向かう溶液配管と、が熱交換をする中温溶液熱交換器が設けられている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の吸収式冷凍機。

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