JPH02500128A - 再吸収‐熱変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 再吸収−熱変換装置 本発明は、少なくとも一つの外部の熱源から供給される熱エネルギーを異なった 温度レベルの熱エネルギーに変えるために二成分作動媒体、特にアンモニアと水 との混合物によって作動せしめられ、二つの相互に連結された溶液循環路を有し 、これらの溶液循環路では、それぞれ異なった圧力レベルと温度レベルで、熱エ ネルギーが作動媒体の脱気のために供給され、又は再吸収あるいは吸収のために 排出され脱気時に一方の溶液循環路の低い圧力レベルにある濃厚な溶液から追い 出される作動媒体の気体成分は、圧縮機関によってこの溶液循環路の高い方の圧 力レベルに高められ、他方の溶液循環路の高い方の圧力レベルで濃厚な溶液から 追い出される作動媒体の気体成分は、膨張機関によってこの溶液循環路の低い方 の圧力レベルに下げられる、少なくとも一つの圧縮機関及び一つの膨張機関に組 み合わされた、熱ポンプ、冷却装置または熱変換器のような再吸収−熱変換装置 に関する。

この種の、少なくとも一つの圧縮機関及び一つの膨張機関を伴って作動する、二 つの溶液循環路を備えた公知の熱変換装置（西独国特許明細書第３５３６９５３ 号）は、二つの溶液循環路を備えたより古い公知の再吸収−熱変換装置（西独国 特許明細書第３３４４５９９号、西独国特許明細書第３４２４９５０号）の、効 率の点で改善された発展形を表わしている。公知の熱変換装置では、双方の溶液 循環路は相互に独立にそれぞれ閉じた溶液循環路として作動せしめられ、これら の溶液循環の連続作動は、熱論、これらの循環路の間で交換される作動媒体の気 体成分の量の相違による循環路中の濃度の相違を避けるために、双方の循環路の 間の量及び濃度のバランスがとられることを前提としている。このことは元来、 作動媒体の気体成分が高圧側でも低圧側でも同じ量と濃度で、もっばら蒸気の形 で交換されることによって保証され、その際、濃度を合わせるには、精留塔を、 そうした精留を伴わない場合の作動媒体の気体成分が高すぎる濃度で交換される ことになる流れの分枝中に挿入することが必要であったが、他方、精留塔に対す る機器工学上の出費は、上述の公知の熱変換装置の場合既に、精留塔の代わりに 双方の溶液循環路の間に追加の調整結合装置が備えられることによって低減せし められており、この調整結合装置を経由して流体の作動媒体成分が、量的に制御 可能に、一方の溶液循環路から他方の溶液循環路へ、高圧側と低圧側とで交換さ れる作動媒体の気体成分の量（及び濃度）が異なることによる双方の溶液循環路 の濃度の相違が排されるだけの量、送り出されるようになされた。この時このた めには熱論依然として、気体で交換される作動媒体成分の量と濃度との連続的な 測定と、調整結合装置を経由して流れる流体の作動媒体成分の量の対応した制御 が必要である。すなわちこの場合にも調整工学上費用のかかるプロセス制御が必 要である。

これに対して本発明の基礎には、少なくとも一つの圧縮機関と膨張機関とを備え て作動する公知の熱変換装置を、機器工学上及び調整工学上の出費、従って投資 費用が低減され、その場合双方の溶液循環路の作動条件が変化する場合にも本装 置が少なくとも効率の低下をこうむらないように、発展させるという課題がある 。

冒頭に述べた種類の熱変換装置から出発して、この課題は、本発明によれば、一 方の溶液循環路の前方への流れと他方の溶液循環路の戻り流とが、途中に制御手 段又は調整手段が接続されることなしに一方の溶液循環路の高い圧力レベルと他 方の溶液循環路の低い圧力レベルとの中間の圧力レベルで結合されることによっ て、双方の溶液循環路が連結されていることにより解決される。双方の溶液循環 路が異なった圧力レベルにあり且つ一方の循環路の高い圧力と他方の循環路の低 い圧力に等しいかかる接続によって、従来双方の循環路にそれぞれ別個に備えら れるべきであった機能ユニットを一つの共通なユニットにすることが可能となり 、その場合、これらの溶液循環路は直接連結されており、すなわち双方の循環路 中で作動媒体は等しい濃度を有しているので、濃度を等しくするための循環路間 での作動媒体の制御された交換はなくなり、それに応じて溶液循環路中の濃度の 相違を制御する必要がなくなる。

熱変換装置が熱ポンプ又は冷却装置として接続されている場合、好適には、低い 圧力レベルにある第一の溶液循環路の再吸収器と高い圧ツルレベルにある第二の 溶液循環路の吸収器とが一つの共通の吸収ユニットにまとめられていて、この吸 収ユニットにおいて、一方では第一の溶液循環路の脱気器で低圧低温で追い出さ れた作動媒体の気体成分が圧縮機関によって圧力及び温度を高められた後に、他 方では第二の溶液循環路の脱気器で高圧高温で追い出された作動媒体の気体成分 が、膨張機関で圧力及び温度を下げられて共通の中間の圧力レベルで中間温度に おいて希薄な溶液中に再吸収又は吸収されるように、行われる。直接連結された 溶液循環路を備えたこの熱ポンプ接続の決定的な利点は、第一の溶液循環路の脱 気器で低温低圧で追い出された作動媒体の気体成分の量と、第二の溶液循環路の 脱気器で高温高圧で追い出された作動媒体の気体成分の量との関係が完全に任意 であってよく、従って熱量が極端に異なるか又は熱の混合で発生する低温及び高 温の熱源をも接続可能なことである。

他方熱変換器として挿入する場合には、高い圧力レベルにある第一の溶液循環路 の脱気器と低い圧力にある第二の溶液循環路の脱気器とが一つの共通な脱気器に まとめられており、この脱気器において中間の圧力レベルでかつ中間温度で作動 媒体の気体成分が濃厚な溶液から追い出され、次に一部は圧縮機関によって圧力 及び温度を高められて第一の溶液循環路の再吸収器へ導かれ、一部は膨張機関に おいて圧力及び温度を下げられて第二の溶液循環路の吸収器へ導かれ、そこでそ れぞれ希薄な溶液中に再吸収又は吸収される。このように構成された熱変換器の 接続は、脱気器で追い出された作動媒体の気体成分を任意の量的関係で溶液循環 路に分配できるという決定的な利点を有している。すなわち、特定の用途の場合 に熱エネルギーか機械的エネルギーのいずれが必要とされるかに応じて、作動媒 体の気体成分のより大きな部分が圧力を高められて続く再吸収によって高温の利 用熱を発生せしめる々めに利用され、これに応じて作動媒体の気体成分のよりわ ずかな部分が膨張機関で圧力を下げられて機械的エネルギーの生成のために使用 されることもまたその逆も可能である。

本発明は、以下の図面を参照しての二つの実施例の記述においてより詳細に説明 されているが、第１図は本発明による熱変換装置の熱ポンプとして作動する実施 例の概略接続図、 第２図は第１図による熱ポンプで経過する作動媒体の状態変化をＰ、ζ図表で概 略的に示した図、第３図は本発明による熱変換装置の熱変換器として作動する実 施例の概略接続図、 第４図は第３図による熱変換器で経過する作動媒体の状態変化をＰ、ζ図表で概 略的に示した図である。

第１図は、全体に１０が付けられていて熱ポンプとして構成されている実施例の 接続上の構成を概略的に示しており、他方第２図では、原則的に、図示されてい る機能上の構成部分又は導管の水平方向が二成分作動媒体の濃度を、垂直方向が 圧力を夫々概略的に表すように図示がなされている。

装置ｌＯは、特にアンモニアと水との混合物から成る作動媒体の二つの溶液循環 路中及び■を有していて、これらの溶液循環路は以下でより詳細に説明されるよ うに直接連結されている。

第１図の下方に示されている溶液循環路Ｉは、脱気器１２とこの溶液循環路の再 吸収器である吸収ユニット１４とを有しており、この脱気器と吸収ユニットとは 、途中に溶液ポンプ２０又は絞り手段２２が接続されている導管１６及び１８を 介して結合されている。低い圧力ｐ。

にある脱気器１２から途中に圧縮器２６が接続されている結合導管２４中へは、 低い温度レベルｔ１の熱の供給を受けて導管１８を経由して流入する作動媒体の 濃い溶液から気体成分が追い出され、この圧縮器２６において作動媒体の気体成 分は中間圧力ｐ２になるまで圧縮される。一方、導管１６を経由して脱気器Ｌ２ から流出する希薄な溶液は溶液ポンプ２０によって送り出されて同じく中間圧力 ｐ２になるまで圧力を高められて、分枝導管２８を介して結合導管２４に接続さ れている吸収ユニット１４に流入し、この吸収ユニット１４において分枝導管２ ８を経由して戻される作動媒体の気体成分が再び希薄な溶液中に再吸収され得る ようになっている。その際低い温度レベルｔ１に比べて高められた中間温度ｔ、 において再吸収熱が発生し、この再吸収熱は利用熱として導出可能である。ここ で再び濃厚になった溶液は次に吸収ユニット１４から導管１８を経由して脱気器 １２に戻されるが、その際絞り手段２２により圧力が再びｐＩまで下げられる。

導管１６．１８間の中間圧力ｐ２の領域に接続されている熱交換器３０によって 、濃厚な溶液中に含まれている熱エネルギーが希薄な溶液に伝達される。

以上述べた範囲では本装置は実際には二成分圧縮熱ポンプを示しているが、この 二成分圧縮熱ポンプでは、原則的には、性能値を向上せしめるためのその他の処 置例えば特許出願第Ｐ３７１６６４２．５号に開示されている濃厚な溶液からの 熱の伝達によってｐＩ　とｐ！との間にある圧力で希薄な溶液を更に脱気し、こ の際追い出される作動媒体の気体成分を圧力ｐ２になるまで圧縮し、追加的に発 生した分の気体成分を吸収ユニットへ送り出すための処置が、実行可能である。

しかしながらこれらの処置は本出願の対象ではないので、本出願の範囲では個々 に述べることはせず、また理解を容易にするため図面にも表されていない。

装置１０は更に、図面の上方に示されている第二の溶液循環路■を有しており、 この第二の溶液循環路中で、この溶液循環路の吸収器である吸収ユニット１４は 溶液ポンプ３８又は絞り手段４０ともう一つの熱交換器４２とが途中に接続され ている導管３４及び３６を介して脱離器３２と結合されている。吸収ユニット１ ４に比べてより高い圧力ｐ、にある脱離器３２には温度ｔｓ＞ｔ２で熱エネルギ ーが供給されて、導管３４を経由して流入する濃厚な溶液から例えばアンモニア タービンの膨張機関４６が途中に配設されている結合導管４４中へは作動媒体の 気体成分が追い出され、この膨張機関４６において作動媒体の気体成分の圧力は ｐ、まで下げられ、その熱エネルギーは発電機４８を介して電気エネルギーに変 換されかつ／または別の機関例えば圧縮器２６を直接駆動するのに使うことも可 能な仕事をなす。膨張機関４６の後方に延びている結合導管４４の分枝も分枝導 管２８に接続されており、脱離器３２から追い出された作動媒体の気体成分も吸 収ユニット１４に戻される。他方、導管３６が導管１６と吸収ユニット１４に入 る直前で結合されており且つ導管３４が導管１８と吸収ユニット１４から出た直 後で結合されていることによって示されていることではあるが、溶液循環路■の 導管３４及び３６も吸収ユニット１４に接続されているので、溶液循環路Ｉ及び ■は相互に分離されているのではなく直接相互に結合されている。従って吸収ユ ニット１４は、脱気器１２及び脱離器３２から流入する分の希薄な溶液を通過さ せ、脱気器１２及び脱離器３２において追い出される作動媒体の気体成分を再吸 収又は吸収すべく構成されていなければならない。溶液循環路Ｉ及び■が連結さ れているために、装置１０の連続作動を妨げる溶液循環路工及び■の濃度の違い は起こり得ない。

膨張機関４６によって駆動される発電機４８において発生せしめられる電気エネ ルギーが追加の利用エネルギーとして生じるが、本装置の全効率の評価の際には 勿論圧縮器２６の駆動に必要な駆動エネルギーがこれから差し引かれるべきであ る。

第３図及び第４図に示された全体に５０が付けられた熱変換器として作動する熱 変換装置は、異なる圧力レベルで作動せしめられ中間圧力ｐ２の下で直接接続さ れている二つの溶液循環路Ｉ及び■を備えていて原則的に熱変換装置１０に対応 した構成を有しているが、熱変換器の熱ポンプとの機能上の相違が顧慮されねば ならない。

図面の上方に示されている溶液循環路Ｉは、同時に溶液循環路■の一部を形成し ている脱気器５２によって形成され、この脱気器は途中に溶液ポンプ６０又は絞 り手段６２が接続されている導管５６．５８を介して再吸収器５４と結合されて いる。中間圧力下にある脱気器５２において、導管５８を経由して供給される作 動媒体の濃厚な溶液から途中に圧縮器６６が接続されている結合導管６４に接続 された結合導管分枝６８中に、温度レベルｔ２で熱が供給されることにより作動 媒体の気体成分が、追い出される。圧縮器６６は脱気器５２から圧縮器に流入す る作動媒体の気体成分を圧力ｐ、にまで圧力を高めて再吸収器５４へ送り出し、 この再吸収器５４において、作動媒体の気体成分は温度ｔ、で発生する再吸収熱 を排出して、溶液ポンプ６０によって圧力を高められた後で導管５６を経由して 流入してくる希薄な溶液中に再吸収される。一方、濃厚な溶液は導管５８を経由 し絞り手段６２で圧力を下げられた後脱気器５２に戻される。熱変換器７０がこ こでもまた導管５８中を流れる濃厚な溶液から、導管５６中を流れる希薄な溶液 へ熱エネルギーを伝達する。かくして、溶液循環路工はここでもまた二成分圧縮 熱ポンプとして理解することができるが、その場合、装置ｌＯの溶液循環路Ｉに 対して実施された圧縮熱ポンプの性能値の改善に関するその他の処置は、熱変換 装置５０の溶液循環路Ｉに対しても有効である。こうして再吸収器５２において 温度ｔ、＞ｔ、で発生する熱エネルギーはこの場合利用エネルギーとなる。

溶液循環路■は既に述べたように溶液循環路工の一部をも形成している脱気器５ ２と並んで吸収器７２から形、成されるが、この吸収器７２は途中に溶液ポンプ ７８又は絞り手段８０の接続されている導管７４．７６を経由して脱気器５２と 結合されており、ここでもまた熱変換器８２によって導管７４中を流れる濃厚な 溶液から導管７６中を流れる希薄な溶液に熱が伝達される。脱気器５２に接続さ れていて追い出された気体の作動媒体の気体成分を搬出する結合分枝６８には結 合導管６４と並んでもう一つの結合導管８４が接続されていて、この結合導管８ ４の途中には発電機８８を駆動する膨張機関が接続されている。脱気器５２で追 い出された作動媒体の気体成分の一部は、結合導管８４を経由して膨張機関８６ で圧力をｐｌに下げられた後吸収器７２に戻され、そこで温度レベル１＋で吸収 熱を排出しつつ、導管７６を介して供給され且つ絞り手段８０で同様に圧力ｐｌ に下げられた希薄な溶液中に、吸収される。これによって再びより濃厚となった 溶液は次に導管７４を経由して溶液ポンプ７８によって圧力ｐ２に圧力を高めら れて再び脱気器５２に戻される。この実施例の場合にも、双方の溶液循環路■及 び■の直接の連結は、導管５８と７４とが又は導管５６と７６とが脱気器５２へ 入る直前又は脱気器５２から出た直後で相互に結合されているものとして表され ていることによって、示されている。こうして別個の処置によって調整されねば ならないような溶液循環路Ｉ　。

及びＨの間の濃度の相違は、熱変換装置５０を熱変換器として作動せしめる場合 にも生じ得ない。

国際調査報告 国際調査報告　Ｆ、Ｐ　８８１００６０７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも一つの外部の熱源から供給される熱エネルギーを異なった温度レ ベルの熱エネルギーに変えるために二成分作動媒体、特にアンモニアと水との混 合物によって作動せしめられ、二つの相互に連結された溶液循環路を有し、これ らの溶液循環路ではそれぞれ異なった圧力レベルと温度レベルで、熱エネルギー が作動媒体の脱気のために供給され、又は再吸収あるいは吸収のために排出され 、脱気時に一方の溶液循環路の低い圧力レベルにある濃厚な溶液から追い出され る作動媒体の気体成分は、圧縮機関によってこの溶液循環路の高い方の圧力レベ ルに高められ、他方の溶液循環路の高い方の圧力レベルで濃厚な溶液から追い出 される作動媒体の気体成分は、膨張機関によってこの溶液循環路の低い方の圧力 レベルに下げられる、少なくとも一つの圧縮機関及び一つの膨張機関と組み合わ された、熱ポンプ，冷却装置又は熱変換器のような再吸収−熱変換装置において 、一方の循環路（Ｉ又はＩＩ）の前方への流れと他方の溶液循環路環（ＩＩ又は Ｉ）の戻り流とが、途中に制御手段又は調整手段が接続されることなしに一方の 溶液循環の高い圧力レベルと他方の溶液循環路の低い圧力レベルとの中間の圧力 レベル（ｐ２）で結合されることによって、双方の溶液循環路（Ｉ，ＩＩ）が連 結されていることを特徴とする、再吸収−熱変換装置。 ２．低い圧力レベルにある第一の溶液循環路（Ｉ）の再吸収器とより高い圧力レ ベルにある第二の溶液循環路（ＩＩ）の吸収器とが一つの共通の吸収ユニット（ １４）にまとめられていて、この吸収ユニットにおいて、一方で第一の溶液循環 路（Ｉ）の脱気器（１２）で低圧（Ｐ１）低温（ｔ１）で追い出された作動媒体 の気体成分が圧縮機関（２６）によって圧力及び温度を高められた後に、他方で 第二の溶液循環路（ＩＩ）の脱気器（３２）で高圧（ｐ３）高温（ｔ３）で追い 出された気体の作動媒体成分が膨張機関（４６）で圧力及び温度を下げられて、 共通の中間の圧力レベル（ｐ２）と中間温度（ｔ２）の下で希薄な溶液中に再吸 収又は吸収されることを特徴とする、請求の範囲１に記載の熱ポンプ。 ３．高い圧力レベルにある第一の溶液循環路（Ｉ）の脱気器と低い圧力レベルに ある第二の溶液循環路（ＩＩ）の脱気器とが一つの共通な脱気器（５２）にまと められており、この脱気器において中間の圧力レベル（Ｐ２）と中間温度（ｔ２ ）の下で作動媒体の気体成分が濃厚な溶液から追い出され、次に一部は圧縮機関 （６６）によって圧力及び温度を高められて第一の溶液循環路（Ｉ）の再吸収器 （５４）へ導かれ、一部は膨張機関（８６）において圧力及び温度を下げられて 第二の溶液循環路（ＩＩ）の吸収器（７２）へ導かれ、そこでそれぞれ希薄な溶 液中に再吸収又は吸収されることを特徴とする、請求の範囲１に記載の熱変換装 置。