JPH05280826A - 吸収式ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、低温側ヒートポンプと高温側ヒートポンプを
備えて、それらが互いに接続されているヒートポンプシ
ステムに関し、低温側ヒートポンプの蒸発器から低温側
ヒートポンプの吸収器へ流れる気化冷媒が、圧縮器によ
り圧送されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】１つの装置、あるいは１つの設備
より温度の異なる排ガス、排蒸気、排水（機械冷却水プ
ロセスよりの冷却水）、また河川、下水処理水、発電所
よりの冷却水のような高温（１８０ないし５００℃）お
よび中温（４０ないし８０℃）の熱源が存在する。本発
明は、これらの中温と高温の熱源を利用して、冷水及び
温水を製造するヒートポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、中温の駆動熱源水を高温の熱水お
よび蒸気にして回収する場合には、いわゆる第２種ヒー
トポンプが用いられる。この際には回収された熱源の温
度は高いが、全熱量は供給熱量の半分になる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明によれば、中温
の駆動熱源水を効率よく利用して温水および冷水を製造
し、高温駆動熱源水の熱量と中温駆動熱源水のそれとが
過不足なく合致するのが最も好ましいが、中温熱源水が
少ない場合にも運転可能であり、温水製造に当って、５
０℃を超える温水を必要とする場合にも対応でき、中温
駆動熱源水の温度が低い場合にも対応できるヒートポン
プを提供する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明による吸収式ヒー
トポンプは、気相と液相との間で変化可能な冷媒と、気
相の冷媒を吸収して冷媒から熱エネルギーを加えられ、
且つ加熱されると冷媒がその中から蒸発していく、冷媒
吸収液と、冷媒吸収液が気相の冷媒を吸収する第一吸収
器と、第一吸収器で気相の冷媒を吸収した冷媒吸収液が
加熱され、冷媒が冷媒吸収液から蒸発していく第一発生
器と、第一発生器で蒸発した冷媒が冷却され液化する第
一凝縮器と、第一凝縮器で液化された冷媒が加熱されて
気化され、気化した冷媒を第一吸収器に供給する第一蒸
発器と、第一蒸発器内に配置され、冷媒と第一流体との
間で熱交換を行って冷媒を加熱し、且つ第一流体を冷却
する第一熱交換器と、冷媒吸収液が気相の冷媒を吸収す
る第二吸収器と、第二吸収器で気相の冷媒を吸収した冷
媒吸収液が加熱され、冷媒が冷媒吸収液から蒸発してい
く第二発生器と、第二発生器で蒸発した冷媒が冷却され
液化された後に、その液化した冷媒を加熱して気化さ
せ、気化した冷媒を第二吸収器に供給する第二蒸発器
と、第二蒸発器内に配置され、冷媒と第二流体との間で
熱交換を行って冷媒を加熱し、且つ第二流体を冷却する
第二熱交換器と、第一蒸発器内で加熱され気化した冷媒
を第一吸収器へ圧縮して送り込む圧縮機と、を有する。

【０００５】

【作用】本発明による吸収式ヒートポンプにおいては、
第一（低温側）蒸発器内で加熱され気化した冷媒を第一
（低温側）吸収器へ圧縮機して送り込む圧縮機が設けら
れているので、第一吸収器の圧力が増加し、従って第一
吸収液内の及び第一（低温側）発生器内の冷媒濃度が増
加する事により、第一蒸発器内の温度が低くても、第一
吸収液内の及び第一発生器内の冷媒濃度を高く維持する
ことが可能となり、低温側のヒートポンプサイクルに供
給される熱エネルギーの熱源温度が低くても、低温側の
ヒートポンプサイクルから高温側のヒートポンプサイク
ルに供給する熱エネルギーの伝達媒体温度を高く保つこ
とができる。従って、高温側ヒートポンプサイクルか
ら、高温の温水を得ることができ、又、高温側ヒートポ
ンプサイクルにより外部から吸収される熱エネルギーも
大きい。

【０００６】

【実施例】中温と高温の駆動熱源水を有効に使う基本的
な方法は次のごとくである。高温側と低温側の吸収式ヒ
ートポンプを二段階有するヒートポンプにおいて、高温
側凝縮器の凝縮熱を低温側発生器の加熱に用いて、３０
ないし８０℃の駆動低温の熱源水を高温側蒸発器に供給
し、そのベーパーを高温側吸収器に導き、そこで昇温し
て凝縮する熱を低温側発生器に送って、結果的には中温
の駆動熱水源を高温側吸収器で昇温して、これを駆動熱
源水として低温側発生器の熱源とすることにより、低温
側ヒートポンプにおいては、高温側発生器に供給された
Ｑ１と高温側蒸発器に供給されたＱ２は低温側凝縮器お
よび低温側吸収器において、それぞれ（Ｑ１＋Ｑ２）を
除去しなければならないので、全体として２（Ｑ１＋Ｑ
２）の熱量を取り出すことができる。高温および中温の
駆動熱源水が、高温側発生器への供給熱量と高温側蒸発
器への供給熱量に相当であることが条件である。上記の
相当値に合致することは不可能であり、このアンバラン
スを調整する必要がある。

【０００７】中温駆動熱源水が高温熱源水に比べて少な
い場合 高温駆動熱源水をすべて高温側発生器に入れ、同様に高
温側蒸発器に中温駆動熱源水を入れる。高温側発生器よ
り発生するベーパーの一部を高温側蒸発器に供給し、シ
ステムを運転するのに必要な熱量を補給する。すなわち
低温側発生器への供給熱量は高温と中温の熱量の和であ
って変わることなく、低温側発生器へ高温側発生器から
供給されるベーパー量は減るが、減った分は高温側蒸発
器を介して高温側吸収器へ送られ、そこで再度昇温した
ものが低温側発生器に供給できる。

【０００８】中温の駆動熱源水が高温の時に比べて多い
場合 本システムでは余剰分を温水加温に用いる。

【０００９】低温側蒸発器の蒸発温度を下げたい場合 通常、蒸発温度を−１４℃とすれば、発生器の温度は１
３０℃で二重のヒートポンプサイクルは構成できない。
これを克服するためには、低温側蒸発器と低温側吸収器
の中間に機械的圧縮機を入れることで、低温側吸収器の
圧力が増加し、それに対応して操作濃度が増加し、当然
低温側発生器の濃度も増加して、操作温度も低下し、二
重効用の操業が可能となる。

【００１０】上記の機械圧縮機を用いる条件として （１）低温側ヒートポンプで用いる二作動流体は圧縮し
やすい冷媒、すなわちフロンおよびアンモニア系が好ま
しい。一方、高温側ヒートポンプでは気液平衡のないシ
ステム、すなわち水−リチュームブロマイド系が好まし
い。 （２）アンモニア、あるいはフロン系の冷媒を用いる場
合には５０℃以上の温水を得ようとすると凝縮圧力が、
すなわち低温側発生器の操作圧力が増加する。従ってこ
れを防止するためには低温側凝縮器と低温側蒸発器との
間に二作動流体の移動の循環を行わせることによって同
じ温度に対して全体の操作圧力を下げることができる。

【００１１】図１に本発明の基本的フローシートを示
す。高温側吸収式ヒートポンプと低温側吸収式ヒートポ
ンプの２つの組合せであり、高温側は発生器１、凝縮器
２、蒸発器３、吸収器４および熱交換器５、吸収液循環
ポンプ６より構成されている。低温側は発生器７、凝縮
器８、蒸発器９、吸収器１０、熱交換器１１、および循
環ポンプ１２より成る。この２つのシステムから結合さ
れるものは温水循環ポンプ１４によって高温側凝縮器２
と低温側発生器７とが結ばれており、また循環ポンプ１
９によって高温側吸収器４と低温側発生器７とが結ばれ
ている。高温の移動熱源水は発生器内の熱交換器１１１
を通じて高温側発生器１に供給される。中温の駆動熱源
水は高温側蒸発器３に供給される。

【００１２】温水加熱器１５は循環ポンプ１６によって
結ばれている低温側凝縮器８と低温側吸収器１０よりの
熱を外部へ放散するもので、また冷水熱交換器１７は外
部より熱を取入れ、循環ポンプ１８で蒸発器へ供給す
る。

【００１３】図２には高温側凝縮器２のかわりに、低温
側発生器７に熱交換器７１を設けた場合と中温熱源の熱
量が足らない場合の加熱用熱交換器１３２および中間圧
縮機３０を設置した場合を示す。

【００１４】温水製造の場合 高温側発生器１に熱交換器１１１を通じて高温駆動熱源
水が導入され、蒸発した冷媒は高温側凝縮器２に導か
れ、冷却用熱交換器１２１によって凝縮される。凝縮液
は高温側蒸発器３に導かれ、ここで中温熱源水が加熱用
熱交換器１３１に供給され冷媒は蒸発し、高温側吸収器
４に導かれ、ここで高温側発生器１で濃縮された濃厚液
と混合され、吸収凝縮が起こる。このとき得られた熱を
循環ポンプ１９によって低温側発生器の加熱用熱交換器
７２を通じて低温側発生器７での蒸発に用いる。熱交換
器５および循環ポンプ６は高温側発生器１と高温側吸収
器４との熱収支を保つために必要な公知の機器である。
このようにして低温側発生器７には高温側蒸発器３から
の熱量を熱交換器７１および高温側吸収器４からの熱量
を熱交換器７２によって供給され、ここで冷媒の蒸発が
起こり標準型の吸収ヒートポンプの操作が低温側におい
て開始される。すなわち低温側発生器７で蒸発した冷媒
は低温側凝縮器８で凝縮され、この凝縮熱は低温側吸収
器１０で得られる熱量と合流して、温水加熱器１５によ
って系外に取出される。凝縮器で凝縮された水は低温側
蒸発器９によって温水製造の場合には吸熱源水が熱交換
器９１を通じて熱を加え、蒸発した水は低温側吸収器１
０で低温側発生器７より濃縮されたリチュームブロマイ
ド溶液と混合され、この熱量は温水循環ポンプと温水加
熱器で系外に取出される。熱交換器１１および循環ポン
プ１２では低温側発生器７と低温側吸収器１０との間の
熱収支を保つものである。

【００１５】冷水製造の場合 高温熱源水と中温熱源水は高温側蒸発器３にて前述の温
水製造の同じ方式によって運転し、冷水を低温側蒸発器
９内の熱交換器９１を通じて取出し、循環ポンプ１８を
通じ１７の冷水熱交換器により冷水を利用する。

【００１６】中温熱源水の不足の場合の運転 図２により説明すれば、高温側蒸発器３に供給される熱
量は熱収支の上から高温側発生器１に供給されるものと
同等でなくてはヒートポンプシステムは動かない。これ
を行うためには高温側発生器３の不足分を蒸発した冷媒
を分岐して不足分のみ熱交換器１３２に供給する。この
供給した分だけが低温側発生器７に直接行かないが、結
果的には高温側吸収器４を閉じれば、高温側蒸発器３で
液化された冷媒が低温側発生器７に向かう。中間圧縮器
３０は低温側蒸発器９と低温側吸収器１０の間に設置さ
れ、圧力制御流量制御によって自動運転が可能である。

【００１７】実験例１：中間圧縮機３０を設けたシステ
ムをヒーティングタワーの吸熱源水を用い、全燃料の量
［ＭＫｃａｌ／ｈｒ］５００ＫＷのガスエンジンの排ガ
スを入口温度５６６℃、出口温度２２．０℃、交換熱量
３２０［ＭＫｃａｌ／ｈｒ］、一方、エンジン冷却水を
入口温度８５℃、出口温度８０℃、交換熱量１９０［Ｍ
Ｋｃａｌ／ｈｒ］を中間熱源とした本フローシート図２
（第１効用水−リチュームブロマイド系、第２効用水−
アンモニア系）に基づく運転条件を示す。高温側発生器
１で１５２℃、高温側凝縮器２で１００℃、高温側蒸発
器３で７０℃で水−リチュームブロマイド系で運転で高
温熱源を高温側発生器１に中温熱源を高温側蒸発器３に
供給する。高温側発生器１の水の蒸発温度は５１７［ｋ
ｇ／ｈｒ］である。その量の約３０％を高温側蒸発器３
に入れ、熱バランスを保ち、残りを低温側発生器７に入
れる。低温側蒸発器９の温度８９℃、低温側凝縮器８の
温度５０℃、低温側蒸発器９の温度−１４℃、低温側吸
収器１０の温度４８ないし５６℃、アンモニア蒸発量１
１５０［ｋｇ／ｈｒ］で運転した入口温度４０℃、出口
温度４５℃の温水を８０３［ＭＫｃａｌ／ｈｒ］の割合
で得た。この際用いた中間圧縮機３０は１００ＫＷのア
ンモニアスクリューコンプレッサーで動力は８０．２Ｋ
Ｗであった。一方、ガスエンジン駆動のスクリュー圧縮
機では１２３８［ＭＫｃａｌ／ｈｒ］の温水製造した。
このＣＯＰは前記中間圧縮機を除去すれば１．４０とな
る。以上のように本システムは寒冷地において空気熱源
のヒートポンプの適用可能となる。

【００１８】実験例２：１０００ＫＷのディーゼルエン
ジンを駆動するのにガス燃料２．２６７［ＭＫｃａｌ／
ｈｒ］を用い、エンジン排ガスより１４Ｂａｒｇの蒸気
０．４８［ＭＫｃａｌ／ｈｒ］および８０℃の温水０．
４２８［ＭＫｃａｌ／ｈｒ］を得た。これを昇温型二重
効用式ヒートポンプによりフローシートに基づき本結果
を得た。高温側発生器１、高温側蒸発器３、高温側吸収
器４のそれぞれの温度は１６８℃、７０℃、１２０℃で
あり、また低温側発生器７、低温側凝縮器８、低温側蒸
発器９、低温側吸収器１０の温度はそれぞれ８０℃、５
０℃、９℃、４８℃。回収した温水は４５℃で１．７２
３［ＭＫｃａｌ／ｈｒ］で１０００ＫＷを冷媒圧縮式ヒ
ートポンプで温水を製造し得た３．３４［ＭＫｃａｌ／
ｈｒ］であるからＣＯＰは２．１４である。

【００１９】

【発明の効果】

（１）高温と中温の熱源水が利用可能な場合には、その
中温の範囲が４０ないし８０℃であれば（この範囲では
普通有効な利用方法が分かった）二重効用的に利用で
き、ガスエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービン
等の１つの設置より異なった温度の熱が利用できる場合
に適用可能となる。 （２）高温熱源の熱量が中温より多い場合には、発生し
たベーパーの蒸発器に送り、システムの安全運転が可能
となる。 （３）中間圧縮機を低温側蒸発器と低温側吸収器の間に
設けることによって、低温側発生器の温度を下げること
ができるので、温度差の大きい二重効用が可能となり、
低温側蒸発器が低温で運転可能となり、このために寒冷
地の空気熱源ヒートポンプが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるヒートポンプの一実施例の概略
図。

【図２】本発明によるヒートポンプのもう一つの実施例
の概略図。

【符号の説明】

１ 高温側（第一）発生器 ２ 高温側（第一）凝縮器 ３ 高温側（第一）蒸発器 ４ 高温側（第一）吸収器 ５ 高温側（第一）熱交換器 ６ 高温側（第一）循環ポンプ １１１ 高温側（第一）発生器用熱交換器 １２１ 高温側（第一）凝縮器用熱交換器 １３１ 高温側（第一）蒸発器用熱交換器 １３２ 高温側（第一）蒸発器用熱交換器 １４１ 高温側（第一）吸収塔用 ７ 低温側（第二）発生器 ８ 低温側（第二）凝縮器 ９ 低温側（第二）蒸発器 １０ 低温側（第二）吸収器 １１ 低温側（第二）熱交換器 １２ 低温側（第二）循環ポンプ ７１ 低温側（第二）発生器用熱交換器 ７２ 低温側（第二）発生器用熱交換器 ８１ 凝縮器用熱交換器 ９１ 蒸発器用熱交換器 １０１ 吸収塔用熱交換器 １４ 温水循環ポンプ １５ 温水加熱器 １６ 冷却水循環ポンプ １７ 冷水熱交換器 １８ 冷水循環ポンプ １９ 高温側（第一）吸収器−低温側（第二）発生器循
環ポンプ ３０ 中間圧縮器

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸収式ヒートポンプであり、 気相と液相との間で変化可能な冷媒と、 気相の冷媒を吸収して冷媒から熱エネルギーを加えら
   れ、且つ加熱されると冷媒がその中から蒸発していく、
   冷媒吸収液と、 冷媒吸収液が気相の冷媒を吸収する第一吸収器と、 第一吸収器で気相の冷媒を吸収した冷媒吸収液が加熱さ
   れ、冷媒が冷媒吸収液から蒸発していく第一発生器と、 第一発生器で蒸発した冷媒が冷却され液化する第一凝縮
   器と、 第一凝縮器で液化された冷媒が加熱されて気化され、気
   化した冷媒を第一吸収器に供給する第一蒸発器と、 第一蒸発器内に配置され、冷媒と第一流体との間で熱交
   換を行って冷媒を加熱し、且つ第一流体を冷却する第一
   熱交換器と、 冷媒吸収液が気相の冷媒を吸収する第二吸収器と、 第二吸収器で気相の冷媒を吸収した冷媒吸収液が加熱さ
   れ、冷媒が冷媒吸収液から蒸発していく第二発生器と、 第二発生器で蒸発した冷媒が冷却され液化された後に、
   その液化した冷媒を加熱して気化させ、気化した冷媒を
   第二吸収器に供給する第二蒸発器と、 第二蒸発器内に配置され、冷媒と第二流体との間で熱交
   換を行って冷媒を加熱し、且つ第二流体を冷却する第二
   熱交換器と、 第一蒸発器内で加熱され気化した冷媒を第一吸収器へ圧
   縮して送り込む圧縮機と、を有する吸収式ヒートポン
   プ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載される吸収式ヒートポン
   プであり、第二発生器で蒸発した冷媒は、第一発生器内
   に配置される第三熱交換器内で冷却され液化された後
   に、第二蒸発器へ供給される、吸収式ヒートポンプ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載される吸収式ヒートポン
   プであり、更に、第二発生器で蒸発した冷媒を冷却して
   液化する第二凝縮器を有し、第二発生器で蒸発した冷媒
   は、第二凝縮器を経て第二蒸発器へ供給される、吸収式
   ヒートポンプ。
4. 【請求項４】 請求項１に記載される吸収式ヒートポン
   プであり、第二蒸発器内に配置される第四熱交換器を有
   し、第二発生器で蒸発した冷媒は、第二蒸発器内の第四
   熱交換器内に供給されてそこで第二蒸発器内の冷媒によ
   り冷却され液化された後に、第二蒸発器へ供給される、
   吸収式ヒートポンプ。
5. 【請求項５】 請求項３に記載される吸収式ヒートポン
   プであり、更に、第二凝縮器内に配置され第二凝縮器内
   の冷媒を冷却して液化し第三流体を加熱する第五熱交換
   器と、第一発生器内に配置され第一発生器内の冷媒を加
   熱して気化し第三流体を冷却する第三熱交換器とを有
   し、第三流体は第三熱交換器と第五熱交換器とで構成さ
   れるサイクル内を循環する、吸収式ヒートポンプ。
6. 【請求項６】 請求項３に記載される吸収式ヒートポン
   プであり、更に、第二蒸発器内に配置され第二蒸発器内
   の冷媒を加熱して気化し第三流体を冷却する第四熱交換
   器と、第二凝縮器内に配置され第二凝縮器内の冷媒を冷
   却して液化し第三流体を加熱する第五熱交換器と、第一
   発生器内に配置され第一発生器内の冷媒を加熱して気化
   し第三流体を冷却する第三熱交換器とを有し、第三流体
   は第三熱交換器と第四熱交換器と第五熱交換器とで構成
   されるサイクル内を循環する、吸収式ヒートポンプ。
7. 【請求項７】 請求項６に記載される吸収式ヒートポン
   プであり、第三流体は、第五熱交換器から第三熱交換器
   を経て、第四熱交換器に供給される、吸収式ヒートポン
   プ。