JPWO2002088607A1 - アンモニア吸収式冷温水装置 - Google Patents

Abstract

アンモニア水溶液１１から熱源により高圧のアンモニアガス２１を発生せしめる発生器２２と、このアンモニアガス２１とアンモニア希溶液９に気液分離する精留器２８と、分離後のアンモニアガス２１を凝縮する凝縮器２３と、凝縮後のアンモニア液９４を気化するときの冷却作用を利用する蒸発器２４と、気化後のアンモニアガス２１をアンモニア水溶液に吸収せしめる吸収器２５とを、アンモニア希溶液９が重力で移動するように順次上から配置し、これらの内部に、吸収器２５から発生器２２へアンモニア水溶液１１を圧送する溶液管３０を設けてなるアンモニア吸収式冷温水装置である。このような構成による精留塔や接続配管の省略、発生器や吸収器の小型化等により、装置全体をより小型化できるとともに、多種多様な熱源に対応できる。

Description

技術分野
本発明は、ガスタービンの排熱、往復式熱機関の排熱、燃料電池の電池排熱、太陽光発電の排熱、ボイラの余剰蒸気等の各種排熱の他、地熱、高温岩体等を利用したアンモニア吸収式冷温水装置に関するもので、主に、冷凍能力が数１００ｋＷ以下の小規模のものに適用されるものである。
背景技術
従来、蒸気炊き方式のアンモニア吸収式冷温水装置におけるアンモニアガス発生及び精留器は、第９図に示すように構成されている。この第９図において、満液式の発生器１０内に、一端の濃アンモニア水溶液供給口２０から濃いアンモニア水溶液１１を図示しないポンプにて供給し、このアンモニア水溶液１１内に多数本の熱交換器１２を配置して熱源供給口１３から蒸気、熱水等の熱源を供給することにより、アンモニア水溶液１１の気化したアンモニアガス２１を発生させる。このアンモニアガス２１及び同時に発生した少量の水蒸気が発生器１０の中央から上方に向けて設けられた精留塔１６へ上昇する。
精留塔１６の内部には、中央に孔の空いた又は螺旋状の棚１７が複数段に設けられているので、ここで上昇してきたアンモニアガス２１と水分が重力と密度差によって分離され、精留されたアンモニアガス２１は、アンモニアガス出口３９を経て図示しない凝縮器へ送られる。棚１７で液化したわずかなアンモニアを含むアンモニア希溶液は、液溜り１８に流れ落ちて排水管１９からアンモニア希溶液排出口１５へ送られ、アンモニア希溶液となって吸収液ポンプ等へ送られる。
以上のようなアンモニアガス発生及び精留器を用いた従来のアンモニア吸収式冷温水装置には、以下のような問題点があった。
（１）発生器１０の出口に精留塔１６を配置し、加熱によって上昇するアンモニアガス２１が単にこの精留塔１６の内部の棚１７を通過するときの重力と密度差だけを利用して気液分離を行っていたので、発生器１０と精留塔１６の高さが高くなる。
（２）発生器１０に供給する熱源の温度範囲に厳しい制限があり、設計点から外れると、性能が大幅に低下するので、多種多様な排熱を利用することが困難であった。そのため、供給熱流量と温度変動に対して、広くて、迅速な応答ができなかった。
（３）満液式の発生器１０は、容量が大きいため、保留液量が多く、始動時間や熱負荷変動に対する応答時間が長かった。
（４）従来の吸収式冷温水装置では、吸収器、蒸発器、凝縮器等の圧力容器は、横置きであり、かつ、各容器間は、配管とバルブで複雑に接続されていたので、装置全体が大型になり、各容器間の共通部品が少なく、また、配管やバルブの流体的損失が生じ、さらに、配管が本体の外側にむき出しになる、という問題があった。
（５）アンモニア希溶液排出口１５からのアンモニア希溶液は、図示しない液予熱器を通過後、減圧弁を経て吸収器に供給され、また、凝縮器に入るアンモニア液は、蒸発器出口のアンモニアガスの冷熱にて過冷却されるが、吸収器は、その熱負荷が大きく、大型であった。
（６）アンモニア希溶液は、吸収器の上部から減圧した後、シャワー状に落下しながら液滴表面でアンモニアガスを吸収するが、液滴の粒径が大きく、ガス吸収の表面積が小さいため、吸収器が大型になっていた。
本発明の第１の目的は、精留塔や接続配管の省略、発生器や吸収器の小型化等により、装置全体をより小型化するとともに、多種多様な熱源に対応できるアンモニア吸収式冷温水装置を提供することである。
本発明の第２の目的は、伝熱管にて非共沸混合冷媒（アンモニア水溶液）を伝熱管の内壁面に供給し、低沸点流体（アンモニア）のみを気化させて伝熱管の中央部を移流し、高沸点液体（水）は遠心力と表面張力で管内壁面に沿って移流することにより、熱源流体の多種多様な温度範囲、流量範囲に対応できること、熱源負荷の激しい時間変動に応答できること、冷房負荷の時間変動に応答できること、などの効果を発揮する装置を提供することである。
本発明の第３の目的は、アンモニア希溶液とアンモニアガスに確実に分離し、分離後のアンモニア希溶液は、その熱を液予熱器を通過する際に、溶液管の内部を通る濃いアンモニア水溶液へ有効に熱交換し、蒸発器の冷却器へ送ることができる装置を提供することである。
本発明の第４の目的は、蒸発器が十分働かないときでも、アンモニア水溶液が余分に吸収器へ落下して吸収器を小型化でき、また、蒸発器が十分働いても、熱交換器により希溶液が熱交換されることで、吸収器を小型化できる装置を提供することである。
本発明の第５の目的は、蒸発器の熱交換器で熱交換されたアンモニア希溶液を吸収器の冷却管に噴霧して冷却管を通る冷却水と熱交換して冷却効果を高めてアンモニアガスの吸収を促進することができる装置を提供することである。
本発明の第６の目的は、アンモニア希溶液をスプリンクラーで噴霧するときに、減圧することなく、高圧で噴霧することで、粒径を可能な限り小さくして、アンモニアガスとアンモニア液とを激しく撹拌しつつ混合吸収して吸収器へ送ることのできる装置を提供することである。
本発明の第７の目的は、スプリンクラーでアンモニア希溶液を噴霧するときの負圧を利用して吸収器内のアンモニア水溶液を吸い上げて噴霧することで、ポンプなどの機器を使用することなく循環せしめる装置を提供することである。
本発明の第８の目的は、濃いアンモニア水溶液を圧送するための最も高圧になる溶液管を本体の中心に通すことにより、溶液管の破断、液漏れに対する安全性を向上させることができる装置を提供することである。
本発明のその他の目的及び効果は、明細書及び図面による最良の形態の説明により明らかにする。
発明の開示
本発明は、アンモニア水溶液１１から熱源により高圧のアンモニアガス２１を発生させる発生器２２と、このアンモニアガス２１とアンモニア希溶液９に気液分離する精留器２８と、気液分離後の高圧のアンモニアガス２１を凝縮する凝縮器２３と、凝縮後の高圧アンモニア液９４を減圧気化するときの冷却作用を利用する蒸発器２４と、気化後のアンモニアガス２１をアンモニア希溶液９に吸収せしめる吸収器２５とを順次上から配置し、これらの内部に、前記吸収器２５から発生器２２へアンモニア水溶液１１を圧送する溶液管３０を設けてなることを特徴とするアンモニア吸収式冷温水装置である。
また、本発明は、発生器を構成する発生器用外筒と、精留器を構成する精留器用外筒と、凝縮器を構成する凝縮器用外筒と、蒸発器を構成する蒸発器用外筒と、吸収器を構成する吸収器用外筒とを順次縦にスタック構造にして積層固着し、これらの中心部に、吸収器から発生器へアンモニア水溶液を圧送する溶液管を配置し、前記発生器用外筒の上に、上蓋４１を被せることにより、５つの工程間を接続する接続配管を省略して、装置全体を小型化できる。また、共通部品が多くなり、量産性により安価に提供できる。さらに、配管やバルブの断熱工事が不要になり、流体的損失も軽減できる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の第１実施例を第１図〜第８図に基づき説明する。
第１図において、発生器２２，精留器２８、凝縮器２３，蒸発器２４，吸収器２５及び液溜り２９は、すべて同一径の円筒体状をなし、アンモニア水溶液１１が重力により自然落下しながらアンモニア吸収式冷温水装置として作用するように、これらを上から順次縦スタック構造に配置したものである。
すなわち、最下端部に、ポンプ３８を設けた液溜り２９を設置し、このポンプ３８の吐出側に連結した濃いアンモニア水溶液１１を圧送するための溶液管３０を、最上階の発生器２２まで一気に立ち上がらせる。この発生器２２では、熱源流２６と伝熱管２７を介在して精留器２８に連結し、凝縮器２３では、アンモニア希溶液９を液予熱器３１に導き、アンモニアガス２１は、冷却管３２に触れて、高濃度のアンモニア液９４となる。このアンモニア液９４は、膨張弁３３を経て蒸発器２４内に噴霧される。なお、ポンプ３８は、液溜り２９の内部に設置してもよいし、外部に設置してもよい。
前記蒸発器２４では、わずかなアンモニアを含む希溶液は、液予熱器３１を経てスプリンクラー３６へ送って高圧で噴霧される。
膨張弁３３にて膨張気化されたアンモニアガス２１は、前記蒸発器２４の冷凍管３４内部のブラインを冷却した後、再び上昇して過冷却器９５を冷却して前記凝縮器２３のアンモニア液９４を沸点以下に冷却し、さらに、アンモニアガス２１は、噴霧されたアンモニア希溶液９に混合吸収される。吸収器２５では、溶液管３０を吸収熱回収器９６として作用させ、さらに、冷却管３７に触れて吸収熱を放出し、再び液溜り２９に戻される。
前記発生器２２のさらに具体的構成を第２図に基づき説明する。
発生器２２を構成する円筒形の発生器用外筒４０の上端には、上蓋４１が被せられて発生器用外筒４０との間を互いにフランジ４８をもってねじなどで固着される。また、発生器用外筒４０の下端には、凝縮器２３の凝縮器用外筒６７が間に仕切り板４９と底板５１を挟んで互いにフランジ４８をもってねじなどで固着されている。
前記上蓋４１の中心部分には、熱源供給管４２が設けられて上端が熱源供給口１３となっており、また、前記上蓋４１の側方には、排出口１４が設けられている。
前記発生器用外筒４０の内部には、上部の隙間を除いて断熱材７２を介在して円筒形の内筒４３が収納され、この内筒４３の中には、多数本の伝熱管２７が内筒４３の天板と底板とに支持されて垂直に互いに隙間を持って設けられている。なお、内筒４３を、放射状に配置した孔あき支持板４６によって数個に区画し、各区画毎に細い伝熱管２７が数１００本ずつ収納され、全体で１０００本以上設けられている。ただし、図面の作成上、伝熱管２７の直径を内筒４３の直径に比較して大きくし、その数も少なく記載している。
前記内筒４３の天板の上部から伝熱管２７の上端が突出し、この突出端部には、それぞれ第６図に示すような拡散ノズル４４が取り付けられ、この拡散ノズル４４部分に液溜り室５５を形成するためにカバー５４が被せられている。また、伝熱管２７の下端部は、前記内筒４３の底板の下面に開口している。
前記拡散ノズル４４は、スワラーとも呼ばれ、また、伝熱管２７の内壁に、ウイック加工又はグルーブ加工を形成することにより、拡散ノズル４４にて伝熱管２７内にアンモニア水溶液１１を噴霧し、その液体を壁面に安定的に付着させるようになっている。
前記熱源供給管４２の下端から伝熱管２７を収納した内筒４３内に熱源が供給され、複数の伝熱管２７の相互の隙間や孔あき支持板４６の多数の孔を通り、内筒４３の上部の吐出口４７から発生器用外筒４０との隙間を通り、前記排出口１４に連通している。
前記仕切り板４９の中心部には、噴出部５６が形成されて、下方からの溶液管３０が連通固着され、この噴出部５６は、連通孔５７から熱源供給管４２の周りに設けられた複数本の液体送出管５３を通り前記液溜り室５５に連通している。
前記仕切り板４９の周縁部付近に沿って複数個の拡散ノズル５２が設けられ、この仕切り板４９と、底板５１と、この底板５１の外筒部分で形成された精留器２８に旋回流を発生させている。この精留器２８の底板５１には、気体通過筒５０が上下貫通して複数本直立して設けられ、また、底板５１は、前記溶液管３０の外周囲の液落下口５８に連通している。
前記凝縮器２３の詳細を第３図により説明する。
この凝縮器２３の凝縮器用外筒６７は、上述のように、上端で前記発生器用外筒４０と精留器２８の外筒部分をフランジ４８により固着され、下端で蒸発器２４の蒸発器用外筒７０と過冷却器９５における仕切り板６１の外筒部分を挟みつけつつフランジ４８にて固着されている。
前記凝縮器用外筒６７の中心部には、前記溶液管３０が垂直に設けられ、この溶液管３０の外周と内周に垂直方向に多数のフィン５９が放射状に設けられている。このフィン５９の外周囲を包むようにして液予熱器３１が設けられ、この液予熱器３１の内壁に、前記フィン５９との間にわずかな隙間が形成されるようにして断熱材６０が設けられている。
前記凝縮器用外筒６７の内部には、螺旋状に旋回した冷却管３２が冷却管支持枠６６によって相互に隙間を持って複数段配置され、冷却水ポート６３を経て冷却水出口６５に連結されている。
前記凝縮器用外筒６７の下端部の仕切り板６１には、外周に沿って複数個の膨張弁３３が蒸発器２４側に向けて取り付けられ、また、膨張弁３３の内側には、前記凝縮器２３の下部と蒸発器２４の上部の両方に突出するように仕切り板６１を貫通して多数本の過冷却器９５が設けられている。
前記液予熱器３１と仕切り板６１の接合部には、凝縮器２３より上方が高圧（たとえば１５〜１６気圧）で、蒸発器２４より下方が低圧（たとえば３〜５気圧）であるため、高圧シール材６２を介在して取り付けられる。
前記蒸発器２４の詳細を第４図により説明する。
この蒸発器２４の蒸発器用外筒７０は、上述のように、上端で前記凝縮器用外筒６７とフランジ４８により固着され、下端で吸収器２５の吸収器用外筒７６と仕切り板７１を挟みつけつつフランジ４８にて固着されている。
前記蒸発器用外筒７０の中心部には、前記溶液管３０とその外周に熱交換器３５が前記凝縮器２３から連続して垂直に設けられている。また、前記仕切り板７１の中央部には、前記熱交換器３５との間に十分な隙間を持って、一体に仕切り筒９７を立ち上がらせている。この蒸発器２４における熱交換器３５の下端部には、スプリンクラー３６が設けられ、このスプリンクラー３６は、熱交換器３５内に高圧で収納されたアンモニア希溶液９を下向きに噴射するように配置されている。このスプリンクラー３６の噴射量調整のためのノズル弁調整棒６９が蒸発器用外筒７０の外部へ突出している。
さらに、前記熱交換器３５の内壁には、熱交換器３５と溶液管３０との間に溜まったアンモニア希溶液９の液面を検出する電気的な液面計６８が設けられ、外部でその液面が表示されるようになっている。
前記蒸発器用外筒７０と仕切り筒９７との間には、螺旋状に旋回した冷凍管３４が冷凍管支持枠６６により相互に隙間を持って複数段配置され、この冷凍管３４の両端部はブラインポート７７に連結され、出口側の連結管６４がブラインを負荷へ向けて送り出すように連結され、入口側の連結管６４が負荷で温められたブラインが戻るように連結されている。
なお、前記仕切り板７１の上には、アンモニア液９４が溜まるので、このアンモニア液９４が、吐出孔１０９によって前記スプリンクラー３６の付近に排出される。
前記吸収器２５及び液溜り２９の詳細を第５図により説明する。
この吸収器２５の吸収器用外筒７６は、上述のように、上端で前記蒸発器用外筒７０とフランジ４８により固着され、下端で液溜り２９の液溜り用外筒８２とフランジ４８にて固着されている。
前記蒸発器用外筒７０の中心部には、前記溶液管３０が前記蒸発器２４から連続して垂直に設けられ、この溶液管３０の外周には、垂直なフィンを放射状に取り付けてなる吸収熱回収器９６が設けられている。
前記吸収器用外筒７６の内部には、螺旋状に旋回した冷却管３７が冷却管支持枠６６により相互に隙間を持って複数段配置され、この冷却管３７の両端部は冷却水ポート６３に連結され、出口側は、前記凝縮器２３の冷却管３２に連結され、入口側が冷却水入口７５に連結されている。
前記液溜り２９は、液溜り用外筒８２が前記吸収器２５の吸収器用外筒７６とフランジ４８で固着され、底部８３の中央の載台９２に、ポンプ３８がフィルタ７８を持って載せられ、このポンプ３８に前記溶液管３０が連結されている。また、底部８３には、排液管８１がバルブ（図示せず）を介して外部に接続されている。
前記ポンプ３８は、外部の据付台９３に据え付けたモータ８０にシャフト７９を介して連結されている。
前記蒸発器２４から液溜り２９にかけて外部に液面計７４が垂直に設けられ、この液面計７４は、その上下両端で連通孔７３により液溜り用外筒８２の内部に連通している。
次に、本発明による第１実施例の作用を説明する。
第５図において、液溜り２９の液溜り用外筒８２内に、２５〜５０％程度の濃いアンモニア水溶液１１が供給されている。
供給されたアンモニア水溶液１１をポンプ３８で吸引して溶液管３０へ圧送する。このときフィルタ７８を通してごみなどが排除される。
第２図において、圧送されたアンモニア水溶液１１は、溶液管３０の上端で発生器２２の噴出部５６へ送られ、さらに、連通孔５７から液体送出管５３を経て液溜り室５５へ送られる。そして、拡散ノズル４４を介して伝熱管２７に供給される。
発生器２２の内部は、熱源供給口１３から供給された熱源が熱源供給管４２を得て伝熱管２７のある内筒４３内に供給され、ここで熱交換して排出口１４から排出されている。
そのため、液溜り室５５から拡散ノズル４４を経て伝熱管２７に送り込まれたアンモニア水溶液１１は、拡散ノズル４４で霧状化してその液滴は、遠心力で伝熱管２７の内壁に当たり、この内壁面のウイックに表面張力で捉えられ、液体のまま下端より落下する。内壁面に付着しない高濃度のアンモニアガス２１は、環状噴霧流４５となってそのまま下端から送り出される。
さらに詳しくは、拡散ノズル４４と旋回流発生の伝熱管２７にて非共沸混合冷媒（アンモニア水溶液）を伝熱管２７の内壁面に供給し、低沸点流体（アンモニア）のみを気化させて伝熱管２７の中央部を移流し、高沸点液体（水）は遠心力と表面張力で管内壁面に沿って移流する。
このような構成とすることにより、熱源流体の多種多様な温度範囲、流量範囲に対応できること、熱源負荷の激しい時間変動に応答できること、冷房負荷の時間変動に応答できること、などの効果を発揮する。
発生器２２の伝熱管２７から吐き出されたアンモニアをわずかしか含まないアンモニア希溶液９と高濃度（例えば、９９．８％）の高圧アンモニアガス２１との混合したものが、仕切り板４９の拡散ノズル５２から精留器２８へ送られる。アンモニア希溶液９は、底板５１を流れて液落下口５８へ落下し、高圧アンモニアガス２１だけが分離され、拡散ノズル５２による遠心力で旋回流を発生させつつ、気体通過筒５０を通って凝縮器２３へ送られる。
第３図において、液落下口５８へ落下したアンモニア希溶液９は、その熱を液予熱器３１を通過する際に、溶液管３０の内部を通るアンモニア水溶液１１へフィン５９で熱交換移動し、蒸発器２４の熱交換器３５へ送られる。
気体通過筒５０を通った高圧アンモニアガス２１は、凝縮器２３の冷却管３２を通る際に、この冷却管３２を流れる冷却水と熱交換し、凝縮されて濃いアンモニア液９４となって膨張弁３３へ送られる。
第４図において、濃いアンモニア液９４が膨張弁３３で膨張気化されたアンモニアガス２１は、気化する際に蒸発器２４の冷凍管３４を冷却した後、仕切り筒９７に沿って再び上昇して過冷却器９５を冷却して前記凝縮器２３の濃いアンモニア液９４を沸点以下に冷却し、さらに、熱交換器３５に沿って下降する。このとき、冷凍管３４内のブラインが冷却されて冷熱が負荷へ送られる。
液予熱器３１から送られてきたアンモニア希溶液９は、熱交換器３５に貯められるが、ここで、熱交換器３５に沿って下降するアンモニアガス２１により熱交換される。アンモニア希溶液９は、冷却後に、スプリンクラー３６から高圧で噴霧され、下降するアンモニアガス２１と、吐出孔１０９から排出されたアンモニア液９４を激しく撹拌しつつ混合吸収して吸収器２５へ送られる。
第５図において、前段の蒸発器２４の熱交換器３５で熱交換されたアンモニア希溶液９は、吸収器２５の冷却管３７に送られるが、このとき、吸収熱回収器９６にて溶液管３０内のアンモニア水溶液１１と熱交換し、さらに、冷却管３７を通る冷却水と熱交換して冷却効果を高めて濃いアンモニア水溶液１１となって、液溜り２９の液溜り用外筒８２に落下貯留する。そして、再びポンプ３８により圧送される。
前記実施例では、第１図に示すように、熱源供給口１３から供給された排熱を利用するようにしたが、この排熱だけで不足するような場合には、第７図に示すように、発生器２２内の伝熱管２７に臨ませて、追い焚きのための燃焼バーナ８４を設け、熱源供給口１３からの排気熱を加熱するようにしてもよい。また、排熱が得られないときには、燃焼バーナ８４だけを熱源とするようにしてもよい。前記伝熱管２７の入口側には、たとえば、第８図（ａ）（ｂ）に示すような拡散ノズル４４を取り付けることにより、ガイド羽根９１で旋回流を与えて、気液を分離するようにしている。
この第７図において、８５は、仕切り板，８６は、底部，８７は、排気ファンである。また、熱源供給口１３に臨ませて給湯熱交換器８８を設け、給水管９０からの水を給湯熱交換器８８で加熱して温水出口８９から取り出すようにしてもよい。
つぎに、本発明の第２実施例を第１０図〜第１７図に基づき説明する。
第１０図において、発生器２２，精留器２８、凝縮器２３，蒸発器２４，吸収器２５及び液溜り２９は、すべて同一径の円筒体状をなし、アンモニア水溶液１１が重力により自然落下しながらアンモニア吸収式冷温水装置として作用するように、これらを上から順次縦スタック構造に配置した点において、前記第１実施例と略同様である。
第２実施例が第１実施例と異なる大まかな点を第１０図により説明し、その後で第１１図以下の図面に基づき詳細な異なる点を説明する。第１図と同一構造部分については、説明を省略する。
第１０図において、発生器２２の垂直な伝熱管２７と中央の溶液管３０は、内壁面に螺旋溝のある螺旋コルゲート管が用いられている。また、発生器２２の熱源供給口１３と排出口１４は、発生器用外筒４０の側面の下部と上部に設けられている。
精留器２８は、中心部に上下貫通した円筒形の孔あき板１００と、この孔あき板１００の周りに渦巻き状に配置した金網１０１とで構成されている。
凝縮器２３、蒸発器２４、吸収器２５は、後述するように配管の構成が第１実施例と異なる。また、冷却水ポート６３を横形に構成して各部間に積層するように配置されている。
過冷却器９５は、その構造を第１実施例と異なる螺旋管構造とし、かつ、冷却水ポート６３を横形として上下の配管の間に積層するように配置している。また、過冷却器９５における冷却水ポート６３の冷却水出口６５に切換え弁１０４を設け、吸収器２５の冷却水出口温度（Ａ）が過冷却器９５の冷却水出口温度（Ｂ）よりも高いときは、凝縮器２３の冷却水入口７５側に接続し、吸収器２５の冷却水出口温度（Ａ）が過冷却器９５の冷却水出口温度（Ｂ）以下のときは、凝縮器２３の冷却水出口６５側に接続するための切換えを行う。この切換えにより、冷却塔１０３から供給される冷却水温度が大きく変動しても、冷凍能力を下げることなく、変動に対して迅速に対応可能であり、季節の変動、気象変化などによる性能低下を減じることができる。
第２実施例では、第１実施例における吸収器２５の吸収熱回収器９６と、蒸発器２４の熱交換器３５を削除している。
前記発生器２２のさらに具体的構成を第１１図及び第１２図に基づき説明する。
発生器用外筒４０の中心部の溶液管３０を保護管９８で覆い、この保護管９８の上端部に分岐部９９を連結し、保護管９８の内部で溶液管３０の上端部が開口し、分岐部９９には、複数本の液体送出管５３が放射状に連結され、この液体送出管５３は、それぞれ液溜り室５５に臨ませられている。この液溜り室５５には、複数本ずつの垂直な伝熱管２７が連結されている。この伝熱管２７は、第１２図に示すように、内壁面に螺旋溝が形成された螺旋コルゲート管と上端の拡散ノズル４４とで構成されている。なお、前記溶液管３０も内壁面に螺旋溝が形成された螺旋コルゲート管からなる。発生器用外筒４０の側壁における下部に熱源供給口１３が連結され、上部に排出口１４が連結されている。
第１３図において、前記精留器２８は、孔あき板１００からなる内筒と、無垢板の外筒と、天板と、底板とで筒体を形成し、この筒体の内部に、アンモニアガス２１から水蒸気を分離するための渦巻き状に複数層に巻きつけた金網１０１を配置して気体通過筒５０を形成し、孔あき板１００の中心部の上下開口部分は、液落下口５８となり、この液落下口５８の小穴から気体通過筒５０の内部を経て側方にかけてガス通路１０２となり、このガス通路１０２は、凝縮器２３へ連通している。
第１３図において、前記凝縮器２３は、凝縮器用外筒６７の中心部に液予熱器３１が配置され、この液予熱器３１の内部に、前記螺旋コルゲート管からなる溶液管３０がさらに螺旋状に巻かれて収納されている。前記凝縮器用外筒６７と液予熱器３１との間には、冷却管３２が収納され、この冷却管３２の上部には、冷却水ポート６３が設けられ、また、冷却管３２の下部には、仕切り板６１を兼用した冷却水ポート６３を挟んで上下に過冷却器９５が配置されている。この冷却水ポート６３を境にして上部の発生器２２，精留器２８，凝縮器２３が高圧側となるので、発生器用外筒４０，凝縮器用外筒６７などは、圧力に耐えるようなステンレススチールが用いられ、低圧側の蒸発器用外筒７０，吸収器用外筒７６などは合成樹脂が用いられる。また、仕切り板６１と液予熱器３１の連結部分には、高圧シール材６２が設けられる。
前記冷却管３２と冷却水ポート６３との構造を、第１４図により説明すると、冷却水ポート６３には、冷却水入口７５に連通する供給室１０５と、冷却水出口６５に連通する排出室１０６が形成されている。また、冷却管３２は、液予熱器３１の周りに、前記溶液管３０と同様の螺旋コルゲート管を直径の異なる螺旋状に巻き、所定の隙間を持って複数層に配置したもので、さらに具体的には、直径の最も小さい螺旋の冷却管３２ａを液予熱器３１の外周に配置し、さらにその外周に第２番目の直径の冷却管３２ｂを配置し、同様にして、最も外側に最大直径の冷却管３２ｎを順次配置する。これらの冷却管３２ａ，３２ｂ，…３２ｎの下端部は、それぞれ垂直管１０７ａ、１０７ｂ、…１０７ｎを介在して前記供給室１０５に臨ませられ、また、冷却管３２ａ，３２ｂ，…３２ｎの上端部は、それぞれ垂直管１０８ａ、１０８ｂ、…１０８ｎを介在して前記排出室１０６に臨ませられている。なお、図面の作成上、冷却管３２の直径を大きくし、その数も少なく記載している。
前記過冷却器９５は、渦巻状に巻いた螺旋コルゲート管を前記冷却水ポート６３を挟んで上下両側に設け、下側の過冷却器９５に冷却水を供給し、上側の過冷却器９５を通り排出される。
前記凝縮器２３から蒸発器２４に上下貫通して膨張弁３３が設けられる。
前記蒸発器２４の冷凍管３４と吸収器２５の冷却管３７における配管構造も第１４図にて説明した凝縮器２３の冷却管３２と同様、螺旋コルゲート管を直径の異なる螺旋状に巻き、所定の隙間を持って複数層に配置したものである。ただし、ブラインポート７７が冷凍管３４の下に配置されているので、垂直管１０８にて冷凍管３４の下端部に連結し、冷凍管３４の上端部から垂直管１０７にて冷却水ポート６３に立ち下げている。冷却管３７にても同様に、冷却水ポート６３が冷却管３７の下に配置されているので、垂直管１０８にて冷却管３７の下端部に連結し、冷却管３７の上端部から垂直管１０７にて冷却水ポート６３に立ち下げている。
前記液予熱器３１の下端部で、吸収器２５の上部に設けられたスプリンクラー３６は、第１実施例と同様外部からの調節機構（図示せず）により、開度が調整できるようになっている。
前記スプリンクラー３６の噴射孔に臨ませて、第１７図に示すように、吸引管１１０が連結され、この吸引管１１０の下端開口部分が液溜り２９の中に差し込まれて設けられている。そして、スプリンクラー３６でアンモニア希溶液９を高圧で噴霧するときの負圧を利用して液溜り２９内のアンモニア水溶液１１を吸い上げて吸収器２５内に噴霧することで、ポンプなどの機器を使用することなく循環せしめている。
また、液溜り２９の近傍に設けたポンプ３８は、液溜り２９の内部であってもよいし、外部であってもよい。
１０３は、冷却水を循環させる冷却塔である。
次に、本発明による第２実施例の作用を説明する。
第１０図において、液溜り２９内の２５〜５０％程度の濃いアンモニア水溶液１１は、ポンプ３８で溶液管３０を通り上端の発生器２２へ圧送され、この発生器２２で分岐部９９、液体送出管５３を経て液溜り室５５へ送られ、拡散ノズル４４を介して伝熱管２７に供給される。
発生器２２の内筒４３には、熱源供給口１３から熱源が供給され、ここで伝熱管２７と熱交換して排出口１４から排出されている。
そのため、送り込まれたアンモニア水溶液１１は、拡散ノズル４４と旋回流発生の伝熱管２７にて非共沸混合冷媒（アンモニア水溶液）を伝熱管２７の螺旋溝の内壁面に供給し、低沸点流体（アンモニア）のみを気化させて伝熱管２７の中央部を移流し、高沸点液体（水）は遠心力と表面張力で管内壁面に沿って移流する。
第１３図において、発生器２２から吐き出された高濃度の高圧アンモニアガス２１とアンモニア希溶液９は、精留器２８へ送られる。アンモニア希溶液９は、気体通過筒５０の天板の上を流れて液落下口５８へ落下し、高圧アンモニアガス２１と水蒸気が孔あき板１００から気体通過筒５０の金網１０１を通過し、水蒸気は金網１０１に接触して水滴となって液落下口５８へ落下し、高圧アンモニアガス２１だけがガス通路１０２を経て凝縮器２３へ送られる。
第１０図において、液落下口５８へ落下したアンモニア希溶液９は、液予熱器３１を通過する際に、溶液管３０の内部を通る濃いアンモニア水溶液１１と熱交換移動し、蒸発器２４内のスプリンクラー３６へ送られる。
凝縮器２３に供給されたアンモニアガス２１は、凝縮器２３の冷却管３２を通る際に、この冷却管３２を流れる冷却水と熱交換し、凝縮されて９９．８％程度の濃いアンモニア液９４となって凝縮器２３の底部に溜り、さらに、過冷却器９５にて沸点以下に冷却される。
アンモニア液９４が凝縮器２３と蒸発器２４の間の膨張弁３３で膨張気化され、低圧のアンモニアガス２１となり、蒸発器２４の冷凍管３４を冷却し、再び上昇して過冷却器９５を沸点以下に冷却し、仕切り筒９７を経て吸収器２５へ送られる。このとき、冷凍管３４内のブラインが冷却されて冷熱が負荷へ送られる。蒸発器２４の底部に溜ったアンモニア液９４は、仕切り筒９７の吐出孔１０９からスプリンクラー３６の付近に排出される。
液予熱器３１から送られてきたアンモニア希溶液９は、スプリンクラー３６から高圧で噴霧され、蒸発器２４内の仕切り筒９７に沿って下降するアンモニアガス２１と吐出孔１０９からのアンモニア液９４とを激しく撹拌しつつ混合吸収して吸収器２５へ送られる。
吸収器２５の冷却管３７では、冷却管３７を通る冷却水と熱交換して冷却効果を高めて濃いアンモニア水溶液１１となって、液溜り２９に落下貯留する。貯留したアンモニア水溶液１１は、スプリンクラー３６でアンモニア希溶液９を高圧で噴霧するときの負圧により吸引管１１０を通して吸い上げて吸収器２５内に噴霧することで、循環せしめている。
そして、再びポンプ３８により圧送される。
前記第１実施例及び第２実施例における発生器２２において、伝熱管２７を垂直管とした。そのため、第２図に示した実施例では、１０００本以上の伝熱管２７が用いられ、第１１図に示した実施例においても２００本以上の伝熱管２７が用いられる。
そこで、第１５図及び第１６図に示すように、伝熱管２７を渦巻状に形成することで数１０本まで減らすことができる。さらに詳細には、保護管９８の中心部に溶液管３０を設け、この溶液管３０の上端部を分岐部９９に連結し、この分岐部９９から水平な放射方向に液体送出管５３を連結し、さらにこの液体送出管５３を発生器用外筒４０の内側に沿って垂直に立ち下げる。そして、蚊取り線香のように渦巻きにした伝熱管２７の外方端部を液体送出管５３の垂直部分に拡散ノズル４４を介して連結し、内方端部を保護管９８に連結する。伝熱管２７の保護管９８との連結部分において、渦巻きにした伝熱管２７は、２７ａと２７ｂのように１８０度の間隔を持って配置する。伝熱管２７の内方端部と保護管９８の連結部分は、伝熱管２７から保護管９８の内壁の接線方向に向けることにより、噴射するアンモニア水溶液１１が保護管９８内でより効果的に旋回流を起こさせている。
上記実施例において、吸収冷凍サイクル各工程を構成する発生器２２，精留器２８、凝縮器２３，蒸発器２４，吸収器２５の圧力容器を縦にスタック構造としたことにより、これら５つの工程間を接続する接続配管を省略して、装置全体を小型化している。また、各段を共通部品で構成できるので、部品の種類が少なくなり、量産性により安価に提供できる。さらに、配管やバルブの断熱工事が不要になり、流体的損失も軽減できる。
最も高圧になる溶液管３０を本体の中心に通すことにより、溶液管３０の破断、液漏れに対する安全性を向上させている。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明によるアンモニア吸収式冷温水装置は、ガスタービンの排熱、往復式熱機関の排熱、燃料電池の電池排熱、太陽光発電の排熱、ボイラの余剰蒸気等のこれまでに無駄に廃棄していた各種排熱を有効利用する場合や、地熱、高温岩体等のこれまでに有効利用が困難であった場合などの多種多様な熱源を有効利用する場合に好適である。主に、冷凍能力が数１００ｋＷ以下の集合住宅用、病院用、工場用、ビルディング用、レストラン用、事務所用、店舗用、スポーツジム用などの比較的冷熱需要の大きな施設における冷温水装置として適している。冷凍負荷が単機容量よりも大きい場合は、複数台を並列に運用することで、単機容量の数倍の冷熱需要まで対応できる。また、全体の重量も１トン程度に抑えることができ、運搬が可能なため、冷凍設備を備えた船舶、車両などに搭載するのに好適である。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明によるアンモニア吸収式冷温水装置の第１実施例を示す全体の説明図である。
第２図は、第１図における発生器２２と精留器２８の具体的例を示す縦断面図である。
第３図は、第１図における精留器２８と凝縮器２３の具体的例を示す縦断面図である。
第４図は、第１図における蒸発器２４と過冷却器９５の具体的例を示す縦断面図である。
第５図は、第１図における吸収器２５と液溜り２９の具体的例を示す縦断面図である。
第６図は、第２図における伝熱管２７の一実施例を示す縦断面図である。
第７図は、本発明による発生器２２の他の例を示す縦断面図である。
第８図は、第７図における拡散ノズル４４の例を示すもので、（ａ）は、正面図、（ｂ）は、断面図である。
第９図は、従来のアンモニア吸収式冷温水装置におけるアンモニアガス発生及び精留器の説明図である。
第１０図は、本発明によるアンモニア吸収式冷温水装置の第２実施例を示す全体の説明図である。
第１１図は、第１０図における発生器２２の具体的例を示す要部の縦断面図である。
第１２図は、第１０図における伝熱管２７の一実施例を示す縦断面図である。
第１３図は、第１０図における精留器２８と凝縮器２３の具体的例を示す要部の縦断面図である。
第１４図は、第１０図における冷却管３２、冷凍管３４及び冷却管３７の具体的例を示す平面図である。
第１５図は、第１０図における発生器２２の他の具体的例を示す要部の縦断面図である。
第１６図は、第１５図における伝熱管２７の平面図である。
第１７図は、第１０図における吸収器２５のアンモニア水溶液をスプリンクラー３６の負圧を利用して循環せしめる装置の断面図である。

Claims (9)

1. アンモニア水溶液１１から熱源により高圧のアンモニアガス２１を発生させる発生器２２と、このアンモニアガス２１とアンモニア希溶液９に気液分離する精留器２８と、気液分離後の高圧のアンモニアガス２１を凝縮する凝縮器２３と、凝縮後の高圧アンモニア液９４を減圧気化するときの冷却作用を利用する蒸発器２４と、気化後のアンモニアガス２１をアンモニア希溶液９に吸収せしめる吸収器２５とを順次上から配置し、これらの内部に、前記吸収器２５から発生器２２へアンモニア水溶液１１を圧送する溶液管３０を設けてなることを特徴とするアンモニア吸収式冷温水装置。
2. 発生器２２は、一端に拡散ノズル４４を有し、内壁に螺旋溝を有する螺旋コルゲート管からなる多数本の伝熱管２７を垂直に配置し、この伝熱管２７の開口下端部を精留器２８側に臨ませてなることを特徴とする請求項１記載のアンモニア吸収式冷温水装置。
3. 発生器２２は、外方端に拡散ノズル４４を有する螺旋コルゲート管からなる伝熱管２７を水平方向に渦巻状に巻いて複数段に積層配置し、これらの伝熱管２７の内方端を、前記発生器２２の略中心における溶液管３０を包囲した保護管９８に連結し、この保護管９８の開口下端部を精留器２８側に臨ませてなることを特徴とする請求項１記載のアンモニア吸収式冷温水装置。
4. 精留器２８の下部であって、凝縮器２３の略中心に、螺旋状の溶液管３０を包囲した液予熱器３１を設け、前記精留器２８で分離したアンモニア希溶液９により液予熱器３１内の溶液管３０を加温するようにしたことを特徴とする請求項１記載のアンモニア吸収式冷温水装置。
5. 蒸発器２４内で気化された低圧のアンモニアガス２１の冷熱を利用して凝縮器２３内のアンモニア液９４を沸点以下に冷却する過冷却器９５を、凝縮器２３と蒸発器２４との間に臨ませて設けたことを特徴とする請求項１記載のアンモニア吸収式冷温水装置。
6. 液予熱器３１の下端部であって、吸収器の上部に臨ませてスプリンクラー３６を設け、このスプリンクラー３６から高圧で噴霧するアンモニア希溶液９に、蒸発器２４から吸収器２５へ供給されるアンモニアガス２１と蒸発器２４の吐出孔１０９から供給されるアンモニア液９４とを激しく撹拌しつつを混合吸収せしめるようにしたことを特徴とする請求項５記載のアンモニア吸収式冷温水装置。
7. 液予熱器３１の下端部であって、吸収器の上部に臨ませてスプリンクラー３６を設け、このスプリンクラー３６の噴射孔に臨ませて液溜り２９のアンモニア水溶液１１中に差し込んだ吸引管１１０を連結し、このスプリンクラー３６から高圧で噴霧するアンモニア希溶液９に、蒸発器２４から吸収器２５へ供給されるアンモニアガス２１と蒸発器２４の吐出孔１０９から供給されるアンモニア液９４とを激しく撹拌しつつを混合吸収せしめるとともに、スプリンクラー３６でアンモニア希溶液９を高圧で噴霧するときの負圧により吸引管１１０を通してアンモニア水溶液１１を吸い上げて吸収器２５内で循環せしめるようにしたことを特徴とする請求項５記載のアンモニア吸収式冷温水装置。
8. 発生器２２を構成する発生器用外筒４０と、精留器２８を構成する精留器用外筒と、凝縮器２３を構成する凝縮器用外筒６７と、蒸発器２４を構成する蒸発器用外筒７０と、吸収器２５を構成する吸収器用外筒７６とを順次縦にスタック構造にして積層固着し、これらの中心部に、吸収器２５から発生器２２へアンモニア水溶液１１を熱交換で予熱しつつ圧送する溶液管３０と液予熱器３１を配置し、前記発生器用外筒４０の上に上蓋４１を被せてなることを特徴とする請求項１記載のアンモニア吸収式冷温水装置。
9. 発生器２２を構成する発生器用外筒４０と、精留器２８を構成する精留器用外筒と、凝縮器２３の冷却管３２の冷却水の供給と排出のための冷却水ポート６３と、この凝縮器２３を構成する凝縮器用外筒６７と、前記凝縮器２３と蒸発器２４との間に臨ませて設けられ、蒸発器２４内で気化された低圧のアンモニアガス２１で冷却され、アンモニア液９４を沸点以下に冷却する過冷却器９５と、この過冷却器９５の冷却水の供給と排出のための冷却水ポート６３と、蒸発器２４を構成する蒸発器用外筒７０と、この蒸発器２４の冷凍管３４のブラインの供給と排出のためのブラインポート７７と、吸収器２５を構成する吸収器用外筒７６と、この吸収器２５の冷却管３７の冷却水の供給と排出のための冷却水ポート６３とを順次縦にスタック構造にして積層固着し、これらの中心部に、吸収器２５から発生器２２へアンモニア水溶液１１を熱交換で予熱しつつ圧送する溶液管３０と液予熱器３１を配置し、前記発生器用外筒４０の上に上蓋４１を被せてなることを特徴とする請求項１記載のアンモニア吸収式冷温水装置。

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