以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号あるいは類似符号を付し、重複した説明は省略する。
図1(a)のフロー図を参照して、本発明の第1の実施の形態である吸収ヒートポンプを備える蒸気供給システム100の構成を説明する。なおフロー図中、破線は制御信号の経路を表す(以下、同じ。)。蒸気供給システム100は、吸収ヒートポンプと、吸収ヒートポンプにて加熱される水SW1を供給する送水設備としての給水ポンプ30および給水配管31と、吸収ヒートポンプにて加熱された水から生成した蒸気を送る蒸気装置としての気液分離装置90とを備える。以下、先ずは吸収ヒートポンプについて説明する。
吸収ヒートポンプは、吸収液が冷媒蒸気を吸収し第1の被加熱媒体流路AHTを流れる被加熱媒体を加熱する第1の吸収器AHと、吸収液が冷媒蒸気を吸収し第2の被加熱媒体流路ALTを流れる冷媒液を加熱する第2の吸収器ALと、冷媒蒸気を吸収した吸収液を導入し吸収液から冷媒を蒸発させる再生器Gと、再生器Gで蒸発した冷媒蒸気を導入し冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器Cと、凝縮器Cで凝縮した冷媒液を導入し第2の被加熱媒体流路ALTで加熱された冷媒液から発生した冷媒蒸気を第1の吸収器AHに送る第1の蒸発器EHと、凝縮器Cで凝縮した冷媒液を導入し冷媒液から冷媒蒸気を発生させ第2の吸収器ALに送る第2の蒸発器ELとを備える。吸収液は、吸収剤と冷媒の溶液であり、吸収剤濃度は変動する。また前述の冷媒系統の冷媒には少量の吸収剤が含まれる場合もある。
第1の吸収器AHは、第1の被加熱媒体流路AHTを有しており、第1の被加熱媒体流路AHTは、被加熱媒体である水が流れる伝熱管である。第1の吸収器AHは、その内部に吸収液を散布するノズルAHNが形成される。ノズルAHNから散布された吸収液が冷媒を吸収する際に発生する吸収熱が伝熱管である第1の被加熱媒体流路AHTを介して被加熱媒体としての水を加熱する構成となっている。すなわち、ノズルAHNから散布された吸収液が第1の被加熱媒体流路AHTの表面に濡れ広がる。第1の吸収器AHの下部には散布された吸収液が貯留される。貯留された吸収液の液位は、液面計LAHにより計測される。計測した液位に基づき、後で説明するように、第1の吸収器AHに送られる吸収液の量を調節する。よって、第1の被加熱媒体流路AHTが吸収液に没入しない。このように構成すると、第1の被加熱媒体流路AHTの表面に濡れ広がった吸収液に冷媒が吸収されるようになるため、吸収液と冷媒との接触面積が大きくできるとともに、発生した吸収熱が第1の被加熱媒体流路AHTを流れる水に速やかに伝わり易い。
第2の吸収器ALには第2の被加熱媒体流路を形成する伝熱管ALTが配置される。伝熱管ALTには、第1の蒸発器EHの冷媒液が流れ、加熱されて、蒸発する。すなわち、伝熱管ALTの内側(第2の被加熱媒体流路)は、第1の蒸発器EHの一部となり、伝熱管ALTは、第2の吸収器ALの伝熱部と第1の蒸発器EHの伝熱部として共用される。第2の吸収器ALは、その内部に吸収液を散布するノズルALNが形成される。ノズルALNから散布された吸収液が冷媒を吸収する際に発生する吸収熱が伝熱管ALTを介して冷媒液を加熱する構成となっている。すなわち、第2の吸収器ALの伝熱管ALTの外側には吸収液が流れ、内側には第2の被加熱流体としての冷媒が流れる。ノズルALNから散布された吸収液が伝熱管ALTの表面に濡れ広がる。第2の吸収器ALの下部には散布された吸収液が貯留される。貯留された吸収液の液位は、液面計LALにより計測される。計測した液位に基づき、後で説明するように、第2の吸収器ALに送られる吸収液の量を調節する。よって、伝熱管ALTが吸収液に没入しない。このように構成すると、伝熱管ALTの表面に濡れ広がった吸収液に冷媒が吸収されるようになるため、吸収液と冷媒との接触面積が大きくできるとともに、発生した吸収熱が伝熱管ALTを流れる冷媒液に速やかに伝わり易い。
再生器Gは、第1の吸収器AHおよび第2の吸収器ALにおいて、冷媒を吸収した吸収液が散布されるノズルGNと、その下方に熱源としての温水HW1が流れる伝熱管GTを備える。加熱源は温水HW1でなくてもよく、工場や家庭等からの廃熱を利用するものでもよく、蒸気、ガスなどでもよい。ノズルGNから散布された吸収液が、伝熱管GTを介して温水HW1から加熱される構成となっている。すなわち、ノズルGNから散布された吸収液が伝熱管GTの表面に濡れ広がる。再生器Gの下部には散布された吸収液が貯留される。再生器Gの底部に吸収液の貯留部を設けることにより、吸収液の濃度が変化し、その容積が変化しても、伝熱管GTが吸収液に浸ることがない。なお、伝熱管GTが吸収液に浸る満液式としてもよいが、図1(a)に示すように散布式とする方が吸収液の量を少なくできるので、好適である。
凝縮器Cは、再生器Gで蒸発した冷媒が送られる流路にて再生器Gと連通し、冷却源としての冷却水CWが流れる伝熱管CTを有している。冷却水CWとしては冷却塔等で冷却された冷却水でも、川水などを冷却水として用いてもよく、また、冷却源は冷却水でなくてもよく、冷却空気、あるいは他の流体であってもよい。凝縮器Cは、再生器Gで発生した冷媒蒸気を導入し、これを冷却水CWで冷却して凝縮させる。凝縮した冷媒液は、凝縮器Cの下方の貯留部に貯留される。
第2の吸収器ALの伝熱管ALT中で蒸発して比重の軽くなった冷媒蒸気は、配管23を通って第1の蒸発器EHの気液分離器EHS中に流れる。ここで、気液分離器EHSとは、第1の吸収器AHと同一缶胴にある第1の蒸発器EHの部分である。このように、第1の蒸発器EH中の配管23および第2の被加熱媒体流路ALTで、サイホン効果により冷媒液は循環する。気液分離器EHSで分離された冷媒蒸気は、連通する第1の吸収器AHに送られ、吸収液に吸収される。気液分離器EHSは、第1の吸収器AHに蒸発した冷媒を送る流路にて第1の吸収器AHと連通している。気液分離器EHSには、凝縮器Cから冷媒液が送られ、底部に貯留される。貯留された冷媒液の液位は、液面計LEHにより計測される。気液分離器EHSの底部には、伝熱管ALTと連通し、循環する流路を形成する配管23が接続している。配管23は、気液分離器EHSの底部において、一の開口は底面とほぼ同等の位置に、他の開口は気液分離器EHSに貯留される冷媒液の液面より上方に突出するように配設される。このように構成することにより、第2の被加熱媒体流路ALTで加熱されることにより、冷媒液は、サイホン効果により気液分離器EHSの貯留部から配管23を通り、第2の被加熱媒体流路ALTで加熱され、配管23を通って気液分離器EHSに戻る循環流を生ずる。気液分離器EHSには、多孔平板であるバッフル板EHBを配設し、冷媒蒸気に随伴して冷媒液が第1の吸収器AHに送られるのを防止するのが好ましい。第1の蒸発器EHは、気液分離器EHSと配管23と伝熱管ALTとを備えて構成される。
第2の蒸発器ELは、第2の吸収器ALに蒸発した冷媒を送る流路にて第2の吸収器ALと連通し、凝縮器Cで凝縮した冷媒液が散布されるノズルELNと、その下方に熱源としての温水HW2が流れる伝熱管ELTを備える。温水HW2は、温水HW1と共通の温水であってもよい。加熱源は温水でなくてもよく、工場や家庭等からの廃熱を利用するものでもよく、蒸気、ガスなどでもよい。ノズルELNから散布された冷媒液が、伝熱管ELTを介して温水HW2から加熱され、蒸発する構成となっている。第2の蒸発器ELの下部には散布された冷媒液が貯留される。貯留された冷媒液の液位は、液面計LELにより計測される。伝熱管ELTが貯留される冷媒液に没入しないようにすると、ノズルELNから散布された冷媒液が伝熱管ELTの表面に濡れ広がり、伝熱管ELT中を流れる温水HW2との熱交換が行われて冷媒液が加熱されやすく、加熱された冷媒液から冷媒が蒸発し易い。なお、後述するように、伝熱管ELTが貯留される冷媒液に浸される満液式としてもよく(図3参照)、この場合には、温水HW2から冷媒液への伝熱量が増え、エネルギ効率が上昇する。
再生器Gの底部の貯留部から第1の吸収器AHのノズルAHNへ、吸収液を送る第1の吸収液流路としての配管11が接続する。配管11には、吸収液を再生器Gから吸込み、加圧して第1の吸収器AHに送る吸収液ポンプ10が配設される。吸収液ポンプ10は、配管11中の再生器Gの出口近くに配設するのが、キャビテーション防止の観点から好ましい。吸収液ポンプ10には、インバータINVが付属し、インバータINVは、第1の吸収器AHの液面計LAHで計測した液面により吸収液ポンプ10の吐出量を調整し、第1の吸収器AHに貯留される吸収液の量を適切に維持する。ここで、適切な液面とは、吸収液を第2の吸収器ALに送出するのに不足せず、かつ、第1の被加熱媒体流路AHTが吸収液に没入しない液面である。
第1の吸収器AHの底部の貯留部から第2の吸収器ALのノズルALNへ、吸収液を送る配管12が接続する。配管12には、吸収液を送るためのポンプは配設されないが、第1の吸収器AHと第2の吸収器ALとの圧力差により、吸収液は第1の吸収器AHから第2の吸収器ALへと流れる。図1に示すように、第1の吸収器AHを第2の吸収器ALより高い位置に設置することにより、吸収液はより確実に流れるので好ましい。配管12には、吸収液の流量を調整するバルブ16が配設される。第2の吸収器ALの液面計LALで計測した液面によりバルブ16の開度を調整し、よって、第1の吸収器AHから第2の吸収器ALへ配管12を通って流れる吸収液の流量を調整し、第2の吸収器ALに貯留される吸収液の量を適切に維持する。ここで、適切な吸収液の量とは、吸収液を再生器Gに送出するのに不足せず、かつ、第2の被加熱媒体流路ALTが吸収液に没入しない吸収液の量である。
配管12のバルブ16より第2の吸収器AL寄りから、バイパス管13が分岐し、第2の吸収器ALの第2の被加熱媒体流路ALTより下部に接続する。バイパス管13は、第1の吸収器AHからの吸収液が第2の吸収器ALで冷媒を吸収することをバイパスするバイパス流路を提供すればよく、第2の吸収器ALではなく、後述する第2の吸収器ALから吸収液が流出する配管14に接続してもよい。バイパス管13には、バイパス管の吸収液の流れを遮断する吸収液流路遮断装置としてのバルブ17が配設される。吸収液流路遮断装置は、バルブに限られず、盲板を挿入しても、他の手段で流路を遮断する装置でもよい。
第2の吸収器ALの底部の貯留部から再生器GのノズルGNへ、吸収液を送る配管14が接続する。配管14には、吸収液を送るためのポンプは配設されないが、第2の吸収器ALと再生器Gとの圧力差により、吸収液は第2の吸収器ALから再生器Gへと流れる。図1に示すように、第2の吸収器ALを再生器Gより高い位置に設置することにより、吸収液はより確実に流れるので好ましい。以上のとおり、配管11、12、13、14により、吸収液が再生器Gから第1の吸収器AH、第2の吸収器ALを経て再生器Gに戻る循環流路が形成される。
凝縮器Cの底部の貯留部から第1の蒸発器EHへ、冷媒液を送る配管21が接続する。配管21には、冷媒液を凝縮器Cから吸込み、加圧して第1の蒸発器EHに送る冷媒液ポンプ20が配設される。冷媒液ポンプ20は、配管21中の凝縮器Cの出口近くに配設するのが、キャビテーション防止の観点から好ましい。配管21には、冷媒液の流量を調整するバルブ26が配設される。バルブ26は、冷媒液を第1の蒸発器EHに導入することを遮断する冷媒液遮断装置としても機能する。冷媒液流路遮断装置としては、バルブ26とは別の遮断用バルブを配設してもよく、あるいは、盲板を挿入しても、他の手段で流路を遮断する装置でもよい。第1の蒸発器EHの液面計LEHで計測した液面によりバルブ26の開度を調整し、よって、凝縮器Cから第1の蒸発器EHへ配管21を通って流れる冷媒液の流量を調整し、第1の蒸発器EHに貯留される冷媒液の量を適切に維持する。ここで、適切な冷媒液の量とは、冷媒液を第2の被加熱媒体流路に送出するのに不足せず、かつ、配管23の開口端の一端が吸収液に没入し、他端が、吸収液の液面上に突出する冷媒液の量である。
冷媒液ポンプ20とバルブ26との間の配管21から、第2の蒸発器ELのノズルELNに接続する配管22が分岐する。配管22には、冷媒液の流量を調整するバルブ27が配設される。第2の蒸発器ELの液面計LELで計測した液面によりバルブ27の開度を調整し、よって、凝縮器Cから第2の蒸発器ELへ配管22を通って流れる冷媒液の流量を調整し、第2の蒸発器ELに貯留される冷媒液の量を適切に維持する。ここで、適切な冷媒液の量とは、冷媒液を凝縮器Cに送出するのに不足せず、かつ、伝熱管ELTが冷媒液に没入しない冷媒液の量である。
第1の蒸発器EHの気液分離器EHSの上部と第2の蒸発器ELの上部には、これらを連通する冷媒蒸気流路としての配管25が接続する。ここで上部とは、貯留される冷媒液より上方をいい、好ましくは、バッフル板EHBより上方、および、ノズルELNより上方である。配管25には、冷媒蒸気の流量を調整する冷媒蒸気流量調整装置としてのバルブ28が配設される。冷媒蒸気流量調装置は、バルブに限られず、オリフィスや閉止板を挿入しても、他の手段で流路を調整する装置でもよい。なお、配管25は、第1の蒸発器EHと連通せず、第1の吸収器AHと連通してもよく、また、第2の蒸発器ELと連通せず、第2の吸収器ALと連通してもよい。
第2の蒸発器ELの底部の貯留部から凝縮器Cへ、冷媒液を送る配管24が接続する。配管24には、冷媒液を送るためのポンプは配設されないが、第2の蒸発器ELと凝縮器Cとの圧力差により、冷媒液は第2の蒸発器ELから凝縮器Cへと流れる。図1に示すように、第2の蒸発器ELを凝縮器Cより高い位置に設置することにより、冷媒液はより確実に流れるので好ましい。
配管11と配管14とには、両配管を流れる吸収液の間で熱交換するための熱交換器50が設置される。また、配管11と配管12とには、両配管を流れる吸収液の間で熱交換するための熱交換器55が設置される。また、配管21と配管24とには、両配管を流れる冷媒液の間で熱交換するための熱交換器70が設置される。これらの熱交換器50、55、70を備えることにより、熱回収が行われ、熱効率が向上するが、必ずしも熱交換器50、55、70を備えていなくてもよい。
続いて、吸収ヒートポンプを備える蒸気供給システム100の構成を説明する。給水ポンプ30は、不図示の給水貯槽に蓄えられた水SW1を吸込み、配管31に向けて送る。水SW1は、溶融するミネラル分などの不純物を除去した清浄水であることが好ましい。不純物が送水設備や蒸気装置内で濃縮し、障害を引き起こす恐れがあるためである。配管31の他端は気液分離装置90に接続する。配管31には、チェッキバルブ36が配設される、チェッキバルブ36は、水SW1を供給する必要がなく、給水ポンプ30を停止したときに、配管31を水SW1が逆流するのを防ぐ。
気液分離装置90は、配管31から水SW1を供給され、第1の吸収器AHで加熱される被加熱媒体としての水SW2を送出し、また、第1の吸収器AHで加熱された水SW2(少なくとも一部は蒸気となっている)を導入し、蒸気Sを送出する装置である。すなわち、気液分離装置90には、配管31の他に、水SW2を送出する配管33と、加熱され少なくとも一部が蒸気となった水SW2を導入する配管34と、蒸気Sを送出する配管35とが接続する。気液分離装置90の蒸気Sを送出する配管35の接続箇所の近くには、蒸気Sに水が随伴するのを防止するため、デミスタ(不図示)を設けるのがよい。気液分離装置90に貯留された水の水位は、液面計LWにより計測される。液面計LWで計測された水位により、給水ポンプ30の送水流量を調整し、気液分離装置90に貯留される水位を適切に維持する。ここで、適切な水位とは、水SW2を第1の吸収器AHに送出するのに不足せず、かつ、配管34に逆流することのない水位である。
気液分離装置90の底部から、水SW2を送出する配管33が第1の被加熱媒体流路AHTに接続し、また、第1の被加熱媒体流路AHTから配管34が気液分離装置90の中位の高さに接続する。配管33には、送水ポンプ32が配設され、気液分離装置90の底部に貯留された水SW2を吸い込み、第1の被加熱媒体流路AHTに送出する。
配管14と配管31とには、配管14を流れる吸収液と配管31を流れる水SW1との熱交換を行う熱交換器65が設置される。また、配管12と配管31とには、配管12を流れる吸収液と配管31を流れる水SW1との熱交換を行う熱交換器60が設置される。また、配管31には、配管31を流れる水SW1を温水HW3で加熱する熱交換器80が設置される。ここで、温水HW3は、温水HW1あるいは温水HW2と共通の温水であってもよい。加熱源は温水でなくてもよく、工場や家庭等からの廃熱を利用するものでもよく、蒸気、ガスなどでもよい。これらの熱交換器60、65、80を備えることにより、熱回収が行われ、熱効率が向上するが、必ずしも熱交換器60、65、80を備えていなくてもよい。
引き続き図1(a)のフロー図を参照して、第1の実施の形態に係る吸収ヒートポンプのサイクルについて説明する。先ずは、二段昇温型吸収ヒートポンプとして機能させる場合について説明する。二段昇温型吸収ヒートポンプとして機能させるには、遮断装置としてのバルブ17を閉止し、バルブ26を開放し、バルブ28にて第1の蒸発器EH(気液分離器EHS)と第2の蒸発器ELとの間の冷媒蒸気の流通を絞る。冷媒蒸気の流通は遮断するのが好ましい。なお、バルブ26は開放されつつも、流量調節のために開度を調節される。すなわち、バイパス流路としての配管17と冷媒蒸気流路としての配管25とを備えていないのと同じ状態とする。
図2に二段昇温型吸収ヒートポンプを説明するフロー図を示す。図2との比較でも明らかなように、図1(a)に示す本発明に係る吸収ヒートポンプにおいて、配管17と配管25とを削除すると、通常の二段型吸収ヒートポンプと同様の構成となる。この二段型吸収ヒートポンプにおいては、第1の吸収器AHのノズルAHNから吸収液が散布され、第1の蒸発器EHから送られた冷媒蒸気を吸収し、吸収熱を発生する。この吸収熱で第1の被加熱媒体流路AHT内を流れる水SW2が加熱されて蒸気となる。冷媒蒸気を吸収した吸収液は、第1の吸収器AHの貯留部に貯留される。第1の吸収器AHの貯留部に貯留された吸収液は、配管12に導かれ、第2の吸収器ALのノズルALNから散布される。第2の吸収器ALで散布された吸収液は、第2の蒸発器ELで発生した冷媒蒸気を吸収して、吸収熱を発生する。この吸収熱で伝熱管ALT内の冷媒液を加熱する。
第2の吸収器ALで冷媒蒸気を吸収して濃度が低くなった吸収液は、第2の吸収器ALの貯留部に貯留される。第2の吸収器ALの貯留部に貯留された吸収液は、配管14に導かれ、再生器GのノズルGNから散布される。ノズルGNから散布された吸収液は、伝熱管GTの表面に濡れ広がり、温水HW1により加熱される。加熱されることにより、吸収液に吸収された冷媒が蒸発する。すなわち、吸収液が濃縮されて、吸収液として再生される。再生された吸収液は、再生器Gの貯留部に貯留され、配管11に導かれて、吸収液ポンプ10で加圧され、再び、第1の吸収器AHのノズルAHNから散布される。このように吸収液サイクルが一巡し、以下同様の吸収液サイクルが繰り返される。
他方、再生器Gで蒸発した冷媒蒸気は凝縮器Cに送られ、伝熱管CTを流れる冷却水CWにより冷却されて凝縮し、冷媒液となる。凝縮された冷媒液は、凝縮器Cの貯留部に貯留され、配管21に導かれて冷媒液ポンプ20で加圧される。冷媒液ポンプ20で加圧された冷媒液は、配管21から第1の蒸発器EHに送られ、また、配管22から第2の蒸発器ELのノズルELNから散布される。
第1の蒸発器EH(気液分離器EHS)に導入された冷媒液は、気液分離器EHSの底部に貯留し、その一部が配管23から第2の被加熱媒体流路としての伝熱管ALTに導かれる。伝熱管ALTで、冷媒液は、吸収液が冷媒蒸気を吸収して発生した吸収熱により加熱され、蒸発する。蒸発して比重の軽くなった冷媒蒸気は、配管23を通って気液分離器EHS中に流れる。このように、配管23および伝熱管ALTの第2の被加熱媒体側は、サイホン効果により冷媒液を循環する。気液分離器EHSで分離された冷媒蒸気は、連通する第1の吸収器AHに送られ、吸収液に吸収される。
第2の蒸発器ELに導入された冷媒液は、ノズルELNから散布され、伝熱管ELTを流れる温水HW2の熱により蒸発して冷媒蒸気となる。第2の蒸発器ELで蒸発した冷媒蒸気は、連通する第2の吸収器ALに送られ、そこで吸収液に吸収される。したがって、第2の蒸発器ELで蒸発した冷媒蒸気より、第2の吸収器ALでの吸収熱により加熱された第1の蒸発器EHの冷媒蒸気の方が高温になり、すなわち、第1の吸収器AHおよび第1の蒸発器EHの方が、第2の吸収器ALおよび第2の蒸発器ELより高圧となり、吸収液の流れが確保される。なお、第2の蒸発器ELで蒸発しなかった冷媒液は、配管24を通って、凝縮器Cに送られ、再度、配管21に導かれる。吸収液に吸収された冷媒は、吸収液と共に再生器Gへ導かれ、そこで上述の通りに冷媒蒸気となり、凝縮器Cへ送られる。このように冷媒サイクルが一巡し、以下同様の冷媒サイクルが繰り返される。
以上が溶液と冷媒のサイクルである。このように、再生器Cと第2の蒸発器ELに温水HW1、HW2を供給し、凝縮器Cに冷却水CWを供給することにより、第1の吸収器AHで被加熱媒体を高温に加熱することができる。
次に、一段昇温型吸収ヒートポンプとして機能させる場合について説明する。一段昇温型吸収ヒートポンプとして機能させるには、遮断装置としてのバルブ17を開放し、バルブ26は閉止し、、バルブ28も開放して冷媒蒸気の流通が行われるようにする。なお、バルブ26は開放されていてもよいが、後述するように、第1の蒸発器EHの冷媒液を加熱することができないので、第1の蒸発器EHに貯留される冷媒液の量が増え、最終的には、バルブ26で第1の蒸発器EHに流入する冷媒液を遮断することになる。
図3に一段昇温型吸収ヒートポンプを説明するフロー図を示す。上記のように一段昇温型吸収ヒートポンプとして機能させるときの本発明に係る吸収ヒートポンプの機能を、図3の一段型吸収ヒートポンプと対比しながら説明する。
図3の一段昇温型吸収ヒートポンプの作用を説明すると、吸収器AのノズルANから吸収液が散布され、蒸発器Eから送られた冷媒蒸気を吸収し、吸収熱を発生する。この吸収熱で被加熱流体管AT内を流れる水SW2が加熱されて蒸気となる。冷媒蒸気を吸収した吸収液は、吸収器Aの貯留部に貯留される。吸収器Aの貯留部に貯留された吸収液は、配管14に導かれ、再生器GのノズルGNから散布される。ノズルGNから散布された吸収液は、伝熱管GTの表面に濡れ広がり、温水HW1により加熱される。加熱されることにより、吸収液に吸収された冷媒が蒸発する。すなわち、吸収液が濃縮されて、吸収液として再生される。再生された吸収液は、再生器Gの貯留部に貯留され、配管11に導かれて、吸収液ポンプ10で加圧され、再び、吸収器AのノズルANから散布される。このように吸収液サイクルが一巡し、以下同様の吸収液サイクルが繰り返される。
他方、再生器Gで蒸発した冷媒蒸気は凝縮器Cに送られ、伝熱管CTを流れる冷却水CWにより冷却されて凝縮し、冷媒液となる。凝縮された冷媒液は、凝縮器Cの貯留部に貯留され、配管21に導かれて冷媒液ポンプ20で加圧される。冷媒液ポンプ20で加圧された冷媒液は、配管21から蒸発器Eに送られる。蒸発器Eに送られた冷媒液は、伝熱管ETを流れる温水HW2の熱により蒸発して冷媒蒸気となる。蒸発器Eで蒸発した冷媒蒸気は、連通する吸収器Aに送られ、そこで吸収液に吸収される。吸収液に吸収された冷媒は、吸収液と共に再生器Gへ導かれ、そこで上述の通りに冷媒蒸気となり、凝縮器Cへ送られる。このように冷媒サイクルが一巡し、以下同様の冷媒サイクルが繰り返される。なお、図3では、蒸発器Eとして満液式の例を示しており、蒸発器Eで伝熱管ETが冷媒液に没入しているが、図1(a)で示すように冷媒液をノズルから散布し、伝熱管ETの表面で蒸発させ、蒸発しなかった冷媒液を蒸発器Eの底部から配管で凝縮器Cに戻す構成としても同様である。
以上が溶液と冷媒のサイクルである。このように、再生器Cと蒸発器Eに温水HW1、HW2を供給し、凝縮器Cに冷却水CWを供給することにより、吸収器Aで被加熱媒体を加熱することができる。
図1(a)に示す本発明に係る吸収ヒートポンプを一段昇温型として機能させる場合には、第2の吸収器ALにおいて、吸収液が第2の吸収器ALをバイパスする。よって、第2の吸収器ALでは、吸収液が冷媒蒸気を吸収せず、吸収熱を発生しない。すなわち、吸収器としては、第1の吸収器AHだけが作動する。また、第2の吸収器ALが作動しないので、第2の被加熱媒体流路、すなわち伝熱管ALTで冷媒液が加熱されることがなく、配管23および伝熱管ALTは削除したのと同じである。そこで、第1の蒸発器EHでは、冷媒液を加熱・蒸発させることがない。しかし、冷媒液は、第2の蒸発器で、温水HW2により加熱され蒸発する。第2の蒸発器ELで蒸発した冷媒蒸気は、第2の吸収器ALで吸収液に吸収されない。ところで、第1の蒸発器EHと第2の蒸発器ELとは、冷媒蒸気流路としての配管25で連通している。したがって、第2の蒸発器ELで蒸発した冷媒蒸気は、配管25を通って第1の蒸発器EHの気液分離器EHSへ流れ、その後、第1の吸収器AHへ送られて、吸収液に吸収される。すなわち、図1(a)の第1の吸収器AHが図3の吸収器Aに相当し、図1(a)の第2の蒸発器ELが図3の蒸発器Eに相当する。そして、図1(a)の配管25および第1の蒸発器EHは、図3の吸収器Aと蒸発器Eとを連通する連通部の一部として機能する。
なお、一段昇温型吸収ヒートポンプとして機能させる場合に、バルブ17、バルブ28を開放し、バルブ26は閉止して、第2の吸収器ALの機能と、第1の蒸発器EHへの冷媒液の供給とを同時に停止せず、いずれか一方だけを停止しても、吸収ヒートポンプは一段昇温型として機能する。すなわち、第2の吸収器ALの機能が停止すれば、第1の蒸発器EHでの冷媒の蒸発は得られない。また、第1の蒸発器EHへの冷媒液の供給を停止すれば、第1の蒸発器EHでの冷媒の蒸発は得られない。よって、いずれの場合でも、吸収ヒートポンプは一段昇温型として機能する。すなわち、第2の吸収器ALでの吸収熱がなければ第1の蒸発器EHで冷媒は蒸発せず、第1の蒸発器EHの冷媒蒸発熱で吸収液を冷却しなければ第2の吸収器ALで吸収液による冷媒の吸収は行われない。よって、第2の吸収器ALへの溶液の供給を停止して、第2の吸収器ALの機能停止をし、あるいは、第1の蒸発器EHへの冷媒液の供給停止もしくは冷媒蒸気の流出停止などで第1の蒸発器EHの機能停止を行うことにより、一段昇温型吸収ヒートポンプとして機能させることができる。
次に図1(b)のデューリング線図を参照して、吸収ヒートポンプの作用を説明する。 デューリング線図とは、濃度をパラメータにして、吸収液の温度と飽和圧力に対する露点(飽和温度)との関係を表したもので、縦軸に冷媒露点温度を、横軸に吸収液温度をとっている。右上がりの線は吸収液の等濃度線を表し、右側の線ほど高濃度、左側の線ほど低濃度となり、図中の原点を通る右上がりの線は吸収液濃度0%(すなわち冷媒のみ)の線である。他のデューリング線図も同様である。
デューリング線図中、実線は、二段昇温型吸収ヒートポンプを、破線は、一段昇温型吸収ヒートポンプを表す(以下、同じ。)。冷媒蒸気の移動がある凝縮器Cと再生器G、第1の吸収器AHと第1の蒸発器EH、および、第2の吸収器ALと第2の蒸発器ELは、それぞれ圧力が同じになる。二段昇温型とし、第1の吸収器AHと第1の蒸発器EHとが、第2の吸収器ALと第2の蒸発器ELより高圧になることにより、第1の吸収器AHが高温となる。よって、第1の吸収器AHの吸収液で被加熱媒体を加熱することにより、被加熱媒体を高温に加熱することができる。一方、冷却水温度が低温で凝縮器Cが低温となっている場合には、破線で示すように、一段昇温型であっても、吸収液温度は二段昇温型の場合と同じ温度まで上昇する。
次に、図1(a)に戻り、蒸気供給システム100の作用を説明する。配管31を通って気液分離装置90に送られた水SW1は、気液分離器90に貯留される。気液分離装置90に貯留された水SW1から、所定量の水SW2が配管33を通って第1の吸収器AHの第1の被加熱媒体流路AHTに送られ、そこで加熱される。吸収ヒートポンプが二段昇温型であると、第1の吸収器AHが高温となり易いので、温水HW1、HW2と冷却水CWとの温度差が小さくても、第1の被加熱媒体流路AHTを流れる水SW2を十分加熱し、蒸気を発生することができる。第1の被加熱媒体流路で加熱され、蒸気となった水SW2は、気液分離器90に戻され、そこで、蒸気Sだけが配管35を通って不図示の蒸気需要に供給される。なお、第1の被加熱媒体流路で加熱された水SW2は、液体のままであっても、一部が蒸気となっても、すべてが蒸気となっていてもよい。加熱され液体のままであるSW2は、気液分離器90内で、圧力が低下するのに伴い、少なくとも一部が蒸発して蒸気Sとなる。なお、液体としての水は、気液分離装置90内に貯留され、再び配管33から第1の被加熱媒体流路AHTに送られる。よって、温水HW1、HW2と冷却水CWとの温度差が小さくても、蒸気の供給が可能な蒸気供給システム100となる。また、温水HW1、HW2と冷却水CWとの温度差が大きい場合には、一段昇温型でも所定の温度に第1の被加熱媒体流路AHTを流れる水SW2を加熱することができ、一段昇温型であるので熱効率の高い蒸気供給システム100となる。
次に図4を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る吸収ヒートポンプの変形例を説明する。図4(a)は本発明の第1の実施の形態に係る吸収ヒートポンプの変形例を備える蒸気供給システム101の構成を説明するフロー図であり、(b)は吸収ヒートポンプのデューリング線図である。この変形例では、吸収液のサイクルを、再生器Gから、第1の吸収器AHと第2の吸収器ALとに並列に供給する点で、図1(a)に示したフロー図と異なる。図1(a)のフロー図に示した構成をシリーズフロー、図4(a)のフロー図に示した構成をパラレルフローという。
異なる構成は次の通りである。再生器Gから吸収液を第1の吸収器AHに送る配管11から、吸収液を第2の吸収器ALに送る配管12’が分岐している。バイパス配管13は、配管12’から分岐して第2の吸収器ALをバイパスする。また、第1の吸収器AHから吸収液を送出する配管12は、第2の吸収器ALではなく、第2の吸収器ALから再生器Gへ吸収液を送る配管14に接続している。なお、配管12と接続する手前の配管14には、第1の吸収器AHからの吸収液が第2の吸収器ALに逆流しないよう、チェッキバルブ114を配設してもよい。再生器Gからの吸収液は、第1の吸収器AHと第2の吸収器ALとに並列に送られ、第1の吸収器AHと第2の吸収器ALとからの吸収液は、合流して再生器Gに送られる。なお、バイパス配管13を設けずに、配管12’の吸収液の流れを遮断するバルブ(バルブ16で遮断してもよい)等の遮断装置を配設し、第2の吸収器ALに吸収液が送られないようにしてもよい。この場合には、配管12’の吸収液の流れを遮断するバルブ等の遮断装置が、第2の吸収器ALで吸収液が冷媒蒸気を吸収することを停止する装置となる。
パラレルフローにおいても、第2の蒸発器ELで蒸発した冷媒蒸気より、第2の吸収器ALでの吸収熱により加熱された第1の蒸発器EHの冷媒蒸気の方が高温になり、すなわち、図4(b)のデューリング線図にも示すように、第1の吸収器AHが高温となり、第1の吸収器AHで被加熱媒体を高温に加熱することができる。
次に図5を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る吸収ヒートポンプの別の変形例を説明する。図5(a)は本発明の第1の実施の形態に係る吸収ヒートポンプの変形例を備える蒸気供給システム102の構成を説明するフロー図であり、(b)は吸収ヒートポンプのデューリング線図である。この変形例では、吸収液のサイクルを、再生器Gから、先ず第2の吸収器ALに供給し、第2の吸収器ALから第1の吸収器AHへ供給する点で、図1(a)あるいは図4(a)に示したフロー図と異なる。図1(a)のフロー図に示した構成をシリーズフロー、図4(a)のフロー図に示した構成をパラレルフローというのに対し、図5(a)のフロー図に示した構成をリバースフローという。
異なる構成は次の通りである。再生器Gから吸収液を送る配管11は、第2の吸収器ALのノズルALNに接続する。バイパス配管13は、配管11から分岐し、第2の吸収器ALをバイパスする。第2の吸収器ALから配管15により、吸収液を第1の吸収器AHに送出する。第1の吸収器AHの方が第2の吸収器ALより圧力が高いので、配管15には吸収液を加圧するポンプ115を設置する。また、第1の吸収器AHから吸収液を送出する配管12は、第2の吸収器ALではなく、再生器GのノズルGNに接続している。すなわち、再生器Gからの吸収液は、先ず第2の吸収器ALに送られ、その後、第1の吸収器AHに送られ、第1の吸収器AHから再生器Gに送られる。
リバースフローにおいても、第2の蒸発器ELで蒸発した冷媒蒸気より、第2の吸収器ALでの吸収熱により加熱された第1の蒸発器EHの冷媒蒸気の方が高温になり、すなわち、図5(b)のデューリング線図にも示すように、第1の吸収器AHが高温となり、第1の吸収器AHで被加熱媒体を高温に加熱することができる。
次に図6を参照して、図1(a)に示す本発明の第1の実施の形態に係る蒸気供給システム100の変形例を説明する。図6は蒸気供給システム103の構成を説明するフロー図である。この変形例では、気液分離装置を備えず、給水ポンプ30から送られた水SWは、配管31を通ってそのまま第1の吸収器AHの第1の被加熱媒体流路AHTに送られる。水SWは、第1の被加熱媒体流路AHTで加熱され蒸発して蒸気Sとなる。蒸気Sは、第1の被加熱媒体流路AHTから直接、配管35に送られ、不図示の蒸気需要に供給される。なお、蒸気Sには、液体としての水が含まれていてもよい。
蒸気需要に供給される蒸気Sの量、あるいは、吸収ヒートポンプに供給される水SWの量は、配管35に配設された温度計測器Tにより計測された温度により制御される。すなわち、過熱蒸気となり、蒸気温度が飽和温度より高温になり過ぎたときには、給水ポンプ30の給水量を増加し、飽和温度まで下がったときには給水量を減少することにより、効率よく適切な蒸気Sを供給することができる。
次に、図7を参照して、本発明の第2の実施の形態である吸収ヒートポンプを備える蒸気供給システム110の構成を説明する。図7は、蒸気供給システム110の構成を説明するフロー図である。蒸気供給システム110では、再生器Gから第1の吸収器AHに吸収液を送る第1の吸収液流路としての配管11のうちの配管11a(再生器Gから第1の吸収器AHに吸収液を送る配管11のうち、配管112が分岐する位置までを配管11aと、分岐した後を配管11bと称する。)から、配管112が分岐し、第1の吸収器AHから第2の吸収器ALへ吸収液を送る配管12の配管12b(第1の吸収器AHから第2の吸収器ALに吸収液を送る配管12のうち、配管112が接続する位置までを配管12aと、接続した後を配管12bと称する。)に接続している。すなわち、配管11aと配管112と配管12bとにより、第1の吸収器AHからの吸収液が遮断された場合でも、第2の吸収器ALに吸収液を供給できるように、再生器Gから第2の吸収器ALに吸収液を送る吸収液流路が構成される。また、配管12(配管12aと配管12b)は、第1の吸収器AHから、第1の吸収器AHで冷媒蒸気を吸収した吸収液を流出させる第2の吸収液流路として構成される。また、第1の吸収器AHの底部と、第1の蒸発器EHの冷媒系とを連通する冷媒液流路として、配管123が配設される。配管123は、配管23と連通しているが、第1の吸収器AHの底部と第1の蒸発器EHの気液分離器EHSの底部とを連通しても、あるいは、第1の吸収器AHの底部と伝熱管ALTとを連通してもよい。配管112が分岐する箇所より第1の吸収器AH側の位置で、配管11bには、吸収液の流れを遮断する第1の吸収液流路遮断装置としてのバルブ111が配設される。また、第1の吸収器AHからの吸収液の流出を遮断する第2の吸収液遮断装置としては、配管12aに配設されているバルブ16が機能する。配管112には、吸収液の流れを遮断するバルブ116が配設される。配管123には、冷媒液の流れを遮断する冷媒液流路遮断装置としてのバルブ126が配設される。なお、蒸気供給システム110では、吸収ヒートポンプがバイパス配管17および第1の蒸発器EHと第2の蒸発器ELとを連通する配管25とを備えていない。
蒸気供給システム110では、バルブ111を開放し、バルブ16を開放しつつ自動調節とし、バルブ116とバルブ126とを閉止することにより、図2に示す二段昇温型吸収ヒートポンプと同じ吸収ヒートポンプを備える蒸気供給システム110として機能する。
一方、バルブ111を閉止し、バルブ116を開放することにより、再生器Gからの吸収液は第2の吸収器ALにだけ送られる。すなわち、第1の吸収器AHの吸収機能は停止し、第2の吸収器ALと第2の蒸発器ELとで、冷媒液の蒸発と、蒸発した冷媒液の吸収液による吸収が行われ、吸収熱が発生する一段昇温型吸収ヒートポンプとして機能する。
第2の吸収器ALにおいて、吸収液が冷媒蒸気を吸収することにより発生する吸収熱は、伝熱管ALTで第1の蒸発器EHの冷媒液を加熱する。加熱された冷媒液は、蒸発して冷媒蒸気として気液分離器EHSに流れる。気液分離器EHSに流れた冷媒蒸気は、連通する第1の吸収器AHに送られ、第1の被加熱媒体流路AHT内の水SW2により冷却され、液化する。液化した冷媒液は、配管123を通じて、配管23に送られ、配管23から伝熱管ALTに戻る、すなわち、バルブ126は開放しておく。第1の被加熱媒体流路AHT内の水SW2は、冷媒蒸気により加熱される。以上の通り、一段昇温型吸収ヒートポンプとして機能する場合には、第2の被加熱媒体流路ALTが吸収熱で加熱されるが、冷媒の循環により、第1の被加熱媒体流路AHT内の被加熱媒体としての水SW2が加熱される。
なお、二段昇温サイクルから一段昇温サイクルに切替える際に、循環する冷媒に吸収液が混入するのを防止するように、配管123のバルブ126は、第1の吸収器AHにできるだけ近接して設けたほうがよい。また、配管123が第1の吸収器AHの底部に接続する場所は、吸収液が貯留される範囲より高い位置とする。第1の被加熱媒体流路AHTの直下に液化した冷媒液を受ける受け皿を設け、バルブ126の代わりに、受け皿液を溶液系あるいは冷媒系に切替えるバルブとすることで、冷媒への吸収液の混入を防止できるので好ましい。
蒸気供給システム110の吸収ヒートポンプでは、蒸気供給システム100〜103の吸収ヒートポンプと比べ、流路が大きな配管25を設置する必要がなく、それに伴い、大口径で高価な冷媒蒸気バルブであるバルブ28も不要となるので、装置として小型化でき、製造費も低くできる。なお、図7を参照した上記の説明では、蒸気供給システム110の吸収ヒートポンプをシリーズフローとして説明したが、パラレルフローとしても、リバースフローとしてもよい。パラレルフローあるいはリバースフローとする構成は、図1(a)のシリーズフローに対し、図4(a)でパラレルフローと、図5(a)でリバースフローとしたのと同様に、吸収液の流れを変更すればよい。
図8に、本発明の第3の実施の形態である、吸収器、蒸発器をそれぞれ三段有する吸収ヒートポンプを備える蒸気供給システム120のフロー図を示す。蒸気供給システム120では、蒸気供給システム100(図1参照)と以下の構成が異なる。先ず、吸収液が冷媒蒸気を吸収し第3の被加熱媒体流路ALLTを流れる冷媒液を加熱する第3の吸収器ALLと、凝縮器Cで凝縮した冷媒液を導入し冷媒液から冷媒蒸気を発生させ第3の吸収器ALLに送る第3の蒸発器ELLとを備える。そして、第2の蒸発器ELは、凝縮器Cで凝縮した冷媒液を導入し、第3の被加熱媒体流路としての伝熱管ALLTで加熱された冷媒液から発生した冷媒蒸気を第3の吸収器ALLに送るように構成される。したがって、第2の蒸発器ELに、ノズルELNや伝熱管ELTは備えられず、代わりに第2の気液分離器ELSを備え、第3の吸収器ALLの伝熱部と第2の蒸発器ELの伝熱部とは、伝熱管ALLTとして共用となっている。また、第2の気液分離器ELSの底部からは伝熱管ALLTに連通し循環する流路を形成する配管223が接続する。すなわち、第2の蒸発器ELは、第2の気液分離器ELSと配管223と伝熱管ALLTとを備える。
第2の吸収器ALの底部から吸収液を送出する配管214が第3の吸収器ALLのノズルALLNに接続し、第3の吸収器ALLの底部から吸収液を送出する配管264が再生器GのノズルGNに接続する。凝縮器Cから第1の蒸発器EHに冷媒液を送る配管21から、配管222が分岐し、第3の蒸発器ELLのノズルELLNに接続する。第3の蒸発器ELLでは、伝熱管ELLTを温水HW2が流れ、ノズルELLNから散布される冷媒液を加熱して蒸発させる。第3の蒸発器ELLの底部から冷媒液を凝縮器Cに戻す配管224が接続される。
配管214を流れる吸収液は、熱交換器215で給水SW1と熱交換し、熱交換器255で再生器Gから第1の吸収器AHに送られる吸収液と熱交換する。配管264を流れる吸収液は、熱交換器265で給水SW1と熱交換し、熱交換器250で再生器Gから第1の吸収器AHに送られる吸収液と熱交換する。配管224を流れる冷媒液は、熱交換器70で凝縮器Cから第1の蒸発器EH、第2の蒸発器ELおよび第3の蒸発器ELLに送られる冷媒液と熱交換する。また、配管214には、バルブ216が配設され、バルブ216は、液面計LALで計測する第2の吸収器ALの底部に貯留される吸収液の液位に基づき開度が調整され、第2の吸収器ALおよび第3の吸収器ALLの底部に貯留される吸収液の液面を適切に維持する。また、配管222にはバルブ227が配設され、バルブ227は、液面計LELLで計測する第3の蒸発器ELLの底部に貯留される冷媒液の液位に基づき開度が調整され、第3の蒸発器ELLに導入される冷媒液の量を制御する。
以上のように構成された蒸気供給システム120においては、蒸気供給システム100で説明した二段昇温型として機能させたのと同様にバルブ17、バルブ28を操作することにより、蒸気供給システム120の吸収ヒートポンプは三段昇温型として機能する。また、蒸気供給システム100で説明した一段昇温型として機能させたのと同様にバルブ17、バルブ28を操作することにより、蒸気供給システム120の吸収ヒートポンプは二段昇温型として機能する。三段昇温型として機能させることにより、被加熱媒体をより高温に加熱することができる。
二段昇温サイクルにおいてシリーズフロー、パラレルフロー、リバースフローについて説明したが、三段昇温サイクルにおいてはは、それらを組み合わせた多くのフローを構築することができる。これらの組合せのフローにおいても、ここで説明したのと同様に、三段と二段に切替が可能である。さらに、吸収ヒートポンプにおいて、吸収器、蒸発器をそれぞれ四段以上有する場合においても、本発明を適用することができる。
一段昇温型と二段昇温型の切換、あるいは、二段昇温型と三段昇温型の切換は、制御装置によりバルブの開閉を制御することにより自動的に行ってもよく、あるいは、例えば季節による冷却水CWの温度変化により切換える場合などは、バルブの開閉を手動で行ったり、閉止板の着脱を行うなど、手動で切換えてもよい。
以上に説明した吸収ヒートポンプの作動媒体としては、吸収剤と冷媒の組み合わせが用いられ、現在最も広く用いられている、臭化リチウム(LiBr)を吸収剤として使用し、水を冷媒として使用してもよい。あるいは、水を吸収剤とし、アンモニアを冷媒として使用してもよく、また、他の吸収液と冷媒の組み合わせであってもよい。