JP6632951B2 - 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。また、特許文献１には、再生器が２つの２段吸収サイクルの吸収式冷凍機とし、単効用サイクルの吸収式冷凍機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、単効用サイクルと補助サイクル（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、吸収式冷凍機１台で駆動熱源の温水を単効用サイクルの吸収冷凍機に必要な温度から、２段吸収サイクルの吸収式冷凍機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１０−１００７４６２４１号公報（図２）

省エネルギーを図るためには、１つの排熱源からより多くの冷熱量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吸収式冷凍機の駆動熱源として利用し、その後温度が下がった温水を２段吸収サイクルの吸収式冷凍機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台では、溶液ポンプや冷媒ポンプの数もほぼ倍増してしまい消費電力量が多くなるとともに、溶液量と冷媒量も倍増してしまう。

一方、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。また、主な構成要素が、蒸発器、吸収器、低圧再生器、補助吸収器、補助再生器、高圧再生器、凝縮器の７つとなり、単効用サイクルより３つ、特許文献１の補助サイクルより１つ溶液が循環する構成要素が増加している。このため、必要な保有溶液量の増加によるコスト増加が考えられる。

本発明の目的は、単効用サイクルに補助サイクルを組合せた構成において、溶液保有量を低減することができる吸収式冷凍機を得ることである。

上記目的を達成するため、本発明の一実施形態に係る吸収式冷凍機は、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、前記蒸発器と、前記吸収器と、前記低圧再生器と、前記高圧再生器と、前記補助吸収器と、前記補助再生器とは、流下液膜式の熱交換器で構成し、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、気相部が連通し、前記高圧再生器から前記吸収器へ溶液を流すための溶液配管は、前記低圧再生器からの溶液を流すための溶液配管と連結された合流部を有し、前記溶液ポンプは、前記合流部から前記吸収器までの前記溶液配管に設けられ、前記高圧再生器の底面は、前記低圧再生器の底面より高い位置に配置されている。

本発明によれば、２単効用サイクルに補助サイクルを組合せた構成において、溶液保有量を低減することができる吸収式冷凍機を提供することができる。

本発明の実施形態に係る吸収式冷凍機のサイクル系統図を示す。 本発明の実施形態に係る吸収式冷凍機のデューリング線図を示す。

以下、本発明の具体的実施例を、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。

本発明の実施形態に係る吸収式冷凍機１００について、図１、２を参照して説明する。

図１は、本実施形態の吸収式冷凍機１００のサイクル系統図を示している。

図２は、本実施形態の吸収式冷凍機１００のデューリング線図を示している。図２では、横軸を溶液温度、縦軸を圧力とし、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ている。

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

先ず、本発明の実施形態に係る吸収式冷凍機１００の全体構成について説明する。

吸収式冷凍機１００は、単効用サイクル側と補助サイクル（二段吸収サイクル）側からなり、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（Ｅ）、吸収器９（Ａ）、低圧再生器２２（ＬＧ）、高圧再生器３３（ＨＧ）、凝縮器４０（Ｃ）、低温溶液熱交換器５５、高温溶液熱交換器５６の熱交換器要素と、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（ＡＡ）、補助再生器４４（ＡＧ）、中温溶液熱交換器５７の熱交換器要素と、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。散布した冷媒は、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の伝熱管外に散される。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で分岐し、一方が溶液配管３１の流量調整弁３２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の伝熱管外に散布される。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、濃縮した溶液と冷媒蒸気に分離される。濃縮した溶液は、溶液配管２７を通って合流点（合流部）Ｂで高圧再生器３３からの溶液と合流する。濃縮した溶液から分離した冷媒蒸気は、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で濃度が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の伝熱管外に散布する。散布した溶液は、熱交換器３５の伝熱管内を流れる熱源媒体で加熱され、濃縮した溶液と冷媒蒸気に分離される。濃縮した溶液は、溶液配管４９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で濃縮した溶液から分離した冷媒蒸気は、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で濃縮した溶液から分離した冷媒蒸気を、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途中に設置した溶液ポンプ２９で中温溶液熱交換器５７を通過後に高圧再生器３３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、濃縮した溶液と冷媒蒸気に分離される。濃縮した溶液は、溶液配管５１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。濃縮した溶液から分離した冷媒蒸気は、バッフル５２を介して凝縮器４０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。

また、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、補助吸収器１６、及び補助再生器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、本実施形態の構成は、単効用サイクル側の低圧再生器２２と補助吸収サイクル側の補助吸収器１６の気相部を連通し、単効用サイクル側の高圧再生器３３及び凝縮器４０と補助吸収サイクル側の補助再生器４４の気相部を連通することによって、単効用サイクルと補助吸収サイクルを組合せて運転することができる。なお、本実施形態においては、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。

また、本実施形態では、図１に示すように、高圧再生器３３の底面１０１を、低圧再生器２２の底面１０２より高さＨ分高く配置する。高さＨは、運転中において高圧再生器３３から流出する溶液の液面が配管４９内に形成されるように設定される。これにより、運転中には、高圧再生器３３内に溶液を溜める必要が無くなり、溶液量とともに冷媒量を削減できる。

次に、高さＨの決め方について説明する。運転中に例えば、低圧再生器２２の液面を、低圧再生器２２内に設置する液面センサ（図示せず）で液面高さを検知し、液面が下がったら散布量を多く、液面が上がったら散布量を少なくなるように流量調整弁３２で制御し、低圧再生器２２内に溜められる溶液の液面高さを一定範囲に調整する。このとき、高圧再生器３３から流出する溶液の液面高さは、高圧再生器３３と低圧再生器２２との間に生じる圧力差ΔＰ１と、高温溶液熱交換器５６内を含む高圧再生器３３から合流点Ｂまでの配管４９の圧力損失ΔＰ２で決まる。高圧再生器３３から流出する溶液の液面高さは、低圧再生器２２内の液面高さに対して、圧力差ΔＰ１分低くできることになるが、圧力損失ΔＰ２分高くなる。仮に、低圧再生器２２内に溜める溶液の液面高さを２００ｍｍとし、圧力差ΔＰ１が２００ｍｍ、圧力損失ΔＰ２が１０００ｍｍになったとすると、高圧再生器３３内に溶液が溜めないようにすることができる高さＨは、Ｈ＞１０００ｍｍとなる。

ここで、低圧再生器２２内の溶液の液面高さと、高圧再生器３３と低圧再生器２２との圧力差ΔＰ１と、高温溶液熱交換器５６内を含む高圧再生器３３から合流点Ｂまでの配管４９の圧力損失ΔＰ２は、配管４９と高温溶液熱交換器５６の仕様と運転条件が決まれば、容易に求めることができ、その結果を基に低圧再生器２２の底面１０２から高圧再生器３３の底面１０１までの高さＨを設定し、機器配置を決定することができる。

次に、本実施形態の作用・効果について説明する。

本実施形態の吸収式冷凍機１００は、吸収器９の溶液を分岐点Ａで低圧再生器２２と高圧再生器３３に分配し、低圧再生器２２と高圧再生器３３からの溶液を、合流点Ｂで合流させ溶液ポンプ３０で吸収器９に流入させている。このため、他の要素（他のポンプ）とは異なり、溶液ポンプ３０には、低圧再生器２２と高圧再生器３３と２つの要素からの溶液が流入することになる。

他の要素は、図１のように、溶液ポンプ１４には吸収器５、溶液ポンプ１９には補助吸収器１６、溶液ポンプ５４には補助再生器４４からの溶液が流入するとともに、溶液タンク６１、６２、６３、６４がそれぞれ１対１で設けられ、当該タンクに一定量の溶液を溜めた状態で運転している。これは、運転範囲において溶液の濃度変化分よる溶液量変化を許容することと、各溶液タンク内の液面高さが敏感に変動しないようにするためで、これにより、各溶液ポンプへの押込み圧を確保することができ、各溶液ポンプを安定して駆動できるようにすることができる。

一方、溶液ポンプ３０には、高圧再生器３３と低圧再生器２２からの溶液が流入することになるが、溶液ポンプ３０を安定して駆動させるためには、他の要素と同様に溶液タンクは１つあれば十分であることから、低圧再生器２２に溶液タンク６３を設ける構成とした。低圧再生器２２では、溶液ポンプ３０までの溶液の圧力損失が、高温溶液熱交換器５６を介した高圧再生器３３より小さくなるので、低圧再生器２２に溶液タンク６３を設けた方が、溶液ポンプ３０が安定運転に必要な液面高さを低く抑えることができる効果がある。

以上から、高圧再生器３３の底面１０１を低圧再生器２２の底面１０２より高い位置に配置し、運転中において高圧再生器３３から流出する溶液の液面が配管４９内に形成されるようにして、高圧再生器３３の底部には、運転中に溶液が溜まらない機器配置とした。これにより、高圧再生器３３での溶液タンクは不要となり、溶液量及び冷媒量を削減できることから、吸収式冷凍機１００の小形化及びコスト低減に寄与することができる。また、溶液量及び冷媒量を削減することで、保有液量の熱容量が少なくできるので、吸収式冷凍機１００の起動特性の改善を図ることができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。

１：蒸発器
９：吸収器
３０：溶液ポンプ
２７、４９：溶液配管
１６：補助吸収器
２２：低圧再生器
３３：高圧再生器
４０：凝縮器
４４：補助再生器
５６：高温溶液熱交換器
４１：凝縮器
１０１：高圧再生器の底面
１０２：低圧再生器の底面

Claims (4)

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、前記低圧再生器と、前記高圧再生器と、前記補助吸収器と、前記補助再生器とは、流下液膜式の熱交換器で構成し、
   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、気相部が連通し、
   前記高圧再生器から前記吸収器へ溶液を流すための溶液配管は、前記低圧再生器からの溶液を流すための溶液配管と連結された合流部を有し、
   前記溶液ポンプは、前記合流部から前記吸収器までの前記溶液配管に設けられ、
   前記高圧再生器の底面は、前記低圧再生器の底面より高い位置に配置されている、吸収式冷凍機。
2. 前記高圧再生器の前記底面の前記低圧再生器の前記底面に対する位置は、前記高圧再生器から前記吸収器へ溶液を流すための前記溶液配管内に、前記高圧再生器から流出する溶液の液面が形成されるように設定される、請求項１に記載の吸収式冷凍機。
3. 前記高圧再生器の前記底面の前記低圧再生器の前記底面に対する位置は、前記高圧再生器と前記低圧再生器との圧力差と、前記高圧再生器から前記合流点までの前記溶液配管の圧力損失と、前記低圧再生器内の溶液の液面高さと、に基づいて設定される、請求項２に記載の吸収式冷凍機。
4. 前記高圧再生器から前記合流部へ溶液を流すための前記溶液配管内の溶液と、前記吸収器から前記高圧再生器へ溶液が流れる溶液配管内の溶液とが、熱交換をする高温溶液熱交換器を更に備える、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の吸収式冷凍機。

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