JPH074774A - 吸収式冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低温吸収式冷凍機の実用性を高めるため、利
用可能な駆動熱源の低温化を可能として熱回収効率の向
上を図る。 【構成】 アンモニア／水系を作動媒体とする吸収式冷
凍機の冷媒蒸気発生装置に、高圧蒸留塔１と、低圧蒸留
塔５とエゼクタ４とが設けられる。エゼクタ４は、高圧
蒸留塔１で発生する高圧冷媒蒸気を駆動流体として低圧
蒸留塔５で発生する低圧冷媒蒸気を吸引する。その結
果、低圧蒸留塔５の操作圧力が低下する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アンモニアなどの凝縮
性ガス冷媒／水系を作動流体とする低温を得るための吸
収式冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】吸収式冷凍機で０°Ｃ以下の低温を得よ
うとすると、現状ではアンモニア／水系を作動流体とす
るアンモニア吸収式冷凍機に限られる。図７に典型的な
先行技術である吸収式冷凍機の系統図が示される。図７
に示す吸収式冷凍機は、アンモニア／水系を作動媒体と
していて、以下、蒸発器５０でのアンモニア蒸発温度を
−７°Ｃとした場合について説明する。被冷却流体５１
での低温の発生は、蒸発器５０において、アンモニア液
が蒸発することにより行われる。（アンモニア蒸発温度
が−７°Ｃの場合は、蒸発器５０の圧力を３．２ａｔａ
に維持する必要がある。）この圧力を維持するため、発
生したアンモニア蒸気５２を吸収器５３にて希アンモニ
ア水溶液（以後、低濃度水溶液という）５４に吸収させ
ることによって行う。アンモニアの吸収に際して発生す
る吸収熱は冷却水５５にて除去する。アンモニア蒸気を
吸収してアンモニア濃度が高くなった溶液（以後、高濃
度水溶液という。）５６は、溶液ポンプ５７に吸引され
１２．９ａｔａまで昇圧され、溶液熱交換器５８にて予
熱された後、蒸留塔５９に入る。ここで、廃熱等の熱源
６０から熱を得て、アンモニア蒸気を発生し、蒸気は、
分縮器６１にて冷却水６２で冷却され、一部液化する。
液化したアンモニア液は、蒸留塔５９に還流される。液
化されなかった残りのアンモニア蒸気は凝縮器６３にて
冷却水６４により凝縮し、アンモニア液６５となる。凝
縮したアンモニア液６５は、過冷却器６６にて、蒸発器
５０から蒸発したアンモニア蒸気５２との熱交換によっ
て、過冷却され、減圧弁６７にて３．２ａｔａまで減圧
された後、蒸発器５０に入る。

【０００３】ここで、溶液ポンプ５７で、１２．９ａｔ
ａまで昇圧するのは、冷却水６４に通常の冷却塔にて得
られる冷却水を使用する関係上、アンモニアの凝縮温度
を高くとれないためである。なお、１２．９ａｔａに相
当する凝縮温度は３４°Ｃである。蒸留塔５９の操作圧
力と、そのリボイラ（塔底部の補助加熱装置）内の溶液
濃度に対応して、リボイラ内の溶液沸点が決まり、必要
な熱源６０の温度も決まる。たとえば、リボイラ内の溶
液濃度を４２．３ｗｔ％とした場合、溶液沸点は、８
６．５°Ｃであり、熱源６０のリボイラ出口温度は、リ
ボイラでの温度差を考慮すれば、９０°Ｃ程度以上とす
る必要がある。

【０００４】一方、蒸留塔５９にてアンモニア蒸気を発
生した後の塔内底部に溜まった低濃度水溶液は、溶液熱
交換器５８にて、高濃度水溶液を予熱し、減圧弁６８に
て、３．２ａｔａまで減圧し、吸収器５３に入り、蒸発
器５０から発生したアンモニア蒸気を吸収する。なお、
蒸発器５０に入るアンモニア液６５は、ほぼ純粋に精留
されているが、微量の水分（たとえば０．１ｗｔ％）を
含んでおり、蒸発器５０内で水分濃縮して蒸発温度を上
昇させないため、少量のアンモニア液を、蒸発器５０か
ら液状のまま、抜き出し、溶液ポンプ５７手前で高濃度
水溶液５６に混合される。以上が先行技術であるアンモ
ニア吸収式冷凍機の基本的な冷凍サイクルである。

【０００５】吸収器５３における低濃度水溶液へのアン
モニアの吸収過程では、物質移動が行われ、アンモニア
ガスは吸収液に移行する。従って蒸気と液との接触面を
増やすことが必要である。一方、アンモニアガスが蒸気
から液化するときの凝縮熱と吸収液へ吸収されるときの
吸収熱とを除くための伝熱面も必要である。この熱を除
去しなければ、吸収液は吸収能力を失い、冷凍サイクル
が成立しなくなる。すなわち、吸収器５３には、十分な
物質移動面と伝熱面とを有することが必要であり、図８
に基本的構成を示したような灌液型などがよく用いられ
る。低濃度水溶液は、伝熱面を構成する冷却管の管群７
０上に注がれ、薄い膜となって管群７０を滴下する。冷
媒蒸気であるアンモニア蒸気は冷媒入口７１から供給さ
れ、管群７０の液膜上で吸収液に吸収される。吸収熱等
は管群７０内を流れる冷却水により除去される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図７に示される先行技
術は、アンモニア水溶液の濃度が４２ｗｔ％の場合、蒸
留塔のリボイラの熱源は、低くても９０°Ｃの高温熱源
しか利用できなく、したがって廃熱の高度利用を妨げる
障害となるのが難点である。

【０００７】さらに図８に示される先行技術による吸収
器５３は、基本的にはシェルアンドチューブ型の構造で
あり、また、使用する伝熱管は炭素鋼鋼管のため伝熱係
数の向上が困難なため、伝熱面積が大きくなり、機器重
量や容積が大きくなり、また、機器の価格も高くなる。

【０００８】本発明の目的は、従来からの吸収式冷凍機
の構成を改善して実用性を高めるため、利用可能な駆動
熱源の低温化を可能として熱回収効率の向上を図り、ま
たプレートフィン型の熱交換器を吸収器として用い、伝
熱係数の向上を図ることにより、機器重量、容積を小さ
くし、機器のコストダウンを図らせることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、冷媒蒸気発生
装置、凝縮器、蒸発器および吸収器を含み、凝縮性ガス
冷媒／水系を作動媒体とする低温を得るための吸収式冷
凍機において、前記冷媒蒸気発生装置が、吸収器から導
入される高濃度水溶液を加熱源によって加熱して低圧冷
媒蒸気を発生する低圧蒸留塔と、低圧蒸留塔から導入さ
れる中濃度水溶液を加熱源によって加熱して高圧冷媒蒸
気を発生する高圧蒸留塔と、高圧蒸留塔で発生する高圧
冷媒蒸気が駆動流体として導かれ、低圧蒸留塔で発生す
る低圧冷媒蒸気を吸引し、混合して、中間圧冷媒蒸気で
凝縮器に送るエゼクタとを含むことを特徴とする吸収式
冷凍機である。

【００１０】また本発明は、冷媒蒸気発生装置、凝縮
器、蒸発器および吸収器を含み、アンモニア／水系を作
動媒体とするアンモニア吸収式冷凍機において、前記吸
収器が、低濃度水溶液をスプレー等によって均一分散さ
せる手段と、プレートフィン型熱交換器とを含むことを
特徴とする吸収式冷凍機である。

【００１１】

【作用】本発明に従えば、高圧、低圧の２つの蒸留塔
と、高圧冷媒蒸気を駆動流体として低圧冷媒蒸気を吸引
・混合するエゼクタとを備える構成としたことによっ
て、低圧蒸留塔において比較的温度が低い熱源を有効に
利用して効率の良い吸収冷凍運転が可能である。したが
って、廃熱の幅広い利用が行えて熱回収効率を向上し得
る。

【００１２】また、本発明に従えば、吸収式冷凍機の吸
収器に低濃度水溶液をスプレー等によって均一分散させ
る機構を有する向流型プレートフィン熱交換器を用い
る。これによって、吸収器の伝熱係数が向上し、機器重
量、容積を小さくし、機器のコストダウンが可能とな
る。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の実施例である吸収式冷凍機
の系統図である。図示の吸収式冷凍機は、アンモニアを
冷媒とし、水を吸収剤とする吸収式冷凍機である。この
実施例は、アンモニアを含有する水溶液からアンモニア
蒸気を発生する冷媒蒸気発生装置と、この発生するアン
モニア蒸気を冷却水と熱交換して凝縮させる凝縮器７
と、この凝縮したアンモニアを冷却する過冷却器１０
と、過冷却されるアンモニア液を低圧に減圧する減圧器
２７と、減圧されたアンモニア液とブライン１３などの
被冷却流体と熱交換させてブライン１３を冷却するとと
もに、アンモニア液を蒸発させる蒸発器１１と、この蒸
発器１１で発生したアンモニア蒸気を水溶液に接触させ
吸収させる吸収器１４と、アンモニア蒸気を吸収した高
濃度水溶液を圧送する低圧ポンプ１９と、この低圧ポン
プ１９によって圧送される高濃度水溶液を冷媒蒸気発生
装置に送り込む手前で予熱する熱交換器３１と、冷媒蒸
気発生装置から導出される低濃度水溶液を冷却する熱交
換器２３と、この熱交換器２３で冷却された低濃度水溶
液を減圧して吸収器１４に導く減圧弁２６とを含んで吸
収・冷凍サイクルが構成される。

【００１４】冷媒蒸気発生装置は、トレイを多段に備え
て、溶液は上から下に、蒸気は下から上に向流接触させ
ることによって、アンモニア水溶液から純度の高いアン
モニア蒸気を効率的に発生することが可能な高圧蒸留塔
１および低圧蒸留塔５と、高圧蒸留塔１で発生した蒸気
のアンモニア蒸気純度を上げるための分縮器３と、凝縮
器７から導出されるアンモニア液の一部を減圧して低圧
蒸留塔５に送り込む減圧弁２８と、低圧蒸留塔５の中濃
度水溶液を高圧蒸留塔１に圧送するための高圧ポンプ２
２と、高圧蒸留塔１で発生した高圧アンモニア蒸気を駆
動流体として低圧蒸留塔５内の低圧アンモニア蒸気を吸
引し、混合して凝縮器７に送り込ませるエゼクタ４とを
含んで構成される。

【００１５】図２は図１で示される吸収式冷凍機におけ
るアンモニア濃度−エンタルピ関係線図である。図１お
よび図２を参照して冷凍運転の態様を以下に説明する。
高圧蒸留塔１で、たとえばスチームなどの加熱源２４か
ら蒸発潜熱を得て発生した高圧アンモニア蒸気２は、分
縮器３で含有する水蒸気が除かれて純度が上がってエゼ
クタ４に駆動流体として入る。このエゼクタ４の吸引効
果によって、低圧蒸留塔５内においてアンモニア水溶液
から発生する低圧アンモニア蒸気６は吸引され、高圧ア
ンモニア、蒸気２と混合するため、中間圧アンモニア蒸
気となり、この中間圧アンモニア蒸気は、凝縮器７に送
られて液化する。凝縮したアンモニア液の一部８は減圧
器２８で減圧された後、低圧蒸留塔５に還流される。ア
ンモニア液の大半部９は、熱回収用の過冷却器１０で蒸
発器１１からのアンモニア蒸気１２によって過冷された
後、減圧器２７で減圧され、蒸発器１１に入る。

【００１６】そして蒸発器１１でブライン１３から熱を
奪取して蒸発したアンモニア蒸気１２は、過冷却器１０
を経て吸収器１１に入り、図３で状態Ｄで示されるアン
モニア濃度が低い低濃度水溶液（３．２ａｔａ，４６°
Ｃ，３８ｗｔ％）１５に吸収される。このときに発生す
る吸収熱は、冷却水１６によって除去される。

【００１７】一方、蒸発器１１に入ったアンモニア液９
はほぼ純粋に近く精留されているが、微量の水分を含ん
でおり、蒸発器１１で水が濃縮して蒸発温度を上昇させ
ないため、一部のアンモニア液１７が蒸発器１１から液
状のままで抜き出され、低圧ポンプ１９の手前で、アン
モニア蒸気１２を吸収して濃度が上がった図３において
状態Ａとして示される高濃度水溶液（３．２ａｔａ，３
４°Ｃ，４４ｗｔ％）と混合する。

【００１８】吸収器１４でアンモニア蒸気１２を吸収し
た高濃度水溶液１８は、低圧ポンプ１９で昇圧され、熱
交換器３１で予熱されて低圧蒸留塔５に入る。ここで、
廃熱などの加熱源２０から熱を得て、アンモニア蒸気６
を発生し、アンモニア水溶液は濃度低下し、図３におい
て状態Ｂとして示される中濃度水溶液（９．７ａｔａ，
７５°Ｃ，４２ｗｔ％）２１となる。中濃度水溶液２１
は、高圧ポンプ２２によって昇圧され、熱交換器２３で
予熱されて、高圧蒸留塔１に入る。ここでも低圧蒸留塔
５と同様にスチーム等の加熱源２４から熱を得てアンモ
ニア蒸気２を発生し、アンモニア水溶液の濃度はさらに
低下し低濃度水溶液２５となる。この図３において状態
Ｃで示される低濃度水溶液（２５ａｔａ，１２５°Ｃ，
３８ｗｔ％）２５は、熱交換器２３，３１で、それぞれ
高圧、低圧各蒸留塔１，５に入るアンモニア水溶液を予
熱し、減圧弁２６を経て吸収器１４に入る。

【００１９】このようにして、低圧蒸留塔５では８０°
Ｃ以下の比較的低温度域の加熱源２０を利用してアンモ
ニア蒸気の発生が可能である。

【００２０】次に本実施例における運転条件例を示す。
まず圧力については減圧弁２７出口→蒸発器１１→低圧
ポンプ１９吸込側間は、３．２ａｔａ、低圧ポンプ１９
吐出側→低圧蒸留塔５→高圧ポンプ２２吸込側間は、
９．７ａｔａ、高圧ポンプ２２吐出側→高圧蒸留塔１→
エゼクタ４入口間は、２０〜４０ａｔａ、エゼクタ４出
口→減圧弁２７→入口間は、１２．９ａｔａである。

【００２１】次にアンモニア濃度は、低濃度水溶液１５
は３８ｗｔ％、高濃度水溶液１８は４４ｗｔ％、中濃度
水溶液２１は４２ｗｔ％で、アンモニア液９は９９．９
ｗｔ％である。温度については、冷却水１６，２９，３
０はいずれも２７°Ｃ（入口温度）、凝縮器７における
アンモニア蒸気の凝縮温度は３４°Ｃ、蒸発器１１にお
ける蒸発温度は−７°Ｃ、吸収器１４での吸収温度は３
４°Ｃとする。

【００２２】また、高圧アンモニア蒸気２を駆動流体と
してエゼクタ４において低圧アンモニア蒸気６を昇圧す
るため、低圧蒸留塔５の操作圧力を凝縮器１０の圧力、
１２．９ａｔａ（アンモニアの３４°Ｃでの蒸気圧相
当）から９．７ａｔａ程度まで下げられるため、低圧蒸
留塔５のリボイラでの蒸発温度が７５°Ｃとなる。した
がって、低圧蒸留塔５に必要な加熱源２０のリボイラ出
口温度は、従来が９０°Ｃ程度であったのが、８０°Ｃ
程度まで利用可能となる。

【００２３】図３は吸収器１４の外観、図４はその基本
的内部構成をそれぞれ示す。吸収器１４内部では、セパ
レートプレート１４ａとコルゲーション１４ｂとが交互
に積み重ねられる。各層の側面は、スペーサーバー１４
ｃによって封止される。一つおきの層の上方から、ノズ
ル１４ｄによって低濃度水溶液をスプレーし、アンモニ
アガスを吸収させる。隣接する層の下方から、冷却水を
流し、アンモニア蒸気の凝縮熱と吸収熱とを除去する。

【００２４】図５は、このようなプレートフィン型熱交
換器の基本構造を示す。熱交換を行うコアー４０は、セ
パレートプレート４１と、コルゲーション４２とを交互
に積み重ね、側面をスペーサーバー４３で塞ぎ、ろう材
４４を用いてろう付けしたもので、補強用のサイドバー
４５も設けることができ、次のような特長を持ってい
る。

【００２５】単位体積当りの伝熱面積を大きくとれ
る。

【００２６】コルゲーション（フィン）の選択範囲が
広く、用途に応じた最適設計が可能である。

【００２７】コンパクト化が可能で、シェルアンドチ
ューブタイプに比べ容積を１／５〜１／１０程度にでき
る。

【００２８】図４に示す向流型や図５に示す直交流型
など、種々のフローパターンが、用途に応じて組める。

【００２９】低濃度水溶液の均一分散の方法としては、
図３に示すようなスプレーの他、図６に示すようないわ
ゆるセレート型のフィンを組み合わせる方法や、熱交換
器上部ヘッダ部の冷却水側のスペーサーバーの長手方向
に、適当な間隔で低濃度水溶液がアンモニアガス流路側
に流下するように溢流口を設けた溝を掘り、セレート型
のフィンに導く方法もある。低濃度水溶液は、滴下しつ
つ水平方向に分散され、その繰り返しで均一化される。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、冷媒
蒸気発生装置に高圧、低圧２種の蒸留塔を設けて、高圧
蒸留塔で発生した高圧アンモニアなどを駆動流体とし
て、低圧蒸留塔で発生した低圧アンモニアなどをエゼク
タで吸引し昇圧することによって、低圧蒸留塔での操作
圧力を低くすることが可能となる。したがって、冷媒蒸
気発生のための駆動熱源の利用可能温度幅が低域側に大
きくなる結果、廃熱等の加熱源の利用度の向上が果たさ
れ、吸収式冷凍機の実用性が高められる。

【００３１】また本発明によれば、アンモニア吸収式冷
凍機の吸収器において、低濃度水溶液をスプレー等によ
り均一分散させる機構を有するプレートフィン型熱交換
器を使用する。これによって吸収器の伝熱係数が向上
し、機器重量、容積を小さくし、機器のコストダウンが
可能となる。その結果吸収式冷凍機の実用性が高められ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の吸収式冷凍機の系統図であ
る。

【図２】図１に示される実施例の冷凍サイクル図であ
る。

【図３】図１に示される吸収器１４の簡略化した正面図
である。

【図４】図１に示される吸収器１４の基本的内部構成を
示す分解斜視図である。

【図５】プレートフィン型熱交換器の基本構造を示す分
解斜視図である。

【図６】セレート型のフィンの一部を示す斜視図であ
る。

【図７】先行技術の吸収式冷凍機の系統図である。

【図８】図７の吸収器５３の断面図である。

【符号の説明】

１ 高圧蒸留等 ３ 分縮器 ４ エゼクタ ５ 低圧蒸留塔 ７ 凝縮器 １１ 蒸発器 １４ 吸収器 １９ 低圧ポンプ ２０，２４ 加熱源 ２２ 高圧ポンプ ２６，２７，２８ 減圧弁

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒蒸気発生装置、凝縮器、蒸発器およ
   び吸収器を含み、凝縮性ガス冷媒／水系を作動媒体とす
   る低温を得るための吸収式冷凍機において、 前記冷媒蒸気発生装置が、吸収器から導入される高濃度
   水溶液を加熱源によって加熱して低圧冷媒蒸気を発生す
   る低圧蒸留塔と、 低圧蒸留塔から導入される中濃度水溶液を加熱源によっ
   て加熱して高圧冷媒蒸気を発生する高圧蒸留塔と、 高圧蒸留塔で発生する高圧冷媒蒸気が駆動流体として導
   かれ、低圧蒸留塔で発生する低圧冷媒蒸気を吸引し、混
   合して、中間圧冷媒蒸気で凝縮器に送るエゼクタとを含
   むことを特徴とする吸収式冷凍機。
2. 【請求項２】 冷媒蒸気発生装置、凝縮器、蒸発器およ
   び吸収器を含み、アンモニア／水系を作動媒体とするア
   ンモニア吸収式冷凍機において、 前記吸収器が、低濃度水溶液をスプレー等によって均一
   分散させる手段と、 プレートフィン型熱交換器とを含むことを特徴とする吸
   収式冷凍機。