(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒と吸収溶液とを使用する種類の吸収式冷却装置であって、この吸収式冷却装置は、高段再生器、低段再生器、吸収器、凝縮器、高温および低温の熱交換器、蒸発器、および閉じた吸収式冷却装置を構成するようにこれらの部品を互いに接続する手段を含んでおり、前記高段再生器の溶液側は、仕切りプレートによって２つのセクションに流体的に分かれており、高温再生器となる一方のセクションから比較的高温で排出されるガスが、排熱回収熱交換器として機能する他方のセクションで冷却され、これにより、総合的なバーナ効率が高まり、
吸収サイクルで循環している希溶液の全てが、前記低温熱交換器に入る前に、前記高段再生器セクションを出る排気ガスと熱交換を行うために前記排熱回収熱交換器を通るように導かれ、これにより、前記低温熱交換器で濃溶液の結晶化が起こる危険性がなくなることを特徴とする吸収式冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、吸収式冷却装置に関し、特に、吸収式冷凍機の高段再生器用の改良された熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直焚きの二重効用吸収冷凍機および暖房機は、蒸発器、吸収器、凝縮器、高段および低段の再生器、分離器、溶液熱交換器、冷媒ポンプおよび溶液ポンプ、バーナおよびガスに関連する一連のアセンブリ、パージユニット、制御装置および補助機器を含む。低い絶対圧力（真空）に保たれた容器内で、水が冷媒として使用される。冷却モードでは、水は真空において低温で沸騰し、蒸発器チューブを通って循環する冷却水を冷却するという原理に基づいて冷凍機が動作する。熱交換を高めるために、冷媒ポンプを使用して蒸発器チューブ上に冷却水を循環させる。
【０００３】
冷却過程を連続したものとするために、冷媒蒸気が発生するに従ってこれを取り除く必要がある。これを達成するために、（親水性が高い）臭化リチウム溶液を使用して水蒸気を吸収する。この過程が続くと、臭化リチウムが希釈され、その吸収能力が低下してしまう。溶液ポンプは、この薄い（希釈された）溶液を再生器に移動し、ここで前に吸収された水が蒸発して希溶液が２段階で再度濃縮される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
高段再生器では、かなりのエネルギが排気ガスによって失われる。当該技術分野において、吸収式冷凍機の運転効率の改善が常に求められている。
【０００５】
従って、本発明の目的は、効率が改善された吸収式装置を提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、吸収式冷凍機用の改良された高段再生器を提供することである。
【０００７】
本発明のまた他の目的は、排熱回収熱交換器を利用して、排気ガスによって失われるエネルギを活用する装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高段再生器の排気に残存するエネルギを回収する装置に関する。
【０００９】
本発明によると、標準型液体チューブ式高段再生器では、熱交換器の端部の近くに仕切りプレートが配置されており、三重効用もしくは二重効用の吸収式冷凍サイクルの高段と低段における高圧側と低圧側を分離している。火炎チューブから仕切りプレートまでのセクションは、三重効用の場合には約６５０°Ｆ（３４３℃）、二重効用の場合には約４００°Ｆ（２０４℃）まで排気温度を上昇させる。排気には、かなりのエネルギが残存しており、このエネルギは、排熱回収熱交換器（ＦＧＲ）と呼ばれる排気流路の残りの部分において、溶液を低圧で予加熱または沸騰させることによって回収される。ＦＧＲは、満液式の熱交換器である。高段再生器とＦＧＲセクションの両方の液体チューブが、同じ高さで図示されているが、ＦＧＲのチューブは、充填溶液を減少させるために比較的高く設けることができる。飽和した（即ち加熱された）溶液もしくは溶液と蒸気の混合物は、従来の低段再生器に導かれ、ここで高段再生器で発生した高圧蒸気を利用してさらに多くの蒸気を発生させることによって、高性能の吸収サイクルが実現される。本発明の主な目的は、特定容量の二重効用冷凍機における従来の高段再生器を改良して、三重効用装置を実現することである。本発明の三重効用冷凍機は、（成績係数が比較的高いために）比較的低いガス点火率を有するので、排気側の流れの長さが実質的に変化せず、従って、（流量の低下によって）総圧力降下がより低くなる。仕切りプレートの追加によって再生器に加わるコストは僅かなので、経済的でかつコンパクトな高段再生器が得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、ＬｉＢｒ−水を作動流体として使用し、かつ冷却モードで動作している典型的な順方向連続（ｆｏｒｗａｒｄ  ｓｅｒｉｅｓ）吸収式冷凍サイクルを示している。図２は、図１のサイクルのＴ−Ｘ線図を示している。
【００１１】
吸収サイクルを以下に説明する。吸収器Ａを出る臭化リチウム（ＬｉＢｒ）の希溶液は、点１から点２まで低温熱交換器Ｈ２で加熱され、これにより、低段再生器Ｇ２を出る濃溶液が点８から点９まで冷却される。低温熱交換器Ｈ２を出る希溶液は、濃溶液を点５から点６まで冷却するときに生じる熱を利用して高温熱交換器Ｈ１で点３まで加熱される。高温熱交換器Ｈ１を出る希溶液は、点４まで予加熱されてから、高段再生器Ｇ１で蒸発して溶液濃度を点５まで高める。高段再生器Ｇ１で発生した蒸気は、低段再生器Ｇ２のチューブで凝縮されるとともに、低段再生器Ｇ２のシェル側で低圧蒸気を生じさせ、これによって溶液濃度を点７から点８へと上昇させる。６から７および９から１０のそれぞれの過程は、過熱された溶液が低圧環境に導かれたときに生じる急速な蒸発（ｆｌａｓｈｉｎｇ）過程であり、等エンタルピー膨張によって蒸気が発生する。熱交換器Ｈ１，Ｈ２は、理想的には、急速な蒸発が起こらないように設計されることが望ましい。図２中の温度は、吸収サイクルにおいて、検討されている種々の状態点の公称温度を示している。
【００１２】
熱交換器Ｈ１，Ｈ２の熱交換器効率は、理論上の最大エネルギ伝達率に対する実際のエネルギ伝達率の比率として定義される。この値は、濃溶液の入口温度と希溶液の入口温度の差に対する、ｍ．ｃp（ここで、ｍは質量流量、ｃpは比熱）の値が比較的低い流体蒸気の温度差の比率として計算される。例えば、この特定の場合には、濃溶液のｍ．ｃpは、希溶液のｍ．ｃpよりも低い。従って、高温熱交換器Ｈ１の効率は、∈＝（１５５−９２）／（１５５−７２）＝７５．９％として計算される。低温熱交換器Ｈ２の効率は、∈＝（９２−５２）／（９２−３８）＝７４．１％である。これらの熱交換器の効率は、吸収式サイクルの総合的な成績係数（ＣＯＰ）を求めるときに重要な役割を果たす。
【００１３】
高段再生器Ｇ１でサイクルに外部のエネルギが供給され、このエネルギは、点３から点４まで溶液を予加熱するとともに点４から点５まで蒸気を発生させるために利用される。熱交換器Ｈ１，Ｈ２の効率が高まれば、点３から点４まで溶液を予加熱するために使用されるエネルギを最小化することができる。しかし、このとき、点９の温度が、濃溶液の結晶化の危険性があるレベルまで減少するおそれがある。例えば、６４％の溶液の結晶化温度は３８．２℃である。低温熱交換器Ｈ２の効率が９５％であれば、点９の出口温度は４０．７となる。従って、低温熱交換器Ｈ２の効率を高めることによって、低温熱交換器Ｈ２における濃溶液の結晶化のおそれが大きくなってしまう。
【００１４】
直焚きの吸収式冷凍機では、高段再生器Ｇ１を出る排気ガスの温度が（約１９０℃と）比較的高い。この排気ガスを有効に利用すれば、相当のエネルギを回収することができる。図５は、このようなエネルギの回収を可能とする改良された高段再生器Ｇ１設計を示している。
【００１５】
図３，図４に示した吸収式サイクルを以下に説明する。吸収器Ａを出る希溶液は、２つの流れに分流される。一方の流れは、低温熱交換器Ｈ２で点１から点２まで加熱され、これにより、低段再生器Ｇ２を出る濃溶液が点７から点８まで冷却される。吸収器を出る他方の流れは、高温熱交換器Ｈ１で点３まで加熱され、これにより、高段再生器Ｇ１を出る濃溶液が点５から点６まで冷却される。高温熱交換器Ｈ１を出る希溶液は、点４まで予加熱されてから、高段再生器Ｇ１で蒸発して溶液濃度を点５まで高める。高段再生器Ｇ１で発生した蒸気は、低段再生器Ｇ２のチューブで凝縮されるとともに、低段再生器Ｇ２のシェル側で低圧蒸気を生じさせ、これによって溶液濃度が点２から点７へと上昇する。図４は、吸収サイクルにおいて、検討されている種々の状態点の公称温度を示している。
【００１６】
高段再生器Ｇ１でサイクルに外部エネルギが供給され、このエネルギは、点３から点４まで溶液を予加熱するとともに点４から点５まで蒸気を発生させるために利用される。熱交換器Ｈ１，Ｈ２の効率が高まれば、点３から点４まで溶液を予加熱するために利用されるエネルギを最小化することができる。しかし、このとき、点８の温度が、濃溶液の結晶化の危険性があるレベルまで減少するおそれがある。例えば、６４％の溶液の結晶化温度は３８．２℃である。低温熱交換器Ｈ２の効率が９５％であれば、点９の出口温度が４０．７℃となる。従って、低温熱交換器Ｈ２の効率を高めることによって、低温熱交換器Ｈ２における濃溶液の結晶化のおそれが大きくなってしまう。
【００１７】
図５は、本発明に係る高段再生器Ｇ１の側方断面図であり、仕切りプレート１６によって再生器の溶液側が２つのセクション１２，１４に分かれている。バーナ１８は、燃焼セクション２０に火炎を提供しており、煙セクションが符号２２として示されている。図５で仕切りプレート１６の左側のセクション１２は、高段再生器Ｇ１の典型的な構成である。排気ガスは、高段再生器Ｇ１から高温（１９０℃）で出る。低温溶液の供給源によっては、排気ガスをさらに低い温度まで冷却することができる。このセクション１４は、以下で排熱回収熱交換器（ＦＧＲ  ｆｌｕｅ  ｇａｓ  ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ）と呼ぶ。典型的な高段再生器Ｇ１は、８０〜８２％のバーナ効率を有し、これは、燃料の利用可能なエネルギの１８〜２０％が、高温の排気ガスとして浪費されていることを意味する。この浪費されるエネルギの半分をサイクルで利用すれば、サイクルの成績係数をかなり高めることができる。本発明の以下の実施例は、この改良された設計を使用している。
【００１８】
【実施例】
実施例１：吸収器（点１）を出る溶液の加熱
この実施例は、図６，図７に示されている。溶液は、３８℃で吸収器を出る。図６から分かるように、この点がサイクル内で最も低温である。浪費される熱の半分が利用されれば、ＦＧＲで溶液の温度を３８℃から４８℃に上昇させることができる。これにより、低温側の温度が必ず溶液の結晶化温度よりも高くなるので、結晶化の危険性なく低温熱交換器Ｈ２を非常に高い効率で使用することが可能となる。
【００１９】
実施例２：吸収器を出る溶液の流れの分流
図９Ｂに示すように、吸収器を出る溶液の全流量の一部がＦＧＲを通過するように導かれる。ＦＧＲで総入力エネルギの１０％が回収され、吸収器を出る溶液の流量の１０％がＦＧＲを通過すると、図９Ａに示す温度を得ることができる。１’から３’は、ＦＧＲによる溶液の加熱である。この場合、結晶化のおそれは、基準となる図１の実施例と同様である。
【００２０】
実施例３：低温熱交換器Ｈ２を出る希溶液の流れの分流
この実施例は、図１０Ａ，図１０Ｂに示されている。この実施例は、実施例２と同様であるが、吸収器を出る溶液の流れを分流する代わりに、低温熱交換器Ｈ２を出る希溶液の流れが分流される。この場合には、低温熱交換器Ｈ２を出る溶液温度は、まだ７２℃であるが、分流された流れがＦＧＲによって１４５℃まで加熱されるとともに、残りの溶液も高温熱交換器Ｈ１で１４５℃まで加熱される。この実施例では、２から３は、高温熱交換器Ｈ１で実行される加熱であり、２’から３’は、ＦＧＲで実行される加熱である。
【００２１】
実施例２，３では、低温熱交換器Ｈ２または高温熱交換器Ｈ１に入る希溶液がＦＧＲで加熱される。ＦＧＲを出る加熱された希溶液は、低温熱交換器Ｈ２を出る希溶液または高温熱交換器Ｈ１を出る希溶液と混ざる。混ざることによる損失を防ぐとともに吸収式サイクルの熱力学的効率を高めるために、ＦＧＲを出る加熱された溶液の温度を、これと混ざる溶液の温度に非常に近くなるように持ってくることが重要である。これは、２つの方法によって達成可能である。第１の方法は、固定されたオリフィスまたは現場で調整可能なバルブなどの機械的な装置であり、第２の方法は、電子制御バルブである。
【００２２】
図８は、実施例２の機構を示しており、ＦＧＲで加熱された溶液が、高温熱交換器Ｈ１を出る加熱された希溶液と混ざる。全負荷状態では、高段再生器を出る排気ガスは、一般に１９０〜２１０℃であり、高段再生器の効率によって左右される。吸収器を出る希溶液は、一般に３８℃である。高段再生器を出る排気ガスの温度が２００℃であり、ＦＧＲの効率が８０％であると仮定すると、ＦＧＲを出る排気ガスの温度は７０℃となる。２０％の過剰空気を含む天然ガスを使用する場合には、バーナの正味効率を８２．４％から８８％に高めることができる。ＦＧＲで回収可能なエネルギ量が分かれば、ＦＧＲと高温熱交換器Ｈ１のそれぞれを出る溶液温度が等しくなるように、ＦＧＲに入る流れの割合を計算することが可能となる。次に、ＦＧＲは、計算されたＦＧＲの溶液流量によって所望の熱を回収するように設計される。続いて、ＦＧＲと、熱交換器Ｈ２，Ｈ１と、を通る並列流路に関して、希溶液の流れの圧力降下が計算される。圧力降下が比較的低いほうの溶液管路にオリフィスが追加され、両方の並列流路における圧力降下が等しく調整される。電子制御バルブの場合には、混ざり合う２つの流れの温度を検出するために２つの温度センサが使用される。バルブ位置は、制御装置によってバルブを開くかまたは閉じることにより、２つの混ざり合う流れの温度が等しくなるように決定される。
【００２３】
実施例４：排気ガスを利用して低段再生器Ｇ２で蒸気を発生させる
溶液温度が８７〜９７℃のときに、１９０℃の排気ガスを使用して低段再生器Ｇ２で蒸気を発生させることができる。図１１は、このような構成を示しており、要素１６，１８，２０，２２は、図５と同様である。
【００２４】
図１２に概略的に示したように、従来の低段再生器Ｇ２に入る溶液の一部が、ＦＧＲにバイパスされる。ＦＧＲは、高段再生器Ｇ１と同様に機能し、設計によって熱サイフォン形リボイラまたは満液式蒸発器として機能する。その蒸発器側は、従来の低段再生器Ｇ２と接続されており、低段再生器Ｇ２とＦＧＲとが共に同じ圧力で動作するように設けられている。このＦＧＲは、“回収熱交換器−Ｇ２”または“補助的なＧ２”と呼ばれる。
【００２５】
実施例５
この実施例は、図１３Ａ，図１３Ｂに示されている。この実施例では、低温熱交換器Ｈ２を出る希溶液がＦＧＲを通過するように導かれる。低温熱交換器Ｈ２から出る希溶液の温度は、一般に最低負荷における５５℃と全負荷における７２〜８０℃との間であり、低温熱交換器Ｈ２の効率に左右される。例えば、連続するサイクルでは、低温熱交換器Ｈ２を出る希溶液をＦＧＲで７２℃から７８℃に加熱すると、排気ガスから浪費される熱を回収するのを補助することができる。この熱を有効に利用するには、高温熱交換器Ｈ１を出る濃溶液がＦＧＲがない場合の温度まで充分に冷却されるように、比較的効率が高い高温熱交換器Ｈ１を利用することが重要である。これは、低段再生器に入る濃溶液の過度な蒸発を防ぐためであり、このような状況は、排熱の回収のためにＦＧＲを使用する効果を打ち消すおそれがある。この方法の主な利点は、排気ガスと接触するＦＧＲの熱交換面を、排気ガスの露点よりも高く保つことができる点である。従って、熱交換面上の結露を防ぐことができる。これは、排気ガスの結露による熱交換面の腐食を防ぐために重要であり、炭素鋼などの通常の材料を使用することが可能となる。実施例１，２の場合には、排気ガスの結露のおそれがあり、ステンレス鋼などの特殊な耐食合金材料の使用が必要となる。従って、実施例５は、低コストの排気ガス回収方法を提供する。
【００２６】
実施例６
この実施例は、図１４Ａ，図１４Ｂに示されている。この実施例は、実施例２と同様である。ここでは、吸収式サイクルで循環する溶液の流れが２つの部分に分流される。一方の部分は、低温熱交換器Ｈ２の濃溶液と熱交換を行い、他方の部分は、ＦＧＲ内の排気ガスと熱交換を行う。これらの部分は、ＦＧＲと低温熱交換器Ｈ２のそれぞれを出る希溶液の温度が、ほぼ等しくなるように決定される。これらの２つの溶液の流れは混ざり、混ざった流れは、続いて高温熱交換器に入る。
【００２７】
本発明は、図示の好適実施例に従って開示および説明したが、当業者であれば分かるように、請求項に記載した本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、細部に関して種々の変更を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】順方向連続吸収式冷凍サイクルの概略説明図である。
【図２】ＬｉＢｒと水を使用する典型的な順方向連続吸収式冷凍サイクルのＴ−Ｘ線図である。
【図３】並列連続吸収式冷凍サイクルの概略説明図である。
【図４】ＬｉＢｒと水を使用する典型的な並列吸収式冷凍サイクルのＴ−Ｘ線図である。
【図５】本発明に係る高段再生器の改良された設計を示す断面図である。
【図６】本発明に係る排熱回収熱交換器における、吸収器を出る溶液の加熱を示すＴ−Ｘ線図である。
【図７】本発明に係る排熱回収熱交換器における、吸収器を出る溶液の加熱に関する移動経路を示す概略説明図である。
【図８】実施例２の選択可能な種々の機構を示す概略説明図である。
【図９】図９Ａは、排熱回収熱交換器を利用してバイパスされた溶液を加熱することを示す概略説明図であり、図９Ｂは、対応するＴ−Ｘ線図である。
【図１０】図１０Ａは、熱交換器２を出るバイパスされた希溶液を加熱することを示す概略説明図であり、図１０Ｂは、対応するＴ−Ｘ線図である。
【図１１】排熱回収熱交換器を補助再生器として使用することを示す断面図である。
【図１２】排熱回収熱交換器を補助再生器として使用するサイクルの概略説明図である。
【図１３】図１３Ａは、排熱回収熱交換器で低温熱交換器Ｈ２を出る溶液を加熱することを示すＴ−Ｘ線図であり、図１３Ｂは、対応する移動経路の概略説明図である。
【図１４】図１４Ａは、低温熱交換器Ｈ２と並列に、吸収器から出る溶液を排熱回収熱交換器で加熱することを示すＴ−Ｘ線図であり、図１４Ｂは、対応する移動経路の概略説明図である。
【符号の説明】
１２，１４…高段再生器の２つのセクション
１６…仕切りプレート
１８…バーナ
２０…燃焼セクション
２２…煙セクション
Ｇ１…高段再生器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0003966770.tif 000011
【図１１】
0003966770.tif 000012
【図１２】
0003966770.tif 000013
【図１３】
0003966770.tif 000014
【図１４】
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