(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温再生器、低温再生器、凝縮器、蒸発器および吸収器を含んで構成される臭化リチウム−水系の二重効用形の吸収冷温水機において、
低温再生器から発生される水蒸気を、加圧して凝縮器に供給する蒸気圧縮機と、
前記低温再生器から吸収器に供給される溶液の熱を、吸収器から高温再生器に供給される溶液に与えて、回収する低温溶液熱交換器とを備え、
前記高温再生器から低温再生器に供給される溶液の熱を、吸収器から高温再生に供給される溶液に与えて、回収する高温溶液熱交換器と、
前記蒸気圧縮機で加圧された水蒸気の有する熱を、吸収器から高温再生器に供給される溶液に与えて、回収する熱回収器と、
低温溶液熱交換器、高温溶液熱交換器および熱回収器順で、吸収器から高温再生器に供給される溶液に熱が与えられることを特徴とする吸収冷温水機。
【請求項２】
前記蒸気圧縮機の吐出圧力は、暖房運転時に冷房運転時より高く設定され、前記凝縮器の冷却に使用された冷却水が暖房用の温水として供給されることを特徴とする請求項１記載の吸収冷温水機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギを冷房用あるいは暖房用に利用することができる臭化リチウム−水系の二重効用形の吸収冷温水機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、従来から用いられている臭化リチウム−水系の二重効用形吸収冷温水機の概略的な構成を示す。水を冷媒とし、臭化リチウム（ＬｉＢｒ）水溶液を吸収液とする吸収式冷凍サイクルは、高温再生器１、低温再生器２、凝縮器３、蒸発器４および吸収器５を冷媒や吸収液が循環することによって構成される。冷媒ポンプ６は、蒸発器４内で冷媒である水を噴霧するために使用される。吸収液ポンプ７は、吸収器５で冷媒を吸収して希釈された吸収液を高温再生器１に戻すために使用される。冷暖切替弁８は、冷房運転と暖房運転とを切替える。図７に示す状態は、冷暖切替弁８が閉じて、冷房運転を行う状態を示す。高温および低温熱交換器９，１０は、高温再生器１および低温再生器２でそれぞれ加熱された溶液と、吸収液ポンプ７で高温再生器１に戻される希釈された溶液との間の熱交換を、それぞれ行う。
【０００３】
高温再生器１内にはバーナ１１が設けられ、希釈された臭化リチウム水溶液を加熱して、冷媒である水を蒸発させる。蒸発した水蒸気は低温再生器２内の蒸気管１２に導かれ、高温再生器１で水蒸気を蒸発させて濃度を高めた臭化リチウム水溶液をさらに加熱して濃溶液とする。蒸発した水蒸気は、凝縮器３に流れ、外部から供給される冷却水が流れる冷却水管１３で冷却されて、水蒸気が水となって凝縮する。凝縮した水は蒸発器４に導かれて蒸発し、冷水管１４中を流れる冷水を冷却し、冷却された冷水を用いて冷房を行う。蒸発器４内で蒸発した水蒸気は吸収器５内で、濃溶液に吸収される。水蒸気を濃溶液に吸収する際に発生する熱は、冷却水管１５を流れる冷却水に吸収される。吸収器５内の圧力を低く保つために、抽気装置１６も設けられる。
【０００４】
図８は、図７に示す冷暖切替弁８を開いて、暖房運転を行う状態を示す。吸収器５内で希釈された吸収液は、高温再生器１で加熱濃縮され、冷媒蒸気を発生する。発生した冷媒蒸気は吸収器５に送られる。吸収器５からは蒸発器４にも水蒸気が送られる。蒸発器４内では、冷水管１４内を流れる水と水蒸気とが熱交換し、冷水管１４から温水を取出すことができる。高温再生器１で濃縮された中間濃度の吸収液は、冷暖切替弁８が開いているので、吸収器５に送られる。吸収器５内では、冷媒の水蒸気と吸収液とが混合されて、希釈され、吸収液ポンプ７で高温再生器１に戻される。
【０００５】
図７に示すような吸収冷温水機は、コージェネレーションシステム（ＣＧＳ）で発生する圧力約８ｋｇｆ／ｃｍ2Ｇ、飽和温度１７５℃の水蒸気を、バーナ１１の代わりに熱源として運転するのに適している。図７に示すような二重効用形の臭化リチウム−水系の吸収冷温水機は、冷水や温水を発生させ、冷房や暖房に用いることができる。現時点で、二重効用形の冷温水機の冷房の成績係数（ＣＯＰ）は、熱源として１１．０００ｋｃａｌ／ｍ3を用いる高位発熱量基準で約１．０である。暖房の成績係数は０．８４である。このような吸収冷温水機の特徴は、フロンを使用しない脱フロンで、コージェネレーションシステムの排熱利用ができ、水が冷媒となるのでその潜熱が大きいことにある。
【０００６】
図９は、図７に示すような吸収冷温水機が冷房運転時に動作する基準となる臭化リチウム水溶液の蒸気圧線図と、吸収冷凍サイクルとの関係を示す。実線で示される二重効用吸収冷凍サイクルでは、希釈溶液は「２」で示す状態で、すなわち温度が約３６℃で圧力が約６ｍｍＨｇの状態で吸収液ポンプ７に入る。この希釈溶液は、低温熱交換器１０および高温熱交換器９を通って、「７Ｈ」の状態で高温再生器１に入り、「５Ｈ」の状態まで加熱される。このときの温度は約１５０℃であり、圧力は約７００ｍｍＨｇである。高温再生器１内で「４Ｈ」の状態まで加熱され、約１５５℃となった中間濃度の溶液は、高温熱交換器９を介して低温再生器２に送込まれる。低温再生器２では、「５」の状態で温度が８５℃で圧力が５０ｍｍＨｇとなる。低温再生器２内では、「４」で示す温度が９０℃の状態まで加熱されて、溶液は濃縮され、低温熱交換器１０を介して吸収器５に「６」の状態で供給される。図１０は、臭化リチウム水溶液平衡線図上での吸収冷凍サイクルを示す。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示すような吸収冷温水機では、熱源としてバーナ１１の代わりにコージェネレーションシステムの排熱などを有効に利用することができる。しかしながら、吸収冷温水機で使うことができる熱源の温度の下限は、低温再生器２で発生した水蒸気を、凝縮器３で冷却して液化させるために、冷却水管１３を流れる冷却水の温度と関連している。たとえば、冷却水の出口温度が３７．５℃で凝縮温度が３８℃であれば、低温再生器２内の溶液温度を約９０℃に上げる必要がある。すなわち、低温再生器２内の溶液温度と溶液濃度とから、水蒸気の飽和温度が決まる。溶液濃度を下げれば、加熱すべき溶液温度を下げることができるけれども、溶液の吸収能力が低下する問題がある。また、溶液の吸収能力を上げるため、低温再生器２での溶液濃度を上げると、低温熱交換器１０に臭化リチウムが結晶析出する問題があり、通常は６４〜６５％の濃度で使用されている。
【０００８】
コージェネレーションシステムには、ガスエンジンが使用されることも多い。ガスエンジンでは、ジャケットを冷却水を用いて冷却し、その温度は通常約８０℃に上昇する。ジャケット冷却水は、熱回収装置で約７５℃に冷やして戻されるので、このガスエンジンのジャケット冷却水から排熱を活用するため、二重効用形の吸収冷温水機では、高温側の熱交換器９と低温側の熱交換器１０との間に、排熱回収用熱交換器を設けることもある。排熱回収用熱交換器で希釈溶液を加熱することによって、高温再生器１の熱源となるバーナ１１用のガス燃料や、バーナ１１の代わりに用いる加熱蒸気の使用量の削減が行われている。
【０００９】
しかしながら、排熱回収用熱交換器を設ける方法では、希釈溶液の顕熱上昇にしか排熱を使うことができないので、加熱エネルギの削減は１５％程度に止どまり、また利用することができる排熱量にも制限を受けてしまう。
【００１０】
本発明の目的は、二重効用形の冷凍サイクルを構成する低温再生器で、従来よりも低い温度の排熱を有効に利用することができる吸収冷温水機を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高温再生器、低温再生器、凝縮器、蒸発器および吸収器を含んで構成される臭化リチウム−水系の二重効用形の吸収冷温水機において、
低温再生器から発生される水蒸気を、加圧して凝縮器に供給する蒸気圧縮機と、
前記低温再生器から吸収器に供給される溶液の熱を、吸収器から高温再生器に供給される溶液に与えて、回収する低温溶液熱交換器とを備え、
前記高温再生器から低温再生器に供給される溶液の熱を、吸収器から高温再生に供給される溶液に与えて、回収する高温溶液熱交換器と、
前記蒸気圧縮機で加圧された水蒸気の有する熱を、吸収器から高温再生器に供給される溶液に与えて、回収する熱回収器と、
低温溶液熱交換器、高温溶液熱交換器および熱回収器順で、吸収器から高温再生器に供給される溶液に熱が与えられることを特徴とする吸収冷温水機である。
【００１２】
本発明に従えば、二重効用形の吸収冷温水機で、低温再生器から発生される水蒸気を蒸気圧縮機で加圧して凝縮器に送る。このため、低温再生器での溶液温度を低くしても、昇圧して水蒸気を凝縮器に供給することができ、低温再生器で低い温度の排熱を利用して水蒸気を発生させることができる。たとえば、臭化リチウム−水系では約７５℃までの排熱を利用することができるように低温再生器の溶液温度を約７２℃に加熱し、溶液濃度６５％で２０ｍｍＨｇの飽和水蒸気を発生させる。蒸気圧縮機で、水蒸気を５０ｍｍＨｇに加圧すれば、凝縮温度が３８℃となり、従来の方式では９０℃の溶液温度の場合と同等の冷凍サイクルを構成することができる。また高温再生器で発生する蒸気は、低温再生器で溶液を約８０℃に加熱すればよいので、飽和圧力が３５３ｍｍＨｇとなり、高温再生器の必要溶液加熱温度を約１３５℃に押さえることもできる。したがって、高温再生器の加熱用に供給する蒸気の凝縮温度を約１４０℃程度とすれば、約２．５ｋｇｆ／ｃｍ2Ｇの圧力の蒸気で、二重効用形の吸収冷温水機を運転することが可能となる。たとえば、コージェネレーションシステムで８ｋｇｆ／ｃｍ2Ｇの圧力で蒸気を発生していれば、背圧タービンを回して発電に利用してから高温再生器の加熱に用いることができる。また、コージェネレーションシステムで発生する水蒸気の圧力を３ｋｇｆ／ｃｍ2Ｇに抑えることができれば、排ガスによる放散熱を押さえて効率の向上を図ることができる。さらに、コージェネレーションシステムの排熱回収ボイラ出口の排ガス温度を、循環する温水によって約８０℃近くまで下げ、回収した温熱を吸収冷温水機で利用することもでき、省エネルギ効果を一層高めることができる。
【００１４】
また本発明では、低温再生器で発生する水蒸気を蒸気圧縮機で加圧するときに発生する熱を、熱回収器で高温再生器に供給する溶液に与えて回収するので、熱エネルギの有効な利用を図ることができる。
【００１５】
また本発明で前記蒸気圧縮機の吐出圧力は、暖房運転時に冷房運転時より高く設定され、前記凝縮器の冷却に使用された冷却水が暖房用の温水として供給されることを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、暖房運転時に、蒸気圧縮機の吐出圧力を冷房運転時よりも高めるので、凝縮温度が高くなり、凝縮器を冷却する冷却水の出口温度も高くなる。この冷却水を温水として暖房用に供給する。凝縮器で冷却水に与えられる熱エネルギは、蒸発器で周囲の大気中から吸収される熱エネルギであり、吸収式冷凍サイクルのヒートポンプ作用で蒸発器から吸収器に移行する。蒸気圧縮機の吐出圧力を、たとえば約７７０ｍｍＨｇまで上げれば、蒸気の凝縮温度を約４４．５℃にすることができ、凝縮器で冷却水を４２℃まで加熱することができる。蒸発器の冷媒温度は約５℃であるため、外気温度がこの温度以上であれば、外気から熱を取込むことができ、暖房に有効に利用することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態としての吸収冷温水機２０の概略的な構成を示す。本実施形態の吸収冷温水機２０では、高温再生器２１、低温再生器２２、凝縮器２３、蒸発器２４、吸収器２５、冷媒ポンプ２６、吸収液ポンプ２７、吸収器ポンプ２８、高温溶液熱交換器２９および低温溶液熱交換器３０で、基本的な二重効用形吸水冷凍サイクルを構成する。吸収器ポンプ２８は、低温再生器２２で濃縮された吸収液と、吸収器２５の底部に貯留される吸収液とを、吸収器２５の上部の噴射ノズルに導き、吸収器２５内に噴霧するために使用される。本実施形態では、低温再生器２２から発生する水蒸気を、蒸気圧縮機３１で加圧して、回収熱交換器３２および低温再生器２３内を通過させてから凝縮器２３で凝縮させている。
【００１８】
高温再生器２１の加熱には１４０℃で２．７ｋｇｆ／ｃｍ2Ｇの圧力の水蒸気を使用し、加熱管４１に通して高温再生器２１に貯留されている溶液を加熱する。高温再生器２１で発生した冷媒蒸気である水蒸気は、低温再生器２２内の蒸気管４２内を通って、凝縮器２３に導かれる。凝縮器２３には、冷却水管４３が設けられる。蒸発器２４では冷水管４４が水蒸気の蒸発によって冷却される。吸収器２５では、冷却水管４５が冷媒を溶液に吸収する際に発生する熱を吸収するために設けられる。本実施形態では、吸収器２５の冷却水管４５と凝縮器２３の冷却水管４３とが直接接続されている。
【００１９】
低温再生器２２には、ガスエンジンのジャケット排熱を利用して加熱するための排熱加熱管４６も設けられる。また、高温再生器２１の加熱管４１から排出される水蒸気は、低温再生器２２の蒸気加熱管４７を通過して、蒸気ドレンとして排出される。本実施形態では、高温再生器２１の加熱管４１に、圧力２．７ｋｇｆ／ｃｍ2Ｇで１４０℃の水蒸気を熱源として供給する。高温再生器２１からは、１３５℃で３５３ｍｍＨｇの冷媒蒸気が発生する。この蒸気は、低温再生器２２の蒸気管４２を通って低温再生器２２での溶液濃縮のための加熱を行い、８０℃に温度が下がって凝縮器２３に供給される。低温再生器２２の加熱用に、さらにガスエンジンのジャケット冷却水が８０℃で排熱加熱管４６に供給される。排熱加熱管４６内で、ガスエンジンのジャケット冷却水は７５℃まで温度が下がる。低温再生器２２内の溶液は７２℃となり、２０ｍｍＨｇの水蒸気が発生される。蒸気加熱管４７から排出される水蒸気も７５℃まで温度が下がる。
【００２０】
低温再生器２２から発生する７２℃で２０ｍｍＨｇの水蒸気は、蒸気圧縮機３１で５０ｍｍＨｇの圧力に加圧される。加圧された水蒸気は、回収熱交換器３２および低温再生器２２内の伝熱管４８を通って凝縮器２３に供給される。凝縮器２３内の圧力は５０ｍｍＨｇであり、凝縮温度は３８℃となる。
【００２１】
冷却水は、吸収器２５の冷却水管４５の入側に３２℃で供給され、凝縮器２３の冷却水管４３の出側から３７．５℃として排出される。このとき吸収器２５内の吸収溶液の温度は３５℃となる。この水蒸気の圧力は６．５ｍｍＨｇとなり、蒸発器２４内の水の温度は５℃となる。蒸発器２４では、冷水管４４に供給される１２℃の冷水を７℃まで冷却することができる。
【００２２】
図２は、図１の実施形態と比較のため、蒸気圧縮機３１を用いて構成する仮想的な蒸気圧縮方式冷水発生システムの主要部分のプロセスフローを示す。このプロセスフローに従い、蒸気圧縮機３１を用い、冷水を製造する際の成績係数ＣＯＰを、次の表１に示す。なお、図２で、冷却水はｃｗ、冷水はｃｌで示し、蒸気圧縮機３１の所要軸動力をｗ−ｓｃで示す。また、凝縮器２３と蒸発器２５との間には、減圧弁５０を設けるものとする。
【００２３】
【表１】
0003865346.tif 000002
【００２４】
成績係数ＣＯＰは、冷水能力（６５１ｋｗ：１８５ＵＳＲＴ）を蒸気圧縮機３１の所要軸動力で割った値となる。本実施形態の冷水発生システムのエクセルギ評価を図３に示す。圧縮機効率は７５％とする。評価条件は吸収器２５への冷却水の入口温度を３２℃とし、圧力は大気圧とする。
【００２５】
このように、蒸気圧縮機３１を用いる蒸気圧縮方式では、高温の圧縮蒸気の熱回収ができないため、熱交換器で２７．５％と大きな伝熱損失を生じる。圧縮動力の約４０．２％が冷水の発生に使われる。エンタルピ基準では、投入した軸動力に対して、約５倍の冷熱が得られるけれども、エクセルギ基準では、熱交換器や圧縮機などでエクセルギ損失が生じ、軸動力の約４０％が有効利用されることになる。
【００２６】
図４は、図１に示す実施形態に対応するシミュレーション用のプロセスフローを示す。本実施形態では、図２に示す蒸気圧縮方式冷水発生システムに吸収式冷水発生機を組合わせている。さらに、高圧発生器２１から低温発生器２２に供給する蒸気は、８ｋｇｆ／ｃｍ2Ｇで１７５℃のものを、背圧タービン６０を駆動してから利用している。背圧タービン６０からは、効率η＝７５％で、ｗ−ｓｔｅｘｐの動力を取出すことができる。利用排熱量は、温水入口８０℃、出口７５℃であり、熱量は５８３ｋｗ一定とする。冷媒の吸収サイクル中には、低温再生器２２の排熱加熱管４６と凝縮器２３との間に減圧弁６１、凝縮器２３と蒸発器２４との間に減圧弁６２が存在していることになる。また、低温再生器２２と蒸気圧縮機３１との間、また高温再生器２１と低温再生器２２との間にそれぞれ仮想減圧弁６３，６４を仮定する。本実施形態の圧縮機効率による冷水製造時の成績係数ＣＯＰを表２に示す。
【００２７】
【表２】
0003865346.tif 000003
【００２８】
図５は、図４のシミュレーションに従って得られるエクセルギ解析結果を示す。図２に示す蒸気圧縮方式とほぼ同じ冷水能力（６５４ｋｗ：１８６ＵＳＲＴ）を得る条件で、蒸気圧縮機３１の所要軸動力に対する発生冷水能力ＣＯＰを求めている。ＣＯＰｔは、蒸気圧縮機３１の所要軸動力の代わりに、蒸気圧縮機３１の動力と利用排熱量との合計値で冷水能力を割った値である。図６は背圧タービンに導入した８ｋｇｆ／ｃｍ2Ｇの蒸気について、エクセルギ評価を示す。この図から、８ｋｇｆ／ｃｍ2Ｇ蒸気の１６％を圧力エネルギとして動力回収でき、残りのうちの７８．５％を吸収式冷温水で熱エネルギ回収ができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、低温再生器で発生する水蒸気の圧力を蒸気圧縮機で加圧して凝縮器に供給するので、低い温度の熱を有効に利用して二重効用形の吸収式冷凍サイクルを運転することができる。
【００３０】
また本発明では、蒸気圧縮機で加圧する際に、加熱された水蒸気の熱エネルギを、有効に利用することができる。
【００３１】
また本発明によれば、暖房時にも低温の外気から熱を取出して暖房に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態としての吸収冷温水機２０の概略的な冷凍サイクルの構成を示す系統図である。
【図２】図１の実施形態に含まれる要素で構成する仮想的な蒸気圧縮式冷水発生システムのプロセスフローを示す図である。
【図３】図２のプロセスフローに対応するエクセルギ評価を示す図である。
【図４】図１の実施形態に対応するプロセスフローを示す図である。
【図５】図４のプロセスフローに対応するエクセルギ評価を示す図である。
【図６】図４の背圧タービンに関連するエクセルギ評価を示す図である。
【図７】従来からの基本的な二重効用形吸収冷温水機の概略的な構成を示す系統図である。
【図８】図７の吸収冷温水機の暖房時の運転状態を示す系統図である。
【図９】臭化リチウム水溶液の蒸気圧線図と吸収冷凍サイクルとの関係を示すグラフである。
【図１０】臭化リチウム水溶液平衡線図上の吸収冷凍サイクルを示すグラフである。
【符号の説明】
２０  吸収冷温水機
２１  高温再生器
２２  低温再生器
２３  凝縮器
２４  蒸発器
２５  吸収器
２６  冷媒ポンプ
２７  吸収液ポンプ
２９  高温溶液熱交換器
３０  低温溶液熱交換器
３１  蒸気圧縮機
３２  回収熱交換器
４６  排熱加熱管
５０，６１，６２  減圧弁
６０  背圧タービン
【図１】
0003865346.tif 000004
【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】
0003865346.tif 000009
【図７】
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【図８】
0003865346.tif 000011
【図９】
0003865346.tif 000012
【図１０】
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