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特集論

文

大容量世界最高効率（蒸気消費率3.5 kg/h・USRt）吸収冷凍機
Large Capacity and High Performance
Absorption Chiller（Steam Consumption Rate
3.5 kg/h・USRt）
和 島 一 喜＊1
Kazuki Wajima

藤原誠＊2

Makoto Fujiwara

天 野 松 幸＊1
Matsuyuki Amano

福島

Ryo Fukushima

亮＊1

大 武 幹 治＊3

Mikiharu Otake

大容量世界最高効率吸収冷凍機を開発した．熱損失を削減するために可能な限り排熱回収を行い，回収した熱量をより有効に活用するよう，最適な冷凍サイクルを選定した．このサイクルを適用し，従来機と設置スペースを同等で性能を約 3.5 ％向上させた蒸気消費率 3.76 kg/h・USRt 機，さらに新型熱交換器の採用により世界最高効率を達成した蒸気消費率 3.5 kg/h・USRt 機を製作し，その性能を検証した．本冷凍機により，顧客の幅広いニーズに柔軟に対応できるとともに，エネルギーの有効利用に貢献できる．

1．はじめに

2．開発機の特徴

地域冷暖房等に使用される大容量の蒸気吸収冷凍機開発した高効率機の特徴は，は，近年の地球温暖化やエネルギー問題等エネルギー（1）蒸気消費率 3.76 kg/h・USRt 機の有効利用のニーズから，高効率化が望まれている．

従来機から溶液及び冷却水フローを見直し，各熱

当社は，他社に先駆けて蒸気消費率 3.9 kg/h・USRt

交換器の温度効率や機器サイズは従来機と同一としの吸収冷凍機を開発し，地域冷暖房施設やビル空調施て性能を向上させた機械である．

設に納入し，エネルギーの有効活用に貢献してきた．

（2）蒸気消費率 3.5 kg/h・USRt 機
蒸気消費率 3.76 kg/h・USRt 機から更に新型熱交

しかしながら，市場では更なる省エネルギー化が望まれており，従来機よりも高効率化した機械が必要とされている．

（試 算 条 件）

そこで，従来の蒸気消費率 3.9 kg/h・USRt 機の冷冷 凍 能 力（USRt） 1 500

凍サイクルを再度検討し，作動媒体であるリチウムブ

年間運転時間（hr） 5 000

ロマイド溶液フローの見直しによる各熱交換器での効平均負荷率（％）

75

率的な熱回収手法，冷却水への放熱等による熱損失を蒸代（円/kg）

4

気12 000

10 540万円

シミュレーションにより比較検証し，高効率冷凍サイ

10 000

電気
1 770

電気
1 770

蒸気8 770

蒸気8 460

クルの選定を行った．
本論文では，このサイクルシミュレーションの概要とともに，新サイクルを採用した冷凍能力
3 000 USRt ／蒸気消費率 3.76 kg/h・USRt 機及び世界最高効率となる冷凍能力 1 200 USRt ／蒸気消費率
3.5 kg/h・USRt 機の検証結果について報告する．
注：USRtは冷凍能力を示す単位で 3 024 kcal/h．蒸気消費率は１USRtを得るために必要な蒸気量を表す．
冷熱事業本部大型冷凍機部設計課
技術本部名古屋研究所次長＊3
技術本部高砂研究所燃焼伝熱研究室主席＊1＊2

年間運転費（万円）

可能な限り削減することによるサイクルの高効率化を

8 000

10 230万円
9 650 万円
（310万円/年節減）（890万円/年節減）
電気
1 770

6 000
4 000

蒸気
7 880

2 0000従来機

図１ 運転費用の試算

3.76 kg/h・USRt 機 3.5 kg/h・USRt 機

開発機は従来機に対し，運転費用を大幅に低減できることを示す．

99換器の採用，他熱交換器の性能向上等を図って，世分配慮して開発し，市場での実績を得た機械である．

界最高効率を達成したものである．

よって，開発機は主要な熱交換器構造や設計・製作の1 500 USRt 機を例にとった運転費用の比較を図

基本思想は従来機から変更しないこととした．

１に示す．従来機に対して，蒸気消費率 3.76 kg/h・

3．2

USRt 機では年間約 310 万円，蒸気消費率 3.5 kg/h・従来機のフローと開発機のフローを図２に示す．従

USRt 機では年間約 890 万円の運転費削減が可能と来機と開発機のフローの主な違いは，（1）溶液フローなる．

（熱回収器及び低再ドレン熱回収器の配置）と（2）冷却水フローである．

3．サイクルシミュレーション
3．1

概シミュレーション結果

3．2．1

要

溶液フローの比較

高圧再生器管内で凝縮した蒸気ドレンの顕熱回収を高効率サイクルの選定に当たっては，サイクルシミ行う熱回収器及び低圧再生器管内で凝縮した凝縮冷媒ュレーションを用いて検討を行った．サイクルシミュの顕熱回収を行う低再ドレン熱回収器の配置による冷レーションは，サイクル内の熱交換器性能を，実機運凍機性能を比較した．熱回収器，低再ドレン熱回収器，転結果や要素試験結果からその運転状態におけるポイ低温・高温熱交換器をすべて直列に並べたケース１，ントで計算し，その性能と熱交換器容量，冷水，冷却熱回収器，低再ドレン熱回収器と低温・高温熱交換器

水や蒸気等の運転条件による冷凍機サイクルの計算をを並列に配置し，熱回収器を経た溶液を低圧再生器へ行って，その運転状態をシミュレートするものであり，流入させるケース２，熱回収器，低再ドレン熱回収器

一般空調機や従来機の運転データ等と比較してその妥と低温・高温熱交換器を並列に配置し，熱回収器を経当性を確認している．このサイクルシミュレーション

た溶液を高圧再生器へ流入させるケース３について冷により，熱交換器の容量変更，溶液などのフローの変凍機運転状態をシミュレートし，蒸気消費量割合につ更，運転条件を変更した場合でもその運転状態を予測いて比較した結果を図３に示す．

することが可能となる．

この結果より，熱回収器と低温・高温熱交換器を直また，従来機である蒸気消費率 3.9 kg/h・USRt 機列に配置するケース１より並列に配置するケース２のは設計・製作・検証の各段階において信頼性確保に十方が蒸気消費量を削減できることが分かる．これは，希溶液が吸収器から再生器に至るまでに昇温される過：溶液：冷水・冷却水・蒸気

：冷媒

凝縮器

れの熱交換器における温度変化幅は大きくなるので，低圧再生器
吸収器

蒸発器

蒸気ドレンや凝縮冷媒からの熱回収を効果的に行うこ

低再ドレン
熱回収器

冷水

程において，熱交換器を並列に配置した方が，それぞ

1.02

冷却水
熱源蒸気
低温熱交

低温熱交
従来機

：溶液

冷却水フロー変更

低圧再生器

吸収器蒸発器

0.99
0.98
0.97

0.95
（ケース1）
凝縮器

FD

DE

B

熱回収器
冷却水

フロー比較

DACEA

図２

FB

B
C

溶液フロー変更

熱源蒸気

低温熱交

高温熱交

開発機

（ケース 3）（ケース 2）
F

低再ドレン
熱回収器

冷水

従来機

10.96

：冷水・冷却水・蒸気

：冷媒

1.01
蒸気消費量割合

熱回収器

高圧
再生器

高圧
再生器

冷媒冷却器

従来機と開発機のフローの比較を示す．

AEC溶液溶液溶液
A：低再ドレン熱回収器, B：熱回収機, C：低温熱交,
D：高温熱交, E：低圧再生器, F：高圧再生器

図３ 溶液フローによる性能比較

溶液フローの違いによる性能比較結果で，同じ冷凍能力を得るための蒸気消費量割合を示す．ケース３が最も蒸気消費量を低減できることが分かる．
三菱重工技報 Vol.41 No.2（2004-3）

100とができ，性能向上を図れるためである．

ーを採用した．

また，熱回収器及び低再ドレン熱回収器で回収した

3．2．3

その他の性能向上技術

熱量を低圧再生器に流入する溶液の加熱に用いるケー

蒸気消費率 3.76 kg/h・USRt 機は前述のフロー変更

ス２より，高圧再生器に流入する溶液の加熱に用いるにより，性能向上を図ったが，蒸気消費率 3.5 kg/h・ケース３の方が蒸気消費量を削減できることが分か

USRt 機では更なる性能向上を達成するため，以下のる．本開発機は二重効用サイクルであるため，高圧再技術を適用した．

生器で加熱・濃縮された溶液から発生する冷媒蒸気

凝縮器で凝縮した冷媒が蒸発器に流入する際，そのは，低圧再生器の溶液の加熱・濃縮にも用いられる．

圧力差により，冷媒の一部が蒸発器で蒸発し，これがしたがって，高圧再生器での冷媒発生量の増加を図る吸収器で溶液に吸収される．この冷媒蒸気は冷水を冷ため，高圧再生器に流入する溶液を加熱する方が，回却するために発生した蒸気とは異なる無効蒸気となる

収熱量を有効に活用し，性能向上を図ることができる．

ので，この蒸気発生分は性能損失となる．図５に示す

この結果より，開発機にはケース３の溶液フローをように，このロスを削減するため冷媒温度を下げ，無採用した．

効蒸発量を抑制する冷媒冷却器を採用することによ

3．2．2

冷却水フローり，蒸気消費量は削減できる．

冷却水のフローによる冷凍機性能を同様に比較しまた，プレートパターンを見直した新型高性能プレた．冷却水を吸収器，凝縮器にそれぞれ分岐して供給

ート熱交換器の高温・低温熱交換器への適用及び高性するケース１，従来機で採用した吸収器途中で冷却水

能伝熱管の適用等，熱交換器の性能向上を図ることにを吸収器後流側と凝縮器に分岐させるケース２，冷却より，蒸気消費率 3.5 kg/h・USRt を達成した．各適水を吸収器から凝縮器にシリーズで流すケース３につ用技術の性能への寄与度を図６に示す．

いて冷凍機運転状態をシミュレートし，蒸気消費量割合について比較した結果を図４に示す．

4．性 能 検 証

吸収器性能と凝縮器性能の全体性能への影響度は吸３章のサイクルシミュレーション結果に基づき，各収器性能の方が大きい．よって，吸収器での冷却水温検討技術を適用して，実機の計画・設計・製作を行い，度をより低く保ち，溶液との温度差を大きくとって吸工場運転及び現地での実運転によってその性能検証を収器の性能向上を図るケース３のシリーズフローが最行った．

も蒸気消費率を低減できる．従来，大容量の吸収冷凍

4．1 蒸気消費率 3.5 kg/h・USRt 機の検証機では，シリーズフローとすると冷却水の圧力損失が冷凍能力 1 200 USRt，蒸気消費率 3.5 kg/h・USRt

大きくなるため，冷却水は分岐させたケース１，ケー機の設計／製作を行った．主要仕様を表１に示す．冷ス２を採用してきた．しかしながら，管内圧力損失の凍機は製作後，工場運転でその性能検証を実施し，ま小さい伝熱管を採用することにより，シリーズフローた，納入後も現地にて実運転条件下での性能検証を実でも冷却水の圧力損失を抑えることができる．

施した．性能検証結果を図７に示す．

1.010

1.005

1.005

1

従来機

1.000
0.995
0.990
0.985

従来機

0.995
0.99
0.985
0.98
0.975
冷媒冷却なし0.980（ケース1）（ケース2）
冷却水出
冷却水出
C
冷却水入

B

CA

冷却水入

（ケース3）

BCA

冷却水出
冷却水入

B

冷媒冷却あり

凝縮器

凝縮器

凝縮冷媒
冷却水

凝縮冷媒
冷 媒
冷却器

A

A：下段吸収器, B：上段吸収器, C：凝縮器

図４

図７に示すように工場，及び現地での実運転におい蒸気消費量割合

蒸気消費量割合

この結果より，開発機にはケース３のシリーズフロ

冷却水フローによる性能比較
冷却水フローの違いによる性能比較結果で，同じ冷凍能力を得るための蒸気消費量割合を示す．ケース３が最も蒸気消費量を低減できることが分かる．

蒸発器

図５ 冷媒冷却器による性能比較

蒸発器

冷媒冷却器有無による性能比較結果で，同じ冷凍能力を得るための蒸気消費量割合を示す．冷媒冷却器適用により，蒸気消費量を低減できることが分かる．

101

3.9120従来機〈溶液フロー〉〈冷却水フロー〉3.76 kg/h・USRt 機

3.85
3.83.75100
蒸気消費量（％）

蒸気消費率（kg / h・USRt）

3.95〈冷媒冷却器〉
新型プレート
熱 交 換 器

3.7
3.65
3.6

熱交換器
性能向上他
3.5 kg/h・USRt 機

3.55
3.5806040：工場検証結果：現地検証結果：予想性能曲線203.45

図６ 各適用技術の寄与度減への寄与度を示す．
〈0開発機に適用した各技術の蒸気消費量低〉は適用技術を示す．

20406080

100120冷 凍 能 力（％）

図７ 3.5 kg/h・USRt 機実機検証結果
表２ 3.76 kg/h・USRt 機主要仕様

主要仕様

主要仕様

冷凍能力（USRt） 1 200

冷凍能力（USRt） 3 000

蒸気消費量（kg / h） 4 200

蒸気消費量（kg / h） 11 280

蒸気消費率 （kg / h・USRt）

3.5

蒸気消費率

（kg / h・USRt） 3.76

冷水入口温度（°C）

14.0

冷水入口温度（°C） 13.5

冷水出口温度（°C）

7.0

冷水出口温度（°C）（m3 / h）

520

冷水流量

冷却水入口温度

（°C）

29.0

冷却水入口温度（°C） 32.0

冷却水出口温度（°C）

34.5

冷却水出口温度（°C） 40.0

冷水流量

冷却水流量（m3 / h） 1 152

冷却水流量

6.5（m3/h） 1 296（m3/h） 1 938

120100
蒸気消費量（％）

表１ 3.5 kg/h・USRt 機主要仕様

蒸気消費量の予想性能曲線と工場及び現地での検証結果で，仕様を満足していることを示す．

806040：現地検証結果：予想性能曲線

200204060

80

100120冷 凍 能 力（％）て，ともに仕様値を満足し，世界最高性能である蒸気
図８ 3.76 kg/h・USRt 機実機検証結果

消費率 3.5 kg/h・USRt を達成した．
4．2

蒸気消費量の予想性能曲線と現地での検証結果で，仕様を満足していることを示す．

蒸気消費率 3.76 kg/h・USRt 機の検証

冷凍能力 3 000 USRt，蒸気消費率 3.76 kg/h・USRt機の設計／製作を行った．本機は 3 000 USRt と大容量であることより，工場での運転は行わず，現地で性幅広いニーズにも柔軟に対応した機器の計画・設計が能検証を行った．製作機の主要仕様を表２に示す．

可能となる．

冷凍機性能の検証は現地据付後，実運転条件下で実しかしながら，今後も更なる省エネルギーが期待さ施した．冷凍機性能の検証結果を図８に示す．本図にれることが考えられ，この期待にこたえていけるよう示すように冷凍機性能は仕様値を満足した．また，各更なる高効率機の開発を継続していく．

熱交換器性能もサイクルシミュレーションに用いた熱交換器の予想性能から逸脱しておらず，サイクルシミュレーションの妥当性も確認できた．

5．まとめ

蒸気消費率 3.9 kg/h・USRt である従来機とともに，今回開発，検証し納入した蒸気消費率 3.76 kg/h・

和島一喜

天野松幸

藤原誠

大武幹治

福島亮

USRt 機及び 3.5 kg/h・USRt 機は顧客の運転費削減に大きく寄与するとともに，エネルギー問題等環境面からみても大きく貢献するものである．
また，サイクルシミュレーションを用いることにより，設置スペース，搬入スペースや運転条件等顧客の三菱重工技報 Vol.41 No.2（2004-3）