JP2006017350A - Refrigeration device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、二酸化炭素等の冷媒を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクルを備える冷凍装置に関する。 The present invention relates to a refrigeration apparatus including a vapor compression refrigeration cycle using a refrigerant such as carbon dioxide.
一般に、圧縮機、熱源側熱交換器、減圧装置、及び利用側熱交換器を有する蒸気圧縮式冷凍サイクルを備えた冷凍装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。この種のものでは、熱源側熱交換器が水冷式であったり、空冷式であったりするが、いずれの場合も、熱源側熱交換器の排熱は、水、又は空気に対し放熱される。
しかし、従来の構成では、熱源側熱交換器の排熱が有効利用されず、その排熱が無駄になると共に、熱源側熱交換器が水冷式、或いは空冷式であるため、熱交換の効率があまり良くなく、成績係数の向上に限界があった。 However, in the conventional configuration, the exhaust heat of the heat source side heat exchanger is not effectively used, the exhaust heat is wasted, and the heat source side heat exchanger is water-cooled type or air-cooled type. Was not so good, and there was a limit to improving the coefficient of performance.
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、系全体としての放出熱量を削減できると共に、消費電力の削減、並びに成績係数の向上が図れる冷凍装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a refrigeration apparatus that can solve the above-described problems of the conventional technology, reduce the amount of heat released as a whole system, reduce power consumption, and improve the coefficient of performance. is there.
本発明は、再生器、凝縮器、蒸発器、及び吸収器を備える吸収式冷凍サイクルと、圧縮機、熱源側熱交換器、減圧装置、及び利用側熱交換器を備える蒸気圧縮式冷凍サイクルとを備え、前記吸収式冷凍サイクルの熱源として前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器の排熱を利用すると共に、前記吸収式冷凍サイクルの蒸発器により蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器の出口側冷媒を冷却させることを特徴とする。 The present invention includes an absorption refrigeration cycle including a regenerator, a condenser, an evaporator, and an absorber, and a vapor compression refrigeration cycle including a compressor, a heat source side heat exchanger, a decompression device, and a use side heat exchanger. And using the exhaust heat of the heat source side heat exchanger of the vapor compression refrigeration cycle as a heat source of the absorption refrigeration cycle, and heat source side heat exchange of the vapor compression refrigeration cycle by the evaporator of the absorption refrigeration cycle The outlet side refrigerant of the vessel is cooled.
この場合において、前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器が、前記吸収式冷凍サイクルの再生器内に配置された第1の熱源側熱交換器を備えて構成されていてもよい。また、前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器が、前記吸収式冷凍サイクルの蒸発器内に配置された第2の熱源側熱交換器を備えて構成されていてもよい。前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器が、第1の熱源側熱交換器及び第2の熱源側熱交換器間に接続された空冷式放熱器からなる第3の熱源側熱交換器を備えて構成されていてもよい。前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの第1の熱源側熱交換器の排熱を、前記吸収式冷凍サイクルの冷媒に直接熱回収させてもよい。 In this case, the heat source side heat exchanger of the vapor compression refrigeration cycle may be configured to include a first heat source side heat exchanger disposed in the regenerator of the absorption refrigeration cycle. Further, the heat source side heat exchanger of the vapor compression refrigeration cycle may be configured to include a second heat source side heat exchanger disposed in the evaporator of the absorption refrigeration cycle. The heat source side heat exchanger of the vapor compression refrigeration cycle is a third heat source side heat exchanger comprising an air-cooled radiator connected between the first heat source side heat exchanger and the second heat source side heat exchanger. It may be provided with. The exhaust heat of the first heat source side heat exchanger of the vapor compression refrigeration cycle may be directly recovered by the refrigerant of the absorption refrigeration cycle.
前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの利用側熱交換器と前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの減圧装置との間に、第2の絞り装置と中間冷却器とを設け、この中間冷却器で分離された気相の冷媒を、前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧縮機の中間圧部に導入する導入手段を設けてもよい。前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧縮機が2段圧縮機であり、導入手段が2段圧縮機の1段目と2段目の間に気相の冷媒を導入してもよい。前記蒸気圧縮式冷凍サイクルに二酸化炭素冷媒を封入してもよい。 A gas phase separated by this intermediate cooler is provided between the use side heat exchanger of the vapor compression refrigeration cycle and the decompression device of the vapor compression refrigeration cycle by providing a second expansion device and an intermediate cooler. The refrigerant may be introduced into the intermediate pressure portion of the compressor of the vapor compression refrigeration cycle. The compressor of the vapor compression refrigeration cycle may be a two-stage compressor, and the introduction means may introduce a gas phase refrigerant between the first stage and the second stage of the two-stage compressor. Carbon dioxide refrigerant may be enclosed in the vapor compression refrigeration cycle.
本発明では、吸収式冷凍サイクルの各機器を循環する冷媒に蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器の排熱を熱回収させるため、当該排熱を有効利用することができると共に、吸収式冷凍サイクルの蒸発器により蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器の出口側冷媒を冷却させるため、成績係数を向上させることができる。 In the present invention, the refrigerant circulating through each device of the absorption refrigeration cycle recovers the exhaust heat of the heat source side heat exchanger of the vapor compression refrigeration cycle, so that the exhaust heat can be used effectively, and the absorption type Since the refrigerant on the outlet side of the heat source side heat exchanger of the vapor compression refrigeration cycle is cooled by the evaporator of the refrigeration cycle, the coefficient of performance can be improved.
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1において、100は、単効用吸収式冷凍機の原理による吸収式冷凍サイクルを示し、200は、二酸化炭素冷媒を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクルを示している。 In FIG. 1, 100 indicates an absorption refrigeration cycle based on the principle of a single-effect absorption refrigeration machine, and 200 indicates a vapor compression refrigeration cycle using a carbon dioxide refrigerant.
吸収式冷凍サイクル100は、例えば、吸収式冷凍サイクルの冷媒に水、吸収剤に臭化リチウム(LiBr)を用いた吸収式冷凍サイクルであり、再生器1と、凝縮器3と、蒸発器5と、吸収器7と、溶液冷却器9と、溶液熱交換器11とを備えて構成されている。再生器1では、後述する蒸気圧縮式冷凍サイクル200の排熱を利用して、希吸収液(以下希液と言う。)を加熱することによって、この希液を、濃吸収液(以下濃液と言う。)に濃縮する。
The
この再生器1で発生する吸収式冷凍サイクルの冷媒蒸気は、凝縮器3に入り、ここで冷却塔13からの冷却水と熱交換して凝縮する。14は冷却水ポンプである。凝縮器3で凝縮した吸収式冷凍サイクルの冷媒液は、制御弁15を介して、蒸発器5に入り、ここで蒸発する。この蒸発器5で蒸発した吸収式冷凍サイクルの冷媒蒸気は、隣接する吸収器7に入る。一方で、再生器1で濃縮された濃液は、溶液熱交換器11を経て冷却された後、上記の吸収器7に入り、この吸収器7では、濃液に、蒸発器5で蒸発した吸収式冷凍サイクルの冷媒蒸気を吸収させる。この吸収器7の下部に溜まった濃液の一部は、第1ポンプ17を介して、溶液冷却器9に入り、ここで冷却されて吸収器7に入る。また、その残りは、第2ポンプ19を介して、溶液熱交換器11に入り、ここで再生器1から吸収器7に向かう上述の濃液によって加熱されて、再生器1に戻される。21は第3ポンプであり、この第3ポンプ21は、蒸発器5で蒸発し切れなかった吸収式冷凍サイクルの冷媒を、蒸発器5に環流させている。
The refrigerant vapor of the absorption refrigeration cycle generated in the
つぎに、二酸化炭素冷媒を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクル200を説明する。この蒸気圧縮式冷凍サイクル200は、2段圧縮機31を備えて構成される。この2段圧縮機31には、冷媒配管32を介して、再生器1の内部に設けられた吸収式冷凍サイクル再生用の第1の熱源側熱交換器33が接続され、この第1の熱源側熱交換器33には、冷媒配管34を介して、第3の熱源側熱交換器(空冷式放熱器)35が接続されている。第3の熱源側熱交換器35には、冷媒配管36を介して、蒸発器51の内部に設けられた第2の熱源側熱交換器(追加冷却器)37が接続され、第2の熱源側熱交換器37には、冷媒配管38を介して、減圧装置(第2の絞り装置)39、及び中間冷却器41が、この順に直列に接続されている。第1〜第3の熱源側熱交換器33、35、37が、蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器を構成する。
Next, a vapor
この中間冷却器41は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの二酸化炭素冷媒を、気相の冷媒と液相の冷媒とに分離するものであり、気相の二酸化炭素冷媒は、冷媒配管42(導入手段)を介して、2段圧縮機31の1段目31Aと2段目31Bの間の中間圧部31Cに導入される。また、この中間冷却器41で分離された、蒸気圧縮式冷凍サイクルの液相の二酸化炭素冷媒は、冷媒配管43を介して、減圧装置45、及び二酸化炭素蒸発器(利用側熱交換器)47に至り、ここで蒸発して気相化した後に、2段圧縮機31の1段目31Aの吸い込み管48に戻される。上記蒸気圧縮式冷凍サイクルの二酸化炭素蒸発器47は、冷凍倉庫47A内を冷却する。
The
本構成では、吸収式冷凍サイクル100の各機器1,3,5,7,9,11を循環する冷媒に、蒸気圧縮式冷凍サイクル200の第1の熱源側熱交換器33の排熱が熱回収され、吸収式冷凍サイクル100の蒸発器5により、第2の熱源側熱交換器37を介して、蒸気圧縮式冷凍サイクル200の二酸化炭素蒸発器47の入口側冷媒が冷却される。
In this configuration, the exhaust heat of the first heat source
図2は、エンタルピ・圧力線図である。二酸化炭素冷媒が封入された場合、図2に示すように、高圧管内は運転中に超臨界圧力で運転される。この高圧管内が、超臨界圧力で運転される蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒には、二酸化炭素冷媒のほかに、例えばエチレン、ジボラン、エタン、酸化窒素等が挙げられる。 FIG. 2 is an enthalpy / pressure diagram. When the carbon dioxide refrigerant is sealed, the high-pressure pipe is operated at a supercritical pressure during operation, as shown in FIG. In addition to the carbon dioxide refrigerant, for example, ethylene, diborane, ethane, nitrogen oxide and the like can be cited as the refrigerant of the vapor compression refrigeration cycle in which the inside of the high-pressure pipe is operated at a supercritical pressure.
図2において、2段圧縮機31の2段目31Bの出口における、蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒の状態は、状態aで示される。この蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒は、第1の熱源側熱交換器33、第3の熱源側熱交換器35、並びに第2の熱源側熱交換器(冷却器)37を通って循環し、そこで状態b、状態cを経て状態dにまで順に冷却され、熱を、再生器1内の吸収式の冷媒に、また冷却空気に、さらに蒸発器51内の吸収式の冷媒に放出する。ついで、蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒は、減圧装置39での圧力低下により、状態eに至り、ここでは気相/液相の2相混合体が形成され、中間冷却器41に至る。
In FIG. 2, the state of the refrigerant of the vapor compression refrigeration cycle at the outlet of the
中間冷却器41において、蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒は気液分離がなされる。この場合、気相/液相の比率は、m1の線分長/m2の線分長に相当している。冷媒の気相部分は、中間冷却器41内で状態lとなる。そして、この気相部分は、2段圧縮機31の1段目31Aと2段目31Bの間の中間圧部31Cに導入される。
In the
状態kは、2段圧縮機31における2段目31Bの入口の状態である。一方、中間冷却器41内で、蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒の液相部分は状態fとなる。この液相部分は減圧装置45での圧力低下によって、状態gに至る。さらに蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒の液相部分は、二酸化炭素蒸発器47において蒸発し、熱を吸収する。蒸発器47により気相となった蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒は、状態iまで加熱されて、2段圧縮機31の1段目31Aの吸い込み管48に戻される。状態jは、2段圧縮機31の1段目31Aの吐出である。
The state k is the state of the inlet of the
上記超臨界サイクルにおいて、圧縮機31から吐出される蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧気相冷媒は、凝縮されないが、第1の熱源側熱交換器33、第3の熱源側熱交換器35、並びに第2の熱源側熱交換器(冷却器)37において温度低下が起こる。第3の熱源側熱交換器35(状態c)における蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒の最終温度は、冷却空気の温度よりも数度高い。そして、高圧気相冷媒は第2の熱源側熱交換器37において、数度低い状態dまで冷却されることとなる。
In the supercritical cycle, the high pressure gas phase refrigerant of the vapor compression refrigeration cycle discharged from the
上記構成では、中間冷却器41において、蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒が気液分離され、冷媒の気相部分が、2段圧縮機31の中間圧部31Cに導入される。この気相部分は、二酸化炭素蒸発器47に供給されても、そこでの冷凍効果は少ない。本構成では、この気相部分を、二酸化炭素蒸発器47をバイパスさせて、2段圧縮機31の中間圧部31Cに導入し、二酸化炭素蒸発器47には、気液分離された後の液相部分だけを供給し、ここで蒸発した冷媒を、2段圧縮機31の1段目31Aの吸い込み管48に戻すため、気相/液相のすべての冷媒を吸い込み管48に戻す構成と比較した場合、2段圧縮機31の仕事量を減ずることができる。
In the above configuration, the refrigerant in the vapor compression refrigeration cycle is gas-liquid separated in the
ところで、この種の冷凍装置において、熱源側熱交換器に空冷式の熱交換器を利用した、二酸化炭素冷媒使用の超臨界サイクルでは、冷房運転時において、熱源側熱交換器の周囲温度が高いと、当該熱源側熱交換器での熱交換が不十分となり、冷房能力、及び成績係数が著しく低下する。 By the way, in this type of refrigeration apparatus, in a supercritical cycle using a carbon dioxide refrigerant that uses an air-cooled heat exchanger as the heat source side heat exchanger, the ambient temperature of the heat source side heat exchanger is high during cooling operation. And heat exchange in the said heat source side heat exchanger becomes inadequate, and cooling capacity and a coefficient of performance fall remarkably.
本実施形態では、第2の熱源側熱交換器(追加冷却器)35において、吸収式冷凍サイクル100によって、蒸気圧縮式冷凍サイクル200における熱源側熱交換器の出口側の冷媒を冷却するため、熱源側熱交換器出口の冷媒の比エンタルピを小さくでき、その結果として、蒸発器入口での比エンタルピを小さくでき、冷凍効果を増大させることができる。従って、例えば、外気温度が高い冷房運転時であっても、冷房運転能力、並びに成績係数を向上させることができる。
In the present embodiment, in the second heat source side heat exchanger (additional cooler) 35, the
また、本構成による吸収式冷凍サイクル100の熱源は、蒸気圧縮式冷凍サイクル200における熱源側熱交換器の排熱によって賄われるため、当該排熱の有効利用により、省エネルギー運転の実現が可能になる。
Moreover, since the heat source of the
図3は、吸収式冷凍サイクル100及び蒸気圧縮式冷凍サイクル200を組み合わせた、本実施形態に係る、いわゆる「ハイブリッド・サイクル」の性能を示す。この「ハイブリッド・サイクル」の基礎となる蒸気圧縮式冷凍サイクル200では、図3Bに示すように、二酸化炭素蒸発器(利用側熱交換器)47での蒸発温度が−35℃、冷凍能力が25kW、圧縮機31及び空冷ファンの消費電力が17.5kW、成績係数が1.43、外気温度が35℃、熱源側熱交換器の放出熱量が16.2kWであるとして、同じく吸収式冷凍サイクル100では、蒸発器5での蒸発温度が20℃、冷凍能力が9.30kW、各種ポンプ及びファンの消費電力が0.82kW、成績係数が0.840、冷却水温度が32℃、放出熱量が20.3kWであるとした場合、「ハイブリッド・サイクル」の全体では、蒸発温度が−35℃、冷凍能力が25kW、消費電力が18.32kW、成績係数が1.36、外気温度が35℃、放出熱量が43.3kWとなる。
FIG. 3 shows the performance of a so-called “hybrid cycle” according to the present embodiment, in which the
これに対し、従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルでは、即ち、熱源側熱交換器に空冷式の熱交換器を利用した、二酸化炭素冷媒使用の一般的な蒸気圧縮式冷凍サイクルでは、利用側熱交換器での蒸発温度が−35℃、冷凍能力が25kW、圧縮機31及び空冷ファンの消費電力が21.42kW、成績係数が1.17、外気温度が35℃、熱源側熱交換器の放出熱量が46.4kWとなる。
On the other hand, in a conventional vapor compression refrigeration cycle, that is, in a general vapor compression refrigeration cycle using a carbon dioxide refrigerant using an air-cooled heat exchanger for the heat source side heat exchanger, the use side heat exchange is performed. Evaporation temperature at the cooler is -35 ° C, refrigeration capacity is 25 kW, power consumption of the
これらを比較した場合、図3Aに示すように、「ハイブリッド・サイクル」とすることにより、成績係数が16.2%向上、さらに、消費電力が14.5%削減、放出熱量が6.7%削減になっている。 When these are compared, as shown in FIG. 3A, a “hybrid cycle” improves the coefficient of performance by 16.2%, further reduces power consumption by 14.5%, and releases heat by 6.7%. It has been reduced.
以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on one Embodiment, this invention is not limited to this, A various deformation | transformation is possible within the range which does not deviate from the meaning of this invention.
例えば、第1の熱源側熱交換器33と、第3の熱源側熱交換器35との組み合わせは、これに限定されるものではない。第3の熱源側熱交換器35は省略してもよいし、この第3の熱源側熱交換器35の代わりに、冷却塔13内に別の放熱器を設けてもよい。また、圧縮機31は2段圧縮機に限定されず、1段圧縮機でもよい。この場合、中間圧部は1段圧縮の途中に設けられる。
For example, the combination of the 1st heat source
100 吸収式冷凍サイクル
200 蒸気圧縮式冷凍サイクル
1 再生器
3 凝縮器
5 蒸発器
7 吸収器
9 溶液冷却器
11 溶液熱交換器
31 2段圧縮機
31C 中間圧部
33 第1の熱源側熱交換器
35 第3の熱源側熱交換器
37 第2の熱源側熱交換器
39 減圧装置
41 中間冷却器
47 二酸化炭素蒸発器(利用側熱交換器)
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Claims (8)
この中間冷却器で分離された気相の冷媒を、前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧縮機の中間圧部に導入する導入手段を設けたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項記載の冷凍装置。 A second expansion device and an intercooler are provided between the use side heat exchanger of the vapor compression refrigeration cycle and the decompression device of the vapor compression refrigeration cycle,
6. An introduction means for introducing a gas-phase refrigerant separated by the intermediate cooler into an intermediate pressure portion of a compressor of the vapor compression refrigeration cycle is provided. The refrigeration apparatus described.
導入手段が2段圧縮機の1段目と2段目の間に気相の冷媒を導入することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項記載の冷凍装置。 The compressor of the vapor compression refrigeration cycle is a two-stage compressor;
The refrigerating apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the introducing means introduces a gas-phase refrigerant between the first stage and the second stage of the two-stage compressor.
The refrigeration apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein a carbon dioxide refrigerant is sealed in the vapor compression refrigeration cycle.
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