新形吸収冷温水ユニット

U.D.C.る21.575-る2:〔697.4十る97･97〕

新形吸収冷温水ユニット

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中小規模ビル用の冷暖房熱源機器として,吸収冷温水ユニ､ソトが伸びている0 こ れは主に,省スペース,省電力∴茎転資格不要などの理由によるが,更にいっそう の′+､形化と操作惟向_Lが要求されている｡ 新形ユニットでは,溶液のパラレルフローを採用し,気泡ポンプを用いて,切換 弁不用の冷暖切換えを考案して操作性を向LLた｡また,火炎の短い三段燃焼バ【 ナとそれに合わせた高温再生器,更に高性能伝熱管の採用によりユニットを小形化 した｡これらの新しい技術を冷凍能力70kWの=抑柳及収冷温水ユニットに採用し,設 置面積0.95m2と日立製作所従来機種比30%減の小形化を実現した｡

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緒

言 都市ガス,灯油などの燃焼熱を利用する吸収冷温水ユニッ トは,(1)冷暖房兼用であり,設置スペースが圧縮式冷水機十 温水ボイラに比べてコンパクトであること,(2)ユニット内が 人気圧以下で作動しているので,取扱いに特別な資格が不要 であること,(3)夏季のガス需要拡大及び電力ピークかソト 化,などの特徴から大形機の分野では拝縮式の市場を旺倒L ている｡軌二,中小形機の分野でも今後の著Lい伸びが期待 されており,幾つかの製品が発売されている｡その中小形吸 収冷温水ユニットでは,よりいっそうの操作性改善や小形化 に対する要望が強くなっている｡そこで,これらの要望にこ たえて,操作性に優れた冷暖房サイクル,小形化に有効な炉 筒水管形高温再生器や高性能伝熱管の採用について検討を重 ね,種々の新技術を確立することができた｡次いで,これら の新技術を新形ユニットへ適用し,操作性改善と大幅な小形 化を達成することができた｡

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開発目標 新技術を適用した新形ユニ･ソトの目標仕様を表1のように した｡この表には従来ユニ､ソトの仕様も比較のためにノ示した｡ 新形ユニットでは,寸法,暖房時消費電九 それにガス消費 量の低減に重点をおいた｡

田

冷暖房サイクル 新形ユニ､ソトに採用されているパラレルフロー,及び切換 弁不用･冷温水共通取出し冷暖房サイクルについて以￣Fに説 明する｡ 3.1パラレルフロー1) パラレルフローは,日立製作所の吸収冷温水ユニットに従 来から採用きれている特徴ある技術である｡図=にパラレル フローを使った従来の冷暖房サイクルを示す｡このサイクル では冷媒に水,吸収剤に臭化リチウム水溶液を使う｡まず冷 房時には,高温再生器の臭化リチウム水溶液は燃焼ガスによ って加熱されて冷媒の水蒸気を発生L,溶液は濃縮され濃溶 液になる｡発生Lた冷媒蒸気は,低温再生器の臭化リチウム 水溶液を加熱し,液化して凝縮器に流れる｡低温再生器で発 生した冷媒蒸気は?疑縮器に流れ,そこで冷却水で冷却されて 液化する｡凝縮器の液冷媒は蒸発器に流れる｡そこで冷喋は *【l立r生川棚機械イ軒先叶 **lトンニ馳作巾i二浦卜鳩

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5ゐなどOS岬∼晰ノ/√ノ 町沢健司** 〟ピタ∼ノJ〃〃ぐ/∼Jヱ〟"･〟 表1 新形ユニットの目標仕様 冷房成績係数0･95,暖房時電力消費 量0.6kW,設置面積(幅×奥行)0.95m2をねらった･ン 項 目 目 標 値 従来ユニット 能一能温 一 房■T居一水 冷一暖冷 力 ロー

右

一 70.3kW 62,8kW

上

12￣C,出口7Jc 温 水 温 度 入口55.5こC,出口60℃ ′令 却 水 )五 度 入口32■C,出口380c ガ13A(ll′000kcalNr¶=∼川) 5.9Nrll:卜ll ス 12.8Nl¶ニ=h 消 _{6B(5′000kca卜Nrl■1=5･ノ′ll)} 費 量6C(4′500kcal･ノNm:りll) 14.2Nm二りト1 0.9kW 0.6kW 850｢¶m

消費電力L旦房

暖房 幅 寸-奥 法 高 一丁 _l′1201¶m l.850mm 70,6kW 64.2kW 入口12′C,出口7■+C 入口45,4､C,出口50■℃ 入口3Z【■C,出口3了'c 6.ONnl二トナl 13.ONrTl:1′11 14.5Nr†1二i･′h O.9kW D.9kW l′000m汀1 l′120m｢†1 l.6了0nlnl 凝 縮 器 蒸発器 吸収器

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注:田濃清風匠∃希溶嵐E≡]液冷媒

図l 従来のク令暖房サイクル パラレルフローを手采用したサイクルであ る｡暖房時には,切換弁の操作,冷却水管からの温水取出L∴令媒ポンプの運 転など問題点があったLr 69

564 日立評論 VOL.67 _{No.7(柑85-7)} 冷媒ポンプによって循環しながら蒸発L冷水を冷やす｡この ようにして冷水が得られる｡ 一方,高温再生器の漉溶液は熱交換器に入り,途中低温再 生器からの濃溶液と合流し,高温再生器及び低温再生器に供 給される,冷媒を多量に含んだ希溶液を予熱して吸収器に流 入する｡吸収器では,膿溶液は蒸発器からの冷媒蒸気を吸収 し,その吸収熟を冷却水に放出して希溶液になる｡吸収器の 希溶液は,溶液ポンプから吐き出されて熱交換器に入り,途 中で二流に分かれ,一方は低温再生器に,他方は高温再生器 に供給される｡このように,吸収冷暖房サイクルでは,吸収 器が圧縮機の吸入部に相当し,高温再生器と低温再生器が吐 出し部に相当する｡ここで,高塩再生器と低塩再生器とに溶 液がパラレルに供給され,またパラレルに戻るのがパラレル フローである｡このパラレルフローによって,高温再生器を ユニットの下部に設置できるので,その小形化が可能になる｡ 次に,暖房サイクルに切り換える場合は,冷房時全閉であ つた切換弁を全開にし,冷水を止める｡それによ-),蒸発器 の液冷媒は冷媒ボン70により吸収器に送り込まれ,そこで濃 溶液と混合して希溶液になる｡この場合も冷媒蒸気は凝縮器 で液化し,その凝縮熱で温水は更に加熱され凝縮器の冷却水 管から得られる｡ ここで,従来のサイクルでは(1)切換弁の操作が必要であ ること,(2)温水が冷却水管からしか得られないので,負荷側 で冷水管との切換え操作が必要であること,(3)暖房時でも冷 媒ポンプを運転するので,消費電力が多いこと,などの問題 点があった｡ 3･2 _{切換弁不用･冷温水共通取出し冷暖房サイクル} 新形の冷暖房サイクルを図2に示す｡図=の従来サイクル に対して,凝縮器と蒸発器の間に冷媒蒸気管を新設し,その 途中にシール部,液冷媒管及び冷媒管を設け,切換弁を除去 した｡冷媒ポンプから送られる液冷媒でシール部は満たされ るので,凝縮器と蒸発器との問の圧力差は維持される｡ 暖房に切り換えるときは,冷却水及び冷媒ポンプを止める｡ 図3に示すように,凝縮器の冷媒蒸気は冷媒蒸気管を通って 凝

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注:団濃溝鼠E盃ヨ希清風Eヨ液冷媒

図2 新形冷暖房サイクル(り _{凝縮器と蒸発器の間に,冷媒蒸気管を} 新設し,その途中にシール部∴夜冷媒管,冷媒管を設け,切換弁を除去Lた｡ 液冷媒によるシールで圧力差を維持する冷凍サイクルである｡ 70 冷媒蒸気管 蒸発器 気泡ポンプ 液冷媒管 冷媒管 l 温水 l 一泡媒嘉/1つ宍､､ ･￣一液冷 l＼ / ご･液冷媒 ヌ1 媒

†

注:田舶媒

図3 新形冷暖房サイクル(2) _{凝縮器の冷媒蒸気が,冷媒蒸気管を通} つて蒸発器に流入L,液シールを破る｡蒸発器の液冷媒は,液冷媒管を通って 冷媒蒸気の気泡ポンプ作用により揚液され,吸収器に送られる｡蒸発器で冷媒 が液化するので.冷水管から温水が取り出せ,切換弁なLの冷温水共通取出L を実現Lた｡ 蒸発器に流人する｡これにより液シールは破れる｡また,蒸 発器の液冷媒は液冷媒管を通って気泡ポンプ作用により冷媒 蒸気に同伴して揚液されて吸収器に送り込まれる｡その冷媒 蒸気は蒸発器で液化する｡このようにして,切換弁を用いな いで冷水管から温水が取り出せ,負荷側での切換操作が必要 なくなる｡更に,冷媒ポンプを運転しなくてよいので暖房時 の電力消費量を低減できる｡

【】 高温再生器

高塩再生器の小形化は,ガスバーナ及びボイラ部で実現し た｡ 4.1 _{ガスバーナ2)} 本ユニットに採用した3段燃焼バーナの断面を図4に示 す｡このバーナでは燃焼室を3個に分けて3段燃焼とした｡ また,燃焼用空気も分流して各段にそれぞれ適量吹き込み, 各燃焼室では燃料と空気との拡散混合が促進され高負荷燃焼 が可能になった｡すなわち,予混合室で一次空気と混合した 燃料は炎口から1段燃焼室へ吹き出し,二次空気と混合しな がら燃焼する｡続いて2段燃焼室で三次空気と混合し,更に 3段燃焼室で燃焼を完結する｡ この3段燃焼バーナでは,従来のガンバーナの約10倍の高 負荷燃焼ができるので,高温再生器の小形化が実現できた｡ なお,このバーナでは,一次空気率を下げて燃焼速度を遅ら せてあるので逆火が防止でき,したがって,あらゆるガス燃 料が使用できる｡ 4.2 _{高温再生器} 本ユニットでは,前節で述べた3段燃焼バーナを2個用い た炉筒水管形高温再生器を採用した｡この断面を図5に示す｡ ボイラは炉筒部と水管部から成り,共に溶液で満たされ,炉 筒は中央で半分に仕切られ,それぞれのバーナの燃焼室を形 成している｡この燃焼室が,図4の3j設燃焼室に相当する｡ そこで,3段燃焼バーナの火炎が短いという特徴を生かして, 燃焼室内壁には伝熟フィンを設けた｡ 水管部の伝熟管は熟流束の均一化を図るために,燃焼ガス

新形吸収冷温水ユニット 565 火炎

/

二次空気 三次空気 予混合室 一次空気＋燃料 1段燃焼室 2段燃焼室 3段燃焼室 図4 _{3一芸燃焼バーナ} 燃焼用空気を3分〉充し,3個の燃焼室で燃焼を 完結させる3段燃焼のため,火炎が短くなり高温再生器の小形化が実現したr) 水管部 水管部 _3段燃焼 (フィン付き管) (裸管) 伝熟フィン バーナ 炉筒部

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_{__ゝ__ ____∠___}

…霊夢遠賀萱

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炉筒部仕切 図5 高温再生器 3段燃焼バーナを2個使用Lた｡火炎が短いので燃焼 室に伝熱フィンを設け,燃焼ガス上流側を裸管,下;充側をフィン管とLて伝熱 管での熱)充束均一化と高温再生器の小形化を区lった｡ の上手充側を裸管,下流側をフィン管として千鳥配列した｡こ

れらの構成により,高温再生器が体積で従来の÷に小形化で

きた｡ 図6及び図7に,この高温再生器に取り付けた3段燃焼バ ーナの燃焼範囲と垂直管内沸騰伝熱性能を示す｡図6から,

従来の÷と小形化した高温再生器で,空気過剰率1･2∼3･0と

従来と同レベル以上の広い範囲で,排ガス中のCO濃度が300 ppm以下の良好な燃焼が得られることが分かった｡また,図 7では管内伝熱面と溶液との温度差である過熱度と,燃焼ガ ス側よどみ点での燃焼ガスと管壁との温度差,及び円柱表面 よどみ点熱伝達率から求めた熟i充束との関係3)を示した｡図 7中の実線は,Minchenko4)及び西松5)によるプール沸騰熱伝 達率である｡この結果から,垂直管でもプール沸騰熱伝達に 近い高い沸騰伝熱性能が得られたので,高温再生器を小形化 することができた｡

8

高性能伝熟管

本ユニットの蒸発器には高性能伝熱管を】采用した｡図8に

管外が微細溝付きの伝熟管サーモエクセルC(日立製作所製

品名称)6)と裸管との蒸発器での冷媒ポンプによる強制散布

800 E n e600 触く 男喝 ⊂) (⊃

芸400

200 0 注:燃料メタン ○ 0 00一 000 l l l l l 1.0 1.5 2.0 2.5 3() 空気過剰率 図6 高温再生著旨に取り付けた3一芸燃焼バーナの燃焼範囲 囲で一排ガス中のCO)農度300ppm以下と良好な燃焼が得られた., 0 0 0 0D ハリ 只U 0 4 (N∈＼≧三保喋蘇 0 2 10 a %kP 5 0 52

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%kP O n){U k 5 2 er = 加度力 附偶幅 実験条件 濃度:55% 圧力:70kPa 10 _{20 30 40 50} 過熟度(K) 広睾邑 図7 高温再生器垂直管内沸騰伝熱性能 プール沸放熱伝達(M■〔Ch巳nko. 西松による)に近い高いさ弗騰伝熱性能が得られたので,高温再生器が小形化で きた∩ した場合の熟通過率を示す7)｡サーモエクセルCを用いると, 管外表面積の増加により,熟通過率は裸管のそれの1.8∼2.1 倍になる｡このような高性能伝熟管を用いることによって, ユニットが小形化できた｡

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新形ユニット

前述した新技術を適用した70kWの新形吸収冷温水ユニッ

トについて性能検討を行なった｡

6.1 _冷房性能 図9に新形ユニットの冷房性能を示す｡この図では,冷却 水入口温度に対する冷凍能力を表わしたが,冷却水入口i温度 が32℃のとき目標どおりの能力が得られることを確認した｡ 71

566 日立評論 VO+.67 _{N｡.7(1985-7)} 10 8 6 ゝ:4 ∈ ＼ 妻: 榊ト 雫! 爛 巌2 1 注:△サーモエクセルC ○裸管 △△一で;′ △ △ △ 一■■ ○一￣ ○ _.0 lllll 2 4 6 810 20 冷媒散布量(kg/[11∩) 図8 蒸発器の熱通過率 _{サーモエクセルCの採用によって,ユニット} が小形イヒできたっ 100 80 60 40 20 言ご 只蒜雌鋸 熱 入 力 74.3kW 冷水 出口温度 _7.0℃ 水 量 _12.Omこソh 冷却水水量 _19.0nlリh

∠㌔

24 26 28 30 32 34 36 38 冷却水入口温度(℃) 図9 新形ユニットの冷房性能 冷却水入口温度32Gcで,目標冷房能 力を得たこ. nU O 0 0 8 6 (タ山王 只世米朝粧銅価

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｡/｡/○

注:熱入力 75kW 温水流量12mニソ11 50 55 60 温水出口温度(コC) 65 70 図川 新形ユニットの暖房性能 高温再生器圧力が大気圧を大幅に下 回る83kPaで目標温水出口温度を得たL1 72

l

図Il 新形ユニ ットの夕十観 幅850rrlm,奥行l′120 1¶m,高さl′85lnlr¶と 小形ユニットができ た｡ 6.2 _暖房性能 図10に新形ユニットの暖房性能を示す｡この図では,温水 出口温度と高i温再生器圧力の関係を表わしたが,高温再生器 圧力が大気圧を大幅に下回る83kPaで目標の60℃の子息水が得 られることを確認した｡ また,暖房時には冷媒ポンプを停止するので,冷房時に比

べて消費電力が‡に低減できた｡

6.3 新形ユニットの外観 区Illに新形ユニットの外観を示す｡寸法は,幅850mm､奥 行1,120nm,高さ1,851mmで,設置面積0.95m2と大幅に小形 化できた｡

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結

言 新形ユニ､ソトでは,凝縮器･蒸発器間に冷媒蒸気管,シー ル部,気†包ポンプなどを設けて,冷暖切換弁不用,冷温水共 通取出しを実現し,操作性が向上した｡合わせて,暖房時消

費電力を÷に低減した｡また,パラレルフローサイクル,3

段燃焼バーナ,フィン付き炉筒水管形高温再生器,サーモエ クセルCなどグ)技術を適用して,高7且再生器及びユニットの 大幅な′ト形化ができた｡ 以_Lにより,設置面積0.95m2と日立製作所従来機種比30% i成グ)′+､形の新形吸収冷i息水ユニットを製品化した｡ 参考文献 1)杉本,外:省エネルギと小形化を図ったじかだき吸収式冷温 水機,H立評論,58,7,527-532(昭51-7) 2)岩肌 外:′ト型･高負荷燃焼器の研究,第18回燃焼シンポジウ ム前刷集,22(昭和55年11月) 3)丙口,外:吸収式冷J東機用発生器の伝熱性能,第19回空気調 和･冷凍連合講演会講演論文集,5∼8(1985)

4) F.P.Minchenko,et _{al∴Problems of} Heat Transfer _and

Hydraulics _of TworPhase _{Media:ChapterlO,137(1969,} Pergam()n _Press) 5)西松,外:リチウム･ブロマイド水溶液の低圧下におけるプー ル沸騰熟伝達について,冷凍,53,607,381∼388(1978) 6)中山,外:高性能伝熱面｢サーモエクセル+,日立評論,57, 8,637-640(昭50-8) 7)功刀,外:吸収式冷凍機用蒸発器の伝熱性能,日本冷凍協会論 文集,t,2,21∼27(1984)