再循環チラーと冷却能力係数の選択

適切な再循環チラーの選択は、次の4つの要素が決め手となります。

1. 冷却される機器によって発生する熱負荷(Q)
2. 熱源から出る流体の最大許容温度(TOUT)
3. 利用可能な流体流量
4. 周囲動作条件(V̇)

多くの場合、機器メーカーは、必要なチラーの設定温度と流量を指定します。この場合、再循環チラーの選択は簡単です。希望するチラーグラフの冷却能力と設定温度の交点をマークするだけです。このポイント以上の性能曲線を持つチラーは、十分な能力を発揮します。次に、ポンプのグラフを使用して、目的の流量を満たす再循環チラー用のポンプを選択します。

例1

チラーは、2,000 Wの熱を発生するX線管に20°Cで2 gpmを供給する必要があります。電源は60Hzです。チラーのグラフでこの点をマークすると、RC022が適切な選択であることがわかります。ポンプ曲線を見ると、BEポンプが必要な流量を提供することがわかります。

熱負荷(Q)はわかっていて流量が不明な場合は、次の式を使用して必要な流量を決定できます。

例2

レーザーヘッドからは2,000ワット（6,824 BTU/時）の熱が発生します。流体の温度は20°C（68°F）を超えてはなりません。20°Cの周囲温度で60Hzの電力の冷却水を使用する場合、どの再循環チラーが適切でしょう？

熱性能グラフ（図1）を使用して、必要な熱負荷（2000 W）で水平線を引きます。示されているように、RC022は13°C（55°F）でこの要件に適合します。これはTIN（再循環チラーを出る温度）です。したがって、計算は次のようになります。

次に、再循環チラーが必要な流量を満たせるかどうかを判断します。システムポンプグラフ（図2）に示すように、1.3 gpmの容積式ポンプ（RC022の標準）は流量要件を十分に満たします。

再循環チラーオプションの詳細は、再循環チラーのセクションをご覧ください。

総冷却能力に影響を与える環境条件とチラー設計の重要な側面

再循環チラーは、医療、軍事、レーザー、分析機器など、多くの業界で使用されている冷蔵液冷システムです。チラーは、レーザーヘッド、検出器パネル、またはその他の温度に敏感な部品を一定温度に保つため、あるいは廃熱を除去して重要部品の過熱を防ぐために使用されます。

再循環チラーを選択する際には、冷却能力に影響を与える可能性のあるいくつかの要因について考慮する必要があります. こういった要因としては、周囲温度または施設の水温、チラーの設定温度、プロセス流体、チラーのメンテナンスなどが考えられます。チラーメーカーは通常、20°Cの給水温度と20°Cの周囲温度に基づいて冷却能力定格を提供します。しかし、周囲温度が20°Cより高いまたは低い場合にはどうなるのでしょうか？クーラントが20°Cではなく5°Cでプロセスに供給された場合は？水以外のクーラントを使用された場合はどうなるのでしょうか? こういった相違点は、チラーの冷却能力にどのように影響するのでしょうか？

再循環チラーと冷蔵サイクル

チラーは複雑なシステムですが、コンプレッサ、コンデンサ、サーモスタット膨張弁(TXV)、および蒸発器が基本的な部品となります。コンプレッサから始まり、蒸発器から来る冷媒が、飽和ガスから高圧高温のガスに圧縮されます。高温になったガスはコンデンサを通過し、冷却されて、熱をより低温の周囲空気(空冷コンデンサ)または施設の水(水冷コンデンサ)に排出することで、飽和液体へと凝縮されます。その後、冷媒はTXVを通過し、圧力と温度が大幅に低下します。冷媒温度がプロセス流体の温度よりも低温となり、その結果、プロセス流体から冷媒に熱が伝達されて、冷媒が蒸発して低圧ガスになります。このサイクルを繰り返しながら、ガスが再びコンプレッサへと流れていきます。

コンデンサと蒸発器は、ある媒体から別の媒体に熱を伝達する熱交換器です。空冷コンデンサの場合、高温の冷媒ガスから周囲空気への熱の排除には、アルミニウムフィン付き銅管の液体から空気へと変換する熱交換器が通常使用されます。一方、水冷コンデンサでは、液から液へと交換する熱交換器を使用して、高温の冷媒ガスから施設の水へと熱を伝達します。蒸発器の場合、液体から液体への熱交換器は通常、プロセス流体から冷媒に熱を伝達するために使用されます。熱交換器の性能は、使用されるプロセス流体、流入する流体温度、流量、構造材料、熱交換器の設計など、多くの要因によって異なります。他のすべての要因が同じである場合、ある流体から別の流体へと熱を伝達する際の原動力は、流入する流体温度の差になります。

Ambient Air and Facility Water Temperature Effect

周囲温度または施設の水の温度は、チラーの冷却能力に重要な影響を与えます。コンデンサが周囲空気または施設の水に全熱（プロセス熱負荷と圧縮熱）を排除するためには、高温の冷媒ガスと周囲の空気または施設の水との間の温度差が十分でなければなりません。たとえば、Boydチラーは通常、32.2°C(90°F)から43.3°C(110°F)の間の凝縮温度で動作し、20°C(68°F)の周囲空気または24°C(75°F)の施設水への熱を拒否します(図2)。水は空気よりもはるかに優れた熱伝導流体であり、流入流体間の温度差もそれほど大きくなくてもよいことから、水冷コンデンサは、より高い施設の水温でも同じ量の熱を排除できます。

周囲空気または施設の水温が上昇すると、冷媒から周囲空気または施設の水にプロセス熱を伝導するチラーコンデンサの能力が低下し、凝縮圧力が高くなり、システム性能が低下する可能性があります。したがって、再循環チラーが20°Cを超える周囲温度にさらされる場合は、必要な冷却能力を判断するためにサイズを計算する必要があります。同様に、周囲温度が下がると、初期温度差が大きくなるため、性能が向上します。

チラーのサイズを決定するときは、アプリケーションのニーズを満たすのに十分な冷却能力を備えたチラーを選択できるように、周囲温度または施設の水温の最高温度について把握しておくことが不可欠です。チラーのサイズ計測については、アプリケーションエンジニアにご相談ください。

Set Temperature Effect

Process Fluid Effect

再循環チラーで使用されるプロセス流体も性能に影響を与えます。チラーの冷却能力は、通常、プロセス流体として水を使用することに基づいているため、水以外のプロセス流体を使用すると、冷却能力が低下する可能性があります。たとえば、再循環チラーの中には、プロセス流体としてポリアルファオレフィン（PAO）に対応した設計のものもあります。PAOは、誘電特性があり、動作温度範囲も広いことから、通常は軍事用途でよく使用されます。ただし、他のすべての要因が同じである場合、PAOは水よりも比熱、密度および熱伝導率が低いため、PAOチラーの冷却能力は水チラーの冷却能力よりも低くなります。

Chiller Operation and Maintenance Effect

チラーの性能に影響を与える別の要因は、コンデンサと蒸発器のメンテナンスです。空冷コンデンサにほこりがたまったり、水冷コンデンサや蒸発器のチューブや流路が汚れたりすると、チラーの性能が低下します。空冷コンデンサのフィンやファンブレードにほこりや破片が蓄積すると、空気の流れが制限され、チラーの冷却能力が失われます。チラーをほこた環境や汚れた環境で運転する場合は、定期的にメンテナンスまたは清掃をスケジュールするか、チラーを特大のものにする必要があります。薄膜の形成、腐食および/または水質の悪化さによって生物が成長することで、水冷コンデンサが汚れることもあります。付着物によってチューブの内壁に絶縁層が形成され、冷媒と水の間の熱伝導が妨げられると、チラーの効率性が低下します。腐食防止剤を含む清潔な水を使用することで、付着物のリスクを最小限に抑えることができます。詳細については、アプリケーション注意事項の「再循環チラーの調整：最も冷却に優れた機器にするための操作とメンテナンス」を参照してください。

その他の要因

空冷再循環チラーが高地にあるような稀なケースでは、密度の低い空気が冷却能力に影響を与えます。質量流量は体積流量×密度であるため、密度が低下すると、海水位の場合と同じ冷却能力を提供するためには、コンデンサファンから供給される体積流量を高くする必要があります。このために考えられるオプションの1つが、冷却能力のニーズを確実に満たすために、再循環チラーのサイズを大きくすることです。

供給プロセスのクーラント温度が周囲の露点を下回っている場合、湿度もチラーの性能に影響を与える別の要因となります。このような場合、チラーライン、蒸発器、ポンプが絶縁されていないと、これらの表面に結露が発生し、冷却能力が失われる可能性があります。未処理の金属の表面も腐食による損傷を受ける可能性があります。したがって、断熱することを強く推奨します。

お使いのシステムに必要な冷却量を判断する際には、再循環チラーセクションを参照してご自身でオプションを比較されるか、当社エンジニアリングチームにご連絡ください。