循環式チラーの選択と冷却能力の要因

適切な循環式チラーの選択は、次の4 つの要因によって決まります。

1. 冷却されるデバイス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. 利用可能な液体流量
4. 周囲動作条件

例1

チラーは、2,000 W の熱を生成するX 線管に20°C で2 gpm を供給する必要があります。電源は60 Hz です。チラー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）が既知であるが、流量が不明な場合、以下の式を使用して必要な流量を決定できます。

例2

レーザーヘッドは2,000 ワット（6,824 BTU／時）の熱を発生させます。液体温度は20°C（68°F）を超えてはなりません。冷却液が水で、電源周波数60 Hz、周囲温度20°C の場合、適切な循環式チラーはどれですか？

熱性能グラフ（図1）を使用して、必要な熱負荷（2,000 W）に水平線を引きます。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（循環式チラーから出る温度）です。したがって、計算は次のようになります。

次に、循環式チラーが必要な流量を満たすことができるかどうかを判断します。システムポンプのグラフ（図 2）に示されているように、1.3 gpm の容積式ポンプ （RC022 で標準）は、流量要件以上を満たします。

循環式チラーオプションの詳細については、 循環式チラーのセクションをご覧ください

循環式チラーは、医療、軍事、レーザー、分析機器など、さまざまな産業で使用されている冷凍式の液体冷却システムです。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デバイスなどのコンポーネントを一定の温度に保つため、および／または廃熱を除去し、重要なコンポーネントの過熱を防止するために使用されます。

循環式チラーを 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を考慮する必要があります。これらの要因には、周囲温度または施設の水温、チラー設定温度、プロセス流体、チラーのメンテナンスなどが含まれます。チラーメーカーは一般的に、20°C の水の供給温度と20°C の周囲温度に基づいて冷却能力の定格を提供しています。しかし、周囲温度が20°C より高い、または低い場合はどうなりますか？ 冷却剤が20°C ではなく5°C でプロセスに供給される場合はどうなりますか？ 水以外の冷却剤を使用した場合はどうなりますか？ これらすべての変動は、チラーの冷却能力にどのように影響しますか？

チラーは複雑なシステムですが、基本的なコンポーネントは、コンプレッサー、凝縮器、サーモスタット膨張弁（TXV）、および蒸発器です。コンプレッサーから始めると、エバポレーターからの冷媒は飽和ガスから高圧高温ガスに圧縮されます。高温になったガスは凝縮器を通過し、そこで冷却されて飽和液体に凝縮されます。この際、熱はより低温の周囲空気（空気冷却凝縮器）または施設内の水（水冷却凝縮器）に放出されます。その後、冷媒はTXV を通過し、その圧力と温度が大幅に低下します。冷媒の温度は現在プロセス流体の温度よりも低くなっており、その結果、プロセス流体から冷媒に熱が伝わり、冷媒は低圧ガスに蒸発します。ガスがコンプレッサーに戻って流れると、このサイクルが再び繰り返されます。

凝縮器と蒸発器は、ある媒体から別の媒体へ熱を伝達する熱交換器です。空気冷却凝縮器の場合、高温の冷媒ガスから周囲空気に熱を排出するために、アルミニウムフィン付き銅管の冷媒対空気熱交換器が一般的に使用されます。一方、水冷式凝縮器は、液液熱交換器を用いて、高温の冷媒ガスから設備内の水へ熱を伝達する。蒸発器の場合、プロセス流体から冷媒へ熱を伝達するために、通常は液液熱交換器が使用されます。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、多くの要因に左右されます。他のすべての要因が等しい場合、ある流体から別の流体への熱伝達の背後にある駆動力は、流入する流体温度の差です。

チラーの冷却能力には、周囲空気温度または施設用水温度が重要な役割を果たします。凝縮器が周囲空気または施設用水への総熱（プロセス熱負荷と圧縮熱）を排出するには、高温の冷媒ガスと周囲空気または施設用水の温度差が十分でなければなりません。例えば、イートンのチラーは通常、32.2°C（90°F）～43.3°C（110°F）の凝縮温度で運転し、20°C（68°F）の周囲空気または24°C（75°F）の施設用水に熱を排出します（図2）。水冷却凝縮器は、水が空気よりもはるかに優れた熱伝達流体であり、流入する流体間に大きな温度差を必要としないため、同じ量の熱をより高温の施設用水へ排出できます。

周囲空気または施設の水温が上昇すると、チラーの凝縮器が冷媒から周囲空気または施設の水にプロセス熱を伝達する能力が低下し、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、循環式チラーが20°C を超える周囲温度にさらされる場合、サイズ計算を実行して必要な冷却能力を判断する必要があります。同様に、周囲温度が低下すると、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際には、最大周囲温度または施設の水温を把握し、用途のニーズを満たす十分な冷却能力を備えたチラーを選択できるようにすることが重要です。チラーのサイズ選定については、アプリケーションエンジニアにご相談ください。

プロセス流体の影響

循環式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。例えば、一部の循環式チラーは、プロセス流体としてポリアルファオレフィン（PAO）に対応するように設計されています。PAO は、その誘電特性および／または広い動作温度範囲のために、通常、軍事用途に使用されます。しかし、他のすべての要因が同じであれば、PAO は水よりも比熱が低く、密度が低く、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。

チラーの操作とメンテナンスの影響

チラーの性能に影響を与えるもう一つの要因は、凝縮器と蒸発器のメンテナンスです。空気冷却凝縮器への粉塵の蓄積、または水冷却凝縮器や蒸発器のチューブや流路の汚れは、チラーの性能低下につながります。空気冷却凝縮器のフィンやファンブレードに埃やゴミが蓄積すると、空気の流れが制限され、チラーの冷却能力が低下します。チラーを埃っぽい環境や汚れた環境で使用する場合は、定期的なメンテナンスや清掃をスケジュールするか、チラーをオーバーサイズにする必要があります。水質不良によるスケール生成、腐食、および／または生物の繁殖に起因する水冷却凝縮器の汚れも生じる可能性があります。ファウリングは、管の内壁に絶縁層を形成し、冷媒と水の間の熱伝達を妨げ、その結果、チラーの効率が低下します。腐食防止剤を含む清浄な水を使用することで、汚れのリスクを最小限に抑えることができます。

その他の要因

まれに、空気冷却循環式チラーが高地にある場合、空気密度が低いと冷却能力に影響します。質量流量は体積流量に密度を掛けたものに等しいため、密度が低下すると、海抜ゼロメートル地点と同じ冷却能力を維持するために、凝縮器ファンからより多くの体積流量を供給する必要がある。冷却能力のニーズを満たすために、循環式チラーをオーバーサイズにすることも一つの方法です。

供給プロセス冷却剤の温度が周囲の露点を下回ると、湿度もチラーの性能に影響を与える要因となります。このような場合、チラー配管、蒸発器、ポンプが断熱されていない場合、これらの表面に結露が発生し、冷却能力が低下す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、断熱を強く推奨します。