冷凍および空調システムからの熱を遮断するために利用可能な技術の中には、空冷コンデンサー明確に定義された位置を占めています。これは普遍的なソリューションでも、ニッチな製品でもありません。これは、特定のパフォーマンス特性、アプリケーション条件、経済的トレードオフを備えた特殊なテクノロジーです。-この記事では、この技術を工学的な観点から検証し、その性能を決定する要因、他のタイプのコンデンサと比較した利点と限界、およびその選択の指針となる基準を検討します。
動作原理
空冷コンデンサーは冷媒から周囲空気への熱を排除します。冷媒は、吐出圧力と温度で過熱蒸気として凝縮器に入ります。熱がフィン付きチューブを通って流れるとき、熱はチューブとフィンの上を通過する空気流に伝達されます。冷媒は潜熱を放出するときに凝縮し、過冷却された液体として排出されます。
熱伝達プロセスは、冷媒と空気の温度差、熱伝達表面積、全体の熱伝達係数という 3 つの要素によって決まります。表面積はフィン付きチューブの配置によって提供されます。熱伝達係数は、フィンを横切る空気の速度と冷媒-側の熱伝達特性によって決まります。
熱伝達特性
空冷コンデンサーの全体的な熱伝達率は、冷媒側、管壁、空気側の熱抵抗の合計によって決まります。このうち、空気側の抵抗が支配的で、全抵抗の 70% ～ 85% を占めます。
空気側の熱伝達係数は、空気速度、フィンの形状、フィンの間隔の関数です。一般的なコンデンサー設計の場合、空気側係数は面速度とフィン構成に応じて 20 ～ 60 W/m²・K の範囲になります。-冷媒-側の係数は通常、1桁高く、500～2,000 W/m²・Kの範囲です。それに比べれば、管の壁の抵抗は無視できます。
きれいなコンデンサーの全体的な係数は、通常 25 ～ 40 W/m²·K です。フィン付き表面の汚れは、汚染のレベルと洗浄頻度に応じて、これを 20% ～ 40% 削減できます。
性能と周囲温度の関係
空冷コンデンサーの容量は、凝縮温度と周囲の乾球温度の差に直接関係します。{0}}特定の凝縮器サイズと空気流量の場合、容量は次のようになります。
Q=U × A × (Tcond - Tamb)
ここで、Q は熱拒否率、U は全体の熱伝達係数、A は表面積、Tcond は凝縮温度、Tamb は周囲の乾球温度です。-
周囲温度が上昇すると、凝縮温度が上昇しない限り、温度差は減少します。凝縮温度が上昇すると、コンプレッサーの吐出圧力と消費電力が増加し、システム効率が低下します。これは、空冷コンデンサーの基本的な熱力学的制限です。
この効果の大きさは定量化できます。 15 度のアプローチ (凝縮温度と周囲温度の差) で動作する一般的なコンデンサーの場合、周囲温度が 5 度上昇すると、凝縮温度が一定に保たれる場合、容量が約 20% 減少します。または、容量を維持するには凝縮温度を 5 度上昇させる必要があります。後者では、コンプレッサーの出力が約 8% ～ 12% 増加します。
選択プロセスでは、容量と周囲温度の関係を考慮する必要があります。 35 度の周囲条件に合わせたサイズのコンデンサは、45 度で定格容量の約 75% を供給します。温暖な気候では、設計条件は平均値ではなく、予想される最高の周囲温度に基づいている必要があります。
利点と制限事項
空冷コンデンサーの利点:
- 水の消費量ゼロ。最も大きな利点は、冷却水が不要になることです。水が不足している地域では、これが決定的な要因となることがよくあります。{2}}凝縮器には冷却塔、水処理薬品、ブローダウン処理が必要ありません。
- 資本コストの削減。中小規模の容量 (最大約 200 kW) の場合、空冷コンデンサーは通常、水冷システムよりも設置コストが低くなります。水冷システムのコストプレミアムには、冷却塔、ポンプ、配管、水処理装置が含まれます。
- メンテナンスが簡単になります。メンテナンス要件は、コイルのクリーニング、ファンとモーターの検査、電気的チェックに限定されます。水冷システムでは、冷却塔、ポンプ、水処理に追加のメンテナンスが必要です。
空冷コンデンサーの限界:
- 周囲温度が高い場合、性能が低下します。周囲温度が上昇すると容量は減少します。暑い気候では、ピーク時の冷却負荷を満たすために凝縮器を大きくする必要があります。この過剰なサイジングにより資本コストが増加し、部分読み込みのパフォーマンスが低下する可能性があります。-
- 一部の気候ではエネルギー消費量が高くなります。空冷コンデンサーは、水冷システムのポンプとファンの電力よりも多くのファン電力を消費します。この差は通常、システム総電力の 10% ～ 20% ですが、これは特定の設計や気候によって異なります。
- ノイズ。複数のファンが最高速度で動作すると、騒音レベルがかなり大きくなる場合があります。住宅地や騒音に敏感な場所では、音響処理が必要になる場合があり、費用が増加します。
- 屋外スペースの要件。コンデンサーは、空気の流れに十分なスペースのある屋外の場所に設置する必要があります。密集した都市部や屋外スペースが限られている場所では、これが制約となる可能性があります。
サイズと選択
空冷コンデンサーを選択するには、次のデータが必要です。
- 設計周囲温度。冷房期に予想される最高周囲乾球温度。-適切な値は、ASHRAE データまたは現地の気象記録からの 2.5% 設計条件です。
- 冷媒。冷媒の種類によって、圧力-の関係と必要な凝縮温度が決まります。
- 熱遮断率。凝縮器によって拒否される総熱量。これは、冷却能力とコンプレッサーの入力電力の合計です。
- 温度に近づく。凝縮温度と設計周囲温度の差。典型的な値は 10 度から 15 度です。より小さなアプローチではより大きなコンデンサーが必要になります。アプローチを大きくすると、コンプレッサーの出力が増加します。
これらのデータを使用すると、メーカーの選択データから必要な凝縮器の容量を決定できます。通常、このデータは、さまざまな凝縮温度における周囲温度に対する容量として提供されます。
熱設計計算
特定の用途に必要な熱伝達表面積は、次によって決定されます。
A=Q / (U × ΔTlm)
ここで、ΔTlm は冷媒と空気の対数平均温度差です。コンデンサーの場合、凝縮プロセス中の冷媒温度は比較的一定ですが、空気温度はコイルを通過するにつれて上昇します。この変動は、対数平均温度差によって説明されます。
U-値は、特定のコイルの形状とエアフローに合わせて決定する必要があります。新品のきれいなコンデンサーの場合、R-22、R-134a、および R-410A システムの一般的な U- 値は 25 ～ 35 W/m²·K の範囲です。高圧で動作する R-744 (CO₂) システムの場合、U 値は同様ですが、凝縮温度は大幅に高くなります。
必要なファン出力は、コイルによる圧力降下と必要な空気流量によって決まります。一般的なファンの出力は、設計に応じて、熱遮断 10 kW あたり 1 ～ 2 kW です。
節水価値-: 定量的評価
冷却塔を備えた水冷システムと比較した空冷コンデンサーの水の節約量は、次の関係から推定できます。
冷却塔の水の消費量は、蒸発、ドリフト、ブローダウンで構成されます。蒸発が主な成分であり、全体の 70% ～ 90% を占めます。蒸発率は、冷却塔の範囲とアプローチに応じて、kW- 時間の排熱あたり約 1.5 ～ 2.5 リットルです。
年間 3,000 時間稼働する 250 kW システムの場合、水冷システムの年間水消費量は次のとおりです。
蒸発量: 250 × 3,000 × 2.0=1,500,000 リットル
ドリフトとブローダウン: 蒸発量の約 30%=450,000 リットル
合計: 年間 1,950,000 リットル
空冷コンデンサーは水を消費しません。このシステム 1 つで年間 195 万リットルの水が節約されます。
エネルギーの比較
空冷コンデンサーのエネルギー消費は主にファンの電力です。水冷システムのエネルギー消費量には、冷却塔ファンと凝縮器ウォーターポンプが含まれます。 250 kW システムの一般的な比較は次のとおりです。
空冷コンデンサー: 20 kW ファン出力、3,000 時間/年=60,000 kWh/年
水冷システム: 2 kW 冷却塔ファン + 5 kW ポンプ=7 kW、3,000 時間/年=21,000 kWh/年
空冷システムはさらに 39,000 kWh/年を消費します。電気料金が 0.12 ドル/kWh の場合、追加の運用コストは年間 4,680 ドルになります。水道料金 2.00 ドル/1,000 リットルの場合、節水額は年間 3,900 ドルになります。空冷システムを採用した場合の正味の差額は年間 780 ドルになります。
この比較は、電気料金、水道料金、稼働時間に影響されます。電気料金が安い場合、または水道料金が高い場合は、空冷システムの方が有利です。
設置とクリアランス
空冷コンデンサーを取り付けるには、空気の吸入と排出のために十分なスペースが必要です。メーカーが指定したクリアランスに従う必要があります。
一般的なユニットの最小クリアランスは次のとおりです。
吸気側：1.0～2.0メートル（設計による）
吐出側：2.0～4.0m（本体高さ、吐出方向による）
隣接するユニット間: 2.0 ～ 3.0 メートル、再循環を防ぐため
再循環-排出された空気を吸気口に戻すこと-により、実効温度差が減少し、容量が 10% ～ 30% 減少する可能性があります。再循環のリスクは、密閉されたスペース、隣接するユニットの間、および凝縮器が壁の近くまたは天蓋の下に設置されている場合に高くなります。
メンテナンスと清掃
主なメンテナンス要件は、フィン付きコイルの表面を清掃することです。ほこり、汚れ、花粉、工業用微粒子がフィンに蓄積すると、空気の流れと熱伝達が低下します。蓄積速度は環境によって異なります。
- クリーン環境（住宅地、オフィスビル）：年1回の清掃
- 中程度の環境（商業地域、郊外）: 年に 2 回の清掃-
- 過酷な環境 (工業地域、農業地域、沿岸): 四半期ごとの清掃
クリーニングは次の方法で実行できます。
- 中性洗剤を水でスプレーし、その後洗い流してください。
- 圧縮空気を内側から外側へ（逆流）
- 油やグリースの付着物の化学洗浄
高圧水による洗浄は、フィンが曲がって空気の流れが減少し、圧力降下が増加する可能性があるため、注意して使用する必要があります。{0}}フィンをまっすぐにするツールは入手可能ですが、使用するには多大な労力がかかります。{2}}
結論
空冷コンデンサーは、明確に定義された性能特性を備えた成熟したテクノロジーです。{0}その主な利点は水の消費がなくなることであり、これは水不足地域では決定的に重要です。-主な制限は、周囲温度が高い場合の容量の低下であり、これは適切なサイジングによって考慮する必要があります。
空冷コンデンサーの選択は、気候、冷却負荷、騒音制限、設置上の制約などのサイト固有の評価に基づいて行う必要があります。{0}資本コスト、運用コスト、メンテナンス要件を水冷式の代替品と比較する必要があります。評価が系統的に行われると、適切な選択が明確になります。