単段蒸気圧縮冷凍サイクル
テンプレート:出典の明記 単段蒸気圧縮冷凍サイクル（たんだんじょうきあっしゅくれいとうサイクル）は、冷凍機の熱サイクルのひとつである。気体の冷媒を圧縮機で圧縮し、凝縮器で冷却して圧力が高い液体をつくり、膨張弁で圧力を下げ、蒸発器で低温で気化させ気化熱で熱を奪い取る。
目次
膨張弁サイクル
サイクルは以下のプロセスを圧縮→凝縮→膨張→蒸発→圧縮の順に繰り返すことにより対象物を冷却する：
- 1. 圧縮 - 圧縮機が気体の冷媒を高温高圧に圧縮する。冷媒にはws [J/kg]の仕事が加えられる。
- 2. 凝縮 - 熱交換器である凝縮器で冷媒を液化する。冷媒はws + wr [J/kg]の熱量を外部へ放出する。
- 3. 膨張 - 膨張弁で液体の冷媒を絞り、減圧する。循環量を調整する役割もある。このプロセスでは熱の出入りはない。
- 4. 蒸発 - 熱交換器である蒸発器で冷媒を蒸発、気化させる。冷媒はwr [J/kg]の熱量を吸収し、ここで対象物が冷やされる。
この他、圧縮-凝縮プロセスの間に油分離器、凝縮-膨張プロセスの間に受液器などの補器が入る。
理論成績係数
成績係数COPは蒸発器で吸収する熱量を見る冷凍機サイクルとしての(COP)Rと、凝縮器で放出する熱量を見るヒートポンプサイクルとしての(COP)Hに分けられる。
- <math>\mathrm{(COP)_R}=\frac{w_\mathrm{r}}{w_\mathrm{s}}</math>
- <math>\mathrm{(COP)_H}=\frac{w_\mathrm{r}+w_\mathrm{s}}{w_\mathrm{s}}=\mathrm{(COP)_R}+1</math>
熱量 wr、wsを冷媒の比エンタルピh1,...,h4 [J/kg]で表すと
- <math>w_r = h_1 - h_4</math>
- <math>w_s = h_2 - h_1</math>
であるから、
- <math>\mathrm{(COP)_R} = \frac{ h_1 - h_4}{h_2 - h_1} </math>
- <math>\mathrm{(COP)_H} = \frac{ h_2 - h_4}{h_2 - h_1} = \mathrm{(COP)_R} + 1 >1</math>
となる。ここで添え字の数字は、上記の各プロセスに入る直前の冷媒の状態を表す。
ただし実際には圧縮機、熱交換器や配管などで損失があるが、ここではそれがない場合を考えている。
冷凍能力・圧縮機理論必要軸動力
実際の冷凍機の理論冷凍能力Φr [kW]、圧縮機理論必要軸動力Wth [kW]、凝縮器負荷Φk [kW]は冷媒循環量q [kg/s]に比例し、以下のようになる：
- <math>\Phi_\mathrm{r} = q w_\mathrm{r} = q ( h_1 - h_4)</math>
- <math>W_\mathrm{th} = q w_\mathrm{s} = q ( h_2 - h_1)</math>
- <math>\Phi_\mathrm{k} = q ( w_\mathrm{r} + w_\mathrm{s} )= q ( h_2 - h_3) </math>
膨張プロセスではエンタルピ変化はないため、h3 = h4であることに注意。
液ガス熱交換器付きサイクル
受液器出口の液冷媒と蒸発器出口の冷媒とを液ガス熱交換器で熱交換させることがある。熱交換器の損失がなければサイクル効率は変化しない。
目的
- 圧縮機に送られるガスを過熱状態として湿り圧縮や液圧縮を防止する。
- 蒸発器に送られる液の過冷却度を大きくして液管でのフラッシュガス発生を防止する。
- 圧縮機吸込みガスの過熱度が大きい方が成績係数が大きくなる冷媒の場合に過熱度を大きくする（空気冷却器のみでは熱抵抗が大きく管長が長くなりすぎるため）。
圧縮機吐き出しガスバイパス
容量制御機構を持たない圧縮機において、圧縮機吐出しガスをホットガスバイパス弁で膨張弁出口にバイパスさせ容量制御を行うことがある。バイパスガスを余分に圧縮しなければならないのでサイクル効率は低下する。
液噴射で圧縮機吸込み蒸気を冷却するサイクル
圧縮機流入蒸気の過熱度が大きすぎ吐出しガスの温度が高すぎる場合、受液器から調節弁での液噴射で、圧縮機吸込み蒸気の過熱度を低下させることがある。噴射液の割合分だけサイクル効率は低下する。
エジェクタサイクル
エジェクタサイクルは、凝縮器出口の蒸気の圧力でエジェクタを駆動し、蒸発器の蒸気を吸引して気液分離と圧力回収とを行って圧縮機に送り込むサイクルである。
膨張弁サイクルとの比較
- 圧力回収が行われるため圧縮機の動力が低減できる。
- 気液分離が行われるため圧縮機での液圧縮が防止できる。
- 単純な機構である。
- サイクル効率で劣る。
サイクルは以下のようになる：
- 6g - 圧縮機で冷媒を圧縮 →1
- 1 - 油分離器で油を分離し、凝縮機で熱を放出し、受液器で一旦液を溜めておく →2
- 2 - ノズルで断熱膨張させで圧力を速度にエネルギーに変換する →3
- 3,9 - ノズルからの2相流で吸込み部からの気体を吸引する →4
- 4 - 混合部で混合・昇圧する →5
- 5 - ディフュザでさらに減速加圧する →6
- 6 - 気液分離器で気体と液体を分離する →6g,6l
- 6l - 膨張弁で絞り膨張 →7
- 7 - 蒸発器で吸熱 →8
- 8 - 吸引部の圧力差で気体を吸引 →9
膨張機サイクル
膨張機サイクルは、膨張弁の代わりに膨張機により動力の回収と減圧を行うものである。膨張機で回収された動力分だけサイクル効率の向上と排熱の低減が可能である。
絞り損失の非常に大きい二酸化炭素を使用するサイクルで有効とされる。
関連項目
- 熱機関の理論サイクル : 冷凍サイクル
- 冷凍機
