基本的な冷凍: 熱伝達の熱力学

冷凍事業に携わっていない人は、冷凍装置が冷気を発生させると考えていることがよくあります。 実際、この装置は実際に空気から熱を取り除き、残ったもの、つまり冷気を残します。 センサーが目標温度に達したと判断すると、機器は一時停止し、温度が戻ると機器は再び稼働します。

これは非常に単純な概念ですが、冷凍装置にはそれ以上の意味があることを誰もが認識しています。 この記事では、熱が流れる仕組みと、熱伝達の速度を決定する要因について学びます。 また、温度と圧力の変化が密閉された配管システム内の冷媒の状態にどのような影響を与えるかを説明する 4 つの法則についても学びます。 技術者として、機器のトラブルシューティングを行う際には、これらすべてを知っておく必要があります。

熱伝達には 3 つの異なる方法があります。

さまざまな熱伝達方法を理解したところで、熱伝達率に何が影響するかを知る必要があります。

冷媒は特定の特性に合わせて選択され、冷媒がどのように動作するかが熱除去プロセスにとって重要です。 温度と圧力を操作することで、冷媒が熱を吸収または拒否できる条件を設定することができます。

内蔵型または密閉型の冷凍システムでは、冷媒配管が完全に接続されており、外気圧にさらされず、コンポーネントにはコンプレッサー、凝縮器、蒸発器が含まれます (図 1 を参照)。

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図1：冷凍システムには、コンプレッサー、凝縮器、蒸発器などのコンポーネントが含まれています。 (ヒートクラフト提供)

液体状態の冷媒は、たとえばシステムを通って屋外熱交換器にウォークインクーラーから熱を伝達する準備が整っています。 液体は圧縮できないため、冷媒は熱い蒸気として凝縮器の入口に入り、凝縮コイルの通路を通って移動します。 外気と熱い蒸気の間には温度差があるため、熱が伝わり、冷媒が凝縮器出口から出るときに状態が気体から液体に変化します。

図 1 に示す液体レシーバーはサブクール液体を受け取り、熱式膨張弁 (TXV) または電気式膨張弁 (EEV) に流れます。 TXV または EEV から出ると、冷媒はディストリビュータに送られ、そこで液体冷媒の流れが蒸発器コイルのすべての開口部に分割されます。 ここで、冷媒の圧力が低下し、温度が下がります。 これら 2 つの要素は正比例します。

蒸発器コイルでは、圧力の低下により温度が大幅に低下します。 コイルに吹き付けられる暖かい空気は、吸入ラインを通ってコンプレッサーに戻る冷たい冷媒によって吸収された熱の一部を放出します。 冷媒蒸気はコンプレッサーに入り、コンプレッサーは冷媒を高温ガスとして吐出し、次に凝縮コイルの入口に入り、そこで拒否されるか、蒸発器から収集された熱を屋外環境に放出します。 その際、高温の気体から過冷却された液体に状態が変化します。 その後、サイクルが再び始まります。

蒸気から液体へのこれらの状態変化を管理する一連の法則があります。 冷媒が密閉システム内にある場合、冷媒が液体状態であるか気体 (蒸気) 状態であるかにはいくつかの影響があり、冷媒の挙動を説明する 4 つの法則があります。

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図 2:ボイルの法則は、理想気体 (汚染物質が含まれていない気体) の圧力は、一定温度ではその体積に反比例すると述べています。 (ヒートクラフト提供)

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図 3:完全気体の法則では、冷媒が加熱されると圧力が増加し、冷媒が冷却されると圧力が減少すると定められています。 (ヒートクラフト提供)

これらの情報はすべて、技術者がトラブルシューティングに熟達するのに役立ちます。 機器がどのように動作するかを知ることで、比較手段のベースラインが得られます。