空気冷凍ユニット: 化学冷媒を使用しない低温

空気そのものを冷媒とする空気冷凍ユニット

空気冷凍ユニット (空気サイクル冷凍システムまたはベルコールマン サイクル システムとも呼ばれる) は、アンモニア、R-134a、CO₂ などの化学冷媒ではなく、作動流体として空気を使用する冷却技術です。周囲空気またはプロセス空気は圧縮、冷却され、タービンまたはエキスパンダを通して膨張されます。空気が急速に膨張すると、その温度は入口温度よりも大幅に低下し、冷却効果が生じます。

空気冷凍は民間航空における主要な冷却技術であり、1950 年代から客室の加圧と温度制御に使用されてきました。また、合成冷媒の排除が規制や環境の優先事項である地上の産業環境でも適用されることが増えています。 蒸気圧縮システムとは異なり、空気冷却は冷媒漏れのリスクがなく、冷媒回収インフラストラクチャも必要とせず、非常に低い温度で効果的に動作するため、極低温食品加工、医薬品保管、および特定の液化プロセスに特に適しています。

いつ起こるかを理解する 空気冷凍ユニット 技術的および経済的に正しい選択をするには、熱力学サイクルがどのように機能するか、蒸気圧縮代替手段と比較してどのような効率のトレードオフが伴うか、およびどのアプリケーション環境がその特定の特性に有利であるかを検討する必要があります。

空気冷凍の背後にある熱力学サイクル

空気冷凍は、逆ブレイトン サイクル、つまりガス タービン パワー サイクルの熱力学的逆サイクルで動作します。逆ブレイトン サイクルでは、仕事を生成するために熱を使用するのではなく、仕事の入力を使用して冷たい貯留部から暖かい貯留部に熱を伝達し、冷却を実現します。

このサイクルは、次の 4 つの主要な段階を経て進行します。

• 圧縮: 大気または再循環空気はコンプレッサーに入り、そこでその圧力と温度が大幅に上昇します。航空システムでは、航空機の前進運動からのラムエアがこのプロセスを補います。地上ユニットでは、電気または機械駆動のコンプレッサーがすべてを処理します。
• 熱遮断（冷却）： 高温の圧縮空気は、周囲の空気、水、またはプロセス流体によって冷却された熱交換器を通過し、膨張する前に圧縮熱のかなりの部分が除去されます。この予冷ステップは非常に重要です。膨張機に入る空気が冷たければ、膨張後の最終温度は低くなります。
• 拡張: 冷却された高圧空気は膨張タービンまたは膨張弁を通過します。圧力が急速に低下すると、気温が急激に低下し、一部の産業用途では温度が -100°C を下回ります。タービンは同時に、コンプレッサーに部分的に電力を供給するために使用できる有用な機械的仕事を生成し、システム全体の効率を向上させます。
• 冷却効果: 冷たい低圧の空気は、冷却されている空間または製品から熱を吸収し、わずかに温まってからコンプレッサーの入口に戻り、サイクルを再開します。

逆ブレイトン サイクルの理論上の成績係数 (COP) は、中程度の温度では逆ランキン (蒸気圧縮) サイクルよりも低くなります。同様の条件では、空気サイクルでは通常 0.5 ～ 1.0 であるのに対し、蒸気圧縮システムでは 2.0 ～ 4.0 です。 この効率の差が、空気冷凍が一般的に使用されない主な理由ですが、非常に低い温度や冷媒の除去が必須の用途では、逆ブレイトン サイクルが競争力のある、または優れたものになります。

航空におけるブートストラップと単純な空気サイクル

航空環境制御システム (ECS) は、基本的なエア サイクルのバリエーションを使用します。最も一般的なのは、ブートストラップ サイクルと 3 輪または 4 輪エア サイクル マシン (ACM) です。ブートストラップ サイクルでは、膨張タービンによって駆動される二次コンプレッサーが最終膨張の前に空気をさらに圧縮し、単純なサイクルよりも大幅な温度低下を実現します。最新の 4 輪 ACM は、コンプレッサー、タービン、ファン、水分離器を 40,000 ～ 100,000 RPM の速度で回転する 1 つのシャフトに統合し、重量 20 kg 未満のユニットで数百人の乗客を運ぶ航空機の客室空調を実現します。

空気冷却が代替手段を上回る主な用途

空気冷凍は蒸気圧縮システムに代わる普遍的なものではありませんが、特定の運用状況においては、経済的または実用的に他の技術に匹敵する決定的な利点を提供します。

民間航空および軍用航空

航空機の客室の冷却と加圧は、世界最大の空気冷凍の単一用途を表しています。現在運航されているすべての商用ジェット機は、環境制御のために何らかの形のエアサイクルマシンを使用しています。理由は単純です。高度では空気が自由に利用できること、密閉された加圧キャビン内で有毒または可燃性の冷媒が放出されるリスクがないこと、システムが飛行中に遭遇する極端な圧力差と温度範囲に耐えられること、そして航空の質量と体積の制約により、コンパクトで軽量の ACM が同等の容量の蒸気圧縮代替品よりも好ましいことです。

食品の極低温冷凍とコールドチェーン処理

産業用空気冷却ユニットは、-40°C ～ -80°C の温度での非常に急速な冷凍を必要とする食品加工施設に導入されることが増えています。これらの温度範囲では、エア サイクル システムと蒸気圧縮システムの効率の差が大幅に縮まり、規制遵守コスト、漏れ検出インフラストラクチャ、EU F ガス規制などの規制に基づく F ガスのフェーズダウン圧力を含む冷媒の取り扱いが不要になるため、エア サイクル システムは新しい施設の構築にとって経済的に魅力的になります。

医薬品および生物医学の冷蔵倉庫

温度に敏感な生物製剤、ワクチン、研究室サンプルを超低温で保管する施設は、冷媒の安全性と環境への影響に関する厳しい規制要件に直面しています。空気冷凍システムは、空気には危険物質規制の下で化学分類がないため、管理された製薬環境への合成冷媒の漏洩に関連する汚染リスクを排除し、コンプライアンス文書を簡素化します。

地下採掘とトンネル冷却

深部地下鉱山では、深さ 2,500 メートル以下では岩石の温度が 50°C を超えるため、作業環境を安全な温度制限内に保つために積極的な冷却が必要です。閉じ込められた地下トンネル内での冷媒の漏洩は急性毒性または引火の危険を引き起こすため、空気冷却ユニット、特に鉱山の換気システムに統合されたユニットが好まれます。 南アフリカの金鉱山は水深 3,000 メートル以下で操業しており、空気冷却システムは 10 MW を超える冷却能力を発揮し、人間の存在が不可能となる岩石の温度を管理しています。

空気冷凍と蒸気圧縮: 直接比較

空気冷凍と蒸気圧縮冷凍のどちらを選択するかには、複数の技術的および運用上の側面を評価する必要があります。以下の比較は、産業および商業の意思決定者に最も関連する基準をカバーしています。

システムコンポーネントとその運用上の役割

地上設置の産業用空気冷凍ユニットは、相互接続された複数のコンポーネントで構成されており、それぞれがシステムの容量、効率、信頼性に直接影響します。それぞれの機能を理解することは、メンテナンス チームがパフォーマンスの損失を診断し、検査間隔の優先順位を付けるのに役立ちます。

コンプレッサー

コンプレッサーはシステムの主要なエネルギー入力点です。遠心式または軸流式コンプレッサーは、大型の産業用ユニットで使用されます。往復コンプレッサーは、より小型のシステムに使用されます。コンプレッサーの効率はシステム全体の COP に直接影響します。等エントロピー コンプレッサーの効率が 5% 低下すると、固定入力電力でシステム全体の冷却能力が 8 ～ 12% 減少する可能性があります。吸入空気の濾過品質は非常に重要です。コンプレッサーブレードに到達する微粒子汚染は表面侵食を引き起こし、時間の経過とともに効率が徐々に悪化します。

熱交換器（インタークーラー/プリクーラー）

圧縮機の出口と膨張機の入口の間の熱交換器は、最終的な冷気温度の決定に最も直接関与するコンポーネントです。 エキスパンダに入る圧縮空気の温度を 10°C 下げると、通常、最終膨張温度も対応する 10 ～ 14°C 下がります。 、膨張率と膨張機の効率に応じて異なります。空気中の汚染物質や水垢による熱交換器の高温側の汚れは、オペレーティング システムの冷却能力が徐々に低下する最も一般的な原因です。

膨張タービン

膨張機は冷凍効果を生み出す場所です。産業用空気冷凍装置の最新の膨張タービンは、回収された機械的仕事がダイレクト カップリングまたはギアボックスを介してコンプレッサー シャフトにフィードバックされることで、80 ～ 90% の等エントロピー効率を達成し、正味電力消費を大幅に削減します。タービンブレードのクリアランスは厳しい公差内に維持する必要があります。ベアリングの摩耗によってシャフトの動きが 0.1 mm でも許容されると、ブレード先端の摩擦が発生し、効率が急速に低下し、機械的故障の危険が生じます。

水分分離器および乾燥器

空気には水蒸気が含まれており、膨張によって生じる低温で凍結して氷が形成され、通路を塞いだり、回転部品に損傷を与えたりする可能性があります。低温セクションの上流にある湿気分離器と冷媒乾燥機は、凝縮水を重要なコンポーネントに到達する前に除去します。 -40℃以下で動作する極低温用途では、露点を-70℃以下に下げることができるモレキュラーシーブドライヤーが標準装備されています。

最新の空気冷凍設計における効率の向上

歴史的に蒸気圧縮に比べて空気冷凍が効率面で不利であった点は、ターボ機械、熱伝達、システム統合における工学の進歩によって大幅に縮小しました。いくつかの開発により、最新の空気冷凍ユニットの実用的な性能が大幅に向上しました。

• 磁気軸受技術: 従来のオイル潤滑ベアリングをアクティブ磁気ベアリングに置き換えると、ベアリングの摩擦損失がなくなり、潤滑油システム (プロセス空気を汚染する可能性がある) が不要になり、メンテナンス間隔が大幅に延長されます。磁気ベアリングを備えたユニットは、オイルベアリングの同等品と比較して寄生電力損失が 15 ～ 25% 削減されると報告されています。
• 中間冷却を備えた多段階圧縮: 中間冷却を備えた 2 つ以上の圧縮機ステージにわたる段階的な圧縮により、圧力比単位あたりに必要な作業が削減され、システム全体の効率が向上します。中間冷却を備えた 2 ステージ システムは、同じ圧力比で 1 ステージの同等システムと比較して COP を 20 ～ 35% 向上させることができます。
• 回復熱交換: 暖かい戻り空気流と冷たい供給空気流の間に再生熱交換器を追加すると、冷たい出口空気が入ってくる圧縮空気を予冷することができ、各サイクル パス内で冷凍効果を 2 回効果的に利用できます。この回復構成は航空 ACM では標準であり、産業用ユニットでも採用が増えています。
• 可変速ドライブの統合: 固定設計速度で動作させるのではなく、コンプレッサー速度をリアルタイムの冷却需要に合わせることで、固定速度システムが部分負荷時に発生する大幅な効率損失が排除されます。 50% の負荷で動作する可変速空気冷凍ユニットは、全負荷効率の約 75 ～ 85% を維持しますが、固定速度の同等品の効率は 55 ～ 65% です。

空気冷凍の採用を加速する規制要因

産業市場における空気冷凍装置の競争上の地位は、技術の進歩のみによるものではなく、合成冷媒に対する国際規制の強化によって、過去 10 年間で著しく変化しました。

2016年に採択されたモントリオール議定書のキガリ修正案では、署名国に対しハイドロフルオロカーボン（HFC）消費量を2047年までに80～85％段階的に削減することを義務付けている。EU Fガス規制は欧州内でより積極的な段階削減スケジュールを実施しており、高GWP冷媒はすでに供給制限の対象となっており、R-404Aなどの一般的な冷媒の価格は300％以上上昇している。一部の欧州市場では 2018 年から 2023 年まで。 これらの規制とコストの圧力により、冷媒コストと規制順守が数十年にわたる運用上の負債となるコールド チェーン インフラストラクチャへの新規設備投資にとって、空気冷凍システムのゼロ GWP 作動流体がますます魅力的になっています。

新しい冷凍インフラストラクチャへの設備投資を計画している食品加工施設や製薬施設では、空気冷凍の総所有コストの計算が、高 GWP 冷媒を必要とする蒸気圧縮システムと比較して有利な結果をもたらすことが多くなっています。特に、機器の初期価格だけでなく、将来の冷媒交換コスト、規制遵守の諸経費、および漏れ検出インフラストラクチャが分析に含まれている場合に当てはまります。

産業用ユニットのサイジングと仕様に関する考慮事項

産業用途向けの空気冷凍ユニットを指定するには、相互に依存するいくつかのパラメーターを処理する必要があります。カタログの選択が比較的簡単な蒸気圧縮システムとは異なり、エア サイクル システムは、サイト固有の周囲条件やプロセス要件により敏感です。

• 必要な冷却温度: 目標の供給空気温度によって、膨張機全体に必要な圧力比が決まります。非常に低い目標温度 (-60°C 未満) では、より高い圧力比と通常は多段階圧縮が必要となり、資本コストと複雑さが追加されます。
• 入口周囲温度: プレクーラー熱交換器の有効性、つまり最終膨張温度は、現場で利用できる冷却媒体 (周囲空気または水) の温度に大きく依存します。周囲温度 15 °C で供給空気が -50 °C になるようにサイズ設定されたシステムは、夏の周囲温度が 40 °C に達する現場では、予冷器がそれを補うために大きすぎない限り、かなり暖かい空気を生成します。
• 吸気湿度: 周囲湿度が高いと、乾燥システムの湿気負荷が増加し、下流のコンポーネントで氷が形成されるリスクが高まります。熱帯または沿岸気候のサイトでは、温帯または乾燥した場所よりも強力な水分分離ステージが必要です。
• 高度補正: 標高 1,000 メートルを超えると、周囲圧力が低下して空気密度が低下し、固定形状のコンプレッサーを通過する質量流量が減少し、冷却能力が低下します。海抜ゼロメートルで記載された公称冷却能力の数値には、高度ディレーティング係数を適用する必要があります。
• 負荷プロファイルの変動: 稼働シフトや季節によって冷却需要が大幅に変化する場合、可変速ユニット、または個々のユニットをオンラインとオフラインで段階的に配置できるモジュール式マルチユニット構成は、ピーク需要に合わせてサイズを調整した単一の固定容量ユニットよりも大幅に優れたエネルギー効率を実現します。