(57)【要約】  冷却又は空調システムで使用するための蒸発凝縮器（１０）は、凝縮コイルゾーン（１３）に配置される１以上の凝縮コイル（１２）を備える。コイルは、コイル内でシステムの冷媒を凝縮させる。凝縮器は、１以上の凝縮コイル（１２）を濡らすための機構（１４，１５）も備える。凝縮器は、更に、自由水を、１以上の凝縮コイル及び濡らし機構（１４，１５）を通って流れた空気流Ａから除去するように配置されているドリフトエリミネータ（３０）を備える。凝縮器は、加えて、凝縮コイルゾーン（１３）からドリフトエリミネータ（３０）の方へ発散する発散ゾーン（４０）であって、空気流が１以上の凝縮コイル（１２）を通って流れると、空気流が、発散ゾーン４０を通ってドリフトエリミネータ（３０）へと流れるようになっている、発散ゾーン（４０）を備える。
2017519182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却又は空調システムで使用するための蒸発凝縮器であって、
−  凝縮コイルゾーンに配置されている１以上の凝縮コイルであって、前記凝縮コイル内で前記システムの冷媒を凝縮させるための凝縮コイルと、
−  前記１以上の凝縮コイルを濡らすための機構と、
−  前記１以上の凝縮コイル及び濡らし機構を通って流れた空気流から自由水を除去するように配置されているドリフトエリミネータと、
−  前記凝縮コイルゾーンから前記ドリフトエリミネータの方へ発散する発散ゾーンであって、前記空気流が前記１以上の凝縮コイルを通って流れると、前記空気流が、前記発散ゾーンを通って前記ドリフトエリミネータへと流れるようになっている、発散ゾーンと、
を備える、蒸発凝縮器。
【請求項２】
前記１以上の凝縮コイルが、束として、前記凝縮コイルゾーンに配置されている、請求項１に記載の凝縮器。
【請求項３】
前記凝縮コイルゾーンが、概ね一定の断面積の前記凝縮器のセクションを備える、請求項２に記載の凝縮器。
【請求項４】
前記発散ゾーンが、前記発散ゾーン内を流れる前記空気流を、前記ドリフトエリミネータに達する前に減速させるように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の凝縮器。
【請求項５】
前記発散ゾーンが、前記空気流が中を流れる中空の錐台を備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の凝縮器。
【請求項６】
前記ドリフトエリミネータが、前記発散ゾーンの空気流出側のすぐ近くに位置している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の凝縮器。
【請求項７】
前記凝縮器が、前記凝縮コイルゾーンの空気流入側に位置している吸気チャンバを更に備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の凝縮器。
【請求項８】
前記１以上の凝縮コイルを濡らすための前記機構が、スプレーノズルを備え、前記スプレーノズルが、前記１以上の凝縮コイルを通って流れる前記空気流と逆方向に、水を前記１以上の凝縮コイルにスプレーするように、前記発散ゾーンに対して配置されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の凝縮器。
【請求項９】
前記ノズルが、前記水を、概ね液体のコーンとして、前記１以上の凝縮コイル上へスプレーするために、前記発散ゾーンに配置されている、請求項８に記載の凝縮器。
【請求項１０】
凝縮コイルゾーンを通過した水を回収するための回収ゾーン、及び回収した水を前記濡らし機構にリサイクルするためのリサイクルシステムを更に備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の凝縮器。
【請求項１１】
前記リサイクルシステムが、前記回収した水を、配管を通って前記濡らし機構に送り込むためのポンプ、及び、必要に応じて、前記蒸発凝縮器が効果的に運転するための所定量の水を維持するための水補給機構を備える、請求項１０に記載の凝縮器。
【請求項１２】
熱交換器であって、前記回収した水が、前記濡らし機構にリサイクルされる前に前記熱交換器を通過し、凝縮した前記冷媒が前記熱交換器を通過して、リサイクルされる前記回収した水と熱を交換する、熱交換器を更に備える、請求項１０又は１１に記載の凝縮器。
【請求項１３】
前記１以上の凝縮コイルのうちのそれぞれが、ステンレス鋼チューブを備える、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の凝縮器。
【請求項１４】
冷却又は空調システムで使用するための蒸発凝縮器であって、
−  凝縮コイルゾーンに配置されている１以上の凝縮コイルであって、前記凝縮コイル内で前記システムの冷媒を凝縮させるための凝縮コイルと、
−  前記１以上の凝縮コイルを濡らすための機構と、
−  自由水を、前記１以上の凝縮コイル及び濡らし機構を通って流れた空気流から除去するように配置されているドリフトエリミネータと、
−  凝縮コイルゾーンを通過した水を回収するための回収ゾーンと、
−  回収した水を前記濡らし機構にリサイクルするためのリサイクルシステムと、
−  熱交換器であって、前記回収した水が、前記濡らし機構にリサイクルされる前に前記熱交換器を通過し、凝縮した前記冷媒が前記熱交換器を通過して、リサイクルされる前記回収した水と熱を交換する、熱交換器と、
を備える、蒸発凝縮器。
【請求項１５】
請求項１〜１３のいずれか１項で規定される、請求項１４に記載の凝縮器。
【請求項１６】
冷却又は空調サイクルの一部を形成する蒸発凝縮プロセスであって、
−  冷媒に１以上の凝縮コイルを通過させるステップと、
−  前記１以上の凝縮コイルを水で濡らすステップと、
−  空気流に、濡れた前記１以上の凝縮コイル上を通過させることにより、冷媒を前記コイル内で凝縮させ、前記水の一部を前記空気流中に蒸発させるステップと、
−  前記１以上の凝縮コイルを流出する前記空気流中に存在する水を除去するステップと、
を含み、
前記１以上の凝縮コイルを流出する前記空気流の速度を、前記空気流中に存在する前記水を除去する前に減速させる、蒸発凝縮プロセス。
【請求項１７】
冷却又は空調サイクルの一部を形成する蒸発凝縮プロセスであって、
−  冷媒に１以上の凝縮コイルを通過させるステップと、
−  前記１以上の凝縮コイルを水で濡らすステップと、
−  前記１以上の凝縮コイルを通過する前記水を回収し、リサイクルして、前記１以上の凝縮コイルを水で濡らすステップと、
−  空気流に、濡れた前記１以上の凝縮コイル上を通過させることにより、冷媒を前記コイル内で凝縮させ、前記水の一部を前記空気流中に蒸発させるステップと、
−  前記１以上の凝縮コイルを流出する前記空気流中に存在する水を除去するステップと、
−  回収した前記水をリサイクルして、前記１以上の凝縮コイルを濡らす前に、凝縮した前記冷媒と、前記回収した水との間で、熱を交換するステップと、
を含む、蒸発凝縮プロセス。
【請求項１８】
前記プロセスが、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の蒸発凝縮器で起こる、請求項１６又は１７に記載のプロセス。
【請求項１９】
前記１以上の凝縮コイルで凝縮する前記冷媒が、化学冷媒又は自然冷媒、例えば本明細書で説明される冷媒を含む、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
冷却及び空調システムで使用するための改善された蒸発凝縮器及び蒸発凝縮プロセスが開示される。凝縮器及びプロセスは、化学冷媒（例えばヒドロフルオロカーボン）及び自然冷媒（例えば炭化水素（例えばプロパン及びイソブタン）、ＣＯ２、アンモニア等）の両方で用いてもよい。
【背景技術】
【０００２】
既存の蒸発凝縮器は、様々な冷却及び空調システムにおいて、冷媒の凝縮により、排熱するために使用される。より詳細には、蒸発凝縮器は、１以上の濡らされる（例えばスプレーされる）凝縮コイルを備える。凝縮コイルは、凝縮コイルを空気流が通過することにより、冷媒を凝縮させるためのものであり、水の一部が蒸発することにより、凝縮コイルの冷媒から熱を除去し、凝縮コイル内で冷媒を凝縮させる。また、蒸発凝縮器は、ドリフトエリミネータ（又は、より単純にエリミネータであり、「ドリフト」は、除去されなければ大気へと通過するであろう水である）も備える。ドリフトエリミネータは、空気流が凝縮コイル及び水スプレーを通って流れるときに、空気流と共に通過する自由水（free water）を除去する。自由水の除去は、空気流を大気に解放する前になされる。
【０００３】
既存の蒸発凝縮器では、凝縮コイルの平面面積は、ドリフトエリミネータの平面面積と釣り合い、蒸発凝縮器を通る一定の空気流量及び空気流速度を保証する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
既存の蒸発凝縮器では、熱交換効率は、凝縮コイル上を流れる空気の速度によって制限される。空気の速度は、今度は、ドリフトエリミネータが、ドリフトエリミネータを通過する空気から自由水を除去する能力によって制限される。既存の蒸発凝縮器では、このように除去された水は、凝縮コイルを濡らす際に再使用するためにリサイクルされる。しかし、ドリフトエリミネータを通って大気に流れる空気と共に通過する任意の水は、細菌、例えばレジオネラを含有することがあるので、可能な限り多くの自由水を空気流から除去することが要求される。
【０００５】
例えば、多くの既存の蒸発凝縮器では、ドリフトエリミネータを通る最大空気速度を、３．５〜４ｍ／ｓに規定して、十分な水の除去を保証することが知られているが、このような高い最大空気速度では、なお、除去されていない自由水と共にドリフトエリミネータを通る細菌（例えばレジオネラ）の著しいリスクがあると推測される。ドリフトエリミネータを通る、より安全な最大空気速度の３．５ｍ／ｓが提案されている。しかし、このことは、今度は、凝縮コイル上を流れ得る空気の速度に対する限界を設定するであろう。
【０００６】
上記の背景技術への参照は、必ずしも、技術が当業者の一般的な常識の一部を形成するという認識を構成しない。また、上記の参照は、本明細書で開示される凝縮器及びプロセスの用途を限定するように意図されない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書では、冷却又は空調システムで使用するための蒸発凝縮器が開示されている。本明細書で開示される蒸発凝縮器は、化学冷媒（例えばヒドロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、ペルフルオロカーボン、ヒドロフルオロオレフィン等）及び自然冷媒（例えば炭化水素、例えばプロパン及びイソブタン等、ＣＯ２、アンモニア等）を凝縮させることができる。
【０００８】
本明細書で開示される蒸発凝縮器は、１以上の凝縮コイルを備え、この凝縮コイルは、凝縮コイル内でシステムの冷媒を凝縮させるためのものである。１以上の凝縮コイルは、蒸発凝縮器の凝縮コイルゾーンに配置され得る。凝縮コイルゾーンは、一定の断面積を有する空気プレナムを備えてもよい。
【０００９】
また、本明細書で開示される蒸発凝縮器は、（例えば水でスプレーすることにより）１以上の凝縮コイルを濡らすための機構も備える。
【００１０】
本明細書で開示される蒸発凝縮器は、自由水を、１以上の凝縮コイル及び濡らし機構を通って流れた空気流から除去するように配置されているドリフトエリミネータを更に備える。
【００１１】
本開示によると、本明細書で開示される蒸発凝縮器は、凝縮コイルゾーンからドリフトエリミネータの方へ発散する発散ゾーンを備える。発散ゾーンの構成は、空気流が１以上の凝縮コイルを通って流れると、空気流が、発散ゾーンを通ってドリフトエリミネータへと流れるようになっている。例えば、発散ゾーンは、次第に増大する断面積を有する空気プレナムを備えてもよい。
【００１２】
発散ゾーンは、凝縮コイルゾーンを流出する空気流の速度を減速させることができる。これは、凝縮コイル上を通過する空気の速度が、ドリフトエリミネータを通過する空気の速度に対して増加し得ることを意味する。このより高い速度は、チューブの汚れを低減することを助けることができる。
【００１３】
更に、驚くべきことに、ドリフトエリミネータに対して減少した平面面積を有する凝縮コイル束が用いられ得ることが発見された。更にこのことにより、より少ない凝縮コイルが、同じ凝縮器性能のために必要とされる。これは、より低いコストの蒸発凝縮器を製造できることを意味する。なぜなら、凝縮コイル束が、このような凝縮器の唯一の最も高価な構成要素に相当するからである。
【００１４】
加えて、増加した冷媒の流れが、凝縮コイル束を通過してもよい。なぜなら、より大きな空気速度は、比較的多量の冷媒の凝縮を引き起こすことができるからである。
【００１５】
更に、これは、既知の溶融亜鉛めっき炭素鋼凝縮チューブを使用する代替として、より高価かつ／又はより強い材料（例えばステンレス鋼）を使用して、１以上の凝縮コイルを形成でき、その結果、より長い寿命、より少ない腐食、及び任意で、より薄いコイル（チューブ）の壁材を用いることができる。それにもかかわらず、好ましい場合、ＤＮ  ８、１０、１５、及び２０（スケジュール４０）のシームレス、溶融シームレス亜鉛めっき炭素鋼チューブを、それでもなお使用して、１以上の凝縮コイルを形成してもよい。
【００１６】
一実施形態では、１以上の凝縮コイルのうちのそれぞれは、ステンレス鋼チューブ（例えば３０４又は３１６ステンレス鋼であって、４．７６〜３１．８ｍｍの外径及び０．５〜１．６ｍｍの厚さのチューブ）を用いてもよい。３０４ステンレス鋼の使用は、より良好な伝導率を提供できるのに対し、３１６ステンレス鋼は、より良好な耐腐食性を提供できる。このようなチューブ材料は、亜鉛めっきされたマイルド（mild）炭素鋼の既知の凝縮コイルチューブと比較して、好ましく働くことができる。非常に小さな直径のチューブの使用は、特定の小規模の用途に適し得る。
【００１７】
ステンレス鋼チューブ材料の使用（すなわち、腐食／化学的耐性、冷媒耐圧強度の増加等のため）はまた、自然冷媒、例えばプロパン及び／又はイソブタン炭化水素、ＣＯ２、アンモニア等を用いることも許容できる。
【００１８】
一実施形態では、１以上の凝縮コイルは、束（例えば２以上の入れ子式（nested）コイルの束）として、凝縮コイルゾーンに配置されてもよい。例えば、凝縮コイルゾーンは、概ね一定の断面積の凝縮器のセクション（例えば、円形、四角形、長方形等の中空のセクションの空気プレナム）を備えてもよい。
【００１９】
一実施形態では、ゾーンの発散パートは、空気流を、徐々に減速させるように構成されていてもよい。
【００２０】
一実施形態では、発散ゾーンは、空気流が中を流れる中空の錐台（中空の空気プレナム）を備えてもよい。このような中空の錐台は、凝縮コイルプレナムの空気流出側に位置していてもよい。例えば、凝縮コイルプレナムが円形セクションである場合、発散錐台はそれぞれ、円錐台、又は四角形から円形の錐台状角柱を含み、凝縮コイルプレナムが四角形セクションである場合、発散錐台は四角形錐台を含んでもよい。
【００２１】
一実施形態では、ドリフトエリミネータは、発散ゾーンの空気流出側に位置していてもよい。
【００２２】
一実施形態では、凝縮器は、凝縮コイルゾーンの空気流入側に位置している吸気チャンバを備えてもよい。
【００２３】
一実施形態では、１以上の凝縮コイルを濡らすための機構は、１以上のスプレーノズルを備えてもよい。スプレーノズルは、１以上の凝縮コイルを通って流れる空気流と逆方向に、水を１以上の凝縮コイルにスプレーするように、発散ゾーンに対して配置されていてもよい。例えば、スプレーノズルは、発散ゾーンに配置されていてもよく、水を、概ね液体のコーン（cone）として、凝縮コイルゾーンにスプレーしてもよい。
【００２４】
あるいは、１以上の凝縮コイルを濡らすための機構は、配水チャネル、例えば鋸歯状エッジ、内部スロット等を有する配水チャネルを備えてもよい。
【００２５】
凝縮器は、（例えば吸気チャンバの底部に位置する）水回収ゾーンを備えてもよい。回収ゾーンは、凝縮コイルゾーンを通過した水を回収できる。
【００２６】
凝縮器は、回収した水を濡らし機構にリサイクルして、凝縮器の効率を最大化するためのリサイクルシステムを更に備えてもよい。一実施形態では、リサイクルシステムは、回収した水を、配管を通って濡らし機構に送り込むためのポンプを備えてもよい。例えば、取出パイプが、吸気チャンバの底部からポンプまで延びていてもよく、送達パイプが、ポンプアウトレットから濡らし機構まで（例えばスプレーノズル、配水管等まで）延びていてもよい。
【００２７】
一実施形態では、リサイクルシステムは、必要に応じて、蒸発凝縮器が効果的に運転するための所定量の水を（例えば水回収ゾーンに）維持するための水補給機構を更に備えてもよい。このような補給水は、ドリフトエリミネータによって除去された（捕捉された）水を含んでもよい。
【００２８】
一実施形態では、蒸発凝縮器は、熱交換器（例えば、分離した、外側に位置する別個の熱交換ユニット）を更に備えてもよい。回収した水は、濡らし機構にリサイクルされる前に、熱交換器を通過してもよい。加えて、凝縮した冷媒は、熱交換器を通過して、リサイクルされる回収した水と熱を交換してもよい。このような熱交換器を使用して、凝縮した冷媒をサブクールし、蒸発凝縮器の運転効率を更に改善してもよい。
【００２９】
本明細書では、凝縮コイルゾーンを通過した水を回収するための回収ゾーンを備える蒸発凝縮器を開示し、熱交換器を備えており、回収した水が、濡らし機構にリサイクルされる前に熱交換器を通過し、凝縮した冷媒が熱交換器を通過して、リサイクルされる回収した水と熱を交換する。
【００３０】
また、本明細書では、冷却又は空調サイクルの一部を形成する蒸発凝縮プロセスも開示されている。
【００３１】
プロセスは、冷媒に１以上の凝縮コイルを通過させるステップを含む。プロセスは、１以上の凝縮コイルを水で濡らすステップも含む。プロセスは、空気流に、濡れた１以上の凝縮コイル上を通過させることにより、冷媒をコイル内で凝縮させ、水の一部を空気流中に蒸発させるステップも更に含む。プロセスは、加えて、１以上の凝縮コイルを流出する空気流中に存在する水を除去するステップを含む。
【００３２】
本開示によると、プロセスは、１以上の凝縮コイルを流出する空気流の速度を、空気流中に存在する水を除去する前に減速させるように実施される。
【００３３】
上記で概説したように、これにより、１以上の凝縮コイルの平面面積（したがって量）を、ドリフトエリミネータに対して減少させることができる（上記で概説した付帯する利点と共に）。
【００３４】
本明細書では、１以上の凝縮コイルを通過する水を回収し、リサイクルして、１以上の凝縮コイルを水で濡らす、蒸発凝縮プロセスも開示されている。更に、このようなプロセスでは、回収した水をリサイクルして、１以上の凝縮コイルを濡らす前に、凝縮した冷媒と、回収した水との間で、熱を交換してもよい。
【００３５】
本明細書で開示されるプロセスは、上記で説明される蒸発凝縮器で起こってもよい。
【００３６】
本明細書で開示されるプロセスでは、１以上の凝縮コイルで凝縮する冷媒は、自然冷媒（例えば炭化水素、例えばプロパン及び／又はイソブタン、ＣＯ２、アンモニア等）又は化学冷媒（例えばヒドロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、ペルフルオロカーボン、ヒドロフルオロオレフィン等）を含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】１以上の凝縮コイルが配置されている凝縮コイルゾーン、及び凝縮コイルゾーンから離れる方向に延びる発散ゾーンを有する蒸発凝縮器の断面側面の概略を示す図である。
【図２】図１の詳細を示す図であり、側面の熱交換器を更に含む蒸発凝縮器の変形例を図示する。
【図３】図３Ａは１以上の凝縮コイルが配置されている収束−発散ゾーンを有する蒸発凝縮器の断面の概略を示す図であり、図３Ｂは１以上の凝縮コイルが配置されている収束−発散ゾーンを有する蒸発凝縮器の側面の概略を示す図である。
【図４】図１と同様の蒸発凝縮器であるが、実施例による、異なるプロセスパラメータのための蒸発凝縮器の断面側面の概略を示す図である。
【図５】実施例による、ＣＯ２及び水の温度プロファイルを示すグラフである。
【図６】実施例による、ＣＯ２熱容量プロファイルを示すグラフである。
【図７】実施例による、チューブ束を下方に流れる水流を示すグラフである。
【図８】実施例による、総括伝熱係数及び圧力損失を示すグラフである。
【図９】実施例による、市販の遷臨界ＣＯ２圧縮機に基づく排熱プロファイルを、飽和吸込温度５℃、有用吸込過熱５Ｋ、ＣＯ２液体温度５℃において示すグラフである。
【図１０】実施例による、市販の遷臨界ＣＯ２圧縮機の５０Ｈｚ、３０ｋＷ／２７．２ｍ３／ｈでの性能を示すグラフである。
【図１１】実施例による、ＮＨ３、Ｒ２２、Ｒ５０７Ａ、プロパン及びＲ１３４ａのＣＯＰの飽和凝縮温度による変動を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
発明の概要で説明される凝縮器及びプロセスの範囲に属し得る任意の他の形態にかかわらず、具体的な実施形態を、添付図面を参照して、単に例として説明する。蒸発凝縮器、及び冷却又は空調システム／サイクルの一部を形成する蒸発凝縮プロセスの具体的な形態を説明する。
【００３９】
１０及び１００と示される蒸発凝縮器の実施形態はそれぞれ、図１及び図２並びに図３Ａ及び図３Ｂに示されている。蒸発凝縮器の実施形態１０及び１００は、（上記で説明された）化学冷媒及び自然冷媒の両方を用いることができる。図４〜図１１は、実施例に説明される実施形態に関する。
【００４０】
図１〜図３では、蒸発凝縮器１０及び１００の同様の構成要素は、同様の番号を有しているが、図３の実施形態には１００が加えられている。更に、簡潔にするために、下記の説明では、図３の実施形態に再度現れるこれらの同様の又は類似の構成要素を再度説明していないので、これらは既に説明されているものとして解釈されるべきであることが理解されるべきである。
【００４１】
図１及び図２の好ましい蒸発凝縮器１０は、２以上の入れ子式凝縮コイル束１２を備え、入れ子式凝縮コイル束１２内で、システムの選択された冷媒が（凝縮のために）流れている。凝縮コイル束１２は、長方形の空気流プレナム１３の形態の凝縮コイルゾーンに配置されている。
【００４２】
また、蒸発凝縮器１０は、分配チューブ１５に形成されているスプレーノズル１４の形態の機構も備え、この機構は、凝縮コイル束１２を水のコーン１６でスプレーすることにより（例えば図示のように、速度３ｋｇ／ｍ２）、凝縮コイル束１２を濡らすためのものである。あるいは、配水チャネル、例えば鋸歯状エッジ又は内部スロットを有する配水チャネルを用いてもよい。
【００４３】
スプレーノズル１４は、示されるように、凝縮コイル束１２を通って流れる空気流と逆方向に、水を凝縮コイル束１２にスプレーするように配置されている。
【００４４】
また、蒸発凝縮器１０は、凝縮器の上端部のファンハウジングに配置されているファンも備える。このような配置は、実際に、図３の実施形態において、凝縮器の最上端部に位置するファンハウジング１２０に配置されているファン１１８として示されている（図３Ａを参照のこと）。同じ又は同様の配置を、図１及び図２の実施形態で用いることができる。この点について、ファンは空気を吸気口２１から吸気チャンバ２２内へ引き込み、吸気チャンバ２２は、凝縮器１０の下端の方へ配置されている。
【００４５】
図１及び図２の実施形態では、空気流Ａは、例えば８．１ｍ３／ｓの体積流量で入り、最初にメッシュフィルタを通過した後、吸気チャンバ２２内へ入り、その後、ファンによって、凝縮コイル束１２を通って上方へ流れる。空気圧差は、ファンによって、例えば１６０Ｐａに維持されてもよい。
【００４６】
図３の実施形態では、空気流Ａは、例えば３ｍ／ｓの速度及び例えば２３℃の湿球温度で入り、最初に、空気汚染に応じて任意のメッシュフィルタ１２４及び吸気スロット１２６を通過した後、吸気チャンバ１２２内へ入り、その後、ファン１１８によって、凝縮コイル束１１２を通って上方へ流れる。
【００４７】
蒸発凝縮器１０は、ドリフトエリミネータ３０を更に備え、ドリフトエリミネータ３０は、凝縮器内に、凝縮器の上端部に隣接して配置されている。ドリフトエリミネータ３０は、自由水が凝縮コイル束１２及びスプレーノズル１４を通って流れると、自由水を空気流から除去する。
【００４８】
図１及び図２の実施形態では、蒸発凝縮器１０は、長方形の空気流プレナム１３を備え、そのすぐ後に、錐台形状プレナム４０の形態の発散空気流ゾーンがある。長方形の空気流プレナム１３は、四角形、長方形等の中空セクションの（例えば折り曲げて接合させたプラスチック又は金属のシート／プレートの）プレナムであってもよい。また、発散プレナム４０は、（例えば折り曲げて接合させたプラスチック又は金属のシート／プレートの）中空セクションであってもよいが、錐台を規定するように形成されている。例えば、プレナム１３が四角形セクションのプレナムである場合、発散プレナム４０は、四角形又は長方形の錐台を備える。
【００４９】
しかし、図３の実施形態では、蒸発凝縮器１００は、収束空気流ゾーン１３５及び発散空気流ゾーン１４０の両方を用いており、これらは、中間の長方形の空気流プレナム１１３の両側に位置している。中間の長方形の空気流プレナム１１３は、凝縮コイル束１１２を収容している。プレナム１１３は、一定の断面積を有し、収束空気流ゾーン１３５及び発散空気流ゾーン１４０を相互連結する。中間の空気流プレナム１１３は、この場合も、四角形、長方形等の中空セクション（例えばシート／プレート）のプレナムであってもよい。収束空気流ゾーン１３５及び発散空気流ゾーン１４０は、この場合も、中空セクション（例えばシート／プレート）であってもよいが、それぞれ、錐台を規定するように形成されている。例えば、中間のゾーン１１３が四角形セクションのゾーンである場合、収束及び発散錐台は、それぞれ、四角形又は長方形の錐台を備えてもよい。
【００５０】
図１及び図２の実施形態では、ファンは、空気流Ａが既に、凝縮コイル束１２において、ドリフトエリミネータ３０よりも高い速度にあるように運転される。空気流Ａは、凝縮コイル束１２を通って流れると、発散空気流プレナム４０内へ流れ、水コーン１６を通過する。発散空気流プレナム４０の断面積が次第に増加するので、空気流は、ドリフトエリミネータ３０に達して通過する前に、許容可能な速度まで減速できる。蒸発凝縮器１０、特に発散空気流プレナム４０は、この速度が、環境上許容可能な最小量の空気流中の自由水が除去され得るレベルにあるように構成されている。この点について、ドリフトエリミネータ３０における空気流量は、約３．５ｍ／ｓまで減速し得る。
【００５１】
ドリフトエリミネータ３０は、発散空気流プレナム４０の空気流出口のすぐ近くに配置されているので、空気流が必要以上に減速することが許容されないことが理解されるであろう。
【００５２】
したがって、図１及び図２の実施形態は、収束空気流ゾーンを用いていない。むしろ、吸気チャンバ２２から、凝縮コイル束１２を通る空気流速度は、空気流が発散空気流プレナム４０に達するまで、約５ｍ／ｓであり、空気流は、ドリフトエリミネータ３０での約３．５ｍ／ｓまで、徐々に減速する。
【００５３】
しかし、図３の実施形態では、凝縮コイル束１１２は、中間の空気流ゾーン１１３に配置されている。これらのゾーンの構成は、空気流Ａが、収束空気流ゾーン１３５を通って、中間の空気流プレナム１１３に位置する凝縮コイル束１１２へと流れ、この際に加速するようになっている（例えば約５ｍ／ｓに）。空気流Ａは、凝縮コイル束１１２を通って流れると、発散空気流ゾーン１４０内へ流れ、水コーン１６を通過し、ドリフトエリミネータ１３０に達する前に減速する。この場合も、ドリフトエリミネータ１３０は、発散空気流プレナム１４０の空気流出口のすぐ近くに配置されている。
【００５４】
収束空気流ゾーン１３５は、空気流Ａを、例えば徐々に加速させるように構成されている。逆に、発散空気流ゾーン１４０は、空気流を、例えば徐々に減速させるように構成されている。これは、中間の空気流ゾーン１１３を通って、凝縮コイル束１１２上を通過する空気の速度が、吸気チャンバ１２２内に入る空気の速度に対して、及びドリフトエリミネータ１３０を通る空気の速度に対して、増加することを意味する。例えば、描写される構成では、中間の空気流ゾーン１１３での空気流量は、ドリフトエリミネータを通る空気の速度３．５ｍ／ｓの約２倍の約５ｍ／ｓである（すなわち、約４５％高い）。
【００５５】
いずれの実施形態でも、凝縮コイル束１２，１１２上を通過する空気流量が増加する結果、驚くべきことに、ドリフトエリミネータ３０，１３０に対して減少した平面面積を有する凝縮コイル束が用いられ得ることが発見された。更に、このように空気流量が増加する結果、より少ない凝縮コイルが、同じ凝縮器排熱（heat rejection）性能のために必要とされることが発見された。
【００５６】
結果として、より低いコストの蒸発凝縮器を製造できる。なぜなら、凝縮コイル束が、凝縮器の唯一の最も高価な構成要素に相当するからである。あるいは、既知の厚肉の溶融亜鉛めっき炭素鋼凝縮チューブをコイル束１２，１１２で使用する代わりに、より高価かつ／又はより強い材料、例えばステンレス鋼を使用して、コイル束１２，１１２を形成してもよい。このような場合には、より長いコイル寿命、より少ない腐食、及び、所望される場合、より薄いコイル束のチューブ用の壁材となる。この点について、コイル束１２，１１２は、ステンレス鋼チューブ、例えば３０４又は３１６ステンレス鋼であって、４．７６〜３１．８ｍｍの外径及び０．５〜１．６ｍｍの厚さのチューブを備えてもよい。このようなチューブは、亜鉛めっきされたマイルド炭素鋼の既知の凝縮コイルチューブと比較して、良好に働くことが観察される。腐食及び化学的耐性、並びに冷媒耐圧強度の増加が、このようなステンレス鋼チューブ材料によって提供されるが、このような特性の増加は、自然冷媒、例えばプロパン及び／又はイソブタン炭化水素、ＣＯ２、アンモニア等を、蒸発凝縮器１０，１００で用いることも許容する。
【００５７】
凝縮コイル上の空気流量が増加する別の結果として、増加した冷媒の流れが、凝縮コイル束１２，１１２を通過し得る。なぜなら、より大きな空気速度は、比較的多量の冷媒の凝縮を引き起こすことができるからである。
【００５８】
また、凝縮器１０は、水盤５０の形態の水回収ゾーンも備え、水盤５０は、吸気チャンバ２２の底部に（すなわち吸気チャンバ２２に隣接して）位置している。水盤５０は、凝縮コイルを通過した過剰のスプレー水を回収する。
【００５９】
凝縮器の効率を最大化するために、凝縮器１０は、更に、回収した水を、スプレーノズル１４に供給するための分配チューブ１５にリサイクルするためのリサイクルシステムを備える。この点について、リサイクルシステムは、回収した水を、配管を通って分配チューブ１５に送り込むためのポンプ５２を備える。ポンプ５２は、取出パイプ５４によって、水盤５０から水を引き込む。このとき、送達パイプセクション５６は、ポンプアウトレットから延び、分配チューブ１５と接続する。
【００６０】
また、リサイクルシステムは、蒸発凝縮器が効果的に運転するための所定量の水を水盤５０に維持するための水補給器５８（例えば３８３ｋｇ／ｈ）も備える。このような補給水は、ドリフトエリミネータ３０によって除去された（捕捉された）水の供給を含んでもよい。
【００６１】
図２の詳細に示される蒸発凝縮器の変形では、凝縮器１０は、側面の熱交換器ユニット６０を更に備えてもよい。水盤５０の水は、送達パイプセクション５６によって分配チューブ１５にリサイクルされる前に、ポンプ５２によって熱交換ユニット６０に送り込まれてもよい。このようなユニットは、図３の実施形態にも適し得る。
【００６２】
この変形では、凝縮器チューブの凝縮した冷媒も、冷媒送達パイプ６２経由で熱交換ユニット６０を通過して、水盤５０からのリサイクルされる水と熱を交換してもよい。熱交換ユニット６０では、比較的低温の水盤の水が、凝縮した冷媒を、例えば３０℃〜２６．５℃付近にサブクールできる。これは、冷却システムの運転効率を更に改善できる。熱交換ユニット６０を流れ６４として流出する冷媒（例えばＣＯ２）は、サブクールされた温度（例えば２６．５℃付近）にある。
【実施例】
【００６３】
本凝縮器及びプロセスの非限定的な例を提供して、凝縮器及びプロセスの理論上の基礎を示し、運転時の凝縮器及びプロセスをより良好に理解する。
【００６４】
［実施例１−プロセス設計モデル］
蒸発凝縮器の亜臨界ＣＯ２凝縮に適用するための設計モデル、例えば図１〜図３に描写される設計モデルを開発した。より具体的には、蒸発凝縮技術を亜臨界ＣＯ２の凝縮に適用する利益を調査した。このような利益としては、遷臨界（trans-critical）運転と比較して、より低い設計圧力、より少ないエネルギー消費、並びにより少ないランニングコスト及び運転コストが挙げられた。また、高温ガス除霜は、亜臨界ＣＯ２冷却プラント運転の標準的な特徴になり得ることが注目された。
【００６５】
しかし、第１に、アンモニアは、流入空気湿球温度２４℃の蒸発凝縮器において、３０℃で凝縮し得ることが注目された。開発された設計モデルでは、３０℃（すなわち、臨界点よりも１．１Ｋ低い）で亜臨界ＣＯ２を凝縮するための蒸発凝縮器は、２４℃の湿球温度で設計できることが示された。
【００６６】
第２に、スペイン、イタリア、ギリシャ、及びトルコのより温暖な気候を含む、欧州の多くの平均気候条件は、蒸発凝縮器に適しており３０℃で亜臨界ＣＯ２を蒸発凝縮することが注目された。カナダ、ＵＳＡの広い範囲、中国、及び南回帰線よりも下のオーストラリアの大部分も、蒸発凝縮器を亜臨界ＣＯ２凝縮に適用するのに適する気候を有することが注目された。３０℃での亜臨界ＣＯ２の熱力学的特性、及び移送特性は、温度と共に著しく変化することが注目された。したがって、具体的な設計において、これらの変化が、ＣＯ２温度プロファイル、伝熱、及び圧力損失について有する影響も示した。
【００６７】
例えば、平均気候条件の調査により、スペイン、イタリア、ギリシャ、及びトルコを含む、欧州の多くは、凝縮温度３０℃以下で、常に、多くの場所で、亜臨界状態にあるＣＯ２の凝縮に、蒸発凝縮器が適用され得る気候を有することが明らかになった。例えば、５％の設計湿球温度発生率（design Wet Bulb temperature incidence）が２４℃を超える欧州の唯一の場所はトルコのアダナであった（１％及び２．５％の湿球発生率設計レベルは２６℃である）。ギリシャのテッサロニキでは、１％の湿球設計発生率は２５℃であるが、２．５％及び５％の湿球設計発生率レベルは２４℃である。次に高い１％の湿球設計発生率レベルである２４℃は、ジブラルタル、バルセロナ、バレンシア、ミラン、イスタンブール、イズミルで生じた。
【００６８】
最後に、ＣＯ２について、蒸発凝縮器を温帯気候及び多くの亜熱帯気候で使用することは、ＣＯ２冷却を任意の化学冷媒と同程度にどこでも使用できること、及び間接的な適用で使用される必要がある場合（例えばオフィスビル及び病院の暖房及び冷房）、アンモニアとうまく競合し得ることを結論付けた。
【００６９】
約２０年前に、ＣＯ２冷却が再び流行したとき、空気冷却ガス冷却（air cooled gas cooling）（一部は、フィン付きコイルガス冷却器の吸気面に水をスプレーすることによる断熱補助（adiabatic assistance）を有する）が、ほぼ普遍的に適用された。この結果、事実上全てのＣＯ２冷却システムは、遷臨界モードで運転する必要があることが注目された。なぜなら、空気冷却温度は、ＣＯ２の臨界温度３１．１℃に近く、又はこの温度を超えるからである。
【００７０】
大抵、空気冷却ガス冷却器からの夏設計ＣＯ２出口温度は、臨界温度よりも高かったので、その結果、圧縮機が９０ｂａｒ以上の圧力で運転して、妥当なＣＯＰを確保する必要があった。遷臨界ＣＯ２圧縮機の夏設計ＣＯＰは、一般に、空気冷却ＨＦＣ又は蒸発冷却アンモニアシステムよりも低い。
【００７１】
したがって、凝縮器冷却媒体の温度を、完全な亜臨界ＣＯ２冷却サイクルを可能にするレベルに低下させることが提案された。これは、周囲空気湿球（ＷＢ：Wet Bulb）温度が、効果的な冷却媒体温度である蒸発凝縮器で達成され、このとき、空気冷却凝縮器又はガス冷却器の場合の周囲空気乾球（ＤＢ：Dry Bulb）温度は用いられなかった。
【００７２】
注目される問題点としては、水供給、水消費及び水処理の必要性、並びに最低凝縮温度の制御が挙げられ、これは、現在、いくつかの圧縮機供給業者によって義務付けられている。別の問題点は、意図しない遷臨界状態を取り扱う制御戦略であった。これらの問題点に対処する推奨策が作成された。
【００７３】
［ＣＯ２蒸発凝縮器のための評価モデル］
［評価例］
図４は、ここから更に説明される蒸発凝縮器の概略フローシートを示す。図４のフローシートでは、水がチューブバンク上でリサイクルされ、スプレー水温度は水盤水温度と同じようになっていた。
【００７４】
規定されるパラメータは、（ａ）空気速度並びに湿球温度及び乾球温度、（ｂ）スプレー水流量、（ｃ）束寸法、並びに（ｄ）３０℃及び７．２ＭＰａの飽和液体を含む流出ＣＯ２であった。
【００７５】
［蒸発冷却器の質量及びエネルギーバランス］
Ｑｕｒｅｓｈｉ（２００６）及びＨｅｙｎｓ（２００９）は、蒸発冷却における空気−流体相互作用を説明する５つの同時非線形微分方程式を公開した。
【００７６】
【数１】
2017519182.tif 000003
【数２】
2017519182.tif 000004
【数３】
2017519182.tif 000005
【数４】
2017519182.tif 000006
【数５】
2017519182.tif 000007
【数６】
2017519182.tif 000008
【００７７】
パス長を４０の間隔に分割し、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ  Ｅｘｃｅｌスプレッドシートの後ろのＭｉｃｒｏｓｏｆｔのＶＢＡで書かれる４次Ｒｕｎｇｅ−Ｋｕｔｔａルーチンを使用して、プログラムを書くことによって、式を解いた。解法は試行錯誤であった。なぜなら、空気入口における水盤水温度は、空気出口における計算された水温度と同じになるまで、反復的に推測され、調節されたからである。
【００７８】
解法は、チューブパス（ｔｕｂｅ  ｐａｓｓ）に沿って、ＣＯ２出口から入口へと、「逆に」進行した。飽和液体冷媒が３０℃である吸気口から出発し、まるで加熱するように、上方へ進行し、計算された排出温度の過熱蒸気で終わった。プログラムは、２相凝縮及び単相蒸気脱過熱（de-superheating）の両方を可能にした。
【００７９】
［モデルの検証］
数値解法を有効にできる５つの式に対する解析的解法はなかった。しかし、次の２つの発見が注目された：流出及び流入水温度が等しい場合、（ａ）ＣＯ２エンタルピー変化は、湿り空気エンタルピー変化と等しく、（ｂ）３０℃でのアンモニア凝縮について計算された熱負荷は、単純化された一定凝縮温度に基づくＭｅｒｋｅｌモデル（Ｍｅｒｋｅｌ，１９２６）を使用して計算された負荷の９％以内であった。
【００８０】
［モデル予測］
図５及び図６は、ＣＯ２及び水の温度プロファイルを示す。ＣＯ２温度プロファイルの形状（図５）は、驚くべきものであり、予想よりも大幅に平坦であった。交換器表面の約３７％にわたって、ＣＯ２蒸気温度は、間隔番号２９において、３２℃から３０℃に低下しただけであった。これは、３０℃のすぐ上での非常に高い熱容量（図６）の結果であった。
【００８１】
モデルは、交換器表面の６７％が、顕熱冷却（sensible cooling）のために必要であるであろうと予測した。ＣＯ２について、臨界点に近い３０℃でのエンタルピーデータは、排熱の６８％が顕熱冷却であることを示した。これは、顕熱冷却が１０％のみであるアンモニアとは異なる。
【００８２】
水温度プロファイルは、顕熱冷却が比較的小さいプロファイルと比較して、左に歪められ、臨界点に近いＣＯ２について、顕熱冷却のより大きな割合を反映した。
【００８３】
［水の蒸発］
図７は、チューブ束を下方に流れる水流を示す。別の驚くべきことは、束の上部において、水が空気へと蒸発しないことであった。ここで、水温度は低いが上昇しており、水は、空気−水界面における絶対湿度（humidity ratio）よりも高い絶対湿度で、空気と接触したので、多少の凝縮が起こり、水流が増加した。
【００８４】
［特性変化の影響］
図８は、熱容量、密度、粘度、及び熱伝導率の変化が、総括伝熱係数及び圧力損失に与える影響を、それぞれの解法間隔（solution interval）にわたって図示する。間隔ゼロは、高温の排出ガスが入る場所であった。総括伝熱係数は、ＣＯ２温度が３２℃に近付くと、相当上昇し、対応して、蒸気相が２相に転移すると、１メートル当たりの圧力損失は減少した。
【００８５】
モデルでは、式（３）のルイス数に０．８４５を使用した。ルイス数１．００では、同じ熱負荷のために必要とされる表面積が、１．４％のみ減少した。
【００８６】
［意見］
モデリングした事例は、３０℃でのＣＯ２の凝縮が臨界点に非常に近いという点で、極端であった。より低い凝縮温度において、顕熱冷却の割合が減少し、温度による特性の変動が大幅に減少するであろうことが注目された。図９を参照した。
【００８７】
単純化されたＭｅｒｋｅｌモデルによって予測される排熱は、３０℃でのＣＯ２凝縮の微分モデルよりも約２２％低かったことが更に注目され、これは、顕熱冷却の著しい割合を考えると、予想外ではなかった。
【００８８】
［ＣＯ２圧縮機亜臨界エネルギー性能］
［凝縮温度がサイクル性能に与える影響］
図１０では、５つのＣＯＰプロットを、行程容積２７．２ｍ３／ｈ、５０Ｈｚ及び３０ｋＷの４極モータの市販の半密封遷臨界ＣＯ２圧縮機について作成した。
【００８９】
図１０の曲線１を参照すると、＋１０℃の飽和吸込温度（ＳＳＴ：Saturated Suction Temperature）において、ＣＯＰは、６．２７（＋３０℃の飽和凝縮温度（ＳＣＴ：Saturated Condensing Temperature）において）〜１８．０（＋１６℃のＳＣＴにおいて）の範囲であった。＋１０℃のＳＳＴは、１Ｋの沸点降下に相当する吸込圧力低下で、＋１１℃の蒸発温度（ＥＴ：Evaporating Temperature）を許容するであろう。１１℃は、空調（ＡＣ：Air Conditioning）空気の直接冷却のために、合理的に効率的な蒸発温度として注目され、冷却コイルを横切って、空気温度の比較的大きな拡散を可能にするので、循環する必要があるであろう空気の体積を限定し、これによりファンエネルギー消費及びその結果の寄生熱負荷（parasitic heat load）を減少させた。これは、今度は、圧縮機への必要とされるエネルギーインプットの減少につながることにより、システム全体としての総合的なエネルギー効率を上昇させるであろう。
【００９０】
曲線２は、＋５℃のＳＳＴで、３０℃から１６℃のＳＣＴにおいて、４．４５から１１．６７の範囲のＣＯＰを示した。これは、既存の建物に追加導入し、新しい建物に適用するためのＡＣ用の冷水生産を可能にするであろう。
【００９１】
上記２つの事例の両方において、ＡＣ圧縮機は、−５℃のＳＳＴにおける冷却負荷のための並列圧縮機としても作用し得た。このような冷却負荷は、例えば、冷蔵貯蔵温度を０℃付近で維持すること、並びに低温貯蔵及びブラスト凍結用途に適用される２段階ＣＯ２システム用の高段負荷である。
【００９２】
このような場合には、高段圧縮機は、仮想ＣＯ２ガス冷却器出口温度＋５℃及び＋１０℃で運転するであろう。これは、それぞれ、ＣＯＰ曲線３及び４になる。ＣＯＰ曲線３は、−５℃のＳＳＴで、＋３０℃から＋１６℃の範囲のＳＣＴにおいて、＋５℃の仮想ガス冷却器出口温度で、４．７から７．８８の範囲であった。ＣＯＰ曲線４は、＋１０℃の仮想ガス冷却器出口温度で、−５℃のＳＳＴで、＋３０℃から＋１６℃の範囲のＳＣＴにおいて、４．４５から７．０４の範囲のＣＯＰを示した。これは、圧縮機吸込の吸込熱交換器（ＳＨＥＸ：Suction Heat Exchanger）と共に改善され、より曲線３に近い性能をもたらし得ることが注目された。
【００９３】
［周囲湿球温度が凝縮器性能に与える影響］
図４は、ＣＯ２、空気、及び水についての全体的な詳細を示す。周囲湿球温度が凝縮器性能に与える影響は、下記の表で説明される結果に示される。
【００９４】
【表１】
2017519182.tif 000009
【００９５】
［アンモニア、Ｒ２２、Ｒ５０７Ａ、プロパン、及びＲ１３４ａの相対エネルギー効率］
同一の運転条件におけるこれらの冷媒のＣＯＰは、図１１に示される。結果から、アンモニアがこれらの冷媒のうち、最良の冷媒であることが確認された。驚くべきことに、Ｒ１３４ａのＣＯＰは低かった。１６℃及び３５℃のＳＣＴでは、Ｒ１３４ａのＣＯＰはそれぞれ、アンモニアのＣＯＰよりも、４２％及び３１％低かった。更に、＋１６℃のＳＣＴにおけるＲ１３４ａ圧縮機のＣＯＰは、３．８４であり、同一の吸込条件での＋３５℃のＳＣＴにおけるアンモニア圧縮機のＣＯＰとほぼ同じであった。これにより、Ｒ１３４ａが高い直接及び間接地球温暖化係数（ＧＷＰ：Global Warming Potential）の両方を有することが確認された。Ｒ５０７Ａの性能は、２５℃から３５℃のＳＣＴにおいて、Ｒ２２よりも１１％から１６％低効率であった。ＨＦＣ  Ｒ５０７Ａは、ＨＣＦＣ  Ｒ２２のように、オゾン破壊能（Ozone Depletion Potential）を有しないが、Ｒ５０７Ａの１００年ＧＷＰは３，８９５であり、Ｒ２２の１００年ＧＷＰである１，８１０の２倍よりも高い。
【００９６】
［総括伝熱因子（overall heat transfer factor）、Ｕｏ］
図８を再度参照すると、Ｕｏは、アンモニア凝縮の場合の馴染みのあるＵｏよりも非常に高かった。アンモニア凝縮では、表面空気速度２．６〜３．０５ｍ／ｓにおいて、Ｕｏは、約４５０〜５５０ｗ／ｍ２．Ｋの範囲である。３ｍ／ｓの表面空気速度は、モデルの最大値として選択され、ドリフトエリミネータが、上方の空気ドラフトに浮遊している自由水の大部分を捕捉できるであろうことを保証した。
【００９７】
図４のＣＯ２蒸発凝縮器について、図８の平均Ｕｏは、約１，０５０ｗ／ｍ２．Ｋであった。これは、凝縮チューブ束に流入する事実上同じ表面空気速度における、アンモニアについての平均値の２倍を超えることが注目された。これは、図９に示されるように、３０℃の凝縮で、除去される熱の６８％は、顕熱過熱（sensible superheat）であり、３２％のみが実際に、３０℃での凝縮の潜熱であることを考えると、注目すべきことであった。高い総括伝熱因子は、計算圧力低下１５ｋＰａを引き起こす７６オフ５５メートル（76 off 55 metre）等価長回路において、高いＣＯ２質量流束３３８．７ｋｇ／ｍ２．ｓによるものであった。これは、大きすぎるドロップレッグ（drop leg）を必要とせずに、ＣＯ２凝縮器が並列に運転して、液体ホールドアップを回避することを容易にするために許容可能な最大値である。
【００９８】
蒸発器と同様に、ＣＯ２の高いΔＰ／ΔＴ比率は、凝縮器回路内の高い質量流束を可能にした。これは、より高い熱伝達率（rate of heat transfer）を与え、より少なく、より長い回路を可能にしたので、チューブ束をより経済的に製造することにも役立った。
【００９９】
蒸発凝縮器のアンモニア質量流束は、約２５〜４０ｋｇ／ｍ２．ｓの範囲であり、多くの場合、２５ｋｇ／ｍ２．ｓよりも低いことが注目された。圧力低下は、アンモニア凝縮器における懸念であった。なぜなら、アンモニア蒸発凝縮器における過剰の圧力低下は、排出圧力を上昇させるので、飽和凝縮温度（ＳＣＴ）も上昇させ、その結果、エネルギー消費が増加するからである。
【０１００】
［最小空気流の結果］
図４を再度参照すると、計算された流出空気乾球温度は、１００％ＲＨで２９．３℃であるので、流出湿球温度も２９．３℃であった。これは、３０℃のＳＣＴよりも０．７°Ｋだけ低かった。これは、上部チューブが７７℃の温度にあり、顕熱過熱の高い割合が、利用可能な４７．７°Ｋの高い流出アプローチＴＤを保証したため、可能であった。これは、アンモニア蒸発凝縮器では不可能であったことが注目された。アンモニア蒸発凝縮器では、アンモニアのＳＣＴと流出湿球温度との間の最低流出温度アプローチは、めったに３Ｋ未満にならず、設計条件では、２．５Ｋ以上であった。また、少ない空気流により、ファンのエネルギー消費は最小になった。
【０１０１】
［結論］
フルスケール試作ＣＯ２蒸発凝縮器の満足な性能試験を得ることを条件として、最高設計湿球温度（ＷＢ）が２４〜２５℃である蒸発凝縮器を、より高い緯度の亜熱帯地方で適用することは、非常に前途有望であることが結論付けられた。ＣＯ２蒸発凝縮器は、周囲ＷＢ温度がより低い、より温帯の気候、及び冷涼気候〜寒冷気候のエリアにおいて、更に前途有望であった。
【０１０２】
上記の結論によると、蒸発凝縮器を亜臨界ＣＯ２圧縮機排出ガスの凝縮に適用するのに適したエリアは、事実上欧州の全て（地中海諸国を含む）、米国（メキシコ湾及び大西洋に面する南部の州、及びミネソタと同程度の北に位置する中西部の州の多くを除く）で実現可能であった。
【０１０３】
また、実験は、周囲湿球温度が２８〜２９℃であり、周囲空気ＷＢ〜ＣＯ２出口温度のアプローチが３Ｋである蒸発ガス冷却が、完全に実現可能であることを示した。これは、遷臨界モードでは、凝縮相の無い（図９）、より大きなＬＭＴＤの顕熱伝熱のみがあり、比較的高い遷臨界流体密度と、図６に示されるものと同様の高い熱容量があるという事実によるものであった。
【０１０４】
蒸発冷却を、亜臨界のＣＯ２の凝縮及び遷臨界ＣＯ２でのガス冷却の両方に適用することにより、高いＣＯＰの効率的な冷却につながった。この高いＣＯＰは、臨界点未満で運転される従来の冷媒で達成されるＣＯＰに匹敵し、多くの場合、従来の冷媒で達成されるＣＯＰよりも高かった。これは、ＣＯ２冷却を世界的に適用するための道を開いた。これは、ＣＯ２が、＋５℃及び＋１０℃の圧縮機飽和吸込温度での空調負荷で、冷水のために使用される用途、並びにＤＸ又はポンプＣＯ２  ＡＣ用途でそれぞれ、特に当てはまる。
【０１０５】
更に、ＡＣ圧縮機が、施設における任意の残りの冷却負荷のための並列圧縮機としても作用し得ることが注目された。施設は、例えばスーパーマーケットであり、図１０に示されるような高い〜非常に高いＣＯＰで、冷蔵及び冷凍負荷が必要とされる場所である。
【０１０６】
実際には、図１０及び図１１を比較すると、Ｐｅａｒｓｏｎ（２０１０）によっても見出されたように、亜臨界凝縮相において、ＣＯ２は、従来の化学冷媒、例えばＲ２２、Ｒ５０７Ａ、及びＲ１３４ａより性能が優れていることが明らかであった。加えて、ＣＯ２は、大抵の運転条件下で、特に並列圧縮を含む場合に、アンモニア及びプロパンに匹敵し、又はアンモニア及びプロパンより性能が優れていた。
【０１０７】
例えば２８℃の高い湿球温度では、従来の蒸発凝縮器は、４０℃のＳＣＴで運転でき、図９に示されるように、ＣＯＰは、ＮＨ３、Ｒ２２、Ｒ５０７Ａ、プロパン、及びＲ１３４ａでそれぞれ、３．３７、３．３４、２．７１、２．９６、及び２．３８であったであろう。したがって、高効率のＣＯ２冷却を開発するために、より大きな圧縮機、例えば改造版のＣＮＧ燃料圧縮機が必要である。
【０１０８】
［専門用語］
実施例において、下記の通りである。
【０１０９】
【表２】
2017519182.tif 000010
【０１１０】
［モデルパラメータ］
１．飽和及び過熱ＣＯ２の熱力学的及び移送特性については、ＮＩＳＴ（２０１１）データを使用した。
２．式（６）のｈｗは、Ｍｉｚｕｓｈｉｍａ及びＭｉｙａｓｉｔａ（１９６７）、Ｑｕｒｅｓｈｉ及びＺｕｂａｉｒ（２００６）の式（Ａ．８）から計算した。
３．式（３）のｈｄは、Ｍｉｚｕｓｈｉｍａ及びＭｉｙａｓｉｔａ（１９６７）、Ｑｕｒｅｓｈｉ及びＺｕｂａｉｒ（２００６）の式（Ａ．１３）から計算した。
４．２相ＣＯ２フローについて、式（６）のｈｉは、Ｓｈａｈ’ｓ（２００９）、Ｑｕｒｅｓｈｉ及びＺｕｂａｉｒ（２００６）の式（Ａ．６）及び（Ａ．７）から計算し、圧力損失は、Ｍｕｌｌｅｒ−Ｓｔｅｉｎｈａｇｅｎ及びＨｅｃｋ補正（ＡＳＨＲＡＥ，２００５）から計算した。
５．単相ＣＯ２蒸気フローについて、式（６）のｈｉは、Ｄｉｔｔｕｓ−Ｂｏｅｌｔｅｒ補正Ｎｕ＝０．０２３Ｒｅ０．８Ｐｒ０．３から計算し、圧力損失は、摩擦係数＝０．０７９Ｒｅ−０．２５から計算した。
６．チューブバンクを横切る空気圧低下は、Ｍｉｌｌｓ（１９９９），ｓｅｃｔｉｏｎ  ４．５．１，ｐ．３１６から計算した。
【０１１１】
下記の参考文献は、モデルを作成するために使用した。
１．ＡＳＨＲＡＥ，２００５，２００５  Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，ｐａｇｅ  ４．１２−１３
２．Ｈｅｙｎｓ  Ｊ，Ｋｒｏｇｅｒ  Ｄ，２００９，Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  ａｎ  ａｉｒ−ｃｏｏｌｅｄ  ｓｔｅａｍ  ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ  ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ  ａ  ｈｙｂｒｉｄ（ｄｒｙ／ｗｅｔ）ｄｅｐｈｌｅｇｍａｔｏｒ，Ａｐｐｅｎｄｉｘ  Ａ，ＰＩＥＲ  Ｒｅｐｏｒｔ，ＣＥＣ−５００−２０１３−０６５−ＡＰＡ
３．Ｍｅｒｋｅｌ，Ｆ．，１９２６，Ｖｅｒｄｕｎｓｔｕｎｇｓｋｕｌｉｎｇ，ＶＤＩ−Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ，Ｖｏｌ．７０，ｐｐ．１２３−１２８
４．Ｍｉｌｌｓ  Ａ．Ｆ．，１９９９，Ｂａｓｉｃ  Ｈｅａｔ＆Ｍａｓｓ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ，２ｎｄ  ｅｄ．，Ａ．Ｆ．，Ｐｒｅｎｔｉｃｅ  Ｈａｌｌ．
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８．Ｓｈａｈ  Ｍ，２００９，Ａｎ  ｉｍｐｒｏｖｅｄ  ａｎｄ  ｅｘｔｅｎｄｅｄ  ｇｅｎｅｒａｌ  ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｈｅａｔ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｄｕｒｉｎｇ  ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｐｌａｉｎ  ｔｕｂｅｓ，ＨＶＡＣ＆Ｒ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１５（５）
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【０１１２】
［実施例２−設計モデルアウトプット］
凝縮器能力の表面空気速度による変動を示すために、設計モデルによって、下記のデータ点を作成した。
【０１１３】
【表３】
2017519182.tif 000011
【０１１４】
【表４】
2017519182.tif 000012
【０１１５】
【表５】
2017519182.tif 000013
【０１１６】
【表６】
2017519182.tif 000014
【０１１７】
【表７】
2017519182.tif 000015
【０１１８】
【表８】
2017519182.tif 000016
【０１１９】
【表９】
2017519182.tif 000017
【０１２０】
【表１０】
2017519182.tif 000018
【０１２１】
【表１１】
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【０１２２】
【表１２】
2017519182.tif 000020
【０１２３】
いくつかの凝縮器及びプロセスの実施形態及びモデルを説明してきたが、凝縮器及びプロセスは、多くの他の形態で具現化され得ることが理解されるべきである。
【０１２４】
例えば、プレナム１３は円形のセクションであってもよく、この場合、発散プレナム４０は円錐台、又は四角形〜円形の錐台状角柱を含む。しかし、このような構成はあまり好ましくない。なぜなら、凝縮器内の水の自由排水を促進しないからである。
【０１２５】
下記の特許請求の範囲、及び前述の説明では、明確な言語又は必然的な示唆によって、文脈が特に要求しない限り、単語「含む（comprise）」及びその変形、例えば「含む（comprises）」又は「含む（comprising）」は、包含する意味で使用され、すなわち、記述された特徴の存在を規定するために使用されるが、本明細書で開示される凝縮器及びプロセスの様々な実施形態において、更なる特徴の存在又は追加を排除しないために使用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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