蒸気圧縮冷凍サイクル
図6.液-ガス熱交換器付きサイクルの構成
図7.液-ガス熱交換器付きサイクルの P-h 線図
主に冷凍機の運転円滑化を目的として、図6のように凝縮器(または受液器)出口の冷媒液と蒸発器出口の冷媒ガスを熱交換器を介して熱交換する場合がある。これにより図7のように、膨張弁に入る冷媒液は3からさらに過冷却されて3'となり、圧縮機に入る冷媒ガスは1からさらに過熱されて1'となる。熱交換器での放熱が無視できれば、h1' - h1 = h3 - h3' となっている。
この場合、冷媒単位体積あたりの冷凍能力(冷凍効果)、所要動力、成績係数等は次式となる。
q c = h 1 − h 3 ′ , w = h 2 − h 1 ′ , ( C O P ) R = h 1 − h 3 ′ h 2 − h 1 ′ {\displaystyle q_{c}=h_{1}-h_{3'},~w=h_{2}-h_{1'},~\mathrm {(COP)_{R}} ={\frac {h_{1}-h_{3'}}{h_{2}-h_{1'}}}}
蒸気圧縮冷凍サイクル(じょうきあっしゅくれいとうサイクル)は、一般に用いられている冷凍機のサイクルであり、液体が蒸発気化する際に周囲から熱を奪う現象を利用した冷凍機の熱力学サイクルのひとつである。逆ランキンサイクルと称されることもある。圧縮は通常1段であるが、圧力比が高くなる場合などでは多段圧縮とする。
気体の冷媒を圧縮機で圧縮して昇温し、凝縮器で放熱凝縮して液体とし、膨張弁で減圧膨張させて一部の液を蒸発させ、蒸発器で残りの液を蒸発気化させて、周りから熱を奪い取る。気化した冷媒は圧縮機で再度圧縮されて、サイクルを繰り返す。
膨張弁(絞り弁または毛細管)に代えて容積式またはタービン式の膨張機を用いて、一部の動力を回収するサイクルも可能であるが、液を多量に含む冷媒の膨張機は破損しやすく、効率も低いため、膨張弁を用いるのがほとんどである。
冷凍(冷房)機では蒸発器での吸熱を利用するが、同じサイクルで凝縮器での放熱を加熱用途に利用すれば、ヒートポンプとして動作する。
蒸気圧縮冷凍サイクルは、多くの商工業用冷凍設備として用いられるほか、家庭用のほとんどの冷蔵庫、冷暖房機で用いられている。
図13.2段圧縮1段膨張サイクルの構成
図14.2段圧縮1段膨張サイクルの P-h 線図
図13に示すように、低圧圧縮機を出た冷媒過熱蒸気を中間冷却器に入れ、そこへ、凝縮器(または受液器)を出た冷媒の一部を補助膨張弁を通して導く。中間冷却器上部の冷媒飽和蒸気を高圧圧縮機で圧縮して循環させる。中間冷却器の液面が所定の値になるように、補助膨張弁の開度を制御する。凝縮器を出た冷媒液の残りは中間冷却器内の冷却管を介して熱交換してサブクール液とし、主膨張弁で目的の圧力まで膨張させて蒸発器へ導く。
P-h 線図は図14のようになる(過冷却、過熱は省略)。蒸発器を流れる冷媒 1 kg に対して補助膨張弁を流れる冷媒量を m (kg) とすると、高圧圧縮機、凝縮器を流れる冷媒は (1 + m) kg となっている。
蒸発器流量 1 kg あたりの冷凍効果
q c = h 1 − h 8 = h 1 − h 7 {\displaystyle q_{c}=h_{1}-h_{8}=h_{1}-h_{7}}
蒸発器流量 1 kg あたりの圧縮機所要仕事は
w = h 2 − h 1 + ( 1 + m ) ( h 4 − h 3 ) {\displaystyle w=h_{2}-h_{1}+(1+m)(h_{4}-h_{3})}
中間冷却器の熱量収支より