HVAC のコンプレッサー熱交換器 — 設計、選択、メンテナンス

HVAC システムにおけるコンプレッサー熱交換器の役割

の コンプレッサー熱交換器 (システムの種類に応じて、オイル クーラーまたはインターステージ/ガス クーラーが使用されることが多い) 圧縮中に発生する熱を除去し、冷媒と潤滑油を安全な動作温度に調整します。その主な目的は、コンプレッサーの寿命を保護し、潤滑性能を維持し、冷媒の熱力学を安定させ、システムの吐出温度を設計制限内に保つことです。

一般的なコンプレッサー熱交換器のタイプとその使用場所

適切なタイプの選択は、システム容量、利用可能なユーティリティ、設置面積、環境条件によって異なります。 HVAC コンプレッサーで使用される一般的なタイプは次のとおりです。

• 空冷フィンチューブ熱交換器: シンプルで水の使用量が少ないオプションで、周囲の空気の流れが利用できる多くの中小規模の屋上またはパッケージ型ユニットで使用されます。
• 水冷シェルアンドチューブ熱交換器: 設置面積当たりの熱伝達が高い。冷却水や冷却塔の水が利用できる場所や、より大きな機械室のコンプレッサーで使用されます。
• プレート型 (ろう付けまたはガスケット付き) 交換器: コンパクトで効率的で、スペースが限られている場合や、オイル/冷媒の素早い熱伝達が必要な場合に使用されます。
• 一体型オイルクーラー: 潤滑油の温度制御に使用される、コンプレッサー パッケージ内の小型の密結合交換器。

指定する主要な設計パラメータ

コンプレッサーの熱交換器を指定する場合は、公称容量だけでなく、実際の動作条件を文書化する必要があります。重要なパラメータは、冷媒/オイル流量、入口/出口温度、許容圧力降下、最大使用圧力、流体化学 (適合性)、汚れ係数、および周囲温度または冷却水温度です。

のrmal variables and required information

コンプレッサーからの予想される熱負荷 (kW または BTU/h)、ソースおよびシンクの流体特性、許容可能なアプローチ温度 (ΔTmin)、および平均温度とサイジングに影響を与える一時的または断続的な動作を提供します。

機械的および保守性の要件

必要な材料 (ステンレス鋼、銅、炭素鋼)、フランジ規格、洗浄のためのアクセス、および熱交換器が交換可能である必要があるか現場で洗浄可能である必要があるかを記載します。これらはライフサイクルコストとダウンタイムに影響します。

実際のサイジング例（冷却水流量が必要）

コンプレッサーの熱を吸収するために必要な冷却水流量の計算例を示します。エネルギーバランス Q = ṁ · c · ΔT を使用します。ここで、Q は熱負荷 (W)、ṁ は質量流量 (kg/s)、c は比熱 (J/kg·K)、ΔT は許容温度上昇 (°C) を表します。

数値の例: コンプレッサーの熱負荷 Q = 50,000 W (50 kW)、冷却媒体は水で c = 4184 J/kg・K、許容ΔT = 10 °C と仮定します。

計算手順:

• Q = ṁ · c · ΔT から始めます。
• 並べ替えます: ṁ = Q / (c · ΔT)。
• 分母を計算します: c · ΔT = 4184 × 10 = 41,840 (J/kg)。
• 質量流量を計算します: ṁ = 50,000 / 41,840 ≈ 1.195 kg/s。
• 体積流量（水の場合、1 kg ≈ 1 L）に換算すると、1.195 kg/s ≈ 1.195 L/s = 1.195 × 60 = 71.70 L/min。
• 結果: 10 °C 上昇する 50 kW の熱負荷には、約 1.20 kg/s (または ~71.7 L/min) の冷却水が必要です。

評価すべき熱交換器の性能指標

オプションを比較する場合は、全体の熱伝達係数 (U)、Q = U・A・LMTD による必要な表面積 (A)、両側の圧力降下、接近温度 (冷たい流体がどの程度熱い流体に近づくことができるか)、および汚れ耐性を評価します。一般に、アプローチ温度が低いほど、A が大きくなるか、U が高くなります。

エンジニアと請負業者のための選択チェックリスト

• 銘板のみではなく、予想される動作点における実際のコンプレッサーの熱遮断曲線を確認してください。
• コンプレッサーのメーカーが設定した最大許容吐出温度と油温制限を指定します。
• 熱交換器のタイプを、利用可能なユーティリティ (空気か水か)、設置面積、およびメンテナンス体制に合わせます。
• 圧力降下制限を指定して、コンプレッサーの枯渇やポンプ/ファンの過負荷を回避します。
• 腐食代と、冷媒、油、水の化学的性質に対する材料の適合性を含めます。
• 現実的な汚れ要因を考慮して設計し、機械的または化学的洗浄へのアクセスを提供します。

設置と配管のベストプラクティス

交換器は排水が良くなるように取り付けてください (オイルクーラーにオイルが溜まらないようにしてください)。洗浄と保守のために隔離バルブとバイパスを提供します。パフォーマンスを監視するために、両方の回路の上流と下流に温度および圧力計器を組み込みます。プレート交換器の場合は、安全なガスケット交換方法またはろう付けプレート交換手順を文書に含めてください。

運用・監視・保守

定期的な点検により寿命が延び、性能が維持されます。推奨される実施方法には、四半期に一度の目視検査、月に一度の温度差の監視、空気側フィンの定期的な洗浄または水側表面の機械的/化学的洗浄、汚れを促進する可能性のある高温や汚染物質を検出するための油分析が含まれます。

日常的な監視ポイント

• コンプレッサーの吐出量と油温を記録し、ベースライン性能と比較します。
• 接近温度を追跡し、汚れやポンプ/ファンの劣化を示す安定したドリフトを記録します。
• 熱交換器全体の圧力降下を監視して、詰まりやスケールを検出します。
• 水冷システムの場合は、急激な汚れを避けるために水質 (硬度、pH、殺生物剤の存在) を監視してください。

一般的な問題のトラブルシューティング

症状、考えられる原因、および最初の対処手順:

• 高い吐出温度: 冷却流量、汚れ、ファンの動作、オイルレベルを確認してください。流れを再確立し、表面をきれいにします。
• 圧力損失の急激な増加: 破片、スケール、または潰れたチューブがないか検査します。必要に応じて洗浄やチューブの交換を行ってください。
• 油汚染または相互汚染: 試験液;冷媒とオイルの混合が発生した場合は、メーカーの手順に従い、内部漏れが疑われる場合は交換器の交換を検討してください。
• 振動や騒音： 確実に取り付けられていることを確認し、流れによる振動がないか確認し、拡張継手が適切に設置されていることを確認してください。

改造とアップグレードに関する考慮事項

古いコンプレッサーを改修する場合は、スペースと設備が許せば、小型で非効率な空冷熱交換器をプレートまたはシェルアンドチューブユニットに置き換えることを検討してください。アプローチ温度を下げたり、ファン/ポンプのエネルギー消費を削減したりするアップグレードは、大規模システムではすぐに元が取れます。熱交換器の材質や構成を変更する場合は、機械的適合性と冷媒/油の適合性を常に検証してください。

比較表: クイック意思決定ガイド

まとめ — 最良の結果を得るための実践的な手順

信頼性の高いコンプレッサーの熱交換器性能を得るには、正確な動作データを収集し、設備とスペースに合わせて熱交換器のタイプを選択し、熱負荷と許容ΔTを使用したサイズを選択し、材料と汚れ係数を指定し、洗浄と監視を提供し、規律あるメンテナンス スケジュールに従います。これらの手順により、ダウンタイムが削減され、コンプレッサーの寿命が維持され、HVAC プラント全体の効率が最適化されます。