CO2 チラーガイド: CO2 チラーの仕組み、コスト、選択、および用途

産業用または商業用の冷却装置を評価している場合、その直接の答えは次のとおりです。CO2 チラーは、二酸化炭素 (R744) を冷媒として使用する蒸気圧縮チラーであり、高 GWP 冷媒に依存せずに、約 5°C から -35°C まで冷水、ブライン、または直接膨張冷却を供給できます。 CO2 の臨界温度は 31.1℃ しかないため、チラーは暖かい日に遷臨界領域で頻繁に動作し、高圧側圧力は R134a または R404A マシンの典型的な 15 ～ 25 bar ではなく 80 ～ 120 bar になります。この 1 つの違いが、コンポーネントの選択やパイプの接合方法から制御戦略やサービス プランに至るまで、機器に関するあらゆる決定を左右します。

見出しの数字は明らかです。 CO2 の 100 年地球温暖化係数 (GWP) は 1、オゾン層破壊係数 (ODP) はゼロ、ASHRAE 規格 34 の安全性分類は A1 (不燃性で毒性が低いことを意味します) です。安価で、あらゆる市場で入手可能であり、高 GWP HFC 冷媒にますます影響を与える供給とコストの制約にさらされていません。 CO2 の体積冷凍効果は、一般的な冷凍蒸発条件で R404A の 5 ～ 8 倍であると一般的に言われているため、必要なコンプレッサーの排気量とパイプ直径は、同じ容量の同等の HFC プラントよりもはるかに小さく、それに応じて冷媒の充填量も低くなります。

このガイドの残りの部分では、CO2 チラーの機能の違い、従来の冷媒との比較方法、超臨界サイクルが実際にどのように機能するか、何を指定するか、どのアプリケーションに最もメリットがあるか、およびどのようなメンテナンスと調達のリスクを計画する必要があるかについて説明します。重点は実際的なものであり、信頼性の高いプラントと高価な問題を区別する許容誤差、動作限界、および設計の詳細です。

CO2 チラーとは何ですか?また従来のチラーとの違いは何ですか?

従来のチラーは、シェルアンドチューブまたはブレージングプレート蒸発器で R134a や R404A などのハイドロフルオロカーボン (HFC) を蒸発させ、蒸気を圧縮し、空冷または水冷凝縮器で凝縮します。サイクルの高圧側全体が冷媒の臨界点未満に保たれるため、凝縮器はほぼ一定の温度で冷媒を気体から液体に変化させます。

CO2 チラーは同じ蒸気圧縮原理に従いますが、決定的な違いがあります。二酸化炭素の臨界温度は 31.1 °C です。これは、熱排除温度がおよそ 25 ～ 30 °C を超えると、サイクルの高温側が超臨界になることを意味します。凝縮器はガスクーラーになります。冷媒は 80 ～ 120 bar の超臨界ガスとしてコンプレッサーから出て、凝縮することなく冷却され、蒸発圧力まで直接膨張します。

実際の結果はマシン全体に現れます。 配管は少なくとも 120 bar の作動圧力向けに設計されており、通常はフレアではなくろう付けまたは溶接されています。コンプレッサーは 100 ～ 130°C の吐出温度に耐える必要があり、効果的なオイル冷却が必要です。膨張バルブは、50 bar を超える可能性のある圧力降下を管理する必要があります。高圧リリーフバルブは大気中に排出しますが、通常含まれる濃度では CO2 は可燃性でも有毒でもないため、これは許容されます。

言い換えれば、CO2 チラーは専用の機械であり、HFC チラーを改造したものではありません。システム設計の品質、ガスクーラーのサイジング、制御ロジックによって、システムが消費するエネルギー量と、日々のサービスでの稼働の信頼性が決まります。

CO2 と HFC およびその他の自然冷媒: 主要な比較データ

以下の表は、チラー プロジェクトで最もよく検討される冷媒を比較しています。 GWP 値は、IPCC 第 5 次評価報告書 (100 年の期間) に従います。安全クラスは ASHRAE 規格 34 に従います。臨界温度と圧力の値は公開されている冷媒飽和データから得られます。

この比較からすぐに 2 つの結論が得られます。まず、気候会計の観点から見ると、CO2 はアンモニアと同じカテゴリーに属します。GWP が 1 ということは、漏洩による気候への影響が実質的にゼロであることを意味します。 R404A の GWP は 3,922 であるため、R404A マシンからの年間少量の漏れは、大気中に放出されるはるかに大量の CO2 と同じ炭素換算の影響を及ぼします。

第二に、CO2 システムの高圧側圧力は、代替 HFC の圧力より 4 ～ 6 倍高くなります。 これは、環境面および容積面での利点に対して支払う代償であり、メーカー、設置業者、サービス請負業者が回路内のあらゆる点で圧力定格を尊重する場合にのみ管理可能です。

遷臨界 CO2 サイクルの仕組み

5 つのプロセスステップ

1. 圧縮。 低圧蒸気は約 25 ～ 40 bar でコンプレッサーに入り、80 ～ 120 bar で出ます。吐出温度は 100 ～ 130°C が正常であるため、コンプレッサーには堅牢なオイル冷却と内部温度保護が必要です。
2. ガス冷却。 超臨界蒸気は、ガスクーラー内で空気、水、または蒸発媒体によって冷却されます。結露しません。ガスクーラー出口温度 (通常 35 ～ 45°C) は、システム効率にとって最も重要な変数です。
3. 拡大。 電子膨張弁は、高圧​​側レベルから蒸発レベル (通常 25 ～ 40 bar) まで圧力を下げます。バルブ位置は最適な吐出圧力を維持するために継続的に調整されます。
4. 蒸発。 液体 CO2 は、アプリケーションによって決定される温度 (通常、冷水使用の場合は -10°C、冷凍庫使用の場合は -40°C まで) で蒸発し、冷却流体または空気流から熱を奪います。
5. 吸引。 過熱蒸気は吸引アキュムレーターまたは液体分離器を通ってコンプレッサーに戻り、負荷の変化や霜取りサイクル中に液体のスラッギングからコンプレッサーを保護します。

亜臨界および超臨界操作

熱遮断温度が約 25°C を下回る場合、CO2 はガスクーラー内で 40 ～ 60 bar で凝縮し、サイクルは従来の冷媒サイクルとほぼ同様に動作します。これは寒冷気候または温帯気候で​​頻繁に発生し、これらの地域で CO2 システムが HFC 装置よりも優れた季節効率を達成することが多い理由の 1 つです。周囲温度が上昇すると、システムは超臨界動作に入り、コントローラーが高圧側の圧力管理を引き継ぎます。

吐出圧力の最適化

超臨界運転では、コントローラーは最高の成績係数 (COP) を与える吐出圧力を継続的に検索します。 遷臨界 CO2 エンジニアリングで広く使用されている経験則は、ガスクーラー出口が 30 ～ 35°C の場合、最適な高圧側圧力は約 85 ～ 100 bar であり、ガスクーラー出口温度が 1 K 低下するごとにサイクル COP が約 2 ～ 4% 向上するというものです。これが、熱除去コンポーネントと制御戦略がコンプレッサー自体と同じくらい注目に値する理由です。

CO2 チラーの主な選択基準

銘板ではなく、動作エンベロープから選択プロセスを開始してください。 6 つのチェックでほとんどの仕様エラーが検出されます。

1. 冷却能力と流出液温度

実際の設計周囲温度におけるチラーのサイズをキロワット単位で決定します。冷水用に構成された CO2 チラーは通常、0 ～ 5°C の残留流体を供給します。低温ブラインバージョンは -10°C ～ -35°C を提供します。直接膨張バージョンは、-25°C ～ -40°C の冷凍庫内の空気冷却器に空気を供給します。業界で標準化された 25°C 基準点ではなく、プロジェクトの周囲条件での容量データをリクエストしてください。

2. 周囲条件と気候パターン

現場で 30°C を超える気温が長期間続く場合、チラーは 1 年のほとんどの間、遷臨界状態で稼働することになり、ガスクーラーの設計は年間のエネルギー使用量に多大な影響を及ぼします。サイトが 1 年のほとんどの期間寒い場合、チラーは亜臨界で動作し、CO2 が自然に効率的になります。単一ポイントの全負荷 COP 数値を比較するのではなく、見積もられた季節効率を自社の気候データと照合してください。

3. コンプレッサーの種類と動作限界

レシプロコンプレッサーは、デューティがおよそ 200 ～ 300 kW 未満のものが一般的です。スクリューコンプレッサーはその範囲を超えて使用されます。最大許容吐出温度、油冷却方式、部分負荷時のインバータ速度制御でコンプレッサーが運転できるかどうかを確認してください。これらの詳細により、信頼性とターンダウン能力の両方が決まります。

4. コンポーネントの圧力定格と設置方法

高圧ループ内のすべてのコンポーネントは、設計圧力 (通常は 120 bar 以上) に対応する必要があります。 エバポレーター、ガスクーラー、ライン、バルブ、リリーフ装置がすべてその値に適合していることを確認し、フレア状の機械的接続ではなく、ろう付けまたは溶接による接合を主張してください。 CO2 プラントの初期故障の最も一般的な原因は、HFC の慣例を模倣したコンポーネントと設置方法の使用です。

5. 熱回収の可能性

CO2 チラーは、一般的な冷媒の中で熱回収の最も有力な候補です。冷媒は 100 ～ 130 °C でコンプレッサーから出てくるため、過熱防止器または第 2 のガス冷却器ステージにより、洗浄、殺菌、暖房、またはボイラーの予熱用に 70 ～ 90 °C の温水を確実に生成できます。サイトで冷却と温水の同時需要がある場合は、この節約分を初年度の運用コストの予測に織り込んでください。

6. 部分負荷の動作と制御品質

ほとんどのプラントは、稼働時間の大部分において部分負荷で稼働します。 25%、50%、75%、および 100% 負荷でのチラーのパフォーマンスを調べ、コントローラーが吐出圧力、ガスクーラーのファン速度、膨張バルブの位置をどのように処理するかを確認します。全負荷時の COP がわずかに低いものの、部分負荷制御が優れているチラーは、1 年間の稼働期間にわたって、名目上より優れた機械を容易に上回る性能を発揮します。

プロジェクトに冷蔵室用の凝縮ユニットも含まれる場合、選択ロジックは非常に似ています。このサイトを参照してください 冷蔵保管用途向けの凝縮ユニットの選択に関するガイド プラント構成を最終決定する前に。温暖な気候での屋外設置の場合、パッケージ化された空冷チラーが比較の基準となります。エンジニアリング チームは、お客様の特定の設計条件での定格容量を見積もることができます。

Kaidi の屋外温暖気候用途向け空冷チラー 空冷チラーは、温暖な気候での屋外設置のベースラインです。 Kaidi は 30 年近くの経験があり、お客様の設計条件での定格容量を提供し、システム アーキテクチャを比較するための理想的なリファレンスとなります。 製品を見る→

CO2 チラー システム アーキテクチャのオプション

適切なシステム アーキテクチャは、温度範囲と個別の負荷の数によって異なります。 4 つの基本レイアウトでほとんどのプロジェクトをカバーできます。

単段トランスクリティカルチラー

これは最も単純な CO2 チラーのレイアウトです。コンプレッサーはガスクーラーに排出し、膨張バルブは単一の蒸発器または冷水回路に供給します。約 5°C から -25°C までの中温使用に適しており、工場で組み立てられたチラー ユニットとして最もよく供給されるパッケージです。

カスケードシステム

通常 -35°C ～ -50°C の非常に低い温度の場合、低温段階では CO2 が使用され、高温段階では R134a やアンモニアなどの第 2 冷媒が使用されます。 CO2 側は未臨界のままであるため、設置圧力は適度なままであり、プラントは CO2 の優れた低温性能を引き続き利用できます。冷却水ループが利用可能な場合、高温側は水冷凝縮ユニットとなることがよくあります。 Kaidi の水冷チラーは、いくつかの産業カスケード プロジェクトのその位置で使用されています。

Kaidi のカスケード冷凍プロジェクト向けの水冷チラー CO2 カスケード システムでは、水冷凝縮ユニットが高温ステージとして機能します。 Kaidi の水冷チラーは、いくつかの産業カスケード プロジェクトで使用されており、冷却水ループが利用可能な場合に効率的な熱遮断を提供します。 製品を見る→

トランスクリティカルブースターシステム

昇圧システムは、1 つのプラント内に中温回路と低温回路を組み合わせたものです。これらは大規模スーパーマーケットで主流のソリューションですが、食品物流や流通センターでも使用されています。中温コンプレッサーの吐出口はガス冷却され、低温コンプレッサーは中温吸入ラインに吐出するため、2 つの別個のシステムと比較して全体の効率が向上します。

汲み上げ CO2 二次ループ システム

このアーキテクチャでは、液体 CO2 は各ポイントで膨張するのではなく、中央プラントから遠隔の蒸発器または冷却コイルにポンプで送られます。ポンプは液体の一定供給を維持するため、熱伝達が向上し、冷媒の総充填量が削減されます。このレイアウトは、多くの分散負荷が確実に冷却される必要があるアイス リンク、冷蔵倉庫、食品加工施設で使用されます。

熱遮断とガス冷却のオプション

ガスクーラーの出口温度が 1 K 上がるごとにサイクル COP におよそ 2 ～ 4% のコストがかかるため、熱除去コンポーネントは CO2 チラー プラントの中でコンプレッサーに次いで最も影響力のある部分です。実際には 4 つの拒否方法が使用されます。

• 空冷ガスクーラー 乾燥空気凝縮器技術をより高い圧力定格で再利用します。シンプルで水を必要としませんが、出口温度が乾球温度に追従するため、高温で乾燥した気候では不利になります。
• 蒸発ガス冷却器および蒸発凝縮器 周囲の湿球温度に近い熱を遮断します。乾燥した気候では、湿球温度は乾球温度より 8 ～ 15 K 低いことがよくあります。年間の超臨界時間が長い場合には、これらが好ましい選択肢となります。
• 水冷ガスクーラーまたは水冷コンデンサー 冷却塔または水ループがすでに存在する場合、またはプラントが水冷ハイステージを備えたカスケード システムである場合に使用されます。
• 熱回収ガスクーラー 70～90℃の温水を生成する第2高圧熱交換器として設置されています。回収された熱はチラーの稼働時にいつでも利用できるため、システムの有効効率は冷却のみの COP が示唆するものよりもはるかに高くなります。

産業環境で工場で製造されたチラーの場合、特に水処理と冷却塔のメンテナンスがすでに現場の日常業務の一部となっている場合、蒸発凝縮チラー パッケージが初期コストと年間効率の最適なバランスを実現することがよくあります。 Kaidi の蒸発凝縮チラー シリーズは産業用冷却用途向けに構築されており、水側熱遮断を備えた CO2 カスケードまたはブースター プラントの熱遮断パッケージとして指定できます。

産業用冷却用途の蒸発凝縮チラーパッケージ 工場で製造された産業用チラーの場合、蒸発凝縮パッケージは、初期コストと年間効率の最適なバランスを提供します。 Kaidi の製品群は産業用に作られており、水処理や冷却塔のメンテナンスがすでに日常的に行われている場所に最適です。 製品を見る→

CO2 チラーが最良の結果をもたらす場所

CO2 チラーは、大きな冷却負荷、低温要件、または同時の熱需要を伴うアプリケーションで運用コストを稼ぎます。次のアプリケーションは最も強力な実績を持っています。

• ビール醸造所と飲料工場。 CO2 チラーは、0 ～ 4 °C のプロセス水を安定的に供給すると同時に、ボイラーの使用を代替または削減できる 70 ～ 90 °C の温水を生成します。冷房負荷と温水需要の両方が大きいため、合わせて大幅な節約になります。
• 乳製品の加工。 このプラントは牛乳を 4°C 以下に急速に冷却し、0 ～ 4°C で冷蔵保存します。 CO2 は無毒に分類されているため、アンモニアによる換気要件を必要とせずに、食品の近くに設置することができます。
• 冷蔵・急速冷凍設備あり。 -25°C ～ -35°C の空冷装置を備えた直接膨張 CO2 システムは、製品を急速に凍結させ、温度変動を小さく保ちます。ホットガス除霜は、冷媒が常に高温高圧で利用できるため効率的です。
• アイスリンク。 汲み上げられた CO2 の二次ループは、リンクのスラブを約 -5°C ～ -7°C に冷却し、氷温の変化が非常に小さいため、スケーターと施設運営者の両方がこれを重視しています。 CO2 チャージは工場室内に残るため、リンク自体は漏れの心配がありません。
• スーパーマーケットと食品小売店。 トランスクリティカルブースターシステムは、冷凍庫と冷蔵の両方のディスプレイ負荷を 1 つの中央プラントで処理し、ガス冷却から回収された熱は暖房に使用されます。
• 工業用プロセスの冷却。 化学工場、製薬工場、およびプラスチック工場では、冷媒方針により可燃性または有毒な液体が除外されており、長期にわたる HFC の入手可能性が懸念される場合に CO2 チラーが使用されます。

運営コスト、保守、調達のリスク

エネルギーコスト

冷却出力のみを比較した場合、暑い気候における CO2 チラーの全負荷 COP は、同等の R134a チラーよりも低くなります。正直な比較は季節によるもので、熱回収、自由冷却時間、部分負荷制御、寒冷期の亜臨界運転の効率が含まれます。その上で、最新の CO2 チラープラントは、温帯気候における年間エネルギーコストにおいて、定期的に HFC ベースラインシステムと同等かそれを上回っており、温水が必要な場所であればどこでも追加の価値を提供します。

冷媒のコストと料金

CO2 のコストは、R404A または R134a の 1 キログラムあたりのコストのほんの一部であり、体積容量が大きいため、必要なチャージ量ははるかに少なくなります。したがって、サービスイベント後の補充コストはわずかな項目であり、小さな漏れの修理を先延ばしにする経済的プレッシャーはありません。

メンテナンス計画

定期的なサービス スケジュールは、HFC チラーと同様です。コンプレッサーのオイル レベルとオイルの劣化、フィルター ドライヤーの状態、膨張弁の校正、ガス クーラーのコイルの洗浄、および制御設定値の確認です。 2 つの項目は特に注目に値します。 1 つ目は高圧の完全性です。すべてのろう付けおよび溶接された接合部と圧力逃がし装置の定期検査を計画します。 2 つ目は漏れの監視です。CO2 は無色無臭であるため、密閉された工場室には CO2 を検出し、窒息レベルに達する前に換気を行う必要があります。

調達リスク

• 定格が 60 ～ 80 bar しかないコンポーネントを 120 bar システムに取り付けると、壊滅的な破壊につながる可能性があります。
• 熱サイクル下でフレア状のメカニカルジョイントから漏れが発生する。 CO2 プラントでは、ろう付け、溶接、または高圧プレス接続を使用する必要があります。
• 小型のガスクーラーは出口温度を上昇させ、COPを低下させ、暑い午後のコンプレッサーの稼働時間を延長します。
• 制御システムは吐出圧力を最適化するのではなく、固定された高圧側圧力で動作し、コンプレッサーのエネルギーの 5 ～ 15% を無駄にします。
• サービス請負業者が高圧 CO2 トレーニングを受けていないため、ダウンタイムが長くなり、漏れ管理が不十分になります。

コンプレッサーとガスクーラーの設計圧力と完全な仕様を書面で要求し、サイジング段階から試運転までエンジニアリングサポートを提供するサプライヤーを選択することで、これらのリスクを軽減できます。 Kaidi エンジニアリング チームに直接連絡する 負荷プロファイルとサイト条件を考慮して、ファーストパスのシステム レイアウトを取得し、従来の冷水プラントと比較します。

CO2チラーに関するよくある質問

CO2チラーと通常のチラーの違いは何ですか?

通常のチラーはR134aやR404AなどのHFCを使用し、冷媒を臨界点以下で凝縮させます。 CO2 冷却器には R744 が使用され、多くの場合、凝縮器の代わりに 80 ～ 120 bar のガス冷却器を使用して透臨界で動作します。蒸発器と冷水の出力は同一であっても、圧力レベル、コンポーネント、制御は完全に異なります。

CO2 冷媒は可燃性または有毒ですか?

CO2 は、ASHRAE 基準 34 で A1 に分類されます: 不燃性で毒性が低い。高濃度では、限られた空間内の酸素を置き換える可能性があるため、工場室では換気と CO2 漏れの検出が必要です。通常の運用では、飲食施設にとって安全です。

CO2 チラーはどのくらいの圧力で動作しますか?

蒸発温度に応じて、吸引側は通常 25 ～ 40 bar です。高圧側は、亜臨界運転では 40 ～ 60 bar、超臨界運転では 80 ～ 120 bar です。すべてのハイサイド コンポーネントは、システム設計圧力 (通常は 120 bar 以上) に対応する定格でなければなりません。

CO2 チラーは既存の R404A システムを置き換えることができますか?

ドロップイン交換品ではありません。蒸発器、配管、膨張バルブ、ガスクーラー、コンプレッサー、および制御装置はすべて、CO2 の圧力と動作特性に対して定格を満たしている必要があります。通常、CO2 を中心に設計された完全に新しいプラントが必要ですが、既存の冷水またはブラインの分配回路は再利用できる場合が多いです。

CO2 チラーは HFC チラーよりも高価ですか?

通常、チラー パッケージの最初のコストは 10 ～ 25% 高くなります。これは、主に高圧コンポーネントと制御システムが原因です。ただし、冷媒コストが低くなり、熱回収により光熱費を削減でき、プラントは高 GWP 冷媒の将来のコストと入手可能性の問題を回避できます。ライフサイクルコストは用途と気候に大きく依存します。

CO2 チラーはどのくらいの温度を達成できますか?

冷却装置の使用では、CO2 は流出する冷水またはブラインの温度を約 5°C から -35°C まで下げることができます。カスケード配置では、-50°C までの蒸発温度が可能です。アプリケーションはアーキテクチャとコンプレッサーの選択を決定します。

CO2チラーはもはや実験製品ではありません。これはビール醸造所、冷蔵倉庫、スケートリンク、スーパーマーケット、工業プロセス工場で実証済みのテクノロジーであり、あらゆる気候における動作が十分に文書化されています。これに成功する購入者は、圧力定格、ガスクーラーの設計、吐出圧力制御、およびサプライヤーのサービス能力を 4 つの譲れないチェック事項として扱います。これら 4 つの点から始めれば、仕様の残りの部分は自然に続きます。