リチウムブロミド冷凍機の動作原理とメンテナンス上の注意点

この投稿は、2015年8月12日22時35分にzhangya*ongによって最終的に編集されました。リチウムブロミド方式の冷凍機と電気式冷凍機の違いについてです。ご存知の通り、「冷却」と「加熱」という概念は正確なものではありません。エネルギー保存の法則によれば、冷却や加熱の過程とは実際にはエネルギーが移動する過程であり、エネルギーがある場所から別の場所へ移動するのは主に「熱伝達」と「物質移動」によって行われます；一般的な水系統を利用した空調装置には、動作原理の違いによって吸収式と機械圧縮式の2つの主要なタイプがあります。ブロミン式の空調装置は、熱エネルギーを駆動力として利用し、一連の熱交換器を通じて熱の移動を行うことで所定の運転状態を実現します；電気冷却は、主に電動機が圧縮機を駆動して作業を行うことによって実現される。このプロセスを完了させるには、前者ではリチウム塩である「リチウムブロミド」の水溶液（実際には溶液中の水）を作動媒体として使用し、後者ではフロンを作動媒体として使用する——一連の単純または複雑な熱交換や物質の移動によって達成される。 理解しておくべきことは、それらが物理的エネルギーや化学的エネルギーの形で存在しているため、人間がエネルギーを利用して機械を動かすというのは、実際にはこれら二つのエネルギーの相互変換を利用しているということだ。リチウムブロミド吸収式と電気冷凍機の圧縮機――これら二つの装置の大きな違いは、リチウムブロミドが化学エネルギーを熱エネルギーに変換し、熱源の温度が周囲の環境温度よりも高いことを利用して、熱伝達によって熱エネルギーの移動を行う点にあります；一方、電気冷却は主に機械的な圧力をかけてフロンガスを液化させ、液体フロンが蒸発する際に大量の熱を吸収する性質を利用して熱エネルギーの移動を行う。原理上だけ見れば、後者の方が前者よりも熱エネルギーの移動効率がはるかに高い。 測定によると、リチウムブロミドの単効機では、1単位の熱エネルギーを投入しても冷却能力は0.8～0.9単位しか得られず、二効機でも1.1～1.2単位に過ぎない；電気冷却装置は、圧縮機の形態によって速度式と容積式の2つの大きなカテゴリーに分けられる。前者は遠心機を代表とし、後者は往復式（ピストン式とローター式に分かれる）やスクリュー式、渦巻き式など、いくつかの主要なタイプに分類される。すべて水冷方式を採用した場合、標準運転条件下での熱交換器の形状や圧縮機の構造の違いにより、その性能係数は遠心式が1：6.0～9.0となり、他の機種はそれぞれ1：3.6～4.0、1：4.0～4.8、1：4.2～5.0となる。 それにもかかわらず、数年前まで中国本土の中央空調のマスターエンジン市場は依然としてリチウムブロミド方式の機器が大部分を占めていました。その理由を簡単に説明すると、リチウムブロミド方式の機器は主に熱エネルギーが得られない、または安価なエネルギーしか利用できない場所で使われています。エネルギー効率の観点から見ると、電気冷却方式と比べて大きな差があります。 一．電力インフラの整備が追いつかず、電力が逼迫して供給と需要の不均衡が生じたため、高汚染で効率の低い小型石炭ボイラーを使って近くで蒸気を生成し、それを用いてリチウムブロミド式蒸気タービン発電機を動かすしかなかった。 二．また、内陸部が石炭を主要なエネルギー源とするエネルギー構造とも関係している。環境保護に対する要求が厳しくなっている今日、多くの北部都市では汚染が比較的少ない熱電併給システムや大型ボイラーを用いた集中暖房網が整備されており、夏季にはリチウムブロミド方式の装置を使って工業用の冷却水を製造することが可能である。これにより、石炭火力発電に比べて環境保護の観点からも優れているだけでなく、二次エネルギーである電力を得る際の高コストも回避できる；燃料式のリチウムブロミド直燃機であっても、当時の石油価格は低かったため、使用コストは比較的低かった；現在でさえも、推進されている西気東輸プロジェクトはエネルギー構造を大幅に改善しガス料金を下げることになるが、依然として一部のユーザーはガス直焚き機を使用し続けるだろう。これは主に価格要因が意思決定者の選択に影響を与えているからである。 三． リチウムブロミド方式の発電機を製造する主要メーカー数社が、市場の需要が高まっている好機に乗じ、電力供給と需要の不均衡が当面解消されない状況を利用して積極的に宣伝活動を展開し、かなりの数のユーザーを誤導した（現在では状況は大きく変わり、政策上も電力使用が奨励され、電力容量料金も大幅に減免されており、暖房においても蓄熱式電気ボイラーの使用が認められ、さらにピーク時・オフピーク時の電気料金制度も導入されている）。 四．リチウムブロミド式冷凍機のプロセス特性により、サイズが大きくなるほどコストは低下し、単位冷却能力あたりのコストも相対的に安くなる。また、冷房と暖房の両方が可能であり、プロセス構造上、大型プロジェクトにおいては一度の投資額が比較的安価に抑えられる。では、なぜ近年になってリチウムブロミド式冷凍機の市場シェアが明らかに縮小しているのだろうか？それは、この機種に以下のような明らかな欠点があるからである：A、この冷凍機は作動時に内部を高度な真空状態に保つ必要があり、高度な真空状態を維持することには3つの役割がある。第一に、リチウムブロミド式冷凍機は実際には高純度の水を用い、真空状態下で4度 Celsiusで沸騰させるという物理的特性に依存しており、水の蒸発によって熱を吸収し、一連の複雑な熱伝達・物質移動の過程を経て冷却効果を得る。真空がなければプロセス上の要件を満たすことができない；第二に、リチウムブロミド溶液自体がアルカリ性を帯びているため、空気が存在する状況下では酸素原子が鋼構造部材と容易に結合し、急速かつ広範囲にわたる腐食を引き起こしやすい。通常の機体にこのような「潰瘍」ができるとどのような結果になるかは想像に難くない。第三に、リチウムブロミド方式のユニットは構造が複雑であり、ユニットの性能に関わる多くの補助部品を頻繁に交換・修理する必要がある。また、作動媒体であるリチウムブロミド溶液も3～5年使用したら交換しなければならず、ユニット内部も定期的に洗浄が必要となる。こうしたさまざまな要因により、些細な故障が起きるたびにユニット内部が空気に触れる可能性があり、その結果、ユニット全体が腐食してしまうのである。 B、リチウムブロミド方式のユニットでは、「冷却剤の汚染」と「結晶化」という2つの故障が非常に起こりやすい。前者は高圧発生器内の液面が過度に上昇し、激しい動きが生じることで、リチウム塩を含んだ微小な液滴が冷却剤の水循環系に飛び散り、水の純度が低下する。その結果、低温・高真空下で沸騰できなくなり、運転が不可能になる。これら2つの故障は頻繁に発生しやすい（高液面制御については、国内外を問わず今のところ適切な方法が見つかっておらず、現在信頼できるのは金属探針やモーターセンサーを使用する方法だけだが、この方法でも故障率はかなり高く、頻繁に交換が必要となる）。一度故障すると、その結果として「冷却剤の汚染」が起こる“；一方、「結晶」とは、機器の各熱交換器間に一定の熱バランスが存在するため、外部要因や機器内部の要因によって配管が詰まると、深刻な場合には内部からの漏れが発生し、機器の停止や大規模な修理を余儀なくされることです。リチウムブロミド方式のユニットには12～22個の熱交換器が内蔵されており、精密な自動制御もセンサーによって行われる。電気冷却式のユニットと比べて構造が複雑で制御ポイントが多く、センサーの数も多いため、故障の可能性が高い。動作バランスが崩れると結晶が発生し、回復には非常に時間がかかり、深刻な場合には内部漏れや熱交換器の破損を引き起こすこともある。 C、上記のような現象が頻繁に発生するため、リチウムブロミド式ユニットは監視員にかなり高い能力を求められ、前述の理由から自動制御装置があっても通常は信頼性に欠ける。経験豊富なオペレーターであれば未然に防ぐことができ、トラブルが発生したらすぐに対策を講じることができるが、それでも頻繁に発生してしまう；機械の動作原理や運用上の知識がない人がその職に就くと、小さな問題が大きな災害を引き起こし、冷却能力が低下したり寿命が短くなったりします。おそらく、期待される15～20年という使用寿命まで使い続けることはできないでしょう。また、多くのユーザーが雇っているオペレーターも、経験が不足していることが多いです；このように、使用において受ける影響と損失は予測不可能である。 以上、リチウムブロミド方式の発電機自体にある固有の弱点について説明しましたが、どんなことにも良い面と悪い面があり、利点と欠点を総合的に検討する必要があります。大量の廃熱がある場合や、安価なエネルギーを利用できる場合は、経済的な効果は高くなります；また、適切なメンテナンスと責任感の強いスタッフがいれば、期待される寿命を達成することも可能です；したがって、一概に言うことはできない。 電気式冷却装置にも適用できない場面があります。例えば、冷暖房機能を備えた電気式風冷ヒートポンプユニットは消費エネルギーが比較的大きく、冬の平均気温が氷点下の地域では使用に適していません；一部の冷却用圧縮機の機種や仕様は、大型または小型のシステムには適していません。例えば、4つの主要なタイプの冷却用圧縮機のうち、往復式と渦巻き式は小型ユニットに適しており、スクリュー式は中型プロジェクトに適しています。一方、遠心式圧縮機の場合、最小でも50万カロリー以上が必要で、150万カロリー未満のプロジェクトでは一般的に使用されません。これは、モーター駆動型の場合、作動しているかどうかに関わらず電力を消費するためであり、空調用の主機としての冷却ユニットの負荷は絶えず変動します。圧縮機の数が少ないと、無駄な電力消費が生じやすくなります。 電気冷却用圧縮機のピストン往復式とスクリュー式は、構造上、密閉型、完全密閉型、開放型に分けられる；スクリュー機にはシングルスクリューとダブルスクリューの違いがあります；遠心機用油の単段と多段の違い；渦巻き機の基本形態はほぼ同じです；経済性の観点からみると、消費電力が最も少ないのは遠心機とオープンタイプのダブルスクリュー機です。次に半密閉型スクリュー機と渦巻き機が続き、最も悪いのは往復式の機器です；使用寿命の観点から比較すると、最も耐久性が高いのは開放型ツインスクリューであり、次いで完全密閉型ツインスクリュー、渦巻き式、多段遠心式、半密閉型ツインスクリュー、シングルスクリュー単段遠心式の順となります。最も短いのは往復式であるため、単位時間あたりのメンテナンスコストはこの順に上昇します。これは、各種機種の動作原理や製造工程によって決まるものです。 しかし、現在、技術や工程の「価値」が最も高くない機種でも依然として多く売れている理由は、コストの違いだけでなく、各ブランド企業がほとんどが販売代理店制度を採用しており、代理店による推奨過程に偏りが生じていることにもある——つまり、ユーザーは技術的・経済的に最適な製品を購入していないのである。 リチウムブロミド方式の冷凍機と電気冷却方式の冷凍機には、それぞれ適用範囲があり、互いに重なる部分や代替可能な点もある。具体的な状況に応じて対応し、科学的な姿勢で適切な製品を慎重に選べば、同様にコストを抑えつつ効率的に業務をこなすことができる。 現代の科学技術が発展してきた今日、基礎科学や材料力学の研究成果はほぼ共有されている。機器が耐久性に優れているか、ユーザーにとって使いやすいかという点において、有名ブランドを選べば一定の保証が得られる。重要なのは、ブランド企業には成熟した経営体制と企業文化があるため、自然と各段階で業界に最良の製品を投入するということだ。しかし、ユーザーがそれを選ぶとは限らず、根本的な理由は新素材や新しい製造技術によって新製品のコストが高くなるからである。

空調・換気の分野になると、メンテナンスや原理に関する知識がたくさんあります。