JP2015169370A - 冷却水ラインの汚れ評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍システムの冷却水ラインの汚れを精度よく求めることができる冷凍システムにおける冷却水ラインの汚れ評価方法を提供する。【解決手段】圧縮機２、凝縮器３及び蒸発器５を備えた圧縮式冷凍機を有した吸収式冷凍機を有する冷凍システムにおいて、凝縮器３に冷却水を循環流通させる冷却水ラインの汚れを評価する。凝縮器３のＬＴＤを計測し、該蒸発器５又は凝縮器３の負荷が所定値以上の場合であるか、又は該冷凍機が定常稼動している場合のＬＴＤの計測結果に基づいて冷却水ラインの汚れを評価する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮式冷凍機又は吸収式冷凍機を備えた冷凍システムの汚れを評価する方法に関するものであり、詳しくは、該冷凍機の凝縮器に冷却水を循環流通させるときの冷却水ラインの汚れを評価する方法に関するものである。

各種工場、ビル等では、冷凍機等の各種の熱交換器を含む水系が設けられ、冷却水と被冷却体とを熱交換器を介して接触させて、被冷却体を冷却（場合により潜熱を奪うのみのものも含む）している。例えば、ビル等に設けられた冷凍機では被冷却体としてフロンや水等の冷媒が用いられ、また、冷凍機以外でも、例えばコンビナート等では各種熱交換器が使用され、被冷却体として、空気、油性物質、各種有機物が用いられている。

冷凍機等の熱交換器を含む系のうち、これら被冷却体の凝縮を伴うものは凝縮器と称され、被冷却体の凝縮を伴わないものは冷却器と称される。

以下においては、主に凝縮を伴う圧縮式冷凍機を例示して説明を行うが、本発明は圧縮式冷凍機に限らず、熱交換器全般に適用可能である。

近年、冷却水系においては、節水を図るために、冷却水がより高濃縮、低流速で運転されるようになってきているが、このような運転条件下では、冷却水の蒸発に伴うイオン成分が濃縮し、スケールが析出して冷凍機内に付着することがある。また、微生物が冷却水中で繁殖し、スライムが冷凍機内に付着することもある。

このようなスケールやスライム等の汚れの付着により、被冷却体から冷却水への伝熱が阻害される。これにより、凝縮器においては、被冷却体凝縮量が減少する、圧力が上昇する、被冷却体温度が上昇し、圧縮機の負荷が上昇し、高圧カット（一定以上で圧縮機が停止する。）に到る、等の事態が生じることがある。また、冷凍能力が低下し、消費電力量が増加するため、エネルギー効率が低下する。

このため、冷凍機においては、汚れの付着状況を正確に推定し、その状況に応じて、冷却水にスケール洗浄剤やスライム洗浄剤を適切に添加して、洗浄を行なう必要がある。

特許文献１の通り、冷凍機の熱交換効率を知る指標として、Ｕ値（総括伝熱係数）や汚れ係数があるが、計算が煩雑である。また、単位が［℃］ではなく、これらの値のみから、直ちに高圧カットに到るか否かを判断することは難しい。更に、この判断を行うためには、汚れが付着していない正常な状態での計測値が必要となる。

このため、特許文献２に記載の通り、実際には、下記式で求められるＬＴＤ（Ｌｅａｖｉｎｇ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）やＡＴＤ（Ａｐｐｒｏａｃｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）が用いられている。

ＬＴＤ＝被冷却体の冷却後の温度−冷却水出口温度
ＡＴＤ＝被冷却体の冷却後の温度−冷却水入口温度
この被冷却体の冷却後の温度は、被冷却体の熱交換器出口温度として測定することができる。

一般に、圧縮式冷凍機では、熱交換が不十分になると被冷却体の冷却後の温度（この場合凝縮温度）が上昇し、一定レベルを超えると高圧カットを引き起こし、稼働不能となるため、ＬＴＤ，ＡＴＤで状況を判断することが可能である。即ち、上記２式から、ＡＴＤ＝ＬＴＤ＋（冷却水出口温度−冷却水入口温度）の関係式が得られ、これから求められるＡＴＤ（又はＬＴＤ）は温度を単位とするため、この温度と既知の被冷却体凝縮温度とを比較することにより、高圧カットが生じるか否かを直ちに判断することができる。

なお、このＡＴＤ，ＬＴＤは、汚れの他に負荷変動の影響を強く受けるところから、特許文献２には、このＬＴＤ，ＡＴＤを補正し、補正ＬＴＤ値又は補正ＡＴＤ値と基準値とを比較して熱交換器の汚れを評価することが記載されている。

特開２００３−３２２４９４ 特開平７−２１８１８８

熱交換器の汚れ状態を推定する指標値としてＬＴＤ，ＡＴＤおよび補正ＬＴＤ、補正ＡＴＤを用いる方法では、温度計の取り付け位置や冷却機械の仕様・型式等で絶対数値が影響を受けるため、汚れを評価するには、長期的にＬＴＤ，ＡＴＤおよび補正ＬＴＤ、補正ＡＴＤを収集・蓄積し、その増加傾向による、汚れ指標を把握する必要がある。そのため、汚れの増加傾向を把握するためには少なくとも２週間程度の期間が必要で、その期間短縮が求められていた。

また、従来は、冷凍機の発停や負荷変動を考慮することなく汚れ状態を推定していたため、冷凍機の発停や負荷変動に起因したＬＴＤ、ＡＴＤ等の変動と汚れによるＬＴＤ、ＡＴＤ等の変動とがデータに混在することになり、汚れ判断の誤差が大きくなっていた。

本発明は、冷凍システムの冷却水ラインの汚れを高精度に求めることができる汚れ評価方法を提供することを目的とする。

本発明（請求項１）の冷却水ラインの汚れ評価方法は、凝縮器及び蒸発器を備えた冷凍システムにおける汚れ評価方法であって、該凝縮器に冷却水を循環流通させる冷却水ラインの汚れを評価する方法において、該凝縮器のＬＴＤを計測し、該蒸発器又は凝縮器の負荷が所定値以上の場合であるか、又は該冷凍機が定常稼動している場合のＬＴＤの計測結果に基づいて前記冷却水ラインの汚れを評価することを特徴とするものである。

請求項２の冷却水ラインの汚れ評価方法は、請求項１において、前記蒸発器又は凝縮器の負荷は、ブライン入口温度とブライン出口温度との温度差と定格ブライン（冷水や冷却水のときもある）温度差との比であることを特徴とするものである。

凝縮器の冷却水ラインには冷却水が通水されており、この冷却水は該ラインに設けられた冷却塔などによって冷却される。この冷却水ラインの汚れが増加してくると、凝縮器のＬＴＤ（後述のＴ_５−Ｔ_４）が増大するのでＬＴＤは汚れの指標値となる。

ところが、冷凍機は発停（スタート・ストップ）するので、スタート直後の非定常状態にあるときには、ＬＴＤと冷却水ラインの汚れとの関連が小さくなっている。また、負荷が小さいときには、熱交換が安定しないので、ＬＴＤと冷却水ラインの汚れとの相関性が低くなっている。そこで、本発明では、該蒸発器又は凝縮器の負荷が所定値以上の場合であるか、又は該冷凍機が定常稼動している場合のデータに基づいて冷却水ラインの汚れ状態を評価する。

本発明によれば、次の作用効果が奏される。
（１） 冷凍機が運転され、かつ、熱交換が安定して行われている時点でのＬＴＤに基づくことにより、冷凍機熱交換器の熱交換効率の正確な評価が行える。
（２） 季節によって異なる運転負荷に対応できる。
（３） ＬＴＤのトレンドが理解しやすくできる。
（４） ＬＴＤの変化が負荷の変化によるものか、効率の変化によるものか判断できる。
（５） 冷媒温度が上昇するとＬＴＤが上昇するが、ＬＴＤの上昇はファウリングに起因するので上昇速度は極めて低速である。ＬＴＤの上昇が急速な場合は機械のトラブルにより冷媒温度のみが急速に上昇していると判断できる。

圧縮式冷凍システムのフロー図である。 データ処理のためのブロック図である。 ＬＴＤを示すグラフである。 実施例の結果を示すグラフである。 実施例の結果を示すグラフである。 実施例の結果を示すグラフである。

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。

図１はターボ圧縮式冷凍システムの一例を示すフロー図である。冷凍機１は、ターボ式圧縮機２によって媒体（例えばＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系、ＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）系、ＣＦＣ（クロロフルオロカーボン）系）を圧縮し、凝縮器３に導き、凝縮させる。凝縮器３の伝熱管（冷却コイル）３ａには、冷却塔６で冷却された冷却水がポンプ７を介して循環通水される。凝縮器３の媒体出口温度Ｔ_５と冷却水出口温度Ｔ_４との差Ｔ_５−Ｔ_４がＬＴＤである。

凝縮した液は、膨張弁４を介して蒸発器５に導入され、蒸発して断熱膨張し、伝熱コイル５ａ内を流れる冷媒（この実施の形態では水）を冷却する。蒸気は圧縮機２に送られ、再び圧縮される。伝熱コイル５ａには、負荷体９で熱交換器して昇温したブライン（例えば水）がポンプ８を介して通液され、冷却された冷ブラインが負荷体９に循環通液される。伝熱管３ａ、冷却塔６、ポンプ７、及び配管類によって冷却水ライン（ブラインライン）が構成されている。

蒸発器５のブライン入口温度Ｔ_１とブライン出口温度Ｔ_２との差と蒸発器５の定格ブライン温度差との比すなわち（Ｔ_１−Ｔ_２）／（定格ブライン温度差）がブライン負荷である。

図３に、このシステムのＬＴＤの一例を示す。図３の通り、システムの負荷変動によってＬＴＤが大きくばらつく。そこで、この実施の形態では、ブライン出口温度Ｔ_２が所定値以下であり、かつブライン負荷が所定値以上である場合のＬＴＤを抽出する。このようにデータを抽出することにより、システムの発停や負荷変動によるＬＴＤが乱れたときのデータを取り除き、ＬＴＤによる冷却水ラインの汚れ評価精度を高めることができる。

なお、本発明では、ＬＴＤデータの抽出（フィルタリング）を次の（１）〜（４）のいずれかの方式によって行ってもよい。
（１） 上記凝縮器３の冷却水入口温度Ｔ_３と出口温度Ｔ_４との差Ｔ_４−Ｔ_３が一定値以上、望ましくは定格の冷却水入口温度と出口温度との差がＮ％以上（Ｎ％は好ましくは６０％以上より好ましくは８０％以上）であるときのＬＴＤを抽出する。なお、Ｔ_４−Ｔ_３は熱交換の安定性の判断の指標値となる。一般に、負荷が高いほど熱交換は安定する。
（２） ブライン出口温度Ｔ_２が所定値以下のときのＬＴＤを抽出する。ブライン出口温度は、冷凍機の運転／停止の指標値となる。冷凍機が定常運転されているときには、ブライン出口温度は一般に低くなる。
（３） 上記圧縮機２の電流値又は電力値が定格電流値又は定格電力値のＣ％以上（Ｃ％は好ましくは６０％以上より好ましくは８０％以上）であるときのＬＴＤを抽出する。この電流値又は電力値は、冷凍機の運転／停止の指標値であり、定常運転中には、所定値以上となる。
（４） 凝縮器３に流入する媒体の温度Ｔ_６（又は媒体の圧力）が所定値以上であるときのＬＴＤを抽出する。この温度又は圧力は運転／停止の指標値であり、定常運転中には所定値以上となる。

上記説明は圧縮式冷凍機に関するものであるが、ガス、燃料油や蒸気などを熱源とした再生器を有する吸収式冷凍システムの場合にも本発明を適用できる。

上記のうちのいずれの抽出方式を採用するか、また上記の所定値をどのような値とするかは、オペレータの経験及び試行によって定めるのが好ましい。

なお、これまでに述べた手順を行う具体的方法として、図２に示すシステムで行うことが好ましい。

図２の通り、温度計測手段で計測した温度データを温度データ蓄積手段に蓄積すると共に、上記のいずれの抽出方式とするか、また所定値をどのような値にするかについてフィルタリング（抽出）規則入力手段からフィルタリング規則記憶手段に入力する。蓄積した温度データから、抽出条件に適うものをフィルタリング手段で抽出し、ＬＴＤを算出手段で算出し、提示手段で提示する。

データ蓄積方法としては、市販のデータロガー装置を適用してもよいが、収集したデータをインターネット経由でサーバーに蓄積し、インターネット経由でデータ確認できる方式を採用してもよい。この方式を用いることにより、現場から離れている場所にいても現場の状況を確認することが可能である。

図１に示す圧縮式冷凍機の実機を夏期（７月１３日〜９月１１日）の間運転し、ＬＴＤを測定した。結果を図３に示す。図３の通り冷凍機の発停によりＬＴＤが−７〜＋３℃の範囲にばらついている。そこで、ブライン温度１１．５℃以下、ブライン負荷０．６以上のときのＬＴＤのみを抽出して図４に示した。また、抽出したＬＴＤ値が、連続するように非抽出時のデータをカットしてプロットを連続させた場合を図５に示す。図５によれば、発停によるデータ乱れを除去したＬＴＤ値の変動を明確に知ることができる。

図３，図５を対比すると、停止時や制御過渡期（例えば起動直後）にあるデータを含む図３の場合、ＬＴＤの平均値は０．６℃となる。一方、稼働時かつ熱交換効率が安定しているときのデータを抽出した図５ではＬＴＤの平均値が２．９℃となっており、図５の方が実態に合っていることが分かる。

なお、この実機における別の時期に採ったデータを同様に抽出処理し、ブライン負荷データを加えて表示したグラフを図６に示す。図６の通り、ＬＴＤが負荷に応じて変化することが明らかである。

１ 冷凍機
２ 圧縮機
３ 凝縮器
４ 膨張弁
５ 蒸発器

Claims (2)

1. 凝縮器及び蒸発器を備えた冷凍システムにおける汚れ評価方法であって、
   該凝縮器に冷却水を循環流通させる冷却水ラインの汚れを評価する方法において、
   該凝縮器のＬＴＤを計測し、
   該蒸発器又は凝縮器の負荷が所定値以上の場合であるか、又は該冷凍機が定常稼動している場合のＬＴＤの計測結果に基づいて前記冷却水ラインの汚れを評価することを特徴とする冷却水ラインの汚れ評価方法。
2. 請求項１において、前記蒸発器又は凝縮器の負荷は、ブライン入口温度とブライン出口温度との温度差と定格ブライン温度差との比であることを特徴とする冷却水ラインの汚れ評価方法。

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