JP6682301B2 - 蒸気圧縮式冷凍機及びその制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、不凝縮ガスを凝縮器から抽気する抽気装置を備えた蒸気圧縮式冷凍機及びその制御方法に関するものである。
運転中の作動圧力が機内で一部が大気圧以下となる冷媒を用いる冷熱機器においては、大気圧以下となる部位より空気等の不凝縮ガスが機内に侵入し、圧縮機等を通ったあと凝縮器に滞留する。凝縮器に不凝縮ガスが滞留すると、この不凝縮ガスが伝熱抵抗となり凝縮器における冷媒の凝縮性能が阻害され、冷熱機器としての性能が低下する。このため、抽気装置を用いて凝縮器から不凝縮ガスを機外へ排出することにより、正常な性能が確保される。抽気装置は、冷媒ガスとの混合ガスとして不凝縮ガスを抽気装置内に引き込み、混合ガスが冷却されて冷媒のみが凝縮して冷凍機内に戻されることにより、不凝縮ガスは分離・蓄積され、排気ポンプ等で機外へ排出される（下記特許文献１及び２参照）。
しかし、不凝縮ガスとともに抽気装置へ吸引される冷媒を凝縮・分離するためには一定の冷却熱量が必要となる。冷却を行う手段として、冷水や機内冷媒等の低温媒体を用いて冷却する方法や電気式の冷却装置を用いて冷却する方法がある。低温媒体を用いる場合は、冷凍機で冷却した媒体を加熱することとなり機器としての効率の損失となる。電気式の冷却を行う場合には一定の動力が消費される。ゆえに、抽気装置は、不要な動力の消費を避けるために、必要な場合のみに自動で運転されることが望ましい。
水冷却式の凝縮器において、凝縮性能の低下を検知するために、凝縮器の飽和温度と冷却水温度の差異を検出し、その温度差が計画の温度差から上昇しているかを監視することが可能であるが、凝縮器は伝熱面（冷却水側）の汚れによっても凝縮性能が低下するため、不凝縮ガスによる性能低下との分離が困難である。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、不凝縮ガスを冷媒から分離して排出する際の消費エネルギーを可及的に抑えることができる蒸気圧縮式冷凍機及びその制御方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の蒸気圧縮式冷凍機及びその制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる蒸気圧縮式冷凍機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器内で冷媒と熱交換する冷却水を流通させる冷却水用伝熱管と、前記凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記凝縮器からガスを抽気し、該ガスを冷却して凝縮ガスを凝縮させる冷却部および該冷却部によって凝縮されずに分離された不凝縮ガスを外部に排出する排出部を有する抽気装置と、該抽気装置を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記凝縮器における現在の飽和温度と前記冷却水用伝熱管の現在の出口温度との差分である現在温度差と計画値である計画温度差とを演算し、前記冷却水用伝熱管の管内汚れを想定して予め決定された前記凝縮器における飽和温度と前記冷却水用伝熱管の出口温度との差分である管内汚れによる温度差上昇の情報を用いて現在管内汚れによる温度差上昇を演算し、前記現在温度差の前記計画温度差からの上昇が前記現在管内汚れによる温度差上昇よりも所定値以上大きくなった場合に、前記抽気装置を動作させることを特徴とする。
すなわち、本発明にかかる蒸気圧縮式冷凍機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器内で冷媒と熱交換する冷却水を流通させる冷却水用伝熱管と、前記凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記凝縮器からガスを抽気し、該ガスを冷却して凝縮ガスを凝縮させる冷却部および該冷却部によって凝縮されずに分離された不凝縮ガスを外部に排出する排出部を有する抽気装置と、該抽気装置を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記凝縮器における現在の飽和温度と前記冷却水用伝熱管の現在の出口温度との差分である現在温度差と計画値である計画温度差とを演算し、前記冷却水用伝熱管の管内汚れを想定して予め決定された前記凝縮器における飽和温度と前記冷却水用伝熱管の出口温度との差分である管内汚れによる温度差上昇の情報を用いて現在管内汚れによる温度差上昇を演算し、前記現在温度差の前記計画温度差からの上昇が前記現在管内汚れによる温度差上昇よりも所定値以上大きくなった場合に、前記抽気装置を動作させることを特徴とする。
凝縮器の凝縮性能の低下は、冷却水用伝熱管内の管内汚れによる伝熱阻害と、不凝縮ガスの凝縮器内での滞留による伝熱阻害とが考えられる。
凝縮器における現在の飽和温度と冷却水用伝熱管の現在の出口温度との差分である現在温度差が計画値である計画温度差よりも上昇する場合には、管内汚れと不凝縮ガス滞留との両方の影響が反映されている。一方、管内汚れによる温度差上昇は、伝熱管内に冷却水を流通させる予備試験等によって把握しておくことが可能である。したがって、現在温度差から現在管内汚れによる温度差上昇を引いた値が不凝縮ガス滞留による凝縮性能の低下と評価できる。そこで、現在温度差が計画温度差と現在管内汚れ温度差上昇分の合算値よりも大きくなった場合に、不凝縮ガス滞留による凝縮性能低下と判断して、抽気装置を動作させることとした。これにより、不凝縮ガスが凝縮器内に所定量以上滞留した場合に限って抽気装置を動作させることができるので、無駄なエネルギー消費を抑制し、全体効率の良い蒸気圧縮式冷凍機を実現できる。
なお、凝縮器の飽和温度は、凝縮器に設けた圧力センサから得られる圧力値から得ることができる。
凝縮器における現在の飽和温度と冷却水用伝熱管の現在の出口温度との差分である現在温度差が計画値である計画温度差よりも上昇する場合には、管内汚れと不凝縮ガス滞留との両方の影響が反映されている。一方、管内汚れによる温度差上昇は、伝熱管内に冷却水を流通させる予備試験等によって把握しておくことが可能である。したがって、現在温度差から現在管内汚れによる温度差上昇を引いた値が不凝縮ガス滞留による凝縮性能の低下と評価できる。そこで、現在温度差が計画温度差と現在管内汚れ温度差上昇分の合算値よりも大きくなった場合に、不凝縮ガス滞留による凝縮性能低下と判断して、抽気装置を動作させることとした。これにより、不凝縮ガスが凝縮器内に所定量以上滞留した場合に限って抽気装置を動作させることができるので、無駄なエネルギー消費を抑制し、全体効率の良い蒸気圧縮式冷凍機を実現できる。
なお、凝縮器の飽和温度は、凝縮器に設けた圧力センサから得られる圧力値から得ることができる。
さらに、本発明の蒸気圧縮式冷凍機では、前記冷却水用伝熱管の前記凝縮器における出入口間の差圧を検出する差圧センサを備え、前記管内汚れによる温度差上昇は、前記差圧センサにて得られた現在の差圧の計画値からの上昇分に基づいて決定されていることを特徴とする。
冷却水用伝熱管内の管内汚れは、伝熱管内への付着物によるものであり、付着物が伝熱管内の流路を狭めることにより、凝縮器における冷却水用伝熱管の出入口間の差圧は計画値よりも上昇する。そこで、計画値からの差圧上昇値に基づいて管内汚れ温度差を決定することで、管内汚れを精度良く見積もることができる。
さらに、本発明の蒸気圧縮式冷凍機では、前記冷却水用伝熱管内を流れる冷却水の流量を計測する冷却水流量センサを備え、前記管内汚れの温度差上昇は、前記冷却水流量センサにて得られた流量に基づいて決定されることを特徴とする。
管内汚れ温度差上昇は差圧上昇に依存し、差圧は流量に依存するので、冷却水流量センサで得られた流量と差圧に基づいて管内汚れ温度差上昇を決定することとした。これにより、管内汚れを精度良く見積もることができる。
さらに、本発明の蒸気圧縮式冷凍機では、前記蒸発器内で冷媒と熱交換する冷水を流通させる冷水用伝熱管と、該冷水用伝熱管内を流れる冷水の流量を計測する冷水流量センサと、前記冷水用伝熱管の冷水の出入口温度を計測する温度センサと、前記冷却水伝熱管の冷却水の出入口温度を計測する温度センサを備え、前記制御部は、前記冷水流量センサから得られた冷水流量と、前記蒸発器における前記冷水用伝熱管の冷水出入口温度差から演算される冷凍能力と、前記圧縮機に入力される動力と、前記凝縮器における前記冷却水用伝熱管の冷却水出入口温度差とに基づいて、熱バランスから前記冷却水用伝熱管内を流れる冷却水流量を演算し、前記管内汚れによる温度差上昇は、前記冷却水流量に基づいて決定されることを特徴とする。
冷却水の流量を計測する冷却水流量センサがない場合、冷水流量センサから得られた冷水流量と、冷水出入口温度差と、圧縮機に入力される動力と、冷却水出入口温度差とに基づいて、熱バランスから冷却水流量を演算することができる。これにより、冷却水流量センサを省略してコストを下げることができる。
なお、冷水流量センサもない場合には、冷水の差圧と、冷水用伝熱管の損失係数を用いることによって冷水流量を演算することができる。
なお、冷水流量センサもない場合には、冷水の差圧と、冷水用伝熱管の損失係数を用いることによって冷水流量を演算することができる。
また、本発明の蒸気圧縮式冷凍機の制御方法は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器内で冷媒と熱交換する冷却水を流通させる冷却水用伝熱管と、前記凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記凝縮器からガスを抽気し、該ガスを冷却して凝縮ガスを凝縮させる冷却部および該冷却部によって凝縮されずに分離された不凝縮ガスを外部に排出する排出部を有する抽気装置と、を備えた蒸気圧縮式冷凍機の制御方法であって、前記凝縮器における現在の飽和温度と前記冷却水用伝熱管の現在の出口温度との差分である現在温度差と計画値である計画温度差とを演算し、前記冷却水用伝熱管の管内汚れを想定して予め決定された前記凝縮器における飽和温度と前記冷却水用伝熱管の出口温度との差分である管内汚れ温度差上昇の情報を用いて現在管内汚れによる温度差上昇を演算し、前記現在温度差の前記計画温度差からの上昇が前記現在管内汚れによる温度差上昇よりも所定値以上大きくなった場合に、前記抽気装置を動作させることを特徴とする。
不凝縮ガスが凝縮器内に所定量以上滞留した場合に限って抽気装置及び冷却装置を動作させることとしたので、不凝縮ガスを冷媒から分離して排出する際の消費エネルギーを可及的に抑えることができる。
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示されているように、ターボ冷凍機１は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機３と、ターボ圧縮機３によって圧縮された高温高圧のガス冷媒を凝縮する凝縮器５と、凝縮器５から導かれた液冷媒を膨張させる膨張弁７と、膨張弁７によって膨張された液冷媒を蒸発させる蒸発器９とを備えている。
冷媒としては、例えばＨＦＯ−１２３３ｚｄ（Ｅ）といった低圧冷媒が用いられており、運転中には蒸発器等の低圧部が大気圧以下となる。
冷媒としては、例えばＨＦＯ−１２３３ｚｄ（Ｅ）といった低圧冷媒が用いられており、運転中には蒸発器等の低圧部が大気圧以下となる。
ターボ圧縮機３は、遠心式圧縮機であり、インバータによって回転数制御された電動機１１によって駆動されている。インバータは、制御部（図示せず）によってその出力が制御されている。電動機１１の入力電力Ｗは電力計１３によって計測され、計測結果は図示しない制御部へと送られるようになっている。
ターボ圧縮機３は、回転軸３ｂ周りに回転する羽根車３ａを備えている。回転軸３ｂには、増速歯車１５を介して電動機１１から回転動力が伝達される。
凝縮器５は、例えばシェルアンドチューブ型とされた熱交換器とされている。
凝縮器５には、冷媒を冷却するための冷却水が内部を流通する冷却水用伝熱管５ａが挿通されている。冷却水用伝熱管５ａには、冷却水往き配管６ａと冷却水戻り配管６ｂとが接続されている。冷却水往き配管６ａを介して凝縮器５に導かれた冷却水は、冷却水戻り配管６ｂを介して図示しない冷却塔に導かれ外部へと排熱した後に、冷却水往き配管６ａを介して再び凝縮器５へと導かれるようになっている。
冷却水往き配管６ａには、冷却水を送水する冷却水ポンプ２０と、冷却水流量ＧＷＣを計測する冷却水流量センサ２２と、冷却水入口温度ＴＷＣＩを計測する冷却水入口温度センサ２４とが設けられている。冷却水戻り配管６ｂには、冷却水出口温度ＴＷＣＯを計測する冷却水出口温度センサ２６が設けられている。また、冷却水往き配管６ａと冷却水戻り配管６ｂとの間には、冷却水の出入口の差圧ＰＤｃを計測する冷却水差圧センサ２８が設けられている。
凝縮器５には、凝縮器５内の冷媒の凝縮器圧力Ｐｃを計測する凝縮器圧力センサ２９が設けられている。
これらセンサ２２，２４，２６，２８，２９の計測値は、制御部へと送信されるようになっている。
凝縮器５には、冷媒を冷却するための冷却水が内部を流通する冷却水用伝熱管５ａが挿通されている。冷却水用伝熱管５ａには、冷却水往き配管６ａと冷却水戻り配管６ｂとが接続されている。冷却水往き配管６ａを介して凝縮器５に導かれた冷却水は、冷却水戻り配管６ｂを介して図示しない冷却塔に導かれ外部へと排熱した後に、冷却水往き配管６ａを介して再び凝縮器５へと導かれるようになっている。
冷却水往き配管６ａには、冷却水を送水する冷却水ポンプ２０と、冷却水流量ＧＷＣを計測する冷却水流量センサ２２と、冷却水入口温度ＴＷＣＩを計測する冷却水入口温度センサ２４とが設けられている。冷却水戻り配管６ｂには、冷却水出口温度ＴＷＣＯを計測する冷却水出口温度センサ２６が設けられている。また、冷却水往き配管６ａと冷却水戻り配管６ｂとの間には、冷却水の出入口の差圧ＰＤｃを計測する冷却水差圧センサ２８が設けられている。
凝縮器５には、凝縮器５内の冷媒の凝縮器圧力Ｐｃを計測する凝縮器圧力センサ２９が設けられている。
これらセンサ２２，２４，２６，２８，２９の計測値は、制御部へと送信されるようになっている。
膨張弁７は、電動式とされており、制御部によって開度が任意に設定されるようになっている。
蒸発器９は、例えばシェルアンドチューブ型とされた熱交換器とされている。
蒸発器９には、冷媒と熱交換する冷水が内部を流通する冷水用伝熱管９ａが挿通されている。冷水用伝熱管９ａには、冷水往き配管１０ａと冷水戻り配管１０ｂとが接続されている。冷水往き配管１０ａを介して蒸発器９に導かれた冷水は、定格温度（例えば７℃）まで冷却され、冷水戻り配管１０ｂを介して図示しない外部負荷に導かれて冷熱を供給した後に、冷水往き配管１０ａを介して再び蒸発器９へと導かれるようになっている。
冷水往き配管１０ａには、冷水を送水する冷水ポンプ３０と、冷水流量ＧＷＥを計測する冷水流量センサ３２と、冷水入口温度ＴＷＥＩを計測する冷水入口温度センサ３４とが設けられている。冷水戻り配管１０ｂには、冷水出口温度ＴＷＥＯを計測する冷水出口温度センサ３６が設けられている。また、冷水往き配管１０ａと冷水戻り配管１０ｂとの間には、冷水の出入口の差圧ＰＤｅを計測する冷水差圧センサ３８が設けられている。
これらセンサ３２，３４，３６，３８の計測値は、制御部へと送信されるようになっている。
蒸発器９には、冷媒と熱交換する冷水が内部を流通する冷水用伝熱管９ａが挿通されている。冷水用伝熱管９ａには、冷水往き配管１０ａと冷水戻り配管１０ｂとが接続されている。冷水往き配管１０ａを介して蒸発器９に導かれた冷水は、定格温度（例えば７℃）まで冷却され、冷水戻り配管１０ｂを介して図示しない外部負荷に導かれて冷熱を供給した後に、冷水往き配管１０ａを介して再び蒸発器９へと導かれるようになっている。
冷水往き配管１０ａには、冷水を送水する冷水ポンプ３０と、冷水流量ＧＷＥを計測する冷水流量センサ３２と、冷水入口温度ＴＷＥＩを計測する冷水入口温度センサ３４とが設けられている。冷水戻り配管１０ｂには、冷水出口温度ＴＷＥＯを計測する冷水出口温度センサ３６が設けられている。また、冷水往き配管１０ａと冷水戻り配管１０ｂとの間には、冷水の出入口の差圧ＰＤｅを計測する冷水差圧センサ３８が設けられている。
これらセンサ３２，３４，３６，３８の計測値は、制御部へと送信されるようになっている。
凝縮器５と蒸発器９との間には、抽気装置４０が設けられている。抽気装置４０には、凝縮器５から不凝縮ガスを含む冷媒（凝縮ガス）を導く抽気配管４２が接続されている。また、抽気装置４０には、凝縮させた液冷媒を蒸発器９へ導く液冷媒配管４４が接続されている。また、抽気装置４０には、不凝縮ガスを外部へ排出する排出配管４６が接続されており、この排出配管４６には排気ポンプ（排出部）４８が設けられている。排気ポンプ４８の動作は、制御部によって制御される。
また、抽気装置４０は、矢印４９で示すように、抽気装置４０内に導かれた不凝縮ガスを含む冷媒を冷却するための冷熱が供給されるようになっている。冷熱を供給するための冷却部としては、ターボ冷凍機１とは別の冷凍サイクルを有する冷凍機、冷水を供給する手段、ターボ冷凍機１内の冷媒を供給する手段、ペルチェ素子による冷却手段等が挙げられる。これらの冷却部の動作は、図示しない制御部によって行われる。
また、抽気装置４０は、矢印４９で示すように、抽気装置４０内に導かれた不凝縮ガスを含む冷媒を冷却するための冷熱が供給されるようになっている。冷熱を供給するための冷却部としては、ターボ冷凍機１とは別の冷凍サイクルを有する冷凍機、冷水を供給する手段、ターボ冷凍機１内の冷媒を供給する手段、ペルチェ素子による冷却手段等が挙げられる。これらの冷却部の動作は、図示しない制御部によって行われる。
制御部は、ターボ冷凍機１の運転に関する制御を行い、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
図２には、制御部のブロック図が示されている。
記憶部５０には、後述するように、抽気装置４０の動作を判断するためのデータが格納されている。
運転状態演算部５２には、上述した各センサからの計測値と、記憶部５０からのデータとが入力され、抽気装置４０の動作を判断するための各種演算が行われる。
運転状態判断部５４では、運転状態演算部５２から得られた情報から、抽気装置４０の動作の判断を行う。
制御指令部５６では、運転状態判断部５４からの出力に基づいて、抽気装置４０の起動や停止の指令を行う。
記憶部５０には、後述するように、抽気装置４０の動作を判断するためのデータが格納されている。
運転状態演算部５２には、上述した各センサからの計測値と、記憶部５０からのデータとが入力され、抽気装置４０の動作を判断するための各種演算が行われる。
運転状態判断部５４では、運転状態演算部５２から得られた情報から、抽気装置４０の動作の判断を行う。
制御指令部５６では、運転状態判断部５４からの出力に基づいて、抽気装置４０の起動や停止の指令を行う。
次に、図３を用いて、抽気装置４０の起動や停止の判断を行う考え方を説明する。
図３において、横軸は冷却水出口温度ＴＷＣＯと凝縮器圧力Ｐｃから算出される凝縮器飽和温度ＴＣｓとの温度差の計画からの上昇値を示す。縦軸は、冷却水圧力損失の計画値からの上昇であり、冷却水用伝熱管５ａの冷却水の汚れによる出入口間の圧力差上昇を示す。このように、図３は、管内汚れによって熱抵抗が増加することを示した管内汚れ温度差情報を表す。この汚れを加味した圧力差上昇は、予備試験等によって取得しておくことができる。
図３において、横軸は冷却水出口温度ＴＷＣＯと凝縮器圧力Ｐｃから算出される凝縮器飽和温度ＴＣｓとの温度差の計画からの上昇値を示す。縦軸は、冷却水圧力損失の計画値からの上昇であり、冷却水用伝熱管５ａの冷却水の汚れによる出入口間の圧力差上昇を示す。このように、図３は、管内汚れによって熱抵抗が増加することを示した管内汚れ温度差情報を表す。この汚れを加味した圧力差上昇は、予備試験等によって取得しておくことができる。
そして、例えば冷却水差圧センサ２８で計測した差圧ＰＤｃの計画値からの上昇が４ｋＰａであった場合、図３によると、汚れによる圧力損失による温度差上昇は約１℃となる。しかし、実際に温度センサ２４，２６で計測した冷却水の出入口温度差（ＴＷＣＯ−ＴＷＣＩ）の計画値からの上昇が２℃であった場合、温度上昇の差異分の１℃は、不凝縮ガスによる凝縮性の劣化と考える。この温度上昇が所定値以上となった場合に、抽気装置４０を起動するように制御部からの指令が行われる。
図４には、抽気装置４０の具体的な制御が示されている。
先ず、ステップＳ１のように、ターボ冷凍機１が通常運転されていることを前提とする。このとき、抽気装置４０は停止されている。
そして、制御部は、ステップＳ２のように、下式を満たすか否かを判断する。
（ＴＤａｃｔ−ＴＤｓｐ）−ΔＴＤｆ＞ΔＴＤｓｅｔ１ ・・・（１）
先ず、ステップＳ１のように、ターボ冷凍機１が通常運転されていることを前提とする。このとき、抽気装置４０は停止されている。
そして、制御部は、ステップＳ２のように、下式を満たすか否かを判断する。
（ＴＤａｃｔ−ＴＤｓｐ）−ΔＴＤｆ＞ΔＴＤｓｅｔ１ ・・・（１）
式（１）のＴＤａｃｔは、凝縮器圧力Ｐｃの飽和温度と冷却水出口温度ＴＷＣＯとの差（計測値）［℃］である。ここで、ＴＤａｃｔ＝ＴＣｓ−ＴＷＣＯである。
ＴＣｓは、凝縮器圧力飽和温度［℃］であり、凝縮器圧力Ｐｃの関数で与えられる。
冷却水出口温度ＴＷＣＯは、冷却水出口温度センサ２６で計測された計測値である。
ＴＣｓは、凝縮器圧力飽和温度［℃］であり、凝縮器圧力Ｐｃの関数で与えられる。
冷却水出口温度ＴＷＣＯは、冷却水出口温度センサ２６で計測された計測値である。
式（１）のＴＤｓｐは、正常時の凝縮器飽和温度と冷却水出口温度との差（設定値）［℃］である。ここで、正常時とは、凝縮器５内に不凝縮ガスが存在せず、かつ冷却水用伝熱管５ａに汚れがないときを意味する。
ＴＤｓｐは、ＴＤｓｐ＝ｆ（Ｑｒ）という式で表され、冷凍機負荷率Ｑｒ（＝Ｑａｃｔ／Ｑｓｐ）の関数とされる。ここで、Ｑａｃｔは冷凍能力の実測値［ｋＷ］であり、Ｑｓｐは定格の冷凍能力［ｋＷ］である。
ＴＤｓｐは、ＴＤｓｐ＝ｆ（Ｑｒ）という式で表され、冷凍機負荷率Ｑｒ（＝Ｑａｃｔ／Ｑｓｐ）の関数とされる。ここで、Ｑａｃｔは冷凍能力の実測値［ｋＷ］であり、Ｑｓｐは定格の冷凍能力［ｋＷ］である。
式（１）のΔＴＤｆは、冷却水用伝熱管５ａの管内汚れによる温度差の上昇（設定値）［℃］である。ここで、ΔＴＤｆは、ΔＴＤｆ＝ｆ（ΔＰＤｃ）という式で表される。
ΔＰＤｃは、冷却水圧力の計画値からの上昇分を意味し、冷却水用伝熱管５ａの出入口間の差圧上昇［ｋＰａ］である。ΔＰＤｃは、ΔＰＤｃ＝ＰＤｃａｃｔ−ＰＤｃｓｐという式で表される。
ＰＤｃａｃｔは、冷却水差圧センサ２８によって計測された冷却水用伝熱管５ａの出入口間の差圧［ｋＰａ］である。
ＰＤｃｓｐは、流量に対する冷却水用伝熱管５ａの庄力損失の仕様値［ｋＰａ］であり、冷却水用伝熱管５ａに汚れがない状態の圧力損失を意味する。したがって、ＰＤｃｓｐは、冷却水流量ＧＷＣ［ｍ３／ｈ］の関数となる。
ΔＰＤｃは、冷却水圧力の計画値からの上昇分を意味し、冷却水用伝熱管５ａの出入口間の差圧上昇［ｋＰａ］である。ΔＰＤｃは、ΔＰＤｃ＝ＰＤｃａｃｔ−ＰＤｃｓｐという式で表される。
ＰＤｃａｃｔは、冷却水差圧センサ２８によって計測された冷却水用伝熱管５ａの出入口間の差圧［ｋＰａ］である。
ＰＤｃｓｐは、流量に対する冷却水用伝熱管５ａの庄力損失の仕様値［ｋＰａ］であり、冷却水用伝熱管５ａに汚れがない状態の圧力損失を意味する。したがって、ＰＤｃｓｐは、冷却水流量ＧＷＣ［ｍ３／ｈ］の関数となる。
式（１）のΔＴＤｓｅｔ１は、抽気装置４０の運転が必要と判断する設定値であり、予備試験等によって予め決定される。
式（１）から分かるように、凝縮器飽和温度と冷却水出口温度ＴＷＣＯの温度差の計画値からの上昇分（ＴＤａｃｔ−ＴＤｓｐ）から、冷却水用伝熱管５ａの管内汚れの影響（ΔＴＤｆ）を差し引いた温度差上昇が、設定値であるΔＴＤｓｅｔ１以上となった場合に、凝縮器５内の不凝縮ガスによる性能低下が大きいと判断して抽気装置４０を運転する。
したがって、式（１）を満たした場合に、ステップＳ３へと進み、制御部は、抽気装置４０を起動する。このときに初めて抽気装置４０に電力が投入されることになる。
したがって、式（１）を満たした場合に、ステップＳ３へと進み、制御部は、抽気装置４０を起動する。このときに初めて抽気装置４０に電力が投入されることになる。
そして、制御部は、ステップＳ４のように、下式を満たすか否かを判断する。
（ＴＤａｃｔ−ＴＤｓｐ）−ΔＴＤｆ＜ΔＴＤｓｅｔ２ ・・・（２）
式（２）の左辺は、式（１）と同様である。
式（２）を満たせば、制御部は、抽気装置４０を停止させる（ステップＳ５）。
なお、ΔＴＤｓｅｔ２は、ΔＴＤｓｅｔ１よりも所定温度だけ小さい値とされる。これにより、図５に示したように、抽気運転開始および抽気運転停止の条件に温度差を与えて、起動及び停止が頻繁に生じないようにしている。
（ＴＤａｃｔ−ＴＤｓｐ）−ΔＴＤｆ＜ΔＴＤｓｅｔ２ ・・・（２）
式（２）の左辺は、式（１）と同様である。
式（２）を満たせば、制御部は、抽気装置４０を停止させる（ステップＳ５）。
なお、ΔＴＤｓｅｔ２は、ΔＴＤｓｅｔ１よりも所定温度だけ小さい値とされる。これにより、図５に示したように、抽気運転開始および抽気運転停止の条件に温度差を与えて、起動及び停止が頻繁に生じないようにしている。
本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
凝縮器５における現在の飽和温度と冷却水用伝熱管５ａの現在の出口温度ＴＷＣＯとの差分である現在温度差ＴＤａｃｔの計画からの上昇分には、管内汚れと不凝縮ガス滞留との両方の影響が反映されていることに着目した。
一方、管内汚れによる温度差の上昇ΔＴＤｆは、冷却水用伝熱管５ａ内に冷却水を流通させる予備試験等によって把握しておくことが可能である。
したがって、現在温度差ＴＤａｃｔと計画の温度差ＴＤｓｐとの差分から、現在管内汚れによる温度差上昇ΔＴＤｆを引いた値が不凝縮ガス滞留による凝縮性能の低下と評価できる。
そこで、現在温度差ＴＤａｃｔと計画の温度差ＴＤｓｐとの差分が現在管内汚れによる温度差上昇ΔＴＤｆよりも所定値以上大きくなった場合に、不凝縮ガス滞留による凝縮性能低下と判断して、抽気装置４０を動作させることとした。これにより、不凝縮ガスが凝縮器５内に所定量以上滞留した場合に限って抽気装置４０を動作させることができるので、無駄なエネルギー消費を抑制できる、全体効率の良いターボ冷凍機１を実現できる。
凝縮器５における現在の飽和温度と冷却水用伝熱管５ａの現在の出口温度ＴＷＣＯとの差分である現在温度差ＴＤａｃｔの計画からの上昇分には、管内汚れと不凝縮ガス滞留との両方の影響が反映されていることに着目した。
一方、管内汚れによる温度差の上昇ΔＴＤｆは、冷却水用伝熱管５ａ内に冷却水を流通させる予備試験等によって把握しておくことが可能である。
したがって、現在温度差ＴＤａｃｔと計画の温度差ＴＤｓｐとの差分から、現在管内汚れによる温度差上昇ΔＴＤｆを引いた値が不凝縮ガス滞留による凝縮性能の低下と評価できる。
そこで、現在温度差ＴＤａｃｔと計画の温度差ＴＤｓｐとの差分が現在管内汚れによる温度差上昇ΔＴＤｆよりも所定値以上大きくなった場合に、不凝縮ガス滞留による凝縮性能低下と判断して、抽気装置４０を動作させることとした。これにより、不凝縮ガスが凝縮器５内に所定量以上滞留した場合に限って抽気装置４０を動作させることができるので、無駄なエネルギー消費を抑制できる、全体効率の良いターボ冷凍機１を実現できる。
冷却水用伝熱管５ａ内の管内汚れは、伝熱管内への付着物によるものであり、付着物が伝熱管内の流路を狭めることにより、冷却水用伝熱管５ａの出入口間の差圧ＰＤｃは計画値よりも上昇する。そこで、差圧上昇ΔＰＤｃに基づいて管内汚れ温度差ΔＴＤｆを決定することとしたので、管内汚れを精度良く見積もることができる。
管内汚れによる温度差の上昇ΔＴＤｆは計画の差圧から上昇ΔＰＤｃに依存し、差圧ＰＤｃは冷却水流量ＧＷＣに依存するので、冷却水流量センサ２２で得られた冷却水流量ＧＷＣに基づいて管内汚れによる温度差の上昇ΔＴＤｆを決定することとした。これにより、管内汚れを精度良く見積もることができる。
なお、本実施形態は、以下のように変形することができる。
［変形例１］
本実施形態では、冷却水流量センサ２２によって冷却水流量ＧＷＣを計測することとしたが、冷却水流量センサ２２がない場合でも、以下のように冷却水流量ＧＷＣを見積もることができる。
［変形例１］
本実施形態では、冷却水流量センサ２２によって冷却水流量ＧＷＣを計測することとしたが、冷却水流量センサ２２がない場合でも、以下のように冷却水流量ＧＷＣを見積もることができる。
冷水流量センサ３２を用いて、ターボ冷凍機１全体の熱バランスから冷却水流量ＧＷＣを下式から求める。
ＧＷＣ＝（Ｗ＋Ｑａｃｔ）／（（ＴＷＣＯ−ＴＷＣＩ）×Ｃｐｃｗ×ρｃｗ）・・・（３）
ここで、Ｗは、電力計１３によって計測された電動機１１の入力電力［ｋＷ］である。ＴＷＣＯは冷却水出口温度センサ２６で計測した冷却水出口温度、ＴＷＣＩは冷却水入口温度センサ２４で計測した冷却水入口温度である。Ｃｐｃｗは冷却水の比熱［ｋＷｈ／ｋｇ℃］であり、ρｃｗは冷却水の比重［ｋｇ／ｍ３］である。
式（３）のＱａｃｔは、冷凍能力の実測値［ｋＷ］であり、下式で表される。
Ｑａｃｔ＝（ＴＷＥＩ−ＴＷＥＯ）×ＧＷＥ×ｃｐｅｗ×ρｅｗ ・・・（４）
ここで、ＴＷＥＩは冷水入口温度センサ３４で計測した冷水入口温度であり、ＴＷＥＯは冷水出口温度センサ３６で計測した冷水出口温度である。ＧＷＥは冷水流量センサ３２で計測した冷水流量であり、Ｃｐｅｗは冷水の比熱［ｋＷｈ／ｋｇ℃］であり、ρｅｗは冷水の比重［ｋｇ／ｍ３］である。
ＧＷＣ＝（Ｗ＋Ｑａｃｔ）／（（ＴＷＣＯ−ＴＷＣＩ）×Ｃｐｃｗ×ρｃｗ）・・・（３）
ここで、Ｗは、電力計１３によって計測された電動機１１の入力電力［ｋＷ］である。ＴＷＣＯは冷却水出口温度センサ２６で計測した冷却水出口温度、ＴＷＣＩは冷却水入口温度センサ２４で計測した冷却水入口温度である。Ｃｐｃｗは冷却水の比熱［ｋＷｈ／ｋｇ℃］であり、ρｃｗは冷却水の比重［ｋｇ／ｍ３］である。
式（３）のＱａｃｔは、冷凍能力の実測値［ｋＷ］であり、下式で表される。
Ｑａｃｔ＝（ＴＷＥＩ−ＴＷＥＯ）×ＧＷＥ×ｃｐｅｗ×ρｅｗ ・・・（４）
ここで、ＴＷＥＩは冷水入口温度センサ３４で計測した冷水入口温度であり、ＴＷＥＯは冷水出口温度センサ３６で計測した冷水出口温度である。ＧＷＥは冷水流量センサ３２で計測した冷水流量であり、Ｃｐｅｗは冷水の比熱［ｋＷｈ／ｋｇ℃］であり、ρｅｗは冷水の比重［ｋｇ／ｍ３］である。
冷却水流量ＧＷＣを計測する冷却水流量センサ２２がない場合、冷水流量センサ３２から得られた冷水流量ＧＷＥと、冷水出入口温度差（ＴＷＥＩ−ＴＷＥＯ）と、ターボ圧縮機３に入力される電力Ｗと、冷却水出入口温度差（ＴＷＣＩ−ＴＷＣＯ）とに基づいて、上式（３）によって熱バランスから冷却水流量ＧＷＣを演算することができる。これにより、冷却水流量センサ２２を省略してコストを下げることができる。
なお、冷水流量センサ３２もない場合には、冷水差圧センサ３８によって計測した冷水の差圧ΔＰＤｅと、冷水用伝熱管９ａの損失係数ξｅを用いることによって、下式（５）のように冷水流量ＧＷＥを演算することができる。
ＧＷＥ＝ξｅ×ΔＰＤｅ１／２ ・・・（５）
なお、冷水流量センサ３２もない場合には、冷水差圧センサ３８によって計測した冷水の差圧ΔＰＤｅと、冷水用伝熱管９ａの損失係数ξｅを用いることによって、下式（５）のように冷水流量ＧＷＥを演算することができる。
ＧＷＥ＝ξｅ×ΔＰＤｅ１／２ ・・・（５）
なお、上述した実施形態では、ターボ冷凍機１を例に挙げて説明したが、本発明は蒸気圧縮式冷凍機であれば適用可能である。
１ ターボ冷凍機（蒸気圧縮式冷凍機）
３ ターボ圧縮機
３ａ 羽根車
３ｂ 回転軸
５ 凝縮器
７ 膨張弁
９ 蒸発器
１１ 電動機
１３ 電力計
２０ 冷却水ポンプ
２２ 冷却水流量センサ
２４ 冷却水入口温度センサ
２６ 冷却水出口温度センサ
２８ 冷却水差圧センサ
３０ 冷水ポンプ
３２ 冷水流量センサ
３４ 冷水入口温度センサ
３６ 冷水出口温度センサ
３８ 冷水差圧センサ
４０ 抽気装置
４８ 排気ポンプ（排出部）
３ ターボ圧縮機
３ａ 羽根車
３ｂ 回転軸
５ 凝縮器
７ 膨張弁
９ 蒸発器
１１ 電動機
１３ 電力計
２０ 冷却水ポンプ
２２ 冷却水流量センサ
２４ 冷却水入口温度センサ
２６ 冷却水出口温度センサ
２８ 冷却水差圧センサ
３０ 冷水ポンプ
３２ 冷水流量センサ
３４ 冷水入口温度センサ
３６ 冷水出口温度センサ
３８ 冷水差圧センサ
４０ 抽気装置
４８ 排気ポンプ（排出部）
Claims (5)
- 冷媒を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
該凝縮器内で冷媒と熱交換する冷却水を流通させる冷却水用伝熱管と、
前記凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させる膨張弁と、
該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記凝縮器からガスを抽気し、該ガスを冷却して凝縮ガスを凝縮させる冷却部および該冷却部によって凝縮されずに分離された不凝縮ガスを外部に排出する排出部を有する抽気装置と、
該抽気装置を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記凝縮器における現在の飽和温度と前記冷却水用伝熱管の現在の出口温度との差分である現在温度差と計画値である計画温度差とを演算し、
前記冷却水用伝熱管の管内汚れを想定して予め決定された前記凝縮器における飽和温度と前記冷却水用伝熱管の出口温度との差分である管内汚れによる温度差上昇の情報を用いて現在管内汚れによる温度差上昇を演算し、
前記現在温度差の前記計画温度差からの上昇が前記現在管内汚れによる温度差上昇よりも所定値以上大きくなった場合に、前記抽気装置を動作させることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。 - 前記冷却水用伝熱管の前記凝縮器における出入口間の差圧を検出する差圧センサを備え、
前記管内汚れによる温度差上昇は、前記差圧センサにて得られた現在の差圧の計画値からの上昇分に基づいて決定されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。 - 前記冷却水用伝熱管内を流れる冷却水の流量を計測する冷却水流量センサを備え、
前記管内汚れの温度差上昇は、前記冷却水流量センサにて得られた流量に基づいて決定されることを特徴とする請求項２に記載の蒸気圧縮式冷凍機。 - 前記蒸発器内で冷媒と熱交換する冷水を流通させる冷水用伝熱管と、
該冷水用伝熱管内を流れる冷水の流量を計測する冷水流量センサを備え、
前記制御部は、前記冷水流量センサから得られた冷水流量と、前記蒸発器における前記冷水用伝熱管の冷水出入口温度差と、前記圧縮機に入力される動力と、前記凝縮器における前記冷却水用伝熱管の冷却水出入口温度差とに基づいて、熱バランスから前記冷却水用伝熱管内を流れる冷却水流量を演算し、
前記管内汚れによる温度差上昇は、前記冷却水流量に基づいて決定されることを特徴とする請求項２に記載の蒸気圧縮式冷凍機。 - 冷媒を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
該凝縮器内で冷媒と熱交換する冷却水を流通させる冷却水用伝熱管と、
前記凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させる膨張弁と、
該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記凝縮器からガスを抽気し、該ガスを冷却して凝縮ガスを凝縮させる冷却部および該冷却部によって凝縮されずに分離された不凝縮ガスを外部に排出する排出部を有する抽気装置と、
を備えた蒸気圧縮式冷凍機の制御方法であって、
前記凝縮器における現在の飽和温度と前記冷却水用伝熱管の現在の出口温度との差分である現在温度差と計画値である計画温度差とを演算し、
前記冷却水用伝熱管の管内汚れを想定して予め決定された前記凝縮器における飽和温度と前記冷却水用伝熱管の出口温度との差分である管内汚れ温度差上昇の情報を用いて現在管内汚れによる温度差上昇を演算し、
前記現在温度差の前記計画温度差からの上昇が前記現在管内汚れによる温度差上昇よりも所定値以上大きくなった場合に、前記抽気装置を動作させることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機の制御方法。
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