このガイドは、冷媒22（R-22）を使用するシステムに焦点を当てています。一般的な要件は他の冷媒を使用するシステムでは同じですが、速度と圧力降下は異なります。
冷凍サイクル内で冷媒が受ける物理的変化を検討することは、配管設計が満たさなければならない特定の要求を実証するのに役立ちます。
蒸気圧縮冷凍
Figure below illustrates a basic vapor-compression refrigeration cycle. Refrigerant enters the evaporator in the form of a cool, low-pressure mixture of liquid and vapor (A). Heat is transferred to the refrigerant from the relatively warm air that is being cooled, causing the liquid refrigerant to boil. The resulting refrigerant vapor (B) is then pumped from the evaporator by the compressor, which increases the pressure and temperature of the vapor.
The resulting hot, high-pressure refrigerant vapor (C) enters the condenser where heat is transferred to ambient air, which is at a lower temperature than the refrigerant. Inside the condenser, the refrigerant vapor condenses into a liquid and is subcooled. This liquid refrigerant (D) then flows from the condenser to the expansion device. This device creates a pressure drop that reduces the pressure of the refrigerant to that of the evaporator. At this low pressure, a small portion of the refrigerant boils (or flashes), cooling the remaining liquid refrigerant to the desired evaporator temperature. The cool mixture of liquid and vapor refrigerant (A) enters the evaporator to repeat the cycle.
冷媒相互接続配管
これらの各構成要素は冷媒配管によって接続されている。吸入ラインは蒸発器と圧縮機を接続し、吐出ラインは圧縮機と凝縮器を接続し、液体ラインは凝縮器と膨張装置を接続します。膨張装置は通常、液体ラインの終端、蒸発器への入口に配置されます。
冷媒配管の設計には、冷媒をあるコンポーネントから別のコンポーネントに移動させるだけではありません。冷凍システムのコンポーネントの選択と適用に細心の注意を払っても、相互接続する配管が不適切に設計または設置されている場合、動作上の問題が発生する可能性があります。
冷媒配管要件
- オイルをコンプレッサーに戻す
- 液体冷媒のみが膨張装置に入るようにする
- システム容量の損失を最小限に抑える
- 冷媒充填量を最小限に抑える
冷凍システムに 2 つ以上のコンポーネントを接続するために現場で組み立てられる冷媒配管が含まれている場合、主な設計目標は一般に、システムの信頼性を最大化し、設置コストを最小限に抑えることです。これら 2 つの目標を達成するには、相互接続する冷媒配管の設計が次の要件を満たす必要があります。
- あらゆる動作条件において、オイルを適切な量でコンプレッサーに戻します。
- Ensure that only liquid refrigerant (no vapor) enters the expansion device
- 配管や付属品による圧力降下によって生じるシステム容量の損失を最小限に抑えます。
- システム内の総冷媒充填量を最小限に抑えて信頼性を向上させ、設置コストを最小限に抑えます。
最初の要件は、すべての動作条件でオイルがコンプレッサーに確実に戻されるようにすることです。オイルは、コンプレッサーの可動部分の潤滑とシールに使用されます。たとえば、上の図に示されているスクロール コンプレッサーは、向かい合って結合された 2 つのスクロール構成を使用して、冷媒蒸気を圧縮します。これらのスクロールの先端にはシールが取り付けられており、薄い油層とともに、圧縮された冷媒蒸気が合わせ面から漏れるのを防ぎます。同様に、他のタイプのコンプレッサーも潤滑と冷媒蒸気を圧縮する際のシールをオイルに依存しています。
特徴として、この潤滑油の一部は冷媒とともにシステムの残りの部分全体にポンプで送られます。このオイルはシステム内の他の場所では機能しませんが、冷媒配管は、このオイルがあらゆる動作条件で適切な速度でコンプレッサーに戻るように設計および設置する必要があります。
オイルをコンプレッサーに戻す
システムの概略図に戻ると、オイルの液滴が高温の高圧の冷媒蒸気とともにコンプレッサーからポンプで排出されます。吐出ライン内の冷媒の速度は、小さな油滴をパイプを通して凝縮器まで運ぶのに十分な速度でなければなりません。
凝縮器の内部では、冷媒蒸気が凝縮して液体になります。液体冷媒と油は親和性があるため、油は液体冷媒と一緒に移動しやすくなります。液体冷媒とオイルのこの混合物は、凝縮器から液体ラインを通って膨張装置に流れます。
次に、冷媒とオイルの混合物が膨張装置を通って蒸発器に送られ、そこで液体冷媒が熱を吸収して蒸発します。繰り返しになりますが、吸入ライン内の冷媒蒸気の速度は、オイルの液滴をパイプを通してコンプレッサーに戻すのに十分な速度でなければなりません。
適切な速度と適切なパイプの設置がないと、オイルがシステム内に閉じ込められる可能性があります。この状態が深刻な場合、コンプレッサー内のオイルレベルの低下により潤滑の問題が発生し、場合によっては機械的故障が発生する可能性があります。
Thermostatic Expansion Valve (TXV)
The second requirement of the refrigerant piping design is to ensure that only liquid refrigerant enters the expansion device. There are several types of expansion devices, including expansion valves (thermostatic or electronic), capillary tubes, and orifices.
In addition to maintaining the pressure difference between the high-pressure (condenser) and low-pressure (evaporator) sides of the system, a thermostatic expansion valve (TXV) also controls the quantity of liquid refrigerant that enters the evaporator. This ensures that the refrigerant will be completely vaporized within the evaporator, and maintains the proper amount of superheat in the system.
過冷却
Inside the condenser, after all of the refrigerant vapor has condensed into liquid, the refrigerant is subcooled to further lower its temperature. This subcooled liquid refrigerant leaves the condenser (A) and experiences a pressure drop as it flows through the liquid line and accessories, such as a filter drier and solenoid valve, installed upstream of the TXV. On the pressure-enthalpy chart, Figure below on page 5, this moves the condition of the refrigerant toward the saturated liquid curve (B). If this pressure drop is high enough, or if the refrigerant has not been subcooled enough by the condenser, a small portion of the refrigerant may boil (or flash), resulting in a mixture of liquid and vapor (C) entering the expansion device.
膨張装置の上流に冷媒蒸気が存在することは非常に望ましくない。蒸気の泡が TXV のポート内の液体を追い出し、バルブを通過する液体の流量が減少するため、蒸発器の容量が大幅に減少します。その結果、バルブの動作が不安定になります。
The design of the piping system must ensure that only liquid refrigerant (no vapor) enters the expansion device. This requires that the condenser provide adequate subcooling at all system operating conditions, and that the pressure drop through the liquid line and accessories not be high enough to cause flashing. Subcooling allows the liquid refrigerant to experience some pressure drop as it flows through the liquid line, without the risk of flashing.
吸込ラインの圧力降下
冷媒配管設計の 3 番目の要件は、システム容量の損失を最小限に抑えることです。システムの最大能力を達成するには、冷媒が可能な限り効率的にシステム内を循環する必要があります。これには、配管やその他のシステムコンポーネントによる圧力降下を最小限に抑えることが含まれます。
Whenever a fluid flows inside a pipe, a characteristic pressure drop is experienced. Pressure drop is caused by friction between the moving liquid (or vapor) and the inner walls of the pipe. The total pressure drop depends on the pipe diameter and length, the number and type of fittings and accessories installed in the line, and the mass flow rate, density, and viscosity of the refrigerant.
As an example, the chart in Figure above demonstrates the impact of pressure drop, through the suction line, on the capacity and efficiency of the system. For this example system operating with Refrigerant-22, increasing the total pressure drop in the suction line from 3 psi (20.7 kPa) to 6 psi (41.4 kPa) decreases system capacity by about 2.5 percent and decreases system efficiency by about 2 percent.
これにより、システム設計者が対処しなければならない妥協点が明らかになります。吸引ラインの直径は、結果として生じる冷媒速度がパイプ内を油滴を運ぶのに十分に速くなるように、十分小さくなければなりません。ただし、パイプの直径が小さすぎて過度の圧力降下が発生し、システム容量が過度に減少してはいけません。
冷媒充填量を最小限に抑える
最初の 3 つの要件は長年にわたって変更されていません。しかし、長年の観察とトラブルシューティングにより、システムの冷媒充填量が低いほど、システムの動作の信頼性が高まることが判明しました。したがって、冷媒配管の設計には、システム内の冷媒の総量を最小限に抑えるという 4 番目の要件が追加されました。まず、最も短く、最も単純で、最も直接的なパイプ ルーティングをレイアウトすることが含まれます。また、3 つのラインの中で冷媒充填に最も大きな影響を与えるため、特に液体ラインには可能な限り小さなパイプ直径を使用する必要があります。下の図のグラフは、液体ラインに含まれる冷媒の量が凝縮器に次いで多いことを示しています。
これにより、システム設計者にとって別の妥協点が明らかになります。冷媒の総充填量を最小限にするには、液体ラインの直径をできるだけ小さくする必要があります。ただし、パイプの直径は、液体冷媒が膨張装置に到達する前にフラッシングを引き起こす過度の圧力降下を引き起こすほど小さくすることはできません。
メーカーの関与
提供されている場合は、メーカーが推奨する冷媒ライン サイズを使用してください
このガイドでは、空調システムの相互接続配管のサイズを決定するプロセスについて説明します。最適なライン サイズを選択するために必要な情報の一部は、メーカーによって最もよく知られています。したがって、冷凍機器のメーカーが推奨ラインサイズ、または最適なラインサイズを選択するためのツールを提供している場合は、それらのラインサイズを使用することをお勧めします。
ただし、ライン サイズがメーカーから提供されていない場合は、このガイドで概説されているプロセスを使用してサイズを選択できます。
一般的な配管要件
- 清潔なタイプ L 銅管を使用してください
- 銅対銅接合: フラックスなしの BCuP-6
- Copper-to-steel (or brass) joints: BAg-28, non-acid flux
- 膨張、振動、重量を考慮して配管を適切にサポートする
- 配管を地中に埋設することは避けてください
- 冷媒回路全体の漏れをテストする
吸引、排出、液体ラインの設計と設置について説明する前に、これらのラインすべてに適用される一般的な要件がいくつかあります。
まず、銅管は通常、空調システムの冷媒配管に使用されます。このチューブは、さまざまな標準直径と壁厚で入手できます。チューブの呼び径は外径で表されます。このチューブには汚れ、スケール、酸化物が完全にあってはなりません。空調用途には、メーカーによって洗浄され、両端にキャップが取り付けられた新しいタイプ L またはタイプ ACR チューブが推奨されます。
配管システムは、銅管と継手をろう付けすることによって構築されます。銅と銅の接合部をろう付けする場合は、フラックスなしで BCuP-6* を使用してください。銅と鋼、または銅と真鍮の接合には、非酸性フラックスを含む BAg-28* を使用してください。
米国溶接協会 (AWS) のろう付けおよびろう付け溶接用の溶加材仕様、出版物 A5.8–1992 に基づく
冷媒配管は、配管の膨張、振動、総重量を考慮して適切に支持する必要があります。パイプは温度変化を受けると、一定量の膨張と収縮を受けます。圧縮機には冷媒配管が接続されているため、配管自体にも振動が伝わります。最後に、冷媒が充填されたパイプと継手の重量を支えて、パイプがたわんだり、曲がったり、破損したりしないようにする必要があります。
Avoid installing refrigerant piping underground. It is very difficult to maintain cleanliness during installation or to test for leaks. If underground installation is unavoidable, each line must be insulated separately, and then the lines must be waterproofed and protected with a hard casing (such as PVC).
配管を設置した後、冷媒を充填する前に、冷凍回路全体に漏れがないかテストする必要があります。このプロセスには通常、配管システム全体を乾燥窒素で加圧して、各ろう付け接合部に漏れがないか検査することが含まれます。
これらの問題のそれぞれについては、「 Trane 往復冷凍マニュアル.
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