空調サイクルプロセス

科目：

はじめに
循環プロセス
対数phチャート
R134a と R1234yf の比較

導入：
カーエアコンの冷却プロセスは物質の状態変化を利用しています。液体から蒸気への移行など、状態が変化すると物質の分子構造が変化し、それには熱が必要になります。液体が蒸気に変化する際には熱が吸収され、逆に蒸気から液体に変化する際には熱が放出されます。

環境との間の熱伝達を観察すると、蒸発プロセス中に環境が冷える一方で、熱が放出され、凝縮中に環境が暖まることがわかります。この環境の冷却は蒸発器で行われ、加熱は凝縮器で行われます。このプロセスは継続的に繰り返されるため、循環プロセスとして知られています。

「空調入門」ページでは、空調の各構成要素によるサイクルプロセスを実践的に解説しています。このページでは、対数 pH ダイアグラムを通じてこのサイクルプロセスをさらに詳しく説明します。

リサイクルプロセス:
完全な対数 pH チャートを示す前に、空調サイクルプロセスから始めましょう。このサイクルプロセスでは、冷媒 R134a の図を使用します。この図では、気体、気液、液体の領域が区別されています。臨界点は上部、摂氏 101 度、圧力 40 バールです。これらは、冷媒が化学的に安定する最大温度と圧力です。熱量 (エンタルピー) が x 軸の圧力に対してプロットされます。よく「pH チャート」と呼ばれますが、対数スケールのため、実際には「対数 pH チャート」になります。

図のポイント 1 でコンプレッサーが始動し、蒸発器から冷媒が吸引されます。圧力は 2 bar です。
ガスは 1 から 2 に圧縮され、圧力と熱量が増加します。圧力と温度は 15 バール、摂氏 70 度まで上昇します。ガスが過熱しています。
凝縮器での熱放出により、熱量が減少し、したがって最初は温度が低下します。ガスはポイント 2 とポイント 3 の間で過熱度を失い、温度が 70 度から 55 度に低下します。 ℃。
ポイント 3 から 4 までは、一定の温度で熱が放出されます。ここで気体が液体に変わります。圧力は一定のままです。
さらに冷却すると、液体はわずかに過冷却されます (4 から 5 へ)。 15 bar の高圧下の過冷却液体は、ポイント 5、つまりキャピラリーまたは膨張バルブで絞りに達します。ここで高圧と低圧が分離されます。コンプレッサーからは、吐出圧力が吸入圧力から分離されているとも言えます。

くびれ内の圧力が急激に低下するため、液相の冷媒の沸点が低下し、自然蒸発が発生します。これに必要な熱は、まず冷媒自体とその周囲から抽出されます。これは残っています熱量はほぼ一定です。その後、蒸発器内でポイント 6 から 1 まで完全な蒸発が行われます。冷媒の沸騰温度は 5 点の 6 点と 50 点の間で低下します。℃で -10℃まで上昇し、最終的には気体としてポイント 1 まで 0℃まで暖まります。冷媒の熱量は増加し、必要な熱が環境、この場合は蒸発器を通過する空気から抽出されます。圧力と温度はほぼ一定に保たれます。冷媒は蒸発器から蒸気として出て、ポイント 1 でコンプレッサーに再び吸い込まれます。このプロセスが繰り返されます。

対数 pH チャート:
前のセクションでは、サイクルプロセス (冷媒の蒸発から凝縮まで) を示す対数 pH 線図を示しました。下の図は、ある圧力における冷媒の状態をエンタルピー (熱量) との関係で示したもので、循環プロセスが濃い青色の線で示されています。

図の左側は流体領域です。エンタルピーが低い場合、冷媒は液体の状態になります。エンタルピーが増加すると、液体線に達します。この線の傾きは、液相の圧力とエンタルピーの変化を示します。

図の中央には飽和蒸気ゾーンがあります。ここで、冷媒は熱平衡状態にあり、液体と蒸気の両方が存在します。

右側には飽和蒸気線が表示されます。これは、冷媒が完全に蒸発し、過熱蒸気相になる限界を示しています。

図の上部には液体と蒸気の境界を示す臨界点があります。ここでは気相と液相の区別がなくなり、冷媒は独特の状態になります。液体と蒸気の間には明確な移行はありません。

log-ph ダイアグラムをさらに詳しく理解するために、等エントロピー、等温、等容性、および蒸気の質といったいくつかの曲線が以下のダイアグラムに追加されています。下の図では、他のプロセスの進行とともに円形のプロセス (灰色) が再度表示されます。各状態の変化について簡単に説明します。

等エントロピー: および等エントロピー線は、一定のエントロピーによって特徴付けられます。これは、この線に沿ったプロセス中、冷媒は環境と熱交換を行わず、エントロピー変化も受けないことを意味します。図では、これは効率的な断熱（熱交換なし）プロセスラインです。
等温線: log-pH ダイアグラムの等温線は、一定温度プロセスを表します。このプロセス中、冷媒の温度は一定に保たれます。これは、圧力とエンタルピー (ph) 比を一定に保つために熱が供給または除去されることを意味します。

アイソコア: log-pH ダイアグラムの等容線は、定容プロセスを表します。このプロセス中、冷媒の比容積は一定のままであり、体積の変化は発生しません。これにより、圧力やエンタルピーなどの他の変化に応じて、線のスタイルを図内で上下に移動できます。

蒸気の質: 冷媒対数 pH チャートでは、x 軸は「x=0」(完全に液体) から「x=1」(完全に気体) までの品質範囲を示します。これらの両極端の間では、冷媒は二相状態にあり、x の値は気体と液体の比率を示します。図中の「x=0,10」から「x=0,90」までの線は冷媒がこの二相範囲内にあることを示しており、具体的なxの値は気液分配を示しています。これは、冷凍システムや空調システムなどの用途における冷媒の挙動を理解するために非常に重要です。

下の画像では、冷媒 R134a の完全な対数 pH ダイアグラムが示されています。

R134a と R1234yf を比較します。
対数 pH ダイアグラムを使用すると、さまざまな種類の冷媒を相互に比較できます。次の図は、R134a と R1234yf の対数 pH ダイアグラムとサイクリングプロセスを示しています。