クイック検索

冷凍および冷却技術のための熱交換器設計の最適化

屋内のスキー場を冷やす, 立派な古城に空調を提供する, または消費財を冷やして冷凍する—これらのシナリオは全て熱交換器技術を必要とします. thermofin GmbHは, マルチフィジックスシミュレーションを使用して, 熱交換器デバイスがさまざまなクライアントのニーズに合わせて最適化されるようにします.
**Rachel Keatley 著
2021年3月 **

2018年には, 米国だけで推定9,340万トン(1億300万トン)の食料が浪費されました. これは平均サイズのシロナガスクジラの体重60万頭を超えています(参照1). 食品廃棄物の大部分は最終的に埋め立て地に運ばれ, そこで分解してメタンを生成します. 米国食品医薬品局(FDA)は, 食品廃棄物が埋め立て地の材料の最大の割合を占めるとさえ報告しています(参照2). 食品はライフサイクルのどの段階でも浪費される可能性があるため, 消費者と食品業界は同様に, この問題を軽減するための解決策を認識することが重要です. 産業レベルで食品廃棄物を削減するのに役立つ1つの方法は, 消費財が顧客の家に届く前に適切に保管されていることを確認することです.

熱交換器の大手メーカーである thermofin GmbH は, この解決法の実現を支援する技術を設計しています. 彼らの熱交換器は, 世界中の商業および工業ビルの空調および冷凍システムで使用されています. 彼らのデバイスは, スーパーマーケット, 冷蔵施設, アイスアリーナ, 発電所などで見つけることができます. thermofin GmbH の熱力学開発エンジニアである Julius Heik氏は, シミュレーションを実行して, 熱交換器が特定のユースケースとクライアントのニーズに最適化されるようにしています.

シミュレーションを扱うにおいてのHeiki氏の最も気に入っているところは何でしょう? それは, 実際の測定を行う前に知識を得ることができるところです.

Designing Optimized Heat Exchangers

Since its founding in 2002, thermofin GmbH has expanded from 6 employees to more than 500, with production sites on several continents. Their dependable heat exchangers have made them a popular choice in the refrigeration and air conditioning industry.

Heat exchangers sound like a simple concept, but they can actually be quite challenging to design. The essential task in cooling a product is to get rid of unwanted heat so that thermal energy from perishable goods is extracted. This is where the refrigerant of a refrigeration cycle comes into play. By changing the refrigerant phase from a liquid to a vapor state, the heat exchanger is removing heat from its ambient surroundings. This heat then has to be passed over to a second heat exchanger, which emits this energy to the outside environment.

In transcritical CO2 refrigeration cycles, a so-called gas cooler chills the refrigerant inside a heat exchanger. Often, people get confused by the name "gas cooler", as if it uses gas to chill its surroundings. Designing heat exchangers in general, and gas coolers in particular, presents a fair amount of difficulties, according to Heik. When striving for better, more energy-conserving refrigeration cycles, well-engineered heat exchanger designs serve as a main contribution.

Like many cooling systems, gas coolers are designed to have a minimal direct impact on the environment, so they use the natural refrigerant CO2. For example, in the supermarket sector, CO2 is now used almost exclusively because it is classified as a nonhazardous gas (safety group A1). Due to its properties, however, it must dissipate its heat at air temperatures above 20–25°C, in the so-called transcritical range. That is why these systems have a large temperature difference, consist of many different circuits, and are made up of a wide range of materials. Using simulation, Heik is able to efficiently and simultaneously analyze the airflow and material properties of these devices.

A gas cooler design in white and black. Gas cooler
図1. thermofin® 熱交換器は, ブラストフリーザー, ハイブリッドコンデンサー, ガスクーラー(図を参照)などのさまざまなデバイスで使用されています.

Designing the inner finned tubes presents another unique challenge when developing heat exchangers. These tubes are used in heat exchangers to transform a hot fluid into a cold fluid or vice versa. The arrangement, diameter, material (stainless steel is required if using ammonia), and fin spacing of these finned tubes all depend on the type of heat exchanger in which they are being used. "There is not a lot of measured data available on how these tubes work," said Heik. With simulation, he can get a better understanding of how finned tubes affect a heat exchanger design by modeling multiple tube geometries and investigating their inner and outer heat transfer capabilities. The finned tube geometries that offer the best performance are built and tested at an in-house experimental station. "We look to see if the calculations and results are the same or similar, and then we take the best tube for our industrial line," said Heik.

A heat exchanger geometry that looks like a cube made up of many thin layers, slats, with piping going through it; a large red arrow shows air flowing into the cube and a turquoise arrow indicating outflow, and small arrows show refrigerant flow through the piping. Heat exchanger geometry
Four views of the fluid flow in a heat exchanger, shown in a rainbow color table. Fluid flow analysis
図2. 左:thermofin® 熱交換器のジオメトリ. 大きな矢印は空気の流れを表し, 小さな矢印は冷媒の流れを表します. また, 赤と青の色は温度変化を示します. たとえば, 空気の流れは入口(赤)で熱く, 出口(青)で冷たくなります. 右:thermofin® 熱交換器には, さまざまな材料特性と間隔要件のスラットまたはフィンが含まれています. これらのスラットがどのように機能するかをよりよく理解するために, thermofin GmbH はシミュレーションを使用して流れの方向を分析します.

冷蔵室シミュレーション

熱交換器技術のシミュレーションの実行に加えて, thermofin GmbH は顧客の冷蔵倉庫もシミュレートします. ある特定のプロジェクトでは, 顧客から, 肉を保管する複数のロボットマシンを含む肉保管室の設計について相談を受けました. この保管室では, 肉は室温で持ち込まれ, 別の冷蔵室に運ばれる前に冷却する必要があります.「肉がロボット[機械]から落ちないように, 部屋の風速が高すぎないことが重要でした. 一方, 部屋の全ての部分が同じまたは同じくらいの量の空気を取り込むことが非常に重要でした」とHeik氏は述べています.

Gray model geometry of a cold storage warehouse. Cold storage warehouse geometry
図3. 別のプロジェクトの冷蔵倉庫のジオメトリ. 冷気が床に向かって導入されるコールドレイクの原理によって空気が分配され, 密度差のために広がり, 部屋の反対側で上昇します. このモデルは, フォークリフト通路を備えた保管ラックの高い積み重ね密度を考慮に入れています.
A 2D model showing the temperature distribution in a cold storage room from -27 to -17 degrees Celsius with the warmest air in the ceiling. Temperature distribution
A 2D model showing the velocity magnitude of the airflow in a cold storage room, visualized from 1 to 7 m/s in a rainbow color table. Velocity magnitude, full view
A 2D model showing the velocity magnitude of airflow in a cold storage room, rescaled to focus on the areas near the stored products. Velocity magnitude, rescaled
図4. 冷蔵室の温度分布(左)と気流の速度分布(中央, 右)のシミュレーション.

このような冷蔵シミュレーションを実行する場合, 温度分布, 気流分布, 相対湿度, 隣接する熱負荷, 自然対流など, 考慮する必要のあるいくつかの基準があります. 当初, thermofin GmbH は, 保管室内に均一な量の空気を分配するために, 顧客は5つの熱交換器を使用する必要があると考えていました.

5台のデバイスで部屋をシミュレートした後, Heik氏はある問題に気づきました. 「空気の逆流が部分的に中間天井にバイパスされるだろう」とHeik氏は言います. この問題を解決するために, Heik氏は部屋の空気誘導静脈をシミュレートしました. これにより, スムーズな逆流が確保され, 最終的に部屋の渦の量が減少しました. thermofin GmbHのアドバイス通り, 顧客は最終的に5台のthermofin® ユニットを使用し, 空気誘導静脈を備えた保管室を建設しました. Heik氏によると, 顧客は結果に満足しており, ありがたいことに肉の落下は見られていません.

熱交換器技術の未来

thermofin GmbH がグローバルに拡大し続けるにつれて, 革新的なシミュレーション作業の計画も拡大し続けています. 「将来の研究計画では, 新しいフィンのジオメトリの熱交換器を設計したいと考えています」とHeik氏は言います. このような変更を行うには, 熱交換器のチューブの直径を拡張する必要があります. この変更を正常に実装するには, thermofin GmbH はまず, これらのチューブの間隔を空けるための最適な方法を見つける必要があります. 「新しいフィンのジオメトリについては, 自分で製作するためのツールを購入する前に, それをシミュレートする必要があります」とHeik氏は述べています. このような変更は, 熱交換器設計の熱伝達機能を強化するのに役立つと思われます.

参照

  1. "2018 Wasted Food Report", United States Environmental Protection Agency, 2020, https://www.epa.gov/facts-and-figures-about-materials-waste-and-recycling/advancing-sustainable-materials-management.
  2. "Food Loss and Waste", United States Food and Drug Administration, 2020, https://www.fda.gov/food/consumers/food-loss-and-waste.