空気圧縮機の熱変換効率の計算式

空気圧縮機の熱変換率の基本的な意味

空気圧縮機は運転中に、電力の入力が圧縮、摩擦、油路による放熱、冷却システムなどの過程を経て熱に変換されます。熱変換率を議論する際には、通常、回収可能な廃熱と入力エネルギーとの比率に着目します。この指標は、廃熱回収、機械室の冷却、温水の製造など、各種の省エネルギー施策の評価に活用できます。

一般的な計算式

熱変換率＝回収可能な熱量÷入力エネルギー× 100%

時間周期で計算する場合、投入エネルギーは対応する時間帯における空気圧縮機の消費電力量として取り扱い、回収可能な熱量は冷却媒体によって搬出され、利用可能な熱量として算定する。式は次のように表される：

• 熱変換効率 η = Q回収 ÷ Ein × 100%
• Ein＝P×t、ここでPは入力電力、tは運転時間である。
• Qrecoverは、温風、温水、またはその他の熱交換方式を組み合わせて、それぞれ別々に算定する必要があります。

計算を行う際は、単位を統一する必要があります。例えば、すべてをジュールまたはキロワット時へ換算してください。

温水回収シナリオの計算

空気圧縮機の余熱を温水加熱に利用する場合、水の質量流量、比熱容量および流入・流出水温差から回収熱量を算出することができます。

Q水 = m × c × ΔT

• m：加熱される水の質量、または単位時間当たりの質量流量
• c：水の比熱は、工学で一般的に用いられる物性値を採用すること。
• ΔT：出水温度と入水温度の差

単位時間あたりの熱出力を考える場合、質量を質量流量に置き換えることで、単位時間当たりの回収熱量を求めることができる。

熱風回収シナリオの計算

回収対象が冷却用の温風である場合、空気流量、空気密度、定圧比熱容量および温度差を用いて推定することが可能です。

Qair = ρ × L × cp × ΔT

• ρ：空気密度で、温度および圧力の影響を受ける
• L：体積流量
• cp：定圧比熱容
• ΔT：排気温度と給気温度の差

熱風回収は、機械室の換気や冬季の暖房、あるいはプロセスの予熱に広く用いられますが、実際に利用可能な熱量は、ダクト内の圧力損失、混合損失、および熱交換効率の影響を受けます。

入力エネルギーの決定方法

入力エネルギーは実測データを基準とすべきであり、一般的な手法としては、電力量計や出力計、あるいは制御システムに記録された消費エネルギー値を読み取る方法が挙げられます。理論的な概算のみを行う場合は、機器の銘板に記載された定格出力および負荷状況を参考にしますが、実際の消費電力をそのまま定格出力で置き換えることは避けなければなりません。そうしないと、結果に偏差が生じるおそれがあります。

熱変換率に影響を与える主な要因

• 空気圧縮機の種類、負荷率および運転条件
• 冷却方式としては、空冷、油冷、水冷などがあります。
• 廃熱回収装置の設置位置と熱交換経路
• 配管の保温、流体流量および温度差の安定性
• 熱量が連続的に利用可能かどうか、また熱源側の条件が適合しているか

使用上の注意

省エネルギーの算定を行う際は、熱変換効率を理論的発熱比率、回収可能比率、実際の利用比率に分解してそれぞれ別々に分析することを推奨します。プロジェクトの竣工検査や省エネルギー改修の評価に用いる場合は、運転時間、消費電力量、流量、入口・出口温度などの現場データを記録し、再計算が可能なよう計算過程も保存しておくことが重要です。