クロマーサイクルは、乾燥剤を使用して冷たい表面から出る相対湿度の高い空気と相互作用する熱力学サイクルです。システムが一連の異なる状態を経て最終的に最初の状態に戻ると、熱力学サイクルが発生したと言われます。乾燥剤は冷たい表面から出る空気から水分を吸収し、熱を放出して空気を乾燥させます。この乾燥させた空気は、乾燥した空気を必要とするプロセスで使用できます。次に、乾燥剤は相対湿度の低い空気流によって乾燥されます。このとき、乾燥剤は蒸発によって水分を放出し、空気の相対湿度を上げて冷却します。この冷たく湿った空気を上記と同じ冷たい表面に送り、露点以下にしてさらに乾燥させるか、システムから排除することができます。
乾燥剤は可逆的なプロセスを経て、サイクルの最初の部分では冷たい表面から排出される空気から水分を吸収または吸着して熱を放出し、サイクルの2番目の部分では水分を蒸発させて熱を吸収し、乾燥剤を元の状態に戻してサイクルを再び完了します。クロマーサイクルの結果、サイクルを出た空気は、サイクルがない場合よりもさらに除湿されます（潜伏比が高くなります）。クロマーサイクルのコンセプトは、1980年代半ばに特許を取得しました。これらの特許は失効しているため、このサイクルは誰でも自由に使用できます。このサイクルは、1997年にポピュラーメカニクス誌のテックアップデートセクションで初めて公開されました。[1]
湿度測定学
クロマーサイクルは、主に空調や乾燥に利用されています。サイクルの冷面部分は、多くの場合、逆カルノーサイクルまたは冷凍サイクルによって実現されます。クロマーサイクルを作動させるには、乾燥剤を2つの気流にさらす必要があります。1つは冷面からの高湿度の気流、もう1つは乾燥剤を乾燥させる低湿度の気流です。これは、乾燥剤を移動させることで最も簡単に実現できます。液体乾燥剤をポンプで送り込むなど、あらゆるサイクル機構を使用できますが、簡単な機械的応用としては、乾燥剤を充填した回転ホイールに異なる気流を通過させる方法があります。図1は、標準的な空調システムに乾燥剤ホイールを適用した例です。
4 つの状態ポイントを持つシステムを通過する空気の乾湿プロセスは、図 2 の乾湿チャートに 1、2、3、4 として示されています。空気の状態ポイントは図 1 にも示されています。このアプリケーションでは、空間から戻ってくる空気 (通常、相対湿度(RH) 約 50%) が乾燥剤ホイールに送られ、乾燥剤を乾燥させます。空気は水分を吸収し、プロセス 1 ～ 2 で冷却されます。湿った空気は次に冷却面 (エアコンの冷却コイル) に送られ、そこで露点以下に冷却され、プロセス 2 ～ 3 で空気が乾燥されます。これは、冷却コイルによって行われた仕事を表しています。その間に、下からの乾燥した乾燥剤は上方の空気流に回転します。コイルから排出された飽和空気（通常93～98%RH）は、3で乾燥剤に送られ、プロセス3～4でさらに乾燥された後、給気として空間に供給されます。水分を吸収した乾燥剤は循環して還気となり、このサイクルを繰り返します。
クロマーサイクルを用いない冷却コイルによる典型的な冷却と乾燥は、乾湿線図に示されており、図2にも示されています。状態点1は、空間からシステムに戻る空気（還気）です。一般的な空調システムでは、状態点1のこの空気は冷却コイルに入り、冷却と乾燥を経て状態点4'付近から排出されます。状態点4'は、一般的なユニットから排出される空気の温度と水分含有量を表し、約7～10℃（45～50°F）、相対湿度95～98%です。
クロマーサイクルによる標準ACシステムの変更
乾湿線図は、このサイクルが標準的な空調サイクルとどのように変化するかを示しています。まず、ホイールからの空気の最終状態点 4 は、潜在比（水分除去）が約 45% に増加していることを示しています。これは、示されている一般的なコイルの 25% とは対照的です。次に、サイクルによって供給される空気の質は、標準的なコイル（状態点 4'）の 98% RH ではなく、約 55% RH（状態点 4）と、はるかに乾燥しています。3 つ目に、これは平均蒸発器温度が高いことで実現されています。蒸発器温度の中間点（線 1～4'）と、クロマーサイクルの蒸発器温度の中間点（線 2～3）を比較してください。これらの線は、コイルが空気流に対して行った仕事（エンタルピーの変化）を表しています。これは、凝縮器の温度が一定でエンタルピーが同等に変化する場合、蒸発器コイルの温度が高いほどカルノー冷凍サイクルの効率が高くなり、特定のシステムが実現できるエネルギー効率が高くなるため重要です。
一般的な除湿方式には、機器から排出される空気に顕熱を加える再加熱（電気式またはホットガス式再加熱）、還気から給気へ顕熱を伝達する再生熱（ランアラウンドコイルまたはヒートパイプ）、そして吸湿・蒸発潜熱を還気から給気へ伝達するクロマーサイクルなどがあります。ASHRAEジャーナルの記事では、これらの様々な方式を比較し、「クロマーサイクルは、再生式構成と同等の優れた除湿性能を発揮する」ことが示されています。[2]
使用した乾燥剤
このサイクルで動作するために、乾燥剤は、コイルから出てくる、より低温で約 98% RH の空気から水分を吸収し、より高温で低 RH の空気に水分を脱着する必要があります。乾燥剤は、熱や温度差ではなく、RH の差に固有の蒸気圧差によって再生されます。図 3 に示すタイプの水分吸着等温線(タイプ III) を持つ乾燥剤は、シリカゲルの多くの配合物のように一般的です。タイプ III の乾燥剤は、70% RH 未満ではほとんど水分を吸収しませんが、多くは 90% RH を超えると、空気から自重以上の水分を吸収します。吸収等温線は、90% RH から 100% RH の間では非常に急勾配です。タイプ III の乾燥剤は、コイルから出てくる約 98% RH の空気から、通常は約 50% RH の戻り空気流に水分を循環させるのに十分な能力を持っています。
フィールドテスト
2011年、カリファ、アル＝オムラン、モハメッドは、バグダッドの小部屋において、シリカゲル製のホイールと活性炭製のホイールを交換した2トン容量のエアコンユニットの監視研究について報告しました。クロマーサイクルを追加していないユニットと比較して、相対湿度が低下するかどうかを調べたものです。彼らは、「クロマーサイクルは、厚さ5cmの活性炭ホイールを使用することで、室内の相対湿度を80%から約60%まで低下させることができる」ことを発見しました。[3]
新鮮な空気の交換を取り入れる
室内空気の質を維持するためには、空調空間から還気を排出し、新鮮な外気（「補給空気」と呼ばれることもあります）と入れ替えることが望ましい場合があります。クロマーサイクルシステムから還気を排出する最適な場所は、乾燥剤の直後（図1の位置2）です。この時点では、還気は乾燥剤からの水分を多く含んでいるため、これを排出することで空間からさらに水分が除去されます。さらに、この排出された空気は、乾燥剤から水分が蒸発することで、還気温度よりも低い温度まで冷却されます。位置2（ただしファンの前）は、外気をシステムに取り込むのにも最適な場所です。コイルによって外気が空間に入る前に温度と湿度を下げることができるからです。また、排出された空気と外気の間で熱交換が行われれば、入ってくる空気はプロセス2から3のために冷却コイルに入る前に冷却され、飽和状態または飽和に近い状態になり、除湿効果を高めることができます。[4] [5]
除湿機
より多くの除湿または乾燥が必要な場合、逆カルノー冷凍サイクルの凝縮側から得られる自由熱を利用することで、クロマーサイクルを強化できます。この熱は「ホットガスバイパス」と呼ばれることもあり、図1の位置1（フィルター後）のデシカントホイールの前（プレヒート）に追加することで、ホイールの乾燥を促進できます。また、ホットガスバイパスの熱は、位置4（再加熱）にも追加することができ、これにより給気温度は高くなりますが、相対湿度はさらに低くなります。ホットガスバイパスは、どちらか一方、または両方使用できます。クロマーサイクル空調システムにホットガスバイパスが追加された場合、通常は「アクティブ」クロマーサイクル空調と呼ばれます。このサイクルが除湿または乾燥用に設計された機器として使用される場合、通常はクロマーサイクル除湿機またはクロマーサイクル乾燥機と呼ばれます。
R&D誌は2006年に、その年の最も重要な技術革新100選を表彰するR&D 100賞の機械/材料部門でクロマーサイクルを表彰しました。 [6]
参考文献
- ^ ポピュラーメカニクス、第174巻第1号、1997年1月、26ページ
- ^ Dieckmann, J., McKenney, K., Brodrick, J., 「エネルギー効率の良い除湿：蒸気圧縮、クロマーサイクル」;ASHRAE Journal、Vol 51、No 8、2009年8月、pp 78-80
- ^ Khalifa, A., Al-Omran, A., Mohammed, H., CROMERサイクルを用いたエアコンユニット性能の実験的研究, AL-TAQANI. 24. E1-E13, 2011. https://www.researchgate.net/publication/323323036_EXPERIMENTAL_STUDY_OF_AIR_CONDITIONER_UNIT_PERFORMANCE_USING_CROMER_CYCLE
- ^ Clark, J.; 「米国における湿潤気候下におけるエネルギー効率の高いスーパーマーケットの暖房、換気、空調」; 国立再生可能エネルギー研究所、コロラド州ボルダー; 技術報告書、2015年3月、NREL/TP-5500-63796、p 88; https://www.nrel.gov/docs/fy15osti/63796.pdf
- ^ Kosar, D; Gulubovic, M; Khadir, M; Judge, J; Swami, M; Shirey, D; Raustad, R; Basarkar, M; Novosel, D; 「エネルギー使用量を削減するための高度な湿度制御の統合」最終報告書 – タスク 6; NCEMBT-070621; 2007; 国立エネルギー管理・建築技術センター; ワシントン DC; 米国エネルギー省; p22 https://www.nemionline.org/wp-content/uploads/2017/06/Kosar_D_Integrating_Advanced_Humidity_Control_To_Reduce_Energy_Use_NCEMBT-070621.pdf
- ^ R & D Magazine、2006年12月、R&D 100賞受賞者 https://www.rdworldonline.com/about-us/
