第4章 冷凍能力・動力・成績係数の計算
冷媒循環量と比エンタルピー差から冷凍能力・圧縮機動力・凝縮負荷・成績係数を求め、体積効率・断熱効率・機械効率を使って実際の値を計算する。
1. 冷凍能力＝冷媒循環量×冷凍効果
第3章の記号（h1：圧縮機吸込み、h2：吐出し、h3：膨張弁直前、h4＝h3：蒸発器入口）を使います。冷媒が1秒間に流れる質量を冷媒循環量qmr（kg/s）とすると、
冷凍能力Φo(kW) ＝ qmr × (h1－h4)
です。単位は kg/s × kJ/kg ＝ kJ/s ＝ kW。
例（仮の数字）：qmr＝0.2kg/s、h1＝400、h4＝250 なら、Φo＝0.2×150＝30kW。
同じ冷凍能力を出すとき、冷凍効果(h1－h4)が小さいほど、多くの冷媒を流す必要があります。
2. 圧縮機の動力（理論と実際）
・理論断熱圧縮動力 … Pth ＝ qmr × (h2－h1)
実際の圧縮機には損失があるので、次の2つの効率を使います。
・断熱効率ηc … 理論の圧縮仕事と、実際に冷媒に加わる圧縮仕事の比（1より小さい）
・機械効率ηm … 冷媒に加わる仕事と、軸に加える仕事（摩擦などの損失を含む）の比（1より小さい）
実際の軸動力P ＝ Pth ÷ (ηc × ηm)
例：Pth＝7.2kW、ηc＝0.8、ηm＝0.9 なら、P＝7.2÷0.72＝10kW。
断熱効率が1より小さいと、実際の吐出しガスの比エンタルピーは理論値より大きくなります（実際の h2' ＝ h1＋(h2－h1)÷ηc）。h1＝400、h2＝440、ηc＝0.8 なら、h2'＝400＋50＝450kJ/kg で、理論値の440より大きくなります。
3. 凝縮負荷
凝縮器で放出する熱量（凝縮負荷）Φkは、蒸発器でうばった熱に、圧縮機が加えた仕事を足したものです。
理論：Φk ＝ qmr × (h2－h3) ＝ Φo ＋ Pth
圧縮機の損失がすべて熱として冷媒に加わるとみなす場合は、Φk ＝ Φo ＋ P（実際の軸動力）として計算します。
例：Φo＝40kW、P＝10kW なら、Φk＝50kW。
凝縮負荷は冷凍能力より必ず大きい、と覚えておきます。
4. 成績係数（COP）
成績係数は「少ない動力でどれだけ仕事をしたか」を表す数で、大きいほど効率がよいことを表します。
・冷凍装置の成績係数 … 冷凍能力 ÷ 動力
理論：(COP)th,R ＝ (h1－h4) ÷ (h2－h1)
実際：(COP)R ＝ Φo ÷ P
・ヒートポンプ（凝縮器の熱で暖房）の成績係数 … 凝縮負荷 ÷ 動力
理論：(COP)th,H ＝ (h2－h3) ÷ (h2－h1) ＝ (COP)th,R＋1
例：h1＝400、h2＝440、h3＝h4＝250 なら、冷凍の理論成績係数＝150÷40＝3.75、ヒートポンプの理論成績係数＝190÷40＝4.75（＝3.75＋1）。
上の例で qmr＝0.18kg/s、ηc＝0.8、ηm＝0.9 とすると、Φo＝0.18×150＝27kW、Pth＝0.18×40＝7.2kW、P＝10kW なので、実際の成績係数＝27÷10＝2.7で、理論値3.75より小さくなります。
一般に、蒸発温度を高くするほど、また凝縮温度を低くするほど、成績係数は大きくなります（圧力比が小さくなるため）。
5. 押しのけ量から冷媒循環量を求める
圧縮機が1秒間に押しのける体積をピストン押しのけ量V（m³/s）といいます。実際に吸い込める量はこれより少なく、その割合を体積効率ηvといいます。圧力比が大きくなるほど体積効率は小さくなります。
冷媒循環量qmr ＝ V × ηv ÷ v1（v1：吸込み蒸気の比体積 m³/kg）
例：V＝0.032m³/s、ηv＝0.75、v1＝0.08m³/kg、冷凍効果150kJ/kg なら
・qmr＝0.032×0.75÷0.08＝0.3kg/s
・Φo＝0.3×150＝45kW
吸込み蒸気の比体積が大きくなる（蒸発圧力が下がる・吸込みの過熱が大きい）と、冷媒循環量は少なくなり、冷凍能力は下がります。
参考：法令の冷凍能力（トン）は、冷凍保安規則（以下「冷凍則」）第5条第4号で R＝V／C（Vは1時間のピストン押しのけ量）と計算し、表にない冷媒のCは「13900VA／0.75(hA－hB)」などの式で求めます。この式を書きかえると、1時間に13,900kJの熱をうばう能力を1日の冷凍能力1トンとして扱っていることが分かります。13,900kJ/h÷3,600≒3.86kWです。
POINT
6. ここだけは覚える
・冷凍能力Φo＝qmr×(h1－h4)
・理論断熱圧縮動力Pth＝qmr×(h2－h1)、実際の軸動力P＝Pth÷(ηc×ηm)
・凝縮負荷Φk＝Φo＋P（理論ではqmr×(h2－h3)）。凝縮負荷＞冷凍能力
・成績係数（冷凍）＝Φo÷P、ヒートポンプ＝Φk÷P。理論ではヒートポンプ＝冷凍＋1
・成績係数は大きいほどよい。蒸発温度↑・凝縮温度↓で大きくなる
・qmr＝V×ηv÷v1。比体積↑・体積効率↓で循環量↓
・計算の単位：kg/s×kJ/kg＝kW。答えを出したら必ず単位と大小関係を確かめる