水槽冷却用に用いる銅パイプの長さの計算

質問

お世話になります。200リッターの浴槽を5度に冷やしたいと考えています。茹でたそばを冷たい水で洗ってお客さんに出すためです。今まで氷を混ぜてました。氷だと意外と時間がかかるんです。
そこで、コロナの冷専クーラーを買って、3分の銅管(本体が3分なので)をぐるぐる巻きにして水槽に入れようと思いましたが、はて！どのくらいの長さが必要か、ここですべてが止まってしまいました。ネットを見ても計算が難しく確信がもてません。銅パイプだけでない問題(液管の温度)もありそうです、、、。皆様に助けていただきたいと思います。
室外機は、コロナのＲＣ-2219Ｒ。50Ｈｚで能力2.0kW、消費電力595W、とあります。
200リッターあれば一日持ちます。入れ替えは考えておりません。
基礎水温が高い(３２℃)夏場使用が主になります。
熱交換器に使用する銅のコイルは3分9.52ｍｍ内径7.92ｍｍ(肉厚0.8ｍｍ)です。
ポリ浴槽は50ｍｍ厚の発砲材で全面囲います。
温度センサーはコイルと浴槽につけて、設定温度になったらリレーで電源を切ります。
よろしくお願いします。

回答No.6

tetsumyi

No1ですが、冷えた水に熱々のそばを次々に入れると熱々の水ができます。
この熱を冷やすとなると相当の熱量を奪うことが必要になり短時間では難しい。
だから最も冷却効果が大きい氷を入れても中々冷えないことになっています。
ですから効率的には熱くなった水は捨てるのが最も短時間で冷やす方法となりますから冷水機を使うことを勧めました。
１０Lの容器を２つ用意して１段目でかなり冷やし、２段目でさらに冷やす。
注文が少ない場合は冷水は時々入れる程度、注文が増えた場合は冷水を最大量で流して低温を保つようにすることで無駄なく冷やすことができます。
忙しい時間はそう長くはないでしょうから、熱くなった水が上から流れ出ることで冷却が効率的にできます。
２００Lの容器を使うと下の方に冷却水が溜まって上の方は暖かいとか、短時間での冷却能力が不足なんてことになって大失敗の可能性があります。

補足

詳しいご説明をいただき、ほんとにありがとうございます。冷水機は見てませんが、冷却機は購入価格で40万ほどみたいです。仕事で使う以上冷蔵品を扱うメーカーのものにしたいです。三菱とか信じられないくらい良くできてます。40年とか使えます。でもその価格より(本当は安い方が助かるのですが)、冷水機は能力が少なく、冷却機は貯水タンクがありませんので、タンク付を求めれば市販で100万くらいです。そのあたりから浴槽(衛生の確保のため、密封のふたが必要なので結局ステンで作ることになると思いますが)にコイル状の熱交にしようと思っているのです。

現状のそばのぬめり取りと冷却方法は、氷を大量に準備(20袋)して少しずつ鍋に入れ、井戸水を混ぜています。冷水の使用状況は、2分間隔で5Ｌ(リットル)くらいだと思いますが、その5Ｌは５秒で位で(本当は5秒でなくても良いのですが、広くないから他の作業の邪魔になるのです）。出水してほしいのです。出水リッター数の調整は流量センサーを使う予定です。
冷却能力は冷水器を1とすると冷却機は4、室外機は8くらいになると思いますが、冷却にある程度の時間を必要とするところに、どれも変わりはありません。一晩で冷えてくれればタイマー任せにできます。

前のコメントに冷水機を使っても、出水方法の改造が必要と書いたのもその説明(5Ｌは5秒くらいで)になります。作業が連続状態になるのは1時間くらいです。150Ｌもあれば問題は出てこないと思います。
水の制御は得意なので、冷水機を2個使っての配管も苦にならないのですが、故障率は極力下げたいと考えます(修理はしないぞ！みたいな)。雑菌流入対策(冷水器は水槽の作り替えになるとおもいます)、定期消毒をするにしても、扱いやすいものにまとめ水路も極力単純にして、30年くらい使いたいなぁと。そんな話です。

ここまで2段冷水機式を検討してきて、ふと、夏場厨房の中で５度の水を作るのは、室外機を使って、50ミリの発砲断熱材を使っても無理のような気がしてきました。やってみないとわからないことと思えますが、水槽の放熱が意外と多いと、10℃あたりが限界かもしれません。真空断熱材を使う予定はしていませんが、なんとも今はわかりません。

コイルの長さは知識はあっても専門外(大切な経験がないのです)です。出した計算値を見て、こんなもんだな！と自分が思えないのです。配管が長くても問題が出ないのはわかるのですが、自分の時間を使う以上、無駄なくかっこよくやりたいと考えます。
これで返答になりますでしょうか。自分は自信がないので、いろいろ教えてもらえてありがたいです。tetsumyiさん！おかげでやる気が出ます。

回答No.5

ohkawa3

前の回答で、熱伝達率＝70W/m2℃としたのは不適切だったみたいです。
次の情報によれば、500W/m2℃の値を期待できるようですから、パイプの長さは、30m程度でよさそうですね。
https://www.kawaso-texcel.co.jp/water_cooled/thermal_conductivity.html

補足

サイト見させていただきました。流量の違いで冷却の具合が目で見てわかる～って感じでとても分かり易いです。
(1)>500W/m2℃の値を期待できるようですから、パイプの長さは、30m程度
30ｍという回答をいただきまして、ありがとうございます。

ご提示していただいた計算式により、3分管で30ｍとなりますと、5分管だと面積比で17.7ｍになると思います。
3分～5分の銅管は市販品で20ｍがほとんどなので、3分管の溶接(窒素封入)をしなければならなくなるので、溶接不要な5分管を用い、水槽から本体接続部までは異径接手を用い3分でつなぐつもりです。
サイトの流量グラフを見ると、水の循環が十分だと3分20メートルでも使えないかなーとも考えます。製作が楽という点です。5分管の銅コイルの組図で検討します。

回答No.4

ohkawa3

＞なお、2000Wの冷却能力で、32℃で200Lの水を冷却した場合、損失ゼロの理想的な場合で、3時間9分かかると計算できます。

言葉足らずで失礼しました。

「32℃で200Lの水を5℃まで冷却した場合」としてください。

補足

当初よりとても丁寧なご説明と思っており、誤解はしませんでしたので大丈夫です。

回答No.3

ohkawa3

https://www.sit.ac.jp/user/konishi/JPN/Lecture/HeatTransfer/HeatTransfer_8thAll.pdf

上記の文献によれば、水と金属の間の熱伝達率の代表値として70W/(m2℃)の値が記載されています。
仮に、パイプ内の冷媒と冷却したい水との温度差を5℃とすれば、2000Wの熱伝達（冷却）を行いたいのであれば、2000W÷（70W/(m2℃)×10℃）＝5.8m2の表面積が必要と計算できます。
外径φ9.52のパイプの表面積は、長さ1mあたり0.029m2なので、約200mの長さが必要だと推定できると思います。
冷媒温度がどの程度の条件で冷却機の効率がよいのか、冷媒と水の温度差を5℃と仮定することが適切であるかなど、更に検討した方がよい事項がいくつもあります。実践した結果をこのサイトでお示し頂ければ、このサイトの読者にとって有益なことと思います。
（パイプの表面温度が0℃以下となれば、氷結することで、熱伝達が低下することを考慮する必要が生じるでしょう）

なお、2000Wの冷却能力で、32℃で200Lの水を冷却した場合、損失ゼロの理想的な場合で、3時間9分かかると計算できます。

補足

福島の田舎の台風準備で返事がおそくなりすみません。昨夜に東京戻りました。
分かり易い文献をお知らせいただき、ありがとうございます。多分ちゃんとお金をお支払いして、購入しなければならないような本なんだと思いますが、お手数おかけしていただき、有難とうございます。財布の中のＵＳＢにもコピーさせていただいて、今後も幾度となく見せていただくと思います。

(1)>冷媒と水の温度差を5℃と仮定することが適切であるかなど
ご指摘の通りだと思います。今日になって水槽の放熱が意外と多いのではないかと考えると5℃は無理じゃないかと思ったりもしました。ここはやらないとわからないところですかね。

(2)>約200mの長さが必要だと推定
200ｍよりは短くなると思いますが、計算の考え方がわかりました。

(3)>氷結することで、熱伝達が低下
氷結は予測が難しい問題だと私も思います。
循環ポンプは最低1個は使用しないといけないと思いますが、どの位置に入れるか。吹き出しノズルの形状はどうか。銅管が必要十分以下だと通常の循環程度では氷結するだろうし、氷結は特に冬場の制御が難しいと思います。夏場の状態では判断できないと思います。水槽底部のスラッジ(砂塵、錆粉)が舞い上がらない構造とか、一か所に集めて、定期的に電磁弁で抜くか等。

(4)>有益なこと
銅パイプに温度計を等間隔に16点くらいつけて、(基礎水温の違う夏場、冬場の)運転をして温度落差をみえる形にするのが良いですかね。
だいぶ先になりそうですが、頑張ります。

回答No.2

sailor

相当に無理のある方法ですねぇ。新たに銅管を巻いてコイルなんか作るより、室内機ばらしてエバポレーターをそっくり水に浸けちゃえばいいのでは？

水１リットルの温度を１℃下げるのに必要な熱量を1KCalですから、２００リットルなら一度下げるのに200KCal必要で、３２℃から５℃だと２７℃下げる必要があるので5400KCal必要となりますよねぇ。色々とロスなどを考えると３時間ぐらいしないと冷えないかなぁ。それに熱々の蕎麦を入れたときの熱量を考えると、どのくらいの量を処理するかわかりませんけど、５℃に保ち続けるには2KWでは辛いかもしれませんねぇ。まぁ、槽に入れる前に流し水で粗熱を取ってやれば行けるかもしれませんけどねぇ。

それから、インバーター制御の室外機なんだから室外機をバラしついでに、温度センサーも流用してしまったらどうですか？温度センサーの抵抗値を室温程度で測って、同じくらいの半固定可変抵抗器を買ってきて並列につないで使えば、ある程度はインバーターの機能も使えますよ。それから、多分ですが槽の下に冷却部分を置くことになるでしょうけれど、槽全体の温度を保つには内部に水を循環させる装置を置かないと冷えた水は底にたまるので、底はキンキンに冷えてても上はぬるいなんてことになりますよ。まぁ、これは槽の底のエバポレータの近くに小さな穴をたくさん開けたパイプでも置いて、金魚のエアポンプでもつけてエアレーションしてやればどうにかなるでしょう。

お礼

お気持ちありがとうございます。早くに、答えていただきうれしいです。
室内機の熱交をそのまま入れる方法もあるのでしょうが、直感で水中の使用には向いてないだろうと思いました。

(1)水は循環させますが、放熱がありすぎる事とフィン間隔が狭いことにより、フィン間の水流がかなり強くないと凍ってしまうだろうと思ったのです。フィン間の水流を内機熱交換器全域にある程度強くするにはポンプ側の工夫が大掛かりになるだろうし、室内機の熱交フィンは腐食防止対策がなされていて、金属の溶け出しに対して、食品を扱ううえでの保証が取れないとも思いました。ま、耐久性がないと思ったのが主な理由です。

(2)今回選定した室外機はインバーター仕様ではなく、圧縮機はただの電源ＯＮ/ＯＦＦで動きます(今どき珍しいです。やっとさがしました。)。
付属の温度センサーはサーミスターなので寿命が短く、Ｋ熱電対と制御器を用意しました。内機の基板を流用するのが簡単なのはわかりますが、もともと高度な制御やリモコン程の設定変更の使用頻度もなく、第一長持ちしないのでやめています。
浴槽の水の入れ替えはしなくて済むと思っていますので冷却は1回限りです。
エアレーションは簡易なフィルターでは菌の流入防止が難しくなると思っています。
そんなわけで、単純な銅管と(上下循環が簡単なポンプ1台ですむ)なったのです。

以上のことから、実際何メートル必要かと(適切かと)なりました。3ｍなのか30ｍなのかとかです。
常識の範囲で長い分には問題は起きないと思いますが、途中の溶接とかはあまりしたくないと(窒素封入とかやりたくないしできないし)なりますのでなるべく短くしたいのです。
感謝してます。

回答No.1

tetsumyi

これルームエアコンではないですか！
ルームエアコンで２００Lの水を５℃まで冷やすとしたらフル運転で何時間も掛かりますよ。
冷水機で冷えた水でも入れたほうが遥かに効率的だと思うのですが？。

補足

ご連絡ありがとうございます。細部の説明がへたでごめんなさい。
200Ｌあれば、水の入れ替えはしなくて済みそうなんです。
保温材で覆えば夏場8時間くらいかなと目星をつけています。
普通の冷水器は10～20リッターなので、短時間にたくさん使うときは圧倒的に足りないのと、冷水器に短時間にある程度の水を出す改造をしなくてはならなくなると思います。
本来、目的達成の方法はもっと多岐にわたると思いますが、今回は2ｋＷに相当する銅パイプ(腐食にの問題が少なく、定期の掃除がらくちんだと考えて)の最低必要長を割り出したく、お願いしました。