JP7647851B1 - 冷却塔システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却塔からの蒸発水を回収することで節水を実現するとともに、水質管理により健全な設備保全を実現することができる冷却塔システムを提供する。
【解決手段】冷却塔１は、側面にルーバー３を有し、頂部に排気ファン８を有し、下部に下部水槽４を有した塔体２と、該塔体２内に配置され、上方から水が注ぎかけられる充填材５と、電気伝導率センサ１６の検出電気伝導率に基づいて補給水バルブ１５を制御する制御器１７とを有する。排気ファン８からの排気を冷却するための熱交換器２２により生じた凝縮水を補給水として利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却塔と、該冷却塔の排気中の水分を回収する水回収機構とを有する冷却塔システムに関する。

開放循環式の冷却塔にあっては、塔頂のファンを作動させると共に、塔内に配置された充填材に散水することにより、充填材を伝わり落ちる水が気化熱によって冷却され、冷水となる。充填材間を通り抜けた空気は、塔頂のファンによって上方へ排出される。

冷却塔の下部水槽内に落下して貯留された冷水は、冷凍機等の被冷却機器に送水され、熱交換して昇温した後、冷却塔に戻る。

上記の冷却塔排気中には、水蒸気等の水分が大量に含まれており、冬季などにあっては、水蒸気が凝縮して白煙が生じることがある。

かかる白煙を防止するための機構を備えた冷却塔として、特許文献１には冷却塔内の上部に空冷式の熱交換器を設け、塔内を上昇する水蒸気含有空気を冷却して水蒸気を凝縮させることにより、冷却塔排気中の水分量を減少させることが記載されている。この熱交換器の低温流体通路には大気又はそれよりも温度の低い空気が通気される。

開放循環冷却水系においては、蒸発、飛散、ブロー等により水が失われるので、補給水を供給する。蒸発による系外への冷却水の排出は、液体の水が水蒸気となり大気中へ放出されることによるものである。特許文献２～４には、この水蒸気を凝縮させて回収し、冷却水に利用することが記載されている。

ブロー水による系外への冷却水の排出は、蒸発による冷却水の濃縮を適正に管理するために実施されるものである。飛散水による系外への冷却水の排出は、冷却塔で散水された際に生じる冷却水の水滴が系外へ飛散し排出されるものである。ブロー水と飛散水とは、まとめて全ブロー水と称されている。補給水量は、蒸発水量と全ブロー水量の和に一致する。

冷却水の一部が冷却塔で蒸発すると、冷却水が濃縮する。冷却水の濃縮により冷却水中の溶存塩類濃度が高くなると、熱交換器や冷却塔などにそれらがスケールとして析出することがある。これを防止するために、過剰な濃縮が起こらないように、ピット等から濃縮した冷却水を排出するブローを行うと共に、ブロー量に見合った量の補給水を冷却水系に供給する。また、スケール分散剤を添加する（特許文献５）。なお、特許文献５には、ブロー水を逆浸透膜装置で処理し、処理水を冷却水系に戻すことが記載されている。

特表２００６－５０２３６５号公報 特開平８－４９９８９号公報 特開平６－１０９３７９号公報 特開２００３－２０７２９３号公報 特許第５７７３０１３号公報

本発明は、冷却塔からの蒸発水を回収することで節水を実現するとともに、水質管理により健全な設備保全を実現することができる冷却塔システムを提供することを課題とする。

本発明の冷却塔システムは、水が充填材に散水されて冷却され、冷却水となる冷却塔と、該冷却塔に補給水を供給する補給水供給手段と、該冷却塔の排気ファンからの排気を冷却して凝縮水を生じさせる熱交換器と、該熱交換器で生じた凝縮水を該補給水供給手段に供給する水回収手段と、前記冷却水の濃縮倍率を所定範囲とするためのブロー制御手段とを有するものである。

本発明の一態様の冷却塔システムでは、前記熱交換器は、前記排気ファンが作動することによって冷却塔内に誘引される空気と、前記排気ファンからの排気とを熱交換させて該排気を冷却するものである。

本発明の一態様では、前記熱交換器は、前記冷却塔の側面の大気取入部に向って誘引される空気が通過するように該大気取入部に対面して配置されている。

本発明の一態様では、前記熱交換器は、複数の、平盤状で中空のチャンバボックスを、盤面が上下方向となるように相互間に間隔をあけて平行に配列したものであり、該チャンバボックスは、上端面と下端面とが開放しており、１対の側辺は閉じられており、前記排気は、各チャンバボックスの上端面の開放口から該チャンバボックス内に流入し、下端面の開放口から流出し、各チャンバボックス同士の間のスペースを前記空気が通過する。

本発明の一態様では、前記ブロー制御手段は、冷却水の水質を検出する水質センサと、該水質センサの検出値に基づいて補給水の供給量又はブロー水量を制御する制御手段とを有する。

本発明の冷却塔システムは、蒸発水を回収する水回収手段と、冷却水系の電気伝導率等の水質を一定に保つためのブロー制手段とを組み合わせて使用するものであり、蒸発水の回収による節水を実現するとともに、水質管理により健全な設備保全を実現する。

本発明の一態様にあっては、冷却塔の排気を、冷却塔のファンの送風力を利用して熱交換器に通気する。また、該ファンに誘引されて該冷却塔に流入しようとする空気を該熱交換器に流通させ、該排気と熱交換させる。このように、熱交換器に対して排気及び空気のいずれも冷却塔のファンの送風力及び誘引力によって通気されるので、ファン以外に新たな送風装置を設置することが不要である。そのため、設備コストが低いと共に、電力コストも低い。

本発明の一態様では、熱交換器は、冷却塔の塔外に配置される。そのため、既設の冷却塔を本発明の冷却塔システムに容易に改装することができる。

実施の形態に係る冷却塔システムの構成図である。 熱交換器の概略斜視図である。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

図１は第１の実施の形態に係る冷却塔システムの構成図であり、冷却塔を概略的な縦断面として示している。

この冷却塔１は、ケーシング（塔体）２を備え、該ケーシング２の底部に、冷却水を貯留するための下部水槽（ピット）４が設けられている。ケーシング２の対向する２側面に大気取入部としてルーバー３が設けられている。ケーシング２内に充填材５が設置され、充填材５の上側に上部水槽６が設置されている。上部水槽６の底板は多数の小孔を有した散水板６ａにて構成されている。ケーシング２の中央部（平面視における中央部）に空室７が設けられ、この空室７の上方に排気ファン８が設けられている。

下部水槽４の底部に冷却水送水用のポンプ９の吸引側が接続され、該ポンプ９の吐出側は、冷却水の往配管１０を介して熱交換器等の被冷却体１２の一端に連結されている。熱交換器等の被冷却体１２の他端は冷却水の戻り配管１３を介して冷却塔１の上部水槽６に接続されている。

下部水槽４には、電磁弁等よりなるバルブ１５を有した補給水配管１４が接続されている。補給水配管１４は、補給水タンク（図示略）に接続されている。

補給水タンクには、補給水の原水（補給原水）の導入用配管と、後述の回収水配管２２ｂとが接続されている。なお、補給原水としては、地下水、水道水、工業用水などが用いられる。

下部水槽４には水質センサとして電気伝導率センサ１６が設置されている。この電気伝導率センサ１６の検出信号が制御器１７に入力され、制御器１７からの信号によりバルブ１５が開閉制御される。

下部水槽４の水位を設定範囲に保持するために、下部水槽４にはオーバーブロー管１８が設けられている。

ファン８の側周囲は、筒形のシュラウド２０によって囲まれている。

このシュラウド２０の上端にダクト２１の一端が接続されており、該ダクト２１の他端が熱交換器２２に接続されている。この熱交換器２２は、ケーシング（塔体）２の外側に配置されており、ケーシング２の一方の側面のルーバー３に対面して配置されている。

熱交換器２２は、図２の通り、複数の、平盤状で中空のチャンバボックス２２ａを、相互間に間隔をあけて平行に配列したものである。チャンバボックス２２ａは、上端面と下端面とが開放しており、１対の側辺は閉じられている。チャンバボックス２２ａの上端面の開放口からファン８の排気が該チャンバボックス２２ａ内に流入し、下端面の開放口から流出する。各チャンバボックス２２ａ同士の間のスペースを空気（大気）が通過し、ルーバー３を通ってケーシング２内に流入する。

チャンバボックス２２ａは、アルミニウム、銅などの熱伝導率の高い材料よりなる略方形板状材の一対の側辺同士を結合し、上辺同士及び下辺同士を結合しないようにして構成されたものである。各チャンバボックス２２ａは、その板面（盤面）がルーバー３に向かう方向となるように平行に配列されている。

この冷却塔システムにあっては、ファン８をモータ（図示略）によって回転駆動すると共に、ポンプ９を作動させ、上部水槽６の散水板６ａから充填材５に散水する。

ファン８の誘引力によって、空気（大気）が熱交換器２２、ルーバー３及び充填材５を通過する。そして、高湿度となった空気が空室７からファン８を通ってダクト２１へ排出される。

充填材５を伝わり落ちる水が蒸発時の気化熱によって低温の冷水となり、下部水槽４に落下する。下部水槽４内の水は、ポンプ９、配管１０、被冷却体１２、配管１３を流れて上部水槽６に流入し、再び充填材５に散水される。

ファン８の送風力によってダクト２１に排出された高湿度排気は、熱交換器２２を通過し、該熱交換器２２で空気と熱交換して降温する。そして、該排気中に含まれていた水蒸気が凝縮して凝縮水となる。

この凝縮水は、熱交換器２２の下側に設けられた集水器（図示略）を経て回収水配管２２ｂに流出する。回収水配管２２ｂからの水は、前記補給水タンク（図示略）に送水され、冷却塔の補給水として利用される。

この冷却塔システムにあっては、電気伝導率センサ１６で検出される電気伝導率が予め設定された上限値を超えると、制御器１７から開弁信号がバルブ１５に与えられ、バルブ１５が開弁し、補給水が下部水槽４に供給される。これにより、下部水槽４内の水位が上昇し、オーバーブロー管１８の上端水位を超えた水がオーバーブロー管１８から流出する。この流出水は、脱塩処理され再利用されるか、又は排出工程へ送水される。

電気伝導率センサ１６の検出電気伝導率が上限値以下になったときには、制御器１７はバルブ１５を閉とする。

この実施の形態では、冷却塔１の排気中の水蒸気を熱交換器２２で凝縮させて補給水として再利用するので、地下水、水道水、工業用水などの補給原水の使用量が節減される。また、電気伝導率センサ１６によって下部水槽４内の水質（電気伝導率）を監視し、電気伝導率が上限値よりも高くなると補給水を供給して電気伝導率を該上限値以下とするので、冷却水の水質が良好に維持され、スケール障害が防止され、冷却塔システムの稼働が安定したものとなる。

熱交換器２２で降温した排気は、ダクト２３を経て大気放出される。この排気は、ファン排気中の水蒸気のかなりの部分が除去されたものであるので、大気放出されても白煙を生じさせることが防止ないし抑制される。

この冷却塔システムにあっては、冷却塔１のファン８を作動させることにより、大気が誘引され、熱交換器２２に低温側流体としての空気が流れると共に、ファン８の送風力により、熱交換器２２の被冷却流体流路にファン８からの排気が通気される。そのため、熱交換器２２への通気のための別途の（即ち、ファン８以外の）動力装置が不要である。

この冷却塔システムにあっては、ダクト２１及び熱交換器２２はケーシング２外に配置されているので、既設の冷却塔においてもダクト２１及び熱交換器２２を取り付けることにより本発明の冷却塔システムの構成とすることができる。

なお、図１では、一方のルーバー３の外側にのみ熱交換器２２を設置しているが、各ルーバー３の外側に熱交換器２２を設置し、各熱交換器２２にファン８の排気を通気するようにしてもよい。

上記実施の形態では、電気伝導率センサ１６を下部水槽４に設置しているが、配管１０，１３（あるいはそれから分岐した配管）など他の箇所に設置してもよい。

上記実施の形態では、水質センサとして電気伝導率センサ１６を用いているが、イオン電極、自動化学分析器など他のセンサや機器を用いてもよい。

本発明では、電気伝導率センサなどの水質センサに加えて下部水槽４に水位センサを設置し、水質が規定範囲となり、かつ下部水槽４内の水位が所定範囲となるようにバルブ１５を制御してもよい。

本発明では、オーバーブロー管の代りに、ブローバルブ又はブローポンプを有するブロー配管を下部水槽４に接続し、冷却水の水質が規定範囲となるように、冷却水のブローを行い、補給水供給手段（補給水バルブ１５を有する補給水配管１４や、ボールタップなど）によって補給水を下部水槽４に供給するようにしてもよい。

図１では、空気として大気が熱交換器２２を通過するものとしているが、大気よりも低温の空気が熱交換器２２に供給されてもよい。

本発明では、熱交換器２２を通過する大気の温度を下げ、より効率的な蒸発水回収を実現するために、著しく通風を阻害しない範囲において、熱交換器２２の吸気側に大気冷却器を設置してもよい。

大気冷却器としては、気化冷却装置、蓄熱材、熱交換器などを用いることができる。気化冷却装置とは、水の蒸発による気化熱を利用し空気を冷やす装置のことである。気化冷却装置としては、気化熱を利用し空気を冷やす機構によるものであれば特に限定されず、冷却用に散布される水と、熱交換器２２に取り込まれる空気が接触するものであればよく、接触を効率的に実施するために水を噴霧したり、熱交換器２２の吸気側に充填材を設置し、該充填材に水を散水する機構のものであってもよい。

気化冷却装置に利用する水は、特に限定されず、工業用水、水道水、井水、排水回収水、冷却水、凝縮水などを用いることができる。

別の場所や別の時間において得られる冷熱を用いて空気を冷却するために、大気冷却器に蓄熱材を用いることができる。蓄熱材の種類としては、潜熱蓄熱材や顕熱蓄熱材などがあるが、これらに限定されない。

本発明では、熱交換器２２のファン排気流の下流側に、低温流体により排気をさらに冷却するための排気冷却器を設置し、蒸発水のさらなる回収を行うようにしてもよい。

排気冷却器で排気の冷却に用いる低温流体としては特に限定されず、工業用水、水道水、井水、排水回収水、冷却水、凝縮水、ブライン、プロセス流体などを用いることができる。ただし、排気冷却器は、冷熱を用いて排気を冷却するものであり、冷熱源は液体に限らず、気体でもよい。

本発明では、コルゲートフィン型熱交換など、図２以外の構成の熱交換器を用いてもよい。

なお、一般に、蒸発水回収装置の技術は、大きく２種類に分類される。一つは蒸発水を含む冷却塔出口の空気を露点以下とすることで発生した凝縮水の水滴を回収する技術であり、もう一つは水蒸気として空気中に気体として存在している水分子を回収する技術である。

凝縮した水滴を回収する方法としては、フィルター等で空気と分離し回収する方法や、コロナ放電を活用し静電力により電極に回収する方法、遠心力で水と空気を分離し回収する方法などがある。

気体となっている水蒸気を回収する手段しては、空気を冷却して回収する手段や、化学吸着を利用し回収する手段などがある。冷却して回収する手段としては、除湿器のように熱交換器で冷却する手段や、冷気や冷水を空気と混合し冷却する手段などがある。化学吸着を利用して回収する手段は、塩化カルシウムのように吸湿性の高い化学物質で水蒸気を吸収し、熱等のエネルギーを付与することで水として取り出す手段である。

本発明では、水蒸気を回収する手段としては、これらのうち空気を冷却して回収する手段が好ましく、特に上記の実施形態に記載の手段が好ましい。

［実施例１］
冷却塔を備えた保有水量２０ｍ^３の冷却塔設備にダクト２１及び熱交換器２２を図１の通り外付けにて設置した冷却塔システムについてシミュレーションした。

この冷却塔システムを以下の条件で稼働させた。なお、下記の蒸発水回収率は［（回収した蒸発水量（ｍ^３／ｈ））／（補給水量（ｍ^３／ｈ））］×１００％にて算出した値である。

補給水の原水：工業用水（電気伝導率：２０ｍＳ／ｍ）
冷却水の循環流量：１０００ｍ^３／ｈ
被冷却体１２の冷却水入口温度：３２℃
被冷却体１２の冷却水出口温度：３７℃（ΔＴ＝５℃に設定）
冷却塔１のファン動力：２５Ｗ
電気伝導率上限値：１００Ｓ／ｍ
蒸発水量：８．６ｍ^３／ｈ
蒸発水回収率：２０％
外気温（平均）：２７℃

濃縮倍数を種々変えて運転したときの補給水量を表１に示す。

［実施例２］
水回収率を３０％としたこと以外は実施例１と同一条件として運転を行った。濃縮倍数を種々変えて運転したときの補給水量を表１に示す。

［実施例３］
水回収率を４０％としたこと以外は実施例１と同一条件として運転を行った。濃縮倍数を種々変えて運転したときの補給水量を表１に示す。

［比較例１］
ダクト２１，２３及び熱交換器２２を設置しなかったこと以外は実施例１と同一条件として運転を行った。濃縮倍数を種々変えて運転したときの補給水量を表１に示す。

［比較例２］
比較例１において、ブロー水を逆浸透（ＲＯ）処理し、透過水を補給水タンクに戻し、水回収率［（ＲＯ透過水量（ｍ^３／ｈ））／（補給水量（ｍ^３／ｈ）］×１００％を７５％としたこと以外は比較例１と同一条件として運転を行った。

濃縮倍数を種々変えて運転したときの補給水量を表１に示す。

表１の通り、水回収を行う実施例１～３及び比較例２は、いずれも、水回収を行わない比較例１に比べて補給水量が少なく、節水効果を有する。

なお、ＲＯを用いてブロー水回収を行う比較例２は、低濃縮時（濃縮倍数が小さいとき）には大きな節水効果を発揮するが、濃縮倍数が上がると節水効果は小さくなる。

蒸発水回収を行う実施例１～３では、低濃縮時においては、ＲＯを用いたブロー水回収（比較例２）より節水効果が劣るものの、濃縮倍数を上げていくと、ＲＯを用いたブロー水回収（比較例２）よりも大きな節水効果を得ることができる。

［実験例１］
実施例３（蒸発水回収率４０％）の条件で運転していた冷却塔システムにおいて、回収率が１０％に変化し、また、炭酸カルシウムの析出防止のために、硫酸を用いて水系のｐＨをｐＨ＝８．２（一定）に調整した。それ以外は実施例３と同一条件にて１００ｈ運転した。そして、この回収率変化により冷却水の水質が変化するか測定した。１００ｈ経過後の水質測定結果を表２に示す。なお、表２には、実施例３における水質測定結果を併せて示す。

また、各水質条件における冷却水の防食効果を見るために、炭素鋼の試験片を用い、下記の方法に従って腐食速度を測定した。結果を表２に示す。
（腐食速度算出方法）
腐食速度（ｍｇ／ｄｍ^２／ｄａｙ）＝（試験片試験前重量－試験片試験後重量）（ｍｇ）÷（試験片表面積）（ｄｍ^２）÷（腐食試験期間）（ｄａｙ）
試験片試験後重量は、試験片の腐食生成物を除去した重量である。
試験片表面積：０．３２ｄｍ^２、腐食試験期間:７ｄａｙ

［比較実験例１］
実験例１において、電気伝導率検出値に基づく補給水バルブ１５の開度制御の代りに、補給水量を６．５ｍ^３／ｈと一定とするようにバルブ１５の開度を固定した。それ以外は実験例１と同一条件とし、各測定を行った。結果を表２に示す。

表２の通り、実験例１のように蒸発水回収率を変動させても水質は一定であった。これに対し、電気伝導率に基づくブローの自動制御を行わない比較実験例１では、冷却水が濃縮して水質が変動し、腐食速度が上昇した。

蒸発水の回収率は天候により大きく変動するので、安定した設備保全効果を得るためには冷却水の水質検出値に基づくブローの制御が望ましいことが認められた。

１ 冷却塔
３ ルーバー（大気取入部）
４ 下部水槽
５ 充填材
６ 上部水槽
６ａ 散水板
８ 排気ファン
１２ 被冷却体
１４ 補給水配管
１５ バルブ
１６ 電気伝導率センサ
１７ 制御器
１８ オーバーブロー管
２１ ダクト
２２ 熱交換器
２２ｂ 回収水配管

Claims (4)

1. 水が充填材に散水されて冷却され、冷却水となる冷却塔と、
   該冷却塔に補給水を供給する補給水供給手段と、
   該冷却塔の排気ファンからの排気を冷却して凝縮水を生じさせる熱交換器と、
   該熱交換器で生じた凝縮水を該補給水供給手段に供給する水回収手段と、
   前記冷却水の濃縮倍率を所定範囲とするためのブロー制御手段と、
   を有する冷却塔システムであって、
   前記熱交換器は、前記排気ファンが作動することによって冷却塔内に誘引される空気と、前記排気ファンからの排気とを熱交換させて該排気を冷却するものである冷却塔システム。
2. 前記熱交換器は、前記冷却塔の側面の大気取入部に向って誘引される空気が通過するように該大気取入部に対面して配置されている請求項１の冷却塔システム。
3. 前記熱交換器は、複数の、平盤状で中空のチャンバボックスを、盤面が上下方向となるように相互間に間隔をあけて平行に配列したものであり、
   該チャンバボックスは、上端面と下端面とが開放しており、１対の側辺は閉じられており、
   前記排気は、各チャンバボックスの上端面の開放口から該チャンバボックス内に流入し、下端面の開放口から流出し、
   各チャンバボックス同士の間のスペースを前記空気が通過する請求項２の冷却塔システム。
4. 前記ブロー制御手段は、冷却水の水質を検出する水質センサと、該水質センサの検出値に基づいて補給水の供給量又はブロー水量を制御する制御手段とを有する請求項１～３のいずれかの冷却塔システム。

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