冷却塔は、機械、装置、または処理された流体から余分な熱を大気中に放出するために、さまざまな工業プロセスで使用される重要な熱除去システムです。これらの塔は、冷却媒体として水を使用し、蒸発冷却の原理を利用して潜熱を効果的に放散します。このブログでは、冷却塔について広範囲に理解し、冷却塔の使用法についても説明します。
冷却塔の目的
ユニットを通じて再循環される水のごく一部を蒸発させることにより、冷却塔は残りの水の温度を効果的に下げ、その後、冷却システムに再循環させます。
工業環境では、機械やプロセスの円滑な動作を確保するために熱管理が重要です。過熱は、機器の故障、効率の低下、運用コストの増加につながる可能性があります。
したがって、冷却塔は、最適な周囲温度とレベルを維持し、安全性と効率性の両方を確保するための基礎として機能します。
産業プロセスにおける熱エネルギー除去の重要性
熱エネルギー除去は、いくつかの理由から、さまざまな産業分野で不可欠です。
過熱の防止: 産業機械の連続運転により、大量の熱が発生します。効果的な熱除去が行われないと、過熱につながり、機器の故障や故障の原因となります。冷却塔は、余分な熱を効率的に放散することで、このようなシナリオを防止します。
エネルギー消費の削減: 冷却塔は、最適な動作温度を維持することで、産業プロセスの効率を高め、エネルギー消費を削減します。これにより、運用コストが削減されるだけでなく、全体的なエネルギーフットプリントが削減されるため、持続可能性の取り組みにも貢献します。
効率の向上: 適切な熱管理により、機械が理想的な温度範囲内で動作し、パフォーマンスと寿命が向上します。これにより、出力がより安定し、熱の問題によるダウンタイムの可能性が減ります。
冷却塔システムの仕組み
冷却塔システムは次の方法で機能します。
冷却塔の熱伝達方法
冷却塔は主に蒸発冷却で動作します。これは、水滴を使用する最良の熱交換手段の 1 つです。仕組みは次のとおりです。
蒸発冷却: このプロセスでは、水の半分が蒸発して熱が奪われます。これは、水が温められる間、空気が冷却塔内の充填材に引き込まれるか、または押し込まれるためです。水と空気が混ざり合って蒸発が起こり、一部の水が残りの水を温めて冷却する、投げ込みと投げ込みの効果について説明します。冷却された水は、その後、元のレベルと同じレベルで産業システムに送り返されます。
冷却塔での空気流生成方法
そのため、空気交換は冷却プロセスで重要な役割を果たします。冷却塔は、主に次の 2 つの方法でこれを実現します。
自然通風冷却塔: これらの塔は、基本的に自然な空気循環を利用して回路の冷却器として機能します。設計は通常、高い煙突のような構造を特徴としており、赤外線放射によって温められた空気は、密度が低いため、冷たい大気の空気よりも高く上昇します。塔の上部の暖かい空気は、下部から構造物に入る冷たい空気と入れ替わって上昇し、構造物内での空気の流れが絶え間なく続くようになります。自然通風塔は、その高い熱処理能力により、通常、大規模な発電所や大量の冷却水を必要とする産業で採用されています。
誘引通風冷却塔: これらの塔には、塔から建物に空気を引き込むためのファンがあります。誘引通風機構により、空気の流れがより強力かつ一定になり、より良い冷却効果が得られます。自然通風塔よりわずかに優れていますが、誘引通風システムはファンによる高いエネルギー需要があります。正確な温度調節と優れた冷却性能を必要とするほぼすべての産業で広く採用されています。
冷却塔の種類
自然通風冷却塔システム
自然通風冷却塔は、火力発電所や産業などで大規模な冷却が必要な場合に広く採用されています。
これらの塔は、強制対流の概念に基づいており、熱い空気が上昇することで煙突効果が形成され、その後、冷却された空気が下から引き出されます。
動作: 一部の設計では高さが誇張された塔の大きな質量が、自然通風メカニズムに貢献しています。
工業プロセスで生成されたこの熱水によって、塔内の充填材に水が噴霧され、表面が拡張されて熱交換が向上します。
水が滴ると、空気が吸い込まれたり、凝縮器の水が引き上げられたりして、蒸発が促進され、冷却効果を生み出します。
利点:
機械式ファンが不要であるため、摩耗したり、交換が必要になったり、頻繁に損傷したりする部品がないため、運用コストが低くなります。
大量の冷却を必要とする大規模な組織や施設での使用に最適です。
デメリット:
デメリットには、小規模な運用、広大な土地スペースの要件、それに比例して高い設置コストなどがあります。
屋外の気象条件によっては、使用時に何らかの形で機器の効率が妨げられる可能性があります。
機械通風冷却塔システム
機械通風冷却塔は、通風の生成にファンを使用します。そのため、自然通風デルタ冷却塔に比べて柔軟性が高く、エネルギー効率に優れています。これらのシステムは、強制通風冷却塔と誘導通風冷却塔に分類できます。これらの冷却塔は、次のように機能します。
強制通風塔:
塔の底部に配置された加熱および冷却システムのファンが、充填材に空気を強制的に送ります。これらの塔は小型で、場所を取りすぎないため、混雑している場所に最適です。
誘導通風塔:
ファンは塔の上部に配置され、充填材に空気を流して冷却効果をもたらします。誘導通風塔は、効率が高く、空気の流れをより適切に制御できるため、より多く使用されています。
利点:
ユニットを通過する空気のコントロールが改善され、高い冷却効率が観察されました。
上記の要件を持つ多くの産業や工場での使用に最適です。
欠点:
機能コスト、特にファンの運用コストなど、ファンのいくつかのマイナス面が取り上げられました。
ファンとモーター システムの効率を確認するために、頻繁に入札する必要があります。
クロスフロー冷却塔システム
クロスフロー冷却塔システム内の空気の流れは、充填材を横切る方向で、下向きの水の流れと反対方向です。この設計により、充填材やその他の内部部品へのアクセスが容易になり、メンテナンスが容易になります。
操作: 温水循環は、充填材の表面への分配盆地を通じて行われます。水が下向きに落下し、空気が充填材領域を横切って水平に流れながら上昇すると、蒸発が促進されて空気が冷却されます。
利点:
メンテナンス性: メンテナンスや検査のために、どちらの側からも機器にアクセスできません。
この設計により、ポンプ要件を可能な限り低く抑えることができます。
欠点:
オイルはカラムから出る蒸気よりも冷たいため、熱伝達の点でカウンターフローシステムよりも効率が低くなります。
空気が水平に流れるようにファンブレードを配置するため、設置面積が大きくなります。
向流冷却塔システム
このタイプの冷却塔システムは向流として知られており、このシステムでは、空気は上方向に移動し、反対方向に流れる温水とは逆方向に移動します。この向流パターンは、空気と冷却水の温度間の熱勾配を高めることで熱交換係数を最適化します。
動作: 高圧空気は温水の形で充填材に供給され、低圧空気と温水は底部から抽出されて上昇します。向流方式での流れにより、最小限の温風と冷水で最大限の接触が得られるため、冷却器を最大限に活用できます。
利点:
クロスフロー システムよりも熱伝達率が向上します。
さらに、大型バージョンよりも複雑ではなく、必要なスペースも少なくて済みます。
欠点:
これは、向流設計により、2 つの液体を循環させるために必要なポンプ要件が増加するためです。
方法と設計がやや複雑でコンパクトなため、メンテナンスに影響します。
冷却塔の産業用途
冷却塔の産業用途は次のとおりです。
発電における冷却塔
ただし、原子力発電所を含むすべての形態の火力発電所には、発電プロセス中に発生する廃熱を冷却するのに不可欠な冷却塔が存在します。この熱は通常、蒸気サイクルから冷却水の速度まで取り出され、その後、冷却塔の他の用途に送られて冷却され、再びポンプで戻されます。
利点:
また、テストとメンテナンスを実施することで、タービンやその他の機器の運用効率を確保します。
機器に損傷を与える可能性のある最大レベルを超えないように、安定した温度制御を促進します。
化学処理における冷却塔
加熱装置の例としては、化学処理プラントでの発熱反応やその他のプロセスによって発生する熱に対処するために使用される冷却塔があります。冷却は、反応の制御、製品の品質の向上、運用効率を維持するために、反応の重要な要素であり続けます。
利点:
これにより、製品の熱劣化の発生を軽減できます。
温度を安定させ、プロセス制御と安全性を向上させることで、品質と一貫性に貢献します。
石油精製所の冷却塔
石油精製所では大型の冷却塔を使用します。これは、石油の精製プロセスが複雑でエネルギー集約的であり、効率的な冷却プロセスを実行するために無制限の電力を必要とするためです。
精製所のさまざまなタイプの機器に関する知識が深まるにつれて、石油精製所の冷却塔が蒸留塔、熱交換器、凝縮器などのさまざまなプロセス ストリームを冷却するために使用されることを理解することが重要です。適切で小型の冷却塔は、精製プロセスを保護し、最適なペースで維持するための重要な要素です。
利点:
さまざまな炭化水素の効率的な分離と精製を効率的にサポートします。
高温と圧力の上昇を回避するための重要な補助であり、操作の安全性に貢献します。
HVAC 業界における冷却塔の利点
HVAC 業界における冷却塔の利点は次のとおりです。
熱エネルギー除去によるエネルギー効率とコスト削減
冷却塔は、産業プロセス内でのエネルギーと使用の効率を確保し、コスト削減を実現します。これらのシステムは、プロセス産業施設で冷却塔または空調用に繰り返し使用される淡水のわずか 2% しか使用せず、ほぼすべての水 (98% のみ) を使用し、エネルギーをほとんど必要としません。
利点:
推測できる直接的な利点は、エネルギーと水の使用が最小限であるため、運用コストが低くなることです。
生産率と生産中の特定の期間を改善するために、産業のさまざまなパラメーターを最適化します。
冷却塔の環境上の利点
上記の説明から明らかなように、冷却塔は、人間の快適さを冷却する空調システムとして、またはオープンな水冷式産業用熱交換器として機能するように効果的に設計されています。
冷却塔は環境に何倍も有益であるため、産業用冷却のニーズに最適なソリューションになります。これらは、さまざまな水処理化学薬品の使用を削減し、産業活動で環境に放散される熱量を最小限に抑えるのに役立ちます。
利点:
冷却水がリサイクルされるという意味で水資源を節約します。
プロセスの廃熱を効率的に空気中に拡散させることで、熱汚染を最小限に抑えます。
冷却塔の運用とメンテナンス
冷却塔の水処理とメンテナンス
冷却塔は、内部温度を維持するために HVAC システムに不可欠な部分であり、機器や人間の健康に悪影響を与える可能性のある汚染を避けるために適切な水処理と管理が必要です。
水処理は、これらの塔が可能な限り短いサービス期間で効率的に動作することを保証する上で不可欠なものの 1 つです。スケールの形成、腐食、循環水中で増殖する微生物の量を防ぐために、循環水を処理する必要があります。
水処理:
スケール防止: スケール上に発生する可能性のあるこれらの堆積物は、水の流れを妨げ、熱伝達を損なう可能性があります。水処理に使用される化学薬品には、次のものがあります。スケール防止剤 – 水にスケールが形成されないように処理するために使用されます。
腐食防止: 多くの塔には金属構造物やパイプラインが含まれており、化学薬品や攻撃的な環境にさらされるため、腐食が発生します。これは、水に溶ける防止剤を使用して金属表面の腐食の影響を最小限に抑えるためです。
微生物制御: 冷却塔内の水は暖かく飽和しており、細菌や藻などの微生物の増殖につながる可能性があることに注意することが重要です。細菌の増殖を抑制し、生物付着のプロセスを停止するために、通常、殺生物剤が使用されます。
冷却塔の定期メンテナンスの重要性
冷却塔は、ユニットにリスクをもたらしたり、ユニットを流れる水を損なったりする可能性のある厳しい気象条件、化学物質、ほこり、その他の粒子にさらされています。このため、冷却塔の定期的なメンテナンスは、冷却塔アプリケーションを流れる流体が清潔で安全に使用できること、および塔が日常の使用に耐えるほど十分に頑丈であることを保証する上で非常に重要です。
高い運用効率を達成し、冷却塔の耐用年数を長く維持するには、定期的にメンテナンスを行う必要があります。メンテナンス活動には次のものが含まれます。
検査と清掃: 定期的な検査により、スケール、腐食、表面の汚れなどの問題をタイムリーに評価できます。充填材や熱伝達装置のその他のコンポーネントの清掃などのメンテナンス手順により、装置内の空気の流れと熱伝達率が向上します。
水質監視: 水質を評価および維持する技術には、水の効率を確保するための pH、導電率、殺生物剤などがあります。
機械メンテナンス: ファン、モーター、ポンプの定期的なチェックと保守により、運用が確保され、故障が防止されます。
冷却塔システムの設計とサイズ設定
集中サイクル
集中サイクルは、知識やその他の資料が集中している冷却塔で行われるサイクルです。
集中サイクルは、蒸気を作るプロセスに導入される新しい水を指し、循環水は、必要な温度まで冷却された後にプロセスで再利用される水を指します。
重要性:
効率: 濃縮サイクルの高頻度化との正の相関関係により、新鮮な補給水の必要性が少なくなり、節水が促進されます。
水質: 濃縮サイクルの中断を最小限に抑えることで、溶解したミネラルの溶解度が維持され、スケールや汚れの形成の可能性が減ります。
湿球温度とその重要性
湿球温度は、冷却塔のシステム全体の設計と運用において重要なパラメータです。周囲の空気の温度と湿度を考慮し、蒸発冷却塔で水を冷却できる最低温度を表します。
重要性:
設計基準: 湿球温度は、冷却水の理論上の最低温度を決定するために使用され、冷却塔の設計とサイズ決定の指針となります。
性能: 湿球温度を理解することは、さまざまな気候条件下での冷却塔の性能を評価するのに役立ちます。
結論
冷却塔は、産業プロセスで使用される熱を伝達し、効率的な熱エネルギー除去を提供し、エネルギー消費を削減し、全体的な運用効率を向上させる上で不可欠な役割を果たします。蒸発冷却の原理を活用することで、これらの閉回路冷却塔は熱を効果的に管理し、機械とプロセスのスムーズな運用を保証します。
定期的なメンテナンスと効果的な水処理は、冷却塔の寿命と性能にとって重要ですが、濃縮サイクルや湿球温度などの要因に基づいた慎重な設計とサイズ決定により、最適な運用が保証されます。発電から化学・食品加工工場、石油精製まで、さまざまな産業用途において、冷却塔はエネルギー効率、コスト削減、環境の持続可能性など、大きなメリットをもたらします。