JP2016211775A - 湿式冷却塔装置用空気−空気熱交換器バイパス及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却塔において費用効果が良く且つ効率的なプルーム減少装置及び方法を提供する。
【解決手段】蒸発手段を、その蒸発手段上に高温液体を散布する液体散布システム（３２）と共に有する冷却塔（１０）。冷却塔は、各々が第１の流れダクト（２０）と流体連通状態にある第１の組をなす通路（１７）及び第２の流れダクト（２２）と流体連通状態にある第２の組をなす通路（１９）を備えた１対の熱交換器モジュール（１８）を有する。熱交換器モジュールは、熱を第１の空気流から第２の空気流に伝達する。冷却塔は、第１の熱交換器モジュールと第２の熱交換器モジュールとの間に延びる第１のバイパス流路（７０）を更に有し、バイパスドア（２４）がこれを通る空気流を調節する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、冷却塔又は他の放熱（熱を捨てる）装置等のためのプルーム減少に関する。特に、本発明は、冷却塔における費用効果が良く且つ効率的なプルーム減少方法及び装置に関する。

蒸気駆動式タービンを用いる発電では、水をバーナにより加熱して水蒸気を発生させ、この水蒸気は、タービンを駆動して電気を生じさせる。この目的に必要な清浄水の量を最小限に抑えるためには、熱を除去することによって水蒸気を水に変換して戻さなければならず、その結果、水をこのプロセスにおいて再使用することができるようになる。大型建物用の空調システムでは、建物内の空気を冷却状態の冷媒ガスを収容したコイル中に強制的に通し、それにより熱を建物の内部から冷媒ガスに伝達する。次に、温められた冷媒を建物の外部に管で送り、この場合、過剰の熱を冷媒から除去しなければならず、その結果、冷媒ガスを再び冷却し、冷凍プロセスを続行することができる。

上述のプロセスと過剰の熱を放散させるステップを必要とする多くの他のプロセスの両方において、冷却塔が採用されている。湿式冷却塔では、水を加熱状態の水蒸気、冷媒又は他の加熱状態の液体若しくはガスを収容した凝縮器コイルにポンプ輸送で通し、それにより熱を水に伝達する。次に、水を冷却塔の熱交換部分にポンプ輸送して薄い板材又はスプラッシュバーで構成された冷却塔手段上に吹き付ける。水が冷却塔手段に沿って流下すると、周囲空気を加熱状態の水に強制的に通し、熱を顕熱伝達と蒸発による熱伝達の両方によって水から空気に伝達する。次に、空気を冷却塔から強制的に出して周囲空気中に放出する。

冷却塔は、この過剰の熱を放散させる非常に効率的で且つ費用効果の良い手段であり、かくして、この目的のために広く用いられている。しかしながら、冷却塔に関して認識されている欠点は、或る特定の大気条件下では加熱状態の水源からの水分が蒸発し、冷却塔の頂部から運び出されている空気流中に入ることによってプルーム（ｐｌｕｍｅ）を生じさせる場合があるということにある。冷却塔が発電所の場合のように極めて大型である場合、このプルームは、冷却塔の付近で低く立ち込める霧を生じさせる場合がある。プルームは又、低い温度によりプルーム中の水分が凍結する冷却塔の付近の路上において着氷を生じさせる場合がある。

したがって、冷却塔により生じるプルームを制限し又はなくすための技術的努力がなされている。かかる技術的努力としては、例えば、周囲空気が、冷却塔の底部のところで取り込まれ、温水が充填パック上に下方へ噴霧されるときにその充填パックを通って上方に押しやられることに加えて、温水スプレーヘッドの下に位置する隔離された熱伝達通路を通って冷却塔中に運び込まれるプルーム減少型冷却塔が挙げられる。熱伝導性材料、例えばアルミニウム、銅等で作られたこれら通路により、周囲空気は、水分が蒸発して空気中に放出されることなく、熱のうちの何割かを吸収することができる。冷却塔の頂部のところでは、湿り気を含んだ加熱空気と乾き加熱空気が混合され、それにより、プルームが減少する。

別の例は、温水が冷却塔中に導入される前に部分的に冷却されるプルーム防止システムである。温水の部分的冷却は、別個の冷却手段、例えば空気又は水で動作する別個の熱交換器を用いて実施される。別の熱交換器は、冷却塔の効率を減少させ、かくして、プルームが冷却塔によって作られる大気条件が存在する場合にしか使用されるべきではない。

湿式冷却塔においてプルームを減少させるよう設計されたシステムの別の例がポール・エー・リンダル・ジュニア等（Paul A. Lindahl, Jr.,et al.），「プルーム・アベートメント・アンド・ウォーター・コンサベーション・ウィズ・ジ・ウエット／ドライ・クーリング・タワー（Plume Abatement and Water Conservation with the Wet/Dry Cooling Tower）」，テクニカル・ペーパー・ナンバー・ティーピー９３−０１（Technical Paper Number TP93-01）所収，ザ・クーリング・タワー・インスティトュート・１９９３・アニュアル・ミーティング（the Cooling Tower Institute 1993 Annual Meeting）に見受けられる。この論文に記載されたシステムでは、先ず、温水が乾き空気冷却部分中にポンプ輸送され、ここで、空気は、温水の流れに連結された熱交換フィンを横切って押し込まれる。次に、部分的に冷却された水を乾き空気冷却部分の下に配置された充填パック上に吹き付け、そして空気を充填パック中に押し通し、それにより水を一段と冷却する。次に、湿り空気を冷却塔内で上方に押しやって、乾燥冷却プロセスからの乾燥乾き空気と混合し、そして冷却塔の頂部から強制的に追い出す。

上述のシステムは、湿式冷却塔のプルームに関する問題に対する有用な解決手段を提供しているが、これらシステムは全て、複雑でコストのかかる湿式及び乾式空気熱伝達機構の構造を必要としている。さらに、かかる塔は、「無プルーム」の減少モードで動作する場合、多量のファンエネルギーが消費されて空気が熱交換器パック中に引き込まれ、それにより冷却塔の運転費が著しく増大する。したがって、コストをそれほど増大させないで冷却塔を「無プルーム」の減少モードで動作させることができる安価なプルーム減少方法及び装置が要望されている。

冷却塔に関して認識されている別の問題は、冷却に用いられる水が汚染物質の濃くなった状態になるという場合がある。水が蒸発して冷却塔から出ると、追加の水が加えられるが、水中の汚染物質が濃縮状態になるということは、容易に認識されるべきであり、その理由は、汚染物質が蒸発熱と一緒に除去されないからである。化学物質が冷却水を処理するために冷却水に添加される場合、これら化学物質は、高濃縮状態になる場合があり、このことは、環境中に放出される場合に望ましくない場合がある。海水又は廃水が蒸発した水に取って代わるよう用いられる場合、清水が利用できない又はコスト高である通常の手法においては、冷却水の中の塩及び固形物が冷却水回路中にも堆積する場合がある。これら汚染物質が濃縮状態になると、かかる汚染物質は、薄い蒸発板材相互間で固化する場合があり、それにより冷却塔の冷却効率が低下する。

上述の問題の発生を阻止するため、濃縮状態の汚染物質を含む水の一部分を「ブローダウン」してこれを水源からの清水で置き換えることが通常のやり方である。これは、冷却塔水中の汚染物質が過度に濃縮状態になるのを阻止するが、ブローダウンプロセス中、水の排出による環境上重大な問題が生じる場合がある。したがって、冷却塔内における水の消費量を減少させる技術的努力がなされている。

ウー等（Houx et al.）に付与された米国特許第４，０７６，７７１号明細書は、冷却塔中の水消費量を減少させる技術の現状を記載している。この米国特許明細書に記載されたシステムでは、冷却塔の蒸発による熱伝達手段と顕熱による熱伝達を行うコイル部分の両方が同一システム内に設けられている。コイルの顕熱伝達により、プロセス水の冷却が行われるが、水が消費されることはない。

上述の米国特許明細書は、先行技術の冷却塔に対して顕著な技術的改良をもたらしているが、プルームからの水を再捕捉してこれを冷却塔水リザーバ中に戻し、顕熱伝達のためのコイル部分を必要としない機構が開発されると望ましい場合がある。

注目された別の問題は、携行飲料水を作るための海水の脱塩及び他の水源の浄化である。浄水を湿った空気流から除去する多くの手法が開発された。主要な商業的プロセスとしては、マルチ−ステージフラッシュ蒸発法（Multi-Stage Flash Distillation）、多重効用蒸発法（Multiple Effect Distillation）、蒸気圧縮蒸留法（Vapor Compression Distillation）及び逆浸透法（Reverse Osmosis）が挙げられる。これについては、国際脱塩協会に代わってオー・ケー・ブロス（O.K. Buros）により作成され、リサーチ・デパートメント・サリン・ウォーター・コンバージョン・コーポレイション（Research Department Saline Water Conversion）により改訂されて再版（１９９０）された「ザ・デソルティング・エービーシーズ（The Desalting ABC's ）」を参照されたい。脱塩又は廃熱のための低温水を使用するシステムの例としては、次のものが挙げられる。

ルー等（Lu, et al.），「ゼロ・ディスチャージ・デソリネーション（Zero Discharge Desalination）」，プロシーディングス・フロム・ジ・アメリカン・デソルティング・アソシエーション・ノース・アメリカン・バイエニアル・カンファレンス・アンド・エクスポジション（Proceedings from the ADA North American Biennial Conference and Exposition），２０００年８月。この論文は、低温空気流及び低級廃熱源からの温かい湿った空気流から清水を生じさせる装置に関する情報を提供している。清水は２つの空気流を分離する壁に沿って凝縮する。また、低温水を温かい湿った空気に吹き付けて凝縮を促進する。

バウムガルトナー等（Baumgartner, et al.），「オープン・マルチプル・エフェクト・デソリネーション・ウィズ・ロー・テンパーチャー・プロセス・ヒート（Open Multiple Effect Desalination with Low Temperature Process Heat）」，インターナショナル・シンポジウム・オン・デソリネーション・アンド・ウォーター・リユース（International Symposium on Desalination and Water Re-Use），第４巻，１９９１年。この論文は、脱塩のために用いられるプラスチック管型熱交換器に関する情報を提供しており、このプラスチック管型熱交換器は、プラスチック管の内部の低温の流水及び管の外面に沿って流れる温かい湿った空気を用いる。凝縮水が低温管の外面に生じる。

現在用いられている他の冷却塔は、もっぱら水保存のために特別に設計されている。水保存のためのかかる冷却塔では、乾き空気が冷却塔凝縮器の乾燥経路を通って常時流されていて、流出空気から蒸気を凝縮させる。これら冷却塔は、水を保存するが、冷却塔の熱的性能は、典型的には、冷却が熱交換に関して非効率的になる場合があるので影響を受ける。

米国特許第４，０７６，７７１号明細書

ポール・エー・リンダル・ジュニア等（Paul A. Lindahl, Jr.,et al.），「プルーム・アベートメント・アンド・ウォーター・コンサベーション・ウィズ・ジ・ウエット／ドライ・クーリング・タワー（Plume Abatement and Water Conservation with the Wet/Dry Cooling Tower）」，テクニカル・ペーパー・ナンバー・ティーピー９３−０１（Technical Paper Number TP93-01）所収，ザ・クーリング・タワー・インスティトュート・１９９３・アニュアル・ミーティング（the Cooling Tower Institute 1993 Annual Meeting） オー・ケー・ブロス（O.K. Buros），「ザ・デソルティング・エービーシーズ（The Desalting ABC's ）」，リサーチ・デパートメント・サリン・ウォーター・コンバージョン・コーポレイション（Research Department Saline Water Conversion）改訂・再版（１９９０） ルー等（Lu, et al.），「ゼロ・ディスチャージ・デソリネーション（Zero Discharge Desalination）」，プロシーディングス・フロム・ジ・アメリカン・デソルティング・アソシエーション・ノース・アメリカン・バイエニアル・カンファレンス・アンド・エクスポジション（Proceedings from the ADA North American Biennial Conference and Exposition），２０００年８月 バウムガルトナー等（Baumgartner, et al.），「オープン・マルチプル・エフェクト・デソリネーション・ウィズ・ロー・テンパーチャー・プロセス・ヒート（Open Multiple Effect Desalination with Low Temperature Process Heat）」，インターナショナル・シンポジウム・オン・デソリネーション・アンド・ウォーター・リユース（International Symposium on Desalination and Water Re-Use），第４巻，１９９１年

熱的性能を向上させる典型的な対応策は、ファン出力を増大させること（それにより運転費が増大する）又は冷却塔の平面図で見た場合の面積を増大させること（それにより資本費が増大する）或いはこれらの手段の両方を行うことである。増大したファン電力又は平面図で見た場合の面積をほどほどのコスト増大に抑制する設計例が極めて望ましい。上記の内容は、プルーム減少モードと非減少モードの両方で動作することができ、それにより運転費をそれほど増大させないあらゆる天候条件において所望の熱伝達を効果的且つ効率的に行うことができる冷却塔等が要望されていることを示している。

本発明の一観点では、垂直軸線を有する冷却塔であって、冷却塔は、垂直軸線に沿う第１の位置に配置された蒸発手段と、高温液体を蒸発手段上に散布する液体散布システムと、第１の流れダクトと流体連通状態にある第１の組をなす通路及び第２の流れダクトと流体連通状態にある第２の組をなす通路を備えた第１の熱交換器モジュールと、第３の流れダクトと流体連通状態にある第３の組をなす通路及び第４の流れダクトと流体連通状態にある第４の組をなす通路を備えた第２の熱交換器モジュールと、第１の熱交換器モジュールと第２の熱交換器モジュールとの間に延びる第１のバイパス流路と、空気を第１、第２、第３、第４の組をなす通路及び冷却塔を通過するバイパス流路に差し向ける空気流発生器とを有することを特徴とする冷却塔が提供される。

本発明の別の観点では、冷却塔内の空気流の熱含有量を減少させる方法であって、第１の空気流を第１の熱交換器モジュールの第１の組をなす通路中に差し向けるステップと、第２の空気流を第１の熱交換器モジュールの別の第２の組をなす通路中に差し向けるステップと、第３の空気流を第２の熱交換器モジュールの第３の組をなす通路及び第１のバイパス経路中に差し向けるステップと、第４の空気流を第２の熱交換器モジュールの別の第４の組をなす通路及び第２のバイパス経路中に差し向けるステップと、熱を第１の空気流から第２の空気流に伝達するステップとを含むことを特徴とする方法が提供される。

本発明の別の観点では、冷却塔であって、第１の空気流を第１の熱交換器モジュールの第１の組をなす通路中に差し向ける手段と、第２の空気流を第１の熱交換器モジュールの別の第２の組をなす通路中に差し向ける手段と、第３の空気流を第２の熱交換器モジュールの第３の組をなす通路中に差し向ける手段と、第４の空気流を第２の熱交換器モジュールの別の第４の組をなす通路及びバイパス経路中に差し向ける手段と、熱を第１の空気流から第２の空気流に伝達する手段とを有することを特徴とする冷却塔が提供される。

本発明の更に別の観点では、垂直軸線を有する冷却塔であって、冷却塔は、垂直軸線に沿う第１の位置に配置された蒸発手段と、高温液体を蒸発手段上に散布する液体散布システムと、第１の流れダクトと流体連通状態にある第１の組をなす通路及び第１の流れダクトと流体連通状態にある第２の組をなす通路を備えた第１の熱交換器モジュールと、第２の流れダクトと流体連通状態にある第３の組をなす通路及び第２の流れダクトと流体連通状態にある第４の組をなす通路を備えた第２の熱交換器モジュールと、第２の熱交換器モジュールを第１の位置から第２の位置に並進させる昇降装置と、空気を第１、第２、第３、第４の組をなす通路及び冷却塔を通過するバイパス流路に差し向ける空気流発生器とを有することを特徴とする冷却塔が提供される。

本発明の更に別の観点では、垂直軸線を有する冷却塔であって、冷却塔は、垂直軸線に沿う第１の位置に配置された蒸発手段と、高温液体を蒸発手段上に散布する液体散布システムと、第１の流れダクトと流体連通状態にある第１の組をなす通路及び第２の流れダクトと流体連通状態にある第２の組をなす通路を備えた第１の熱交換器モジュールと、第３の流れダクトと流体連通状態にある第３の組をなす通路及び第４の流れダクトと流体連通状態にある第４の組をなす通路を備えた第２の熱交換器モジュールと、第１の流れダクト内に配置され第１の流れダクトを通る流れを調節する湿式経路ダンパと、空気を上記の流れダクト及び上記の通路を通じて導く空気流発生器とを有することを特徴とする冷却塔が提供される。

かくして、以下の本発明の詳細な説明を良好に理解するために且つ当該技術分野に対する本発明の貢献を良好に理解することにできるようにするために本発明の重要な特徴の概要をかなり広義に説明した。当然のことながら、以下に説明し且つ本願に添付された特許請求の範囲の要旨をなす本発明の追加の特徴が存在する。

この点に関し、本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の用途が以下の説明に記載され又は図面に示されたコンポーネントの構成の細部及び配置に限定されることがないことは理解されるべきである。本発明は、他の実施形態で実施可能でありしかも種々の仕方で具体化されて実施可能である。また、本明細書で用いられる語句及び用語並びに要約は、説明の目的上のものであり、本発明を限定するものと介されてはならないことは理解されるべきである。

したがって、当業者であれば、本発明の基礎をなす概念を本発明の幾つかの目的を達成する他の構造、方法及びシステムの設計のための基礎として容易に利用できることは理解されよう。したがって、特許請求の範囲の記載は、かかる均等な構成例が本発明の精神及び範囲から逸脱しない限り、かかる均等構成例を含むものとして解されることは、重要である。

本発明の実施形態による最大熱的性能モードにある冷却塔の略図である。 本発明の実施例によるプルーム減少モードにある図１に示した冷却塔の略図である。 本発明の実施形態による部分プルーム減少モードにある図１に示した冷却塔の略図である。 本発明の変形実施形態による冷却塔の略図である。 本発明の変形実施形態による熱交換モジュールが機械的に持ち上げられた状態の冷却塔の略図である。 図５に示された冷却塔の略図であり、本発明の変形実施形態による熱交換モジュールが機械的に下げられた状態を示す図である。 本発明の変形実施形態に従って熱交換モジュールが機械的に回転した状態の冷却塔の略図である。 図７に示された冷却塔の略図であり、本発明の変形実施形態による熱交換モジュールが機械的に回転した状態を示す図である。 本発明の変形実施形態による湿式ダクトダンパを備えた冷却塔の略図である。 本発明の別の変形実施形態による、熱交換モジュールの位置に配置された湿式ダクトダンパを備えた冷却塔の略図である。

次に図を参照すると（図中、同一の参照符号は、同一の要素を示している）、図１〜図３は、全体が符号１０で示された冷却塔装置を示しており、この冷却塔装置は、支持フレーム組立体１２及びシュラウド１４を有し、このシュラウド内で空気流発生器１６（軸流ファン）が作動する。冷却塔１０は、主要構成要素として、エリミネータ（除去装置）１５によって互いに隔てられた湿式直接冷却部分１１及び乾式間接冷却部分１３を有している。冷却塔１０は、直列に位置決めされると共に差し向けられた複数個の熱交換器モジュール（以下「熱交換モジュール」という場合がある）１８を有し、各熱交換器モジュールは、乾き空気ダクト（以下「乾式ダクト」という場合がある）２０及び湿り空気ダクト２２と流体連通状態にある。個々の熱交換器モジュール１８は、好ましくは、全体としてひし形又はひし形の形態をしているが、変形例として、任意の機能的な幾何学的形状のものであっても良い。上述したように、冷却塔１０は、更に、各々が空気入口又はダンパ３８を備えた一連の周囲又は乾き空気ダクト２０を、温かい湿り空気又は流出物を通過させる一連の温かい空気（温風）又は湿り空気ダクト２２と共に有する。周囲空気ダクト２０は、図示のように個々の熱交換器パックモジュール１８につながっており、その結果、空気ダクト２０は、矢印で示されているように熱交換器モジュールを介して経路１７と連通関係をなしている。温かい空気又は温風ダクト２２も又、図示のように個々の熱交換器モジュールに連結されているが、温かい空気ダクト２２は、別の経路１９と連通状態にある。通路１７，１９の経路は、流出物の湿った空気又は流出物を個々の熱交換器モジュールを介して流通させることができる。周囲空気ダクト２０と温かい空気ダクト２２の両方は、熱交換器モジュール１８の下に位置決めされている。便宜上ダクトは１つの空気経路を１つのモジュールに供給するように定義され、例えば、冷却塔の区画（ベイ）は壁で囲まれ又は仕切られている。２つの隣接するモジュールは、１つの共通のダクトにより供給されるのがよい。しかしながら、モジュールは、湿り空気経路及び乾き空気経路を半区画毎に交互に入れ替えるように構成されるのもよい。例えば、図１において、ダクトは左から右に符号２２、２０、２０、２２、２２、２０、２０、２２、２２、２０、２０、２２が付されている。これに代えて、ダクトは、符号が左から右に２２、２０、２２、２０、２２、２０、２２、２０、２２、２０、２２、２０となるように仕切られることもできる。

次に特に熱交換器モジュール１８を参照すると、本発明の一実施形態では、各モジュールは、蒸気凝縮熱交換器パックである。各熱交換器モジュール１８は、２つの互いに異なる空気流のための第１の経路１７及び第２の経路１９を有するパックを形成するよう互いに結合された薄い板材で構成されている。好ましい実施形態では、２つの空気流は、各々互いに直角をなして熱交換器モジュール１８に流入し、そして薄い板材によって別々に保たれる。

薄い板材は、通路１９を通って流れる加熱された水を含む空気流から蒸気を凝縮させて熱を通路１７を通って流れる低温空気流に伝達するのを助けるよう形作られた比較的薄い合性樹脂材料である。好ましい実施形態では、この材料の厚さは、０．００５〜０．０４０インチ（０．１２７〜１．０１６ｍｍ）であるが、好ましくは、０．０１５〜０．０２０インチ（０．３８１〜０．５０８ｍｍ）である。表面は、空気流の流量に対して最小限の量の抵抗を示す状態で空気流の各々に提供される拡大された表面領域を提供するよう模様付けされているのが良い。他の表面模様パターンとしては、ゴルフボールのテキスチャに類似したディンプルやプラスチックシートにエンボス加工されたスクリーンパターンに類似したガード付きテキスチャが挙げられるが、これらには限定されない。この表面積の増大により、薄い板材の熱伝達能力が向上すると共に板材表面の近くの速度の変動が高まり、それにより個々の空気流の局所混合度が向上する。変動の増加及びその結果としての空気流の局所混合は又、板材の熱伝達能力を向上させる。

上述したように、熱交換モジュール１８の各々は、互いにオフセットしており、隣り合うモジュール１８は、これらモジュールの隣接の箇所が実質的に隔てられるよう高さが変化している。図１〜図３に示されているように、冷却塔１０は、隣り合う熱交換モジュール相互間に配置された一連の空気バイパスドア２４を更に有している。５つの空気バイパスドアが示されているが、これよりも多い又はこれよりも少ないバイパスドア２４が冷却塔１０のサイズに応じて使用されるのが良い。また、図１には、全体が符号２６で示された一連の乾式ダクトベントドアが示されており、これら乾式ダクトベントドアは、それぞれの乾式ダクト２０の各々の底部のところに配置され、これらドアは、ダクト２０中への温かい流出物の流れを制御するよう動作する。

図１〜図３に示すと共に上述したように、間接熱交換モジュール１８が直接冷却部分１１の上方で間接冷却部分１３内に配置され、直接冷却部分１１は、蒸発手段３０、例えば充填板材又は任意の熱交換手段等を図示のように向流配置状態で有している。直接蒸発部分１１は、更に、一連の導管及びノズル３３を含む温水散布システム３２を有し、温水がそれらの導管及びノズルを通って流れる。動作中、冷却用空気ベクトル３４で表された低温乾き空気が蒸発手段３０の下で冷却塔に流入する。

次に特に図１を参照すると、冷却塔１０は、最大熱的性能動作モード又は位置で示されている。最大熱的性能により、熱交換モジュール１８は、互いにオフセットしており、それにより、隣り合うモジュールは、上述したようにこれらモジュールの隣り合う箇所が実質的に互いに隔てられるように、高さが変化していることが理解される。この最大熱的性能位置では、バイパスドア２４の各々は開いており、同様にベントドア２６の各々も開いており、他方、乾燥ダンパ３８は、閉じられている。

したがって、この最大熱的性能モードでの動作中、熱源からの温水は、導管を通ってポンプ輸送されてスプレーノズル３３に至り、そして蒸発手段３０上に吹き付けられる。他方、１つの軸流ファン（又は複数のファン）１６は、ベクトル及び矢印３４で示されているように低温周囲空気の空気流を蒸発手段３０中に引き込む。蒸発手段３０内において、空気が加熱され、水分が蒸発して空気流になる。加熱された水を含む空気は、次に、矢印３６で示されているように乾き及び湿り空気流れダクト２０，２２中に差し向けられる。このモードでは、周囲空気は、乾燥ダンパ３８が閉じられているので乾式ダクト２０を経て冷却塔１０に入るのが制限される。

矢印３６で示されているように、加熱水含有空気は、乾き空気ダクト２０と湿り空気ダクト２２の両方に入ってこれを通って流れる。開いたバイパスドア２４により、ダクト２０及び２２からの加熱水含有空気３６の一部は、熱交換器モジュール１８を通り抜けることを避けることができる。具体的に言えば、熱交換モジュール１８をバイパスする空気又は流出物は、熱交換器モジュール１８を通過しなければならない空気の量を減少させ、したがって、各モジュール１８を通る空気の速度が小さく、その結果として生じる圧力降下が低い。さらに、バイパスドア２４及び熱交換器モジュール１８を通過した空気が共通のプレナム４０に入るので、ドア２４及びモジュール１８を通る速度は、共通の圧力降下をもたらすよう調節されることになる。

次に特に図２を参照すると、冷却塔１０は、プルーム減少モードで又は図１に示された最高性能モードに対して部分性能モードにある。プルーム減少モードによって、空気バイパスドア２４は、乾式ダクトベントドア２６と共に閉じられており、他方、乾燥ダンパ３８は、部分的に又は完全に開かれていることが理解される。動作中、直接熱交換部分１１は、図１に示された最大熱的性能モードと関連して説明したのと同様に動作する。加熱水含有空気又は流出物がエリミネータ１５を通過して間接熱交換部分１３に入るとき、ベントドアは閉じられており、流出空気流を湿式ダクト２２中に押し込み、そして熱交換モジュール１８中に押し込む。上述したように、ダンパは、部分的に又は完全に開かれており、流出物は、次に、湿式ダクト２２を通って進んで熱交換モジュール１８の上述の空気流通路１９のうちの１つに入る。他方、上述したように、周囲乾き空気は、ダンパ３８を経て乾き空気ダクト２０に入って第２の空気流を生じさせる。周囲乾き空気は、次に、好ましくは流出物の流れに垂直に熱交換器モジュール１８の別個の空気流通路１７中に差し向けられる。周囲乾き空気は、熱交換器モジュール１８上に低温表面を生じさせるよう働き、それにより熱が第１の空気流から第２の空気流に伝わることができるようにする。周囲乾き空気は又、流出物又は第１の空気流からの水蒸気を凝縮させるための低温表面を熱交換器モジュール１８上にもたらす。流出物からの凝縮液は、次に、冷却塔の熱交換冷却部分の熱交換器モジュール１８から落下する。２つの空気流が熱交換モジュール１８を出ると、これら２つの空気流は、プレナム４０内で結合又は混合し、そしてシュラウド１４を経て流出する。

このモードでは、乾き空気ダクト２０の入口に設けられた乾燥ダンパ３８を完全に開いて最大プルーム減少モードにしても良く或いはこれを絞って乾き空気取り入れ量を減少させて湿式部分１１の空気流を増加させても良い。しかしながら、周囲温度が上昇すると、冷却は、十分ではないが、或る程度のプルーム減少が依然として望ましい場合がある。

次に図３を参照すると、冷却塔１０は、部分プルーム減少位置で示されており、この位置では、冷却塔は、図２に示された位置と比較してより高い湿式部分１１の性能をもたらす一方で、依然としてプルーム減少を可能にする。空気バイパスドア２４と乾式ダクトベントドア２６の両方が図２に示された向きで閉じられているが、図３に示された部分減少モードでは、湿式ダクトの空気バイパスドア２４は開かれ、他方、乾式ダクトの乾式ダクトドア２６及び空気バイパスドア２４は閉じられている。乾き空気ダクトの入口に設けられた乾燥ダンパ３８を完全に開いて最大プルーム減少モードにしても良く或いは、これを絞って乾燥空気取り入れ量を減少させて湿式部分空気流を増加させても良い。しかしながら、周囲温度が上昇すると、冷却は、十分ではなく、或る程度のプルーム減少が依然として望ましい場合がある。具体的に説明すると、このモードでは乾き周囲空気は、乾式ダクト２０を通り、そして熱交換モジュール１８の通路１７を通って流れ、湿り流出物の一部分は、バイパスドア２４が開かれているので熱交換モジュール１８をバイパスし、他方、湿り流出物の残部は、通路１９を通って流れる。この場合も又、流出物のバイパスにより、互いに異なる空気経路を通る全体的圧力低下を減少させることができる。湿式部分を通る空気流が増加し、それにより熱的性能が高められる。

次に図４を参照すると、本発明の変形実施形態が示されている。図示のように、冷却塔１０は、図１〜図３と関連して開示すると共に説明した実施形態と動作及び機能の面で極めて類似しているが、この変形実施形態では、モジュール１８は、同一高さ位置に配置されている。図４に示されているように、交互に位置する熱交換器モジュール１８の高さを上げてこれらモジュール１８の隣接の箇所相互間に空間を形成するのではなく、モジュール１８を交互に回転させて隣り合うモジュール１８を隔て、それによりバイパスドア２４によって制御されるバイパス経路７０を作る。あるいは、区画（ベイ）の間隔を増大させ、ひし形を回転させる必要なしにひし形の間の空間を形成することができる。そして、ひし形の間の空間はバイパスドアに合わせられる。

次に図５及び図６を参照すると、本発明の別の変形実施形態が示されており、この場合、熱交換モジュール１８は、機械的直動昇降装置５０により機械的に昇降される。昇降装置５０は、被動ロッド、スクリュージャッキ、滑車装置、油圧シリンダ又はモジュール１８の高さを変更させることができる他の装置であるのが良い。図５は、冷却塔１０を最大熱的性能モードで示しており、この場合、交互のモジュール１８が持ち上げられてモジュール１８が互いに異なる高さ位置に位置決めされ、それによりバイパス経路５２が作られる。このモードでは、乾き空気ダンパ３８は、閉じられ、他方、乾式ダクトベントドア２６は、開かれ、それにより流出物がモジュール１８をバイパスすることができ、したがって最大熱的性能が得られる。

変形例として、図６は、プルーム減少モードの冷却塔を示しており、この場合、モジュール１８は、同一の高さ位置に配置され、それによりバイパス経路が遮断される。このモードでは、乾式ダクトベントドア２６は、閉じられ、周囲空気ダンパ３８は、開かれ、それにより乾式ダクト２０を通ってモジュールの通路１７に入る低温空気（冷風）の流れが可能になり、他方、湿り流出物は、湿式ダクト２２だけを通って通路１９のうちの他方に流れる。

次に図７及び図８を参照すると、本発明の更に別の変形実施形態が示されている。この実施形態は、図５及び図６に示された実施形態に類似しているが、熱交換器モジュール１８を互いに異なる高さに動かし又は並進させるのではなく、モジュール１８を回転させてバイパス経路５４を作る。図７及び図８に示されているように、冷却塔１０は、昇降機械的システム５６、例えばケーブル、滑車及び直動昇降装置を有する。図７に示されているように、冷却塔１０は、最大熱的性能モードにあり、それにより熱交換器モジュール１８を上方に回転させてバイパス経路５４が作られる。

図８は、変形例として、冷却塔をプルーム減少モードで示しており、それにより、モジュール１８を下方に回転させると、隣り合う箇所が近接し、それによりバイパスを閉じて湿り流出物がそれぞれのモジュールを通って流れるようにし、他方、開いた状態のダンパ３８は、乾き空気ダクト２０を通ってモジュール内に入る乾き周囲空気の流れを可能にする。

冷却塔のいくつかの用途は、１年の寒い時期又は冬期の緩和された熱負荷を有するのがよい。例えば、建物の空調システムは、冬期においては夏期と比較して明らかに低い熱負荷を有することがある。また、多くのプロセスは、しばしば設定値（セットポイント）と呼ばれる低温水最低温度を有する。従って、低温水温度は上記の設定値に又は設定値より高く保たれなければならない。

空調システムの例では、冷却機はしばしば５０°F（１０℃）の設定値を有する。凍結気候においては、冷却システムにおける氷の形成を回避するプロセスに関わらず、潜在的な低温水最低温度は凍結温度よりも幾分高く、例えば４０°F（４．４℃）である。極寒の日においては、冷却は最小設定値を維持するために制限されなければならない。これは、本発明の湿式ダンパのような、湿式部分空気流を減少させるが乾き空気流を維持し又は望ましくは増加させる機構を採用することにより達成される。

次に図９及び図１０を参照すると、本発明の更に別の変形実施形態であって、冷却塔が湿式部分ダンパドアを有する変形実施形態が示されている。ダンパは図９及び図１０に示された実施形態に関連して詳細に説明されるが、この湿式ダンパは、必要に応じて又は用途に応じて図１乃至図８に示した実施形態のそれぞれにおいても採用できることに留意されたい。図１乃至図８に示したように、湿式部分空気流を制限するダンパドア２０２が用いられる。

次に図９を参照すると、全体が符号２００で示された冷却塔が示されており、この冷却塔は、湿式ダクト２２を通り抜ける空気流を制御する湿式ダクトダンパドア２０２を有している。図９に示した冷却塔２００は、湿式ダクトダンパドア２０２が部分的に閉じられている点を除き図２に示したものに類似している。

通常運転中は、例えば図２に示すように、湿式ダクトダンパドア２０２は開位置に操作され、湿式ダクト２２を通り抜ける空気流を著しく制限しないようになっている。低温水温度が上述した設定値を下回るおそれがある場合、湿式ダクトダンパドア２０２は部分的に閉じられ、湿り空気経路に抵抗を与え、かくして湿り空気流を減少させるのがよい。周囲湿球温度が低下すると、湿式ダクトダンパ２０２は閉位置に向かって漸次調節され、かくして湿り空気流を更に制限し、低温水設定温度を維持する。

図９に見られるように、湿式ダクトダンパドア２０２は、乾式ダクトベントドアと同一高さ位置にある。これは、特に保守点検通路が冷却塔の側面に沿って設けられている場合に好ましい配置である。しかしながら、湿式ダクトダンパドア２０２がダクト内又は空気−空気熱交換器の湿式経路排出までダクトの上方に位置し又は配置された他の配置及び方向を用いても良い。同様に湿式ダクトダンパドア２０２は、湿式ダクト２２の下方に配置することもできる。

次に図１０を参照すると、ダンパドア３１０が空気−空気熱交換器の上に配置されており、湿り空気流及び乾き空気流の混合を補助する流れ方向バッフルとして機能する。図９に示した実施形態と同様に、湿式ダクトダンパは部分的に閉じられており、この概念は図６乃至８に示した構成にも適用される。湿式ダンパを部分的に閉じて湿式ダクト２２内の流れを妨げることにより、湿式冷却が減少し、温度が最小低温水温度（設定値）を下回る可能性が最小化される。

図１０において、図面に示した乾き空気ダクトダンパと同様のいわゆるルーバー又はブレード型ダンパと呼ばれるダンパ３２０を用いるのがよい。別の実施形態は、空気−空気熱交換器の湿り空気経路放出側のヒンジドアである。

本発明の多くの特徴及び多くの利点は、詳細な説明から明らかであり、かくして、本発明の真の精神及び範囲に属する本発明のかかる全ての特徴及び利点を含むことが特許請求の範囲の記載によって意図されている。さらに、多くの改造及び変形が当業者には容易に明らかなので、本発明を図示すると共に説明した構成及び作用そのものに限定することは望ましくなく、したがって、全ての適当な改造例及び均等例は、本発明の範囲に含まれるものである。

１０ 冷却塔
１１ 直接冷却部分
１２ 支持フレーム組立体
１３ 間接冷却部分
１４ シュラウド
１５ 除去装置
１６ 空気流発生器
１７，１９ 経路
１８ 熱交換器モジュール
２０ 乾き空気ダクト
２２ 湿り空気ダクト
２４ バイパスドア
２６ ベントドア
３０ 蒸発手段
３２ 温水散布システム
３３ スプレーノズル
３８ ダンパ
７０ バイパス経路

Claims (19)

1. 垂直軸線を有する冷却塔であって、
   前記垂直軸線に沿う第１の位置に配置された蒸発手段と、
   高温液体を前記蒸発手段上に散布する液体散布システムと、
   第１の流れダクトと流体連通状態にある第１の組をなす通路及び第２の流れダクトと流体連通状態にある第２の組をなす通路を備えた第１の熱交換器モジュールと、
   第３の流れダクトと流体連通状態にある第３の組をなす通路及び第４の流れダクトと流体連通状態にある第４の組をなす通路を備えた第２の熱交換器モジュールと、
   前記第２の熱交換器モジュールを第２の位置及び第３の位置に並進させる昇降装置と、
   空気を前記第１、前記第２、前記第３、前記４の組をなす通路及び前記冷却塔を通過するバイパス流路に差し向ける空気流発生器とを有する、冷却塔。
2. 前記第２の熱交換器モジュールが前記第２の位置にある場合に前記第１の熱交換器モジュールと前記第２の熱交換器モジュールとの間に延びる第１のバイパス流路を有する、請求項１記載の冷却塔。
3. 前記第１のバイパス流路は、前記第２の熱交換器モジュールが前記第３の位置に並進した場合に密封される、請求項１記載の冷却塔。
4. 前記第２の流れダクト内に配置された第１のベントドアを更に有し、前記第１のベントドアは、前記第２の流れダクトを通る前記第２の空気流の流量を調節する、請求項１記載の冷却塔。
5. 前記第３の流れダクト内に配置された第２のベントドアを更に有し、前記第２のベントドアは、前記第３の流れダクトを通る前記第３の空気流の流量を調節する、請求項４記載の冷却塔。
6. 前記第１の熱交換器モジュールは、ひし形の幾何学的形状を有し、前記第２の熱交換器モジュールは、ひし形の幾何学的形状を有する、請求項１記載の冷却塔。
7. 前記第１の流れダクトに設けられた第１のダンパドアを更に有する、請求項１記載の冷却塔。
8. 第２のダンパドア及び前記第４の流れダクトを更に有する、請求項７記載の冷却塔。
9. 前記空気流発生器は、前記第１の空気流を前記第１の組をなす通路中に差し向け、前記空気流発生器は、前記第２の空気流を前記第２の組をなす通路中に差し向ける、請求項１記載の冷却塔。
10. 前記昇降装置は直動昇降装置である、請求項１記載の冷却塔。
11. 前記昇降装置は油圧シリンダである、請求項１記載の冷却塔。
12. 前記昇降装置は被動ロッドである、請求項１記載の冷却塔。
13. 垂直軸線を有する冷却塔であって、
    前記垂直軸線に沿う第１の位置に配置された蒸発手段と、
    高温液体を前記蒸発手段上に散布する液体散布システムと、
    第１の流れダクトと流体連通状態にある第１の組をなす通路及び第２の流れダクトと流体連通状態にある第２の組をなす通路を備えた第１の熱交換器モジュールと、
    第３の流れダクトと流体連通状態にある第３の組をなす通路及び第４の流れダクトと流体連通状態にある第４の組をなす通路を備えた第２の熱交換器モジュールと、
    前記第１の流れダクト内に配置され、前記第１の流れダクトを通る流れを調節する湿式経路ダンパと、
    空気を前記流れダクト及び前記通路を通じて導く空気流発生器とを有する、冷却塔。
14. 更に、前記第１の熱交換器モジュールと前記第２の熱交換器モジュールとの間に延びる第１のバイパス流路を有する請求項１３記載の冷却塔。
15. 前記第１の熱交換器モジュールは、ひし形の幾何学的形状を有し、前記第２の熱交換器モジュールは、ひし形の幾何学的形状を有する、請求項１４記載の冷却塔。
16. 前記第１の熱交換器モジュールは、前記垂直軸線に沿う第２の位置に配置され、前記第２の熱交換器モジュールは、前記垂直軸線に沿い前記第２の位置より上の第３の位置に配置される、請求項１４記載の冷却塔。
17. 前記第２の位置及び前記第３の位置は、前記垂直軸線に沿って前記第１の位置よりも上に垂直に配置される、請求項１６記載の冷却塔。
18. 更に、前記第２の熱交換器モジュールと前記冷却塔の壁との間に延びる第２のバイパス流路と、
    前記第２のバイパス流路内に配置された第２のバイパスドアとを有する、請求項１４記載の冷却塔。
19. 前記蒸発手段は、向流蒸発手段である、請求項１４記載の冷却塔。

Images