JP2018096678A - 冷却塔水分配システム - Google Patents

Abstract

【課題】噴霧システムにおいて、水を分配する改良されたプレートを有する冷却塔直接熱交換装置を提供する。【解決手段】冷却塔の熱交換部の上方に水回収槽が配置され、空気と熱交換を行う。上側重力排水回収槽底部プレート５０は、水が熱交換部に向けて下方に分配されることを許容する複数の噴霧孔５１を有する。噴霧孔のそれぞれは、０．２インチ〜０．６インチの直径を有する。このことにより、蒸発用の水が直接、または間接熱交換器の表面を、むらなく均一に濡らすことが可能になる。【選択図】図３

Description

本発明は、概して、例えば冷却塔、閉鎖回路流体クーラー、流体ヒーター、コンデンサ、エバポレータ、蓄熱システム、空気クーラー又は空気ヒーター等の、蒸発熱交換装置内で使用される改良された噴霧水分配システムに関する。

蒸発熱交換装置のなかには、直接又は間接熱交換器の表面を濡らす重力送りの非加圧噴霧水分配システムを使用するものがある。水は、直接又は間接熱交換器の上方から噴霧され、概して下方に流れて熱交換器の種々の表面を濡らす。空気が熱交換器の濡れた表面から引かれるか強制的に押し込まれ、これにより、空気と濡れた表面上の水の薄膜との間で、潜熱及び顕熱の両方の熱伝達が引き起こされる。

蒸発熱伝達効率を最大にするためには、直接又は間接熱交換器の全ての表面はむらなく均一に濡らされるべきである。部分的に又は不十分にしか濡れていない熱交換器は、熱伝達のロスを引き起こすとともに、熱交換器の表面に付着物が付きやすくなる。

噴霧水分配システム設計のうちの１つの設計として、噴霧ノズルを有する又は有さない加圧パイプ噴霧システムがある。他の設計として、複数の噴霧ノズル又は噴霧孔を有する上側が開放した重力排水回収槽があり、これらの噴霧ノズル又は噴霧孔では上側水槽が水を重力によって槽内の水位の頂部から下方に供給する。本発明は、ノズルを使用しない重力排水回収槽噴霧システムの設計を取り扱う。

本発明の目的は、重力排水回収槽噴霧システムから供給される通常は水である蒸発用の流体で、直接又は間接熱交換器を、むらなく均一に濡らすことを可能にすることである。本発明の他の目的は、重力排水噴霧システムにおける孔の個数を削減することにより、孔の直径を拡大して孔が詰まる機会を少なくするとともに、重力排水回収槽噴霧システムの補修の頻度を少なくすることである。

本発明は、例えば冷却塔、閉鎖回路流体クーラー、流体ヒーター、コンデンサ、エバポレータ、蓄熱システム、空気クーラー又は空気ヒーター等の、直接又は間接熱交換装置内で使用される改良された重力排水回収槽噴霧システムを提供する。

典型的な蒸発冷却塔熱交換装置は、直接熱交換器と、ファンシステムと、上側重力排水回収槽噴霧システムと、蒸発液体を回収する下側集水槽と、を有する。熱交換器のタイプは、間接熱交換器でも、直接熱交換器でも、これら２つの組合せでもよい。

間接熱交換器は、内部を処理流体が流れるコイル又はプレート式熱交換器であってもよい。直接熱交換器は、複数の個々の薄いプラスチックＰＶＣ充填シートから典型的に構成される充填パックであり得る。複数の充填シートは、スペーサを使用することで離間している。充填シートは、ハンガーシステムを使用して上側重力排水回収槽噴霧システムの下方に吊り下げられてもよいし、又は小型のピースに裁断して複数の小型の充填ブロックに束ねて、これらを重力排水回収槽噴霧システムの下方で互いに積層されてもよい。各充填シートは、概して矩形形状であり、表面と裏面側とを有するとともに、シートの基準面（nominal plane）の上方及び下方に突出する表面パターンを持つ。スペーサを使用することで、充填シートは表面パターンの全高より典型的に大きい基準距離によって概して離間し、一般に２つの充填シート間にエアギャップの面が形成される。噴霧水が、頂部から各充填シートの両面を下方に流れ、各充填のシートの表面輪郭に付着する。エアギャップがシート間に存在しているため、噴霧水は、通常、あるシートからこれに隣接する充填シートに転移することはない。

空気の流れを、ファンシステムによって、充填エアギャップを介して強制的に押し込むか又は吸引することで、噴霧水と空気流との間で熱伝達が生じる。充填パック上に重力排水回収槽があり、典型的には、重力排水回収槽へのむらのない流れを許容するようにプレ分配ボックス又はシステムが存在していてもよい。加熱すべき又は冷却すべき水が、上側重力排水回収槽に、そのプレ分配ボックスを介して流入する。プレ分配ボックスは、高速で速く流れる水流を、重力排水回収槽床を越えて低速で遅く流れる良好に分配された水流に変える。典型的には、重力排水槽に数インチ逆流するほどの十分な水流が存在する。重力排水回収槽床は、複数の噴霧孔を有している。プレ分配ボックスから供給された低速で遅く流れる水により、むらのない均一な量の水が各噴霧孔に入り込みこれらを通過する。

好適な実施形態において、噴霧孔は、各充填シート又は各プレート式熱交換器の表面及び裏面のそれぞれに同数の孔が割り当てられるように、戦略的に配置される。各充填面に割り当てられた孔は、噴霧水がむらなく各充填面に分配されるように概して均一に離間している。さびたチップや炭酸カルシウムのチップ等の大きいパーティクルが水流に存在し得るため、噴霧孔の直径がパーティクルが噴霧孔を通過できるように拡大されることを許容しつつ、多くの噴霧孔の直径はより多くの水が各充填シートを被覆することを許容するように縮小される。

上側重力排水回収槽から噴霧された水は、概して各充填面を通過して下方に流れ、最終的に下側集水槽に入る。下側集水槽は水出口を有しており、ここから冷却された又は加熱された水が排出され、その後、上側重力排水回収槽にポンプで戻され得る。

本発明の目的は、重力排水回収槽噴霧システムにもたらせられる直接又は間接熱交換器をむらなく均一に濡らすことを可能にすることである。本発明の他の目的は、重力排水回収槽噴霧システムにおける孔の個数を削減することにより、孔の直径を拡大して孔が詰まる機会を少なくするとともに、重力排水回収槽噴霧システムのメンテナンスの頻度を少なくすることである。

本発明による直接熱交換装置の斜視図。 本発明による間接熱交換装置の斜視図。 本発明による直接熱交換装置の側面図。 本発明による間接熱交換装置の側面図。 本発明による上側重力排水回収槽の一部の平面図。

図面中の図１を参照すると、本発明の実施形態が、冷却塔直接熱交換装置１０として示されている。直接熱交換装置１０は、筐体１１と、直接熱交換充填パック１２と、上側重力排水回収槽１３と、下側集水槽１４と、水のプレ分配ボックス１５と、ファンアセンブリ１６と、上側重力排水槽カバー１７と、プレ分配ボックスパイプ入口１８と、吸気口１９と、排気口２０と、を備える。直接熱交換充填パックは、間接熱交換器であってもよく、本発明を制限するものではないことに留意されたい。冷却塔直接充填熱交換装置１０は、概して、薄い金属板又は繊維強化プラスチック板から作製され得る筐体１１に囲まれている。筐体１１は、充填パック１２と、上側重力排水槽１３と、ファンアセンブリ１６と、下側集水槽１４のためのハウジングとなっている。上側重力排水槽１３は、概して充填パック１２の真上に配置され、充填パック１２は下側集水槽１４の上方に配置されている。上側重力排水槽１３は、幅と長さと高さとを有する概して矩形形状である。上側重力排水槽１３の幅及び長さは、充填パック１２の幅及び長さと実質的に同じサイズであり、高さは通常４〜１２インチである。上側重力排水回収槽１３は、ごみが入らないように複数の上側重力排水回収槽カバー１７により覆われていてもよい。上側重力排水回収槽１３の内部において、プレ分配ボックス１５が上側槽１３の実質的に中央部に載置されているが、プレ分配ボックス１５は、上側槽１３のいずれの場所にも設置することができる。水が上側重力排水回収槽１３にプレ分配ボックス１５を介して流入する。プレ分配ボックス１５は、上側重力排水回収槽１３の全体にむらなく水が拡がることを促進する。ファンアセンブリ１６は、空気を吸気口１９を介して且つ充填パック１２を概して横断するようにして吸引し、空気を直接熱交換装置１０から排気口２０を介して排出する。空気流の方向は、概して上方向、概して下方向、直接熱交換器を流れる水を概して横断する方向、又はこれと概して一致する方向であってもよい。冷却塔直接熱交換装置１０は、１つ以上の吸水口１８と、１つ以上の充填パック１２と、１つ以上のファンアセンブリ１６と、１つ以上の排気口２０と、を有していてもよい。

図面中の図１Ａを参照すると、本発明の実施形態が、間接熱交換装置２１として示されている。間接熱交換装置２２は、筐体１１と、間接熱交換部２２と、上側重力排水回収槽１３と、下側集水槽１４と、水のプレ分配ボックス１５と、ファンアセンブリ１６と、上側上側重力排水回収槽カバー１７と、プレ分配ボックスパイプ入口１８と、吸気口１９と、排気口２０と、を備える。間接熱交換部は、チューブタイプ、プレートタイプ、フィン付きタイプを含むいずれのタイプでもよく、本発明を制限するものではないことに留意されたい。それは、直接／間接熱交換部の組合せであってもよい。間接熱交換装置２１は、概して、薄い金属板又は繊維強化プラスチック板から作製され得る筐体１１に囲まれている。筐体１１は、間接熱交換部２２と、上側重力排水槽１３と、ファンアセンブリ１６と、下側集水槽１４のためのハウジングとなっている。上側重力排水回収槽１３は、概して間接熱交換部２２の真上に配置され、間接熱交換部２２は下側集水槽１４の上方に配置されている。上側重力排水回収槽１３は、幅と長さと高さとを有する概して矩形形状である。上側重力排水回収槽１３の幅及び長さは、間接熱交換部２２の幅及び長さと実質的に同じサイズであり、高さは通常４〜１２インチである。上側重力排水回収槽１３は、ごみが入らないように複数の上側重力排水回収槽カバー１７により覆われていてもよい。上側重力排水回収槽１３の内部において、プレ分配ボックス１５が上側水回収槽１３の実質的に中央部に載置されているが、プレ分配ボックス１５は、上側水回収槽１３のいずれの場所にも設置することができる。水が上側重力排水回収槽１３にプレ分配ボックス１５を介して流入し、上側重力排水回収槽１３の全体に拡がる。ファンアセンブリ１６は、空気を吸気口１９を介して且つ間接熱交換部２２を概して横断するようにして吸引し、空気を間接熱交換装置２１から排気口２０を介して排出する。空気流の方向は、概して上方向、概して下方向、間接熱交換器を流れる水を概して横断する方向、又はこれと概して一致する方向であってもよい。間接熱交換部２２は、内部処理流体の入口パイプ２３と、出口パイプ２４とを有する。この関係は所望であれば逆にしてもよい。内部処理流体は、重力によって上側重力排水回収槽１３から概して下方に流れる蒸発水によって間接的に冷却される。間接熱交換装置２１は、１つ以上の吸水口１８と、１つ以上の間接熱交換部２２と、１つ以上のファンアセンブリ１６と、１つ以上の排気口２０と、を有していてもよい。

図面中の図２を参照すると、本発明の実施形態が、直接熱交換装置３０として概して側面図で示されている。熱交換装置３０は、筐体３１と、直接熱交換充填パック３２と、上側重力排水回収槽３３と、下側集水槽３４と、プレ分配ボックス３５と、ファンアセンブリ３６と、プレ分配ボックスパイプ３７と、吸気口３８と、プレナム排気口３９と、を備える。

運転中、加熱すべき又は冷却すべき水が、直接熱交換装置３０にプレ分配パイプ３７を介して流入し、上側重力給水回収槽３３全体に拡がり、そして上側重力排水回収槽３３内で水ヘッド４０を蓄積する。上側重力排水回収槽３３は、通常、側面４５と上側重力排水槽底部プレート４４とで構成される、上側が開放した矩形ボックスである。上側重力排水槽底部プレート４４は、これを貫通する概して離間した複数の噴霧孔を有する。上側重力給水回収槽３３内に蓄積した水ヘッド４０は、槽底部プレート４４の複数の噴霧孔を通過して下方に進み、良好に分配された流れ４１を形成しつつ、直接熱交換充填パック３２の頂部に落下する。

直接熱交換充填パック３２は、ハンガーシステムを使用して吊り下げられているか、又は互いにブロック形状体に束ねられて上方重力排水槽３３の下方であって且つ下側集水槽３４の上方に積層された複数の薄いプラスチック製充填シート４３から作製される。直接熱交換充填パック３２は複数のエアギャップを有しており、これにより、噴霧水と空気の両方が容易にこれらを通過して流れ得る。噴霧水が直接熱交換充填パック３２を通過して流れ、下側集水槽３４に到達すると、水は熱交換装置３０から流出する前に集水槽３４内で蓄積され、浅いプール４２が形成される。空気が冷却塔直接熱交換装置３０に吸気口３８を介して流入し、充填パック３２内の複数のギャップを通過して進み、プレナム排気口３９内で概して上方に方向を変え、ファンアセンブリ３６を介して冷却塔直接熱交換装置３０から流出する。空気が充填パック３２を通過して進むため、空気と充填シート４３上の噴霧水との間で熱交換が行われる。

図面中の図２Ａを参照すると、本発明の他の実施形態が、間接熱交換装置３０Ａとして概して側面図で示されている。間接熱交換装置３０Ａは、筐体３１と、間接熱交換部３２Ａと、間接熱交換入口接続部４６と、間接熱交換出口接続部４７と、上側重力排水回収槽３３と、下側集水槽３４と、プレ分配ボックス３５と、ファンアセンブリ３６と、プレ分配ボックスパイプ３７と、吸気口３８と、プレナム排気口３９と、を備える。

運転中、加熱される又は冷却される、蒸発される又は凝縮される処理流体が、間接熱交換装置３０Ａに入口接続部４６を介して流入し、出口接続部４７から流出する。通常は水である蒸発流体がプレ分配パイプ３７に流入し、上側重力水回収槽３３に概して拡がり、上側重力排水回収槽３３内で水ヘッド４０を蓄積する。上側重力排水回収槽３３は、通常、側面４５と上側重力排水槽底部プレート４４で構成される、上側が開放した矩形ボックスである。上側重力排水槽底部プレート４４は、これを貫通する概して離間した複数の噴霧孔を有する。上側重力水回収槽３３内に蓄積した水ヘッド４０は、槽底部プレート４４の複数の噴霧孔を通過して下方に進み、良好に分配された流れ４１を形成しつつ、間接熱交換部３２Ａの頂部に落下する。

間接熱交換部３２Ａは、複数のプレート４３Ａ、チューブ、又はフィン付きタイプの熱交換器から作製されていてもよく、本発明を制限するものではない。間接熱交換プレート４３Ａは、ハンガーシステムを使用して吊り下げられていてもよいし、又は互いにブロック形状体に束ねられて上側重力排水槽３３の下方であって且つ下側集水槽３４の上方に積層されていてもよい。間接熱交換部３２Ａは複数のエアギャップを有しており、これにより、噴霧水４１と空気の両方が容易にこれらを通過して流れ得る。噴霧水が間接熱交換部３２Ａを通過して流れ下側集水槽３４に到達すると、水は間接熱交換装置３０Ａから流出する前に集水槽３４内で蓄積されて浅いプール４２が形成される。

空気が間接熱交換装置３０Ａに吸気口３８を介して流入し、間接熱交換部４３Ａ内の複数のギャップを通過して進み、プレナム排気口３９内で概して上方に方向を変え、間接熱交換装置３０Ａをファンアセンブリ３６を介して流出する。空気が間接熱交換器３２Ａを通過して進むため、噴霧水と内部処理流体との間で間接的な熱交換が行われつつ、噴霧蒸発噴霧水と流れる空気との間で直接的な熱交換が行われる。

図面中の図３を参照すると、本発明４８の実施形態が平面図で示されている。上側重力排水回収槽底部プレート５０は、複数の直接熱交換充填シート５２の頂部に戦略的に整列させた複数の噴霧水孔５１を有する。各充填シート５２は、前面側５５と後面側５６とを有する。各充填シート５２は、充填スペーサ６１によって決められた基準距離だけ離間しており、これにより充填シート５２間にはギャップが存在する。充填シート５２は、表面パターンの複数の凹部と凸部とを有している。これらの凹部及び凸部は、充填シート基準平面５３を内側及び外側に波打つようなものであってよく、且つこれらの凹部及び凸部は、重力排水槽底部プレート５０から下方に見た場合に、鉛直方向に整列していなくてよい。これらの凹凸の幾何学的形状及び配置により、重力排水槽底部プレート５０から下方に見た場合に、充填シート５２に本体厚さが提供される。各充填シート５２は、典型的には、プラスチック又はＰＶＣ製の薄いシートから作製されるが、所望のいかなる材料からも作製され得る。

噴霧孔５１を、複数の充填シート２５の上方で戦略的に整列させているため、噴霧水が複数の孔５１を通過して降下する際に、水は充填シート５２に向かって落下する。噴霧水の流れは、充填シート５２の表面側５５及び裏面側５６の両方に意図的に着地する。噴霧孔５１同士は、幅においてギャップ７０及び７２によって離間しているとともに、表面側と裏面側との間においてギャップ７１によって離間している。概して、ギャップ７２及び７０は、孔の個数を削減するように等しくなっている。噴霧水が充填シート５２に当たるとき、噴霧水が拡がることにより充填シート５２が均一にむらなく濡れるように、ギャップ７０及び７２は、所定の距離だけ離間している。充填シート５２におけるパターン、凹部及び凸部の組み合わせが、単独の水の流れを水の薄膜として全面積に亘って拡げるため、より効率的な空気から水への熱交換が行われ得る。空気は吸気縁部５９から排気縁部６０に向かう方向において進み、充填シート５２はこの空気の進行を妨げないように整列している。

間隔７０及び７２は、充填シート５２の表面側５５及び裏面側に水が均一に拡がることを許容しつつ、同時に、必要な孔の個数を削減して孔の直径を最大にするように最適化されなければならない。孔５１の直径と孔間隔７０及び７２は、以下の式を反復適用して解くことにより見い出され得る。
流量＝充填シートの個数・孔間隔・孔係数、
この式において、
孔間隔＝充填シートの空気進行長さ÷充填シート毎の孔の個数、
孔の係数＝Ｃｄ・Ａ・（２ｇｈ）^２、
この式において、
Ｃｄはプレート内の孔の抵抗係数、
Ａは孔の面積、
ｇは重力定数、
ｈは重力排水槽の水柱高さ。

好適な孔５１の直径は、０．４インチ±０．２インチであり、好適なギャップ７０及び７２は、４インチ±２インチである。このように選択された直径と選択された間隔７０及び７２とのバランスは、所望の全体流量に応じて変化する。全体的な設計目標流量が設定されたら、孔ギャップ７０及び７２と孔５１の直径とを反復適用して、噴霧孔の個数を最小にしつつむらのない均一な水による被覆を保証して噴霧性能を最大にする解を得る。孔５１の直径に対するギャップ７０及び７２の最適なバランスを見出すことにより、孔が詰まる可能性を少なくしつつ最大の熱伝達を保証する。孔ギャップ７１を選択的に設定することにより、充填シート５２の表面側５５及び裏面側が適切に被覆されることを確実にする。このギャップは、充填シート間のギャップに依存する。

同一の充填シート５２に属する一連の表面噴霧孔５７及び裏面噴霧孔５８は、必ずしも空気の進行方向において直線上になくてもよい。表面噴霧孔５７は、表面５５方向に向かって充填シート基準面５３からわずかに偏心しているとともに、裏面噴霧孔５８は、裏面５６に向かって対応する充填シート５２の充填シート基準面５３からわずかに偏心している。孔が偏心していることで、吸気縁部５９に平行な方向において充填シート５２の位置がわずかに変化しても、表面５５及び裏面５６の両方が噴霧孔５１によって適切に濡れることとなる。

Claims (15)

1. 熱交換部を有し、
   前記熱交換部の上方に水回収槽が配置され、
   前記水回収槽は、水が前記熱交換部に向けて下方に分配されることを許容する複数の開口を有し、
   前記水回収槽開口は、横列に配列され、
   前記水回収槽開口のそれぞれは、０．２インチ〜０．６インチの直径を有し、
   隣接する水回収槽開口の間の間隔は、２．０インチ〜６．０インチである、
   冷却塔。
2. 各横列において隣接する水回収槽開口は、縦方向に互いにオフセットしている、
   請求項１に記載の冷却塔。
3. 前記熱交換部は複数の充填シートで構成され、前記充填シートは横列に配列されており、
   前記水回収槽開口の各横列は、充填シートの横列と整列している、
   請求項１に記載の冷却塔。
4. 各充填シートは、前面側と後面側とを有し、
   前記回収槽開口からの水が、各充填シートの前記前面側及び前記後面側の両方を被覆する、
   請求項３に記載の冷却塔。
5. 前記熱交換部は複数の充填シートで構成され、前記充填シートは横列に配列されており、
   前記水回収槽開口の各横列は、充填シートの横列との直接的な整列からわずかに偏心しているとともに、水回収開口の各横列は、各横列に対して交互のパターンをなしている、
   請求項１に記載の冷却塔。
6. 直接熱交換部を有し、
   前記直接熱交換部の上方に水回収槽が配置され、
   前記水回収槽は、水が前記直接熱交換部に向けて下方に分配されることを許容する複数の開口を有し、
   前記水回収槽開口は、横列に配列され、
   前記水回収槽開口のそれぞれは、０．２インチ〜０．６インチの直径を有し、
   隣接する水回収槽開口の間の間隔は、２．０インチ〜６．０インチである、
   冷却塔。
7. 各横列において隣接する水回収槽開口は、縦方向に互いにオフセットしている、
   請求項６に記載の冷却塔。
8. 前記直接熱交換部は複数の充填シートで構成され、前記充填シートは横列に配列されており、
   前記水回収槽開口の各横列は、充填シートの横列と整列している、
   請求項６に記載の冷却塔。
9. 各充填シートは、前面側と後面側とを有し、
   前記回収槽開口からの水が、各充填シートの前記前面側及び前記後面側の両方を被覆する、
   請求項８に記載の冷却塔。
10. 前記熱交換部は複数の充填シートで構成され、前記充填シートは横列に配列されており、
    前記水回収槽開口の各横列は、充填シートの横列との直接的な整列からわずかに偏心しているとともに、水回収開口の各横列は、各横列に対して交互のパターンをなしている、
    請求項６に記載の冷却塔。
11. 間接熱交換部を有し、
    前記間接熱交換部の上方に水回収槽が配置され、
    前記水回収槽は、水が前記間接熱交換部に向けて下方に分配されることを許容する複数の開口を有し、
    前記水回収槽開口は、横列に配列され、
    前記水回収槽開口のそれぞれは、０．２インチ〜０．６インチの直径を有し、
    隣接する水回収槽開口の間の間隔は、２．０インチ〜６．０インチである、
    冷却塔。
12. 各横列において隣接する水回収槽開口は、縦方向に互いにオフセットしている、
    請求項１１に記載の冷却塔。
13. 前記間接熱交換部は複数のプレート式熱交換器で構成され、前記プレート式熱交換器は横列に配列され、
    水回収槽開口の各横列は、プレート式熱交換器の横列と整列している、
    請求項１１に記載の冷却塔。
14. 各プレート式熱交換器は、前面側と後面側とを有し、
    前記回収槽開口からの水が、各プレート式熱交換器の前記前面側及び前記後面側の両方を被覆する、
    請求項１３に記載の冷却塔。
15. 前記間接熱交換部は複数のプレート式熱交換器で構成され、前記プレート式熱交換器は横列に配列され、
    前記水回収槽開口の各横列は、プレート式熱交換器の横列との直接的な整列わずかに偏心しているとともに、水回収開口の各横列は、各横列に対して交互のパターンをなしている、
    請求項１１に記載の冷却塔。