JP2018526611A - 蒸発冷却デバイスを使用して水を最小限に抑える方法及びそのための装置 - Google Patents

Abstract

蒸発冷却システムは、１次熱交換媒体内を通って流れる冷却流体を利用して１次熱交換媒体を通流する給気を冷却する１次冷却ユニットと、ブリードラインと、給気の流れ方向に関して１次冷却ユニットの上流に配置された２次冷却ユニットとを含む。１次冷却ユニットは、１次熱交換媒体に冷却流体を供給するための供給ライン、１次熱交換媒体に供給された冷却流体を回収するためのリザーバ、及びリザーバ内に回収された冷却流体を供給ラインに戻すように再循環するためのポンプを含む。ブリードラインは、１次冷却ユニットからの再循環冷却流体の一部をブリードする。２次冷却ユニットは、１次冷却ユニットからブリードラインを通ってブリードされた冷却流体を受け入れる２次熱交換媒体を含む。圧送又はウィッキングのいずれかによって、過剰のブリード流体は、２次熱交換媒体に再供給されるか、あるいは、ブリードされた流体の完全な蒸発を可能にするために３次熱交換媒体へと誘導される。

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１５年９月１０日出願の米国仮特許出願第６２／２１６，８８３号の利益を主張する。

本発明は、熱力学の法則を利用して流体を冷却する、蒸発冷却システム、コンディショニングシステムの改善を対象とする。すなわち、液相から気相への流体の変化により、相変化に関与する気化熱を原因とする温度低下を生じうる。

典型的な蒸発冷却器では、原水は、熱交換器に供給されるか、若しくは、熱交換器を通して再循環され、熱交換器内を通って流れる給気から熱を取り出すことによって気化する。最も容易に利用可能な形態の原水は、さまざまな汚染物質、中でも注目すべきは、溶解した塩及び鉱物を含んでいる。再循環蒸発冷却システムでは、蒸発していない、熱交換器に供給される過剰の水は、リザーバ内に回収され、次に、熱交換器に戻るように圧送される。水が熱交換から蒸発する際に、水の体積が減少するにつれて、原水中に溶解した鉱物及び塩の濃度は増大し続ける。蒸発した水を補うために補給水がシステムに供給されるが、塩及び鉱物は依然として残留し、濃度が高すぎる場合には、スケーラント（scalants）として熱交換器上に堆積し始める場合がある。

高濃度のスケーラントを軽減するために、水を使用するほとんどの蒸発冷却デバイスには、リザーバ内の塩及び鉱物の含量を制御するために排水するための水ブリードが組み込まれている。ブリードの有効量を決定するための技法は多様であり、よく知られている。概して、ブリードの量は、給水の鉱物汚染レベル及び水化学に応じて決まるが、非常に新鮮な水の給水の僅か約１０％から鉱物含量が高い給水の５０％以上まで、変動する。化学処理を利用して鉱物の溶解性を拡大する場合でさえ、蒸発プロセス内でのスケールを防止するために、ブリードは、鉱物で飽和した水を新鮮な水と交換することが依然として必要とされている。

図３は、典型的な直接蒸発冷却器１００の概略図を示している。水又は別の好適な冷却液は、ポンプ１１４を使用して、リザーバ１１０から供給ライン１１２を通って分配器１１６へと再循環される。分配器１１６は、供給された水を蒸発パッド１１８などの熱交換器上に均等に分配する。給気１２４は、パッドを通過し、そこで冷却及び加湿されて、冷えた空気１２６として出る。分配器１１６から供給される水はパッド内を通って流下し、温かい給気１２４に出会うと蒸発する。弁１２０によって制御されるブリード流は、例えば、水中の鉱物の堆積を制御するために、システムからブリード又はドレインライン１２１を通じてドレイン１２２へと除去される。蒸発及びブリードされた水と交換するために、新鮮な補給水が給水１２８から必要に応じて加えられる。補給水は、フロート弁又は、リザーバ１１０内に設けられた他のレベル感知装置（図示せず）によって制御されうる。

図４は、この例では流体冷却器２００である、典型的な間接蒸発冷却器を示している。流体冷却器２００は、吸気口２０４及び排気口２０６を有する筐体２０２を含む。リザーバとして機能するサンプ２１０は、筐体２０２の底部に配置される。流体流入口２１８−１及び流体流出口２１８−２を有する熱交換器２１８は、サンプ２１０の上方に配置される。水又は別の好適な冷却剤は、ポンプ２１４を使用して供給ライン２１２を通ってサンプ２１０から引き出される。圧送された水は、熱交換器から熱を奪うように熱交換器２１８の上に水を噴霧する噴霧ヘッド２１６に供給される。噴霧された水はサンプ２１０内に回収される。直接蒸発冷却器に示されるように、冷却水中の塩及び鉱物の濃度を制御するために、ブリードライン２２１を通ってドレイン２２２へと冷却水をブリードするために、ブリード弁２２０が供給ライン２１２に設けられている。空気は、ベルトを介してモータ２３２によって駆動されるファン２３０を使用して、吸気口２０４を通じて吸引され、排気口２０６から排出される。冷却される流体は、入口２１８−１を通じて熱交換器２１８に供給され、出口２１８−２を通じて排出される。

動作時、図４に示されるように、冷えた空気２２６は、最初に熱交換器２１８の外面を通過し、その中には冷却される熱流体が流れている。冷却される流体は、水などの液体、又は空気などの気体でありうる。熱交換器２１８は、供給ライン２１２、ポンプ２１４、及び噴霧ヘッド２１６を使用して、再循環された水流が噴霧され、空気流が同時に生成されて、湿った交換器の表面を流れて水を蒸発させ、熱交換器内部の１次流体の冷却を生じさせる。直接蒸発システムの場合に見られるように、ブリード又は再循環サンプからの水は、鉱物の堆積の防止を必要とする。蒸発及びブリードされた水を補充するために、補給水が給水源２２８から加えられる。

直接及び間接蒸発冷却システムのいずれにおいても、ブリードされた水はドレインに誘導され、それ以外には利用されない。そのような場合、冷却水のかなりの無駄が生じうる。この無駄により、システムの運用コストが大幅に増加し、オペレーターのマイナスの世間体が与えられ、特に新鮮な水が乏しい地域では、水の供給に大きな負担を強いる可能性がある。

本発明は、補足的な冷却プロセスにおける冷却水のブリード排出を利用することによって、蒸発冷却システムの効率及び有効性を改善することができる。

本発明は、ブリード水を利用して蒸発作業の一部を提供し、ドレインへの水の損失を低減し、それによって蒸発冷却システムが消費する水の総量を低減することができる。

本発明は、ブリード水の必要性を低減する手段として、水の前処理又は化学処理の代替手段を提供し、それによって水の総使用量を低減することができる。本発明は、単独で用いることも、他の技法と組み合わせて使用することもできる。

本発明の一態様では、蒸発冷却システムは、１次熱交換媒体内を通って流れる冷却流体を利用して１次熱交換媒体を通流する給気を冷却する１次冷却ユニットと、ブリードラインと、給気の流れ方向に関して１次冷却ユニットの上流に配置された２次冷却ユニットとを含む。１次冷却ユニットは、１次熱交換媒体に冷却流体を供給するための供給ライン、１次熱交換媒体に供給された冷却流体を回収するための回収リザーバ、及びリザーバ内に回収された冷却流体を供給ラインへと再循環するためのポンプを含む。ブリードラインは、１次冷却ユニットから再循環冷却流体の一部をブリードするように構成されている。２次冷却ユニットは、１次冷却ユニットからブリードラインを通じてブリードされた冷却流体を受け入れるように構成された２次熱交換媒体を含み、該２次熱交換媒体によって完全には蒸発されない過剰のブリード冷却流体は、さらなる蒸発のために熱交換媒体へと誘導される。

本発明の別の態様では、ガスコンディショニングシステムは、１次コンディショニングユニット、ブリードライン、及び２次コンディショニングユニットを含む。１次コンディショニングユニットは、その中を通流するガスをコンディショニングするように構成されており、コンディショニング流体を利用して、通流ガスをコンディショニングする。ブリードラインは、１次コンディショニングユニットからコンディショニング流体の一部をブリードするように構成されている。２次コンディショニングユニットは、ガスの流れ方向に関して１次コンディショニングユニットの上流に配置されており、１次コンディショニングユニットからブリードラインを通じてブリードされたコンディショニング流体を利用して、通流ガスをプレコンディショニングし、また、２次コンディショニングユニットによって完全には蒸発しない過剰のブリード水は、さらなる蒸発のためにコンディショニングユニットへと誘導される。

本発明のさらに別の態様では、蒸発冷却システムにおいて給気を冷却する方法は、冷却流体を１次熱交換媒体に供給する工程、１次熱交換媒体に供給された冷却流体の一部をブリードする工程、ブリードされた冷却流体を２次熱交換媒体に供給する工程、給気を１次熱交換媒体及び２次熱交換媒体を通して流す工程、及び、２次熱交換媒体によっては完全に蒸発しない過剰のブリード冷却流体を、さらなる蒸発のために熱交換媒体に誘導する工程を含む。

これら及び他の態様及び利点は、以下の説明を添付の図面と併せて読む場合に明らかになるであろう。

本発明の第１の実施形態の蒸発冷却システムの概略図 本発明に用いられる変更された脱水媒体の斜視図 典型的な直接蒸発冷却システムの概略図 典型的な間接蒸発冷却システムの概略図 本発明の第２の実施形態の概略図 本発明の第３の実施形態の概略図

本発明のシステムでは、蒸発冷却器からのブリード水を用いて、図３及び４に関して上述したシステムなどの典型的な蒸発冷却システムの蒸発セクションに入る空気を冷却する。これは、それ自体が直接蒸発冷却セクションである、脱水媒体、又は鉱物除去媒体（ＭＲＭ）上に、ブリードされた水を通過させることによって達成される。鉱物除去媒体は、上述の主蒸発冷却プロセスに入る前に、空気を冷却及び加湿する。

ＭＲＭ媒体に付随する蒸発冷却デバイスは、上述のように、空気を冷却する手段として水を空気中に蒸発させる直接蒸発型、並びに、蒸発冷却ゾーンでは湿っている、熱交換器内に含まれる第３の流体を冷却する手段として水を空気流中に蒸発させる間接蒸発型、また、給水を冷却するための手段として水を空気流中に蒸発させる冷却塔などを含む、あらゆる型のものでありうる。

図１は、本発明の第１の実施形態の蒸発冷却システムの概略図である。蒸発冷却システム３００は、図３及び４に関して述べた典型的な直接又は間接蒸発冷却器の１つを利用し、これを１次冷却装置として使用する。選択された１次冷却装置は、図１に参照番号１００、２００で概略的に示されている。典型的な蒸発冷却デバイスに示されるように、本発明の第１の実施形態のシステムは、サンプ又はリザーバ３１０、供給ライン３１２、ポンプ３１４、及び分配器又は噴霧ヘッド３１６を含む。これらの構成要素は、水又は別の好適な冷却流体を、装置の１次蒸発器、すなわち蒸発パッド１１８又は熱交換器２１８に供給するために用いられる。

冷却水中の鉱物及び塩の濃度を低下させるために、本実施形態のシステムは、ブリード弁３２０及びブリードライン３２１を利用して、冷却水の画分をブリード排出する。冷却水の画分をブリード排出することによって、冷却流体中の鉱物及び塩の残存量を最小限に抑えることができ、それによって１次蒸発パッド１１８又は熱交換器２１８上でのスケールの発達を防止することができる。

典型的な蒸発冷却の例に示されるように、本実施形態において、冷却水は、１次蒸発パッド１１８又は熱交換器２１８を流れ落ち、サンプ３１０内に回収されて、分配器又は噴霧ヘッド３１６へと戻るようにポンプ３１４によって再循環される。サンプ内の水のレベルは、蒸発及びブリード排出に起因して低下するため、補給水を、フロート弁（図示せず）又は他の好適なデバイスによって制御される給水設備３２８からサンプ又はリザーバ３１０へと供給することができる。

上記のように、供給ライン３１２からのブリードの量は、ブリード弁３２０によって決定される。本実施形態では、ブリード弁３２０は可変であり、コントローラ３３０によって制御可能である。コントローラ３３０は、いずれかの好適なシステムマイクロコントローラでありうる。ブリード弁のパラメータは、事前にセットし、システム条件に従って調整することができる。一例として、冷却液中の溶解固形分の量を決定するために、総溶解固形分（ＴＤＳ）計測器又はプローブ３３２を、サンプ３１０などの再循環冷却水回路のどこかに設けてもよい。ＴＤＳ計測器３３２からコントローラ３３０への信号を分析し、それによって、コントローラ３３０は、検出された固形分の量が増加するにつれて冷却水のブリードするパーセンテージが大きくなるように、ブリード弁３２０を制御することができる。

図３及び４の典型的な蒸発冷却システムとは異なり、供給ライン３１２からブリードライン３２１内へとブリードされた水は、直接ドレイン３２２へは流れない。むしろ、ブリードされた水は、分配器３４２を介してブリードライン３２１から補助蒸発媒体又はパッド３４０へと供給される。補助蒸発媒体３４０は、脱水媒体、犠牲媒体、又は鉱物除去媒体とも称されうる。補助蒸発媒体３４０は、冷却される空気の流れに対して蒸発冷却デバイス１００、２００の上流に配置される。補助蒸発媒体３４０に入る空気フロー３２３は、１次蒸発パッド１１８又は熱交換器２１８を通過する空気流３２４として冷却及び加湿される。１次蒸発冷却デバイス１００、２００を通って流れる空気は、主蒸発冷却プロセスにおいてさらに冷却及び加湿され、排気流３２６として排出される。１次蒸発冷却プロセスに入る前に補助蒸発媒体３４０を使用して空気を事前に冷却することにより、典型的にはドレインに廃棄されるであろうブリードされた水が、空気を事前冷却し、蒸発冷却システムの効率及び有効性の改善を可能にするために用いられる。

鉱物除去媒体３４０上を通過するブリード水は、蒸発すると体積が減少し、鉱物含量が増加する。これが生じると、スケールが鉱物除去媒体３４０上に堆積される。ブリード弁３２０の設定に応じて、鉱物除去媒体３４０を出る前に、完全な蒸発を通じて、水の体積をゼロにまで低下させることができる。蒸発せず、鉱物除去媒体３４０を完全に通過する水は、サンプには戻らずに、ドレイン３２２へと誘導される。この残留水は、非常に高い鉱物含量を有し、蒸発媒体上に相当な量の鉱物及び塩を置き去るであろう。このように、媒体は、最終的には、スケールが厚く堆積した（thickened and scaled）壁で重くなり、交換又は清掃を必要とする。

これに関して、１次蒸発冷却デバイスに入る空気を事前処理（事前冷却）し、ブリード水によって湿らせる、使い捨て又は清掃できる低効率の蒸発冷却媒体又はパッド３４０が好ましい。媒体は、水が蒸発する際に鉱物が表面に堆積すると、使い捨て又は清掃できるように設計される。媒体の開口部は、スケールの堆積が進行するにつれて生じる収縮を補償するのに十分に大きい孔寸法で設計される。

好ましくは、事前処理媒体の湿球効率は、すべてのブリード水の大部分が媒体を離れる前に蒸発するように選択される。蒸発冷却システムにおけるブリード水の補給水に対する比に応じて、媒体湿球効率は約１０〜５０％であるべきであり、ブリード速度が速くなるほど、必要とされる蒸発効率も高くなる。

犠牲パッドから常時水を蒸発させることは実用的ではない場合がある。これは、最も顕著には、媒体のサイジングが原因ではなく、以下に詳細に説明するように、断続的に過剰の水が犠牲媒体に施されるが、そのすべてが蒸発するわけではない、システムの遷移効果（transitional effects）を原因とする可能性がある。これには多くの理由が考えられる。最も顕著な理由は、制御システムの応答時間に関する。概して、制御システムは、過去に発生した蒸発速度に基づいて水をブリードする。例えば、空気の湿度が飽和まで急速に上昇する場合、コントローラは、依然として、水を犠牲媒体にブリードしようと試みるが、空気は、水を蒸発させて固形分を除去するための容量を有しない。別の例は、蒸発媒体上の水の分配が、おそらくはメンテナンスの問題に起因して、十分に均質ではない場合である。これらの状況下では、設計よりも高い水の分配流を伴う領域は、流れを完全には蒸発させることができない可能性があり、媒体の領域にブリードの破綻（break-through）を生じうる。これらの期間、とりわけ、システムがブリード水を完全に蒸発するように設計されている場合には、過剰の高鉱物含量水を主サンプに戻すように誘導することが最良でありうる。

これを行う場合には、追加の予防策を取るべきである。上記状況が十分な期間にわたり存在する場合には、ブリード自体は、再循環されたシステムから十分な固形物を除去することができないであろう。犠牲パッドもまた、ナトリウム又は塩素をベースとした塩など、溶解度の高い塩、又は廃水流に排出可能な最大濃度に関する規制を受ける可能性がある、給水中の他の汚染物質を沈殿させないようにしつつ、カルシウム及びシリカをベースとした塩など、溶解度の低い鉱物塩を選択的に除去するように作用し始めうる。

代替的な手法は、補助媒体によっては完全に蒸発しない過剰の流れを回収し、濃縮された水溶液をＭＲＭ媒体に再適用することである。これは、別のポンプによって行うことができ、あるいは、過剰が非常に断続的であり、かつ大量ではない場合には、補助媒体の下方のドレインパンを、この過剰の流れを回収するように設計して、ＭＲＭがウィッキング加湿媒体として作用できるようにしてもよい。この配置では、過剰の液体は、下縁が乾燥しているＭＲＭの他のセクションへと横方向に流れ、この媒体によって吸い上げられ、次に、完全に蒸発されうる。あるいは、追加の媒体が、この水を完全に蒸発させるための単なるウィッキング媒体としてのみ作用するように設計されてもよい。この媒体は、次に、補助媒体の補給とは別の間隔で補給されてもよい。これらの代替物は、図５及び６に示されている。

より詳細には、システム４００は、蒸発パッド１１８（間接蒸発冷却器を使用しない限り）、サンプ３１０、ポンプ３１４、ブリード弁３２０、ブリードライン３２１、及び補助蒸発媒体３４０など、第１の実施形態と同様の要素を含む。これらの構成要素は、第１の実施形態と同様に作用し、ここでは詳細には説明しない。本実施形態は、ドレインパン４１０も備えており、再適用ポンプ４１２（図５）、又は、変更ドレインパン５１０及びウィッキング媒体５２０（図６）を有していても、有していなくてもよい。ドレインパン４１０は、ブリード水の過剰の流れを回収するために補助蒸発媒体３４０の下に位置付けられている。ウィッキング加湿媒体として使用する場合、補助蒸発媒体３４０は、蓄積された水が、媒体３４０の下縁に沿ってその媒体の乾燥しているであろうセクションへと流れうるように、その下縁がドレインパン４１０内の蓄積された過剰のブリード水に浸かるように位置付けられる。乾燥セクションは、過剰の水を吸い上げて全体的な蒸発を達成する。回収された水が補助蒸発媒体３４０に再適用される場合には、回収された水が、再適用ライン４１５を通じて補助蒸発媒体３４０の上縁又は他の好適な位置へと戻るように圧送するために、再適用ポンプ４１２が設けられている。ポンプ４１２は、フロートスイッチ又はいずれかの他の好適なデバイスによって起動させることができる。

図６の変更では、システム５００は、補助蒸発媒体３４０から過剰の液体を捕捉し、それをウィッキング媒体５２０の下縁へと導くように設けられたドレインパン５１０を備えている。ウィッキング媒体５２０は、空気フローの方向に関して補助蒸発媒体３４０の上流に位置付けられているが、補助蒸発媒体３４０を通る空気フローを著しく阻害しないように、小さいプロファイルで設計されてもよい。ドレインパン５１０内の過剰の水は、全体的な蒸発を達成するように、ウィッキング媒体５２０によって吸い上げられる。ウィッキング媒体５２０は、補助蒸発媒体と同じ材料でできていても、本明細書で論じられる他の蒸発材料でできていてもよい。変更ドレインパン５１０は、過剰の水を補助蒸発媒体３４０からウィッキング媒体５２０の下縁へと誘導するように設計されている。これは、過剰の水が上部セクションで捕捉され、ウィッキング媒体が位置する下部セクションへと重力によって流れることで、ドレインパンの上部及び下部セクションによって達成されすることができる。

元の実施形態を再び参照すると、補助ＭＲＭ媒体から出る過剰の水が存在することが感知されている期間は、１次ブリード水の完全な蒸発の達成を確実にするために、１次ブリードを中断してもよい。

そのように設計されたシステムでは、これらの高溶解性の鉱物の堆積を防ぐために、水をドレインへと直接導く２次ブリードシステムが取り付けられていてもよい。このブリードは、上述の１次ブリードとは異なる第２のブリード基準に基づいているべきである。制御方法の例は、ＴＤＳが第２の高い濃度レベルを上回るときには従来の方法でブリードを動作し、１次ブリードが所与の期間にわたって応答及びＴＤＳ濃度を補正できない場合に動作し、あるいは、高溶解性の鉱物のうちの１つの濃度の存在を感知し、それが決定された閾値を超える場合に、ドレインへとブリードするように動作することであろう。

濃度サイクル（ＣｏＣ）は、再循環水の固形分レベルを、元々の補給原水の固形分レベルと比較する尺度である。例えば、循環水が補給水の４倍の固形分濃度を有する場合には、濃度サイクルは４である。所与の濃度サイクルについて、好ましい前処理蒸発冷却器効率を計算することができる。この点を例証するために、以下の表は、８５％の効率評価を有する蒸発媒体を用いて１０００ｓｃｆｍ（２８，３００ｌｐｍ）の空気を処理するシステムを所与として、蒸発速度及びブリードの速度の概要を示している。

表１には、乾球で約３５℃（９５°Ｆ）かつ湿球で約２３．９℃（７５°Ｆ）の条件で最初に入口から、８５％の効率の蒸発媒体を通って空気が移動する際に変化する、空気の状態が記載されている。この表では、鉱物除去パッドは存在せず、したがって、該パッドの効率は０％とされる。表において、空気フローの単位は、１分あたりの標準立方フィート（ｓｃｆｍ）と１時間あたりのポンド（ｌｂ／時）の両方で与えられ、水流の単位はｌｂ／時であり、湿度の単位は１ポンドあたりの粒数（ｇｒ／ｌｂ）であり、乾球（ｄｂ）及び湿球（ｗｂ）温度は華氏温度である。

上記表において、蒸発（Ｅｖａｐ）効率又は湿球効率は、（断熱蒸発交換器に流入する空気の温度−流出する空気の温度）−（流入する空気の温度−流入する湿球温度）と定義される。一般的定義によって、定められた濃度サイクルのブリード速度は、式：ブリード＝蒸発速度／（ＣｏＣ−１）で計算することができる。上記例では、空気は、約３５℃（９５°Ｆ）ｄｂ、約２３．９℃（７５°Ｆ）ｗｂ、約２１８ｇｒ／ｋｇ（９９ｇｒ／ｌｂ）から、約２５．６℃（７８°Ｆ）ｄｂ、約２３．９℃（７５°Ｆ）ｗｂ及び約２８０ｇｒ／ｋｇ（１２７ｇｒ／ｌｂ）まで、冷却及び加湿される。蒸発冷却は、１時間あたり約８．１２ｋｇ（１７．９ｌｂ）の蒸発を生じる。２．２の所望の濃度サイクルを維持するためには、約６．７６ｋｇ／時（１４．９ｌｂ／時）の水がドレインに導かれることが必要とされる。

第２の例では、システムには、２５％の効率評価を有する鉱物除去パッドが取り付けられている。以下の表は、空気がシステム内を移動した結果を示している。

この例では、空気は、最初に、脱水パッドに晒され、そこで温度が最初に、約３５℃（９５°Ｆ）から約３２．２℃（９０°Ｆ）へと低下し、その水分は、１次直接蒸発冷却交換器に入る前に、約２１８ｇｒ／ｋｇ（９９ｇｒ／ｌｂ）から約２３６ｇｒ／ｋｇ（１０７ｇｒ／ｌｂ）へと増加する。交換器では、その温度及び水分は、約２５℃（７７°Ｆ）及び約２８２ｇｒ／ｋｇ（１２８ｇｒ／ｌｂ）へとさらに低下する。鉱物除去パッドによって一部の蒸発冷却作業がなされると、１次交換器内で蒸発する水の量は、約８．１２ｋｇ／時（１７．９ｌｂ／時）から約６．１２ｋｇ／時（１３．５ｌｂ／時）へと低減した。２．２の濃度サイクルの１次交換器サンプを維持するためには、約５．０８ｋｇ／時（１１．２ｌｂ／時）がブリードされなければならない。しかしながら、この水は、ドレインへは行かず、鉱物除去パッドに供給され、約２．３６ｋｇ（５．２ｌｂ）が蒸発する。残りの約２．７２ｋｇ／時（６．０ｌｂ／時）はドレインへと導かれ、結果として得られるＣｏＣは、２．２から４．１へと増加する。

第３の例では、鉱物除去媒体効率は、３５％へとさらに増加する。

この例では、鉱物除去パッドの効率を高めることによって、１次交換器からの蒸発速度を約５．３１ｋｇ／時（１１．７ｌｂ／時）へとさらに低減し、約４．４０ｋｇ／時（９．７ｌｂ／時）の鉱物除去媒体へのブリードを結果的に生じ、そのうち約３．３１ｋｇ（７．３ｌｂ）が蒸発する。鉱物除去媒体を離れてドレインへと向かう残留水の約１．０９ｋｇ／時（２．４ｌｂ／時）は、正味の蒸発冷却器のＣｏＣが９であることを示している。

その結論について分析を行うと、４２％への鉱物除去媒体蒸発効率の増加により、ドレインへと向かう残留水を生じず、結果として得られるＣｏＣは無限に近づく。

これらの例に示されるように、鉱物除去効率をＣｏＣ及び主蒸発負荷に適合させることにより、前処理蒸発速度を主蒸発器ブリード速度に適合させることができる。あるいは、より高効率の媒体を用いることによって、より多く又はすべての水の蒸発を確実にすることができるが、より高い圧力損失に対する費用が掛かり、また、資本コストが高くなる。

上記例では、システムの全蒸発効率は、より一層効率的な鉱物除去パッドを加えることによって増加した。別の手法は、鉱物除去パッドの効率が低下するにつれて、１次交換器の効率を低下させることである。下記例では、３９％の鉱物除去パッド効率を７７％の１次交換器効率と組み合わせることにより、例１に示すように約２５．６℃（７８°Ｆ）ｄｂにコンディショニングされた空気を生じるが、ブリード水は生じない。

本方法及び原型デバイスを試験するために、最初の試作機を作製した。１０，０００ｓｃｆｍ（２８３，０００ｌｐｍ）の空気を処理するように設計された蒸発冷却器モジュールを、米国テキサス州サンアントニオの暑い夏の気候の中、戸外に設置した。冷却器は、蒸発冷却媒体、特に、１次蒸発冷却パッドとして、奥行き約２０．３ｃｍ（８インチ）の構造化された充填蒸発冷却媒体であるＭｕｎｔｅｒｓ ＧＬＡＳｄｅｋ７０６０、フロート充填バルブが備わったサンプ、ＧＬＡＳｄｅｋパッドの頂部に水を連続適用するための再循環ポンプ、及び冷却器に空気を引き込むファンを備えていた。システムには、サンプの総溶解固形分（ＴＤＳ）を制御するために、導電性コントローラ及びブリード弁も取り付けられた。

サンアントニオ水域（ＳＡＷＳ）についての水分析を使用して、Ｐｕｃｋｏｒｉｕｓスケール指数評価を行い、好適な濃度サイクル（ＣｏＣ）を決定した。下記表６には、ＳＡＷＳの水質レポートに含まれる値が記載されている：

下記表７のＰｕｃｋｏｒｉｕｓスケーリング指数評価を所与として、試験のための濃度サイクルを２．２に設定することを決定した。２．２の値は、理想を僅かに上回るように選択されたが、それでもなお安定であり、長期のスケールを含まない１次交換器寿命をもたらすであろう。

試験時に、流入水のＴＤＳは２５０ｐｐｍであると測定され、したがって、所望のＣｏＣを達成するために、導電性コントローラを５５０ｐｐｍに設定した。サンプのＴＤＳを５５０ｐｐｍに維持するために、好適な量の水、およそ４５％がブリードしていることを確認するために、充填ライン及びブリードラインの両方に水計測器を用いて、システムのランを行った。

次に、システムには、補助蒸発冷却媒体として入口空気流に、奥行き約５．０８ｃｍ（２インチ）のＣＥＬｄｅｋ７０６０蒸発冷却媒体が取り付けられた。アスペン木材を削ったランダム織りでできたＡｓｐｅｎパッドなど、他のタイプの蒸発媒体を使用することもできる；しかしながら、設計上の考慮事項から、低い圧力損失、並びに、空気の圧力損失に無視できるほどの影響しか及ぼさない、一貫した再現可能なスケール堆積をもたらす一貫してサイジングされた空気口の理由から、ＣＥＬｄｅｋなどの構造化された蒸発充填の使用が好まれるであろう。主サンプのＴＤＳの制御に用いられたブリード水を、この媒体の頂部に誘導した。パッドの底部に残った水を測定し、ドレインに誘導した。

補助媒体（鉱物除去媒体）の蒸発性能を分析した。媒体の表面の大部分にわたり、水が底部からドレインへと流出する前に、水を媒体表面から完全に蒸発させたが、一方では、媒体の頂部に分配される給水が平均を上回った領域では、水の一部は、媒体の底部及びドレインへと向かうであろう。この欠陥にもかかわらず、パッドを離れてドレインへと向かう水の正味の量は、４５％（ＣｏＣ２．２）からおよそ１０％（ＣｏＣ１０）へと低下した。

媒体の重量を経時的にモニタして、スケールの堆積を測定し、交換又は清掃が必要になるまでにどのくらいの期間、使用できるかを決定することができる。例において、動作の１週間後、補助媒体には、顕著なスケールの堆積はなかった。１か月後、僅かなスケールが見られたが、媒体の空気通路は遮断されていなかった。ＣＥＬｄｅｋ媒体が保持できるスケールの重量の推定及び水ブリードの節約は、媒体が、交換せずに、１シーズン全体（３〜６か月）にわたる冷却をもたらすことができることを示唆している。スケール保持含量がより高い媒体、若しくは、ポリマー材料又は清掃できる他の材料から生成された媒体もまた、使用することができる。

例において、ブリードされた水は、補助（鉱物除去）媒体の頂部に均一には分配されなかった。しかしながら、脱水媒体の頂部へのブリード水の分配は、表面を横断する流れが均一になり、チャネル化が起こらないように、できる限り均一になされることが好ましい。水流のチャネル化により、過剰の流れが、高流量領域においてシステムブリードとして残留可能となり、これはシステム性能にとって有害である。

試作機の効率及び有効性をさらに改善するため、約５．０８ｃｍ（２インチ）のセルロースをベースとしたＣＥＬｄｅｋ媒体を、ＭＲＭとして作用する奥行き約７．６２ｃｍ（３インチ）のＧＬＡＳｄｅｋ７０６０ガラス繊維ベースの媒体に置換してもよい。ＧＬＡＳｄｅｋ製品は、より高いウィッキング及び水保持能を有する。これは、ＭＲＭ面を流下する水の流れを効果的に遅延させ、また、前後左右のウィッキングをある程度もたらして、水流の排出を一定にする。正味の有効蒸発効率の増加を結果的に生じる追加表面積と、ＧＬＡＳｄｅｋの改善されたウィッキング及び水保持能との組合せは、システムの無限の正味の有効ＣｏＣを有する、ブリード水の完全な蒸発を可能にした。

また、好ましくは、鉱物除去媒体は、図２に示すように、小さいモジュラー媒体セクション３４０−１のマトリクスとして形成される。モジュラー媒体セクション３４０−１は、フレーム３４１などの容易な相互交換を可能にする機構で取り付けられることが好ましい。媒体の奥行きが小さいことから、空気フローの力に抵抗する媒体の強度は低い。単純なフレームのより小さいモジュール化されたセクションは、完全な媒体支持を可能にし、容易な互換性を提供する。さらには、媒体表面をモジュール化することにより、最も高いスケール含量を有するセクションのみの交換を必要とし、運用コストが削減されるであろう。これは、上方の媒体では、より容易にスケールを生じ、より頻繁な交換の必要が予想されることから、重要である。

改造用途では、鉱物除去媒体を既存の１次蒸発冷却器の入口面に加えることができることに留意すべきである。これは、当然ながら、さらなる圧力損失を生じ、それに伴って、余分な運用コストも生じる。初期システムの一部として鉱物除去媒体を伴って設計されたシステムでは、脱水媒体の蒸発性能はシステム性能に含まれ、よって、１次蒸発表面における性能の必要性を減じることができる。このように、システムは、ＣｏＣを増加させつつ、圧力損失を実質的に増加させずに設計することができ、したがって、水の使用を大幅に減じることができよう。

１つの制御方法は、鉱物除去媒体における湿潤−乾燥ラインの位置を感知することを包含する。理想的には、媒体は、その下縁の近くまで湿っており、最も低い部分は乾燥しているべきである。媒体の湿気は、媒体の温度を直接又は光学的に測定する、あるいは、媒体から出る空気の温度を測定する、センサ３５０によって最も容易に決定することができる。

制御のための別の手法は、所与の水質について好適なＣｏＣの分析によって必要とされる上記鉱物除去媒体効率をサイジングすることである。次に、ブリード水は、該ブリード水が媒体の出口縁部にちょうど達することができる速度で鉱物除去媒体に供給される。水の存在は、上に概説した温度方法によって、又は、水の存在を検出するシステムを用いてモニタすることができる。鉱物除去媒体の効率が高すぎたため、必要な量よりもさらに多くのブリード水が主サンプから採取されているであろうし、サンプの鉱物レベルは指定された最大含量を下回るであろう。

幾つかの蒸発冷却システムは、サンプ及び再循環ポンプを含まないことに留意すべきである。代わりに、新鮮な水が蒸発セクションに供給され、プロセスで蒸発しない過剰の水はドレインに誘導される。これらの「ワンススルー」システムは、水中の鉱物が、プロセスにおいて水が蒸発する際にスケールの形成を可能にする閾値を超えないように、過剰の水を意図的に適用する。よって、理想的には、システムから離れる水は、鉱物含量がほぼ飽和しており、かつ小容積である。これらの事例では、高鉱物含量を有する、システムから離れる過剰の水は、上記例におけるブリード水として同じように利用することができる。それを用いて、鉱物除去媒体を処理して、再循環される水の例で説明したブリード水と同じ様式で容積を低減又は排除することができる。したがって、用語「ブリードする」は、１次冷却ユニットを通って再循環する冷却流体の一部をブリードすること、並びに、残留する「ワンススルー」冷却流体を回収し、その回収された流体を２次冷却ユニットに供給することの両方を含意するために用いられうる。

本発明の補助冷却システムは、直接及び間接蒸発冷却器の使用を除外しない。ブリード又は廃流体を生じ、かつ、プレコンディショニングプロセスでその流体を利用することによって利益を享受しうるあらゆるシステムが、本発明の範囲内に含まれうる。間接蒸発システムでは、熱負荷、したがって１次蒸発速度は、必ずしも、水が蒸発していく空気の周囲条件に左右されないことに留意すべきである。これらのシステムでは、熱は、交換器内の熱負荷から第２の空気流であるスカベンジャー空気流へと伝達されている。スカベンジャー（又は冷却）空気が乾燥している場合、該空気は、冷却熱交換器へと向かう途中で空気が犠牲媒体を通過する際に、該犠牲媒体からブリード水を蒸発させる高い能力を有する。スカベンジャー空気が高い相対湿度を有する場合、犠牲媒体において蒸発可能なブリード水の量は限られる。この事例では、非常に高い蒸発効率を有する犠牲パッドでも、すべてのブリード水を蒸発させるには不十分でありうる。

よって、冷却される負荷が犠牲空気条件から切り離される間接蒸発システムでは、最適な犠牲媒体有効性は計算できない。よって、ブリード水の割合（rate）は蒸発負荷に比例し、これは、冷却空気流の利用可能な断熱蒸発ポテンシャルよりもおそらくは高いことから、蒸発パッド効率を最大で９５％まで上昇させることは有益であろう。

こうして、新しい有用な蒸発冷却システムが示され、説明されてきた。本発明は、ある特定の具体的な実施形態を参照することによって、例示及び説明の目的で示されているが、例証される例のさまざまな修正、変更、及び等価物が可能であることは、当業者にとって明白であろう。

１００ 直接蒸発冷却器
１１０ リザーバ
１１２ 供給ライン
１１４ ポンプ
１１６ 分配器
１１８ 蒸発パッド
１２０ 弁
１２２ ドレイン
１２４ 温かい給気
１２６ 冷えた空気
１２８ 給水
２００ 流体冷却器
２０２ 筐体
２０４ 吸気口
２０６ 排気口
２１０ サンプ
２１２ 供給ライン
２１４ ポンプ
２１６ 噴霧ヘッド
２１８ 熱交換器
２１８−１ 流体流入口
２１８−２ 流体流出口
２２０ ブリード弁
２２１ ブリードライン
２２２ ドレイン
２２６ 冷えた空気
２２８ 給水源
２３０ ファン
２３２ モータ
３００ 蒸発冷却システム
３１０ サンプ又はリザーバ
３１２ 供給ライン
３１４ ポンプ
３１６ 分配器又は噴霧ヘッド
３２０ ブリード弁
３２１ ブリードライン
３２２ ドレイン
３２３ 空気フロー
３２４ 空気流
３２６ 排気流
３２８ 給水設備
３３２ 総溶解固形分（ＴＤＳ）計測器又はプローブ
３４０ 補助蒸発媒体又はパッド
３４０−１ モジュラー媒体セクション
３４１ フレーム
３４２ 分配器
４００ システム
４１２ 再適用ポンプ
４１５ 再適用ライン
５００ システム
５１０ ドレインパン
５２０ ウィッキング媒体

Claims (26)

1. １次熱交換媒体内を通って流れる冷却流体を利用して前記１次熱交換媒体を通流する給気を冷却する１次冷却ユニットであって、前記１次熱交換媒体に前記冷却流体を供給するための供給ライン、前記１次熱交換媒体に供給された前記冷却流体を回収するための回収リザーバ、及び、前記リザーバ内に回収された前記冷却流体を前記供給ラインに戻るように再循環するためのポンプを含む、１次冷却ユニット、
   前記１次冷却ユニットから前記再循環する冷却流体の一部をブリードするように構成されたブリードライン、及び
   前記給気の流れ方向に関して前記１次冷却ユニットの上流に配置された２次冷却ユニットであって、前記１次冷却ユニットから前記ブリードラインを通ってブリードされた前記冷却流体を受け入れるように構成された２次熱交換媒体を含む、２次冷却ユニット
   を備えており、
   前記２次熱交換媒体によっては完全に蒸発されない過剰のブリード冷却流体が、さらなる蒸発のために熱交換媒体に誘導される、
   蒸発冷却システム。
2. 前記１次冷却ユニットが、直接蒸発冷却器を含むことを特徴とする、請求項１に記載の蒸発冷却システム。
3. 前記１次冷却ユニットが、間接蒸発冷却器を含むことを特徴とする、請求項１に記載の蒸発冷却システム。
4. 前記２次熱交換媒体が、蒸発冷却媒体を含むことを特徴とする、請求項１に記載の蒸発冷却システム。
5. 前記２次熱交換媒体がモジュラーの形態をしており、前記２次熱交換媒体の各モジュールが個別に交換可能であることを特徴とする、請求項１に記載の蒸発冷却システム。
6. 前記１次冷却ユニットからブリードされた前記再循環冷却流体の一部の量を制御するためのコントローラをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の蒸発冷却システム。
7. 前記コントローラが、前記再循環された水の状態を感知し、それに応じて、前記１次冷却ユニットからブリードされた前記再循環冷却流体の一部の量を制御することを特徴とする、請求項６に記載の蒸発冷却システム。
8. 前記過剰のブリード冷却流体が、ウィッキング又は圧送によって前記２次熱交換媒体に再誘導されることを特徴とする、請求項１に記載の蒸発冷却システム。
9. 前記２次熱交換媒体からの過剰の再循環冷却流体が、ドレインパン内に捕捉され、前記２次熱交換媒体の下縁との接触を維持するように、前記２次熱交換媒体が前記ドレインパンに位置付けられていることを特徴とする、請求項８に記載の蒸発冷却システム。
10. 前記第２の熱交換媒体からの過剰の再循環冷却流体がサンプ内に捕捉され、前記２次熱交換媒体へと戻るように圧送されるように、前記２次熱交換媒体が前記サンプ内に位置付けられることを特徴とする、請求項８に記載の蒸発冷却システム。
11. 補助蒸発冷却媒体をさらに含み、前記２次熱交換媒体からの過剰の再循環冷却流体が、前記補助蒸発冷却媒体に誘導されることを特徴とする、請求項１に記載の蒸発冷却システム。
12. その中を通流するガスをコンディショニングするように構成された１次コンディショニングユニットであって、コンディショニング流体を利用して前記通流ガスをコンディショニングする、１次コンディショニングユニット、
    前記１次コンディショニングユニットから前記コンディショニング流体の一部をブリードするように構成されたブリードライン、及び
    前記ガスの流れ方向に関して前記１次コンディショニングユニットの上流に配置された２次コンディショニングユニットであって、該２次コンディショニングユニットが、前記１次コンディショニングユニットから前記ブリードラインを通ってブリードされた前記コンディショニング流体を利用して、前記通流ガスをプレコンディショニングし、前記２次コンディショニングユニットによっては完全に蒸発しない過剰のブリード水が、さらなる蒸発のためにコンディショニングユニットへと誘導される、２次コンディショニングユニット
    を備えた、ガスコンディショニングシステム。
13. 前記１次コンディショニングユニットが、直接蒸発冷却器を含むことを特徴とする、請求項１２に記載のガスコンディショニングシステム。
14. 前記１次コンディショニングユニットが、間接蒸発冷却器を含むことを特徴とする、請求項１２に記載のガスコンディショニングシステム。
15. 前記２次コンディショニングユニットが、前記ブリードラインを通じて受け入れた前記コンディショニング流体を使用する蒸発冷却媒体を介して前記通流ガスを冷却することによって、前記通流ガスをプレコンディショニングすることを特徴とする、請求項１２に記載のガスコンディショニングシステム。
16. 前記コンディショニング流体が、前記１次コンディショニングユニットを通じて再循環され、前記ブリードラインが、前記１次コンディショニングユニットから前記再循環コンディショニング流体の一部をブリードすることを特徴とする、請求項１２に記載のガスコンディショニングシステム。
17. 前記１次コンディショニングユニットからブリードされた前記再循環コンディショニング流体の一部の大きさを制御するためのコントローラをさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載のガスコンディショニングシステム。
18. 前記過剰のブリードコンディショニング流体が、ウィッキング又は圧送によって前記２次コンディショニングユニットに再誘導されることを特徴とする、請求項１２に記載のガスコンディショニングシステム。
19. 前記２次コンディショニングユニットからの過剰の再循環コンディショニング流体が、ドレインパン内に捕捉され、前記２次コンディショニングユニットの下縁との接触を維持するように、前記２次コンディショニングユニットが前記ドレインパンに位置付けられていることを特徴とする、請求項１８に記載のガスコンディショニングシステム。
20. 前記第２のコンディショニングユニットに由来する過剰の再循環コンディショニング流体が、サンプ内に捕捉され、前記２次コンディショニングユニットに戻るように圧送されるように、前記２次コンディショニングユニットが前記サンプに位置付けられていることを特徴とする、請求項１８に記載のガスコンディショニングシステム。
21. 補助コンディショニングユニットをさらに含み、前記２次コンディショニングユニットからの過剰の再循環コンディショニング流体が、前記補助コンディショニングユニットに誘導されることを特徴とする、請求項１２に記載のガスコンディショニングシステム。
22. 蒸発冷却システムにおいて給気を冷却する方法であって、
    冷却流体を１次蒸発熱交換媒体に供給する工程、
    前記１次蒸発熱交換媒体に供給された前記冷却流体の一部をブリードする工程、
    前記ブリードされた冷却流体を２次蒸発熱交換媒体に供給する工程、
    前記給気を前記１次蒸発熱交換媒体及び前記２次蒸発熱交換媒体を通して流す工程、及び
    前記２次熱交換媒体によっては完全に蒸発しない過剰のブリード冷却流体を、さらなる蒸発のために熱交換媒体へと誘導する工程
    を含む、方法。
23. 前記過剰のブリード冷却流体が、ウィッキング又は圧送によって前記２次熱交換媒体に再誘導されることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
24. 前記過剰のブリード冷却流体をドレインパン内に捕捉し、該過剰のブリード冷却流体と前記２次熱交換媒体の下縁との接触を維持する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
25. 前記第２の熱交換媒体からの前記過剰の再循環冷却流体をサンプ内に捕捉し、該過剰の再循環冷却流体を前記２次熱交換媒体へと戻るように圧送する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
26. 前記過剰の再循環冷却流体を前記２次熱交換媒体から補助蒸発冷却媒へと誘導する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項２２に記載の方法。

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