JP3125246U - 負荷変化により冷却水流量と冷却空気流量を自動調整する冷却塔 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷変化により冷却水流量と冷却空気流量を自動調整する冷却塔を提供する。
【解決手段】本案の冷却塔は、冷却塔主体、湿度計、周波数変化により制御する冷却ポンプ、複数の温度量測器と演算効能を有するコントローラーからなる。必要なデータは、冷却塔の最大許容捜査範囲、冷却塔伝熱性能、外界空気の湿球温度と接近度の関係式等で、数値法により演算し、コントローラーに内建する。冷却塔が運転する時、温度量測器の量測、並びに、情報をコントローラーに伝送することにより、コントロール内で、実際のデータと予め計算されたデータを比較し、最適な冷却水流量と冷却空気流量値を求める。コントローラーにより、それぞれ、冷却水ポンプと冷却塔の冷却ファンを制御し、最適な流量を達成する。
【選択図】図４

Description

本考案は、冷却塔に関するものであって、特に、負荷変化により冷却水流量と冷却空気流量を自動調整する冷却塔に関するものである。

生活が豊かになり、中央空調制御システムの使用量も増加して、夏季のピーク時に、空調の使用電量が非常に多くなる原因の一つになっている。如何にして、空調エネルギーの使用効率を改善し、夏季の使用電量を減少させるかが、国内エネルギー節約政策の重要な課題となっている。

一般の中央空調システムの主な素子配置と操作原理は、図１で示されるように、基本的に、五つの熱量交換の循環システムを有し、左側の室内空調負荷は外に向かい、室内の空気は、冷却盤管４と熱交換される。氷水と冷媒は、蒸発器３中で、熱交換される。その後、冷媒と冷却水は、氷水ホストの凝縮器２中で熱交換される。最後に、冷却水と室外空気は、冷却塔１中で熱交換される。

本考案は、上述の最後の熱交換工程に対するエネルギー節約方法を提出し、中央空調システムの電力使用量を減少させ、ピーク時の電力使用量を減少させることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本考案の冷却塔は、冷却塔主体、湿度計、周波数変化により制御する冷却ポンプ、複数の温度量測器と演算効能を有するコントローラーからなる。必要なデータは、冷却塔の最大許容捜査範囲、冷却塔伝熱性能、外界空気の湿球温度と接近度の関係式等で、数値法により演算し、コントローラーに内建する。冷却塔が運転する時、温度量測器の量測、並びに、情報をコントローラーに伝送することにより、コントロール内で、実際のデータと予め計算されたデータを比較し、最適な冷却水流量と冷却空気流量値を求める。コントローラーにより、それぞれ、冷却水ポンプと冷却塔の冷却ファンを制御し、最適な流量を達成する。

本考案により、中央空調システムの電力使用量を減少させ、ピーク時の電力使用量を減少させることができる。

図２は、凝縮器（condensor）２と冷却塔（cooling tower）１間の作動状態を示す図である。M_L量で、凝縮器内の作業流体（冷媒）を冷却し、冷却水の温度は、T_L1に上昇して、凝縮器から流出し、冷却塔の入り口に輸送される。一般に、重力作用により、高温（T_L1）の冷却水は、冷却塔の入り口から、冷却塔内の冷却盤１２に流経し、冷却塔底部の貯蔵槽１３まで下に流れる。下に流れる冷却水を冷却するために、一般に、冷却塔上方のファン１１を利用し、冷却塔の下方入り口から、外界の低温の冷却空気を抽取し、流量はM_G、温度はT_G1で、上に流して、下に流れる冷却水を冷却する。冷却空気は、温度が高い冷却水を吸収し、これにより、冷却塔を離れる時、温度は、T_G2に上昇し、厳密には、冷却空気は、蒸発する水分の加入により、流量は増加する。しかし、一般に、M_Gは一定である。反対に、冷却水は、T_L1の高い温度から、T_L2に冷却され、流量は、水の蒸発作用により、減少する。しかし、一般に、M_Lは定値とみなされる。温度がT_L2の冷却水は、凝縮器に進入し、新しい循環作用を実行する。図２中、コントローラー２４は、冷却塔から流出する冷却水の温度を調節設定し、T_L2の温度信号をコントローラー２６に伝送する。コントローラー２５は、冷却水の温度差ΔT（T_L1-T_L2）を計算、及び、調節設定し、温度差の信号を、コントローラー２６に伝送する。コントローラー２６は、各種信号を整合し、指令を送信して、冷却塔のファン１１と冷却ポンプ２３の回転速度と流量を調整する。

エネルギー保存（energy conservation）の関係で、冷却塔から上方に流入、下方に流出する冷却水が伝出する総熱量は、冷却塔下方から流入、上方から流出する冷却空気が獲得する総熱量と等しくなければならない。冷却水と冷却空気間の熱交換は、図３で示される。微量距離ｄx間の冷却水の伝出熱量は、
式１中、ΔＴ_Lは、この区間の温度差で、Ｃ_Lは冷却水の比熱（specific heat）で、温度変化により変化せず、定値とみなされ、式中、マイナスは熱量の伝出を示す。
同様に、冷却空気が獲得する熱量ｄＱ_Gは、
式２中、ΔＨは、この区間の冷却空気のエンタルピー差（enthalpy difference）で、以下の式から、
が計算される。
Ｈ_(TG)とＨ_(TG+dTG)はそれぞれ、微量空間に進入、或いは、離れる時の空気のエンタルピー値である。式１と式２は相同でなければならないので、
一般に、工程応用上で、ｄＱ_Gは、下式から求められ、
式５中のｆは、熱対流係数（convection heatcoefficient）で、ｋは、使用する冷却液体と冷却期待の物性質により決定し、その値は常数である。Ｈはこの区間の未飽和空気（unsaturated air）のエンタルピー値で、H_Sは、この区域間の冷却水表面温度が対応する飽和空気（saturated air）のエンタルピー値である。HとH_Sは、温度関数で、（H_S-H）は、熱量が、冷却水表面の空気から周辺に流れる冷却空気を示し、ｄＡは、この区間の熱伝導面積である。

微量距離を、冷却塔全体に拡充する場合、下式が成立する。
式中Ａは、冷却塔中の冷却盤１２の総熱伝導面積を示す。式６は以下の式に書き換えることができる。

実際の計算は、下式を用いる。
式中（Ｈ_S-Ｈ）は、体積増量内の平均エンタルピー値を示す。ΔＴは、体積増量の温度差で、式８の等号の右の値がわかった時、数値法（numerical method）により等号の
側の値が求められる。
の値がわかった時、等号の右側の各パラメータの値を求めることができる。

一般の製造メーカーが冷却塔を販売する時、冷却塔は、熱負荷が１００％の時の冷却水流量M_L、冷却空気流量M_G、範囲度（range）RT、接近度（approach）APを提供する。凝縮器に進入する時、冷却水の温度上限はT_L2で、凝縮器を離れる時は、冷却水の温度上限はT_L1で、外界空気の湿球温度はWBである。接近度APは、冷却水が冷却塔を離れる時の温度（T_L2）と冷却空気が冷却塔に進入する時の湿球温度（wet bulb temperature）WB両者の差値で、即ち、
範囲度RTは、冷却水が冷却塔に出入する温度差で、即ち、
凝縮器２の負荷Q_Lは、下式から求められ、
代入後得られるのは、
冷却空気の総熱量Q_Gは以下の式で表示され、
実際の冷却塔の性能の計算時、量測器により、冷却塔に進入する冷却空気の湿球温度WBと冷却水量M_L、及び、設定された比率MLGを量測し、順に、T_L2とT_L1を求める。式８を代入し、
値が求められる。ｆ、Ａ、ｋが有する物理意義は、
値が非常に意義のある冷却塔性能係数とみなされ、Ｍ_L、MLGとWB値が一定に保持される時、冷却塔性能係数
は、定値を維持する必要があり、この関係の利用は、数値計算により、凝縮器２の熱負荷変化時（RT値が変化する時）のT_L2、T_L1とAPの変化を逆算する。T_L2とT_L1の変化を了解した後、数値計算と冷却水M_LとMLGの比率を調整することにより、T_L2とT_L1は最適な状態を得る。この調整過程は、効果的に、エネルギー節約の目的を達成する。本考案の主要内容は、以下で示される実施例で詳述される。

あるメーカー商品を例とし、メーカーが提供する操作データは以下のような条件である。
冷却水流量M_L＝３０GPM（毎分３０ガロン）
冷却空気流量M_G＝２５GPM（毎分２５ガロン（＝２５６パウンド））
冷却水と冷却空気の質量流量比MLG(M_L／M_G)＝１．２
範囲度RT＝１０°F
接近度AP＝７°F
冷却空気が冷却塔に流入する湿球温度WB＝８３°F
冷却水が凝縮器を流出する温度上限T_L2は、
この組（T_L2＝９０°F、T_L1＝１００°F）データは、WB＝８３°F時、冷却水が凝縮器に出入する温度上限で、設定される最大許容操作条件である。
この時、凝縮器の熱負荷Q_Cは、下式から求められる。

値は式８から求められ、
である。

凝縮器の熱負荷の下降時のT_L1とT_L2の変化である。操作条件M_L、M_GとWBと例１が相同で、凝縮器の熱負荷が低下する時、凝縮器の温度量測器２１、２２により、冷却水の出入温度T_L1とT_L2の変化を知ることができる。その変化後の数値は、それぞれ、T_L1＝９５°F、T_L2＝８８°Fである。

上述の式１１から、熱負荷Q_Cが計算される。
例１のQ_Cと比較すると、約７０％（１０５００／１５０００）で、即ち、３０％下降する。この時の操作条件M_L、M_GとWBと例１が相同で、これにより、
の値も例１と相同でなければならず、
である。この
の条件を利用し、式８を代入すると、対応するT_L1とT_L2の値が求められる。数値計算により、T_L1＝９５．２４°F、T_L2＝８８．２４°Fである。温度量測器２１、２２により得られる量測値は、T_L1＝９５°F、T_L2＝８８°Fである。両者は近似し、相同とみなされる。以下の節エネの実施例は、７０％の熱負荷を根拠としている。

凝縮器の熱負荷低下時の対応措置である。冷却空気流量M_Gを減少させて、冷却水が凝縮器に進入する温度T_L2を、例２の８８°Fから例１の上限温度９０°Fに上昇して、エネルギーを節約する。

例２から分かるように、凝縮気の熱負荷は、例１の７０％に低下する時、凝縮器に進入する冷却水温度T_L2は８８°Fに変化して、エネルギーを節約する。この時、冷却空気の流量M_Gが減少し、冷却塔の冷却能力も低下するので、冷却水の温度が上昇する。凝縮器に進入する冷却水の温度上限は９０°Fであるので、冷却水温度量測器２２の制御により、目的を達成する。同時に、電力も節約する。この種の節エネ方式は、現在幅広く使用され、台湾特許の公告番号第３０５４７７号で、“エネルギーが負荷の変化に伴って自動調整変化する冷却塔”もこの方法を採用している。前述の数値計算方法から分かるように、この時の状態は以下のようである。
冷却空気流量は、すでに変化し、
の値もそれに伴って変化する。冷却器の熱負荷Q_Cは下式で求められる。
例１の７０％のままである。

凝縮器の熱負荷低下時の本考案が提供する対応措置である。冷却水M_Lと冷却空気M_Gの流量は、冷却水が凝縮器に出入する温度を、例２のT_L1＝９５°F、T_L2＝８８°Fから、前述の凝縮器の最大許容操作条件T_L1＝１００°F、T_L2＝９０°Fに上昇する。

この方法は、まず、冷却水流量M_Ｌを減少させ、その後、冷却空気流用M_Gを減少させ、例３の方法と比較すると、電力エネルギーを大幅に減少させることができ、更に効果的にエネルギーの節約を達成する。この方式が、本考案の主要内容である。

例３から分かるように、冷却空気流量を減少させて、凝縮器の出入する水温を、T_L1＝９７°F、T_L2＝９０°Fに上昇させる。データから分かるように、T_L1は、３°F（＝１００°F−９７°F）の利用範囲を有し、これにより、Q_Cを１０５００Btu／hrの条件で維持し、前述の数値法により、冷却水量M_L＝２１GPM、冷却空気流量M_G＝１８GPM、MLG＝１．１６７時、T_L1＝１００°F、T_L2＝０°Fを求めて、上限温度を達成し、この時、
の値は、０．９６０、凝縮器の熱負荷Q_Cは、下式により求められる。

１０５００Btu／hrがわかり、結果から、冷却水流量を減少させ、冷却空気流量も減少させ、例１の操作範囲を維持することができる。

計算結果から、熱負荷が７０％に変化する時、冷却水流量は、元の（例１）の冷却水流量の７０％（＝２１GPM／３０GPM）であることが確認される。この結論により、冷却水流量の制御方法に応用する。

冷却水の温度量測器２１、２２から、凝縮器の熱負荷低下後の温度T_L1＝９５°F、T_L2＝８８°Fであることが分かり、両者の温度差ΔT＝７°Fである。凝縮器T_L1とT_L2両者の設定の上限温度差ΔT＝１０°F（＝１００°F−９０°F）で、両者の比率は０．７（＝７／１０）である。冷却水流量は、元の上限温度状態の３０GPMから３０％下降して、２１GPM（＝３０GPM×０．７）に調整される。その後、冷却空気流量M_Gを再調整して、温度量測器２１、２２の読み取り数は、それぞれ、T_L1＝１００°F、T_L2＝９０°Fまでである。冷却水輸送に必要なエネルギーは、冷却空気よりはるかに大きく、冷却水の流量を低下させ、大幅にポンプ２３のエネルギー消耗を節約し、これにより、本案の節エネ方式は、例３中の方式より優れているだけでなく、数値計算により認証され、正確、且つ、確実に実行できる。全体制御は、図４で示される。図中の点線が包含する内容は、応用時、プログラム化可能なロジックコントローラーにより整合を加えることができる。

凝縮器の熱負荷が１００％で、外界環境が冷たくなり、外界空気の湿球温度WBが、８３°F（例１）から８１°Fに低下する時、冷却水の出入温度T_L1、T_L2の値をいかにして調節するかである。凝縮器の熱負荷が１００％で、冷却水と冷却空気流量は、それぞれ、M_L＝３０GPM、M_G＝２５GPMである。MLGは、１．２（＝３０／２５）凝縮器１００％の熱負荷Q_Cは、例１から分かるように、１５０００Btu／hrで、故に、冷却塔の
の値は、０．９７６のままで、範囲度RTは１０°Fで維持され、外界のWB値が８１°Fに低下する時、数値計算方法を利用して、この状態に符合する冷却水出入口温度T_L1＝９８．５°F、T_L2＝８８．５°Fである。この時、接近度APは、元の（例１）７．０から７．４７に変化し、凝縮器１００％の熱負荷下で、接近度APと冷却空気は冷却塔に進入する時の湿球温度WB間の関係は、前述の数値計算方法によって求められ、その関係は、図５で示される。WBが８１°Fである時、APは約７．５である。冷却水のT_L2＝WB＋APが最適値であるので、
この時、例３のような方式でエネルギーを節約したい場合、冷却空気量M_Gは単独で低下し、MLGは１．６５に変化し、冷却塔ファンの電力エネルギーを節約して、T_L1＝１００°F、T_L2＝９０°Fにし、
の値は、０．９７４になる。

一般のシステムでは、水冷器作用（主に、圧縮機５による）のエネルギーは、冷却塔の作用（主に、ファン１１による）のエネルギーの約１５倍である。冷却空気流量を減少させ、T_L2を８８．５から９０°Fに上昇させると、ファンの電力エネルギーを節約できるが、それに伴って、T_L1は、９８．５から１００°Fに上昇し、水冷器作用を増加して、更に多くのエネルギーを損耗する。全体的に、効率が悪く、節約効果が達成されない。よって、例３の前案は、T_L2＝９０°Fに固定設定する方式で（このデータは、製造メーカーにより提供され、満載、且つ、外界WBが８３°Fの条件）、節約効果が得られない。

本考案は、図５の結果から、T_L2を８８．５°Fに調整し、冷却水と冷却空気流量は、M_L＝３０GPM、M_G＝２５GPMの条件下で、T_L1は９８．５°Fが得られ、凝縮器の出入水温はすでに下降し、水冷器の効果が低下し、これにより、節約の目的が達成されていることが分かる。この時、冷却空気の流量を増加して、T_L2の温度を８８．５°F以下にしようとする場合、これは、エネルギーの使用を増やすだけで、何の意味もなく、図５から分かるように、WBにAPを加えると、T_L2の最低値である。凝縮器の熱負荷が低下する時、例４の方法で調整でき、更に多くのエネルギーを調整することができる。これにより、冷却空気の温度量測器（１４）の量測で、外界空気の湿球温度（WB）値が下降したのが分かる時、図５の結果により、凝縮器に進入する冷却水の上限温度を設定し、最適使用状態が得られ、最も効果的なエネルギー使用条件を達成する。

本考案では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本考案に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本考案の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本考案の保護範囲は、実用新案登録請求の範囲で指定した内容を基準とする。

空調システムを示す図である。 凝縮機と冷却塔の作動詳細図である。 微小距離の熱平衡図である。 システム制御の構造図である。 外界の湿球温度WBと接近度APの関係図である。

符号の説明

１…冷却塔
１１…ファン
１２…冷却盤
１３…水槽
１４…温度量測器
１５…温度量測器
１６…湿度計
２…凝縮器
２１…温度量測器
２２…温度量測器
２３…冷却水ポンプ
２４、２５、２６…コントローラー
３…蒸発器
４…室内風機冷却盤管
５…圧縮機
６…水冷器
７…膨張バルブ

Claims (12)

1. 負荷の変化により自動的に冷却水流量と冷却空気流量を調整する冷却塔であって、一つ、或いは、多数の併合使用する冷却塔主体、湿度計、周波数変化により制御する冷却ポンプ、一組４個の温度量測器と３個のコントローラーからなることを特徴とする冷却塔。
2. 前記冷却塔主体は、周波数制御の冷却ファン、冷却盤と水槽を含むことを特徴とする請求項１に記載の冷却塔。
3. 前記冷却ファンは、前記コントローラーにより、需要に応じて、冷却空気流量の多寡を制御することができることを特徴とする請求項２に記載の冷却塔。
4. 前記湿度計装置は、前記冷却塔外部に設置され、前記冷却塔に進入する冷却空気の相対湿度値を測量することを特徴とする請求項１に記載の冷却塔。
5. 前記冷却ポンプは、冷却水流道に装設され、前記コントローラーにより、需要に応じて、冷却水流量の多寡を制御することができることを特徴とする請求項１に記載の冷却塔。
6. 前記４個の温度量測器中の２個は、それぞれ、前記凝縮器に出入する冷却水の流道に装設され、それぞれ、冷却水が凝縮器に出入する時の水温を量測し、また、コントローラーに連結されることを特徴とする請求項１に記載の冷却塔。
7. 前記４個の温度量測器中の２個は、それぞれ、前記冷却塔の冷却空気入り口、及び、出口に装設され、冷却空気が前記冷却塔に出入する時の温度を量測し、また、コントローラーに連結されることを特徴とする請求項１に記載の冷却塔。
8. ３個のコントローラー中の一個は、計算プログラムを有し、前記湿度計と温度量測器により得られるデータに演算を加え、湿球温度を求め、また、もう一つのコントローラーと連結されることを特徴とする請求項１に記載の冷却塔。
9. ３個のコントローラー中の一個は、前記温度量測器と連結し、前記凝縮器を出入する冷却水の温度を監視、設定すると共に、また、両温度量測器の差値を演算することを特徴とする請求項１に記載の冷却塔。
10. ３個のコントローラー中の一個は、予め、最大許容操作条件を設定しておき、前記コントローラーと連結し、量測された外気湿球温度と冷却水の出入口温度差のデータを得て、得られたデータと最大許容操作条件を比較して、最適な冷却水流量と冷却空気流量を決定し、信号を、前記冷却ファンに伝送し、最適流量状態まで調整することを特徴とする請求項１に記載の冷却塔。
11. 一個、或いは、数個の不等のコントローラーにより代替して、相似する効果を達成することを特徴とする請求項１に記載の冷却塔。
12. 外気の湿球温度が接近度に対応するデータは、前記コントローラー内に内建され、外気で外気湿球温度変更時の状態に使用することを特徴とする請求項１０に記載の冷却塔。