JP7059984B2

JP7059984B2 - 冷却塔

Info

Publication number: JP7059984B2
Application number: JP2019125647A
Authority: JP
Inventors: 智之沖田; 貴博中川
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2039-07-05
Also published as: JP2021011969A

Description

本発明は、プラント等で使用されて温度が上昇した冷却水を冷却する冷却塔に関する。

プラントや各種施設で用いられる冷却水は、再循環されて繰り返し使用されることが多い。例えば、製鉄所においては、種々の製造工程において、冷却水を用いた冷却処理が行われ、この冷却水は再循環されて再利用される。プラント以外の各種施設においても、圧縮機や冷凍機等で発生する排熱を、熱交換機を介して冷却水中に排出することが行われている。ここで、使用後の冷却水は、使用前の冷却水よりも温度が上昇しているため、使用後の冷却水を再循環させる前に、冷却塔を通過させて冷却することが行われている。

冷却水を冷却する冷却塔としては、冷却水を多孔質の充填材に通し、同時に充填材に空気も通すことで、冷却水が蒸発するときの気化熱を利用して高い冷却効率が得られる、開放型冷却塔が用いられることが多い。

製鉄所等のプラントで用いられる冷却水には、製造工程や循環過程において、有機物、無機物、塵埃等の各種異物が混入する機会が多いため、再循環して再利用される冷却水には、これらの異物が蓄積していく。そして、このような冷却水を冷却塔で冷却すると、多孔質の充填材に異物が付着していき、充填材の通風抵抗が増大して、冷却塔の冷却能力が低下するため、充填材の洗浄や更新を定期的に実施する必要がある。

ここで、近年では、記録的な猛暑を記録するなど、夏季の気温が非常に高くなることがあり、水温も上昇しやすくなる。このような時季に充填材の洗浄や更新のタイミングが重なると、充填材の洗浄や更新の対象となる冷却塔が停止される影響で、冷却水の供給温度を必要なレベルまで十分に下げられず、冷却水が供給されるプラントの生産に影響を与える問題が発生しうる。

このような問題が発生しないよう、冷却水の供給温度を維持するには、例えば、再循環される冷却水に代えて、または加えて、外部から新たに工業用水を導入することが考えられるが、急激な気温上昇に対応すべく短時間に外部から多量の工業用水を導入すると、水圧が低下して通水トラブルが発生したり、工業用水の購入費用が発生したりする問題がある。

また、仮設の冷却塔を増設することで、冷却塔の冷却能力を増強する対応をとることも考えられるが、仮設の冷却塔を設置するには一定の期間を要するため、急激な気温上昇等により突発的に発生する冷却塔の冷却能力の不足に迅速に対応することが難しい。

また、例えば特許文献１～３に開示されるように、冷却塔において、通常の充填材に代えて、内部を冷媒液が通過する熱交換器を配置し、冷却塔の冷却能力を向上させることも考えられる。

しかし、特許文献１～３に開示されるような冷却塔においても、冷却水に含まれる各種異物が熱交換器に付着して、熱交換器の表面積が減少し、冷却塔の冷却能力が低下するため、熱交換器の洗浄や更新を定期的に実施する必要が生じることに変わりはない。

このように、従来の冷却塔では、夏季の猛暑時の急激な気温上昇等により突発的に発生する冷却塔の冷却能力の不足に迅速に対応することが困難であった。

特開平８－６１８８４号公報特開平５－２８０８８８号公報特開平５－９９５８９号公報

上記課題に鑑み、本発明は、夏季の猛暑時の急激な気温上昇等により、冷却塔の冷却能力の不足が突発的に発生したときに、冷却能力を迅速に回復することのできる冷却塔を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の冷却塔は、以下の特徴を有する。

［１］副生物として液体窒素が発生するプラントに設けられる冷却塔であって、冷却水および空気が通過可能に形成された充填材と、使用後の前記冷却水を前記充填材に散水する散水装置と、前記充填材を通過する前記空気の流れを生成させる送風装置と、前記充填材を通過した前記冷却水を受け入れる受水槽と、前記充填材近傍に設けられ、該充填材を通過する前記冷却水および前記空気を、前記液体窒素により冷却可能に構成された充填材冷却部とを備えることを特徴とする冷却塔。

［２］前記充填材冷却部は、内部を前記液体窒素が通過可能に形成された冷却管であることを特徴とする［１］に記載の冷却塔。

［３］前記充填材冷却部を構成する前記冷却管は、波板状の表面を有することを特徴とする［２］に記載の冷却塔。

［４］前記波板状の表面は、所定間隔で設けられた凸部および凹部が高さ方向に並ぶように形成されていることを特徴とする［３］に記載の冷却塔。

［５］前記受水槽には、該受水槽に貯留された前記冷却水を、前記液体窒素により冷却可能に構成された受水槽冷却部が設けられていることを特徴とする［１］～［４］のいずれかに記載の冷却塔。

［６］前記受水槽冷却部は、内部を前記液体窒素が通過可能に形成された冷却管であることを特徴とする［５］に記載の冷却塔。

［７］前記受水槽冷却部を構成する前記冷却管の径および長さは、前記受水槽冷却部内を通過する前記液体窒素の通過時間を所定時間以内に制限する寸法に設定されていることを特徴とする［６］に記載の冷却塔。

本発明の冷却塔によれば、充填材近傍に設けられる充填材冷却部により、プラントで発生する副生物である液体窒素を有効利用して、充填材を通過する冷却水および空気を冷却し、冷却塔の冷却能力を高めることができる。

よって、夏季の猛暑時の急激な気温上昇等により、冷却塔の冷却能力が不足して、冷却水の供給温度が上がったときに、冷却塔の冷却能力を高めて、冷却水の供給温度を所定の温度まで迅速に下げることができる。

また、液体窒素は、冷却塔が設けられるプラントにおいて副生物として発生するものを有効活用できるので、液体窒素を別途調達する必要がない。

充填材冷却部は、内部を液体窒素が通過する冷却管等により構成することが可能であるが、液体窒素の温度は－１９５．８℃以下（１気圧下）の低温であるため、液体窒素を連続的に通過させると、充填材冷却部やその近傍に配置される充填材に着霜が発生しうる。しかし、充填材冷却部に液体窒素を常時通過させるのではなく、冷却塔の冷却能力の不足が突発的に発生したときに限り、液体窒素を連続的でなく断続的に通過させるようにすれば、充填材冷却部やその近傍に配置される充填材に着霜が発生することはない。

また、充填材冷却部を構成する冷却管が、波板状の表面を有するようにすることで、充填材冷却部と、冷却水および空気との接触表面積が増加して、冷却塔の冷却能力が高められ、また同等の冷却能力を確保するのに必要な液体窒素の使用量を削減できる。

さらに、上記波板状の表面を、所定間隔で設けられた凸部および凹部が高さ方向に並ぶように形成すれば、充填材冷却部の使用時だけでなく不使用時にも、冷却水中の異物が上記波板状の表面の凹部に捕捉され、その分だけ充填材への異物の付着量が減少して、充填材の洗浄や更新の頻度を少なくすることができる。

加えて、受水槽に受水槽冷却部を設け、この受水槽冷却部により、プラントで発生する副生物である液体窒素を利用して、受水槽に貯留された冷却水を冷却するようにすれば、夏季の猛暑時の急激な気温上昇等により、冷却塔の冷却能力の不足が突発的に発生したときに、冷却塔の冷却能力を高めて、冷却水の供給温度を所定の温度までさらに迅速に下げることができ、また同等の冷却能力を確保するのに必要な液体窒素の使用量を削減できる。

受水槽冷却部は、内部を液体窒素が通過する冷却管等により構成することが可能であるが、冷却管の径および長さを比較的小さく設定して、受水槽冷却部の冷却管内を通過する液体窒素の通過時間を所定時間以内に制限することで、受水槽内の冷却水の熱を吸収する液体窒素の温度を、沸点以下に確実に抑えることができる。よって、受水槽冷却部の冷却管内の液体窒素が気化膨張して冷却管の内圧が耐力を超えることを確実に防止できる。

本発明の冷却塔の一例を示す縦断面図である。本発明の冷却塔の一例を示す横断面図である。本発明の冷却塔の一例の部分拡大図である。本発明の冷却塔の他の一例を示す縦断面図である。

本発明の冷却塔の実施形態を、図面を参照しつつ、以下に説明する。
（第１の実施形態）
図１～図３に、本実施形態の冷却塔１の縦断面図、横断面図、部分拡大図を、それぞれ示す。

本実施形態の冷却塔１は、副生物として液体窒素が発生するプラントに設けられ、図１に示すように、充填材１０と、散水装置２０と、送風装置３０と、受水槽４０と、充填材冷却部１５とを備えている。

充填材１０は、多孔質のブロック状の部材であり、内部を冷却水Ｗおよび空気Ａが通過可能となるように形成されている。充填材１０は、例えば、ポリプロピレン等の、高温の冷却水Ｗに耐えうる耐熱性や耐薬品性を有する樹脂で形成すると、軽量となるので、洗浄や更新作業を行う上で好ましいが、これに代えて、例えば金属製等として、より高い対候性を有するようにしても良い。

図１および図２に示すように、充填材１０は、略矩形の平面形状を有する冷却塔１の両側に沿って平行に設けられた支持架台１１上に配置され、この支持架台１１から充填材１０を取り出して、洗浄や更新作業を実施できるようになっている。

散水装置２０は、充填材１０の支持架台１１の上方に配置された散水槽であり、プラントで使用された後の冷却水Ｗを受け入れ、散水槽の下部に設けられた複数の散水孔（図示せず）から、冷却水Ｗを充填材１０に散布するように構成されている。

送風装置３０は、冷却塔１の中心部上方に設けられたファンであり、冷却塔１の内部から外部へと空気Ａを排出する。このファンが動作すると、図１に示すように、冷却塔１の両側外部の空気Ａが、吸気ルーバー１２を通じて冷却塔１内に吸い込まれ、支持架台１１上に配置された充填材１０を通過した後、冷却塔１の中央部から、ファンにより冷却塔１の外部に排出される。

冷却塔１の下部には、受水槽４０が設けられ、散水装置２０から充填材１０に散布され、この充填材１０で冷却された冷却水Ｗを受け入れるようになっている。受水槽４０に貯留された冷却水Ｗは、再循環されてプラントで再利用される。

図１および図２に示すように、充填材１０が配置される支持架台１１には、各充填材１０の近傍に、直線状の充填材冷却部１５が、高さ方向に延びるようにして、複数設けられている。

充填材冷却部１５は、その内部を、上記副生物である液体窒素が通過可能に形成された冷却管であり、その近傍の充填材１０を通過する冷却水Ｗおよび空気Ａを液体窒素により冷却して、冷却塔１の冷却能力を高めるものである。

図１に示すように、充填材冷却部１５は、配管５２、５３を介して、ポンプ５１に接続されるとともに、配管５２には、液体窒素を貯蔵する貯蔵タンク５０から液体窒素が供給されるようになっている。そして、ポンプ５１が作動すると、充填材冷却部１５内を液体窒素が通過する。配管５２、５３の各所には、仕切弁Ｖが設けられ、ポンプ５１を作動させないときに、配管５２、５３を閉じることが可能になっている。

充填材冷却部１５を構成する冷却管は、銅など、高い熱伝導率を有する素材で形成すると、より高い冷却効果が得られるので好ましい。

充填材冷却部１５を構成する冷却管は、図２に示すように扁平な断面を有するとともに、図３に示すように、波板状の表面を有し、この波板状の表面は、所定間隔で設けられた凸部および凹部が高さ方向に並ぶように形成されている。

本実施形態の冷却塔１によれば、充填材１０近傍に設けられる充填材冷却部１５により、プラントで発生する副生物である液体窒素を有効利用して、充填材１０を通過する冷却水Ｗおよび空気Ａを冷却し、冷却塔１の冷却能力を高めることができる。

よって、夏季の猛暑時の急激な気温上昇等により、冷却塔１の冷却能力が不足して、冷却水Ｗの供給温度が上がったときに、冷却塔１の冷却能力を高めて、冷却水Ｗの供給温度を所定の温度まで迅速に下げることができる。

また、液体窒素は、冷却塔１が設けられるプラントにおいて副生物として発生するものを有効活用できるので、液体窒素を別途調達する必要がない。

充填材冷却部１５を構成する冷却管の内部を通過する液体窒素の温度は－１９５．８℃以下（１気圧下）の低温であるため、充填材冷却部１５に液体窒素を連続的に通過させると、充填材冷却部１５やその近傍に配置される充填材１０に着霜が発生しうる。しかし、充填材冷却部１５に液体窒素を常時通過させるのではなく、冷却塔１の冷却能力の不足が突発的に発生したときに限り、液体窒素を連続的でなく断続的に通過させるようにすれば、充填材冷却部１５やその近傍に配置される充填材１０に着霜が発生することはない。

また、充填材冷却部１５を構成する冷却管が、波板状の表面を有するので、充填材冷却部１５と、冷却水Ｗおよび空気Ａとの接触表面積が増加して、冷却塔の冷却能力が高められ、また同等の冷却能力を確保するのに必要な液体窒素の使用量を削減できる。

さらに、上記波板状の表面が、所定間隔で設けられた凸部および凹部が高さ方向に並ぶように形成すれば、充填材冷却部の使用時だけでなく不使用時にも、冷却水中の異物が上記波板状の表面の凹部に捕捉され、その分だけ充填材への異物の付着量が減少し、充填材の洗浄や更新の頻度を少なくすることができる。

さらに、上記波板状の表面が、所定間隔で設けられた凸部および凹部が高さ方向に並ぶように形成されるので、充填材冷却部１５の使用時だけでなく不使用時にも、冷却水Ｗ中の異物が上記波板状の表面の凹部に捕捉され、その分だけ充填材への異物の付着量が減少して、充填材の洗浄や更新の頻度を少なくすることができる。
（第２の実施形態）
図４に、本実施形態の冷却塔２の縦断面図を示す。本実施形態の冷却塔２は、第１の実施形態の冷却塔１に、受水槽冷却部４５が追加されたものである。

具体的には、図４に示すように、受水槽冷却部４５は、その内部を、上記副生物である液体窒素が通過可能に形成された冷却管であり、受水槽に貯留された冷却水Ｗを液体窒素により冷却して、冷却塔１の冷却能力をさらに高めるものである。

図４に示すように、受水槽冷却部４５は、配管５２から分岐する配管５４、配管５３から分岐する配管５５を介して、ポンプ５１に接続される。そして、ポンプ５１が作動すると、受水槽冷却部４５内を液体窒素が通過する。配管５４、５５の各所には、仕切弁Ｖが設けられ、ポンプ５１を作動させないときに、配管５４、５５を閉じることが可能になっている。

受水槽冷却部４５を構成する冷却管の径および長さは、それぞれ所定の寸法以下に設定され、受水槽冷却部４５内を通過する液体窒素の通過時間が所定時間以内に制限されている。

第２の実施形態の冷却塔２によれば、受水槽４０に受水槽冷却部４５を設け、この受水槽冷却部４５により、プラントで発生する副生物である液体窒素を有効利用して、受水槽４０に貯留された冷却水Ｗを冷却し、夏季の猛暑時の急激な気温上昇等により、冷却塔の冷却能力の不足が突発的に発生したときに、冷却塔の冷却能力を高めて、冷却水の供給温度を所定の温度までさらに迅速に下げることができ、また同等の冷却能力を確保するのに必要な液体窒素の使用量を削減できる。

また、受水槽冷却部４５を構成する冷却管の径および長さは、それぞれ所定の寸法以下に設定され、受水槽冷却部４５内を通過する液体窒素の通過時間が所定時間以内に制限されているので、受水槽４０内の冷却水の熱を吸収する液体窒素の温度を、沸点以下に確実に抑えることができる。よって、受水槽冷却部４５の冷却管内の液体窒素が気化膨張して冷却管の内圧が耐力を超えることを確実に防止できる。

なお、上記各実施形態では、本発明の冷却塔が、充填材１０中における冷却水Ｗの通過方向と空気Ａの通過方向が互いに交差する直交流型冷却塔に適用される例について説明したが、本発明は、充填材中において冷却水と空気が互いに反対方向に流れる向流型冷却塔や、同じ方向に流れる並流型冷却塔にも適用できる。

また、上記各実施形態では、充填材冷却部１５を構成する冷却管が、扁平な断面を有する例について説明したが、冷却管の断面形状や配置は、充填材１０を通過する空気および冷却水の流れを阻害しない限り、自由に設定できる。

１、２冷却塔
１０充填材
１５充填材冷却部（冷却管）
２０散水装置
３０送風装置
４０受水槽
４５受水槽冷却部（冷却管）
Ａ空気
Ｗ冷却水

Claims

副生物として液体窒素が発生するプラントに設けられる冷却塔であって、
冷却水および空気が通過可能に形成された充填材と、
使用後の前記冷却水を前記充填材に散水する散水装置と、
前記充填材を通過する前記空気の流れを生成させる送風装置と、
前記充填材を通過した前記冷却水を受け入れる受水槽と、
前記充填材を通過する前記冷却水および前記空気を、前記液体窒素により冷却可能に、また前記液体窒素による冷却を停止可能に構成された充填材冷却部と
を備えることを特徴とする冷却塔。
前記充填材冷却部は、内部を前記液体窒素が通過可能に形成された冷却管であること
を特徴とする請求項１に記載の冷却塔。
前記充填材冷却部を構成する前記冷却管は、波板状の表面を有すること
を特徴とする請求項２に記載の冷却塔。
前記波板状の表面は、所定間隔で設けられた凸部および凹部が高さ方向に並ぶように形成されていること
を特徴とする請求項３に記載の冷却塔。
前記受水槽には、該受水槽に貯留された前記冷却水を、前記液体窒素により冷却可能に構成された受水槽冷却部が設けられていること
を特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の冷却塔。
前記受水槽冷却部は、内部を前記液体窒素が通過可能に形成された冷却管であること
を特徴とする請求項５に記載の冷却塔。
前記受水槽冷却部を構成する前記冷却管の径および長さは、前記受水槽冷却部内を通過する前記液体窒素の温度を沸点以下に抑えるように通過時間を制限する寸法に設定されていること
を特徴とする請求項６に記載の冷却塔。