JPS6141399B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、廃熱を排棄する方法に関するもので
ある。さらに詳しくは、非常に暑い日には追加的
冷却能力を必要とするが通常の周囲温度のもとで
は乾式操作をするような冷却塔を組込んだ発電所
からの廃熱を排棄する方法に関するものである。

世界の電力需要の増加につれて、この需要に追
いつくためにより多くの、より大規模な火力発電
所が建設されつゝある。これらの発電所は、最も
効率的なものでさえ熱入力の約40％しか電気に変
換えることができず、残りの60％の熱は排棄され
大気中に放散しなければならない。かような廃熱
の排棄は通常、河川、湖あるいは海といつた自然
の水源からの大量の水を発電所の蒸気凝縮器に流
して循環させたのち、熱凝縮蒸気により温度の上
昇した水を水源に戻すことによつて行なわれてい
る。しかしながらこの方法は、自然の水源におい
て起る温度上昇によつてもたらされる環境的およ
び生態的問題を提起している。

自然の水源のこうした“熱的汚染”を避けるた
めに、発電装置を冷却する代替的方法が考えられ
ている。これらの代替的方法には、人工冷却池、
分岐池（spray ponds）や分岐水路（spray
canals）、蒸発冷却塔、乾式冷却塔などがある。
人工冷却池は自然の池と同様な機能をもつ。分岐
池や分岐水路、および蒸発冷却塔は、発電所の蒸
気凝縮器に水を流したのち、流れの十分な量を蒸
発させて廃熱を大気へ放散することによつて加熱
された水をもとの温度まで冷却するものである。
冷却された水は再び凝縮器へ循環される。これら
の湿式冷却法はいずれも、空気中へ蒸発してしま
う水を補給するために大量の水を消費する。

乾式冷却塔システムにおいては、水は空気と接
触せず、従つて蒸発することはない。その代り
に、水は大型熱交換器（乾式冷却塔）の管の内側
を流れ、管壁を通してその熱エネルギーを管の外
側の空気流へ伝える。（自動車のラジエータと同
じである。）このシステムは密閉されているた
め、熱エネルギーを発電所の凝縮器から冷却塔へ
運ぶために水以外の流体を用いることができる。
研究の結果、乾式冷却システムにおいては水の代
りにアンモニアを用いることが経済的に有利であ
ることが判明している。かようなシステムにおい
ては、液体アンモニアが熱凝縮蒸気によつて気化
され、この蒸気が冷却塔へ運ばれ、ここで塔を流
れている冷空気によつて凝縮されて液体にもど
る。

湿式（蒸発）冷却塔と乾式冷却塔の両システム
ともにそれぞれの長所と短所を有している。前述
したように、乾式冷却塔は冷却水が大気中へ蒸発
することがないため水の消費がないという長所を
有している。この長所は、水が非常に少なくて蒸
発システムを維持しえないような乾燥地域におい
て、あるいは大気中へ蒸散した大量の水によつて
霧や氷が発生して環境や美感が損なわれるだけで
なく危険をもたらすような地域において、特に重
要なものである。

乾式冷却システムの主な欠点は、特に暑い夏期
において電力需要が最高になり発電所の冷却能力
が最も必要なときに、湿式冷却システムと同程度
に安価に効率よく熱を大気へ排棄できないという
ことである。

湿式および乾式システムの両方の長所を最大限
に利用するために、蒸発システムの高い熱排棄能
力を取り入れ、しかも完全な湿式システムで生ず
るような大きな蒸発損失やその他の付随する問題
をもたらすことのない組合せ冷却システムが一般
に用いられる。湿式冷却の熱排棄能力は乾式冷却
のそれよりも優れているために、水源の乏しい地
域においてさえ、発電所用地で入手しうる限りの
水を用いて暑い日には蒸発冷却を行なえるような
乾式冷却塔を増加させる強い理由がある。かよう
な乾式−湿式組合せ冷却システムを使用すれば、
湿式冷却のみを利用するのに比べてほんのわずか
の水を消費するだけで発電所性能をかなりの程度
向上させることができる。

乾式および湿式冷却システムを組合せるために
いくつかの方法が考えられている。現在のところ
これらの方法には、(イ)乾式塔と湿式塔を別置する
方式、(ロ)乾式塔と湿式塔を組込む方式、(ハ)乾式塔
と冷却池を配置する方式、および(ニ)乾式塔に水を
かける方式（Deluge water Augmented Dry
Tower）がある。各方式について以下に簡単に説
明する。

(イ) 湿式塔と湿式塔の別置方式：この方式は湿式
塔とゝもに、それとは区別される別個の乾式塔
を単に用いるものである。

(ロ) 乾式塔と湿式塔の組込み方式：この組込み方
式においては、湿式塔部分と乾式塔部分とが同
一塔構造内に含まれている。水源循環は、乾式
塔と湿式塔の別置方式と同様にすることができ
る。

(ハ) 乾式塔−冷却池配置方式：この方式は、乾式
塔と湿式塔の別置方式において、湿式塔の代り
に冷却池を配置したものである。

(ニ) 乾式塔水かけ方式：この方式においては、凝
縮器からの流れは乾式塔のみを通つて流れる。
暑い日には、この乾式塔の熱排棄能力を増加さ
せるために、塔熱交換器外側から水をかけある
いは噴霧して水の一部を空気流中へ蒸発させ
る。

さらに加えて、アンモニアを用いる乾式冷却シ
ステムは水を用いる乾式冷却システムよりも費用
が安いと考えられていることに鑑みれば、乾式塔
水かけ方式あるいは別個の凝縮器ループ方式のみ
が湿式冷却の長所と費用の安いアンモニア乾式冷
却の長所とを組合せる可能性をもつことになろ
う。しかしながら、水かけ方式のみが今のところ
アンモニア方式と組合せ使用できるものである。
なぜならば、別個の凝縮器ループ方式には特殊な
高価な凝縮器が必要となるからである。

しかし水かけ式乾式塔システムにも以下のよう
な欠点がある。

(i) 塔のフイン付き冷却表面から水を蒸発させる
ことによつてこれら冷却表面にスケールが付着
するが、このスケール付着によつてこの乾式塔
の熱排棄性能がかなり低下し、費用のかかる維
持管理と休業期間を必要とする。この方法は、
スケール付着率を低減するために水かけに用い
る水の処理に費用を要する。

(ii) 塔熱交換器の外側に水をかけることによつ
て、空気が接触できる加熱表面積はかなり削減
されることになる。削減される程度は乾式塔に
使用される熱交換器表面の型式に依存するが、
ある種の表面型式においてはこの水かけ方式が
塔の性能を向上させるどころかむしろ低下させ
ることもありうる。

(iii) 乾式塔として使用するためには最も効率のよ
い熱交換器表面でも水かけ式として使用するた
めには適切であるといえない。水かけ式乾式冷
却塔の効率に影響する多数の相互依存性因子が
あり、これらが複雑に関係するからである。

(iv) 熱交換器の外側の水分は腐食を早め、熱交換
器の冷却表面の早期交換を必要とする。

(v) 熱交換器の寸法と水のかけ方を注意深く制御
して、全表面を濡らしながら過度のスケール付
着を防止し、同時に熱交換器頂部に水が過度に
停滞するのを防止する必要がある。頂部での水
の停滞は伝熱面への空気の流れを妨げることに
なる。

そこで本発明は、上述したような従来技術にお
ける欠点を解消した冷却方法を提供することを目
的になされたものである。

すなわち本発明は、発電所と冷却塔の冷却流路
との間を結ぶ密閉循環系内に熱交換流体を流して
廃熱を大気中へ排棄するようにした発電所からの
廃熱を排棄する方法において、正常の周囲温度条
件のもとでは冷却流路総数よりも少ない数の冷却
流路に熱交換流体を流し、周囲温度が熱交換流体
を乾式冷却するには不十分な温度に上昇したとき
には残りの冷却流路に水を流すことを特徴とする
廃熱排棄方法である。

以下に図面に示す実施例を参照して本発明を詳
述する。先ず第１図に示したように、火力発電所
のような熱源からの蒸気はアンモニア、その他の
冷媒あるいは水といつた熱交換流体との熱交換に
よつて復水器すなわち凝縮器１０内で冷却され
る。この熱交換流体は蒸気の熱によつて凝縮器１
０内で気化され、冷却塔１１内で凝縮される。こ
の冷却塔１１は正常な周囲温度条件のもとで乾式
冷却塔として作動し、大気と熱交換する。勿論、
媒介的熱交換流体を使用せずに発電所からの蒸気
を冷却塔１１内で直接凝縮することも可能であ
る。

大気との熱交換による乾式冷却が十分になされ
る温度以上に周囲温度が上昇するときは、冷却塔
１１内の別個の流路に水を流して、後述するよう
な熱交換流体の追加的冷却を行なう。この水は冷
却塔あるいは冷却池１２で大気へ蒸発させること
によつて、あるいは河川へ流すなどの他の手段に
よつて冷却することができる。

次に第２〜第５図を参照すると、冷却塔１１は
一般的には断面矩形の冷却塔１３の列を備え、各
冷却塔は仕切１５によつて複数の同じ大きさの冷
却流路１４に分割されている。冷却管１３は図示
のように垂直に配置することが好ましいが他の配
置でもよい。冷却管１３はその各々の対向側に実
質的に連続する広い平らな表面すなわち伝熱面を
備え、各々の伝熱面には垂直方向に互いに間隔を
もたせた、水平に伸びる複数の熱伝導性フイン１
６を取付ける。隣合う冷却管のフインは互いに近
接している。フインは、冷却管の頂部よりやゝ下
の部分から底部よりやゝ上の部分までの伝熱面に
取付けられている。

ヘツダー１７，１８が冷却管の列の上下にそれ
ぞれ配置されており、これらのヘツダーには１つ
置きの冷却流路１４の頂部と底部がそれぞれ整合
する複数の開口１９が配設されている。ヘツダー
１７は凝縮器１０からの熱交換流体の入口２０を
有し、ヘツダー１８は熱交換流体を凝縮器１０へ
戻すための出口２１を有している。

水は残りの１つ置きの冷却流路１４底部に供給
され、従つてアンモニアに対して向流的に流れ
る。水を供給する冷却流路の数は、所望の補助冷
却の量に依存する。例えば各冷却管内の１本の流
路に水を流せば十分である。空冷を妨げないため
に冷却管を通して空気を流しているので、この１
本の水流路は管の奥とすべきである。図示したよ
うに、１つ置きの冷却流路に水を供給してもよ
い。頂部フイン１６とヘツダー１７との間、およ
び底部フイン１６とヘツダー１８との間の各流路
１４間にアルミニウム・ブロツク２２を配設し、
このブロツク２２に穿孔して流路１４の底部およ
び流路１４の頂部へ通じる水路２３を形成する。
より大きい冷却効果をもたらすために、これら１
つ置きの冷却流路１４中には常時水が入つている
ことが望ましい。

アンモニアは好ましく熱交換流体であり、約21
〜24.6Kg／cm²（300〜350psi）の圧力で好ましく
使用できよう。熱交換流体として水も使用でき、
さらには前述したように火力発電所で生じた蒸気
を熱交換流体として用いること、すなわち蒸気を
直接冷却塔１１へ導くこともできる。

現在利用しうる乾式−湿式組合せ冷却システム
よりも優れた乾式塔水かけシステムの利点とほと
んど同じ利点を本発明の方法は有している。しか
しながら、以下に示す特長は乾式塔水かけ方式よ
りも優れた改良点であるといえる。

(1) 本発明法においては、乾式塔熱交換器表面の
スケール付着や腐食を解消できる。なぜならば
冷却水を、壊れやすいフイン付き外側面にかけ
るのではなく熱交換器の管の内側に流し、蒸発
はその目的のために設計した別の湿式塔あるい
は池でなされるからである。乾式塔表面は清浄
かつ乾燥状態に保たれる。水処理費用や維持管
理は必要ない。

(2) 水かけ式乾式塔システムと異なり、本発明法
の乾式冷却塔の性能は冷却水の流れによつて阻
害されることがない。熱交換器表面にかけられ
る水によつて冷却空気流用の面積が減じたり塞
がれたりしない。

(3) 凝縮中に温度が一定に保たれているから、ア
ンモニア、その他の冷媒あるいは蒸気を凝縮す
る乾式塔から空気中への熱排棄速度は、熱交換
器管の別の流路内を流れている冷却水の存在に
よつて低減されることはない。冷却水の存在は
凝縮速度を高めるためにのみ作用し、従つて乾
式塔による廃熱の排棄作用を助ける。基本的に
乾式塔の全能力が維持される。

(4) 熱交換器の寸法や配置方向の制限は最少であ
るため、年間を通じて最適な性能となるように
乾式塔を設計することができる。

(5) 本発明方法の制御は非常に簡単であつて、大
気中に蒸発させる水量を厳密に調整でき、冷却
水の揚力も最小ですみ、所定の天候条件で熱排
棄システムの最適性能が得られる。熱排棄能力
を円滑に変化させることによつて発電所の発電
レベルや周囲天候条件の変動に追随することが
できる。乾式塔水かけシステムにおいてこれを
達成させることは困難である。すなわち、水か
けシステムでは塔の限定区域に水かけの流れを
切換えてその熱排棄能力を急激に変化させるこ
とにより制御しなければならない。

(6) 冷却水の配管網は水かけシステムよりも本発
明方法の方が安価にできるだろう。冷却水を熱
交換器管の別個の流路内に導くための簡単で安
価な方法を図示してある。特別なノズルやトラ
フも必要ない。

(7) 一次伝熱流体としてアンモニア（または蒸
気）を用いた乾式塔水かけシステムと異なり、
アンモニアを用いる本発明方法は熱エネルギー
貯蔵池を利用することによつて運転費用や設備
費の効率を高めることができる。熱エネルギー
貯蔵池は次のように機能する。発電所からのピ
ーク熱負荷が高く、小さな湿視冷却塔では乾式
冷却塔の性能を完全に向上できないような１日
のうち数時間、加熱された冷却水の一部を流路
から抜き出して池に貯蔵する。発電所の負荷が
実質的に低下し、乾式塔の冷却を必要としなく
なつたときに、熱い池の水を湿式冷却塔を通し
て流し翌日再使用するために冷却するようにで
きる。

以上の説明からもわかるように本発明の方法
は、既知の押出管構造を利用して乾式冷却のもつ
水節約の利点と蒸発冷却のもつ高性能の利点とを
安価に組合せた、乾式塔−湿式塔別置方式とみな
すことができる。押出管内部の追加的な水流路
は、管壁材料の追加に要する費用程度で、所望の
形状と寸法の所望の追加的流路を備えた管を押出
成形することによつて簡単に製作することができ
る。こうした本発明方法は、乾式塔一次伝熱流体
としてアンモニアを用いることによつてさらに効
果的かつ、経済的に実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を構成する冷却方法のブロツ
ク・ダイヤグラムであり、第２図は本発明の冷却
方法の特徴を構成する冷却塔の一部切欠、破断し
た側面図であり、第３図は第２図の３−３線に沿
つた縦断面図であり、第４図は第２図の４−４線
に沿つた横断面図であり、第５図は第２図の５−
５線に沿つた横断面図である。 １０……凝縮器、１１……乾式冷却塔、１２…
…湿式冷却塔（池）、１３……冷却管、１４……
冷却流路、１５……仕切、１６……フイン、１
７，１８……ヘツダー、１９……開口、２０……
入口、２１……出口、２２……アルミニウム・ブ
ロツク、２３……水路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 発電所と冷却塔の冷却流路との間を結ぶ密閉
   循環系内に熱交換流体を流してこの熱交換流体を
   乾式冷却することにより廃熱を大気中へ排棄する
   ようにした発電所からの廃熱を排棄する方法にお
   いて、正常の周囲温度条件のもとでは該冷却塔内
   の冷却流路総数よりも少ない数の冷却流路に熱交
   換流体を流し、周囲温度が熱交換流体を乾式冷却
   するには不十分な温度に上昇したときには該冷却
   塔内の残りの冷却流路に水を流すことを特徴とす
   る廃熱排棄方法。