冷却塔の熱伝達の基本を理解する

ワンススルーシステムの入口と出口の両方での水生生物の保護に関する環境上の懸念により、現代のプラントではワンススルー冷却は本質的に廃止されました。 しかし、この開発は、新しいコンバインドサイクル発電所やその他の関連施設の多くに、業界に不慣れな人材が配置されている時期に行われた。 基本的な理解が重要です。

ワンススルー冷却は、タービン排気蒸気の凝縮と補助熱交換器の冷却に必要な大量の水を効率的に供給できるため、前世紀の大規模発電所では一般的な設計機能でした。 しかし、ワンススルーシステムの取水口と排出口の両方での水生生物の保護に関する環境上の懸念により、現代のプラントではワンススルー冷却は基本的に廃止されています。

現在では、冷却塔、または湿潤表面空気冷却器 (WSAC®) や空冷凝縮器などのそのバリエーションが標準となっています。 しかし、この開発は、新しいコンバインドサイクル発電所やその他の関連施設の多くに、業界に不慣れな人材が配置されている時期に行われた。 冷却水やその他のシステムを適切に動作させるには、基本的な理解が重要です。

冷却塔の基本

この説明では、以下に示すように、最も一般的な産業用冷却塔に焦点を当てます。

図 1. 誘導通風向流冷却塔の 1 つのセルの概略図。 出典: Post、R.、B. Buecker、「発電所冷却水の基礎」。 第37回電気事業化学ワークショップのプレカンファレンスセミナー、2017年6月6日～8日、イリノイ州シャンペーン。 将来の EUCW について詳しくは、Web サイト www.conferences.illinois.edu/eucw をご覧ください。

図が示すように、プラントの熱交換器からの温排水は塔に入り、冷却塔の充填物にスプレーされます。 空気はタワーの下部に入り、向流で水と接触して熱伝達を最大化します。 冷却された水はサンプに集まり、熱交換器に戻りますが、暖かい空気は大気中に排出されます。

冷却塔の重要なコンポーネントは充填材であり、空気と水の接触を最大限に高めるのに役立ちます。 以下に、最新のスプラッシュ フィルと最高効率のフィルム フィルの 2 つのタイプを示します。

図 2. 最新のプラスチックのスプラッシュ フィル。 写真提供：Brentwood Industries および Richard Aull Cooling Tower Consulting, LLC の Rich Aull より。

図 3. 高効率のクロスフルートフィルム充填。 写真提供：Brentwood Industries および Richard Aull Cooling Tower Consulting, LLC の Rich Aull より。

中間の選択肢が多数あり、その選択は、予測される冷却水の品質と媒体内の汚れの可能性に依存します。これについては、著者が今後の Power Engineering の記事で取り上げる予定です。

次のセクションでは、冷却塔内の熱伝達の基本を検討します。

いくつかの基本的な熱伝達計算

図 4 は、穏やかな春の日に稼働している冷却塔で見られる実際の状況を示しています。

図 4. 冷却塔の実際の一連の条件の例。 出典: Potter、MC および CW Somerton、Schaum の概要「エンジニアのための熱力学」。 マグロウヒル、ニューヨーク州ニューヨーク州、1993 年。

吸気の相対湿度 (RH) が 50% であるのに対し、タワー排気の RH はほぼ 100% であることに注目してください。 このデータは、冷却塔内の熱伝達の主な方法が、通常は再循環水のごく一部 (2 ～ 3 パーセント) の蒸発によるものであることを説明するのに役立ちます。 冷却塔の流れ設計の数学はやや複雑になる可能性がありますが、冷却塔への蒸発、ブローダウン、および補給の流れを直接近似するために、いくつかの単純な方程式が開発されています。

蒸発の標準式は次のとおりです。

E = (f * R * DDT)/1000、式中、E = (f * R * DDT)/1000 1

E = 蒸発量 (gpm)

R = 再循環速度 (gpm)

DT = 循環水の温水と冷却水の温度差（範囲）（°F）

｜ = 顕熱伝達を考慮するのに役立つ補正係数。｜ は通常 0.65 ～ 0.90 の範囲で、夏に増加し、冬に減少します。

係数 1,000 は、周囲条件における水の蒸発潜熱 (Btu/lb) の適切な近似値です。 著者が以前に行った研究によると、図 2 の例では、| は 0.78 と計算されます。 したがって、この例の蒸発速度は、再循環流量 150,000 gpm、範囲 27o F で、3,159 gpm になります。

冷却塔の熱伝達を理解する上で非常に重要な概念は、蒸発冷却によって達成できる最低温度である「湿球」温度の概念です。 相対湿度が 100% でな​​い限り、湿球温度は常に周囲温度または「乾球」温度よりも低くなります。 したがって、冷却塔は事実上常に循環水を ACC よりも低い温度に冷却できます。 図 2 の例では、吸気温度 68oF、相対湿度 50% での湿球温度は 57oF 付近であるため、この例の湿球温度へのアプローチは 77o — 57o = 20o F となります。最新の適切に設計された冷却塔を使用すると、 、アプローチ温度が低下する可能性は十分にあります。

濃度のサイクルと水質への影響

蒸発により、冷却水中の溶解および浮遊固体の濃度が増加します。 この集中係数は、(論理的には) 集中サイクル (C または COC) と呼ばれます。 C、あるいはおそらくより正確には許容 C は、補給水 (MU) の化学的性質、化学処理プログラムの有効性、補給または排出量の潜在的な制限などのいくつかの要因に応じて塔ごとに異なります。 集中サイクルを計算するための代数方程式は次のとおりです。

C = MU/BD 式 2

補給水と再循環水中の塩化物やマグネシウムなどの一般的なイオンの濃度を比較すると、濃度サイクルが決まりますが、C を計算する分野では、ブローダウン (BD) と補給水 (MU) 固有のオンライン測定が一般的です。導電性。 測定により、所望の C 値を維持するための瞬間的なブローダウン調整が可能になります。 どのような場合でも、濃度サイクルにはカットオフポイントがあり、それ以上増加すると、適切な化学処理を行ったとしても、冷却システムにスケールや腐食の問題が発生する可能性があります。

ブローダウンと蒸発の比率は、次の方程式で概説されます。

BD = E/(C — 1) 式 3

ブローダウンに加えて、一部の水も冷却塔ファンの排気中の微細な水滴としてプロセスから逃げます。 この水分の損失はドリフト (D) として知られています。 最新のミストエリミネーターはドリフトを再循環率の 0.0005% まで減らすことができ、Brentwood Industries はドリフト率が 0.00025% に達する設計を発表しました。 冷却システムの漏れは損失 (L) と呼ばれます。 次の式は、メイクアップと蒸発、ブローダウン、ドリフト、およびその他の損失との関係を示しています。

MU = E + BD + D + L 式 4

適切に設計され運用されているタワーでは、最後の 2 つの項は無視できるため、タワーに必要な水は基本的に蒸発とブローダウンの関数になります。 式 3 に戻ると、下の図は、図 2 に示す塔のブローダウン速度と濃縮サイクルの関係を示しています。

図 5. ブローダウンと濃度サイクルの関係。

明らかに明らかなように、曲線は漸近的であり、高サイクルでのブローダウンの減少は C が増加するにつれて劇的に低下します。著者は、設計エンジニアが一見無関心に高濃度のサイクルを選択した一連の仕様を複数見てきました。それによって得られる節水効果は最小限に抑えられます。 スケールや腐食を引き起こす不純物が高濃度に含まれるため、水処理化学に関する課題が大幅に増加します。

著者について: Brad Buecker は ChemTreat の上級技術広報担当者です。 彼は電力業界で 35 年の経験、または電力業界に携わった経験があり、その多くは蒸気発生化学、水処理、大気質管理、および市水・光・電力 (イリノイ州スプリングフィールド) およびカンザスシティ電力・電力会社での結果エンジニアリングの職にありました。ライト・カンパニーのカンザス州ラ・シーニュ駅。 また、化学工場で上下水の監督代理として 2 年間勤務しました。 つい最近まで、彼は Kiewit Engineering Group Inc. の技術スペシャリストを務めていました。Buecker はアイオワ州立大学で化学の学士号を取得し、さらに流体力学、エネルギーと物質のバランス、および高度な無機化学のコースも受講しました。 彼は、米国化学会、米国化学工学会、米国機械学会、鉄鋼技術協会、冷却技術協会 (法人会員経由)、全米腐食技術者協会、電気事業化学ワークショップ計画の会員です。委員会、EPRI が後援する発電所および環境化学委員会、および Power-Gen International 計画委員会。 Buecker は、発電所と水/蒸気化学のトピックに関する多くの記事と 3 冊の本を執筆しています。 [email protected] までご連絡ください。