(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却塔内に水を供給する装置であって、この装置は水が流れる交換表面と、水タンク（２）と、この水タンク（２）に前記交換表面の上方且つ前方で連結するとともに前記交換表面の端部と実質的に平行な分配リップ（３）を備え、この分配リップ（３）と前記交換表面の端部との間を介して前記水タンク（２）からの水が前記交換表面に供給され、供給された水が前記交換表面の端部から流れるように前記交換表面は水平に対して傾斜し、更に傾斜した前記交換表面の先端には送風空気ノズル（１０）が設けられ、この送風空気ノズル（１０）は２枚のプレート（１１）、（１２）からなり、一方のプレート（１１）には前記交換表面で蒸発して冷却された水膜を回収するために、水膜の流れに対して垂直な平面内で傾斜した溝が設けられ、前記２枚のプレート（１１）、（１２）間を介して前記交換表面の水膜に向けて空気が供給されることを特徴とする水供給装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水供給装置において、前記分配リップ（３）と前記交換表面との間隔は１０分の２ミリメートル〜１ミリメートルであることを特徴とする水供給装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載した複数の水供給装置と前記水タンクに水を供給する手段からなる冷却塔であって、前記水タンクには水が満たされ、この水タンクからの水によって前記分配リップと前記交換表面との間隔で前記交換表面に付着する水膜（５）が生成されることを特徴とする冷却塔。
【請求項４】
請求項３に記載の冷却塔において、前記交換表面としてのプレート（４、６）が、水平に対して２°〜１０°の範囲の角度で傾斜していることを特徴とする冷却塔。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の冷却塔において、前記交換表面としてのプレート（４、６）が、水流のレイノルズ数が１０００より小さくなるように水平に対して傾斜していることを特徴とする冷却塔。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の冷却塔において、前記交換表面の傾斜角度は水膜の最大速度に決定され、この水膜の最大速度ＵL*は以下の（数１）によって
決定されることを特徴とする冷却塔。
【数１】
0005349796.tif 000004
ここで、ＵG*は前記空気流の速度、ｍは前記交換表面の関数である媒介変数、Ｃは、それを超えるとエアロゾルが生成されるＷａｌｌａｃｅ基準値である
【請求項７】
請求項３乃至請求項６のいずれか１項に記載の冷却塔において、複数の水タンクに水を供給する手段は、冷却塔内の水の流量に依存して複数の水タンクに水を供給することを特徴とする冷却塔。
【請求項８】
請求項３乃至請求項７のいずれか１項に記載の冷却塔において、複数の前記交換表面のそれぞれに同じ水の流量が供給されることを特徴とする冷却塔。
【請求項９】
請求項１に記載の冷却塔において、前記溝は水平に対して１°〜２°傾斜していることを特徴とする冷却塔。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却塔に水を供給するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
冷却塔は、コンパクトで、エネルギー効率の良い、熱を周囲空気に排出するための装置である。その基本的な物理的プロセスは、地域の気象条件によって変動する範囲で水蒸気飽和条件外の空気中の水の蒸発プロセスである。水の潜熱は非常に高く、すなわち大気圧下で２５００ｋＪ／ｋｇ程度なので、循環液体水の流れを冷却するには蒸発速度を遅くする必要がある。１９７６年以降、冷却塔がレジオネラ菌などの病原菌の誘導源になる可能性のあることが知られている。この誘導は、０．５〜６マイクロメートル、すなわち０．５〜６×１０−６ｍの明確なサイズを有する液体エアロゾルによって生ずる。本発明の目的は、こういったエアロゾルすなわち微細な水滴の除去が可能な方法およびシステムを定義することである。
【０００３】
冷却塔は、例えば米国特許第３７３１４６１号または英国特許第２２０６６８３号に示されている水滴ドリフト除去装置などの、水滴ドリフト除去のための様々な装置を備えている。しかし、エアロゾルのサイズ／数の測定に使用する測定手段は、最近のものでほとんど知られていないか、その一部については実装が難しい。９０度の白色光回折を使用する最新の装置のみが、冷却塔のまさに出口に配置して、水滴の数もサイズも計算に使用することができる。製造業者間では、ドリフトレベルは循環水の流量のパーセンテージに換算して伝える。典型的な値は０．０１％〜０．０６％の範囲にある。この値は小さいように見えるが、循環流量にして見ると毎時数１０リットルが、数ミクロンサイズのエアロゾルの形で放出されていることになる。この値は、微細な水滴が毎時１０億個を超えることを示す。かかる数字は、水滴除去システムを備える冷却塔の出口で測定されたものである。この装置は、０．５〜６マイクロメータのサイズの微細な水滴を阻止するには効率がよくない。したがって、本発明は、液体エアロゾルの形成そのものを源で防止することで、この問題に対する取組みを模索する。このために、冷却塔の空気および水の流れのための、新規かつ総合的な設計を開発する必要がある。
【０００４】
冷却塔は主に、水散布システムと、空気と水を接触させるための交換表面からなるパッキンと、通気システムと、水回収システムとで形成される。
【０００５】
米国特許第４５７９６９２号または国際公開ＷＯ９９／３００９６号または国際公開ＷＯ９４／２１３６６号に記載されている、通常または改良された、パッキン上に水を散布するための装置は、パッキン上で水を発散させる、噴霧装置、回転ブームまたは越流システムである。こういったシステムはすべて、水流がパッキン上に達する前からエアロゾルを生成するという大きな欠点を有する。さらに、空気−水接触表面を単に増やすことに関しては、米国特許第２５１７６３９号または第３６５２０６６号などのいくつかの特許で、様々な装置によって形成された、空気−水接触表面を増やすための水滴数の増加についての権利さえ請求している。
【０００６】
冷却塔の空気と水の交差流または対抗流の循環に関する液体エアロゾルすなわち微細な水滴の形成を防止するには、空気流に対する水流の３つの連続する部分、すなわち、水散布の間と、交換表面上の水流の間と、交換表面またはパッキンの端部における水の回収の間で、液体エアロゾルの形成を防止しなければならない。用語パッキンは、本明細書では水と空気の効率的接触を可能にする固体表面という、より広い意味に解釈される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
液体エアロゾルの形成を防止するために、その表面上で厚さおよび適切な散布をチェックするに際して、パッキンの壁に付着する、水の膜を生成する必要がある。これが、微細な水滴の形成を防止する第１のステップである。次に、この自由境界流に形成される波の高さが、空気流によって波が切り取られるほど高くならないように、交換表面上の水流形態をチェックする必要がある。最後に、空気流を横切ることなく、水膜を回収するべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
最初の交換表面上の水の散布を、この散布中に様々なサイズのエアロゾルが生成されないように行うことは必須である。本発明の実施形態として考案される方法は、越流を利用して厚さを制御し、かつ膜を壁に付着させる方法である。
【０００９】
均一な厚さの水膜がプレート幅にわたって散布されると、プレートの傾斜、その表面状態、その親水性または、反対にその疎水性により、空気流の循環が並流か交差流かと併せて、プレート上の水の速度が決まる。実際、水は重力によって循環する。したがってその動きは重力によって一様に加速させられる。この加速は、波の形成を招く表面上の水の速度の上昇を制限するように制御する必要がある。Ｗａｌｌｉｓ基準は、関係式
【数１】
0005349796.tif 000002
による、水滴の引き離しを招く空気と水の相対速度閾値の算定に使用される。ここでＵ*は、無次元の速度、添字ＧおよびＬは、それぞれ空気および水を示し、ｍは、交換表面の表面状態に依存する経験的に決定された媒介変数である。Ｃの値により、水滴の引き離し条件が満たされたかどうかを知ることが可能になる。水の表面張力、重力、波の波長、空気および水の一定の熱物理特性と、もちろん空気速度および水速度を考慮する、他のより精巧な計算を行っても同様に、水滴の引き離し条件を定義することになる。これらの計算および経験的装置が、本発明の根拠を検証するために使用された。
【００１０】
本発明は、乱流防止水タンクおよび分配リップなどの手段によって供給が行われ、交換表面上の空気と水の交換中の液体エアロゾルの形成を防止するために、その交換表面に付着する水の膜が生成される、水を冷却塔に供給する方法に関する。
【００１１】
一実施形態では、交換表面すなわちプレートは、水平に対して、例えば２°〜１０°の範囲の一定の角度だけ傾斜される。この角度の値は、交換表面に付着する水膜の速度によって空気の対抗流または交差流による波の切り取りが防止されるように、その表面上の水膜の加速を制御するようなものである。
【００１２】
一実施形態によれば、送風空気ノズルが設けられ、この送風空気ノズルは、この膜を空気流によって壊されることなく集めるように、この水膜の流れに対して垂直な平面内に例えば１°〜２°の角度に傾斜した溝を備え、したがって、水膜が空気流内の自然蒸発によって冷却された後のその水膜の回収中に、水滴の形成を防止する。
【００１３】
プレートすなわち交換表面上で水膜の一定の厚さを確保するために、一実施形態では、水の供給を受ける表面の数が水の流量に依存する。この場合では、供給を受ける表面は、例えば、それぞれ同じ流量を受ける。
【００１４】
本発明はまた、冷却塔によって冷却される水の生成方法にも関する。冷却塔は、水散布システムと、水流と空気流の間の少なくとも１枚の交換表面を使用し、水散布システムは、交換表面に付着した水膜の形の流れを生成し、水膜の厚さの値および空気流に対する水流の相対速度の値は、交換表面上における空気と水の交換中の液体エアロゾルの形成を防止するように選択される。
【００１５】
一実施形態によれば、水の散布は、交換表面の幅にわたる水膜の均一な散布を可能にする散布手段による越流によって得られる。
【００１６】
一実施形態では、水散布システムは、乱流防止水タンクを備える。
【００１７】
一実施形態では、交換表面すなわちプレートは、水平に対して例えば２°〜１０°の範囲の角度で傾斜され、この角度の値は、水流の空気流に対する相対速度がエアロゾルが生成開始する閾値を下回ったままになるようなものである。
【００１８】
一実施形態によれば、水膜の最大速度ＵＬ＊は、以下の式によって決定される。
【数２】
0005349796.tif 000003
,
ここで、ＵＧ＊は空気流の速度、ｍは交換表面の関数である媒介変数、Ｃは、それを超えるとエアロゾルが生成されるＷａｌｌａｃｅ基準値である。
【００１９】
空気流は、例えば交換表面の両端のうちの一方に位置する散布システムによって生成される。
【００２０】
一実施形態では、水膜を空気流と接触させることなく集めるように、したがって水膜を空気流内の自然蒸発よって冷却した後の水膜回収中の水滴形成を防止するように、例えば、水膜の流れに対して垂直な平面内に１°〜２°の角度に傾斜した溝が設けられる。
【００２１】
一実施形態では、プレートすなわち交換表面上で水膜の一定の厚さを確保するために、水を受ける表面の数が水の流量に依存する。
【００２２】
この場合、供給を受ける表面は、例えば、それぞれ同じ流量を受ける。
【００２３】
水膜の流れは、層流であるのが好ましい。
【００２４】
その他の本発明の特徴および利点は、そのいくつかの実施形態の説明を、本発明の実施形態を示す図１〜７の添付の図面を参照して読めば明らかになるはずである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
各図を参照して行われる以下の詳細な説明により、本発明を明確に理解することが可能になるであろう。図１は、表面４などのパッキンの各基本交換表面に供給するために使用される水散布システム１の断面の概略図を示す。乱流防止水タンク２は、全水流のほんの一部分を受ける。その寸法および構造により、パッキンの基本プレートの幅にわたって適切に散布される非乱流がもたらされる。水は、この水タンクの中から分配リップ３まで出てくる。開口と、分配リップ３の長さによって、１０分の数ミリメートル〜１ミリメートルの水膜５の厚さの正確な制御が可能になる。水タンク２の関連付けと、分配リップ３の関連付けにより、その幅にわたって交換表面４を覆い、かつ規定された厚さを有する、必要な量の水流の散布が可能になる。
【００２６】
図２は、それぞれ水タンク２、９から供給される、２枚の重ねられた交換プレート４、６を示す、可能な実装形態のより全体的な図を示す。この実装形態では、水タンク２、９は、交換プレート４、６の厚さ部分に統合される。交換プレート４および６は一般に、５ｍｍ程度の厚さを有する。このとき、水タンク２および９は、３ｍｍ程度の厚さを有し、水膜は、分配リップ３によってプレート上で厚さが制御されて流れ出る。図２にはまた、最初の散布で水流がプレート４の幅にわたって均等に分配されるように、水供給７の方向に徐々に減少する部分を有する、水タンク２形状の可能な設計も１つ示されている。パッキンの交換プレートすべてに対して水タンクおよび分配リップを関連付けることによって、交換壁に付着する膜による水の供給が可能になる。この散布システムによって、水の散布中にエアロゾルが確実に形成されなくなる。
【００２７】
図２にはまた、２枚の薄いプレート１１および１２によって形成される、散布要素１０も示されている。プレート１１および１２は、この場合はプレート６上で空気流を水流と並行な方と対抗流の方に向けるように円錐形で終端する。空気の交差流の供給もまた可能であり、これもまた同じ、水タンクおよび分配リップを使用する水散布の構造と、挟み込まれたノズルを使用する空気散布の構造を有するはずである。ただし、よく知られているように、交差流供給システムは、エネルギー効率がより低い。有利には、散布プレートの中間層の要素に蜂の巣状の構造（図示せず）を挿入して、基本的に１方向の渦なし空気流を得るように空気散布システムを形成してもよい。
【００２８】
正規直交の基準系ｘ、ｙ、ｚ（ｘはプレート上の水流の方向の水平軸、ｙは縦軸、ｚはｘを含む一連の水平面を形成する軸である）では、水タンクおよび分配リップによって形成される水供給システム１が、空気散布構造によって空気が吹き込まれるプレートの端より高くなるように、プレートは、図３に示すｘ、ｙ平面に、水平から上の方に２°〜１０°、好ましくは約５°の第１の角度αを形成する。したがって、典型的なプレートの長さ１.７ｍでは、プレート４の上端と下端の高さの差は約１５ｃｍで、それによって、水の速度をプレートの下端で、散布リップ３の出口における初速度の２倍にしかならないようにすることが可能になる。この水膜に対する重力加速度の効果の制御は、１０００より小さいレイノルズ数を有する、わずかに波立った流れの維持に不可欠である。この数値により、空気流によって切り取られないように垂直面において波が十分に小さい流れ形態が規定され、それによって水滴およびエアロゾルの形成が防止される。
【００２９】
図４は、水膜５および１５が流れるプレート４および６の端と、水膜５に対して対抗流の空気を散布するための装置１０の要素であるプレート１１および１２の部分詳細図である。プレート４および６の端が、水膜の方向変更中の乱流を防止するように丸まっているということがわかる。プレート１１は、プレート４上に流れていた膜５の水流を集める溝１３を有する。この溝は、斜面ｙ、ｚの方向に増大する部分を有するのが有利である。実際、図５に示すように、プレートはまた、今度は平面ｙ、ｚに水平に対して約１°〜２°の角度βも形成する。この斜面により、空気流を横切らずに、各プレート上を流れる各基本水流を回収することが可能になり、したがって水流を通る空気の吹き込みによる水滴の形成が防止される。水散布システムのプレート１４自体も、膜１５の水流の回収に使用される溝１６を備える、この水回収システムの一般論の原理が図４に示されている。
【００３０】
他の選択肢が、図６に示されている。その図では、プレートが、一方が平面ｘ、ｙに、もう一方が平面ｙ、ｚの２枚の斜面を有する状況を避けるために、平面ｘ、ｙの斜面だけが保たれ、部品１９がプレート１１に取り付けられ、交換表面４の縁部にもたれる。この取り付けられた部品１９は平面ｙ、ｚ内で傾斜する溝を形成する。さらに、この溝の部分は、水膜５の漸増的な回収に伴う流れの増加を考慮するために、斜面の方向に徐々に広くなる。実際的な理由のため、この溝１９を進路の端でプレート１１自体に組み込んでもよい。
【００３１】
図７には、例えば図２に示す入口７および８などの水タンクの入口に供給する水供給管１８の１本を備える、パッキン１７を形成するプレートセットの断面図が示されている。有利には、プレート１枚置きに、あるいはプレート２枚（または必要に応じてそれ以上）置きに交互に供給するように、管１８と同じタイプの複数の管（図示せず）を配置してもよい。これにより、供給管における水口栓の連結を行うのが容易になり、とりわけ、膜厚を変更することなく塔の水の流量を調整することができるという利点が提供される。実際、１００％の流れを表す水の公称流量の場合は、供給管すべてから交換表面すべてに供給される。塔が３本の供給管を有し、かつ水の流量を３分の１に低減させる必要がある場合は、３本の供給管のうちの１本を臨時バルブによって閉じると、プレートの３分の１に水が供給されなくなる。残りの３分の２には、前と同じ単位流量が供給され、したがってそれにより、分配リップに対して同じ設定の媒介変数を保つことが可能になり、したがって供給を受ける各プレート上に同一の膜を有することが可能になる。
【００３２】
つまり、本発明は、１層または複数の膜が、規定された厚さを有し、かつ膜が流れ始めると交換壁に付着するということが各交換壁で反復して行われるようにする水タンクおよび分配リップの関連付けによる、冷却塔交換表面の交換壁上の水膜流制御に使用される方法およびシステムに関する。
【００３３】
この例では、
−プレート上の速度上昇を防止し、
−空気流による水滴の引き離しを防止するように、
空気と水の間の交換壁が、水平に対して小さな角度、例えば２°〜１０°の範囲で傾斜され、したがって重力による水流が確保され、同時にプレート上の速度上昇が制限される。  
【００３４】
水膜の回収は、プレート上の水膜流に垂直な回収溝で行われる。こういった溝は、水平に対して例えば１°〜２°に等しい角度で傾斜し、空気流を横切ることなく水膜を回収するために使用される。
【００３５】
その空気は、対抗流で、あるいは必要に応じて水膜に対して交差流で循環し、したがってプレート上の水流を冷却する水の蒸発を可能にするように、連続水流プレートの間に挟まれたノズルから吹き込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】水散布システムの断面の概略図である。
【図２】交換プレートの一実装形態を示す図である。
【図３】ｘ、ｙ平面に角度αを形成したプレートを示す図である。
【図４】水回収システムにおけるプレートの詳細部分を示す図である。
【図５】ｙ、ｚ平面に角度βを形成したプレートを示す図である。
【図６】他の実施例を示す図である。
【図７】水供給管を備える、パッキンを形成するプレートセットの断面図である。
【図１】
0005349796.tif 000005
【図２】
0005349796.tif 000006
【図３】
0005349796.tif 000007
【図４】
0005349796.tif 000008
【図５】
0005349796.tif 000009
【図６】
0005349796.tif 000010
【図７】
0005349796.tif 000011