(57)【要約】【課題】排出水煙軽減を達成し、冷却塔貯水槽への回収のための、あるいは浄水の供給源としての排出物の一部分の捕捉を達成する熱交換器パックを含む冷却塔構成を提供する。【解決手段】本発明によれば、周囲空気の流れを受ける第１通路のセット（１４）と、温かい水を含んだ空気の流れを受ける第２通路のセット（１６）と、を有する熱交換器パック（１０）が開示される。前記第１通路のセット（１４）と前記第２通路のセット（１６）は分離されており、温かい水を含んだ空気流から水を凝縮できるように、前記温かい水を含んだ空気流が前記周囲空気の流れによって冷却されることを可能にしている。
2006502365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
向流式蒸発媒体と、
前記向流式蒸発媒体の上に温水を散布する配水システムと、
第１空気流から第２空気流に熱を吸収させるための熱交換器であって、第１通路のセットと第２通路のセットとを有する熱交換器と、
前記第１空気流を生成するために前記向流式蒸発媒体を通るように空気を方向付け、また１０〜８０ｐｄａ／ｆｔ２／ｍｉｎの流量で９０％以上の相対湿度を有する前記第１空気流を前記第１通路のセットを通るように方向付けするファン、及び、１０〜８０ｐｄａ／ｆｔ２／ｍｉｎの流量を有する前記第２空気流と該第２空気流より少なくとも華氏５度低い乾球温度とを、前記第１通路のセットの各々の通路が薄い熱伝導性材料によって前記第２通路のセットの少なくとも一つの通路から分離された前記第２通路のセットを通るように方向付けするファンと、
前記第１空気流から凝縮した水を捕捉するための貯水槽と、を含むことを特徴とする冷却塔。
【請求項２】
第２通路のセットの一端は外気に対して開いており、他端は冷却塔内部に開いている請求項１記載の冷却塔。
【請求項３】
熱交換器は冷却塔内部の外側エッジから冷却塔内部を横切る最短距離の半分未満の距離まで伸びており、第２通路のセットは冷却塔の外側エッジから熱交換器の最も内側のエッジまで伸び、それによって冷却塔の外側からの空気が第２通路のセットを通って冷却塔の中心に入るのを可能にする請求項２記載の冷却塔。
【請求項４】
排出物が熱交換器の周りを通過することを防止するために熱交換器の底部に配置されるカバーを更に有する請求項３記載の冷却塔。
【請求項５】
ドアが閉められたときに排出物のすべてが熱交換器を通って流れることを強制し、ドアが開かれたときに前記排出物の一部分が熱交換器の周りを流れることを可能にする前記ドアを更に含む請求項３記載の冷却塔。
【請求項６】
ドアが第１の位置に在る場合は、排出物の一部分が熱交換器の周りを流れることを許容すると共に、冷却塔外側からの空気が第１通路のセットを通過することを防止するために前記ドアを閉鎖し、第２の位置に在る場合には、排出物が熱交換器の周りを流れることを防止しすると共に、冷却塔外側からの空気の通過を許容するドアを更に含む請求項３記載の冷却塔。
【請求項７】
冷却塔は蒸発媒体を含む部分よりも熱交換器を含む部分において、より広い内部空洞を有する請求項３記載の冷却塔。
【請求項８】
熱交換器は蒸発媒体に対して傾斜している請求項３記載の冷却塔。
【請求項９】
熱交換器は、冷却塔のエッジよりも冷却塔の中心に向かって、より高くなるように傾斜している請求項８記載の冷却塔。
【請求項１０】
熱交換器は異なる横断面幅を有する複数のセクションを備えるように段付けされている請求項３記載の冷却塔。
【請求項１１】
セクションは、最上部よりも底部において、より幅広である請求項１０記載の冷却塔。
【請求項１２】
セクションは、底部よりも最上部において、より幅広である請求項１０記載の冷却塔。
【請求項１３】
熱交換器は冷却塔内部で千鳥状の斜め配置で重ねられた熱交換器セクションからなり、第２空気流は、ダクトを通る熱交換器セクションの少なくとも一つの前記第２通路を介して供給される請求項３記載の冷却塔。
【請求項１４】
第１空気流が冷却塔内に引き込まれる該冷却塔内の開口前面に配置される熱伝達媒体を更に含む請求項１記載の冷却塔。
【請求項１５】
第１空気流が熱交換器に入る前に該第１空気流を冷却するために熱伝達媒体の上に低温の液体が噴霧される請求項１４記載の冷却塔。
【請求項１６】
第１通路のセットと第２通路のセットは薄いシートを挟むことで形成されている請求項１記載の熱交換器。
【請求項１７】
薄いシート材の二つの平行なエッジに沿った正方向の立ち上がりエッジと該正方向の立ち上がりエッジを有する前記エッジに垂直で薄いシート材の二つの平行なエッジに沿った負方向の立ち上がりエッジとをさらに含み、
第１通路は二つのシートを折り返して、一方側の正方向の立ち上がりエッジ同士を接合し、他方側の正方向の立ち上がりエッジ同士を接合することによって形成され、
第２通路は二つのシートを折り返して、一方側の負方向の立ち上がりエッジ同士を接合し、他方側の負方向の立ち上がりエッジ同士を接合することによって形成される請求項１６記載の熱交換器。
【請求項１８】
第１通路は、１セットの薄いシートの負方向の立ち上がりエッジと正方向の立ち上がりエッジとを交互に接合することによって第２通路に垂直な方向に配置できる請求項１７記載の熱交換器。
【請求項１９】
第１通路と第２通路の間の差圧下で、それら各通路を開放する正方向と負方向に形成されたボタンを薄いシート上にさらに有する請求項１８記載の熱交換器。
【請求項２０】
第１シート上の正方向に形成されたボタンは第１の隣接シート上の正方向に形成されたボタンに押圧され、負方向に形成されたボタンは第２の隣接シート上の負方向に形成されたボタンに押圧される請求項１９記載の熱交換器。
【請求項２１】
正方向に形成されたボタンは第１方向の第１空気流の流れに対する抵抗を減少させるように構成され、負方向に形成されたボタンは第２方向の第２空気流の流れに対する抵抗を減少させるように構成される請求項２０記載の熱交換器。
【請求項２２】
薄いシートは合成樹脂膜で作られる請求項２１記載の熱交換器。
【請求項２３】
薄いシートはＰＶＣで作られる請求項２２記載の熱交換器。
【請求項２４】
直交流式蒸発媒体と、
前記直交流式蒸発媒体の上に温水を散布する配水システムと、
第１空気流から第２空気流に熱を吸収させるための熱交換器であって、第１通路のセットと第２通路のセットとを有する熱交換器と、
前記第１空気流を生成するために前記直交流式蒸発媒体を通るように空気を方向付け、また１０〜８０ｐｄａ／ｆｔ２／ｍｉｎの流量で９０％以上の相対湿度を有する前記第１空気流を前記第１通路のセットを通るように方向付けするファン、及び、１０〜８０ｐｄａ／ｆｔ２／ｍｉｎの流量を有する前記第２空気流と該第２空気流より少なくとも５度低い乾球温度とを、前記第１通路のセットの各々の通路が薄い熱伝導性材料によって前記第２通路のセットの少なくとも一つの通路から分離された前記第２通路のセットを通るように方向付けするファンと、
前記第１空気流から凝縮した水を捕捉するための貯水槽と、を含むことを特徴とする冷却塔。
【請求項２５】
冷却塔の外部からの第１空気流は該冷却塔から出て行く前に排出物と混合される請求項２４記載の冷却塔。
【請求項２６】
熱交換器は冷却塔内部の外側エッジから冷却塔内部を横切る最短距離の半分未満の距離まで伸びており、第１通路のセットは冷却塔の外側エッジから熱交換器の最も内側のエッジまで伸び、それによって第１空気流が第１通路のセットを通って冷却塔の中心に入るのを可能にする請求項２５記載の冷却塔。
【請求項２７】
排出物が熱交換器の周りを通過することを防止するために熱交換器の底部に配置されるカバーを更に有する請求項２６記載の冷却塔。
【請求項２８】
ドアが閉められた場合は、全ての排出物が熱交換器を通って流れることを強制し、ドアが開かれた場合には、排出物の一部分が熱交換器の周りを流れることを可能にする前記ドアを更に含む請求項２６記載の冷却塔。
【請求項２９】
ドアが第１の位置に在る場合は、排出物の一部分が熱交換器の周りを流れることを許容すると共に、冷却塔外側からの空気が第１通路のセットを通過することを防止するために前記ドアを閉鎖し、第２の位置に在る場合には、排出物が熱交換器の周りを流れることを防止しすると共に、冷却塔外側からの空気の通過を許容するドアを更に含む請求項２６記載の冷却塔。
【請求項３０】
熱交換器は蒸発媒体に対して傾斜している請求項２６記載の冷却塔。
【請求項３１】
熱交換器は、冷却塔のエッジよりも冷却塔の中心に向かって、より高くなるように傾斜している請求項３０記載の冷却塔。
【請求項３２】
熱交換器は異なる横断面幅を有する複数のセクションを備えるように段付けされている請求項２６記載の冷却塔。
【請求項３３】
セクションは、最上部よりも底部において、より幅広である請求項３２記載の冷却塔。
【請求項３４】
セクションは、底部よりも最上部において、より幅広である請求項３２記載の冷却塔。
【請求項３５】
第１空気流が冷却塔内に引き込まれる該冷却塔内の開口前面に配置される熱伝達媒体を更に含む請求項２６記載の冷却塔。
【請求項３６】
第１空気流が熱交換器に入る前に該第１空気流を冷却するために熱伝達媒体の上に低温の液体が噴霧される請求項３５記載の冷却塔。
【請求項３７】
熱交換器は冷却塔内部で千鳥状の斜め配置で重ねられた熱交換器セクションからなり、第２空気流は、ダクトを通る熱交換器セクションの少なくとも一つの前記第２通路を介して供給される請求項３５記載の冷却塔。
【請求項３８】
冷却塔の蒸発媒体を出て行く湿り空気の供給源から周囲空気の供給源へ顕熱プロセスを使用して熱を伝達するステップと、
混合が温湿度図表の１００％飽和曲線の下方に在る空気流を作るように、加熱された周囲空気を、冷却塔の蒸発媒体を出て行く空気流と混合するステップと、を含むことを特徴とする冷却塔の水煙を減らす方法。
【請求項３９】
前記熱伝達ステップは冷却塔の蒸発媒体を出て行く湿り空気のための第１通路のセットと周囲空気のための第２通路のセットとを有する熱交換器を使用して遂行される請求項３８記載の方法。
【請求項４０】
第１通路のセットと第２通路のセットは薄いシートを挟むことで形成されている請求項３９記載の熱交換器。
【請求項４１】
薄いシート材の二つの平行なエッジに沿った正方向の立ち上がりエッジと該正方向の立ち上がりエッジを有する前記エッジに垂直で薄いシート材の二つの平行なエッジに沿った負方向の立ち上がりエッジとをさらに含み、
第１通路は二つのシートを折り返して、一方側の正方向の立ち上がりエッジ同士を接合し、他方側の正方向の立ち上がりエッジ同士を接合することによって形成され、
第２通路は二つのシートを折り返して、一方側の負方向の立ち上がりエッジ同士を接合し、他方側の負方向の立ち上がりエッジ同士を接合することによって形成される請求項４０記載の熱交換器。
【請求項４２】
第１通路は、１セットの薄いシートの負方向の立ち上がりエッジと正方向の立ち上がりエッジとを交互に接合することによって第２通路に垂直な方向に配置できる請求項４１記載の熱交換器。
【請求項４３】
負圧の下で各通路を開放する正方向と負方向に形成されたボタンを薄いシート上にさらに有する請求項４２記載の熱交換器。
【請求項４４】
第１シート上の正方向に形成されたボタンは第１の隣接シート上の正方向に形成されたボタンに押圧され、負方向に形成されたボタンは第２の隣接シート上の負方向に形成されたボタンに押圧される請求項４３記載の熱交換器。
【請求項４５】
正方向に形成されたボタンは第１方向の第１空気流の流れに対する抵抗を減少させるように構成され、負方向に形成されたボタンは第２方向の第２空気流の流れに対する抵抗を減少させるように構成される請求項４４記載の熱交換器。
【請求項４６】
薄いシートは合成樹脂膜で作られる請求項４５記載の熱交換器。
【請求項４７】
薄いシートはＰＶＣで作られる請求項４６記載の熱交換器。
【請求項４８】
冷却塔の蒸発媒体を出て行く湿り空気の供給源から周囲空気の供給源へ顕熱プロセスを使用して熱を伝達する手段と、
混合が温湿度図表の１００％飽和曲線の下方に在る空気流を作るように、加熱された周囲空気を、冷却塔の蒸発媒体を出て行く空気流と混合する手段と、を含むことを特徴とする冷却塔の水煙を減らす装置。
【請求項４９】
前記伝達のための手段は冷却塔の蒸発媒体を出て行く湿り空気のための第１通路のセットと周囲空気のための第２通路のセットとを有する請求項４９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【優先権】
【０００１】
本出願は、その開示が引例によってここに組み入れられている、出願番号第０９／９７３，７３３号を有する、２００１年１０月１１日に出願された、Air-To-Air Atmospheric Heat Exchanger For Condensing Cooling Tower Effluent（冷却塔排出物を凝縮させるための空気対空気式大気熱交換器）と題する米国特許出願から優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、一般的には冷却塔排出物または他の排熱装置からの水の再生に関する。本発明は特に、浄水の供給源を用意し、冷却塔の水の消費を減らし、および／または冷却塔の水煙（plume）を減らすために冷却塔排出物から水を再生するための方法と装置とに関する。
【背景技術】
【０００３】
水蒸気駆動タービンを使用する発電では、水は、電気を生成するタービンを駆動する水蒸気を生成するために、バーナによって加熱される。このプロセスに必要な浄水の量を最小にするために、水蒸気は、水がこのプロセスで再利用できるように、熱を除去することによって水に再変換されなくてはならない。大きな建物の空気調和システムでは、建物内部の空気は、冷却された冷媒ガスを入れたコイルを通過するように強制され、それによって熱を建物内部から冷媒ガス内に伝達する。温められた冷媒は建物の外にパイプで送られ、余分な熱は、冷媒ガスが再冷却されて冷却プロセスが継続できるように、冷媒から除去されなくてはならない。
【０００４】
上述のプロセスと、余分な熱を放散するステップを必要とする他の非常に多くのプロセスとの両者では、冷却塔が使用されてきた。湿式の冷却塔では、水は、加熱された水蒸気、冷媒、あるいは他の加熱された液体または気体を入れた凝縮器コイル（condenser coil）を通過するようにポンプ搬送され、それによって熱を水に伝達する。それから水は、冷却塔の最上部にポンプアップされ、薄いシート材料または撥ねかけ棒からなる冷却塔媒体の上に噴霧される。水が冷却塔媒体に流れ落ちると、周囲空気は加熱された水を通過するように強制されて、熱は顕熱伝達と蒸発熱伝達の両者によって水から空気に伝達される。それからこの空気は、冷却塔から強制的に出されて周囲の空気中に放散される。
【０００５】
冷却塔は、余分な熱を放散させる高効率で費用効率が高い手段であるので、この目的のために広く使用されている。しかしながら、冷却塔の認識されている欠点は、ある幾つかの大気条件下では、冷却塔の最上部から運ばれる空気流内に、蒸発する加熱された水の供給源からの水分によって水煙が生成され得ることである。発電所の場合のように冷却塔が非常に大きい場合には、この水煙は冷却塔付近に低く漂う霧を発生させ得る。また、この水煙は、より低い温度が水煙中の水分を凍らせる場合、冷却塔付近の道路を凍結させる原因となり得る。
【０００６】
したがって冷却塔によって生じる水煙を制限または除去するための努力がなされてきた。このような努力の例は、下記の米国特許に見ることができる。
【０００７】
Voucheへの米国特許第６，２４７，６８２号には、冷却塔の底に運び込まれる空気に加えて、温水がフィルパック上に噴霧されるときに、フィルパックを通って上方に強制的に運ばれる周囲空気が温水スプレイ・ヘッドの下方の隔離された熱伝導性通路を通って冷却塔内に導入される水煙軽減冷却塔を開示している。アルミニウム、銅などといった熱伝導性材料から作られたこれらの通路は、水分が空気中に蒸発することなく、周囲空気が熱の一部を吸収することを可能にする。冷却塔の最上部では、湿った加熱空気と乾燥した加熱空気とが混合され、それによって水煙を減らしている。
【０００８】
Howlettによる米国特許第４，３６１，５２４号には、冷却塔に供給される前に温水が部分的に冷却される水煙防止システムを開示している。温水の部分的冷却は、空気や水といった別々の冷却媒体で動作する別々の熱交換器を使用して行われる。この特許に論じられているように別個の熱交換器は、冷却塔の効率を低下させるので、水煙が冷却塔によって発生するような大気条件が存在する場合にだけ使用すべきである。
【０００９】
湿式冷却塔での水煙を減少させるように設計されたシステムのもう一つの例は、冷却塔学会の１９９３年年次会議の「Technical Paper Number TP93-01（技術論文番号TP93-01）」のPaul A. Lindahl, Jr等による「Plume Abatement and Water Conservation with the Wet/Dry Cooling Tower（湿式／乾式冷却塔による水煙軽減および水保全）」に見ることができる。この論文に記載されたシステムでは、温水は先ず、空気が流れに接続された熱交換フィンを横切るように強制される乾き空気冷却セクションを通ってポンプ搬送される。ここで部分的に冷却された水は、乾き空気冷却セクションの下方に位置するフィルパック上に噴霧され、空気は強制的にこのフィルパックを通過させられて、水を更に冷却する。そして、湿り空気は、強制的に冷却塔内を上昇させられて乾式冷却プロセスからの加熱乾き空気と混合され、塔の最上部から外へ排出される。
【００１０】
前述のシステムは湿式冷却塔の水煙問題に有用な解を与えるが、これらのシステムは全て複雑で高価な湿り空気と乾き空気の熱伝達機構の構築を必要とする。乾燥加熱空気と湿潤加熱空気とが冷却塔から外へ通過する前に混合することができ、それによって水煙を減少させ得る単純で低価格の湿潤・乾き空気冷却機構がなお、必要とされている。
【００１１】
冷却塔に関して認識されているもう一つの問題は、冷却に使用される水に汚染物質が濃縮さる可能性があることである。水が冷却塔から蒸発するにつれて、追加の水が加えられるが、蒸発によって汚染物質は除去されないので、水の中の汚染物質は更に濃縮され得ることは直ちに認められるはずである。もし水を処理するために冷却水に化学薬品が加えられれば、環境に放散されると望ましくないこれらの化学薬品が高度に濃縮される可能性がある。真水が利用できないか高価である通常の事例で蒸発した水の代わりに海水または排水が使用される場合には、水の中の塩分と固形物とが冷却水回路内に蓄積する可能性もある。これらの汚染物質は更に濃縮されるので、汚染物質は薄い蒸発シートの間に固まり冷却塔の冷却効率を低下させる可能性がある。
【００１２】
上記の問題を防止するために、濃縮された汚染物質を有する水の一部を”ブローダウンして”それを供給源からの淡水に交換することが通常の実施方法である。これは冷却塔水内の汚染物質が過度に濃縮されるのを防止するが、ブローダウン・プロセス時の水の放出の結果が環境問題になる可能性がある。したがって冷却塔における水の消費を減らす努力がなされてきた。
【００１３】
Houx等による米国特許第４，０７６，７７１号には、冷却塔での水の消費を減らす最新技術を開示している。この特許に開示されたシステムでは、冷却塔の蒸発熱伝達媒体と顕熱的に熱を伝達するコイルセクションとの両者が同システムに設けられている。コイルの顕熱伝達は、処理水の冷却を行うが水は消費しない。
【００１４】
上述の特許は、従来技術の冷却塔に対して大きな進歩を示しているが、もし顕熱伝達のためにコイルセクションを必要としない冷却塔貯水槽に戻すために水煙から水を再捕捉するための機構が開発されれば望ましいことである。
【００１５】
注目されてきた別の問題は、飲料水を生成するための海水の脱塩と他の水の供給源の浄化である。湿気の多い空気流から浄化された水を取り出すために多くの手法が開発されてきた。大半の商業的プロセスには、多段フラッシュ蒸留（Multi-Stage Flash Distillation）、多重効用蒸留（Multiple Effect Distillation）、蒸気圧縮蒸留（Vapor Compression Distillation）、および逆浸透（Reverse Osmosis）が含まれる。International Desalination Association（国際脱塩協会）のO.K.Burosによって作成され、１９９０年にResearch Department Saline Water Conversion Corporation（塩水変換コーポレーション研究部によって修正・再生された「Desalting ABC's（脱塩ＡＢＣ）」を参照のこと。脱塩あるいは廃熱のために低温水を使用するシステムの例には、下記のものが含まれる。
【００１６】
ADA North American Biennial Conference and Exposition, August 2000（２０００年８月のＡＤＡ北米隔年会議および展示会）の会報のLu等による「Zero Discharge Desalination（排出ゼロの脱塩）」。この論文は、冷気流と低品位排熱源からの温かい湿り空気流とから真水を生成する装置についての情報を与えている。真水は、これら二つの空気流を分離している壁に沿って凝縮される。また凝縮を向上させるために温かい湿り空気の上に冷水が噴霧される。
【００１７】
International Symposium on Desalination and Water Re-Use,Vol.4,1991（１９９１年の脱塩と水再利用に関する国際シンポジュウム、第４巻）のBaumgartner等による「Open Multiple Effect Desalination with Low Temperature Process Heat（低温プロセス熱による開放式多重効用脱塩）」。この論文は、プラスチック管の内部を流れる冷水とこれらの管の外側を流れる温かい湿り空気とを使用する、脱塩用のプラスチック管熱交換器についての情報を提供している。凝縮物は、低温の管の外側に生じる。
【００１８】
上述の説明は、海水あるいは他の高レベルの汚染物質を含む水の供給源をより純粋の水の供給源に変換する脱塩システムの必要が存在することを示している。したがって、水の供給源として冷却塔の排出物を凝縮する単純で費用効率的な手段が望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明の一態様では、第１空気流を受けるために形成された第１通路のセットを有する熱交換器が提供される。第２空気流を受けるための第２通路のセットもまたこの熱交換器に設けられており、この第２空気流は、第１空気流よりも温かい。第１通路のセットの各々の通路は、分離しているが第２空気流からの熱が第１空気流によって吸収されるように第２通路のセットの少なくとも一つの通路に隣接している。第２空気流から凝縮する水分を捕捉するための貯水槽も設けられている。
【００２０】
本発明のもう一つの態様では、第１空気流の通過を可能にするための孔が形成された二つの相対する壁を有する熱交換器が提供される。第１壁の孔と第１空気流を通過させる第２壁の対応する孔との間に管が設けられる。一方の壁の少なくとも二つの平行なエッジ（edge）と第２壁の対応する平行なエッジとの間に設けられた壁は、第２空気流が管を通り抜けて第２空気流から水分を凝縮させ得ることを保証している。
【００２１】
本発明の他の態様では、１０〜８０ｐｄａ／ｆｔ２／ｍｉｎ（pounds of dry air per square foot per minute）の流量で９０％以上の相対湿度（relative humidity）を有する第１空気流が第１通路のセットを通るように方向付けされる、空気流の水分含有量を減少させる方法を提供する。１０〜８０ｐｄａ／ｆｔ２／ｍｉｎの流量を有する第２空気流と第２空気流より少なくとも華氏５度低い乾球温度（dry bulb temperature）とが、第２通路のセットを通るように方向付けされる。第１通路のセットの各々の通路は、薄い熱伝導性材料によって第２通路のセットの少なくとも一つの通路から分離されている。第２空気流からの熱は、第１空気流に吸収され、また、第２空気流から凝縮した水は捕捉される。本発明のなお更に他の実施形態では、向流式蒸発媒体（counterflow evaporative media）とこの向流式蒸発媒体に温水を散布する散水システムとを有する冷却塔が提供される。第１空気流から第２空気流内へ熱を吸収する熱交換器であって、第１通路のセットと第２通路のセットとを有する熱交換器も提供する。この冷却塔内のファンは、空気を向流式蒸発媒体を通るように方向付けして第１空気流を生成し、また１０〜８０ｐｄａ／ｆｔ２／ｍｉｎの流量で９０％以上の相対湿度を有する第１空気流を第１通路のセットを通るように方向付けする。また、このファンは、１０〜８０ｐｄａ／ｆｔ２／ｍｉｎの流量を有する第２空気流と第２空気流より少なくとも華氏５度低い乾球温度とを、第２通路のセットを通るように方向付けする。第１通路のセットの各々の通路は、薄い熱伝導性材料によって第２通路のセットの少なくとも一つの通路から分離されている。第１空気流から凝縮した水を捕捉するため貯水槽が設けられている。
【００２２】
本発明の他の態様では、冷却塔の最上部に冷却塔内に負圧を生成するためのファンを備えた冷却塔を提供する。向流式蒸発媒体上に温水を噴霧するスプレイ・ヘッドと一緒に向流式蒸発媒体が設けられる。冷却塔の外側から冷却塔の中心に空気流を通すための第１通路のセットとこの蒸発性媒体からの排出空気流を通すための第２通路のセットとを有する熱交換器も、この熱交換器内に設けられる。この冷却塔の外側からの空気流は、排出空気流から熱を吸収し、それによって排出物から水を凝縮させる。
【００２３】
本発明の更に他の態様では、冷却塔は冷却塔の最上部に冷却塔内に負圧を生成するためのファンを備えている。直交流式蒸発媒体（crossflow evaporative media）とこの直交流式蒸発媒体上に温水を噴霧する温水散布システムとが設けられる。冷却塔の外側から冷却塔の中心に第１空気流を通すための第１通路のセットとこの蒸発媒体からの排出空気流を通すための第２通路のセットとを有する熱交換器が提供される。この冷却塔の外側からの空気流は、排出空気流から熱を吸収し、それによってこの排出空気から水を凝縮させる。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
このようにして、下記の本発明の詳細説明がよりよく理解されるように、また本技術への本寄与がより良く認められるように、むしろ広く本発明のより重要な特徴が概略説明されてきた。下記に説明され、またここに付属の請求項の主題を形成する本発明の更なる特徴が存在することは無論である。
【００２５】
この点において、本発明の少なくとも一つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は下記の説明に記述された、あるいは図面に例示された構造の詳細への、または構成要素の配置への適用に限定されないことは理解されるべきである。本発明は、他の実施形態が可能であり、また種々の手法で実践・実施可能である。またここに使用される用語および述語ならびに要約は説明目的のためであって、限定と考えるべきではないことは理解されるべきである。
【００２６】
そのようなものとして、本技術に精通する人々は、本開示が根拠とする着想が、本発明の幾つかの目的を実現するための他の構造、方法、およびシステムの設計の基礎として直ちに利用可能であることを認めるであろう。したがってそれぞれの請求項はそれらが本発明の精神と範囲とから逸脱しない限りにおいてこのような同等の構成を含むものと考えられることは重要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
熱交換器パック
同様の参照数字が同様の要素を示している図を参照すると、図１には蒸気凝縮熱交換器パック１０が示されている。この熱交換器パック１０は、二つの異なる空気流のための第１通路１４と第２通路１６とを有するパックを形成するように互いに接合された薄いシート１２から構成されている。好適な実施形態において、二つの空気流は互いに直角に熱交換器パック１０に入り、また薄いシート１２によって分離されている。
【００２８】
薄いシート１２は、通路１４を進む加熱された水を含む空気流から蒸気を凝縮して通路１６を通る低温の空気に熱を伝達するように形成された比較的薄い合成樹脂材料である。好適な実施形態では、その材料は厚さが０．００５〜０．０４０インチであるが、好適には厚さが０．０１５〜０．０２０インチである。表面１８は、空気流の各々に与えられる拡大された表面積に、空気流への最小の抵抗を与えるようにテクスチャ（織り目）を付けることもできる。このような用途に適したテクスチャ・パターンの例は、Kinney,Jr.等の米国特許第５，９４４，０９４号とCatesの米国特許第３，９９５，６８９号とに見ることができ、これらの開示内容は引例によってここに組み入れてある。他のテクスチャ・パターンは、ゴルフボール・テクスチャに似たディンプルとかプラスチックシートに浮き出させた網目パターンに類似の格子テクスチャといったテクスチャを含むが、これらに限定されるものではない。この増大した表面積は、薄いシートの熱伝達性能を向上させ、シート表面近傍の速度変動を増加させ、これが個々の空気流の局所的混合を改善する。この増加した変動とその結果得られる空気流の局所的混合もまたシートの熱伝達性能を改善する。
【００２９】
図２に示すように、熱交換プロセス時に二つの空気流の混合を防止するため、第１エッジ上の薄い合成樹脂シートにシール２０が形成されている。このシールは、空気通路１４の中心で合わさり、すなわち言い換えれば、通路１４の幅の半分のところで立ち上がっている薄いシート１２、つまりシート材１２の一方のエッジ上の立ち上がりエッジ２２によって形成される。このエッジ・シール２０は空気通路１６と平行に空気通路１４の長さに沿って伸びている。
【００３０】
同様にシール２４は、空気通路１６の中心で合わさり、すなわち言い換えれば、通路１６の幅の半分のところで立ち上がっている薄いシート１２、つまりシール２０に垂直なエッジ上の立ち上がりエッジ２６によって形成される。このエッジ・シール２４は、空気通路１４と平行に空気通路１６の長さに沿って伸びている。
【００３１】
図示していないがシール２０に平行なエッジとシール２４に平行なエッジは、同じように接合される。こうして直交する通路１４，１６が熱交換器パック内に形成される。
【００３２】
一方の立ち上がりエッジ２６は形成されたシートの正の方向に伸びており、他方のエッジ２２は、下方あるいは負の方向へ伸びている。この構成では単一のシート構成要素を使用して熱交換器パック全体のベースを形成することができる。これは、シート１２を互いに重ね、一つおきに向きを逆にして前のシート上に置くことによってパックを組み立てると完成する。単に３本の通路が図示されているが、使用時には熱交換器パックが多くの直交する通路を有すること、及び、ここに開示されたようなシート１２を使用して任意数の通路を形成できることは直ちに理解されるべきである。
【００３３】
空気通路の開口を維持するために、薄いシート材には、スペーサ・ノブまたはボタンが形成される。これらのボタンは、エッジ・シールと同様に間隔を置いて配置されており、空気通路開口幅の半分の距離だけ形成されたシートから正の方向に伸びるボタン２８か、形成されたシートから負の方向に伸びるボタン３０である。好適な実施形態では正の方向に伸びるボタン２８は、空気流通路１６の方向から見て平らな上部表面を有する円錐形状である。一緒に配置されると一方のシートのボタンの平らな表面は、隣接するシートのボタンの平らな表面に向き合うように配置される。正の方向に突き出たボタン２８の各々は空気流の方向に平行な薄いシートの長さに沿って伸びている。好適な実施形態では負の方向に突き出たボタン３０は、正の方向に突き出たボタン２８と同じ形を有しているが向きは直交している。再び一方のシートの負の方向に突き出たボタン３０は、隣接するシートの負の方向に突き出たボタンと向き合って配置されている。これらのシートを位置決めして組み合わせる代替のスペーサ実施形態は、Kinney‘０９４に見ることができる。
【００３４】
前述の特徴は、空気通路の一貫した幅を維持し、二つの空気通路間に差圧が加えられたときに通路の潰れを防ぐように設計される。ボタンの構成もまた、通路の潰れに対する十分な構造的抵抗力を与えながら、空気流に対する抵抗を最小にするように設計される。
【００３５】
低温の空気流あるいは蒸気を含んだ空気流のいずれの通路の各々の幅も、特定の役割の設計条件にしたがって変えることができる。また、冷気の通路１６と蒸気を含んだ空気の通路１４は、必ずしも同じ幅である必要はない。実際に本発明の特定の役割に関しては、通路幅は、最小で０．５インチ、最大で３．０インチ、好適な幅は１．０インチ〜１．５インチの間である。
【００３６】
また、薄いシートの完成したパックの全体の寸法は、本発明に関連した特定の設計課題に依存している。しかしながら設計に関して想定される最小のパックサイズは、２フィート×２フィートであり、最大は６フィート×２４フィートである。
【００３７】
熱交換器パックの面に入る空気は、全表面積に対するマスフロー（質量流）によって特徴付けられる。典型的にはこれは、毎分１フィート平方当りの乾き空気のポンド数（ｐｄａ／ｆｔ２／ｍｉｎ）で表される。好適な実施形態では、通路セット通路は、約１０ｐｄａ／ｆｔ２／ｍｉｎから約６０ｐｄａ／ｆｔ２／ｍｉｎの間の質量流量を持っている。
【００３８】
水保全、水浄化、水煙軽減の三つのプロセスの好適な実施形態に関する温かい湿り空気流の温度は、冷却塔および他の排熱除去装置によって経験される温度に代表される。これらの温度は、最大華氏約１５０度から最小華氏約４０度の範囲になり得る。蒸発式冷却塔は典型的には、飽和した、あるいはほぼ飽和した（約１００％相対湿度）空気を排出する。本発明では、約９０％以上の相対湿度を有する空気を供給する同様な蒸発式装置が実現可能である。約９０％未満の相対湿度を有する空気流は、空気流をそれぞれの露点にまで冷却するために大きな顕熱伝達を必要とする。凝縮は、空気流が露点で飽和曲線に達した後にだけ起こり得る。
【００３９】
好適な実施形態に関して熱交換器パックの動作圧力は、±６ミリバールの範囲内で典型的な冷却塔動作圧力とほぼ同じであろう。一般に冷却塔は、大気圧またはほぼ大気圧で動作する。冷却塔は、パッキング媒体、スプレイ、およびドリフト除去装置を通る流れを発生させるために大気圧からの僅かな変化を作り出す遠心ファンとしても知られる軸流ファン（axial fan）および／またはブロワー（blower）を持っている。これらの異なる構成要素は摩擦と速度差とによって空気流に対する制約を引き起こすので、大気圧からの圧力変化は冷却塔に空気を通すために必要である。これらの圧力は典型的には、軸流ファンシステムに関しては±３ミリバール、ブロワーを有するシステムに関しては±６ミリバールの範囲内にある。これらの比較的小さな圧力差で動作するこのような冷却塔は大気圧で動作すると考えるのが通例である。
【００４０】
一般的凝縮プロセス
前述のように蒸気凝縮式熱交換器は、二つの異なる空気流のための通路を有する１パックが配置される。通路１６において冷気は、外部の供給源から、あるいは周囲の空気塊から送られる。冷気を得る方法は、装置の特定の用途に依存する。冷気の温度は典型的には、相対する通路１４内の空気流の空気塊温度よりかなり低い。相対する通路１４には温かい湿り空気が通路内に供給される。温かい湿り空気は典型的には、水蒸気で飽和しているか、あるいは結果として得られる湿球温度か、それに近い乾球温度を有する。この空気塊は、プロセスからの排熱を除去するために使用される冷却塔によって生成される空気塊に類似している。しかしながら同様の温かい湿り空気流を発生させる他のプロセスと方法は、蒸発凝縮器といった装置への入力に使用できる。
【００４１】
図３の温湿度図表（水分含有量（Moisture Content）対周囲乾球温度（Ambient Dry Bulb））に示すように、温かい湿り空気は図示の飽和曲線（Saturation Curve）上の点３２に在る。温かい湿り空気が在る飽和曲線上の点３２の位置は、それが高温において水蒸気で１００％飽和していることを示す。他の通路に入る冷気は、飽和曲線より下の点３４に位置している。この温湿度図表上の冷気の位置は、それが流入する暖気より低い温度にあることを示している。この空気流に関連する水分含有量は一般に、装置の機能に関係しない。しかしながら水煙軽減の場合には、流入空気の水分含有量は、「混合」の水分含有量ばかりでなく混合ラインの接触状態にも影響する。
【００４２】
二つの空気流が熱交換器を通過するにつれて、暖気は冷却され、冷気流は温度が上昇する。これら二つの空気流は互いに物理的には接触しないので、冷気流は水分がその空気流に加えられたり除かれたりしない方法で加熱される。これは、空気流の顕熱加熱として知られている。温湿度図表で注目されるように、熱交換器を出るときに冷気は上昇した温度を持っているが水分含有量は一定３６に維持されている。
【００４３】
温かい湿り空気は、飽和曲線上のその開始点３２からより低い温度にまで冷却される。温かい湿り空気塊が冷却されるにつれて空気流の水分含有量を減少させなければならない。この空気流は１００％飽和しているので空気流から水が凝縮し、その結果生じる温度低下は、新しい、より低い温度３８にまでこの１００％飽和曲線に従う。温かい飽和空気流で失われる熱量は、低温乾き空気流で得られる熱量と等しくなければならない。
【００４４】
脱塩研究は、空気対空気式熱交換器の排出乾き空気が予想よりも遥かに高いという思わぬ発見となった。この発見は、以前は不十分と思われていた装置による水煙軽減を可能にしている。従来の知識では、水煙軽減に関する空気対空気式熱交換器は‘０９４にKinneyによって開示されたようなコイルまたはプラスチック熱交換器といった水対空気式熱交換器より、遥かに効果が少ないことを示唆していた。低温の周囲空気は、冷却塔の外部から引き込まれて顕熱的に加熱される。この空気を温めるための熱源としては、その遥かに大きな質量のために空気より水が有利であるように見えるであろう。例えば‘０９４のプラスチック熱交換器は典型的には、２０ｇｐｍ／ｓｆ以上の流量を持っている。それから質量流量は典型的には、２０ｇｐｍ／ｓｆ×８．３３ｌｂｍ／ｇａｌｌｏｎ＝１６７ｌｂｍ／ｓｆ／ｍｉｎ以上である。前述のような空気対空気式熱交換器は、１０〜８０ｐｄａ／ｓｆ／ｍｉｎの範囲で動作する。全マスフローは、乾き空気流量に（１＋ｗｓ）を乗算することによって決定される。ここでｗｓは湿度比である。１００°Ｆ飽和空気を想定すると、湿度比ｗｓは０．０４３２である。この空気流の質量は、１０．４〜８３．５ｌｂｍ／ｓｆ／ｍｉｎの範囲で変化する。したがって、‘０９４プラスチック熱交換器の水流質量は典型的には、本発明の空気流質量より数倍も大きい。乾燥熱に匹敵する量に関して空気対空気式熱交換器は、‘０９４熱交換器の水流の数倍の両空気流の温度変化を必要とするように見えるであろう。これは、同じ熱伝達を達成するために水対空気式熱交換器の表面積の数倍に表面積を増やさなければ不可能と思われた。したがって、空気対空気式熱交換器のサイズは、管理不能な、あるいは不経済な割合にまで増加するように見えるであろう。しかしながら前述の図１の熱交換器１０を使用すると、温かい湿り空気流は、凝縮プロセスを受ける。この凝縮プロセスで暖気は低温の表面に接触し、空気から水が凝縮する。このプロセスで顕熱と潜熱の両者が解放されて絶対湿度は減少する。顕熱と潜熱の両者は装置内で伝達されるので、これは以前に可能と考えられていたものよりも遥かに効率的になる。
【００４５】
温暖  温かい湿り空気を有する通路１４では蒸気が低温通路の低温の表面に接触すると、温かい湿り空気流を有する通路の表面に凝縮した小水滴が形成される。これらの小水滴は、温かい湿り空気の冷却の結果であり、その結果得られた空気流の水分減少である。
【００４６】
これらの小水滴は、シート上で合体して、シートの温かい湿り空気流通路面を流れ下る。シート上で凝縮する水分はシートの底部に集めることもでき、元の供給源に戻すこともできる。この水の使用を更に下記で論じる。
【００４７】
熱交換器に関するプロセス
Ａ．冷却塔のための水の保全
前述のセクションで論じたように、熱交換器通路を流れる温かい湿り空気は、冷却されて水分含有量が減少する。暖気の水分含有量が減少すると、シートの暖気通路上で小水滴が形成されるようになる。これらの小水滴は合体してシートの底部から落下する。湿り空気流から再生される水は、冷却塔装置の水消費を減少させるために使用できる。
【００４８】
冷却塔は、蒸発プロセスを通してプロセス水の温度を低下させ、このようにしてシステムから熱を除去する場所を提供する。除去された熱は一般に、他のプロセスには有用でなく、「低品位排熱」とラベル付けされて周囲の大気中に放出される。冷却塔プロセスを通して、システム内を循環するプロセス水のある一定のパーセンテージは、蒸発のために失われる。蒸発プロセスを通じて失われる水の量は典型的には、全流量の０．５％から３％の間である。一般に、これはプロセス水冷却の１０°Ｆごとに約０．８％である。この水の損失は冷却塔装置の運用者にとって高価になり得る。
【００４９】
蒸発によって冷却塔から出て行く水は、純粋な蒸気状態になっており、したがって固形物、溶解性固形物、塩分などといった他の汚染物質はプロセス水の中に残される。時間が経過するにつれて純水が除去されるので、これらの汚染物質はプロセス水の中に蓄積される。汚染物質を減らすために、プロセス水のある一定のパーセンテージが連続的に除去される。システムから除去される水は、ブローダウンと呼ばれる。したがって冷却塔を運転するためには、水の蒸発の補償と必要とされるブローダウンとの両方に水を加えなくてはならない。多くの場合、この水は化学薬品を含む水質と排水に関連する多くの規制とのために環境中に直接排出することは困難である。したがってブローダウンの量を減らすことには大きな経済的利点が在る。
【００５０】
前述の図１の空気対空気式熱交換器１０によれば、温かい湿り空気流から再生された水をシステム内に戻すことができる。これは事実上、冷却塔の蒸発とシステムに必要なブローダウンとの両方を減少させ得る。この熱交換器を組み入れた冷却塔の構成を以下に説明する。冷却塔システムに戻される水は、ほぼ純水であるので、多くの場合、元の補給水より良好な品質であり得る。この改善された水質は、冷却塔プロセスに必要とされる化学薬品の量を潜在的に減少させる可能性がある。
【００５１】
熱交換器が有効に動作して水をシステムに戻すためには、冷気通路に入る空気温度は相対する通路に入る暖気より低くなくてはならない。水保全装置に関しては、これら二つの温度は同じ値に近いので、水槽に戻される水の量はより少ないものとなり得る。もし熱交換器の低温側が、周囲空気温度が供給されて他の手段によって冷却されなければ、熱交換器は温度がより低いとき、あるいは冬期運転時に、より多量の水を戻す。夏期運転時には、熱交換器は、より少量の水を戻すことになる。水槽に戻される水の典型的な値は、冬期の蒸発水の４０％から夏期運転時の蒸発水の３％までの範囲になり得る。年間ベースで戻される水は、場所によって約１０％〜３０％になり得る。下記の表１は、夏期と冬期における種々の場所で再生される蒸発水のパーセンテージを示す。示されている数字は、その地方の条件と華氏２５度範囲の発電所効率とに基づく冷却塔排出物から再生される水の最大値に関するものである。
【００５２】
【表１】
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【００５３】
Ｂ．水の浄化と脱塩
冷却塔は、蒸発／排熱プロセス中に温かい湿り空気を発生させる。この温かい湿り空気はほぼ純粋な蒸気を含んでおり、固形物、溶解性固形物、塩分、および化学薬品といった大抵の汚染物質を含まない。このタイプの熱交換器が使用されるときには、この純粋な蒸気のかなりの部分を回収できる。水を冷却塔貯水槽に再循環させることに加えて、純粋な蒸気は、水状態に変換されるとき、清浄な水の供給源を必要とする他の用途に使用できる。冷却塔にプロセス水を備えることに関連する費用に起因して、使用される補給水は海洋水源からの塩水か工業プロセスからの排水であることが多い。水再生装置として使用される場合、この熱交換器は水質のためにそうでなければ望ましくない水を変換することができる。
少量のプロセス冷却水も湿り空気流内に飛沫伴出されて凝縮された水を汚染する可能性がある。このタイプの持ち越し汚染は、冷却塔産業では「ドリフト」と呼ばれる。更なるレベルの所望の水質を得るために、二次的浄化プロセスを使用することができる。本プロセスによって得られる利点は、飲料水を作るための海水脱塩の場合に見ることができる。海水の脱塩の場合、このプロセスで最も費用のかかるステップの一つは、塩分を除去することである。前述の冷却塔再生プロセスは、水の最終的浄化のためにより費用のかからないプロセスが使用できるように、塩分含有量を大幅に減らすために使用できる。最終浄化プロセスのために使用できるプロセスの一例は、逆浸透である。
【００５４】
他の使用のために水を回収するプロセスは、熱交換器パックから回収された水が別の水槽内に集められ得ることを除いて、前の水保全のセクションで説明したものと本質的に同じである。回収水槽による冷却塔アプリケーションの詳細を以下に説明する。
【００５５】
水保全塔と同様に、低温側の温度の供給源として周囲空気が使用される場合には、夏の期間中、気温が上昇するので浄水の生産は減少する。このシステムから回収される水は典型的には、年間ベースで全蒸発水の２０％〜２５％であろう。低温の空気か、または、水の供給源が利用可能であれば、より多量の水をこのシステムから回収可能である。例えば、もし海洋水の供給源が利用可能であれば、それは熱交換器の低温通路に流入させる空気を冷却するために使用できる。熱交換器シートの温暖側と低温側との間で温度差が増大するにつれて凝縮は増加し、それによって更に多くの浄水が生成される。低温海水の供給源が利用可能である場合に浄水生産の速度を向上させる構成を下記に説明する。
【００５６】
水浄化装置は、温かい湿り空気の生成という理由で冷却塔での使用に非常に適しているが、温かい湿り空気を発生させる他の装置もこの装置と共に使用できる。
【００５７】
Ｃ．冷却塔のための水煙軽減
本発明の熱交換器は、冷却塔の目に見える水煙を減らすためにも使用できる。このプロセスは、水保全プロセスと本質的に同一プロセスである。唯一の違いは、低温側通路で加熱された冷気が温かい水分を含んだ空気流と混合されることにある。これら二つの空気流の混合は、典型的な水煙軽減塔とは異なる手法によって目に見える水煙の存在を効果的に減少させる。
【００５８】
冷却塔における目に見える水煙を減らすために使用される方法は、図４の温湿度図表に示されている。この図表に示すように冷却塔の蒸発セクションからの排出空気は、温かい１００％飽和空気４０である。また、熱源からの温水は、冷却塔の側面に位置するコイルや他の熱交換器を介して送られる。この温水は、周囲空気４２を加熱するために使用される。空気は、蒸発熱セクションと水／空気式熱交換器の両者を介して引かれる。水／空気式熱交換器を流れる周囲空気４２は、水分含有量の変化なしに加熱（すなわち顕熱伝達）４４される。そして、温かい乾き空気４４は、空気／水式熱交換器から出て行く。
【００５９】
空気／水熱交換器から出て行く温かい乾き空気流４４は、冷却塔の蒸発セクションを出て行く湿り空気流４０と混合される。これら二つの空気流の混合は、出て行く冷却塔空気流４６温度と周囲空気温度４２とが温湿度図表上の線で結ばれると、接続線４８は１００％飽和曲線と交差しないという性質を有する空気流４６という結果をもたらす。一方、周囲空気と出て行く空気とが混合された場合に接続線４８が、１００％飽和曲線と交差することになると、蒸発セクションの空気流からの水蒸気の凝縮は、目に見える水煙あるいは霧を発生させることになる。１００％飽和曲線より上方の領域は、過飽和領域であって、煙霧領域とも呼ばれる。したがって、システムは、冷却塔を出て行く空気塊の性質と周囲空気塊の性質とが混合された場合に、所定の設計条件によって目に見える水煙が発生しないように設計される。
【００６０】
本発明の図１の空気対空気式熱交換器１０を使用すると、典型的なプロセスは、蒸発セクションからの空気流の水分含有量を減らし、水煙を減らすために温暖乾燥熱の供給源を備えることによって修正される。温かい湿り空気流の水分含有量の減少は、空気流の絶対湿度の低下である。冷却塔の蒸発セクションからの空気の水分含有量は、前述の空気対空気式熱交換器の使用によって減らされる。温かい乾き空気の供給源は、冷気通路からの熱交換器内で加熱される周囲空気である。
【００６１】
本発明の空気対空気式熱交換器による水煙軽減プロセスは、図５の温湿度図表に示されている。冷却塔蒸発セクション４０から出て行く空気が熱交換器を通過するにつれて、温度と水分含有量は符号５０まで減少する。周囲空気４２は、相対する通路で加熱されて、より温かい乾き空気流５２になる。これら二つの空気流は、混合されて飽和曲線下方の空気塊５４を形成する。周囲空気塊４２が冷却塔の二つの空気流５４の混合からの空気塊と混合されると、これらの性質は曲線の過飽和領域あるいは煙霧領域内で交差しない。これは、温湿度図表上で周囲空気４２と混合空気塊５４とを接続する線５６によって示されている。
【００６２】
水煙軽減のための前述の方法は、水煙形成の原因となり得る水分が周囲条件に入る前に冷却塔から部分的に除去されるので水煙の低減のために極めて有効である。また、この方法は、熱交換器システム内で水を使用しないため複雑にならない。熱交換器内で水を使用しないので、これは冷却塔のために他の配管システムを備えなければならないといった複雑さを取り除いている。
【００６３】
冷却塔構成
前述の熱交換器を使用する冷却塔５８の第１の好適な実施形態を図６に示している。この構成では熱交換器１０は、向流式（counterflow）の構成で蒸発媒体６０の上方に配置されている。熱交換器のこの配置は、水保全と水煙軽減の構成に最もよく適しているであろう。この冷却塔によって使用されるプロセスを下記に説明する。
【００６４】
熱源からの温水は、スプレイ・ヘッド６２を有する導管内をポンプ搬送されて蒸発媒体６０の上に噴霧される。軸流ファン（１個または複数個）６４は、蒸発媒体を通る低温の周囲空気６６の空気流れを手助けする。蒸発媒体６０において、空気は加熱され、水分は空気流内に蒸発する。それから加熱されて水分を含んだ空気は、熱交換器１０の空気流通路１４を通るように方向付けされる。また、周囲空気６８も加熱されて水分を含んだ空気の流れに垂直な熱交換器の別の通路１６を通るように方向付けされる。低温の周囲空気６８は、熱交換器１０上に蒸気が凝縮するための低温表面を作り出す。凝縮物１５は、熱交換器から落ちて、冷却塔の主要な水収集領域に戻される。凝縮した小水滴のサイズは、分かりやすくするために図では過大に示している。熱交換器１０を出て行く二つの空気流７０、７２はファンの入口付近で合わせられる。
【００６５】
冷却塔に組み入れられた空気対空気式熱交換器１０は、ファン６４に対する抵抗を作り出すであろう。増加した抵抗は、熱交換器１０の付加によって冷却セクションを通る流量を同じに維持するためにファン６４の動力増加を要求することになる。図７Ａ（水煙軽減・保全モード：Plume Abatement and Water Conservation Mode）、図７Ｂ（冷却高効率モード：Cooling Tower High Efficiency Mode）に示すように運転時間中に、より高い冷却塔性能が必要である場合には、冷却塔内に配置された空気口ドア７４を開けることもできる。このドア７４を開けると、大量の空気が熱交換器１０を迂回して直接ファン６４に行くことになる。これは、熱交換器１０によって作られた空気抵抗を減少させ、冷却塔媒体６０を通って流れる空気の量を増加させる。媒体６０を通る空気流を増加させることによって、冷却塔の性能は向上するであろう。しかしながら、熱交換器１０を迂回すると、水保全、水浄化および水煙軽減のプロセスは停止する。
【００６６】
ドアの代替の実施形態を図８Ａ（水煙軽減・保全モード：Plume Abatement and Water Conservation Mode）、図８Ｂ（冷却高効率モード：Cooling Tower High Efficiency Mode）に示している。この構成ではドア７６は、温かい湿り空気が熱交換器１０を迂回するのを可能にする方法を提供するばかりでなく、熱交換器の低温側を閉鎖する方法をも提供する。実際には、適当なダンパ・ドアである。
【００６７】
熱交換器１０による抵抗を減らす他の方法は、熱交換器パックの流れ面積を増加させることである。図９に示すように、二つの異なる空気流（温かい湿り空気と低温周囲空気）が冷却塔の単一ファン６４を流れるために冷却塔媒体からの流れ面積の一部分が閉鎖される。流れ面積の一部分が遮断されるので、それにしたがって空気流の速度は増加しなくてはならない。流れのこの増加した速度は、熱交換器１０を通過するときに更に大きな抵抗を作り出す。この抵抗を減らすために熱交換器の流れ面積を閉鎖の量だけ拡大しなくてはならない。実際には、この構成で熱交換器パック１０は、冷却塔媒体６０を越えて片持ちに状態される。これは、熱交換器を通る温かい湿り空気の速度を減らし、システム内の圧力低下を減少させる。
【００６８】
熱交換器１０を構成する第３の方法は、図１０に示したように熱交換器パック１０をファン６４に向けて上方８０に傾けることである。この構成は、熱交換器の流れ面積を増加させ、前述の圧力低下を減少させる。また、この構成によれば、通路の出口がファン６４のより近くに配置されるようになるので、熱交換器１０の内側部分６８（低温通路）を流れる空気用の改善された空気通路を提供する。この改善された空気通路は、熱交換器低温側に抵抗の減少と圧力低下とをもたらすことになる。熱交換器１０を傾けることは、冷却塔媒体６０を越えて熱交換器１０を片持ちにすることなく行うこともできる。
【００６９】
図１１の構成では熱交換器パック１０の長さを上方のセクション８２で短くしている。この構成では、温かい湿り空気が通過する熱交換器媒体がより少なくなるので、システムの圧力低下が減少する。これはまた、湿り空気流と乾き空気流とのより良好な混合を与えることになる。これら二つの空気流の混合は、温かい湿り空気が低温の周囲空気と混合して霧を形成しないことを保証するので、水煙軽減プロセスにおいて重要である。同様に、図１２に示すように、圧力低下を減らすため、熱交換器パック１０の下方セクション８４を短くすることもできる。
【００７０】
冷却塔の代替の実施形態では、図１３に示すように向流式蒸発媒体は、直交流式媒体８６で置き換えられる。熱交換器媒体１０は、直交流式冷却塔のプレナム内において、出て行く湿り空気流の通路に配置される。この構成における熱交換器１０と蒸発媒体８６の配置は、水浄化と水煙軽減のプロセスにとって最善であろう。この冷却塔の動作を以下に説明する。
【００７１】
熱源からの温水は、配水システム８８にポンプ搬送されて、直交流式蒸発媒体８６上に散布される。軸流ファン６４は、周囲空気９０の空気流が蒸発媒体８６と熱交換器１０の内側パネル１６とを通過するのを助ける。蒸発媒体８６を出て行く空気流は、蒸気凝縮媒体（熱交換器）１０の外側パネル１４を通って上方に向けられる。低温の周囲空気９０は、外側パネル上に蒸気を凝縮する。凝縮物は、熱交換器から落ちて貯水槽９２に戻り、そこで他の使用のために収集されるか、主要循環水システムに戻すことができる。内側パネルと外側パネル両者からの空気流９４、９６は、ファン入口付近で合わせられる。
【００７２】
更に、向流式冷却塔に関する図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂに示すようなドア７４、７６が直交流式冷却塔構成に直ちに組み込み可能であることは理解すべきである。更に、向流式冷却塔に関して、図１０、図１１、図１２に示すような熱交換器パック１０の傾斜付けと熱交換器パック１０の段付けは、直交流式冷却塔においても直ちに組み込み可能である。
【００７３】
水の浄化システムあるいは脱塩システムとしてのシステムの動作時に、周囲温度は凝縮プロセスからの浄水の所望の出力を与えるほど十分に低温でないことがあり得る。熱交換器１０からの浄水の出力を高めるために、熱交換器１０の低温側に入る温度を下げる二次システムが必要とされることもある。図１４に示すように熱交換器１０の低温側入口の前面に、もう一つのバンク（土手）として冷却塔熱伝達媒体９８を配置することもできる。この冷却塔媒体９８は、流入する空気を冷やすために冷水を噴霧させる。冷水の可能な供給源は、海洋水源又はその他の周囲の乾球より低温の水の大きな塊であり得る。もし湿球温度が低ければ、冷水の供給源は、必ずしも周囲の乾球よりも極端に低い必要はない。そして、空気は冷却塔媒体に入り、空気温度は熱交換器の低温側に入る前に下げられるようになる。
【００７４】
図１５に示す代替の実施形態では、薄い合成樹脂シート・パック１０の代わりに管形の熱交換器１００を使用する。この管形熱交換器は、薄い合成樹脂シート・パックと同じタイプの熱力学的特性を与え得る。管形熱交換器の管１０２は、前述の熱交換器のような薄い合成材料またはおそらくは亜鉛メッキのストーブ煙突といった耐食性金属で製造することが可能である。これらの管１０２は、パイプ内に流入する低温の周囲空気１０６がパイプ１０８の上を流れる温かい湿り空気から分離されるように、孔を有するシート１０４に取り付けられている。好適な実施形態では、管１０２は直径が６インチである。このタイプの熱交換器１００を使用する冷却塔構成は、前述したものと同様である。
【００７５】
図１６の向流式冷却塔システムの代替の実施形態と、図１７の直交流式冷却塔システムの代替の実施形態では、外部の周囲空気を、一つ以上のダクト１１０を通してプレナム領域に配置された熱交換器パック１０にダクト搬送できる。これらのパックは典型的には、千鳥状の斜めパターン（staggered diagonal pattern）で配置されるであろう。このパターンでは、これらのパックは互いに直接は重ならず、それによってシステムの全圧力低下を減らしている。この実施形態は、各熱交換器セクションに低温の周囲空気を供給し、それによって各熱交換器セクションでの熱伝達を最大にすることによって、必要とされる熱交換器１０の総量を減らしている。この構成では、この構造が二つの空気流を混ぜ合わせる、より良好な混合を与えている。これは、水煙軽減の手助けとなる。
【００７６】
二つの異なるガス流の間で熱を伝達するガス対ガス式熱交換器は、工業プロセスおよび発電プロセスで一般的に使用されている。ガス対ガス式熱交換器の一つのタイプは、プレート・フィン式熱交換器と呼ばれる。これらの熱交換器は、通常、金属で作られ、一連の波形シートによって分離された平らなシートからなる。波形シートは、熱交換器に構造的支持を与え、また境界層における流れの構造を変えることによって熱伝達を増加させ、分離プレート（フィン）に高い熱伝導率を与えるために役立つ。分割シートとしても知られる分離シートは、二つの空気流を分離し、二つのガス流間で熱を熱伝導率によって伝達する。１９９４年のCRC Press,Inc.からのHewitt, Shires, Bottとによる「Process Heat Transfer（プロセス熱の伝達）」を参照のこと。
【００７７】
本発明の熱交換器の利点は、その軽量化にある。図１６に示す好適な実施形態では、６’ベイを有する冷却塔の動作重量は約１１００ｌｂｓである。Kinney‘０９４特許の冷却塔といった同等に働くプラスチック熱交換器の動作重量は、約２２００ｌｂｓである。更に、‘０９４の発明は装置外部の柱に重量を集中させているが、図１６の熱交換器の重量は３本のベイに分散されている。これは、個々の柱に掛かる荷重量を減少させるようになる。より小さな重量あるいは質量は、耐震設計のためにも望ましいことである。
【００７８】
本発明は、従来の水煙軽減と水保全とに対する経済的利点を提供する。前述のように、空気対空気式熱交換器は、冷却塔の乾燥セクションに温水をパイプ搬送しなければならないといった費用を回避する。パイプ搬送の費用が避けられるだけでなく、乾燥セクションに水をポンプ搬送する追加的費用も避けられる。しかしながら、ファンは空気対空気式熱交換器を通して湿り空気を引っ張ることによる静圧の増加を受ける。本発明は、ヘッド（水頭）を最小にするサイフォン・ループを有する従来の２パス・コイルと比較してほぼ同量の動力、あるいは１パス・コイルまたは‘０９４のKinneyによる発明と比較してより少ない動力で足りる。後者の場合には全動力節約量は、２００，０００ｇｐｍ冷却塔の流れに対して、約９００馬力になるヘッドの約１５’に達し得る。０．０３ドル／ｋｗ−ｈｒとして、これは年間約１７５，０００ドルの節約になる。
【００７９】
動力節約よりも更に重要なのは、保守と必要な水質費用の節約である。コイルは典型的には、１"〜１．２５"直径の管を持っている。より大きな管は一般に、必要な熱伝達にとって十分ではない。水質は、管の汚れ（ファウリング）や詰り（プラッギング）を防止するために十分であることが要求される。海水または塩水の場合には従来のフィン付き管は特に上質の材料で作ることが要求される。これは、引例によってここに組み入れられている‘０９４のKinneyによって開示されたようなプラスチック熱交換器を使用することで避けることができる。しかしながら‘０９４のKinneyの熱交換器の水の通路は、コイルよりも限定的である。もし水質が十分でなければ、水質を改善し維持するために、濾過および／または化学処理を使用しなくてはならない。これは不経済になる可能性がある。本発明は、水質を改善・維持する費用を回避する。湿り空気流内の水分は、ほぼ純粋であって空気対空気式熱交換器を汚染しないであろう。本発明では水煙軽減あるいは水保全のために可能と思われていたより低い水質で使用できる。
【００８０】
また、一部の冷却塔アプリケーションでは通路を詰まらせる熱交換器通路より大きな破片を含んだ水を使用する可能性がある。一例は、水が河川その他の水塊から抽出され、凝縮器を通すことによって加熱され、その水塊に戻す前に冷却塔に送られる「一回通過式（once through）」発電所アプリケーションである。冷却塔の湿潤セクションは、本譲受人により発行された米国特許第４，７００，８９３号に開示されているような、撥ねかけフィルおよび大きなオリフィスの配水ノズルを持つことができる。この‘８９３号発明は、１．８７５"と２．５"直径のオリフィスで商品化されており、理論的には更に大きくすることが可能であろう。したがって、以前、水煙軽減のために可能と思われていたより大きな破片を含んだ水が使用できる。
【００８１】
冷却塔の湿潤セクションは、米国特許第４，７００，８９３号においてBuglerによって開示されたような、撥ねかけフィルと大きなオリフィスの配水ノズルを持つことができる。その開示内容は引例によってここに組み入れられている。このようにして付着物のメンテナンスと水質改善の費用は避けられる。これは、大きな発電所の冷却塔において、年間１，０００，０００ドル以上の経済効果を持つことができる。
【００８２】
最後に、本発明の初期資本費用は、従来技術のそれより少ない。水煙軽減塔の費用は典型的には、従来の湿式だけの塔の２〜３倍の費用である。大きな発電所の設備に関しては水煙軽減塔の費用は、６，０００，０００ドル以上かかる可能性がある。本発明の節約は、従来のコイル式の技術に対して１，０００，０００ドル以上になり得る。
【００８３】
脱塩に関しては、水１０００ガロン当たりのコストは、多段式フラッシュ脱塩の４ドル、逆浸透の３ドルと比較して約１．５０ドルである。本発明は、飲料水を生産するために二次処理を必要とする。これは、約０．５０ドル／１０００ガロンを加算する。日量５００万ガロンを生産する工場に関して、このプロセスは１日当たり５，０００ドル〜７，５００ドル、あるいは年間約２，０００，０００ドルの節約が可能である。
【００８４】
本発明は、脱塩用に設計された塔の副産物として費用をかけずに水煙軽減を提供する。代替として水煙軽減を必要とする冷却塔アプリケーションに関しては、本発明の使用により脱塩は、収集のごく僅かな費用で副産物となり得る。本発明の多くの特徴と利点は、この詳細な明細書から明らかであり、またこのようにして、付属の請求項は本発明の真の精神と範囲とに入る本発明のこのような特徴と利点とをすべてカバーすることを意図している。更に本技術に精通する人々には多くの修正と変形とが直ちに思い浮かぶと思われるので、図示・説明された正確な構造と動作とに本発明を限定することは望ましくなく、したがって、適当な修正および同等手段はすべて本発明の範囲内に入る可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の好適な実施形態の熱交換器の一部分の斜視図。
【図２】細部を示すために拡大された図１の熱交換器の一部分の斜視図。
【図３】熱交換器に関する温湿度図表のグラフ。
【図４】水煙軽減プロセスに関する温湿度図表のグラフ。
【図５】水分凝縮式熱交換器による水煙軽減プロセスに関する温湿度図表のグラフ。
【図６】本発明の好適な実施形態による冷却塔のブロック図。
【図７Ａ】本発明の他の好適な実施形態による冷却塔のブロック図。
【図７Ｂ】本発明の他の好適な実施形態による冷却塔のブロック図。
【図８Ａ】本発明の他の好適な実施形態による冷却塔のブロック図。
【図８Ｂ】本発明の他の好適な実施形態による冷却塔のブロック図。
【図９】本発明の他の好適な実施形態による冷却塔のブロック図。
【図１０】本発明の他の好適な実施形態による冷却塔のブロック図。
【図１１】本発明の他の好適な実施形態による冷却塔のブロック図。
【図１２】本発明の他の好適な実施形態による冷却塔のブロック図。
【図１３】本発明の他の好適な実施形態による冷却塔のブロック図。
【図１４】本発明の他の好適な実施形態による冷却塔のブロック図。
【図１５】本発明の好適な実施形態による管形熱交換器のブロック図。
【図１６】本発明の他の好適な実施形態による冷却塔のブロック図。
【図１７】本発明の他の好適な実施形態による冷却塔のブロック図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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