冷却塔の熱交換器の役割とは?仕組みや構造などを解説

温められた冷却水を冷やす役割の冷却塔(クーリングタワー)では、冷やす方法として直接空気に触れさせたり、散布水をかけたりして温度を下げていきます。

そこで今回のキーポイントである熱交換器の登場ですが、どのような役割をし、構造はどのようなものなのかなど、外からは見えないためよくわからないことも多いでしょう。

ここでは、冷却塔(クーリングタワー)での熱交換器の役割、仕組みや構造などを詳しく解説していきます。

熱交換器とは

熱交換器とは、簡単にいえば高温の流体を低温の流体へと熱移動させる機器です。
熱自体、高いところから低いところへ移動する性質がありますが、その性質を生かし効率的に行うには熱交換器が必須になります。

熱交換器はさまざまな場面で活躍しています。
工業製品を製造する工場や産業用ボイラー、蒸発発生器と見えない部分で活躍する一方、普段の生活にも隠れているのです。
例を挙げれば、エアコン、冷蔵庫、給湯器の家電製品、車やオートバイのラジエーター。
ほかにも、水族館や温泉、温水プールも熱交換器を利用し、快適な空間になっているのです。

意外と熱エネルギーを利用して、流体の温度をコントロールしていることが分かります。
普段の生活に熱交換器は密接しているのです。

冷却塔(クーリングタワー)での熱交換器の役割

冷却塔(クーリングタワー)での役割は、温められた冷却水を冷やすこと。
冷却水は熱交換器を通って温度が下がるようになっているため、冷却塔(クーリングタワー)の中で要の部分です。

人間でいえば、心臓部分に値するほどの重要な部品になります。
この部分がうまく機能しなければ、意味がないと言ってもいいほどです。

開放式・密閉式ともに熱交換器はあります。
効率よく冷却水を冷ますには、熱交換器なしでは難しいということになります。

冷却塔(クーリングタワー)で行われる熱交換器の仕組み

冷却塔(クーリングタワー)内で効率よく冷却水を冷やしてくれる熱交換器ですが、どのような仕組みで熱交換させるのでしょうか。
開放式と密閉式でその仕組みは異なるので、それぞれの仕組みを解説していきます。

開放式冷却塔での熱交換器の仕組み

熱交換をする際、開放式は温められた冷却水を外の空気に直接触れさせ、温度を下げます。
直接外の空気に触れた冷却水は一部が蒸発し、残りの水から熱を奪うのですが、ここで熱交換器の出番に。
熱交換器により、冷却水全体の温度を下げる仕組みとなっているのです。

また、開放式では外の空気と冷却水を接触させる方法が2種類あります。
直交流型(クロスフロー方式)と向流型(カウンターフロー方式)。
直交流型(クロスフロー方式)は、冷却水に対し直角に外の空気を当てて接触させる方法、向流型(カウンターフロー方式)は、冷却水に対し下から外の空気を当てて接触させる方法になります。

いずれの方法でも確実に外の空気と冷却水が交わり、冷却効率がいいです。
これが開放式の最大の特徴といえるでしょう。
効率がいいため、冷却塔(クーリングタワー)もコンパクト化することができます。

ただし、熱交換器に汚れなどがつきやすいです。
そのため、頻繁なメンテナンスが必要になるのが開放式のデメリットになります。

密閉式冷却塔での熱交換器の仕組み

密閉式の場合、直接外の空気と触れることなく、冷却水を冷やさなければなりません。
冷却水はコイルと呼ばれる銅管の中を通っています。

しかし、密閉式も外の空気を利用し、開放式と同じように散布水を冷やします。
外側から外の空気と散布水を当て、効率よく冷却水との熱交換を手伝っているのです。
空気に直接触れて冷やす開放式と比較してしまえば、冷却効率は下がってしまいます。

密閉式では熱交換器にコイル(銅管)を使用し、熱が伝わりやすいようにしています。
開放式に比べると冷却効率は落ちますが、効率よく熱交換ができるよう工夫されているのです。

ちなみに密閉式では、直交流型(クロスフロー方式)が多く採用されています。

冷却水が汚れないため、冷凍機や塔内の部品に負荷をかけない点では非常に魅力的であり、メンテナンス費用も抑えられます。

しかし、冷却の面で見てしまえば、サイズが大きくなってしまうのが難点です。

開放式・密閉式ともに上部にファンが設置されています。
これは外の空気を、より確実に冷却水(散布水)へ当てさせ、多くの蒸発(熱)を得ることで冷却能力を高めているのです。

熱交換器の種類

熱交換器といってもさまざまな種類があります。
主な3パターンの熱交換器を解説しますので、ぜひ目を通してください。

シェル&チューブ方式とは、シェル(円筒)とチューブ(伝熱管)の間で流体を流し、熱交換をするタイプです。
別名、多管式といい、シェルの中にチューブが複数入っていることからそう呼ばれています。一般的にこの方式が広く使用され、古くからあるものです。

プレート方式とは、伝熱する部分に凸凹にプレスされた金属の板を重ね合わせて、熱交換をするタイプです。
高い伝熱力があり、金属の板ということもあり場所を取らないため、さまざまなところで使用されています。

フィンチューブ方式とは、チューブ(伝熱管)にフィンを取り付け、空気を当てて熱交換をするタイプです。
フィンをつけることで伝熱面積を増やせるため、効率よく熱交換をすることができ、シェル&チューブ方式よりコンパクトに。
ちなみにエアコンはこちらの方式で、室外機を使用し、熱交換を行っています。

冷却塔(クーリングタワー)の熱交換器の構造

それでは、冷却塔(クーリングタワー)の熱交換器の構造はどのようになっているのでしょうか。
開放式・密閉式の熱交換器は異なる部品で構成されているため、それぞれ解説していきます。

開放式冷却塔は、PVCシートの充填材で熱交換されています。
より多くの冷却水と空気が当たるように、接触面積の広いシートを採用し、熱交換器として活躍しているのです。
何重層とすることにより、均一に冷却水と空気が当たるようにしています。

密閉式冷却塔は、充てん材とコイルにより熱交換されています。
冷却水が外の空気に一切接触しない密閉式では、まず散布水が冷やされ、効率よくコイル内の冷却水と熱交換をしています。

まとめ

今回は、冷却塔(クーリングタワー)の熱交換器について解説しました。
塔内にあるため、役割や仕組みなどあまり知られていないことが多いですが、効率よく冷却水を冷やすには熱交換器はなくてはなりません。

しかし、熱交換器がキレイでなければ機能は低下してしまいます。
汚れなどがついていれば、健康被害も発生してしまう可能性も出てくるでしょう。
日ごろの点検はもちろん、メンテナンスをしっかり行い、冷却塔(クーリングタワー)やほかの機器に負荷がかからないようにしてください。

冷却塔の熱交換器のメンテナンスなら空研工業

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