冷却塔の濃縮倍数の決定方法と補給水量の求め方を徹底解説

冷却塔(クーリングタワー)の水質を管理する方法に「濃縮倍数」を利用する方法があります。
しかし、濃縮倍数と聞いてもピンとこない方もいるのではないでしょうか。
もし、そうであっても難しいことはありませんので安心して先に進んでください。

水を補給するのは「蒸発による損失」と「キャリーオーバによる損失」を補うとともに水の濃縮を防ぐためですが、
特に濃縮防止は藻やスケールの発生を抑え、冷却塔の寿命を伸ばす効果が期待できます。

結果的に、冷却塔にかかる費用を抑えられる可能性が高まるため、計算方法を把握して定期的にチェックすることをおすすめします。

本記事では濃縮倍数の必要性と水の濃縮による被害を紹介した後、冷却塔の濃縮倍数を利用した補給水量の求め方を紹介します。

冷却塔(クーリングタワー)の濃縮倍数とは

冷却塔(クーリングタワー)を管理するうえで、水に含まれる不純物には、以下のものがあります。

  • カルシウム
  • マグネシウム
  • シリカ
  • 塩化物

主に水に含まれるミネラルと呼ばれているものが多く、一般的な冷却塔の循環水や補給水にはミネラルが豊富に含まれています。
しかし、循環水(冷却水)は蒸発を繰り返すことでミネラルが蓄積され、水の濃縮を引き起こす可能性があります。

濃縮倍率とは、水の濃縮をどの程度で管理するかの目安であり、冷却塔の動作を正常に保つために必要な管理指標です。
結果的に補給するべき水量を把握できます。

濃縮倍率の決定方法をお伝えする前に、水の濃縮により引き起こされる可能性がある被害をまとめておきます。

水の濃縮による被害

水に含まれる不純物の濃度が高くなれば、その主な成分であるカルシウムやマグネシウムなどがスケールとして析出します。

また、カルシウムやマグネシウムなどのミネラルは藻を発生させやすくする原因となります。
大量に藻やスケールなどが発生してしまうと、冷却塔の機能を著しく低下させます。

その結果、冷却塔が停止した場合、業者に依頼するなど修復作業を行う必要があります。
結果的に大きな費用が必要になる場合があり、企業にはダメージを与えます。

冷却塔のメンテナンスなら空研工業

冷却塔(クーリングタワー)の濃縮倍数を決定する目的

濃縮倍数は本来、ブローダウン量を計算するために必要な指標です。
ブローダウンとは濃縮した循環水を定期的に捨て、きれいな水を補給することです。
きれいな水を補給すると述べましたが、実は補給水として使用する水道水にも残念ながら不純物が含まれています。カルシウムもマグネシウムも含まれています。

「ブローダウン量」を決めるのが目的と言いましたが、簡単に言えばこの補給水の何倍までに循環水(冷却水)の不純物の濃度を管理するかという数値です。
空調用に使用される冷却塔(クーリングタワー)では濃縮倍数NはN=3とする場合が多いです。詳しくは次に示しています。

冷却塔(クーリングタワー)の濃縮倍数の計算式

冷却塔(クーリングタワー)の濃縮倍数は、水処理メーカーが基準値としてオーナーサイドに提示することが多いでしょう。
例えば、循環水の水質基準値より協議された結果、以下のような倍数が示されたとします。
この倍数は補給水に含まれる各成分の含有量に対しどこまで濃くできるかという許容値です。

  • カルシウム5倍
  • シリカ8倍
  • 鉄分3倍

当然ですが、濃縮倍数の決定には最も条件が悪いところを採用します。
上記の例の場合、鉄分が一番倍数が小さいので最も条件が悪くなり、濃縮倍数3倍と決定します。

仮に、以下のような可能性もあります。

  • カルシウム2倍
  • シリカ5倍
  • 鉄分4倍

この場合は、カルシウムの条件が悪いため濃縮倍数2倍と決定します。

繰り返しになりますが濃縮倍数の決定は、ブローダウン量を決定するために必要です。
補給水はブローダウン量だけではなく、蒸発量や飛散量を含んだものとなります。
次の項で説明します。

蒸発量(WE)を計算する方法

冷却塔では循環水の一部が蒸発して残りの水を冷やしています。
その蒸発量を計算する方法です。
蒸発量は次の式から計算できます。

WE=(Tw1-Tw2) x L x Cp ÷ 2,520
Tw1 : 入口水温(℃) Tw2 : 出口水温(℃) L : 循環水量(kg/h) Cp : 水の定圧比熱( 1kgの水の温度を1℃上げるために必要な熱量) 2,520 : 水の蒸発潜熱(kJ/kg)

一般空調用の入口水温(Tw1)と出口水温(Tw2)の差は5℃ですから、各項に数値を代入して計算すると蒸発量は循環水量(L)の0.83%となります。

循環水量や水の出口と入り口温度の差は、冷却塔により異なるため、わからない場合はメーカーに問い合わせするようにしましょう。

飛散量(WD)を計算する方法

冷却塔では、循環水を冷却するために水と空気を強制的に接触させています。

冷却塔の上部に送風機を設置し、ルーバーより吸引して熱交換をした空気は送風機より吐き出されます。
その際、水滴が外部に放出されます。また、ルーバー面からもわずかですが飛散することがあります。

外部に放出される水滴を飛散量と呼ばれ、数値を求めることができます。
飛散量は、冷却塔の構造や通貨風速により異なりますが、一般的に0.05%程度と言われています。

循環水量に対して何%が外部に放出されているか、割合を示しています。

濃縮倍数(N)を利用してブローダウン量(WB)を計算する方法

ブローダウン量とは水の濃縮を緩和するため、排水してその分だけ、きれいな水を補給する水の量のことです。
濃縮倍数を決定した後、ブローダウン量を求める計算式は以下のようになります。

ブローダウン量(WB)={蒸発量(WE)÷(濃縮倍数=N-1)}-飛散量(WD)
WB={WE ÷(N-1)}ー WD

それぞれに数値を代入してみます。WB={0.83÷(3-1)-0.05 =0.365(%)となります。
この式により、ブローダウン量が決定できます。
ここまで述べた「蒸発量(WE)」「飛散量(WD)」「ブローダウン量(WB)」を用いると、補給するべき水量が計算できます。

補給水量=蒸発量(WE)+飛散量(WD)+ブローダウン量(WB)

=0.83+0.05+0.365=1.245(%)となります。
循環水量(L)が100m³/hだと仮定しますと補給水量(⊿L)は次のようになります。
補給水量(⊿L)=100(m³/h) x 1.245/100 =1.245(m³/h)となります。
一日8時間運転とすると、約10m³となり、一人住まいの1か月間の水道使用量とほぼ同じになります。(東京都水道局記事によりますと、8.2m³/月とのことです)

まとめ

冷却塔(クーリングタワー)の濃縮倍数を用いて計算するのは、ブローダウン量を把握するためです。
水の濃縮により引き起こされる多くの問題は、水を濃縮させないことができれば解決できます。

ブローダウン量を把握し、最終的にどれだけの新しい水を補給するかを決定するのが濃縮倍数です。

濃縮倍数の決定には、水に含まれるミネラルを把握する必要があります。
そのため、測定器などを用意していただき、定期的にミネラル濃度を測定する必要がありますが、ここは水処理メーカーか冷却塔メーカーにご相談ください。

このように管理することは結果的に、冷却塔の寿命を伸ばせる効果が期待できるため、コストダウンにつながる可能性が高くなるでしょう。

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