冷却塔の外気湿球温度とは?その仕組みや役割を詳しく解説

「外気湿球温度」はご存知でしょうか?

「冷却塔(クーリングタワー)の外気湿球温度」を日常生活で使用することはありませんが、冷却塔(クーリングタワー)に不具合があったときなどに意識するようになります。

本記事では、「外気湿球温度」をわかりやすく解説します。

冷却塔(クーリングタワー)とは

「冷却塔(クーリングタワー)の外気湿球温度」を説明する前に、そもそも「冷却塔(クーリングタワー)」とは何かを簡単に説明しておきましょう。

「冷却塔(クーリングタワー)」とは、空調設備・冷暖房設備に使用されている「冷却水」を冷やすための装置です。
「冷却水」とは、例えば冷房などを使用した場合、冷凍機の凝縮工程での熱を奪う役割の水のことです。

水が冷たいうちは正常に機能しますが、長時間の空調設備使用などにより、水自体が温まりすぎる場合があります。
このとき、冷却塔(クーリングタワー)が関与して冷却水を冷やす役割を果たしています。

空調設備などがある建屋、ビルには、冷却塔(クーリングタワー)が設置されています。
また、工場などでも冷却塔(クーリングタワー)が設置され、冷凍機の正常な運転を支えています。

冷却塔(クーリングタワー)の「冷却水の冷やし方」とは?

冷却塔(クーリングタワー)内での「冷却水の冷やし方」には「乾球温度」と「湿球温度」が深く関わっています。

「乾球温度」とは、一般的に「気温」などと呼んでいる温度のことで、一般的な温度計で測定できるものです。
外気に直接温度計が触れることで、現在の温度を測定できる仕組みになっています。

「湿球温度」とは、計測器の温度を感知する部分を水で湿らせた布などで覆い、温度を計測した数値です。
「湿球温度」は「乾球温度」を上回ることはなく、湿り空気の水蒸気量などが関与しています。

湿らせた布などで測った温度は、「冷却水用の温度」といえるため冷却塔(クーリングタワー)などに使用されています。
冷却塔(クーリングタワー)の性能を確認する場合や、正常に機能しているかを確かめるための指標として用いられる場合が多いでしょう。

一般的に、冷却塔(クーリングタワー)内での「冷却水の冷まし方」は以下の2種類です。

  1. 顕熱量変化による冷却法
  2. 潜熱量変化による冷却法

「外気湿球温度」を説明するため、2種類の冷却法を簡単にまとめます。

顕熱量変化による冷却法

「顕熱量変化による冷却法」は、冷却塔(クーリングタワー)内に取り込まれた空気と管内を流れる冷却水との間接的接触による冷却法です。
簡単に述べるなら、「水を空気で冷やす」と考えて良いでしょう。

一般家庭の空調設備などに用いられていたり、パソコンなどにも使用される冷却法です。
冷却水が空気と接する頻度が多くなれば、冷却できる速度を早められますが、外気が温かい場合は時間が必要になることもあります。

また、外気が低すぎる場合などは冷却水が凍結するなどの原因になるため、多くの企業では以下で述べる潜熱量変化による冷却法を採用することが多くなっています。

潜熱量変化による冷却法

「潜熱量変化による冷却法」は、冷却塔(クーリングタワー)内の冷却水を一部だけ蒸発させて冷却水そのものを冷やす方法です。

1%の水が蒸発することで、残りの99%の水の温度を約6℃下げることができます。水の気化熱は非常に大きく、驚くほどの力があります。

蒸発により冷却水の温度を下げる方法ですので、飽和水蒸気量に達した場合は蒸発できなくなります。そのため、「外気湿球温度」より冷却水の温度を下げることはできません。

冷却塔(クーリングタワー)の外気湿球温度とは?

上記のように、冷却塔(クーリングタワー)での冷却方法は2種類です。
そのうち「潜熱量変化による冷却法」で影響を受ける温度が「外気湿球温度」と言われ、冷却塔(クーリングタワー)の機能に大きく関与している温度です。

「顕熱量変化による冷却法」は、外気湿球温度ではなく、乾球温度が冷却塔の機能に大きく影響しています。

具体的に、「冷却塔(クーリングタワー)の外気湿球温度」がどのように使用されているかを見ていきましょう。

冷却塔(クーリングタワー)の外気湿球温度の役割

「潜熱量変化による冷却法」を採用している冷却塔(クーリングタワー)を効率よく稼働させるには、複数の条件が必要になります。主な条件は以下の通りです。

  • 外気湿球温度を制御システム設定値として使用している
  • 外気湿球温度を測定する機器が正確である
  • 外気湿球温度の測定器がメンテナンスされていること

「外気湿球温度」は、「冷却塔(クーリングタワー)」を稼働させるために設定する温度です。
冷却塔(クーリングタワー)内の状況を把握する上で重要になり、「外気湿球温度」より「冷却水自体の温度」が下がることはありません。

「外気湿球温度」を確認しておけば、冷却水の温度が把握できるため正確に測定するための工夫が必要になります。

以下では、冷却塔(クーリングタワー)を効率的に利用するために「外気湿球温度」が関係する条件を詳しく説明します。

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冷却塔(クーリングタワー)の外気湿球温度の仕組み

「外気湿球温度」を理解するためには「冷却塔(クーリングタワー)のアプローチ温度」も理解しておく必要があります。
「冷却塔(クーリングタワー)のアプローチ温度」とは何でしょうか。「外気湿球温度」と比較しながら説明します。

冷却塔(クーリングタワー)の「外気湿球温度」と「アプローチ温度」

そもそも冷却塔(クーリングタワー)で「冷却水を冷やす」ときには、「外気湿球温度とアプローチ温度」が関係しています。
「アプローチ温度」とは、「外気湿球温度と冷却塔(クーリングタワー)出口での冷却水温度の差」のことです。

ここまで述べたように、冷却水の温度は「外気湿球温度」を下回ることがありません。
そのため、「外気湿球温度」が低下すると「冷却水温度との差」が大きくなります。

例えば、「外気湿球温度」が10℃の場合、冷却塔(クーリングタワー)の負荷が100%になることがあります。
このとき、アプローチ温度が8℃を示し、実際の冷却塔(クーリングタワー)出口での冷却水温度は18℃となります。

冷却塔(クーリングタワー)の負荷とは、実際に冷却塔(クーリングタワー)が稼働することにより「どの程度の負荷がかかっているか」を示す数値ですが、冷却塔(クーリングタワー)負荷が100%では、かなりのエネルギーを使用していることになります。

そのため、通常は冷却塔(クーリングタワー)負荷は50%以下になるよう調整します。
この際、負荷を下げるために使用するのが「外気湿球温度」です。

「外気湿球温度」が冷却水の最低温度であるため、冷却水を何度にするかを調整します。
調整に成功すれば、冷却塔(クーリングタワー)の負荷を下げられるようになります。

実際に、冷却塔(クーリングタワー)に負荷をかけすぎると長期間の使用ができなくなったり、冷暖房の調整が効かなくなるなどの不具合に繋がります。

完全に故障してしまえば、しばらくは空調設備が使用できなくなり、多額の修理費が必要になる可能性があるため、できる限り負荷を減らして稼働するように心がけるのが良いでしょう。

冷却塔(クーリングタワー)を効率よく稼働させる外気湿球温度

「冷却塔(クーリングタワー)」を効率よく稼働させるには、3つの条件が必要と述べました。
それぞれについて詳しく説明します。

外気湿球温度を制御システム設定値として使用している

「外気湿球温度」は「冷却水の最低温度」とも言えます。
そのため、冷却水が必要以上に冷やされすぎることがありません。

前述の通り、外気による冷却であれば、温度差による凍結などの原因になります。
しかし、冷却水が「外気湿球温度」を下回らないことを踏まえて、冷却塔(クーリングタワー)が設定した温度で効率的に稼働しているのを確認できるようになります。

外気湿球温度の変化により、冷却水の出口水温がどのように変化するかを理解しておくことが重要です。

外気湿球温度を測定する機器が正確である

「外気湿球温度」を測定するには機器が必要です。
当然ながら、機器類が故障しているのでは正確な数値を測定するのは不可能です。

「外気湿球温度」が正確に測定できないことにより、「冷却水の温度管理」ができなくなります。
結果的に、必要以上に冷却しすぎたり、長時間冷却塔(クーリングタワー)が稼働する原因になります。必要以上のエネルギーを消費する原因になるため、冷却塔(クーリングタワー)の劣化が早まり、また過剰に働いているため電気消費量も多くなる可能性が高くなります。

冷却塔(クーリングタワー)を効果的に稼働させるには「外気湿球温度」が正確に測定できる状態を維持し続ける必要があります。

外気湿球温度の測定器がメンテナンスされている

ここまでの内容を踏まえると、「外気湿球温度」は冷却塔を効率的に稼働させるための重要な数値となるので、測定器を定期的にメンテナンスする必要性が出てきます。
「外気湿球温度」は「制御システム」の働きもしているため、正確な数値を測定し続けなければいけません。

そのため、機器類のメンテナンスは定期的に行う必要があります。
いつも正常に機能している状態が理想であるため、毎日の点検に加え月1回程度は全面的なメンテナンスを行うのが理想でしょう。

まとめ

「冷却塔(クーリングタワー)の「外気湿球温度」は冷却塔を効率的に稼働させるための重要な数値となります。

冷却水を冷やす方法には「顕熱量変化による冷却法」「潜熱量変化による冷却法」の2種類があり、「外気湿球温度」が関係するのは「潜熱量変化による冷却法」です。

「潜熱量変化による冷却法」は、水が蒸発するときに発する熱量を利用した冷却方法であり、「外気湿球温度」が冷却水の最低温度になります。

冷却塔(クーリングタワー)を効率よく稼働させるには「外気湿球温度」を正確に測定する必要があり、「制御システムとして使用」「測定が正確」「メンテナンス」が重要です。

毎日の点検に加え、定期的にメンテナンスすることで「外気湿球温度」を正確に測定しましょう。
それにより、冷却塔(クーリングタワー)への負荷が軽減できるようになり、長期的に冷却塔(クーリングタワー)を使い続けられるようになります。

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