冷却塔は制御して稼働させなければならない!清潔に使うために薬注装置も必須

冷却塔(クーリングタワー)を効率良く循環させて使うためには的確な制御が必要です。
しかし、一体どのような制御方法があるのか、制御をすることでどのような効果をもたらすのか詳しく知らない方も多いでしょう。

今回はその冷却塔(クーリングタワー)の制御について、どんなタイプの制御の仕方があるのか、またその仕組みや構造、そして役割などを詳しく説明していきます。
加えて、制御に必要な薬注装置によるメンテナンスについても紹介していきます。

冷却塔(クーリングタワー)の制御とは

冷却塔(クーリングタワー)は一般的に室外にある機器ですので、外の温度によって左右されます。

春や秋などの比較的過ごしやすい季節は冷却水の温度も問題ない温度に保たれていますが、真冬になるとマイナスの気温になる場合もあり、冷却水が凍結してしまうことさえ珍しくありません。

これは循環水入口温度と外気湿球温度の差が冬季には大きく広がってしまうのが原因です。

加えて、冷却塔(クーリングタワー)の仕様によっては冬季に利用したことが原因で故障してしまうことさえあります。
そういったトラブルを避けるためにも設計条件と大きく異なった季節に備えてしっかりと対策を採り、冷却塔(クーリングタワー)を適切に制御していくことが必要です。

特に対策を採らずに使用すると以上で紹介したトラブルに加えて、過剰に冷却してしまったり、また外気温が氷点下を下まわると冷却塔(クーリングタワー)自体が凍結してしまったりすることさえあります。

冷却塔(クーリングタワー)を制御する方法はいくつかありますが、その一つとして挙げられるのがファンの発停制御です。
外気温に合わせてファンを停止させれば冷却水の蒸発が抑えられ、あわせて冷却能力も制限できます。

しかし、何回もファンモーターの発動・停止を繰り返すと、今度はそれが原因でモーターが故障しかねません。

そのため、水温がどこまでの温度まで来たらファンの運転を再開して、何度になったらこれ以上温度が低くならないよう停止するかをあらかじめ設定している場合がほとんどです。

冷却塔(クーリングタワー)を適切に稼働させられる温度で冷却水を保つことも不可能ではありませんが、それには多くの制御が必要であり、また厳密に温度が定められているわけでもないため、この方法が採られるケースは少なくなっています。

故障しない程度に、水温で頻繁に切り替えなくても良い温度で大まかに設定していることが多いです。

冷却塔(クーリングタワー)から出る白煙について

排出された水蒸気が結露し、まるで冷却塔(クーリングタワー)から白煙が上がっているように見えることがあります。

あまり目立たない程度に白煙が上がっているのであれば問題ないものの、ある程度大きい冷却塔(クーリングタワー)だと立ち上る白煙の量も多くなってしまい、周囲の方々を不安がらせてしまうことがあります。

特に湿度の高い雨の日や寒さが厳しい冬などはこの白煙がはっきりと見えてしまい、また夜間などに火災と間違えられたりというトラブルが発生しています。

また立ち上る場所によっては白煙が美観を損ねてしまうこともあります。
そういったトラブルを防ぐためにも熱交換後の空気の湿度を下げなくてはなりません。

トラブルが考えられる場合には、納入時に白煙を防止するタイプの冷却塔(クーリングタワー)を選ぶことが重要です。

白煙防止タイプの冷却塔の導入なら空研工業

そもそも冷却塔(クーリングタワー)とは

さまざまな機械や冷凍機を使うと、冷却水が温められます。
この温められた冷却水を再度元の温度に冷やして循環して使用できるようにするのが冷却塔(クーリングタワー)です。

冷却塔(クーリングタワー)は冷却効果が高く、また冷却を安価に行えるため、大規模な工場だけでなく、身近なところでは商業施設なども使われているのです。

たとえばビルの空調設備やターボ冷凍機、化学やセメントなどの工場設備などで使用されています。
デパートやビルの中に入って飲食店などに入ったときに夏は涼しく快適に過ごせるのは、冷熱源に加え、冷却水を冷やしてくれる冷却塔(クーリングタワー)があるおかげと言えるでしょう。

冷却塔(クーリングタワー)の中では冷却水というものが使用されていますが、これは外気の湿球温度に左右されてしまうため、夏でも冬でも一緒の温度ではありません。

そのため適切に制御し、特に冬は冷たくなりすぎないように工夫されています。

似ているようで違う冷水と冷却水

字面が似ており、さらにどちらも冷えた水であるため、冷却水と冷水は混同されやすいです。

しかし両者は明確に違いがあります。
冷水(12℃⇒7℃)は冷凍機で冷やされた水のことですが、冷却水(37℃⇒32℃)は冷却塔(クーリングタワー)によって冷却された水です。

冷却塔(クーリングタワー)制御の役割とは

すでに述べてきた通り、冷却塔(クーリングタワー)を適切に稼働させるには適切な制御が必要不可欠です。

また、地球温暖化が問題視されつつある現在、制御することなく稼働させるのは消費電力の無駄を招きエコロジーではありません。

一方、冬のように気温が低い季節にはそのまま運転すれば冷却水の温度も設計値以上に下がります。
しかし冷却水の温度を設計値以上に下げる必要がなければ前述の通り、ファンの発停を制御することで消費電力の削減につながります。

冷却塔(クーリングタワー)を制御できれば省エネ効果も期待できる

環境保護の意味もありますが、冷却塔(クーリングタワー)を的確に制御できれば省エネになり、結果として金銭的な無駄の削減にもつながります。

それでは、冷却塔(クーリングタワー)を制御する方法にはどういったものがあるのか、詳しく説明していきましょう。

冬なら冷却塔(クーリングタワー)を上手に活用すると省エネにもつなげられる

地球温暖化が問題視されるようになったのはここ30年のことです。
原因はさまざまありますが、その一つが温室効果ガスです。

無策のまま温室効果ガスの排出を続けていると地球温暖化はどんどんと進み、やがて人間だけでなくこの地球に生きるものすべてにとって生存が困難になってしまいます。

そのためにも冷却塔(クーリングタワー)のような大型の機械をいかに制御して無駄なエネルギーを省くかが重要です。

冷凍機を利用している場合、フリークーリングを行うと大幅な省エネを期待できます。
フリークーリングは外気温が低い時期に冷凍機を使用せず、冷却塔(クーリングタワー)で冷やした冷却水を冷水として冷却に活用するシステムです。

冷凍機を稼働させない分省エネに貢献できますが、冷却塔(クーリングタワー)の中でも冷却水が直接外気に触れてしまう開放タイプでデメリットが発生してしまうことがあります。

たとえば、車の排気ガスやその他チリや埃などが混ざっている外気を取り込んだ場合水の質も落ち、それによって腐食や閉塞などのトラブルを招いてしまうことがあります。

外気には不純物が多数含まれているため、とにかく触れさせないようにすることが重要です。
フリークーリングを利用して省エネを目指すのであれば、冷却塔(クーリングタワー)の密閉タイプを使用し、また腐食などで壊れないように冷却水の管理もしっかりと行いましょう。

インバーターは省エネにつながる機能の一つ

インバーターとは直流電流や交流電流を、周波数の異なる交流電流を発生させる装置のことです。
エアコンに使われていることでインバーターは有名ですが、使用例はこれだけに留まらず、現在では蛍光灯やエレベーターなどでも活用されています。

そして、このインバーターを活用した制御方法が冷却塔(クーリングタワー)では主流です。

たとえば外気温に合わせてファンの稼働を制御した場合、都度オンとオフを繰り返していると電力消費が多くなり効率が悪く、また温度の制御自体も安定しません。

しかしインバーターを使うことによってモーターの回転速度や加速度などを柔軟に制御できるようになります。

完全に止めたりフルパワーで動かしたりするのでなく細やかに調整すればその分消費電力の無駄も減ります。
しかし運転周波数によっては共振現象が起こってしまうことがあるので注意が必要です。

台数を制御しても省エネになる

大規模なビルや工場の場合、複数の冷却塔(クーリングタワー)を使用しているかもしれません。
気温や天候によってはそのすべてを稼働させる必要はなく、状況に応じて運転台数を減らせばその分消費電力を削減できます。

冷却塔(クーリングタワー)の台数が多い施設ほど、何台停止させて調整できるかの制御が細かく行え、非常に効率的です。
一般的に、この制御方法はほかの方法と組み合わせて行われます。

冷却塔(クーリングタワー)の仕組み

大きな熱を帯びたものをそのまま捨ててしまうのは効率も悪いですし、コストの面から見ても良くありません。

冷凍機や空調エアコンなどさまざまな機器で、熱を持ってしまった冷却水をまた冷やしてあげるほうが効率が良いです。
このような観点でも冷却塔(クーリングタワー)はさまざまな機器に使用されています。

以下は、冷却塔(クーリングタワー)の仕組みについて紹介していきます。

冷却塔(クーリングタワー)には種類がある

丸型や角型など、冷却塔(クーリングタワー)はさまざまなものがあります。
また、そこから外気と直接触れる開放式冷却塔(クーリングタワー)、あるいは外気と触れない密閉式冷却塔(クーリングタワー)などさらに分類することも可能です。

冷却塔(クーリングタワー)はシステム全体で制御をしなければならない

冷却水を外気と直接接触して冷やす開放式冷却塔(クーリングタワー)の場合も、直接接触しないで冷やす密閉式冷却塔(クーリングタワー)の場合もシステム全体で制御するように動かなくてはなりません。

まず、風量を調整し、状況によっては冷却水の循環水量も調整します。
それらを行うことによってアプローチ温度(取り込まれた外気湿球空気の温度と冷やされた冷却水の温度の差)やポンプの稼働量などを制御できます。

一部分だけを見るのでなく冷却塔(クーリングタワー)を俯瞰して捉え、すべてにおいて効率が良い状態で使用すればコストを抑えられ、また冷却塔(クーリングタワー)自体の寿命を延ばすことも可能です。

冷却塔(クーリングタワー)を制御する方法について

以下では冷却塔(クーリングタワー)を制御する方式をいくつか紹介していきます。
どのようなものがあるのか、ぜひ参考にしてください。

循環水のバイパスを制御する方法

循環水の入口と出口の間を貫通するバイパス回路がある場合、冷却塔(クーリングタワー)はそのときの状況に合わせて水量を調整することが可能です。

冷却塔(クーリングタワー)でしっかり冷やされる水と手が付けられていない水が出口部分で混合され、適温になった状態で機器へ入っていくという仕組みです。

その際、出口の水温を測り、それを元に混合具合を調整します。
本来流れる水が滞ってしまうと冬場は凍結してしまうおそれがあるため注意が必要です。
ファンの運転制御も同時に行い、凍結を防いでおく必要が出てきます。

ファンの運転でも冷却塔(クーリングタワー)の制御ができる

ファンは常に回し続けるのではなく、天候や気温を読んで都度操作して制御することが重要です。
出口で温度を測り、循環水が現在どのくらいの水温になっているかを把握しつつ、それに合わせて動作を制御します。

しかしスイッチのオンオフは機械への負荷が少なからずあり、何度も繰り返していると故障の原因になりかねません。

そのため精密にオンオフを切り替えるのでなく、モーターに負荷をかけない程度に操作する必要があります。

なお、インバーターを組み込んでいれば完全にオンまたはオフにするのでなく動作の程度を調整することが可能です。

さまざまなところで制御に使われているインバーター

上記で説明した通り、ファンモーターには大抵の場合インバーターが取り付けられており、それによって回転数を制御することができます。

厳密に言えば、インバーターはモーターの回転数でなく電圧や周波数を制御しているのです。
インバーターはその中に、交流電流を直流電流に変えるコンバーター回路、充電や放電を繰り返しつつ電流を安定化させるコンデンサ、直流電流を任意の周波数や電圧に変えて交流電流として出力するインバーター回路が組み込まれています。

ただオンオフを切り替えるよりも動作を制御しやすく、そして制御による効果も高く、さらに省エネにもつなげることも可能です。

しかしファンをインバーターで制御する際にはいくつか注意しなくてはなりません。
たとえば、インバーターを使用していると共振現象が起こってしまうことがあります。

これは冷却塔(クーリングタワー)の振動数とインバーターの周波数が一致したときに起こり、防ぐためにはその周波数をジャンプさせなくてはなりません。

冷却塔(クーリングタワー)の構造

簡潔に説明すると、冷却塔(クーリングタワー)は気化熱を使って冷却水を冷やしています。
気化熱とは液体が気体になる際に周囲から吸収する熱のことです。
気化熱を使ったものとしては打ち水が挙げられます。

道や庭先などに撒かれた水はやがて蒸発し、その際に地面の熱を奪っていくので、結果として地面の気温が下がり涼しくなるという仕組みです。

気化熱は面積によって吸収する熱量が変わるため、冷却塔(クーリングタワー)では外気との接触面が増えるよう工夫を凝らし、さらにファンを使って蒸発を促しています。

しかし日本は四季があり季節によって気温の変化が多く、またそうでなくても冷却塔(クーリングタワー)の構造は雨や晴れなどその日の天候にも左右されるため、安定して稼働させるには各種機能が不可欠です。

冷却水は蒸発して徐々に少なくなっていくため、水が少なくなったら自動的に補給させるシステムが重要になります。

しかし循環している間に冷却水の水質が悪化することがあるので注意が必要です。
特に気を付けなくてはならないのはレジオネラ菌で、肺炎や発熱などの症状があり、最悪の場合は死に至るレジオネラ症の原因になってしまいます。

冷却塔(クーリングタワー)が大いに稼働する夏は冷却水中のレジオネラ菌が水蒸気とともに外へ排出されやすく危険です。
レジオネラ菌による被害を出さないために定期的な点検と掃除が法令で定められているので、忘れずに行いましょう。

掃除の際は配管や冷却塔(クーリングタワー)内に発生したバイオフィルムを取り除くことが重要です。
バイオフィルムは微生物によるヌメリで、レジオネラ菌に限らずあらゆる細菌の温床になります。

冷却塔(クーリングタワー)の構造はいくつかある

冷却塔(クーリングタワー)の仕組みとして開放式と密閉式を紹介してきましたが、このほかに丸型冷却塔(クーリングタワー)と角型冷却塔(クーリングタワー)という分類方法もあります。

それぞれがどのような構造になっているのか、以下で詳しく紹介していきます。

丸型冷却塔(クーリングタワー)の構造とは

丸型と角型の違いは空気と水の流れる方向の違いです。

このうち丸型は上から落ちてくる水に対し空気が下から当たり、カウンターフロー方式や向流型などとも呼ばれています。
冷却能力が100冷却トン以下の冷却塔(クーリングタワー)で多く使われている構造で、開放式であるのが特徴です。

開放式なので外気と直接触れ合えますが、その分汚れが付きやすく、水質管理は厳密に行わなくてはなりません。

その手間を減らすべく、メッキ処理を施して錆や腐食などを防止し、さらに水の蒸発も抑えたタイプのものが現在では発売されています。

角型冷却塔(クーリングタワー)の構造とは

水と風が向かい合わせになる丸型に対し、上から落ちてくる冷却水に対し横から風を当てているのが角型冷却塔(クーリングタワー)です。

角型冷却塔(クーリングタワー)は複数の冷却塔(クーリングタワー)を連結させることができ、冷却能力が100冷却トンを超える大型設備で多く使われています。

角型冷却塔(クーリングタワー)はさらに開放式と密閉式を選べるのも特徴です。
丸型と同様に開放式は効率が良くコストも削減できますが、やはり水質は悪化しやすく注意しなくてはなりません。

一方で密閉式は外気に直接触れないため冷却水が汚れませんが、構造が複雑で開放式よりはハイコストです。
角型冷却塔(クーリングタワー)の場合は開放式と密閉式それぞれのメリットとデメリットを比較して選ぶと良いでしょう。

冷却塔(クーリングタワー)に利用されている材料

冷却塔(クーリングタワー)にはさまざまな材料や部品が使用されており、その一つひとつが重要な役割を果たしています。

充填材として使用されているのは、薄いプラスチック素材の波板を重ねて一体化させたものです。
この充填材へ冷却水を散布し、循環させています。

その際に外部へ蒸発・飛散しないよう動いているのがエリミネータです。

また、効率良く冷却水が作れるように、冷却用のファンが動いて外気を吸い込み冷却水に風を当てています。

これらのほかにも冷却ファンを繋ぐVベルトの駆動ベルト、ファンを回転させる電動機、冷却水が溜まる部分になる下部水槽などが組み合わさり冷却塔(クーリングタワー)が成り立っています。

冷却塔(クーリングタワー)の薬注装置について

冷却塔(クーリングタワー)はそのまま使用していると、特に開放式の場合は外気から汚れが入ってきて汚くなってしまいます。

そのまま汚れた状態で使用していると衛生面としても良くないため、しっかりときれいにした状態で使用しなければなりません。

また場合によっては冷却塔(クーリングタワー)内で藻が繁殖し、それによって部品が腐食してしまうこともあります。
修理には高額な費用がかかってしまうので、壊れる前に汚れへ対処するのが基本です。

そこで活躍するのが薬注装置で、これを使えば冷却水をきれいに保ったまま使用できます。
薬注装置だけでなく冷却水管理装置などさまざまな呼び方がありますが、どれも機能は同じです。

その名の通り、薬注装置は冷却塔(クーリングタワー)内に薬品を注入する装置です。
薬注装置には冷却水処理薬剤を入れたタンクとそれを注入するポンプが取り付けられており、冷却水の水質が
低下するとまず新しい水へ交換し、その後に薬剤を注入します。

ここからは薬注装置の中にある諸機能について詳しく紹介していきます。

自動ブロー装置

元来水は電気伝導度が低く電気を通さないのですが、含まれている不純物によって通電します。
どれほど通電するかは不純物の量によるため、電気の通りやすさで水の汚れ具合を把握することが可能です。
この仕組みを活用したのが薬注装置内の自動ブロー装置です。

まず電気の通り方の上限値を設定し、それをオーバーすると自動ブロー装置が作動、電動バルブを開かせて汚れた水を排出、新しい水を注入します。
あらかじめ設定した下限値に達すると電動バルブを閉じるため、必要以上に汚水を捨ててしまうこともありません。

人間が何回も冷却塔(クーリングタワー)の様子を見るよりも手間がかからず、簡単に水の交換ができるので非常に有用な装置です。

薬注ポンプ

冷却水のきれいさを保つために薬を注入する装置が薬注ポンプです。
注入する薬は濃すぎても薄すぎても悪く、一定でなくてはなりません。

そのため、薬注ポンプはまず冷却塔(クーリングタワー)内の水量を測定し、それに合わせて注入量を調整します。

なお、一定の時間ごとに作動するタイマー方式の薬注ポンプもありますが、タイマーに合わせてしか動かないため、薬剤が注入されたときは濃度が高く、そこから徐々に水が加わり薄くなってしまいます。

さらに季節ごとにタイマーの設定変更なども必要になり、少しばかり面倒です。

一方で水量に合わせて調整してくれる流量比例注入方式は水が入った分だけ薬剤が入れられるので、濃度を一定に保つことが可能です。
どちらの方式か定まっていないのであれば流量比例注入方式をおすすめします。

パルス発信式流量計

流量比例注入方式の薬注ポンプを使用する際に必須なのが、補給される水の量を計測するパルス発信式流量計です。
新しい水の量がどれくらいかを測定し、それをパスル信号にして薬注ポンプへと発信します。

電動ブローバルブ

電動バルブは自動で薬注装置を使うために使用するもので、自動ブロー装置から信号が来ると反応して開けたり閉めたりします。

開閉方法にはさまざまなものがありますが、そのうち電磁弁は弁を閉じる際にウォーターハンマーが発生することがあるので注意が必要です。

ウォーターハンマーとは水撃作用とも呼ばれ、水の慣性で管内に高い圧力が急激にかかる現象です。
その際、管を叩いたような大きな音が鳴るので「ウォーターハンマー」と呼ばれています。

薬液タンク

その名の通り薬液タンクは薬液を送るための溜めておくタンクです。

小さすぎると薬剤を頻繁に補充しなくてはならず、しかし大きすぎると今度は過剰設備になるので、冷却塔(クーリングタワー)や月々の薬剤使用量に合わせたサイズのものを使う必要があります。

長く正常に冷却塔(クーリングタワー)を使用するには掃除も大切

冷却塔(クーリングタワー)は決して安価なものではなく、使えなくなったとしても簡単には買い換えられません。
だからこそ一つのものを少しでも長く使うべく、定期的に掃除を行うことが求められます。
薬注タンクを使用しているからと油断せず、人間の目でも確認しましょう。

すでに述べた通り、常に水が入っている冷却塔(クーリングタワー)はレジオネラ菌の温床になりやすいです。
レジオネラ菌は自然の土壌や沼などにいる菌で、人肌よりも少し高めの水温を好み、その条件が揃うと繁殖していきます。

気温が低い真冬はそこまで繁殖しませんが、日本の夏は水温がちょうどこの条件に当てはまってしまうため、レジオネラ菌が一気に繁殖してしまう危険性が高いです。
設置はじめは緊張感を持って衛生管理を行えますが、しばらく経ち気が緩んできたころにレジオネラ菌が知らぬ間に繁殖してしまったというケースは珍しくありません。

レジオネラ症は軽傷のポンティアック熱と重傷のレジオネラ肺炎に分けることが可能です。

ポンティアック熱は突然の発熱や悪寒、そして筋肉痛をもたらしますが、あくまで一過性のものでありしばらく経てば治癒します。

一方でレジオネラ肺炎は全身の倦怠感や頭痛などにはじまり、38℃以上の高熱や呼吸困難、そして重度になると意識レベルの低下や幻覚あるいは手足の震えなどを引き起こします。

1976年にアメリカ合衆国ペンシルベニア州のフィラデルフィアで在郷軍人集会が催された際、参加者と周辺住人の合わせて200人以上がレジオネラ肺炎にかかり、治療むなしく34人が死亡しました。

感染者から他者への感染はないものの、レジオネラ菌はそれが繁殖した水によるしぶきや霧(エアロゾル)を吸入することで体内に入ってしまいます。

内部の水を蒸発させる冷却塔(クーリングタワー)はこのエアロゾルを拡散させやすいので、重々注意して衛生管理を行い、しっかりと薬注装置を利用しましょう。

まとめ

冷却塔(クーリングタワー)の中の冷却水を適温のまま年中使い続けるためには、さまざまな方法によって制御を行う必要があります。

また、冷却塔(クーリングタワー)には直接外気と触れる開放式冷却塔(クーリングタワー)と外気とは触れなくても良い密閉式冷却塔(クーリングタワー)、そして冷却水と風を上下から当てる丸型と垂直に当てる角型などさまざまな種類があります。

各々によってメリットとデメリットが異なるので、用途や使用条件などを見極めて選びましょう。
加えて、冷却水を清潔に使うためには薬注装置も一緒に使い、定期的に掃除することも重要です。

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