閉回路冷却塔の選択-

閉回路冷却塔の一般的な「3」の故障-

落とし穴 1: コイル材料の選択を誤ると、閉回路冷却塔コイルの錆の侵入と水漏れが発生します。-

落とし穴 2: 培地に不凍液を添加しなかった場合、冬季に装置を停止した後に培地が凍結し、コイルが破裂します。

落とし穴 3: 散布水量の計算を誤ると、電力消費コストが大幅に増加します。

閉回路冷却塔の基本原理-

閉回路冷却塔は、間接的な熱交換を通じて冷却を実現します。{0}循環媒体 (水やエチレングリコール溶液など) は閉じたコイル内を流れ、スプレーの水の蒸発と空気の対流によって熱が奪われます。閉回路冷却塔の基本原理は、熱交換、水蒸発冷却、空気流という 3 つの主要なプロセスに基づいています。-

熱交換プロセス

1.1 熱媒体

閉回路冷却塔では、通常、熱伝達媒体として水が使用されます。-冷却対象の機器やシステム（産業用機器、空調システムのコンデンサーなど）からの熱は、まず循環水に伝達されます。

循環水は外部環境と直接触れず、密閉系で流れるため、不純物の混入を防ぎ、水質の安定を確保します。

1.2 熱交換器の役割

熱交換器の主な機能は、機器から循環水に熱を効率的に伝達することです。

機器から熱を持った循環水が熱交換器に入ると、高温側（循環水側）から低温側（冷却液側）へ熱が伝わります。閉回路冷却塔では、通常、冷却流体は空気ですが、開放冷却塔とは異なり、空気は循環水に直接接触しません。

水蒸発冷却プロセス

2.1 冷却コイルとスプレーシステム

閉回路冷却塔の冷却コイルは通常、金属でできており、らせん状などの形状で冷却塔内に配置されます。{0}コイル内には循環水が流れ、コイル外の空気と熱交換を行います。

冷却塔にはスプレーシステムが装備されており、循環水の一部を微細な水滴としてスプレーします。これらの液滴はコイルの表面に水の膜を形成します。タワーのファンの作用により空気がコイルを通過すると、液滴が空気と接触します。

2.2 気化熱放散の原理

噴霧された液滴が空気と接触すると水が蒸発し、その蒸発過程でコイル内を循環する水の熱から大量の熱を吸収します。

水の蒸発に伴い、コイル内の循環水の温度は徐々に低下します。冷却された水は密閉系内を循環し、冷却対象の機器に戻り、再び機器から熱を吸収するというサイクルを繰り返し継続的に冷却を続けます。

エアフロープロセス

3.1 ファンの役割

ファンは主に冷却塔内の空気の流れを促進します。ファンは通常冷却塔の上部または側面に設置され、回転により負圧を発生させて外気を冷却塔内に引き込みます。

冷却塔に入った後、空気は冷却コイルとスプレーエリアを通過します。実際のニーズに応じてファンの回転速度と風量を調整し、空気と水の間の熱交換率を制御できます。

3.2 空気と水の間の熱交換方向

冷却塔では空気と水が向流熱交換を行います。空気は下から上に流れますが、水は上から下（コイル内）に流れます。この向流モードにより、空気と水の温度差を比較的安定に保つことができるため、熱交換効率が向上します。

閉回路冷却塔の構造構成-

コイル: 耐食性の素材（304 ステンレス鋼や銅管など）で作られており、冷却対象の媒体が内部を流れています。{0}

スプレーシステム：冷却水をコイル表面に均一にスプレーします。

ファン: 空気の流れを強制します (軸流または遠心ファン)。

水タンク：スプレー水を集めて循環させます。

フィラー: 水と空気の接触面積を増やします。

閉回路冷却塔の媒体とその物理的特性パラメータ

閉回路冷却塔の媒体: 閉回路冷却塔で使用される媒体は通常、水とエチレングリコールです。-南部では水が媒体として一般的に使用され、北部ではエチレングリコール媒体が使用されます。

水の物性パラメータ

パラメータ	値(20度)	値(40度)	工学的意義
密度(ρ)	998kg/m3	992kg/m3	ポンプ出力と流量計算に影響を与える
比熱容量（Cp）	4.18kJ/(kg・度)	4.18kJ/(kg・度)	熱負荷計算のコアパラメータ
熱伝導率（λ）	0.598W/(m・度)	0.630W/(m・度)	コイルの熱伝達効率に影響を与える
動粘度(μ)	1.002×10-3Pa・s	0.653×10-3Pa・s	流れ抵抗と圧力損失を決定します
凝固点	0度	-	冬用不凍液設計の鍵
沸点	100度	-	-

注: 水の物理的特性は温度によって大きく変化します。たとえば、粘度は 0 度で 1.787×10-3 Pa・s、60 度で 0.467×10-3 Pa・s です。熱伝導率は 100 度で 0.68 W/(m・度) に低下します。

エチレングリコール溶液（20度）の物性パラメータ

パラメータ	価値	純水と比べた変化	デザインへの影響
密度(ρ)	1070kg/m3	+7%	ポンプパワーを約8%増加する必要がある
比熱容量（Cp）	3.45kJ/(kg・度)	-17%	同じ熱負荷に対してより大きな流量が必要
熱伝導率（λ）	0.39W/(m・度)	-35%	熱伝達効率の低下
動粘度(μ)	3.5×10-3Pa・s	+450%	流動抵抗が大幅に増加

代表的なエチレングリコール濃度と凝固点の関係

エチレングリコール濃度	凝固点 (度)	沸点（度）	アプリケーションシナリオ
30%	-15	106	一般的な不凍液の要件
50%	-37	110	極寒の地域または低温の作業条件-
60%	-55	113	極度の低温環境-

注: エチレン グリコール濃度が高くなると凝固点は低くなりますが、粘度は急激に増加します（高ヘッド ポンプが必要です）。-エチレングリコール溶液は金属に対してわずかな腐食性があるため、腐食防止剤（ホウ酸塩など）を添加するか、ステンレス鋼または銅-合金コイルを使用する必要があります。凝固点要件によってエチレングリコール濃度が決まりますが、濃度が高いとポンプの消費電力が大幅に増加します。粘度-温度曲線を通じて濃度を最適化することをお勧めします。エチレングリコール溶液の熱伝達率は純水に比べて30%～40%低いため、コイル面積や風量を増やす必要があります。

閉回路冷却塔コイルの一般的なタイプ、材料、長所と短所-

(1) 銅管（赤色銅管）

利点:

優れた熱伝導率: 赤銅管は高い熱伝導率 (380 W/m・k) を持ち、熱交換効率が高く、中程度および高温の温度差シナリオに適しています。

強力な耐食性: 水、弱酸/アルカリ媒体からの腐食に自然に耐性があり、耐用年数が長い (通常 20 年以上)。

安定した機械的特性: 薄肉 (8-10mm) ですが強度が高く、成熟した溶接技術 (銀ベースの溶接棒) と優れたシール性能を備えています。

短所:

高コスト：銅は高価であり、初期投資がステンレス鋼管の約 1.5 倍かかります。

比較的重い: 同じ体積のステンレス鋼管よりも重いため、設置には追加の支持構造が必要です。

(2) ステンレス鋼管 (304/316L)

利点:

優れた耐食性：特に316Lステンレス鋼は強酸や塩水噴霧などの過酷な環境に耐え、耐用年数は15〜20年です。

高圧-耐力: 高圧の作業条件に耐えることができ、変形しにくいです。-

短所:

低い熱伝導率: 熱伝導率 (16 W/m・k) では、効率を補うためにコイル面積または空気量を増やす必要があります。

難しい加工: 溶接にはアルゴンアーク溶接技術が必要であり、高度な技術要件が必要であり、応力腐食割れが発生しやすいです。

(3) 炭素鋼管（亜鉛メッキ）

利点:

低コスト: 価格は銅管の 1/3 ～ 1/2 であり、予算が限られたプロジェクトに適しています。

加工が簡単：溶接や切断が容易で、素早い取り付けに適しています。

短所:

耐食性が低い：寿命を延ばすために亜鉛メッキが必要ですが、長期的には腐食が発生しやすくなります（耐用年数は約5〜8年）。

高いスケール率：粗い表面はスケールが発生しやすいため、頻繁な清掃が必要となり、熱交換効率が低下します。

(4) チタン合金チューブ

利点: 非常に強い耐食性 (特に塩化物イオンに対して)、軽量で、海水冷却および原子力産業に適しています。

短所：コストが非常に高い（ステンレスの約5倍）、加工が難しい。

(5) アルミニウム合金管

利点：軽量で熱伝導率が比較的良好（約200W/m・k）。

欠点: 機械的強度が低く、アルカリ媒体によって腐食されやすい。