大高 誠* Makoto OTAKA
姚 金海* Yaojinhai
*
荏原冷熱システム（中国）有限公司
内モンゴル伊泰石油化工有限公司に大型工業用冷却塔を納入した。本製品は，冷却塔内部に空冷熱交換器を組み込むことによって節水機能と白煙防止機能を実現した。大型の工業用水循環設備で広く利用されている冷却塔の循環水量は膨大な量であり，蒸発量も大量である。本冷却塔は，節水機能を備え，水資源の乏しい地域の節水に大きく貢献するものである。また，冷却塔から発生する白煙は公害をイメージさせるため，白煙防止機能も組み込まれている。ここでは，本冷却塔を紹介するとともに，節水機能と白煙防止機能の動作原理について説明する。
EBARA constructed a large-size industrial cooling tower for Inner Mongolia Yitai Petrochemical Co., Ltd. This cooling tower, which contains an air-cooled heat exchanger, has achieved a water conservation function and a white-plume preventive function. The volume of circulating water in cooling towers widely used for large-size industrial water circulation equipment is huge, and so is the evaporation amount. This cooling tower is equipped with a water conservation function, which enables it to contribute greatly to water conservation in regions poor in water resources. It also incorporates a white-plume preventive function because white plumes from cooling towers are associated with pollution. This paper introduces the large-size industrial cooling tower and explains the water conservation function and the principles of operation of the white-plume preventive function.
Keywords: Industrial cooling tower, White-plume preventive, Water conservation type, Cooling tower, Evaporation amount
今回冷却塔を納入した中国内陸部の西部地域では，人口増加や産業の拡大によって深刻な水不足に直面しており，工業用水の価格は上昇を続けている。冷却塔は，石油化学工業，石炭化学工業や電力施設等の大型の工業用水循環設備で広く利用されており，冷却塔からの循環水蒸発量が大量となるため，蒸発量の削減が求められている。
当冷却塔では冷却塔内に空冷熱交換器を組み込む事により，顕熱による冷却を有効的に行い潜熱による冷却を低減することで蒸発量を削減するものである。
また，冷却塔から吐出される出口空気は，冷却塔内で熱交換されて温度が高く，外気に対して湿度も高い状態となっている。このため，寒冷地や冬場での運転時に，出口空気がファンケーシングの近傍で冷たい外気と接触すると，出口空気中の水分が凝縮し，微小な水滴が大量に発生する。この水滴交じりの出口空気が冷却塔から立ち昇ると，白煙のように見えることがあり，この現象は白煙現象（図1）と呼ばれている。
この白煙現象は，都市の景観を損ね，視認性を低下させるため交通障害を引き起こす可能性がある。また，工業用冷却塔においては，施設内の機器から白煙が出ていると，近隣住民に公害をイメージさせるものである。
冷却塔の白煙問題は古くから認識されており，白煙の影響を予測する研究や白煙防止技術の開発が行われてきた。
当冷却塔では節水機能の空冷熱交換器を組み込む事により，白煙防止機能も付加する事が可能となった。
図1 白煙現象
図2は，内モンゴル伊泰石油化工有限責任公司の第三循環冷却水設備として納入した大型工業用節水機能付き冷却塔の外観である。図2に示す建造物全体が冷却塔となっており，ファンケーシングの数からもわかるように，6基の冷却塔が連結されている構成になっている。正面の開口部から空気を取り入れ，上部のファンケーシングから出口空気が排出される。上部の送風機の直径は10 mを越える大型なもので，本冷却塔の大きさをイメージしやすいよう図2の右下に人の大きさを示す。
表1に本冷却塔の仕様を示す。冷却塔の循環水量は6基の合計が30000 m3/hと非常に多く，循環水の蒸発量も大量になる。設置場所のオルドス市は，水資源が乏しく工業用水が高価であることから，ユーザから通常の工業用冷却塔より節水効果として循環水の蒸発量を15 %以上低減するよう求められた。
循環水量30000 m3/hの1 %が蒸発したとして8時間運転すると2400 m3の水が蒸発することになり，これは50 m×25 m×水深2 mのオリンピックサイズプール約1個分に相当する。
また，本冷却塔は節水機能運転をすることによって白煙防止機能も働くものである。
2016年5月から据付を開始し，2017年5月に施工を完了し，試運転によって補給水量の減少による節水と目視による白煙防止の効果を確認した。
図2 白煙防止節水型冷却塔
| 項目 | 単位 | 数値 | 備考 |
| 冷却塔型式 | − | SCC-5000H | 6 基連結型 |
| 冷却能力 | kW | 58 055 | 6 基 |
| 循環水量 | m3/h | 5 000 | 6 基 |
| 冷却塔入口水温 | ℃ | 40 | − |
| 冷却塔出口水温 | ℃ | 30 | − |
| 夏期乾球温度 | ℃ | 28 | − |
| 夏期湿球温度 | ℃ | 21 | − |
| 節水率 | % | 15 | − |
| 送風機径 | mm | 10 350 | − |
| モータ出力 | kW | 250 | 6 台 |
| L寸法 | m | 20 | |
| W寸法 | m | 120 | 6 基合計値 |
| H寸法 | m | 23 |
冷却塔の循環水の蒸発量（E）は次の式で計算することができる。
Δt
：出入水温の差［℃］
L
：循環水量［kg/h］
600
：（水の蒸発潜熱／水の比熱）≒600
本冷却塔における節水効果の試算例を，表2に示す。
節水機能運転時は，図3に示すように，熱源から来た循環水をチューブにフィンが取り付けられている空冷熱交換器に流すことで循環水温度を2.3 ℃下げることができる。その後に散水パイプから充填材に循環水を散布して蒸発潜熱による循環水の冷却で7.7 ℃下げることができ，空冷熱交換器部分と充填材部分の冷却で10 ℃の冷却が可能となる。
節水機能がない通常タイプの冷却塔の場合，冷却塔での循環水入口・出口の温度差10 ℃が全て蒸発潜熱での冷却となる。
通常の冷却塔と節水機能付き冷却塔を比較すると，蒸発潜熱での温度差Δtが10 ℃から7.7 ℃に低減されるため，節水効果として通常の冷却塔に対し蒸発量の23 ％低減が可能となった。
| 項目 | 単位 | 通常 | 本冷却塔 |
| 循環水量 | m3/h | 30 000 | |
| 冷却塔入口水温 | ℃ | 40.0 | 40.0 |
| 空冷熱交換器出口水温 | ℃ | − | 37.7 |
| 冷却塔出口水温 | ℃ | 30.0 | 30.0 |
| 温度差Δt | ℃ | 10.0 | 7.7 |
| 蒸発量E | m3/h | 500 | 385 |
| 節水量 | m3/h | 115 | |
| 節水効果（≧15） | % | 23.0 % | |
図3 白煙防止冷却塔の動作原理
白煙防止（節水機能）運転時は，図3に示すように，循環水を最初にチューブにフィンが取り付けられている空冷熱交換器に流した後に，散水パイプから充填材に散布する。このときに，充填材との熱交換後の高温・高湿の空気②が，その上部の空冷熱交換器を通過する際に過熱されて相対湿度が下がり，不飽和状態③になる。こうして，外気が低温の運転時において冷却塔の出口空気が冷却されても白煙現象を低減又は防止することができる。
この白煙発生と防止の原理について，空気の状態変化を示す空気線図（図4）に基づいて説明する。
図4は横軸を乾球温度，縦軸を絶対湿度とした空気の状態を示す図であり，実線は相対湿度100 ％を示しており飽和蒸気曲線と呼ぶ。
充填材から吐出する飽和した湿り空気は飽和状態であり飽和曲線上の②の状態である。この空気を外気に放出すると②から①の状態に変化するが，この時に飽和曲線より左側の過飽和領域に状態が変化し白煙が発生する。白煙防止運転では空冷熱交換器で③の状態まで加熱された後，外気に放出して①の状態に変化する。③から①の変化は飽和曲線の右側にあるため，白煙が発生しない。なお，①～③の状態は図3の冷却塔の①～③の位置の空気を示している。
図4 空気線図による白煙防止の原理
本納入事例は，荏原冷熱システム（中国）有限公司における節水機能と白煙防止機能を組み込んだ大型工業用冷却塔の一号機となった。中国市場において，冷却塔の節水機能及び白煙防止機能の要求が高まっており同様の性能要求が多数ある，今後，本冷却塔が広く採用され，地域環境と融和した産業の発展に寄与できれば幸いである。
藤沢工場ものづくり50年の歴史
1966年頃の藤沢工場
縁の下の力持ち 高圧ポンプ －活躍場所編ー
100万kW火力発電所内で活躍する50％容量ボイラ給水ポンプ
RO方式海水淡水化用大容量、超高効率高圧ポンプの納入
長段間流路内の流線と後段羽根車入口の流速分布
縁の下の力持ち ドライ真空ポンプ －真空と真空技術の利用ー
真空の領域と用途例
座談会 エバラの研究体制
座談会(檜山さん、曽布川さん、後藤さん）
縁の下の力持ち 標準ポンプ －暮らしを支えるポンプー
標準ポンプの製品例
座談会 未来に向け変貌する環境事業カンパニー
座談会（三好さん、佐藤さん、石宇さん、足立さん）
世界市場向け片吸込単段渦巻ポンプGSO型
GSO型カットモデル
エバラ時報に掲載の記事に関する不明点やご相談は、下記窓口よりお問い合わせください。
お問い合わせフォーム