自然通風冷却塔は、水と空気の直接接触によって水を冷却する熱交換器の一種です。発電所、石油精製所、石油化学プラント、天然ガスプラントで使用され、循環水システムから余分な熱を取り除きます。自然通風冷却塔は、ファンやその他の機械装置を使用せずに、対流流動の原理を利用して空気の循環を提供します。塔内の暖かく湿った空気と塔外の冷たく乾燥した大気との密度差によって空気の流れが生じます。
以下の図に示すように、自然通風冷却塔の基本的な動作原理は次の通りです：
自然通風冷却塔の主な構成要素は以下の通りです：
温水入口：これはシステムまたは凝縮器からの温水が塔の上部に流入する場所です。温水入口は、フィルマテリアル上に水を散布する一連のノズルに接続されています。
フィルマテリアル：これは水と空気との間の熱伝導のために大きな表面積を提供する多孔性材料です。フィルマテリアルは木、プラスチック、金属、セラミックスなどで作られることができます。フィルマテリアルは、スプラッシュバー、グリッド、フィルムパックなど、さまざまな方法で配置できます。
冷水貯水槽：これは冷却された水が塔の底部に集まる場所です。冷水貯水槽には排水弁とポンプがあり、水をシステムまたは凝縮器に戻すために再循環します。
空気入口：これは新鮮な空気が塔の基部から入る場所です。空気入口は、塔の設計に応じて開けたり閉めたりすることができます。
空気出口：これは暖かく湿った空気が塔の上部から出る場所です。空気出口には、空気の流れを強化するためのディフューザーやスタックがあります。
自然通風冷却塔での水の冷却プロセスには、感覚熱伝達と潜在熱伝達という2つの主要なメカニズムが含まれます。
感覚熱伝達：これは、熱が温水から冷たい空気へ直接接触によって移されるときのことです。結果として、両方の流体の温度が変化しますが、相は変わりません。感覚熱伝達は、温度差、流量、接触面積などの要因に依存します。
潜在熱伝達：これは、熱が蒸発によって温水から冷たい空気へ移されるときのことです。結果として、一部の水が液体から蒸気に相変化し、周囲から熱を吸収します。潜在熱伝達は、湿度比、蒸気圧、質量伝達係数などの要因に依存します。
感覚熱伝達と潜在熱伝達の組み合わせにより、水が冷却され、空気が加熱されます。冷却された水は冷水貯水槽に落下し、浮力により暖まった空気は空気出口に向かって上昇します。浮力効果により、空気入口からより多くの新鮮な空気が引き込まれ、冷却の連続的なサイクルが生じます。
自然通風冷却塔は、構成に基づいて2つのタイプに分類されます：
逆流自然通風冷却塔：これらの塔では、水が下向きに流れ、空気が反対方向に上向きに流れます。これにより、温度差が大きくなり、冷却効率が高まります。しかし、これらの塔はクロスフロータワーよりも高い高さと多数の散布ノズルが必要です。
横流自然通風冷却塔：これらの塔では、水が下向きに流れ、空気が直角方向に水平に流れます。これにより、逆流タワーに比べて低い高さと少ない散布ノズルで済みます。ただし、これらの塔は逆流タワーに比べて温度差が小さく、冷却効率も低くなります。
以下は、各タイプの長所と短所をまとめた表です：
タイプ |
利点 |
欠点 |
逆流 |
高い温度差 高い冷却効率 水の均等な分布 冷凍への耐性が高い |
高い高さ 高いコスト 多数の散布ノズル スケーリングへの耐性が低い |
| 横流 | 低い高さ 低いコスト 少ない散布ノズル スケーリングへの耐性が高い | 低い温度差 低い冷却効率 水の分布が悪い 冷凍への耐性が低い |
以下は、逆流と横流の自然通風冷却塔の違いを示した図です：
自然通風冷却塔は、以下のような用途に適しています：
多年間にわたる大規模かつ一定の冷却能力
低運転コストと維持管理コスト
低騒音レベルと消費電力
風荷重と腐食に対する高い耐性
自然通風冷却塔を使用するいくつかの具体的な用途例は以下の通りです：
石炭、石油、ガス、または核燃料を使用して電力を生成する火力発電所
原油をガソリン、ディーゼル、ジェット燃料など様々な製品に加工する石油精製所
石油や天然ガス原料から化学物質を生産する石油化学プラント
天然ガスを液化天然ガス（LNG）、圧縮天然ガス（CNG）、または他の製品に加工する天然ガスプラント
自然通風冷却塔の主な長所は以下の通りです：
ファンやその他の機械装置を使用せずに空気の流れを誘導する必要がないため、電力節約と騒音低減が可能
可動部品が少なく、摩耗が少ないため、運転コストと維持管理コストが低い
蒸発による総水量の損失が1%未満であるため、システム損失が少ない
大量の水流量を処理できるため、冷却能力が大きい
高い排気口により、暖かい空気が塔に戻ることがないため、空気の再循環がない
自然通風冷却塔の主な短所は以下の通りです：
建設と設置にかかる初期投資が高額
広い敷地と高い高さが必要
地域の景観に悪影響を与えるため、計画許可が取りにくい
風速と風向によって空気の流れと熱伝達に影響を受ける
寒冷地では凍結問題が発生しやすく、フィルマテリアルや冷水貯水槽に氷が形成される可能性がある。
