冷卻塔

冷卻塔是用于冷卻水的塔式散熱裝置。冷卻塔通過塔中的冷卻水與大氣完全直接或間接接觸，工作流體通過水的蒸發(fā)和散熱被冷卻到接近濕球空氣的溫度，或者被冷卻到接近干球空氣的溫度，從而水可以將熱量傳遞給大氣。

冷卻塔出現(xiàn)在二十世紀(jì)初。1918年，荷蘭工程師Frederik van Iterson和Kuijpers申請了雙曲面冷卻塔專利。1923年，沃克等人提出了冷卻塔運(yùn)行的基本理論。隨后，自然通風(fēng)冷卻塔的建設(shè)得到高度發(fā)展，冷卻塔的技術(shù)也不斷創(chuàng)新。大約在20世紀(jì)70年代，提高冷卻能力的塑料薄膜包裝出現(xiàn)了。1981年，冷卻塔研究所的CTI更新和修訂了認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)STD-201，以確保一系列冷卻塔的性能符合制造商公布的熱性能等級。

冷卻塔的基本工作原理是蒸發(fā)、冷凝和熱交換，可根據(jù)工作原理（通風(fēng)方式、水和空氣是否直接接觸、水和空氣的流向以及水和空氣的接觸方式）、應(yīng)用領(lǐng)域、噪音水平和形狀進(jìn)行分類。不同類型的冷卻塔具有結(jié)構(gòu)差異，例如，自然通風(fēng)冷卻塔沒有風(fēng)扇，逆流冷卻塔使用噴霧裝置。從技術(shù)角度看，2017年，中國核動力研究總院率先攻克了核電冷卻塔超高、高集水、高效節(jié)能、耐久等技術(shù)難題，掌握了關(guān)鍵計算分析方法。

冷卻塔具有冷卻能力、噪聲、功耗比和浮動率等性能指標(biāo)，其關(guān)鍵技術(shù)包括冷卻用雙曲線結(jié)構(gòu)和填料。冷卻塔可用于工業(yè)、電力工業(yè)、空調(diào)系統(tǒng)等領(lǐng)域。未來冷卻塔的發(fā)展趨勢主要包括高效節(jié)能、智能運(yùn)維、防腐材料和涂料研發(fā)、水資源節(jié)約等方面。從應(yīng)用領(lǐng)域看，電力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、半導(dǎo)體等行業(yè)對冷卻塔有廣泛需求。

冷卻塔的基本工作原理是蒸發(fā)、冷凝和熱交換。冷卻水與塔中的大氣完全直接或間接接觸，并且工作流體通過水的蒸發(fā)和散熱被冷卻到接近濕球空氣的溫度，或者被冷卻到接近干球空氣的溫度，使得水可以將熱量傳遞到大氣。

以典型的雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔為例，塔內(nèi)的熱交換是通過空氣的自然對流實(shí)現(xiàn)的。自然對流是由內(nèi)部和外部空氣之間的密度差驅(qū)動的，內(nèi)部空氣溫度高且密度低，外部空氣溫度低且密度高。機(jī)械通風(fēng)冷卻塔使用風(fēng)扇在塔內(nèi)產(chǎn)生氣流。

一般冷卻塔主要由塔體、填料、配水系統(tǒng)（水箱或管道及噴嘴）、通風(fēng)設(shè)備（即風(fēng)機(jī)）、配氣裝置（如進(jìn)風(fēng)口、百葉窗、導(dǎo)風(fēng)板、風(fēng)道）、分水器（又稱接水器）、集水器（又稱水盤和集水箱）等部分組成。

塔:冷卻塔的外殼。

填料:大多數(shù)冷卻塔使用塑料或木材制成的填料，以最大限度地增加水和空氣之間的接觸，促進(jìn)傳熱。填料可分為飛濺型和薄膜型。使用防濺型灌裝機(jī)時，水落在水平防濺條的連續(xù)層上，這些防濺條會分解成更小的水滴并潤濕灌裝表面。使用薄膜填料，水在薄而致密的塑料表面上擴(kuò)散，形成與空氣接觸的薄膜。

配水系統(tǒng):將循環(huán)冷卻水均勻噴灑到填料頂部。

風(fēng)機(jī):在機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的上塔風(fēng)道中安裝由電機(jī)驅(qū)動的風(fēng)機(jī)，通過風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生設(shè)計的空氣流量（風(fēng)量），以保證有足夠的空氣與水進(jìn)行熱交換，達(dá)到冷卻效果。

空氣入口:空氣進(jìn)入冷卻塔的入口。

百葉窗:平衡進(jìn)入填料的氣流，并將水保持在塔中。

脫水器（接收器）:位于塔底或底部附近的冷水池，用于接收流經(jīng)塔的冷卻水并將其注滿。

冷卻塔的分類主要基于工作原理，包括通風(fēng)方式、水和空氣是否直接接觸、水和空氣的流向以及水和空氣的接觸方式。其他分類標(biāo)準(zhǔn)包括應(yīng)用領(lǐng)域、噪聲水平、形狀等。

按通風(fēng)模式分類

自然通風(fēng)冷卻塔：自然通風(fēng)冷卻塔中的低壓是由煙囪中的加熱空氣（低密度）和塔外溫度相對較低的環(huán)境空氣（高密度）之間的密度差造成的，并且沒有安裝機(jī)械裝置。這種冷卻塔在相對濕度高的地區(qū)更有效。

機(jī)動氣齡卻塔：在機(jī)械通風(fēng)冷卻塔中使用單個或多個風(fēng)扇，并通過風(fēng)扇容量控制和調(diào)節(jié)風(fēng)扇的運(yùn)行，以補(bǔ)償變化的大氣和負(fù)載條件并降低塔中的空氣壓力。

混合通風(fēng)冷卻塔：混合通風(fēng)冷卻塔是安裝有風(fēng)扇的自然通風(fēng)冷卻塔，并且風(fēng)扇可能只需要在高環(huán)境負(fù)荷和峰值負(fù)荷期間運(yùn)行，以便最大限度地減少用于空氣流動的馬力，并最大限度地減少煙囪成本的影響。

根據(jù)水和空氣是否直接接觸

開放式冷卻塔：在開放式冷卻塔中，水與空氣直接接觸，因此熱量直接傳遞給空氣。

敞開式冷卻塔具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，是早期最常用的冷卻設(shè)備。然而，開放式冷卻塔在運(yùn)行時有噪音，這是由暴露在空氣中的風(fēng)扇電機(jī)和葉片引起的。由于是開放式系統(tǒng)，冷卻塔在運(yùn)行過程中會發(fā)生漂移，造成失水，在一定程度上降低冷卻水的水質(zhì)，外來雜物的進(jìn)入也會造成水質(zhì)污染。此外，開式冷卻塔的冷卻水壓力損失高于閉式冷卻塔。

封閉式冷卻塔：封閉式冷卻塔使用熱交換器，水不與大氣直接接觸。

閉式冷卻塔冷卻效率高，封閉循環(huán)可以保證水質(zhì)不受污染，防止雜物堵塞管道。但是，當(dāng)外界氣溫較低時，很容易造成冷卻器的局部凍裂，因此必須停止噴水系統(tǒng)，否則可能會凍結(jié)冷卻塔的換熱管或其他部件。

根據(jù)熱水和空氣流動的方向

橫流冷卻塔：橫流式冷卻塔的特點(diǎn)是空氣水平流過填料并與向下流動的水相遇，內(nèi)部是無噴淋裝置的重力系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)是配水系統(tǒng)可以承受較大的水流波動，靜態(tài)壓降低，節(jié)省運(yùn)行和能源成本。但它容易受到寒冷天氣和低溫的影響。

逆流冷卻塔：逆流冷卻塔的特點(diǎn)是空氣垂直向上通過填料，水向下流動，因此需要安裝噴淋裝置。垂直通過填料的空氣使最冷的水與最干燥的空氣接觸，噴霧產(chǎn)生的較小液滴更有效地利用了可用的空氣，從而提高了塔的性能。由于需要延長進(jìn)氣室和排氣室，使用高壓噴霧系統(tǒng)和高氣壓損失，逆流冷卻塔比橫流塔高，需要更多的泵頭和更多的風(fēng)扇。

混流冷卻塔：混流冷卻塔的特點(diǎn)是冷卻介質(zhì)和冷卻空氣在塔內(nèi)同時流動，并在介質(zhì)和空氣之間進(jìn)行熱交換。

根據(jù)水和空氣的接觸方式

濕冷卻塔：濕式冷卻塔采用蒸發(fā)冷卻，將水噴灑在填料或管道等換熱介質(zhì)表面，通過蒸發(fā)傳遞熱量。濕式冷卻塔冷卻效率高，但比干式冷卻塔耗水量大。

干式冷卻塔：干式冷卻塔使用空氣作為冷卻介質(zhì)。通過使用熱交換器，熱水通過管道將熱量傳遞給周圍空氣。干式冷卻塔可以最大限度地減少用水量，因此通常用于缺水環(huán)境。但是冷卻效率低。

雙曲線結(jié)構(gòu)

塔的雙曲線結(jié)構(gòu)從空氣動力學(xué)角度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性方面為冷卻塔提供了最佳的結(jié)構(gòu)條件。雙曲線結(jié)構(gòu)使冷卻塔具有負(fù)高斯曲率的優(yōu)勢，在抗外壓穩(wěn)定性方面優(yōu)于直塔。塔底加寬以容納大型填料，便于循環(huán)水膜蒸發(fā)冷卻。

此外，雙曲線結(jié)構(gòu)還應(yīng)用了文丘里效應(yīng)，以提高冷卻塔的冷卻能力。文丘里效應(yīng)是指空氣從較寬的截面區(qū)域轉(zhuǎn)移到較窄的截面區(qū)域時產(chǎn)生的加速效應(yīng)，有利于在連接處形成負(fù)壓區(qū)，有利于周圍空氣的吸入。冷卻塔底部的配水系統(tǒng)可以均勻分配來自蒸汽驅(qū)動渦輪機(jī)的熱水。當(dāng)水被分配并落入下面的水池時，它將加熱空氣。加熱的空氣攜帶大量水蒸氣通過冷卻塔，塔底部的開口使大量空氣進(jìn)入塔內(nèi)并隨著濕熱空氣上升。冷卻塔的雙曲線結(jié)構(gòu)可以加快空氣的上升速度。

密封材料

冷卻塔中的傳熱涉及傳導(dǎo)、對流和蒸發(fā)等多種機(jī)理，但最重要的傳遞方法是蒸發(fā)或傳質(zhì)。濕式冷卻塔中的填料可以最大限度地增加空氣與水的接觸面積和接觸時間，從而促進(jìn)有效的傳熱傳質(zhì)。填料貢獻(xiàn)了濕式冷卻塔70%的傳熱，是冷卻塔的核心部件。

冷卻塔填料通常由薄的、緊密間隔的板或元件組成，這些板或元件通常排列成蜂窩狀或波紋狀。設(shè)計、布置和材料特性將影響填料的傳熱能力。填料有兩種:飛濺型和薄膜型。飛濺型填料將水引導(dǎo)到不同高度交錯的飛濺桿上，使水滴級聯(lián)通過所有高度，以增加下落水的持續(xù)時間并將下落的水滴分解成更小的水滴，從而增加水和空氣之間傳熱的水滴表面積。小水滴的另一個優(yōu)點(diǎn)是灰塵顆粒可以很容易地從水中分離出來。此外，這種填充類型還具有在冷卻塔中產(chǎn)生低壓降的優(yōu)點(diǎn)。薄膜型填料將水引導(dǎo)到緊密間隔的垂直排列的板中，這些板通常由聚氯乙烯（PVC）制成。這使得水在紙張表面形成一層薄膜以促進(jìn)蒸發(fā)。填料的熱性能通常用一個稱為默克爾數(shù)（Me）的無量綱數(shù)來衡量，它被定義為實(shí)際傳熱率與最大可能傳熱率的比值。

冷卻塔在化工、空調(diào)、電力等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

工業(yè)：工業(yè)冷卻塔使用循環(huán)冷卻水從工業(yè)發(fā)電廠的熱力過程中帶走熱量，可以提高能源利用率并減少環(huán)境污染。主要應(yīng)用于石油化工、冶金、數(shù)據(jù)中心、半導(dǎo)體、儲能、核電等領(lǐng)域，如煉油廠、石油化工廠、食品加工廠和半導(dǎo)體廠等。

冷卻塔

逆流冷卻塔在工業(yè)領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢，包括鋼鐵冶金和石油化工行業(yè)，并用于化學(xué)工業(yè)和煉油廠、小型工廠、鍋爐和熔爐。自然通風(fēng)冷卻塔可用于能源密集型設(shè)施，如煉油廠、石油化工廠和天然氣廠；強(qiáng)制通風(fēng)冷卻塔用于造紙和化學(xué)工業(yè)。

電力工業(yè)：熱電廠是將熱能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電站。在世界大部分地區(qū)，渦輪機(jī)是由蒸汽驅(qū)動的。在這個過程中，水被加熱蒸發(fā)，使汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，最后由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。火電廠設(shè)計的最大區(qū)別是熱源，包括化石燃料、太陽能、核能、地?zé)崮堋⒗贌吞烊粴狻?/p>

電力行業(yè)常用的冷卻塔包括自然通風(fēng)冷卻塔和逆流冷卻塔，干式蒸汽發(fā)電廠通常采用引風(fēng)機(jī)冷卻塔。由國家電投綠能科技（國家核電院）EPC承建的中國首座核電站超大型冷卻塔（廣東廉江核電項(xiàng)目），為逆流式自然通風(fēng)冷卻塔，塔高218.7米，淋水面積達(dá)世界之最（2萬平方米）。

空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)：大型辦公樓、醫(yī)院、學(xué)校等的空調(diào)系統(tǒng)中通常使用一個或多個冷卻塔。空調(diào)冷卻塔屬于冷水機(jī)組的子領(lǐng)域。數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)消耗大量能源，全年都需要冷卻。冷卻塔冷卻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自然冷卻，減少制冷主機(jī)的運(yùn)行時間和能耗。