冷却塔

冷却塔是用于冷却水的塔式散热装置。冷却塔通过塔中的冷却水与大气完全直接或间接接触，工作流体通过水的蒸发和散热被冷却到接近湿球空气的温度，或者被冷却到接近干球空气的温度，从而水可以将热量传递给大气。

冷却塔出现在二十世纪初。1918年，荷兰工程师Frederik van Iterson和Kuijpers申请了双曲面冷却塔专利。1923年，沃克等人提出了冷却塔运行的基本理论。随后，自然通风冷却塔的建设得到高度发展，冷却塔的技术也不断创新。大约在20世纪70年代，提高冷却能力的塑料薄膜包装出现了。1981年，冷却塔研究所的CTI更新和修订了认证标准STD-201，以确保一系列冷却塔的性能符合制造商公布的热性能等级。

冷却塔的基本工作原理是蒸发、冷凝和热交换，可根据工作原理（通风方式、水和空气是否直接接触、水和空气的流向以及水和空气的接触方式）、应用领域、噪音水平和形状进行分类。不同类型的冷却塔具有结构差异，例如，自然通风冷却塔没有风扇，逆流冷却塔使用喷雾装置。从技术角度看，2017年，中国核动力研究总院率先攻克了核电冷却塔超高、高集水、高效节能、耐久等技术难题，掌握了关键计算分析方法。

冷却塔具有冷却能力、噪声、功耗比和浮动率等性能指标，其关键技术包括冷却用双曲线结构和填料。冷却塔可用于工业、电力工业、空调系统等领域。未来冷却塔的发展趋势主要包括高效节能、智能运维、防腐材料和涂料研发、水资源节约等方面。从应用领域看，电力系统、数据中心、半导体等行业对冷却塔有广泛需求。

冷却塔的基本工作原理是蒸发、冷凝和热交换。冷却水与塔中的大气完全直接或间接接触，并且工作流体通过水的蒸发和散热被冷却到接近湿球空气的温度，或者被冷却到接近干球空气的温度，使得水可以将热量传递到大气。

以典型的双曲线自然通风冷却塔为例，塔内的热交换是通过空气的自然对流实现的。自然对流是由内部和外部空气之间的密度差驱动的，内部空气温度高且密度低，外部空气温度低且密度高。机械通风冷却塔使用风扇在塔内产生气流。

一般冷却塔主要由塔体、填料、配水系统（水箱或管道及喷嘴）、通风设备（即风机）、配气装置（如进风口、百叶窗、导风板、风道）、分水器（又称接水器）、集水器（又称水盘和集水箱）等部分组成。

塔:冷却塔的外壳。

填料:大多数冷却塔使用塑料或木材制成的填料，以最大限度地增加水和空气之间的接触，促进传热。填料可分为飞溅型和薄膜型。使用防溅型灌装机时，水落在水平防溅条的连续层上，这些防溅条会分解成更小的水滴并润湿灌装表面。使用薄膜填料，水在薄而致密的塑料表面上扩散，形成与空气接触的薄膜。

配水系统:将循环冷却水均匀喷洒到填料顶部。

风机:在机械通风冷却塔的上塔风道中安装由电机驱动的风机，通过风机的转动产生设计的空气流量（风量），以保证有足够的空气与水进行热交换，达到冷却效果。

空气入口:空气进入冷却塔的入口。

百叶窗:平衡进入填料的气流，并将水保持在塔中。

脱水器（接收器）:位于塔底或底部附近的冷水池，用于接收流经塔的冷却水并将其注满。

冷却塔的分类主要基于工作原理，包括通风方式、水和空气是否直接接触、水和空气的流向以及水和空气的接触方式。其他分类标准包括应用领域、噪声水平、形状等。

按通风模式分类

自然通风冷却塔：自然通风冷却塔中的低压是由烟囱中的加热空气（低密度）和塔外温度相对较低的环境空气（高密度）之间的密度差造成的，并且没有安装机械装置。这种冷却塔在相对湿度高的地区更有效。

机动气龄却塔：在机械通风冷却塔中使用单个或多个风扇，并通过风扇容量控制和调节风扇的运行，以补偿变化的大气和负载条件并降低塔中的空气压力。

混合通风冷却塔：混合通风冷却塔是安装有风扇的自然通风冷却塔，并且风扇可能只需要在高环境负荷和峰值负荷期间运行，以便最大限度地减少用于空气流动的马力，并最大限度地减少烟囱成本的影响。

根据水和空气是否直接接触

开放式冷却塔：在开放式冷却塔中，水与空气直接接触，因此热量直接传递给空气。

敞开式冷却塔具有结构简单、成本低、维护方便等优点，是早期最常用的冷却设备。然而，开放式冷却塔在运行时有噪音，这是由暴露在空气中的风扇电机和叶片引起的。由于是开放式系统，冷却塔在运行过程中会发生漂移，造成失水，在一定程度上降低冷却水的水质，外来杂物的进入也会造成水质污染。此外，开式冷却塔的冷却水压力损失高于闭式冷却塔。

封闭式冷却塔：封闭式冷却塔使用热交换器，水不与大气直接接触。

闭式冷却塔冷却效率高，封闭循环可以保证水质不受污染，防止杂物堵塞管道。但是，当外界气温较低时，很容易造成冷却器的局部冻裂，因此必须停止喷水系统，否则可能会冻结冷却塔的换热管或其他部件。

根据热水和空气流动的方向

横流冷却塔：横流式冷却塔的特点是空气水平流过填料并与向下流动的水相遇，内部是无喷淋装置的重力系统。优点是配水系统可以承受较大的水流波动，静态压降低，节省运行和能源成本。但它容易受到寒冷天气和低温的影响。

逆流冷却塔：逆流冷却塔的特点是空气垂直向上通过填料，水向下流动，因此需要安装喷淋装置。垂直通过填料的空气使最冷的水与最干燥的空气接触，喷雾产生的较小液滴更有效地利用了可用的空气，从而提高了塔的性能。由于需要延长进气室和排气室，使用高压喷雾系统和高气压损失，逆流冷却塔比横流塔高，需要更多的泵头和更多的风扇。

混流冷却塔：混流冷却塔的特点是冷却介质和冷却空气在塔内同时流动，并在介质和空气之间进行热交换。

根据水和空气的接触方式

湿冷却塔：湿式冷却塔采用蒸发冷却，将水喷洒在填料或管道等换热介质表面，通过蒸发传递热量。湿式冷却塔冷却效率高，但比干式冷却塔耗水量大。

干式冷却塔：干式冷却塔使用空气作为冷却介质。通过使用热交换器，热水通过管道将热量传递给周围空气。干式冷却塔可以最大限度地减少用水量，因此通常用于缺水环境。但是冷却效率低。

双曲线结构

塔的双曲线结构从空气动力学角度、强度和稳定性方面为冷却塔提供了最佳的结构条件。双曲线结构使冷却塔具有负高斯曲率的优势，在抗外压稳定性方面优于直塔。塔底加宽以容纳大型填料，便于循环水膜蒸发冷却。

此外，双曲线结构还应用了文丘里效应，以提高冷却塔的冷却能力。文丘里效应是指空气从较宽的截面区域转移到较窄的截面区域时产生的加速效应，有利于在连接处形成负压区，有利于周围空气的吸入。冷却塔底部的配水系统可以均匀分配来自蒸汽驱动涡轮机的热水。当水被分配并落入下面的水池时，它将加热空气。加热的空气携带大量水蒸气通过冷却塔，塔底部的开口使大量空气进入塔内并随着湿热空气上升。冷却塔的双曲线结构可以加快空气的上升速度。

密封材料

冷却塔中的传热涉及传导、对流和蒸发等多种机理，但最重要的传递方法是蒸发或传质。湿式冷却塔中的填料可以最大限度地增加空气与水的接触面积和接触时间，从而促进有效的传热传质。填料贡献了湿式冷却塔70%的传热，是冷却塔的核心部件。

冷却塔填料通常由薄的、紧密间隔的板或元件组成，这些板或元件通常排列成蜂窝状或波纹状。设计、布置和材料特性将影响填料的传热能力。填料有两种:飞溅型和薄膜型。飞溅型填料将水引导到不同高度交错的飞溅杆上，使水滴级联通过所有高度，以增加下落水的持续时间并将下落的水滴分解成更小的水滴，从而增加水和空气之间传热的水滴表面积。小水滴的另一个优点是灰尘颗粒可以很容易地从水中分离出来。此外，这种填充类型还具有在冷却塔中产生低压降的优点。薄膜型填料将水引导到紧密间隔的垂直排列的板中，这些板通常由聚氯乙烯（PVC）制成。这使得水在纸张表面形成一层薄膜以促进蒸发。填料的热性能通常用一个称为默克尔数（Me）的无量纲数来衡量，它被定义为实际传热率与最大可能传热率的比值。

冷却塔在化工、空调、电力等领域发挥着重要作用。

工业：工业冷却塔使用循环冷却水从工业发电厂的热力过程中带走热量，可以提高能源利用率并减少环境污染。主要应用于石油化工、冶金、数据中心、半导体、储能、核电等领域，如炼油厂、石油化工厂、食品加工厂和半导体厂等。

冷却塔

逆流冷却塔在工业领域具有突出的优势，包括钢铁冶金和石油化工行业，并用于化学工业和炼油厂、小型工厂、锅炉和熔炉。自然通风冷却塔可用于能源密集型设施，如炼油厂、石油化工厂和天然气厂；强制通风冷却塔用于造纸和化学工业。

电力工业：热电厂是将热能转化为电能的发电站。在世界大部分地区，涡轮机是由蒸汽驱动的。在这个过程中，水被加热蒸发，使汽轮机旋转，最后由发电机将机械能转化为电能。火电厂设计的最大区别是热源，包括化石燃料、太阳能、核能、地热能、垃圾焚烧和天然气。

电力行业常用的冷却塔包括自然通风冷却塔和逆流冷却塔，干式蒸汽发电厂通常采用引风机冷却塔。由国家电投绿能科技（国家核电院）EPC承建的中国首座核电站超大型冷却塔（广东廉江核电项目），为逆流式自然通风冷却塔，塔高218.7米，淋水面积达世界之最（2万平方米）。

空气调节系统：大型办公楼、医院、学校等的空调系统中通常使用一个或多个冷却塔。空调冷却塔属于冷水机组的子领域。数据中心的空调系统消耗大量能源，全年都需要冷却。冷却塔冷却技术可以实现自然冷却，减少制冷主机的运行时间和能耗。