冷卻塔

冷卻塔，只利用空氣將工作流體冷卻到接近乾球溫度。冷卻塔常見的應用包括冷卻許多工廠中的迴圈冷卻用水，這些工廠包括有煉油廠、石油化工產品及其他化學工廠、熱力發電廠及核電廠。小型的冷卻水塔也用在大樓中的冷氣。冷卻塔可以依讓空氣進入塔中的方式來分類：主要的分類有自然對流及強制對流冷卻塔。冷卻塔的大小依應用而不同，小的有可以放在大樓屋頂的冷卻水塔，大的則是大型的，高可以到200公尺，直徑則是100公尺，也有可能是長方形的結構，長80公尺，高40公尺。雙曲塔有用在核能發電廠的冷卻塔，也有用在一些火力發電廠，甚至是大型的化工廠或其他工廠。大多數的冷卻塔其實體積很小，例如在大樓樓頂，中央空調系統的冷卻水塔。歷史.冷卻塔是在19世紀時開始使用，當時為了配合蒸汽機使用，需要對應的冷凝器。冷凝器會以各種方式將冷凝汽缸或渦輪機產生的蒸氣，冷卻凝結成較低溫的水。這可以減少，減少蒸氣消耗量以及燃料的消耗，同時也可以提昇功率，並且使鍋爐的水可以迴圈使用。不過冷凝器需要充足的冷卻水供應，若沒有足夠的冷卻水，無法實現冷凝器。估計在2040至2069年時，陸上加工廠及發電廠所消耗的冷卻水會減少大部份火力發電廠的產生的電力。在上冷卻水的是問題，但在陸地上的系統就有許多的限制。在二十世紀起，已針對沒有足夠水源的地區開發了幾種以蒸發方式冷卻水的方式，這些方式也可以用在水源供應可能不足的城市地區。若是有足夠可用土地的地區，可能會用冷卻池的方式冷卻，若是土地不足，可能就會用冷卻塔。早期的冷卻塔會放在建築物的屋頂，或是獨立的建築物，其冷卻是用風扇進行風冷，或是用自然風冷進行冷卻。有一本1911年的美國工程教科書中曾提到一種設計是「圓柱形或長方體的輕形殼狀建築物，類似煙囪，但高度較短，寬度寬很多。頂部是一組分配槽，要冷卻的水需要先泵到最上方的分配槽內，由分配槽流到冷卻塔中的木條或編織網上。」冷卻塔是荷蘭工程師Frederik van Iterson和Gerard Kuypers在1918年的專利。第一個雙曲冷卻塔是在1918年建在荷蘭的海爾倫附近。英國的第一個雙曲冷卻塔是在1924年建在英國利物浦的，是要冷卻火力發電廠的冷卻水。依用途分類.暖通空調.暖通空調，其「等效冷凍噸」定義為冷卻的水，使其降10 °F (6 °C)，約等於。若HVAC系統中有多個共用水泵管路的水源熱泵，也會使用冷卻水塔。在這類的系統中，只要熱泵運作在冷卻模式下，水環路內的迴圈水就會移除熱泵中冷凝器中的熱量，而冷卻水塔是冷卻水環路內的迴圈水，將熱量排到大氣中。相反的，若熱泵是在供暖模式下，冷凝器會抽取水環路中的熱量，排到需要加熱的位置。若熱泵主要是用在大樓供暖，一般會關閉冷卻水塔，此時會用其他方式加熱水環路，例如獨立鍋爐。工業冷卻塔.工業冷卻塔也會用在移除許多工業程式中的廢熱，例如機械加工的發熱或是加熱材料產生的熱。大型工業冷卻塔的主要用途是用來冷卻在水冷系統中的迴圈水，水冷系統可能是用在發電廠、煉油廠、石化廠、天然氣製造廠、食品加工廠、半導體廠，或是其他的工業裝置中，例如蒸餾塔的冷凝器中，結晶製程中的冷卻液等。若是典型 700 MW的，冷卻水的迴圈用量約為每小時71,600立方公尺，迴圈水需要的補水供應量約為5%。若相同規模的發電廠沒有冷卻塔，使用單流冷卻。冷卻塔的廢熱會散失到空氣中，會透過風和空氣對流擴散到更廣的區域，其溫度影響也較小，不會像冷卻系統的廢熱水，對一區域的水域有較大的影響。蒸發的冷卻水無法在後續回收利用，只有表面冷卻的水可以回收使用。有些在海邊的燃煤火力發電廠以及核電廠會用海水來單流冷卻，而離岸冷卻水的放流口也需要謹慎設計，以免造成環境問題。煉油廠也有很大型的冷卻系統。典型每天處理四萬公噸原油的大型煉油廠，若用冷卻塔冷卻，其冷卻水需求是每小時80,000立方公尺。世界上最高的冷卻塔是印度拉賈斯坦邦賈拉瓦爾中，二座202公尺的冷卻塔熱電站。依興建方式的分類.封裝型.封裝型冷卻塔是小型冷卻塔，在工廠先組裝好，可以直接用卡車運送。其降溫能力較低，只適用在散熱需求較低的應用，例如食品加工廠、紡織廠、部份的化工廠，汽車工廠以及像醫院、旅館、商場等建築物中。封裝型冷卻塔常常裝設在住宅區內，或是住宅區附近，因此其噪音音量控制就會是比較重要的議題之一。現場架設的冷卻塔.像發電廠、鋼鐵加工廠、煉油廠或是石化廠的散熱需求較高，因此會使用現場架設的冷卻塔。其體積和散熱能力都比封裝型冷卻塔要高。典型的現場架設的冷卻塔是纖維強化塑膠。熱交換方式.冷卻塔可以依傳熱方式分類：若是濕式冷卻塔，而且在空氣較乾燥的情形下，可以將冷卻水降溫到較室溫乾球溫度更低的溫度。因為有部份的水會蒸發，蒸發時需要的熱能是由冷卻水提供，因此冷卻水會降溫。水蒸發時需要吸收的熱能是每公斤420kJ。蒸發後會使冷卻水的溫度接近溼球溫度，此溫度較乾球溫度低，兩者的溫差視原來空氣的濕度而定。為了提高散熱效果，會在冷卻塔中加入散熱材的接觸面積及接觸時間，以提昇散熱。通風方式.依照冷卻塔的通風方式，可以將冷卻塔分為以下三種：結構是自然通風冷卻塔常見的設計方式，原因是結構強度以及材料的最小化。雙曲面也可以加速上昇的對流氣流，提昇冷卻效率。此建築常讓人聯想到核電廠，不過這是誤解，因為大型的火力發電廠也會用雙曲結構的冷卻塔。而且不是所有的核電廠都需要冷卻塔，核電廠也可能用湖水、河水或海水進行冷卻。雙曲結構冷卻塔的熱效率最高可以到92%。依空氣和水流的關係分類.橫流式.橫流會因重力沿著散熱材往下流。空氣持續流經散熱材，會越過水流進入開放的通風空間。最後會由風扇將空氣排到大氣中。橫流式冷卻塔的布水器中會包括深的水盆，下方有洞或噴嘴，水盆在橫流式冷卻塔的上方。水會因為重力透過噴嘴均勻的分佈在散熱材上。橫流式冷卻塔的優點：橫流式冷卻塔的缺點：逆流式.逆流式冷卻塔的氣流方向和水流恰好相反。氣流會從散熱材下方進入冷卻塔，垂直往上吹。水會從上方透過加壓噴頭從冷卻塔上方往下噴灑，和氣流方向恰好相反。逆流式冷卻塔的優點：逆流式冷卻塔的缺點：共同的特點.兩種設計的共同特點：橫流式和逆流式冷卻塔都可以用在自然對流以及機械對流的冷卻塔中。濕式冷卻塔的質量平衡.以量化的觀點，濕式蒸發冷卻塔的質量平衡是淡水補充體積流率、蒸發損失、風損失、出汽率和濃縮倍數等操作變數所控制。在旁邊的圖中，從tower basin抽到的水是流經工廠的製程冷卻器以及表面冷凝器的冷卻水。冷水會從熱的、需要冷卻或是冷凝的製程蒸氣中吸熱，吸收的熱會使冷卻水，以補償蒸發、風損以及排出的水。以下是流率以及濃度的單位：整個系統的水平衡可得：蒸發水中沒有鹽，因此氯化物的平衡如下：formula_1因此formula_2用簡化的冷卻塔熱平衡式：formula_3風損是因為氣流而減少的水量。若沒有製造商的資料，大型的工業冷卻塔，可以假設如下：若是自然通風，沒有風損消除器，W = C的0.3%至1.0%。若是誘導通風，沒有風損消除器，W = C的0.1%至0.3%。若有風損消除器，W = C的0.005%以下。若有風損消除器，且用海水作為補充水，W = C的0.0005%以下。濃縮倍數.濃縮倍數表示迴圈水中溶解礦物質的累積程度。一般會用排放冷卻水來控制這些礦物質的生成。補充水的化學特性取得的補充水，礦物質較高，比較容易有水垢的問題。若增加水中礦物質的量，比較不容易腐蝕管路，不過可能會有水垢。當濃縮倍數增加時，水中溶解的礦物質可能會超過其溶解度，因而沉澱礦物質固體，會因此而結垢，也會造成冷卻塔或是換熱器的問題。迴圈水的溫度、管路以及熱交換器的表面都會決定迴圈水的礦物質是否會沈澱，以及在何處沈澱。專業的顧問可以評估冷卻塔的工作條件以及補充水量，並且建議適當的濃縮倍數。使用水處理化合物、進行硬水軟化、PH值調整等預處理等技術，都會影響濃縮倍數的允許範圍。冷卻塔的濃縮倍數多半是在3到7之間，美國許多的供水是使用井水，其溶解礦物質較多。另外，紐約最大的供水系統是用雨水，其溶解礦物質很低，因此其濃縮倍數可以到7，甚至可以超過7。因為濃縮倍數高表示補充水可以較少，節水措施一般會著重在提高濃縮倍數。若在飲用水稀缺的地區，冷卻水使用高度處理的迴圈水，可以減少在飲用水上的使用。維護.冷卻塔的冷水盤和表面需清潔，去除可見的塵土和碎屑，並且去肉眼可見的生物薄膜。需維持冷卻塔及熱水管中的消毒劑以及其他化學物的含量，並且持續監控。需要定期用針對水質進行檢查，因為其他的生物可能會產生營養物質，讓軍團菌可以存活。水處理.在大型的工業冷卻系統中，除了處理迴圈水以減少水垢外，迴圈水也需要經過過濾，以去除雜質，也會加入殺生物劑和，以避免這些生物的滋長，進而影響水的連續流動。在一些特定條件下，冷卻水中可能會生成由細菌、真菌或藻類形成的生物薄膜，若這類生物迅速生長，會降低冷卻塔的熱傳效率。利用氯或是其他的化學物質，可以減少或是預防生物薄膜的生成。工業上常見的作法是用二種的殺生物劑，例如一種是氧化型的，另一個是非氧化型，二種殺生物劑可以截長補短，以確保有較廣的防護範圍。大部份的情形，會持續使用少量的氧化型殺生物劑，再週期性的加入大量的非氧化型殺生物劑。冷卻水會因為排水、氣損及蒸發而散失。因此會預備補充水以維持水量，其目的是讓機械及裝置可以安全穩定運轉。軍團病.冷卻塔使用殺生物劑的另一個原因是避免軍團菌屬細菌的生長，特別是會造成軍團病，或是。軍團菌屬細菌會造成軍團病，此疾病可以透過空氣中的懸浮粒子傳播，因此吸入含有病菌液滴的空氣即可能感染。軍團菌屬細菌的常見括開放迴圈蒸發的冷卻水系統，家用熱水系統、噴泉，或是其他公用給水系統。自然的能包括淡水池或是溪流。法國研究者指出在法國加來海峽省的石化廠冷卻塔中，其中的冷卻水含有軍團菌屬細菌，細菌可以透過空氣傳播的距離。曾經爆發感染，86人經實驗室檢驗，判斷確診，其中有21人死亡。風損是指冷卻塔排出，在空氣中以液滴形式散失的水份。風損消除器可以讓風損維持在迴圈水流量的0.001–0.005%。標準的風損消除器會讓氣流有多方向的變化，避免液滴從冷卻塔排出。設計良好，而且適合冷卻塔的風損消除器可以大幅降低風損，也可以降低軍團菌屬細菌暴露或是水處理化學藥暴露的風險。每六個月需要檢查風損消除器，確定其中沒有縫隙，以避免汙物自由流動。美國疾病控制與預防中心容易受到軍團菌屬細菌感染而患病甚至死亡，需考慮對飲用水進行定期的監測。另外，在軍團菌屬暴發後，衛生官員同意有必要監控以來識別感染源，並且評估殺生物劑或是其他預防措施的效果研究指出冷卻塔中有40%至60%含有軍團菌屬細菌。產生的霧.在特定的環境條件下，會看到水蒸氣的氣流從冷卻塔的排氣口排出，可能會誤認為是火災產生的煙。若室外空氣的水蒸氣已飽和或接近飽和，冷卻塔又增加空氣中的水氣，會排出帶有水液滴及飽和水蒸氣的空氣，即為霧。此現象一般會發生在濕冷的天氣，不過在許多氣候下都很少見。和冷卻塔有關的雲和霧其特點是其均質性，就像其他人造的雲一樣。若是降低排放飽和空氣的相對濕度，可以避免此一情形。因此，在混合式冷卻塔中，會將排放飽和空氣和較熱、濕度較低的空氣混合。會在風損消除器的上方匯入一些空氣，使其在熱交換器中流動。相對濕度較低的乾空氣在進入塔內後，會因為加熱而讓相對濕度進一步降低。排出的混合氣體相對濕度較低，也不會形成肉眼可見的霧。排放鹽類及其他物質的汙染.若在海邊，用海水作為補充水的濕式冷卻塔，冷卻塔排放的水液滴中會含有6%的氯化鈉，會散播在附近的陸地上。鈉鹽在附近農地上的沈積，可能會將會將土壤變為鹽化鈉質土或鹽鹼地，並且增加地下水以及表面水的。在沒有國家級汙染控制標準的地區，或是沒有採取措施來降低濕式冷卻塔風損的地區，若使用海水作為補充水，其鹽分沉積的問題會更嚴重。若使用淡水補充水，不會有排放鹽類的問題，可是會有其他問題。冷卻塔的風損水液滴中，可能會有直徑小於10微米要少。用作排氣煙囪.有些現代的發電廠有配置煙氣脫硫裝置，例如和羅斯托克發電廠，也會用冷卻塔當成排氣煙囪，因此可以節省獨立煙囪結構的費用。若發電廠沒有煙氣淨化裝置，煙氣和水可以會反應產生酸，因此會出現腐蝕的問題。有時自然通風的冷卻塔會用結構鋼來代替鋼筋凝混凝土來建造，多半是在自然通風冷卻塔的建造時間超過其他裝置建造時間時，或是當時的土壤強度不足，無法承載結構鋼和混凝土結構的重量，也有可能因為混凝土價格昂貴，為了成本考量，因此用結構鋼來製作冷卻塔。火災危害.若冷卻塔中的部份材料，內部的火災可能會蔓延，甚至在冷卻塔有運作時，針對誘導通風的系統，可能會因為部份區域相對來說較乾，而可能產生火災。低溫環境下的處理.有些冷卻塔為了避免結凍造成的損害，會在冬季關機、將水排空並且防凍。在冬季時，有些持續運作的冷卻塔會使流出的水溫度在。針對寒冷的天氣，會使用Basin加熱器等防凍的對策。在運作中的冷卻塔在天氣非常寒冷時也可能會誤動作。一般來說，結凍會先出現在冷卻塔的中央，在熱負載較小，或是沒有熱負載時出現。嚴重的結凍會讓水變成冰，其體積膨脹，因此會增加結構上的受力，可能會造成結構受損或是倒塌。為了避免結凍，可以採取以下的措施：結構穩定性.非常大的冷卻塔很容易因風力而受損，過去也曾發生過大型結構的失效。英國西約克郡的在1965年11月1日，因為強風造成的振動，造成三座冷卻塔而倒塌。此結構的設計是可以承受較高的風速，但冷卻塔的形狀導致西風漏斗狀的繞著塔旋轉，形成渦旋。八座冷卻塔中有三座倒塌，另外五座也嚴重受損。後來八座冷卻塔都已重建，而且有強化，可以承受惡劣的天候。後來也有修改建築法規，其中包括改善結構支撐，以及為了確認冷卻塔的結構和組態，需進行風洞測試。