冷却塔

冷却塔（cooling tower）是将水蒸气冷却成较低温的水，将系统的废热排到大气层的排热装置。冷却塔可能用蒸发的方式释放水蒸气中的热，将工作流体冷却到接近湿球温度，也有一种是「闭回路干冷却塔」（closed circuit dry cooling towers），只利用空气将工作流体冷却到接近干球温度。
冷却塔常见的应用包括冷却许多工厂中的循环冷却用水，这些工厂包括有炼油厂、石油化工产品及其他化学工厂、热力发电厂及核电厂。小型的冷却水塔也用在大楼中的冷气。冷却塔可以依让空气进入塔中的方式来分类：主要的分类有自然对流及强制对流冷却塔。
冷却塔的大小依应用而不同，小的有可以放在大楼屋顶的冷却水塔，大的则是大型的，高可以到200公尺，直径则是100公尺，也有可能是长方形的结构，长80公尺，高40公尺。双曲塔有用在核能发电厂的冷却塔，也有用在一些火力发电厂，甚至是大型的化工厂或其他工厂。大多数的冷却塔其实体积很小，例如在大楼楼顶，中央空调系统的冷却水塔。
历史.
冷却塔是在19世纪时开始使用，当时为了配合蒸汽机使用，需要对应的冷凝器。冷凝器会以各种方式将冷凝汽缸或涡轮机产生的蒸气，冷却凝结成较低温的水。这可以减少，减少蒸气消耗量以及燃料的消耗，同时也可以提升功率，并且使锅炉的水可以循环使用。不过冷凝器需要充足的冷却水供应，若没有足够的冷却水，无法实现冷凝器。估计在2040至2069年时，陆上加工厂及发电厂所消耗的冷却水会减少大部份火力发电厂的产生的电力。在上冷却水的来源不是问题，但在陆地上的系统就有许多的限制。
在二十世纪起，已针对没有足够水源的地区开发了几种以蒸发方式冷却水的方式，这些方式也可以用在水源供应可能不足的城市地区。若是有足够可用土地的地区，可能会用冷却池的方式冷却，若是土地不足，可能就会用冷却塔。
早期的冷却塔会放在建筑物的屋顶，或是独立的建筑物，其冷却是用风扇进行风冷，或是用自然风冷进行冷却。有一本1911年的美国工程教科书中曾提到一种设计是「圆柱形或长方体的轻形壳状建筑物，类似烟囱，但高度较短（六公尺到十三公尺），宽度宽很多。顶部是一组分配槽，要冷却的水需要先泵到最上方的分配槽内，由分配槽流到冷却塔中的木条或编织网上。」
冷却塔是荷兰工程师Frederik van Iterson和Gerard Kuypers在1918年的专利。第一个双曲冷却塔是在1918年建在荷兰的海尔伦附近。英国的第一个双曲冷却塔是在1924年建在英国利物浦的，是要冷却火力发电厂的冷却水。
依用途分类.
暖通空调（HVAC）.
暖通空调（暖气、通风及空气调节，简称HVAC）的冷却水塔是用来排除冰水主机的废热。水冷的冰水主机排热温度在湿球温度附近，而气冷的冰水主机排热温度是在温度较高的干球温度，因此后者的平均反卡诺循环效率较低。若是气温较高的地区、大型办公大楼、医院或学校，其空调系统中一般会有一个或是多个冷却水塔。空调用的冷却水塔一般会比工业用的要小。暖通空调会用冷却水塔配合水冷的冰水主机或是水冷的冷凝器。冷冻吨定义为移除的功率。, 但因为驱动冰水主机压缩机需要额外的能量，在冷却塔端的「等效冷冻吨」是移除的功率。若假设冰水主机性能系数（COP）为4.0（等效于EER 14），其「等效冷冻吨」定义为冷却的水，使其降10 °F (6 °C)，约等于。
若HVAC系统中有多个共用水泵管路的水源热泵，也会使用冷却水塔。在这类的系统中，只要热泵运作在冷却模式下，水环路内的循环水就会移除热泵中冷凝器中的热量，而冷却水塔是冷却水环路内的循环水，将热量排到大气中。相反的，若热泵是在供暖模式下，冷凝器会抽取水环路中的热量，排到需要加热的位置。若热泵主要是用在大楼供暖，一般会关闭冷却水塔（并且将水排干以避免因液体冷冻造成的设备损坏），此时会用其他方式加热水环路，例如独立锅炉。
工业冷却塔.
工业冷却塔也会用在移除许多工业程序中的废热，例如机械加工的发热或是加热材料产生的热。大型工业冷却塔的主要用途是用来冷却在水冷系统中的循环水，水冷系统可能是用在发电厂、炼油厂、石化厂、天然气制造厂、食品加工厂、半导体厂，或是其他的工业设备中，例如蒸馏塔的冷凝器中，结晶制程中的冷却液等。若是典型 700 MW的，冷却水的循环用量约为每小时71,600立方公尺，循环水需要的补水供应量约为5%（每小时3,600立方公尺）。
若相同规模的发电厂没有冷却塔，使用单流冷却（once-through cooling）的水冷系统，需要的冷却水量是每小时100,000立方公尺。大量的冷却水若流入会造成每年杀死上百万的鱼及幼体，因为这些生物会撞击到进水口的。而且冷却系统也需要持续地将大量的水排入海洋、湖泊或河流，也就是取得冷却水源的水体。冷却系统会排出大量的热水，会使河流或湖泊水温上升，进而影响生态系统，可能会杀死其他水中的生物（参见热污染）或是造成其他不想要的物种或是入侵物种的繁殖（例如斑马贻贝或藻类）。冷却塔的废热会散失到空气中，会透过风和空气对流扩散到更广的区域，其温度影响也较小，不会像冷却系统的废热水，对一区域的水域有较大的影响。蒸发的冷却水无法在后续回收利用，只有表面冷却的水可以回收使用。
有些在海边的燃煤火力发电厂以及核电厂会用海水来单流冷却，而离岸冷却水的放流口也需要谨慎设计，以免造成环境问题。
炼油厂也有很大型的冷却系统。典型每天处理四万公吨原油的大型炼油厂，若用冷却塔冷却，其冷却水需求是每小时80,000立方公尺。
世界上最高的冷却塔是印度拉贾斯坦邦贾拉瓦尔中，二座202公尺的冷却塔热电站。
依兴建方式的分类.
封装型.
封装型（Package type）冷却塔是小型冷却塔，在工厂先组装好，可以直接用卡车运送。其降温能力较低，只适用在散热需求较低的应用，例如食品加工厂、纺织厂、部份的化工厂，汽车工厂以及像医院、旅馆、商场等建筑物中。
封装型冷却塔常常装设在住宅区内，或是住宅区附近，因此其噪音音量控制就会是比较重要的议题之一。
现场架设的冷却塔.
像发电厂、钢铁加工厂、炼油厂或是石化厂的散热需求较高，因此会使用现场架设的冷却塔。其体积和散热能力都比封装型冷却塔要高。
典型的现场架设的冷却塔是纤维强化塑胶（FRP）结构、FRP、鼓风冷却的机械模组，以及挡水器（drift eliminator）。
热交换方式.
冷却塔可以依传热方式分类：
若是湿式冷却塔（或开路冷却塔），而且在空气较干燥的情形下，可以将冷却水降温到较室温干球温度更低的温度。因为有部份的水会蒸发，蒸发时需要的热能是由冷却水提供，因此冷却水会降温。水蒸发时需要吸收的热能是每公斤420kJ。蒸发后会使冷却水的温度接近湿球温度，此温度较干球温度低，两者的温差视原来空气的湿度而定。
为了提高散热效果，会在冷却塔中加入散热材（fill），以增加水和空气的接触面积，以及接触的时间。溅水散热材（Splash fill）可以中断水流，产生溅水。薄膜散热材用薄膜材料（多半是聚氯乙烯）制成，放置在水流中。两者都可以增加流体（水）和气体（空气）的接触面积及接触时间，以提升散热。
通风方式.
依照冷却塔的通风方式，可以将冷却塔分为以下三种：
双曲面是自然通风冷却塔常见的设计方式，原因是结构强度以及材料的最小化。双曲面也可以加速上升的对流气流，提升冷却效率。此建筑常让人联想到核电厂，不过这是误解，因为大型的火力发电厂也会用双曲结构的冷却塔。而且不是所有的核电厂都需要冷却塔，核电厂也可能用湖水、河水或海水进行冷却。
双曲结构冷却塔的热效率最高可以到92%。
依空气和水流的关系分类.
横流式.
横流（Crossflow）式冷却塔是指气流和水流垂直的冷却塔设计（如图左）。气流由冷却塔的一个或多个垂直面进入冷却塔，吹到散热材上，水流（和气流垂直）会因重力沿著散热材往下流。空气持续流经散热材，会越过水流进入开放的通风空间。最后会由风扇将空气排到大气中。
横流式冷却塔的布水器（distribution）或热水盆（hot water basin）中会包括深的水盆，下方有洞或喷嘴，水盆在横流式冷却塔的上方。水会因为重力透过喷嘴均匀的分布在散热材上。
横流式冷却塔的优点：
横流式冷却塔的缺点：
逆流式.
逆流式（counterflow）冷却塔的气流方向和水流恰好相反。气流会从散热材下方进入冷却塔，垂直往上吹。水会从上方透过加压喷头从冷却塔上方往下喷洒，和气流方向恰好相反。
逆流式冷却塔的优点：
逆流式冷却塔的缺点：
共同的特点.
两种设计的共同特点：
横流式和逆流式冷却塔都可以用在自然对流以及机械对流的冷却塔中。
湿式冷却塔的质量平衡.
以量化的观点，湿式蒸发冷却塔的质量平衡是淡水补充体积流率、蒸发损失、风损失、出汽率和浓缩倍数（concentration cycles）等操作变数所控制。
在旁边的图中，从tower basin抽到的水是流经工厂的制程冷却器以及表面冷凝器的冷却水。冷水会从热的、需要冷却或是冷凝的制程蒸气中吸热，吸收的热会使冷却水（C）加温。温水会回到冷却塔的上方，再往下滴入下方塔内的填充材料中。在水滴下来的过程中，会和经由自然通风或因风扇强制通风而上升的室温空气接触。接触会使得一部份的水因为风而损失（windage drift loss，W），也有一些水会蒸发（E）。蒸发水需要吸热，会使其他的水降温，可以继续冷却循环。不过水蒸发后会留下其中溶解的盐，因此会使得循环水的盐浓度提高。为了避免循环水中盐的浓度过高，需要将部份的水排出（D），另外再补充淡水（M），以补偿蒸发、风损以及排出的水。
以下是流率以及浓度的单位：
整个系统的水平衡可得：
蒸发水（E）中没有盐，因此氯化物的平衡如下：
因此
用简化的冷却塔热平衡式：
风损（W）是因为气流而减少的水量。若没有制造商的数据，大型的工业冷却塔，可以假设如下：
浓缩倍数.
浓缩倍数表示循环水中溶解矿物质的累积程度。一般会用排放冷却水来控制这些矿物质的生成。
补充水的化学特性（包括溶解矿物质的量），其变化范围很广。若是从表面水体（湖水、河水）取得的补充水，比较容易腐蚀金属，若是由地下水（例如水井）取得的补充水，矿物质较高，比较容易有水垢的问题。若增加水中矿物质的量，比较不容易腐蚀管路，不过可能会有水垢。
当浓缩倍数增加时，水中溶解的矿物质可能会超过其溶解度，因而沉淀矿物质固体，会因此而结垢，也会造成冷却塔或是换热器的问题。循环水的温度、管路以及热交换器的表面都会决定循环水的矿物质是否会沈淀，以及在何处沈淀。专业的顾问可以评估冷却塔的工作条件以及补充水量，并且建议适当的浓缩倍数。使用水处理化合物、进行硬水软化、PH值调整等预处理等技术，都会影响浓缩倍数的允许范围。
冷却塔的浓缩倍数多半是在3到7之间，美国许多的供水是使用井水，其溶解矿物质较多。另外，纽约最大的供水系统是用雨水，其溶解矿物质很低，因此其浓缩倍数可以到7，甚至可以超过7。
因为浓缩倍数高表示补充水可以较少，节水措施一般会著重在提高浓缩倍数。若在饮用水稀缺的地区，冷却水使用高度处理的循环水，可以减少在饮用水上的使用。
维护.
冷却塔的冷水盘和表面需清洁，去除可见的尘土和碎屑，并且去肉眼可见的生物薄膜。
需维持冷却塔及热水管中的消毒剂以及其他化学物的含量，并且持续监控。
需要定期用针对水质（特别是好氧菌）进行检查，因为其他的生物可能会产生营养物质，让军团菌可以存活。
水处理.
在大型的工业冷却系统中，除了处理循环水以减少水垢外，循环水也需要经过过滤，以去除杂质，也会加入杀生物剂和，以避免这些生物的滋长，进而影响水的连续流动。在一些特定条件下，冷却水中可能会生成由细菌、真菌或藻类形成的生物薄膜，若这类生物迅速生长，会降低冷却塔的热传效率。利用氯或是其他的化学物质，可以减少或是预防生物薄膜的生成。工业上常见的作法是用二种的杀生物剂，例如一种是氧化型的，另一个是非氧化型，二种杀生物剂可以截长补短，以确保有较广的防护范围。大部份的情形，会持续使用少量的氧化型杀生物剂，再周期性的加入大量的非氧化型杀生物剂。
冷却水会因为排水、气损及蒸发而散失。因此会预备补充水以维持水量，其目的是让机械及设备可以安全稳定运转。
军团病.
冷却塔使用杀生物剂的另一个原因是避免军团菌属细菌的生长，特别是会造成军团病（退伍军人症）的菌种，嗜肺军团菌（"Legionella pneumophila"），或是。军团菌属细菌会造成军团病，此疾病可以透过空气中的悬浮粒子传播，因此吸入含有病菌液滴的空气即可能感染。军团菌属细菌的常见来源包括开放循环蒸发的冷却水系统，家用热水系统、喷泉，或是其他公用给水系统。自然的来源可能包括淡水池或是溪流。
法国研究者指出在法国加来海峡省的石化厂冷却塔中，其中的冷却水含有军团菌属细菌，细菌可以透过空气传播的距离。曾经爆发感染，86人经实验室检验，判断确诊，其中有21人死亡。
风损（Drift或windage）是指冷却塔排出，在空气中以液滴形式散失的水份。风损消除器可以让风损维持在循环水流量的0.001–0.005%。标准的风损消除器会让气流有多方向的变化，避免液滴从冷却塔排出。设计良好，而且适合冷却塔的风损消除器可以大幅降低风损，也可以降低军团菌属细菌暴露或是水处理化学药暴露的风险。每六个月需要检查风损消除器，确定其中没有缝隙，以避免污物自由流动。
美国疾病控制与预防中心（CDC）不建议医疗机构定期针对军团菌属细菌进行检查。是否要针对军团菌属细菌定期进行微生物监控，仍有争议，因为有军团菌属细菌不代表会产生疾病。针对已知会传播军团菌属细菌的设备，美国疾病控制与预防中心建议进行积极的消毒措施，但不建议对细菌进行定期的微生物检测。不过若医院中的病患在特殊的条件（例如造血干细胞移植中心、器官移植中心）容易受到军团菌属细菌感染而患病甚至死亡，需考虑对饮用水进行定期的监测。另外，在军团菌属暴发后，卫生官员同意有必要监控以来识别感染源，并且评估杀生物剂或是其他预防措施的效果。
研究指出冷却塔中有40%至60%含有军团菌属细菌。
产生的雾.
在特定的环境条件下，会看到水蒸气的气流从冷却塔的排气口排出，可能会误认为是火灾产生的烟。若室外空气的水蒸气已饱和或接近饱和，冷却塔又增加空气中的水气，会排出带有水液滴及饱和水蒸气的空气，即为雾。此现象一般会发生在湿冷的天气，不过在许多气候下都很少见。和冷却塔有关的云和雾其特点是其均质性，就像其他人造的云一样（例如飞机云及）。
若是降低排放饱和空气的相对湿度，可以避免此一情形。因此，在混合式冷却塔中，会将排放饱和空气和较热、湿度较低的空气混合。会在风损消除器的上方导入一些空气，使其在热交换器中流动。相对湿度较低的干空气在进入塔内后，会因为加热而让相对湿度进一步降低。排出的混合气体相对湿度较低，也不会形成肉眼可见的雾。
排放盐类及其他物质的污染.
若在海边（或靠近海边），用海水作为补充水的湿式冷却塔，冷却塔排放的水液滴中会含有6%的氯化钠，会散播在附近的陆地上。钠盐在附近农地上的沉积，可能会将会将土壤变为盐化钠质土或盐碱地，并且增加地下水以及表面水的。在没有国家级污染控制标准的地区，或是没有采取措施来降低湿式冷却塔风损的地区，若使用海水作为补充水，其盐分沉积的问题会更严重。
若使用淡水补充水，不会有排放盐类的问题，可是会有其他问题。冷却塔的风损水液滴中，可能会有直径小于10微米（µm）的可吸入悬浮粒子。10微米以上的悬浮粒子会在鼻子和喉咙中被纤毛和粘液过滤，但较小的粒子（PM10）会进入支气管以及肺部，因而形成健康问题。大小小于2.5 µm（PM2.5）的粒子会进入肺部的气体交换区域。非常小的粒子（小于100奈米）会经由肺部进入体内循环，影响其他器官。虽用淡水补充水的总粒子排放会少很多，但其中PM10和PM2.5的比例会比以海水为补充水时要多很多。这是淡水为补充水的风损盐份（小于2,000 ppm）较用海水时（60,000 ppm）要少。
用作排气烟囱.
有些现代的发电厂有配置烟气脱硫设备，例如和罗斯托克发电厂，也会用冷却塔当成排气烟囱，因此可以节省独立烟囱结构的费用。若发电厂没有烟气净化设备，烟气和水可以会反应产生酸，因此会出现腐蚀的问题。
有时自然通风的冷却塔会用结构钢来代替钢筋凝混凝土（RCC）来建造，多半是在自然通风冷却塔的建造时间超过其他设备建造时间时，或是当时的土壤强度不足，无法承载结构钢和混凝土结构的重量，也有可能因为混凝土价格昂贵，为了成本考量，因此用结构钢来制作冷却塔。
火灾危害.
若冷却塔中的部份材料（或全部材料）有可燃物质，可能会助长内部火灾的扩散。因为冷却塔内部的高，再加上自然通风或强制通风的影响，其火势会相当的强。其损害会相当严重，需要更换冷却塔内的所有元件。因此有些制作规模或标准会要求可燃的冷却塔需加装自动洒水系统。若冷却塔没有运作（例如正在兴建中，或因维修原因没有运作），内部的火灾可能会蔓延，甚至在冷却塔有运作时，针对诱导通风的系统，可能会因为部份区域相对来说较干，而可能产生火灾。
低温环境下的处理.
有些冷却塔（例如较小型的大楼空调系统）为了避免结冻造成的损害，会在冬季关机、将水排空并且防冻。
在冬季时，有些持续运作的冷却塔会使流出的水温度在。针对寒冷的天气，会使用Basin加热器等防冻的对策。在运作中的冷却塔在天气非常寒冷时也可能会误动作。一般来说，结冻会先出现在冷却塔的中央，在热负载较小，或是没有热负载时出现。严重的结冻会让水变成冰，其体积膨胀，因此会增加结构上的受力，可能会造成结构受损或是倒塌。
为了避免结冻，可以采取以下的措施：
结构稳定性.
非常大的冷却塔很容易因风力而受损，过去也曾发生过大型结构的失效。英国西约克郡的在1965年11月1日，因为强风造成的振动，造成三座冷却塔而倒塌。此结构的设计是可以承受较高的风速，但冷却塔的形状导致西风漏斗状的绕著塔旋转，形成涡旋。八座冷却塔中有三座倒塌，另外五座也严重受损。后来八座冷却塔都已重建，而且有强化，可以承受恶劣的天候。后来也有修改建筑法规，其中包括改善结构支撑，以及为了确认冷却塔的结构和组态，需进行风洞测试。