冷卻塔功能及型式介紹
一、冷卻水塔的功能及基本原理
所謂冷卻水塔顧名思義即是應(yīng)用于散熱冷卻為目的之塔狀灑水系統(tǒng)；以一般常見于樓頂之中小型空調(diào)用冷卻水塔而言，其結(jié)構(gòu)不外乎一圓型或方形殼體，而殼體內(nèi)由上而下分別為一抽風(fēng)馬達(dá)及帶動(dòng)之抽風(fēng)扇，擋水板，撒(散)水器，散熱材(填充材)，入風(fēng)口，最底下為水槽、進(jìn)出水管及抽水馬達(dá)，其功能為將空調(diào)主機(jī)所吸收或產(chǎn)生之熱能經(jīng)由冷卻水的傳送在冷卻水塔中藉由水與空氣的直接接觸將熱能排放至大氣中。由于水具有高潛熱(蒸發(fā)熱)熱能，加上取得容易，而空氣具有吸濕能力，在這種有利條件下，冷卻水塔成為散熱最有效且最便宜的工具。
冷卻水塔內(nèi)擋水板主要用于阻擋細(xì)小水滴的散失，當(dāng)熱水透過灑水噴嘴均允噴灑在冷卻水塔內(nèi)之填料上端，藉由重力向下方流動(dòng)，由于空氣的反向流動(dòng)會(huì)造成較小液滴隨空氣流往上帶走，為了減少冷卻水的損失，須于水塔灑水噴嘴上方設(shè)置擋水版裝置，小液滴遇到擋水裝置受到阻擋而附著于檔水版上，等檔水版上之液滴累積至較大時(shí)，當(dāng)其重力高于空氣流帶動(dòng)之阻抗反向力時(shí)，水滴便會(huì)向下掉落于填料上。
二、冷卻水塔形式分類簡(jiǎn)介
市面上之冷卻水塔形式種類相當(dāng)多，依空氣驅(qū)動(dòng)型式大致可分為機(jī)械力驅(qū)動(dòng)型(Mechanical draft)及自然對(duì)流型(Nature Draft)；依空氣與水的相對(duì)流路方向，冷卻水塔基本上又可分為反向流式(俗稱逆流式或反流式)及交叉流式(俗稱橫流式或交流式)；依冷卻水環(huán)路又可在分為密死循環(huán)路型冷卻水塔或稱為密閉式冷卻水塔，另一種即為開放環(huán)路型冷卻水塔或稱為開放式冷卻水塔，其中密死循環(huán)路型冷卻水塔又稱為蒸發(fā)型冷卻水塔。有關(guān)各型冷卻水塔之特點(diǎn)將敘述如下。
三、機(jī)械驅(qū)動(dòng)空氣型(Mechanical Draft)冷卻水塔
特色是藉由一機(jī)械動(dòng)力(一般即為馬達(dá)風(fēng)扇)驅(qū)使空氣流動(dòng)，與水塔內(nèi)冷卻水或熱交換器進(jìn)行熱質(zhì)傳遞，藉以降低冷卻水溫度。依風(fēng)扇位置可分為抽風(fēng)式及吹入式兩種，所謂吹入式是用風(fēng)扇將空氣吹入殼體內(nèi)側(cè)與殼內(nèi)冷卻水進(jìn)行熱質(zhì)傳交換作業(yè)，通常由殼的下方吹入，吸收水蒸氣之濕空氣則由上方吹出，如圖2所示為吹入式冷卻水塔之一例，此型依風(fēng)扇之型式可分為離心式及軸流式，圖2所示即為離心式風(fēng)扇，離心式者其特色為具有較高之風(fēng)壓，可運(yùn)用于較高阻抗設(shè)計(jì)之熱交換散熱填料。一般常見于蒸發(fā)型冷卻水塔。圖3所示為軸流吹入式冷卻水塔之一例，亦有用雙層風(fēng)葉型者以增加軸流風(fēng)扇之風(fēng)壓。
吹入式冷卻水塔是透過風(fēng)扇將外氣吹入塔內(nèi)，因此塔內(nèi)空氣為正壓(大于一大氣壓)，密度亦較高于大氣壓力下之空氣密度，因此空氣之熱交換系數(shù)略高，這是吹入式冷卻水塔的優(yōu)點(diǎn)。通常吹入式冷卻水塔之塔的周邊氣密度(封閉度)要求較高，原因是避免塔內(nèi)空氣無法完全由頂端吹出，造成空氣未能完全與冷卻水充分接觸進(jìn)行熱質(zhì)傳遞；其次吹入式受風(fēng)扇葉片影響其空氣動(dòng)能于入口端局部較大，局部風(fēng)速亦會(huì)較高，而末端(出風(fēng)口端)之出口空氣流分散，出風(fēng)速度較為平穩(wěn)，局部出風(fēng)動(dòng)力不若抽風(fēng)式者高，因此相對(duì)而言出風(fēng)回流的情形較多，此為吹入式冷卻水塔的缺點(diǎn)。
抽風(fēng)式冷卻水塔通常于塔頂裝有一馬達(dá)驅(qū)動(dòng)之軸流式風(fēng)扇，由于屬抽氣式因此于其塔內(nèi)之空氣為負(fù)壓(低于一大氣壓)，塔內(nèi)空氣密度較低，因此熱質(zhì)傳系數(shù)亦會(huì)較低，這是抽風(fēng)式的缺點(diǎn)。但由于其出口之風(fēng)扇葉片局部帶動(dòng)，出口空氣局部流速較高，吹出之局部風(fēng)速亦較大，因此排出之濕空氣可吹離較遠(yuǎn)，其回流量遠(yuǎn)較吹入式冷卻水塔少，這是抽風(fēng)式的優(yōu)點(diǎn)。然而因空氣密度較低(因?yàn)槌隹诳諝鉁囟容^高且含濕量較較大)之故，抽風(fēng)式需求較大之風(fēng)力驅(qū)動(dòng)動(dòng)能。
自頂部溢出之水滴往往是機(jī)械驅(qū)動(dòng)空氣型冷卻水塔所很難完全避免的，由于冷卻水塔之冷卻水降溫模式須利用空氣與水的直接接觸，由空氣帶走蒸發(fā)之水蒸氣，因此所需之空氣與水的接觸面積特別多，因而水滴撒下時(shí)當(dāng)風(fēng)速足以帶動(dòng)水滴時(shí)，水滴即可能隨風(fēng)向而向上飄逸出水塔，造成飛濺損失現(xiàn)象，因此通常于出水口附近(風(fēng)扇下方)設(shè)有擋水板以便阻擋水滴飛濺損失。抽風(fēng)式冷卻水塔的水滴飛濺損失往往又比吹入式冷卻水塔者多，原因是抽風(fēng)式冷卻水塔之出口局部風(fēng)速較大所致，此點(diǎn)亦是抽風(fēng)式冷卻水塔之缺點(diǎn)。
四、自然對(duì)流驅(qū)動(dòng)空氣型(Nature Draft)冷卻水塔
自然對(duì)流驅(qū)動(dòng)空氣型冷卻水塔特點(diǎn)是空氣之流動(dòng)是依其溫度差或密度差所形成之浮力帶動(dòng)空氣流動(dòng)之冷卻水塔，不藉由機(jī)械動(dòng)力驅(qū)使空氣流動(dòng)，其原理是利用密度差驅(qū)使空氣自然對(duì)流以達(dá)到循環(huán)空氣的效果；在冷卻水塔內(nèi)部空氣含濕度及溫度均較塔外高，溫度越高相對(duì)密度越低，含濕量越多相對(duì)密度也越低，由于塔內(nèi)空氣密度較塔外空氣密度低的緣故，塔內(nèi)含濕空氣上浮的結(jié)果促使塔外干空氣由塔底流入塔內(nèi)，達(dá)到相同于機(jī)械力驅(qū)動(dòng)型冷卻水塔之空氣循環(huán)的效果。圖4、5分別為逆流式及交流式自然對(duì)流型冷卻水塔。
除了上述分類外，冷卻水塔亦可有機(jī)械驅(qū)動(dòng)空氣與自然對(duì)流驅(qū)動(dòng)空氣兩類之混和型，一種較先進(jìn)型自然對(duì)流冷卻水塔，于底部采用風(fēng)扇輔助帶動(dòng)空氣流(Fan assist cooling tower)，如圖6所示，這種方式可節(jié)省塔的高度，初期費(fèi)用也較少，但運(yùn)轉(zhuǎn)電力消耗產(chǎn)生之費(fèi)用增加是其缺點(diǎn)。另一種將自然對(duì)流式冷卻水塔內(nèi)部裝置燃燒后之廢熱煙道排出口，其中去硫化物裝置亦可同時(shí)裝置于塔內(nèi)，利用排氣熱量增加煙道氣體溫度，達(dá)到增加對(duì)流效應(yīng)，如此可降低塔高節(jié)省初期經(jīng)費(fèi)。
五、逆流式與交流式冷卻水塔形式介紹
依空氣與水的相對(duì)流路方向，冷卻水塔基本上又可分為反向流型(俗稱逆流式或反流式，如圖1~3所示)及交叉流型(俗稱橫流式或交流式，如圖7所示)，空氣與水于塔內(nèi)進(jìn)行熱質(zhì)傳交換的過程中，當(dāng)空氣與水成相反方向流動(dòng)者，此稱為逆流式冷卻水塔，而空氣與水成垂直方向流動(dòng)者，此稱為交流式冷卻水塔。
常見之逆流式冷卻水塔多應(yīng)用于圓型塔狀結(jié)構(gòu)，圓形塔狀結(jié)構(gòu)之冷卻水塔多為單一型設(shè)計(jì)(但有時(shí)亦為雙機(jī)型設(shè)計(jì))，主要原因是圓形塔狀結(jié)構(gòu)具有環(huán)型之入風(fēng)口，入風(fēng)量大，因此效率亦會(huì)較高，圓形者可考慮多風(fēng)扇組合，亦可達(dá)到充分的空間利用。方形冷卻水塔較具模塊功能，通常可做為多單元組合型，配合房屋空間利用，方形適合多單元組合排列成一直線，這對(duì)空間的利用具有極大優(yōu)勢(shì)，所占面積相對(duì)較小。一般方形之空氣入口設(shè)于下方兩側(cè)，逆流式方形冷卻水塔受入風(fēng)口的限制多屬小噸位型，大噸位型則以交流式為主。逆流式冷卻水塔之空氣主要由散熱填料下方向上流動(dòng)，淋水則由上方受重力向下流動(dòng)形成與空氣逆向流動(dòng)，逆向流具有高熱交換系數(shù)，原因是當(dāng)水越接近下方，越接近空氣入口，此時(shí)之空氣含濕量亦較低，濕球溫度相對(duì)亦較低之故，即使接近出口之較低溫水亦能持續(xù)散熱致空氣中，而于空氣接近出口處，空氣因吸濕的緣故溫度較空氣入口提高許多，然而此處亦即為水的入口處(接近撒水處)，水溫亦相對(duì)較高，因此水的熱能仍可持續(xù)傳送至空氣中，逆向流冷卻水塔之空氣濕球溫度與水溫之相對(duì)變化圖如圖8所示，水溫與空氣始終可保持一定之溫差，因此熱交換效率較高。
交流式冷卻水塔市面上主要設(shè)計(jì)為方形，亦有圓形之設(shè)計(jì)，形狀的差異主要是考量場(chǎng)地空間的安排，以方形較容易安置，方形交流式冷卻水塔空氣由水塔側(cè)方流入，與重力向下流之撒水成垂直，由于水塔兩側(cè)面積大，空氣入口相對(duì)截面積亦較大，因此此型設(shè)計(jì)多為大噸位型式；交流式冷卻水塔之填料通常安裝成與水平成一頃斜角度，原因是空氣入口流動(dòng)方向會(huì)使水滴向內(nèi)流動(dòng)；由于交流型冷卻水塔熱交換區(qū)域位于兩側(cè)，抽風(fēng)扇下方乃設(shè)計(jì)為中空型式，空氣由兩側(cè)向中心之空間流動(dòng)，最后再由上端之風(fēng)扇抽離，因此交流型均屬抽風(fēng)式冷卻水塔。方形交流式冷卻水塔最大的優(yōu)點(diǎn)是空間的布置較容易，具有較佳之模塊能力，可于另一側(cè)邊多組并列仍不影響空氣進(jìn)口側(cè)邊風(fēng)道；交流型的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是飛濺損失量較少，當(dāng)空氣由兩端流入中心空間后須由近乎水平轉(zhuǎn)為向上，具有慣性力之水滴較難轉(zhuǎn)向而隨風(fēng)扇流出。不過交流型冷卻水塔水溫分布不均(見圖9所示)以及單位傳熱面積之傳熱效果較低是其缺點(diǎn)，位于水塔近于入風(fēng)口兩端側(cè)邊水溫最低，且水流向下使得外側(cè)低溫之水始終與低溫之入口空氣接觸，而位于水塔較內(nèi)側(cè)之冷卻水所接觸之空氣均為空氣之下游端，空氣越接近下游端其含濕量越高，因此濕球溫度越高，此時(shí)所能吸收冷卻水之蒸氣量較有限，所以內(nèi)側(cè)水溫亦相對(duì)較外側(cè)高些。顯然內(nèi)側(cè)傳熱填料之熱傳量較外側(cè)傳熱填料略差，因此水溫分布不均時(shí)整體之冷卻能力也會(huì)些微降低。
六、噴流式冷卻水塔設(shè)計(jì)
噴流式冷卻水塔是一種所謂可長(zhǎng)期不須維修之冷卻水塔，如圖10所示，原因是此型之冷卻水塔不需要（沒有）轉(zhuǎn)動(dòng)組件、不需要（沒有）浸濕填料、以及沒有電路在里頭；由于使用的條件分布的很廣，在運(yùn)轉(zhuǎn)及維修上情形各異，端視空氣品質(zhì)及水的純凈度而定。
有關(guān)噴流式冷卻水塔之一般性維修說明如下，由于冷卻水塔主要是配合冷凍空調(diào)主機(jī)或工業(yè)制程之冷卻，一般均視為主機(jī)之附屬系統(tǒng)，且與主機(jī)配置位置多不在同一位置，雖然主機(jī)被視為定期保養(yǎng)的重點(diǎn)，但冷卻水塔之相關(guān)維護(hù)及保養(yǎng)工作則時(shí)常被人們遺漏。對(duì)于噴流式冷卻水塔之系統(tǒng)維護(hù)主要與空氣及水的潔凈度有密切的關(guān)連，在空氣方面，工廠廢氣及一些不溶性固體粒子均是造成腐蝕的元兇；水方面特別是水蒸發(fā)后之不純物會(huì)積存于循環(huán)水系統(tǒng)中，濃度高到某一成度后，相關(guān)之結(jié)垢及腐蝕就會(huì)產(chǎn)生。隨著空氣及水的潔凈度得決定固定排水量以及保養(yǎng)周期。
因噴流式冷卻水塔（無風(fēng)扇冷卻水塔）之保養(yǎng)維護(hù)很少，因此此種冷卻水塔一般又視為無故障型冷卻水塔，它的保養(yǎng)相對(duì)少且簡(jiǎn)單，包括噴嘴的保養(yǎng)、補(bǔ)給水閥的保養(yǎng)、水槽的清理、排水系統(tǒng)檢視及調(diào)整、漏水的檢查、以及金屬表面保護(hù)漆的檢查等等。
于噴流型冷卻水塔之噴水速率較高，噴嘴較小，其中阻塞的問題須特別小心處理，因此水質(zhì)過濾須較為講究，一般裝設(shè)有雙重過濾網(wǎng)，除了在水槽內(nèi)之較粗粒過濾網(wǎng)外，在噴流分散管前設(shè)有一道較細(xì)粒子過濾網(wǎng)，為了避免噴嘴阻塞，須時(shí)常保持濾網(wǎng)的清潔，因此濾網(wǎng)的設(shè)計(jì)應(yīng)以易取易裝為原則。
由于噴水情況須時(shí)常檢視，空氣進(jìn)口穩(wěn)流分布器應(yīng)設(shè)計(jì)為容易拆取式，以便能進(jìn)行噴流觀測(cè)。噴流分布管緊跟著空氣進(jìn)口穩(wěn)流分布器之后，取出空氣進(jìn)口穩(wěn)流分布器即可觀測(cè)噴流是否正常。當(dāng)噴嘴口有阻塞的現(xiàn)像時(shí)可用非金屬類之毛刷刷洗。
七、開放型（Open Type）及密閉型（Closed Type）冷卻水塔
由冷卻水循環(huán)環(huán)路區(qū)分亦可分為開放水循環(huán)環(huán)路型（Open Type）簡(jiǎn)稱開放型及密閉水循環(huán)環(huán)路型（Closed Type）簡(jiǎn)稱密閉型冷卻水塔，開放型冷卻水塔經(jīng)常被用于冷凍空調(diào)系統(tǒng)或工業(yè)制程機(jī)構(gòu)之冷卻用，例如在冷凍空調(diào)系統(tǒng)中其循環(huán)之冷卻水主要目的是作為冰水主機(jī)冷媒之冷凝用，當(dāng)冷卻水于冷凝器內(nèi)吸收冷媒冷凝所排放之熱量后，冷卻水溫度會(huì)提升，為了將此冷卻水循環(huán)再利用，因此在冷卻水塔藉由塔內(nèi)內(nèi)部之空間進(jìn)行空氣與水之直接對(duì)流熱交換及質(zhì)傳，此空間通常裝有填充材料以增加冷卻水與空氣之熱質(zhì)傳遞面積，并用一風(fēng)扇將空氣自下向上抽送，上升之空氣與自灑水單元灑落之冷卻水直接接觸，部分之冷卻水因蒸發(fā)氣化與被空氣吸收帶離，蒸發(fā)氣化之冷卻水可帶走大量熱能，而達(dá)到冷卻水降溫的作用，此低溫之冷卻水即可藉由循環(huán)泵輸送至冷凝器吸收冷媒冷凝所釋放出之熱能。
由于傳統(tǒng)之冷卻水塔為開放式結(jié)構(gòu)，循環(huán)之冷卻水直接與空氣接觸，因此空氣中之污染物質(zhì)很容易藉由與冷卻水接觸的同時(shí)被水吸收。長(zhǎng)期與空氣接觸之下，因冷卻水不斷蒸發(fā)因此須不斷有新的水補(bǔ)充，如此一來極易使冷卻水之離子濃度增加，另外摻塵及其它各種因素，亦會(huì)造成輸送之冷卻水水質(zhì)污濁及離子濃度增加，極易形成結(jié)垢現(xiàn)像于管路及冷凝器中，此積存之水垢不斷累積導(dǎo)致流道縮減，造成輸送馬力增加以及冷凝器內(nèi)之熱阻抗增加等，熱交換效率因而降低使得系統(tǒng)之效率下降，形成能源浪費(fèi)及熱交換器使用年限降低等問題。
為改善開放式冷卻水塔造成熱交換器無可避免之腐蝕及結(jié)垢問題，密閉式冷卻水塔成為最佳的選擇，密閉型冷卻水塔，主要是由一密閉回路之一次側(cè)冷卻水循環(huán)管路(原開放型之冷卻水)再搭配一開放之二次側(cè)冷卻水回路所構(gòu)成，如此之安排可使一次側(cè)冷卻水完全在一密閉回路中循環(huán)，而避免水垢因素之困擾，同時(shí)開放型之二次側(cè)又兼具相變化之熱傳機(jī)構(gòu)，兩者之間并以一高效率之液對(duì)液管排式熱交換器或板片式熱交換器來達(dá)成熱交換之目的；如此安排之冷卻水塔其關(guān)鍵性之組件為，高效率之灑水及噴水頭、液對(duì)液管排式或板片式熱交換器及檔水簾等。
密閉型冷卻水塔以管排式密閉型冷卻水塔結(jié)構(gòu)較多，如圖11所示，多用以進(jìn)行冷凍空調(diào)系統(tǒng)或工業(yè)制程機(jī)構(gòu)冷卻水之冷卻作業(yè)，保持冷卻水水質(zhì)避免結(jié)構(gòu)發(fā)生于冷凍空調(diào)系統(tǒng)或工業(yè)制程之機(jī)構(gòu)內(nèi)部，維持機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期性之高熱傳效率進(jìn)而達(dá)到延長(zhǎng)機(jī)構(gòu)壽命及節(jié)約能源并節(jié)省維護(hù)費(fèi)用等等，除了管排式外，利用板式熱交換器于密閉型冷卻水塔結(jié)構(gòu)亦是有效的方式，目前能資所已在積極進(jìn)行其高效率板片熱交換器應(yīng)用于冷卻水塔的研發(fā)，且已累積數(shù)年經(jīng)驗(yàn)。
八、減輕可視水氣排放式冷卻水塔(節(jié)水型)設(shè)計(jì)
一般冷卻水塔（傳統(tǒng)型）排放之水氣混和皆趨近于或超越飽和狀態(tài)，完全蒸發(fā)之水蒸氣是無色的，然而若排氣中帶有未完全蒸發(fā)之水霧則會(huì)有白色煙霧(水霧)形成，當(dāng)氣溫較低的情況下，白色蒸汽造成視覺障礙的情況越是嚴(yán)重，有些地區(qū)更是會(huì)造成視覺障礙，特別是冬天的季節(jié)因氣溫較低，當(dāng)水蒸氣排放入大氣時(shí)即因遇冷而形成水霧。如果要避免水霧造成視覺障礙的現(xiàn)像時(shí)，排放之水氣盡可能低于飽和狀態(tài)，一種可減輕水氣排放之冷卻水塔設(shè)計(jì)，如圖12所示者，其設(shè)計(jì)原理是將冷卻水塔分為干、濕兩段，干段區(qū)位于熱水入口之上游區(qū)，濕段位于下游區(qū)，熱水首先于干段上游區(qū)與空氣進(jìn)行熱交換，此區(qū)之水與空氣完全區(qū)分成兩路，互不相接觸，因無水蒸發(fā)故空氣保持干燥，一般設(shè)計(jì)此區(qū)段多采用管鰭式熱交換器或僅裸管式熱交換器，熱水經(jīng)由干段后緊跟著進(jìn)入濕段區(qū)，濕段區(qū)水與空氣直接接觸進(jìn)行熱質(zhì)傳遞，此段空氣因水的蒸發(fā)出口趨近于飽和狀態(tài)；干空氣與濕空氣于風(fēng)扇排氣前進(jìn)行混和，然后排入大氣中，由于已遠(yuǎn)離飽和線，排氣后要形成水氣較不容易因此不回有水霧排放的現(xiàn)像造成視覺障礙的問題困擾。然而因增加干段區(qū)，此種設(shè)計(jì)會(huì)增加成本，當(dāng)然因此亦有減少水蒸發(fā)量的效果。
九、結(jié)論
冷卻水塔型式種類相當(dāng)多，目前市場(chǎng)主要仍以傳統(tǒng)開放式為主力產(chǎn)品，然而結(jié)構(gòu)問題一直是最難以有效克服的問題，隨著密閉型冷卻水塔觀念不斷普及，未來在成本上若能進(jìn)一步克服，高效率密閉型冷卻水塔將有機(jī)會(huì)取代傳統(tǒng)開放型冷卻水塔，其次噪音的問題仍待解決，無風(fēng)扇冷卻水塔將可有效解決噪音的問題，但仍待進(jìn)一步產(chǎn)品改良。