冷却塔

冷却塔（Cooling tower）是使水冷却的塔式散热装置。^[1][5]冷却塔通过冷却水在塔内与大气充分直接或间接接触，利用水蒸发散热将工作流体冷却到接近湿球空气温度，或是将工作流体冷却到接近干球空气温度，使水将热量传给大气。^[5]

冷却塔出现于二十世纪初。^[3]1918年，荷兰工程师伊特森（Frederik van Iterson）和库珀斯（Gerard Kuypers）为双曲面冷却塔申请了专利。^[2]1923年，沃克等人提出了冷却塔运行的基础理论。随后，自然通风式冷却塔的建造高度逐步发展，冷却塔的技术不断革新，于1970年代左右出现了提高冷却能力的塑料薄膜式填料。^[12][13]1981年，冷却塔研究所CTI更新并修订了认证标准STD-201，确保一系列冷却塔的性能符合制造商公布的热性能等级。^[14]

冷却塔的基本工作原理是蒸发凝结和热量交换，^[5]可按照工作原理（通风方式、水和空气是否直接接触、水和空气的流动方向、水和空气的接触方式）、应用领域、噪声级别和形状对其进行分类。^[7][8]不同类型的冷却塔具有构造上的区别，例如自然通风冷却塔不安装风机，逆流式冷却塔使用喷淋装置等。^[8]从技术角度来看，在中国由国核电力院于2017年率先攻克了核电冷却塔超高超大、高位集水、高效节能、耐久性等技术难题，并掌握了关键的计算分析方法。^[15]

冷却塔具有冷却能力、噪声、耗电比、飘水率等性能指标，其关键技术包括双曲型结构及用于冷却的填料材料。^[9][6][7]冷却塔可被用于工业、电力行业、空调系统等领域。^[4]未来冷却塔的发展趋势主要包括高效节能、智能化运维、防腐蚀材料和涂层的研发以及水资源节约等方面；从应用领域来看，电力系统、数据中心、半导体等行业对冷却塔有着广泛的需求。^[16]

冷却技术设备最早被用于十九世纪末。^[17]在工业革命时期，蒸汽机的使用需要冷凝器，冷凝器使用温度相对较低的水，使从汽缸或涡轮机中排出的蒸汽凝结。然而，冷凝器需要充足的冷却水的供应，对冷却水的需求限制了许多陆基机器。^[18][19]

到20世纪初，为供应冷却水，在有可用土地的地区，系统采用冷却池的形式；在土地有限的地区，例如城市，采用冷却塔的形式。早期的冷却塔要么位于建筑物的屋顶上，要么作为独立结构，由风扇提供空气或依靠自然气流。^[3]1901年，一位美国工程师提出了一种特殊的设计——类似于垂直缩短的烟囱的矩形或圆形外壳，从冷凝器中抽出水到顶部，顶部是一组分配槽，水滴落在木制或编织的金属丝网上。^[4]冷却塔发展的主要原因是电厂的发展与对提高工作效率的追求。^[13]

1914年，荷兰工程师伊特森（Frederik van Iterson）和库珀斯（Gerard Kuypers）开始建造高度为35m的双曲面冷却塔（hyperboloid cooling tower, HCP），并于1918年申请专利。^[17][2][6]这项专利比以前的冷却形式效率更高，并迅速发展为冷却塔的标准，沿用至今。^[18]

1919年，世界上有了木外壳钢结构的横流式冷却塔，1920年，法国敦刻尔克建造了具有加强肋的混凝土锥型壳体冷却塔。^[12]

1923年，沃克（Walker）等人首次描述了湿式冷却塔内的热量交换和质量交换过程，提出了冷却塔运行的基础理论。^[20][13]

1925年，默克尔（Merkel）统一了水滴与空气的传热传质过程，引入了焓hán的概念，得到了焓差法，提出了广泛使用的默克尔数。^[20][13]

1967年，米尔恰（Mircea）基于壳体弯曲理论首次对冷却塔塔体结构进行分析。^[6]

1984年，韦伯在理论上对冷却塔、蒸发式冷凝器和蒸发式流体冷却器进行了统一的热力学分析，将水膜的传热系数、通过水膜传递给空气的传质系数分别用不同的数表示。^[13][21]

1996年，莫修丁和康特的研究解释了湿式冷却塔的热力设计方面的细节程序。^[13]

1924年，英国的第一座冷却塔建造于利物浦利斯特大道的一座燃煤发电站里，高120英尺（约36.5m）。^[22]

1954年，德国柏林建造了第一个预制构件的双曲线自然通风冷却塔。^[12]

1958年，美国建造了第一个超100m高的自然通风冷却塔。^[12]

1960年，英国建造了第一个双曲线自然通风干式冷却塔。^[12]

1971年，美国的电厂冷却塔高度达到了150m。^[12]

目前德国科隆的超大型冷却塔高度已经达到了200m，淋水面积达到14000m2。^[12]

二战后，对空调建筑的需求快速增长，商用空调行业开始考虑噪声因素和使用非可燃材料。因此，在1950年代后期，当工厂组装的冷却塔被用于商业空调项目时，冷却塔使用静音离心风机，并由镀锌钢制成。^[13]

1970年代左右，塑料薄膜式填料出现，增加了水与空气的接触面积，提升了冷却能力。这种填料先被用于采暖通风空调工业，后发展到化工和电力行业，是冷却塔的一次重要的技术革新。^[13]

2021年，董（Peixin Dong）等人提出了一种新型的直接空气捕获（DAC）系统，该系统将传统的自然通风干式冷却塔与当前的DAC技术相结合，以降低捕获二氧化碳的运行成本。捕获二氧化碳时，水分蒸发，可提高冷却塔约16%的冷却能力，冷却塔提供的自然通风效应可为系统节省大量电能。^[23]

同年，麻省理工提出了一种蒸汽回收方法：使用离子束使蒸汽带电，然后将其捕获在带有相反电荷的金属丝网上，水的纯度超过了EPA的饮用标准。蒸汽回收系统旨在捕获发电厂冷却塔排出的蒸汽羽流。^[24]

2022年，中国国核电力院的廉江核电项目一期工程建设两座超大型高位海水冷却塔，属世界首创，采用海水二次循环冷却方案，将大大减少用海面积，降低温排水余热，对海洋环境、通航产业和沿海经济更加友好。^[15]

冷却塔基本工作原理是蒸发凝结和热量交换，通过冷却水在塔内与大气充分直接或间接接触，利用水蒸发散热将工作流体冷却到接近湿球空气温度，或是将工作流体冷却到接近干球空气温度，使水将热量传给大气。^[5]

以典型的双曲型自然通风冷却塔为例，塔中的热量交换是通过空气的自然对流实现的。^[4]自然对流由内外空气的密度差驱动，内部空气温度高、密度低，外部环境空气温度低、密度高。^[8]而机械通风式冷却塔则利用风机制造塔内气流。^[8]

冷却塔一般主要由塔体、填料、配水系统（水槽或管道与喷头）、通风设备（即风机）、空气分配装置（如：进风口、百叶窗、导风板、风筒）、除水器（又称收水器）、集水器（又称水盘、集水槽）等部分构成。^[10][11]

塔体：冷却塔的外壳体。^[10]填料：大多数冷却塔使用由塑料或木材制成的填料，以最大限度地增加水和空气的接触来促进传热。填料分为溅水型和薄膜型，使用溅水型填料，水落在水平飞溅条的连续层上，不断分解成更小的水滴，同时也润湿填充表面。使用薄膜型填料，水在薄而紧密的塑料表面上扩散，形成与空气接触的薄膜。^[10]

配水系统：将循环冷却水均匀喷洒到填料顶部。^[11]

风机：在机械通风冷却塔的上塔体风筒内，设置用电机带动的风机，利用风机转动产生设计的空气流量（即风量），以保证足够的空气与水进行热交换，达到冷却效果。^[8]进风口：空气进入冷却塔的入口。^[10]百叶窗：平衡进入填充物的气流并将水保留在塔内。^[10]

除（收）水器：位于塔底或塔底附近的冷水池，用于接收流经塔的冷却水并填充。^[10]

冷却塔的分类主要依据工作原理，包括通风方式^[8]、水和空气是否直接接触^[5]、水和空气的流动方向^[8]、水和空气的接触方式^[7]。其它分类标准还包括应用领域、噪声级别、形状等。^[4][8]

自然通风冷却塔塔内的低压是由烟囱内加热的空气（密度较低）与塔外相对低温的环境空气（密度较高）之间存在的密度差产生的，没有安装机械装置。这种冷却塔在相对湿度较高的地区运行更有效。^[8]

机械通风式冷却塔塔内使用单个或多个风扇，通过风扇容量控制和调节风扇的运转，以补偿不断变化的大气和负载条件，降低塔内的气压。^[8]

混合通风冷却塔是安装了风扇的自然通风冷却塔，风扇可能只需要在高环境负载和峰值负载期间运行，这是为了尽量减少用于空气流动的马力的同时尽可能减少堆栈成本的影响。^[8]

在开式冷却塔内部，水与空气直接接触，使热量直接被传递到空气中。^[7]

开式冷却塔具有结构简单、造价低、维护检修方便等优点，是早期最常用的一种冷却设备。然而，开式冷却塔运行时噪音较大，这是由暴露在空气中的风机马达和叶片造成的。由于是开式系统，冷却塔在运行时会产生漂水现象，造成水量损失，同时一定程度上会降低冷却水的水质，且外界的杂物的进入也会造成水质污染。另外，开式冷却塔的冷却水压力损失要高于闭式冷却塔。^[25]

闭式冷却塔内使用热交换器，水与大气非直接接触。^[7]

闭式冷却塔的冷却效率高，闭式循环能够保证水质不受污染，防止杂物堵塞管道。然而，当外界气温较低时，易引起引起冷却器局部冻裂，需停掉喷淋水系统，否则可能会冻坏换热管或冷却塔的其他部件。^[25]

横流式冷却塔的特点是空气水平流动穿过填料，与向下流动的水交汇，内部是一个重力系统，无需喷淋装置。^[8]优点是配水系统可以承受更大的水流波动，低静压降，节省运营和能源成本。但易受寒冷天气和低温影响。^[26]

逆流式冷却塔的特点是空气垂直向上通过填料，水则向下流动，需要安装喷淋装置。^[8]垂直穿过填料的空气使最冷的水与最干燥的空气接触，喷淋产生的较小液滴更有效地利用可用空气，提高了塔的性能。^[26]由于需要延长进气和排气室、使用高压喷雾系统、气压损失较高，逆流式冷却塔相比横流式塔高更高、需要更多的泵头和更多的风扇。^[8]

混流式冷却塔的特点是冷却介质和冷却空气在塔内同时流动，介质和空气之间进行热交换。^[27]

湿式冷却塔采用蒸发冷却，将水喷洒到填料或管子等热交换介质的表面，热量通过蒸发传递。湿式冷却塔冷却效率高，但消耗的水量比干式冷却塔更大。^[7]

干式冷却塔使用空气作为冷却介质，利用热交换器，热水通过管道，热量被传递到环境空气中。干式冷却塔能最大限度地减少用水量，因此通常在缺水的环境下使用。但冷却效率较低。^[7]

根据中国国家标准规定，冷却塔的性能指标包括：冷却能力、噪声、能效（耗电比）、飘水率。由指标之间相互关联，不应对单一指标进行独立测试。^[9][11][28]

对于开式冷却塔，冷却性能与进水温度、出水温度、设计温差、湿球温度、干球温度、大气压力有关，这些物理量在按其它工况设计时，应换算到标准工况。^[9]

对于中小型开式冷却塔，实测冷却性能计算原理为：先将测试工况下的实测冷却水温差换算成标准工况条件下的冷却水温差，即用实测的风量、工况参数求出实测的冷却数，将该冷却数代入标准工况。再用标准工况的名义冷却水流量、进塔水温、湿球温度和对应的实测风量，求出此时的出塔水温，将该出塔水温差与标准工况的进行比较。^[9]

对于大型开式冷却塔，冷却性能的计算中还需要测量进塔水流量、进塔空气流量和风机轴功率。^[11]对于闭式冷却塔，还需要进塔循环冷却水流量、风机功率。^[28]

冷却塔的噪声值不得超过规定的噪声值：对于中小型开式冷却塔，对于不同的名义冷却水流量，规定了噪声级别I、II、III、IV、V的噪声值，前四级对应标准工况I，第五级对应标准工况II。对于大型开式冷却塔，对于不同范围的名义冷却水流量，规定了标准点噪声值。对于闭式冷却塔，对于不同的名义冷却水流量，规定了噪声级别I、II的噪声值。^[9][11][28]

冷却塔的能效按耗电比分为5个级别。^[9][11][28]

中小型开式冷却塔和闭式冷却塔的飘水率应≤0.010%，大型开式冷却塔的飘水率应≤0.005%。^[9][11][28]

塔体的双曲型结构从空气动力学的角度、强度和稳定性方面，为冷却塔提供了最佳的构造条件。双曲型结构使冷却塔具有负高斯曲率的优点，在抵抗外部压力的稳定性方面优于直塔。塔底加宽，可容纳大型填料，便于循环水薄膜的蒸发冷却。^[6]

另外，双曲型结构还应用了文丘里效应，以提高冷却塔的冷却能力。文丘里效应指的是空气在从较宽的截面区域传递到较窄的截面区域时的加速效应，有利于交界处形成负压区，从周围吸入空气。^[30]冷却塔底部的配水系统可以均匀地分配来自蒸汽驱动涡轮机的热水，当水被分配并落到下面的水池时，它会加热空气。加热的空气携带大量的水蒸气通过冷却塔，塔底的开口允许大量空气进入塔内，随着湿热空气的一起上升。冷却塔的双曲型结构能够加速空气的上升速度。^[6]

冷却塔中的传热涉及传导、对流和蒸发等多种机制，但最重要的传递方法是通过蒸发或传质。湿式冷却塔中的填料能够最大限度地提高空气和水之间的接触面积以及停留的接触时间，从而促进有效的传热和传质。由于填料贡献了湿式冷却塔内70%的传热，是冷却塔的核心部件。^[7]

冷却塔填料通常由薄的、间隔紧密的板材或元件组成，通常以蜂窝状或波纹状排列，设计、排列和材料特性将影响填料的传热能力。填料主要有飞溅型和薄膜型两种。飞溅型填料通过将水引导到交错排列在不同高度的防溅杆上，使水珠其级联穿过各个高度，以增加落水的持续时间，使下降的水滴分解成更小的水滴，从而增加了水和空气之间传热的液滴表面积。较小液滴的另一个优点是易于将污垢颗粒与水分离。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间隔紧密的垂直排列的板材上，这些板材通常由聚氯乙烯（PVC）制成。这导致水在片材表面形成一层薄膜，以促进蒸发。填料的热性能通常用一个无量纲数来衡量，称为默克尔数（Me），定义为实际传热率与最大可能传热率之比。^[7]

冷却塔在化工、空调、电力等领域有重要作用。^[21]

工业冷却塔使用循环冷却水从工业发电厂的热力学过程中去除热量，能够提高能源利用率和减少环境污染。主要应用于石化、冶金、数据中心、半导体、储能、核电等领域，如炼油厂、石化厂、食品加工厂和半导体厂等。^[4][31][32]

逆流冷却塔在工业领域的优势突出，包括钢铁冶金和石油化工行业，^[32]用于化工和炼油厂、小型工厂、锅炉和熔炉厂等。自然通风冷却塔可用于炼油厂、石化厂和天然气厂等能源密集型设施；强制通风冷却塔用于造纸和化学工业。^[26]

火力发电厂是将热能转化为电能的发电站。在世界上大多数地方，涡轮机都是蒸汽驱动的。在此过程中，水被加热、蒸发，使蒸汽轮机转动，最后通过发电机将机械能转换为电能。火力发电站设计的最大差异是热源，包括化石燃料、太阳能能、核能、地热、垃圾焚烧和天然气。^[4]

常用于电力行业的冷却塔有自然通风冷却塔、逆流式冷却塔，引风冷却塔通常用于干蒸汽发电厂。^[26][32]中国首座核电站超大型冷却塔（广东廉江核电项目），由国家电投绿能科技（国核电力院）EPC建设，为逆流式自然通风冷却塔，塔高218.7米，淋水面积达到全球之最（20000平米）。^[15]

大型办公建筑、医院、学校等的空调系统中，通常会使用一个或多个冷却塔，空调冷却塔（HVAC）属于冷水机组的子领域。^[4]数据中心空调系统能耗巨大，具有需要全年制冷的特点。冷却塔冷却技术可实现自然冷却，减少制冷主机的运行时间和能耗。^[33]

在中国，由国核电力院率先攻克了核电冷却塔超高超大、高位集水、高效节能、耐久性等技术难题，掌握了热力阻力特性计算方法、荷载取值计算方法、静动力分析方法、寿命评估方法、高位集水装置设计制造等关键技术。^[15]

未来冷却塔的发展趋势主要包括高效节能、智能化运维、防腐蚀材料和涂层的研发以及水资源节约等方面，致力于发展节水技术、消雾技术、降噪技术、节能技术、大型自然通风冷却塔和机械通风冷却塔的高位集水技术。^[31]

电力系统：未来3年火电年均装机量相比十三五期间翻倍，冷却塔作为火电发电系统的重要设备，需求量高增，尤其是对节能环保型的冷却塔。中国核电机组核准节奏加快，由于环保及运行稳定性等要求，国内沿海核电、内陆核电都必然使用冷却塔，对于使用高位收水技术，以及对防腐要求高的冷却塔需求量更大。^[16]

数据中心：由于AI算力升级，产热量加大，数据中心产业链对温控系统的需求不断上升，液冷数据中心相比于风冷系统更能满足要求。同时，温控系统是保证储能安全，液冷方案已成为储能温控行业趋势。国内比亚迪、宁德时代、阳光电源等主流系统集成商都推出液冷系统解决方案。根据GGII预测，到2025年液冷温控方案在储能温控中的达渗透率达45%。由于冷却塔是液冷方案中使用的室外机，液冷方案占比的快速提升，导致对冷却塔需求将持续增长。^[16]

半导体：由于生产过程中蒸发热量大，半导体行业需要使用大量工艺冷却水实现降温。为了保证半导体设备的正常使用，冷却塔是必不可少的配套设施。^[16]

中小型机械通风开式冷却塔和闭式冷却塔的型号标记包括六个部分：结构形式、横逆流、名义冷却水流量、噪声、能效等级、符合标准。大型机械通风开式冷却塔的标记不包括噪声，只有四个部分。示例：1. 名义冷却水流量100m³/h，噪声等级为II级，能效等级为1级的机械通风逆流闭式冷却塔标记为“BN-100-II-1 GB/T 7190.3-2019”；2. 名义冷却塔水流量3000m³/h，能效等级为1级的大型机械通风开式冷却塔标记为“KN-3000-1 GB/T 7190.2-2018”；3.名义冷却塔水流量125m³/h，噪声等级为IV级，能效等级为1级的中小型机械通风开式冷却塔标记为“KN-125-IV-1 GB/T 7190.1-2018”。^[9][11][28]