冷却水塔功能及型式介绍

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　　一、冷却水塔的功能及基本原理

　　所谓冷却水塔顾名思义即是应用于散热冷却为目的之塔状洒水系统；以一般常见于楼顶之中小型空调用冷却水塔而言，其结构不外乎一圆型或方形壳体，而壳体内由上而下分别为一抽风马达及带动之抽风扇，挡水板，撒（散）水器，散热材（填充材），入风口，最底下为水槽、进出水管及抽水马达，其功能为将空调主机所吸收或产生之热能经由冷却水的传送在冷却水塔中藉由水与空气的直接接触将热能排放至大气中。由于水具有高潜热（蒸发热）热能，加上取得容易，而空气具有吸湿能力，在这种有利条件下，冷却水塔成为散热最有效且最便宜的工具。

　　冷却水塔内挡水板主要用于阻挡细小水滴的散失，当热水透过洒水喷嘴均允喷洒在冷却水塔内之填料上端，藉由重力向下方流动，由于空气的反向流动会造成较小液滴随空气流往上带走，为了减少冷却水的损失，须于水塔洒水喷嘴上方设置挡水版装置，小液滴遇到挡水装置受到阻挡而附着于档水版上，等档水版上之液滴累积至较大时，当其重力高于空气流带动之阻抗反向力时，水滴便会向下掉落于填料上。

　　二、冷却水塔形式分类简介

　　市面上之冷却水塔形式种类相当多，依空气驱动型式大致可分为机械力驱动型（Mechanical draft）及自然对流型（Nature Draft）；依空气与水的相对流路方向，冷却水塔基本上又可分为反向流式（俗称逆流式或反流式）及交叉流式（俗称横流式或交流式）；依冷却水环路又可在分为密死循环路型冷却水塔或称为密闭式冷却水塔，另一种即为开放环路型冷却水塔或称为开放式冷却水塔，其中密死循环路型冷却水塔又称为蒸发型冷却水塔。有关各型冷却水塔之特点将叙述如下。

　　三、机械驱动空气型（Mechanical Draft）

　　冷却水塔特色是藉由一机械动力（一般即为马达风扇）驱使空气流动，与水塔内冷却水或热交换器进行热质传递，藉以降低冷却水温度。依风扇位置可分为抽风式及吹入式两种，所谓吹入式是用风扇将空气吹入壳体内侧与壳内冷却水进行热质传交换作业，通常由壳的下方吹入，吸收水蒸气之湿空气则由上方吹出，

　　吹入式冷却水塔是透过风扇将外气吹入塔内，因此塔内空气为正压（大于一大气压），密度亦较高于大气压力下之空气密度，因此空气之热交换系数略高，这是吹入式冷却水塔的优点。通常吹入式冷却水塔之塔的周边气密度（封闭度）要求较高，原因是避免塔内空气无法完全由顶端吹出，造成空气未能完全与冷却水充分接触进行热质传递；其次吹入式受风扇叶片影响其空气动能于入口端局部较大，局部风速亦会较高，而末端（出风口端）之出口空气流分散，出风速度较为平稳，局部出风动力不若抽风式者高，因此相对而言出风回流的情形较多，此为吹入式冷却水塔的缺点。

　　抽风式冷却水塔通常于塔顶装有一马达驱动之轴流式风扇，由于属抽气式因此于其塔内之空气为负压（低于一大气压），塔内空气密度较低，因此热质传系数亦会较低，这是抽风式的缺点。但由于其出口之风扇叶片局部带动，出口空气局部流速较高，吹出之局部风速亦较大，因此排出之湿空气可吹离较远，其回流量远较吹入式冷却水塔少，这是抽风式的优点。然而因空气密度较低（因为出口空气温度较高且含湿量较较大）之故，抽风式需求较大之风力驱动动能。

　　自顶部溢出之水滴往往是机械驱动空气型冷却水塔所很难完全避免的，由于冷却水塔之冷却水降温模式须利用空气与水的直接接触，由空气带走蒸发之水蒸气，因此所需之空气与水的接触面积特别多，因而水滴撒下时当风速足以带动水滴时，水滴即可能随风向而向上飘逸出水塔，造成飞溅损失现象，因此通常于出水口附近（风扇下方）设有挡水板以便阻挡水滴飞溅损失。抽风式冷却水塔的水滴飞溅损失往往又比吹入式冷却水塔者多，原因是抽风式冷却水塔之出口局部风速较大所致，此点亦是抽风式冷却水塔之缺点。

　　四、自然对流驱动空气型（Nature Draft）

　　冷却水塔自然对流驱动空气型冷却水塔特点是空气之流动是依其温度差或密度差所形成之浮力带动空气流动之冷却水塔，不藉由机械动力驱使空气流动，其原理是利用密度差驱使空气自然对流以达到循环空气的效果；在冷却水塔内部空气含湿度及温度均较塔外高，温度越高相对密度越低，含湿量越多相对密度也越低，由于塔内空气密度较塔外空气密度低的缘故，塔内含湿空气上浮的结果促使塔外干空气由塔底流入塔内，达到相同于机械力驱动型冷却水塔之空气循环的效果。

　　除了上述分类外，冷却水塔亦可有机械驱动空气与自然对流驱动空气两类之混和型，一种较先进型自然对流冷却水塔，于底部采用风扇辅助带动空气流（Fan assist cooling tower），这种方式可节省塔的高度，初期费用也较少，但运转电力消耗产生之费用增加是其缺点。另一种将自然对流式冷却水塔内部装置燃烧后之废热烟道排出口，其中去硫化物装置亦可同时装置于塔内，利用排气热量增加烟道气体温度，达到增加对流效应，如此可降低塔高节省初期经费。

　　五、逆流式与交流式冷却水塔形式介绍

　　依空气与水的相对流路方向，冷却水塔基本上又可分为反向流型及交叉流型，空气与水于塔内进行热质传交换的过程中，当空气与水成相反方向流动者，此称为逆流式冷却水塔，而空气与水成垂直方向流动者，此称为交流式冷却水塔。

　　常见之逆流式冷却水塔多应用于圆型塔状结构，圆形塔状结构之冷却水塔多为单一型设计（但有时亦为双机型设计），主要原因是圆形塔状结构具有环型之入风口，入风量大，因此效率亦会较高，圆形者可考虑多风扇组合，亦可达到充分的空间利用。方形冷却水塔较具模块功能，通常可做为多单元组合型，配合房屋空间利用，方形适合多单元组合排列成一直线，这对空间的利用具有极大优势，所占面积相对较小。一般方形之空气入口设于下方两侧，逆流式方形冷却水塔受入风口的限制多属小吨位型，大吨位型则以交流式为主。逆流式冷却水塔之空气主要由散热填料下方向上流动，淋水则由上方受重力向下流动形成与空气逆向流动，逆向流具有高热交换系数，原因是当水越接近下方，越接近空气入口，此时之空气含湿量亦较低，湿球温度相对亦较低之故，即使接近出口之较低温水亦能持续散热致空气中，而于空气接近出口处，空气因吸湿的缘故温度较空气入口提高许多，然而此处亦即为水的入口处（接近撒水处），水温亦相对较高，因此水的热能仍可持续传送至空气中，水温与空气始终可保持一定之温差，因此热交换效率较高。

　　交流式冷却水塔市面上主要设计为方形，亦有圆形之设计，形状的差异主要是考量场地空间的安排，以方形较容易安置，方形交流式冷却水塔空气由水塔侧方流入，与重力向下流之撒水成垂直，由于水塔两侧面积大，空气入口相对截面积亦较大，因此此型设计多为大吨位型式；交流式冷却水塔之填料通常安装成与水平成一顷斜角度，原因是空气入口流动方向会使水滴向内流动；由于交流型冷却水塔热交换区域位于两侧，抽风扇下方乃设计为中空型式，空气由两侧向中心之空间流动，最后再由上端之风扇抽离，因此交流型均属抽风式冷却水塔。方形交流式冷却水塔最大的优点是空间的布置较容易，具有较佳之模块能力，可于另一侧边多组并列仍不影响空气进口侧边风道；交流型的另一项优点是飞溅损失量较少，当空气由两端流入中心空间后须由近乎水平转为向上，具有惯性力之水滴较难转向而随风扇流出。不过交流型冷却水塔水温分布不均以及单位传热面积之传热效果较低是其缺点，位于水塔近于入风口两端侧边水温最低，且水流向下使得外侧低温之水始终与低温之入口空气接触，而位于水塔较内侧之冷却水所接触之空气均为空气之下游端，空气越接近下游端其含湿量越高，因此湿球温度越高，此时所能吸收冷却水之蒸气量较有限，所以内侧水温亦相对较外侧高些。显然内侧传热填料之热传量较外侧传热填料略差，因此水温分布不均时整体之冷却能力也会些微降低。

　　六、喷流式冷却水塔设计

　　喷流式冷却水塔是一种所谓可长期不须维修之冷却水塔，原因是此型之冷却水塔不需要（没有）转动组件、不需要（没有）浸湿填料、以及没有电路在里头；由于使用的条件分布的很广，在运转及维修上情形各异，端视空气品质及水的纯净度而定。

　　有关喷流式冷却水塔之一般性维修说明如下，由于冷却水塔主要是配合冷冻空调主机或工业制程之冷却，一般均视为主机之附属系统，且与主机配置位置多不在同一位置，虽然主机被视为定期保养的重点，但冷却水塔之相关维护及保养工作则时常被人们遗漏。对于喷流式冷却水塔之系统维护主要与空气及水的洁净度有密切的关连，在空气方面，工厂废气及一些不溶性固体粒子均是造成腐蚀的元凶；水方面特别是水蒸发后之不纯物会积存于循环水系统中，浓度高到某一成度后，相关之结垢及腐蚀就会产生。随着空气及水的洁净度得决定固定排水量以及保养周期。

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