冷却塔功能及型式介绍

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，如图2所示为吹入式冷却水塔之一例，此型依风扇之型式可分为离心式及轴流式，图2所示即为离心式风扇，离心式者其特色为具有较高之风压，可运用于较高阻抗设计之热交换散热填料。一般常见于蒸发型冷却水塔。图3所示为轴流吹入式冷却水塔之一例，亦有用双层风叶型者以增加轴流风扇之风压。
    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。图4、5分别为逆流式及交流式自然对流型冷却水塔。
    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)，如图6所示，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(俗称逆流式或反流式，如图1~3所示)及交叉流型(俗称横流式或交流式，如图7所示)，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，逆向流冷却水塔之空气湿球温度与水温之相对变化图如图8所示，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(见图9所示)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，如图10所示，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。
因喷流式冷却水塔（无风扇冷却水塔）之保养维护很少，因此此种冷却水塔一般又视为无故障型冷却水塔，它的保养相对少且简单，包括喷嘴的保养、补给水阀的保养、水槽的清理、排水系统检视及调整、漏水的检查、以及金属表面保护漆的检查等等。
于喷流型冷却水塔之喷水速率较高，喷嘴较小，其中阻塞的问题须特别小心处理，因此水质过滤须较为讲究，一般装设有双重过滤网，除了在水槽内之较粗粒过滤网外，在喷流分散管前设有一道较细粒子过滤网，为了避免喷嘴阻塞，须时常保持滤网的清洁，因此滤网的设计应以易取易装为原则。
由于喷水情况须时常检视，空气进口稳流分布器应设计为容易拆取式，以便能进行喷流观测。喷流分布管紧跟着空气进口稳流分布器之后，取出空气进口稳流分布器即可观测喷流是否正常。当喷嘴口有阻塞的现像时可用非金属类之毛刷刷洗。
七、开放型（Open Type）及密闭型（Closed Type）冷却水塔
由冷却水循环环路区分亦可分为开放水循环环路型（Open Type）简称开放型及密闭水循环环路型（Closed Type）简称密闭型冷却水塔，开放型冷却水塔经常被用于冷冻空调系统或工业制程机构之冷却用，例如在冷冻空调系统中其循环之冷却水主要目的是作为冰水主机冷媒之冷凝用，当冷却水于冷凝器内吸收冷媒冷凝所排放之热量后，冷却水温度会提升，为了将此冷却水循环再利用，因此在冷却水塔藉由塔内内部之空间进行空气与水之直接对流热交换及质传，此空间通常装有填充材料以增加冷却水与空气之热质传递面积，并用一风扇将空气自下向上抽送，上升之空气与自洒水单元洒落之冷却水直接接触，部分之冷却水因蒸发气化与被空气吸收带离，蒸发气化之冷却水可带走大量热能，而达到冷却水降温的作用，此低温之冷却水即可藉由循环泵输送至冷凝器吸收冷媒冷凝所释放出之热能。
由于传统之冷却水塔为开放式结构，循环之冷却水直接与空气接触，因此空气中之污染物质很容易藉由与冷却水接触的同时被水吸收。长期与空气接触之下，因冷却水不断蒸发因此须不断有新的水补充，如此一来极易使冷却水之离子浓度增加，另外掺尘及其它各种因素，亦会造成输送之冷却水水质污浊及离子浓度增加，极易形成结垢现像于管路及冷凝器中，此积存之水垢不断累积导致流道缩减，造成输送马力增加以及冷凝器内之热阻抗增加等，热交换效率因而降低使得系统之效率下降，形成能源浪费及热交换器使用年限降低等问题。
为改善开放式冷却水塔造成热交换器无可避免之腐蚀及结垢问题，密闭式冷却水塔成为最佳的选择，密闭型冷却水塔，主要是由一密闭回路之一次侧冷却水循环管路(原开放型之冷却水)再搭配一开放之二次侧冷却水回路所构成，如此之安排可使一次侧冷却水完全在一密闭回路中循环，而避免水垢因素之困扰，同时开放型之二次侧又兼具相变化之热传机构，两者之间并以一高效率之液对液管排式热交换器或板片式热交换器来达成热交换之目的；如此安排之冷却水塔其关键性之组件为，高效率之洒水及喷水头、液对液管排式或板片式热交换器及档水帘等。
密闭型冷却水塔以管排式密闭型冷却水塔结构较多，如图11所示，多用以进行冷冻空调系统或工业制程机构冷却水之冷却作业，保持冷却水水质避免结构发生于冷冻空调系统或工业制程之机构内部，维持机构长期性之高热传效率进而达到延长机构寿命及节约能源并节省维护费用等等，除了管排式外，利用板式热交换器于密闭型冷却水塔结构亦是有效的方式，目前能资所已在积极进行其高效率板片热交换器应用于冷却水塔的研发，且已累积数年经验。
八、减轻可视水气排放式冷却水塔(节水型)设计
一般冷却水塔（传统型）排放之水气混和皆趋近于或超越饱和状态，完全蒸发之水蒸气是无色的，然而若排气中带有未完全蒸发之水雾则会有白色烟雾(水雾)形成，当气温较低的情况下，白色蒸汽造成视觉障碍的情况越是严重，有些地区更是会造成视觉障碍，特别是冬天的季节因气温较低，当水蒸气排放入大气时即因遇冷而形成水雾。如果要避免水雾造成视觉障碍的现像时，排放之水气尽可能低于饱和状态，一种可减轻水气排放之冷却水塔设计，如图12所示者，其设计原理是将冷却水塔分为干、湿两段，干段区位于热水入口之上游区，湿段位于下游区，热水首先于干段上游区与空气进行热交换，此区之水与空气完全区分成两路，互不相接触，因无水蒸发故空气保持干燥，一般设计此区段多采用管鳍式热交换器或仅裸管式热交换器，热水经由干段后紧跟着进入湿段区，湿段区水与空气直接接触进行热质传递，此段空气因水的蒸发出口趋近于饱和状态；干空气与湿空气于风扇排气前进行混和，然后排入大气中，由于已远离饱和线，排气后要形成水气较不容易因此不回有水雾排放的现像造成视觉障碍的问题困扰。然而因增加干段区，此种设计会增加成本，当然因此亦有减少水蒸发量的效果。
九、结论
冷却水塔型式种类相当多，目前市场主要仍以传统开放式为主力产品，然而结构问题一直是最难以有效克服的问题，随着密闭型冷却水塔观念不断普及，未来在成本上若能进一步克服，高效率密闭型冷却水塔将有机会取代传统开放型冷却水塔，其次噪音的问题仍待解决，无风扇冷却水塔将可有效解决噪音的问题，但仍待进一步产品改良。