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用于散熱冷卻為目的之塔狀灑水系統；以一般常見于樓頂之中小型空調用冷卻水塔而言，其結構不外乎一圓型或方形殼體，而殼體內由上而下分別為一抽風馬達及帶動之抽風扇，擋水板，撒(散)水器，散熱材(填充材)，入風口，下為水槽、進出水管及抽水馬達，其功能為將空調主機所吸收或產生之熱能經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，冷卻水塔成為散熱且的工具。
冷卻水塔內擋水板主要用于阻擋細小水滴的散失，當熱水透過灑水噴嘴均允噴灑在冷卻水塔內之填料上端，藉由重力向下方流動，由于空氣的反向流動會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，當其重力高于空氣流帶動之阻抗反向力時，水滴便會向下掉落于填料上。
二、冷卻水塔形式分類簡介
市面上之冷卻水塔形式種類相當多，依空氣驅動型式大致可分為機械力驅動型(Mechanical draft)及自然對流型(Nature Draft)；依空氣與水的相對流路方向，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)；依冷卻水環路又可在分為密死循環路型冷卻水塔或稱為密閉式冷卻水塔，另一種即為開放環路型冷卻水塔或稱為開放式冷卻水塔，其中密死循環路型冷卻水塔又稱為蒸發型冷卻水塔。有關各型冷卻水塔之特點將敘述如下。
三、機械驅動空氣型(Mechanical Draft)冷卻水塔
    特色是藉由一機械動力(一般即為馬達風扇)驅使空氣流動，與水塔內冷卻水或熱交換器進行熱質傳遞，藉以降低冷卻水溫度。依風扇位置可分為抽風式及吹入式兩種，所謂吹入式是用風扇將空氣吹入殼體內側與殼內冷卻水進行熱質傳交換作業，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，此型依風扇之型式可分為離心式及軸流式，圖2所示即為離心式風扇，離心式者其特色為具有較高之風壓，可運用于較高阻抗設計之熱交換散熱填料。一般常見于蒸發型冷卻水塔。圖3所示為軸流吹入式冷卻水塔之一例，亦有用雙層風葉型者以增加軸流風扇之風壓。
    吹入式冷卻水塔是透過風扇將外氣吹入塔內，因此塔內空氣為正壓(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略高，這是吹入式冷卻水塔的優點。通常吹入式冷卻水塔之塔的周邊氣密度(封閉度)要求較高，原因是避免塔內空氣無法由頂端吹出，造成空氣未能與冷卻水充分接觸進行熱質傳遞；其次吹入式受風扇葉片影響其空氣動能于入口端局部較大，局部風速亦會較高，而末端(出風口端)之出口空氣流分散，出風速度較為平穩，局部出風動力不若抽風式者高，因此相對而言出風回流的情形較多，此為吹入式冷卻水塔的缺點。
    抽風式冷卻水塔通常于塔頂裝有一馬達驅動之軸流式風扇，由于屬抽氣式因此于其塔內之空氣為負壓(低于一大氣壓)，塔內空氣密度較低，因此熱質傳系數亦會較低，這是抽風式的缺點。但由于其出口之風扇葉片局部帶動，出口空氣局部流速較高，吹出之局部風速亦較大，因此排出之濕空氣可吹離較遠，其回流量遠較吹入式冷卻水塔少，這是抽風式的優點。然而因空氣密度較低(因為出口空氣溫度較高且含濕量較較大)之故，抽風式需求較大之風力驅動動能。
    自頂部溢出之水滴往往是機械驅動空氣型冷卻水塔所很難避免的，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，因而水滴撒下時當風速足以帶動水滴時，水滴即可能隨風向而向上飄逸出水塔，造成飛濺損失現象，因此通常于出水口附近(風扇下方)設有擋水板以便阻擋水滴飛濺損失。抽風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，原因是抽風式冷卻水塔之出口局部風速較大所致，此點亦是抽風式冷卻水塔之缺點。
四、自然對流驅動空氣型(Nature Draft)冷卻水塔
    自然對流驅動空氣型冷卻水塔特點是空氣之流動是依其溫度差或密度差所形成之浮力帶動空氣流動之冷卻水塔，不藉由機械動力驅使空氣流動，其原理是利用密度差驅使空氣自然對流以達到循環空氣的效果；在冷卻水塔內部空氣含濕度及溫度均較塔外高，溫度越高相對密度越低，含濕量越多相對密度也越低，由于塔內空氣密度較塔外空氣密度低的緣故，塔內含濕空氣上浮的結果促使塔外干空氣由塔底流入塔內，達到相同于機械力驅動型冷卻水塔之空氣循環的效果。圖4、5分別為逆流式及交流式自然對流型冷卻水塔。
    除了上述分類外，冷卻水塔亦可有機械驅動空氣與自然對流驅動空氣兩類之混和型，一種較*型自然對流冷卻水塔，于底部采用風扇輔助帶動空氣流(Fan assist cooling tower)，如圖6所示，這種方式可節省塔的高度，初期費用也較少，但運轉電力消耗產生之費用增加是其缺點。另一種將自然對流式冷卻水塔內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裝置于塔內，利用排氣熱量增加煙道氣體溫度，達到增加對流效應，如此可降低塔高節省初期經費。
五、逆流式與交流式冷卻水塔形式介紹
依空氣與水的相對流路方向，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)，空氣與水于塔內進行熱質傳交換的過程中，當空氣與水成相反方向流動者，此稱為逆流式冷卻水塔，而空氣與水成垂直方向流動者，此稱為交流式冷卻水塔。
常見之逆流式冷卻水塔多應用于圓型塔狀結構，圓形塔狀結構之冷卻水塔多為單一型設計(但有時亦為雙機型設計)，主要原因是圓形塔狀結構具有環型之入風口，入風量大，因此效率亦會較高，圓形者可考慮多風扇組合，亦可達到充分的空間利用。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，這對空間的利用具有極大優勢，所占面積相對較小。一般方形之空氣入口設于下方兩側，逆流式方形冷卻水塔受入風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，淋水則由上方受重力向下流動形成與空氣逆向流動，逆向流具有高熱交換系數，原因是當水越接近下方，越接近空氣入口，此時之空氣含濕量亦較低，濕球溫度相對亦較低之故，即使接近出口之較低溫水亦能持續散熱致空氣中，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)，水溫亦相對較高，因此水的熱能仍可持續傳送至空氣中，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計為方形，亦有圓形之設計，形狀的差異主要是考量場地空間的安排，以方形較容易安置，方形交流式冷卻水塔空氣由水塔側方流入，與重力向下流之撒水成垂直，由于水塔兩側面積大，空氣入口相對截面積亦較大，因此此型設計多為大噸位型式；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方向會使水滴向內流動；由于交流型冷卻水塔熱交換區域位于兩側，抽風扇下方乃設計為中空型式，空氣由兩側向中心之空間流動，最后再由上端之風扇抽離，因此交流型均屬抽風式冷卻水塔。方形交流式冷卻水塔的優點是空間的布置較容易，具有較佳之模塊能力，可于另一側邊多組并列仍不影響空氣進口側邊風道；交流型的另一項優點是飛濺損失量較少，當空氣由兩端流入中心空間后須由近乎水平轉為向上，具有慣性力之水滴較難轉向而隨風扇流出。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，位于水塔近于入風口兩端側邊水溫，且水流向下使得外側低溫之水始終與低溫之入口空氣接觸，而位于水塔較內側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，此時所能吸收冷卻水之蒸氣量較有限，所以內側水溫亦相對較外側高些。顯然內側傳熱填料之熱傳量較外側傳熱填料略差，因此水溫分布不均時整體之冷卻能力也會些微降低。
六、噴流式冷卻水塔設計
噴流式冷卻水塔是一種所謂可長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）轉動組件、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，在運轉及維修上情形各異，端視空氣品質及水的純凈度而定。
有關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主機或工業制程之冷卻，一般均視為主機之附屬系統，且與主機配置位置多不在同一位置，雖然主機被視為定期保養的重點，但冷卻水塔之相關維護及保養工作則時常被人們遺漏。對于噴流式冷卻水塔之系統維護主要與空氣及水的潔凈度有密切的關連，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后之不純物會積存于循環水系統中，濃度高到某一成度后，相關之結垢及腐蝕就會產生。隨著空氣及水的潔凈度得決定固定排水量以及保養周期。
因噴流式冷卻水塔（無風扇冷卻水塔）之保養維護很少，因此此種冷卻水塔一般又視為型冷卻水塔，它的保養相對少且簡單，包括噴嘴的保養、補給水閥的保養、水槽的清理、排水系統檢視及調整、漏水的檢查、以及金屬表面保護漆的檢查等等。
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，因此水質過濾須較為講究，一般裝設有雙重過濾網，除了在水槽內之較粗粒過濾網外，在噴流分散管前設有一道較細粒子過濾網，為了避免噴嘴阻塞，須時常保持濾網的清潔，因此濾網的設計應以易取易裝為原則。
由于噴水情況須時常檢視，空氣進口穩流分布器應設計為容易拆取式，以便能進行噴流觀測。噴流分布管緊跟著空氣進口穩流分布器之后，取出空氣進口穩流分布器即可觀測噴流是否正常。當噴嘴口有阻塞的現像時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
由冷卻水循環環路區分亦可分為開放水循環環路型（Open Type）簡稱開放型及密閉水循環環路型（Closed Type）簡稱密閉型冷卻水塔，開放型冷卻水塔經常被用于冷凍空調系統或工業制程機構之冷卻用，例如在冷凍空調系統中其循環之冷卻水主要目的是作為冰水主機冷媒之冷凝用，當冷卻水于冷凝器內吸收冷媒冷凝所排放之熱量后，冷卻水溫度會提升，為了將此冷卻水循環再利用，因此在冷卻水塔藉由塔內內部之空間進行空氣與水之直接對流熱交換及質傳，此空間通常裝有填充材料以增加冷卻水與空氣之熱質傳遞面積，并用一風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氣化與被空氣吸收帶離，蒸發氣化之冷卻水可帶走大量熱能，而達到冷卻水降溫的作用，此低溫之冷卻水即可藉由循環泵輸送至冷凝器吸收冷媒冷凝所釋放出之熱能。
由于傳統之冷卻水塔為開放式結構，循環之冷卻水直接與空氣接觸，因此空氣中之污染物質很容易藉由與冷卻水接觸的同時被水吸收。長期與空氣接觸之下，因冷卻水不斷蒸發因此須不斷有新的水補充，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，亦會造成輸送之冷卻水水質污濁及離子濃度增加，極易形成結垢現像于管路及冷凝器中，此積存之水垢不斷累積導致流道縮減，造成輸送馬力增加以及冷凝器內之熱阻抗增加等，熱交換效率因而降低使得系統之效率下降，形成能源浪費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垢問題，密閉式冷卻水塔成為的選擇，密閉型冷卻水塔，主要是由一密閉回路之一次側冷卻水循環管路(原開放型之冷卻水)再搭配一開放之二次側冷卻水回路所構成，如此之安排可使一次側冷卻水在一密閉回路中循環，而避免水垢因素之困擾，同時開放型之二次側又兼具相變化之熱傳機構，兩者之間并以一高效率之液對液管排式熱交換器或板片式熱交換器來達成熱交換之目的；如此安排之冷卻水塔其關鍵性之組件為，高效率之灑水及噴水頭、液對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構較多，如圖11所示，多用以進行冷凍空調系統或工業制程機構冷卻水之冷卻作業，保持冷卻水水質避免結構發生于冷凍空調系統或工業制程之機構內部，維持機構長期性之高熱傳效率進而達到延長機構壽命及節約能源并節省維護費用等等，除了管排式外，利用板式熱交換器于密閉型冷卻水塔結構亦是有效的方式，目前能資所已在積極進行其高效率板片熱交換器應用于冷卻水塔的研發，且已累積數年經驗。
八、減輕可視水氣排放式冷卻水塔(節水型)設計
一般冷卻水塔（傳統型）排放之水氣混和皆趨近于或超越飽和狀態，蒸發之水蒸氣是無色的，然而若排氣中帶有未蒸發之水霧則會有白色煙霧(水霧)形成，當氣溫較低的情況下，白色蒸汽造成視覺障礙的情況越是嚴重，有些地區更是會造成視覺障礙，特別是冬天的季節因氣溫較低，當水蒸氣排放入大氣時即因遇冷而形成水霧。如果要避免水霧造成視覺障礙的現像時，排放之水氣盡可能低于飽和狀態，一種可減輕水氣排放之冷卻水塔設計，如圖12所示者，其設計原理是將冷卻水塔分為干、濕兩段，干段區位于熱水入口之上游區，濕段位于下游區，熱水首先于干段上游區與空氣進行熱交換，此區之水與空氣區分成兩路，互不相接觸，因無水蒸發故空氣保持干燥，一般設計此區段多采用管鰭式熱交換器或僅裸管式熱交換器，熱水經由干段后緊跟著進入濕段區，濕段區水與空氣直接接觸進行熱質傳遞，此段空氣因水的蒸發出口趨近于飽和狀態；干空氣與濕空氣于風扇排氣前進行混和，然后排入大氣中，由于已遠離飽和線，排氣后要形成水氣較不容易因此不回有水霧排放的現像造成視覺障礙的問題困擾。然而因增加干段區，此種設計會增加成本，當然因此亦有減少水蒸發量的效果。
九、結論
冷卻水塔型式種類相當多，目前市場主要仍以傳統開放式為主力產品，然而結構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一步克服，高效率密閉型冷卻水塔將有機會取代傳統開放型冷卻水塔，其次噪音的問題仍待解決，無風扇冷卻水塔將可有效解決噪音的問題，但仍待進一步產品改良。