冷卻塔

1902年的巴納德無風扇自冷卻塔，是早期大型的的蒸發冷卻塔，不靠風扇散熱，靠煙囪效應和敞開的側面散熱。要冷卻的水從上方噴灑到周圍垂直的網格上

冷卻塔是在19世紀時開始使用，當時為了配合蒸汽机使用，需要對應的冷凝器[2]。冷凝器會以各種方式將冷凝汽缸或渦輪機產生的蒸氣，冷卻凝結成較低溫的水。這可以減少背壓，減少蒸氣消耗量以及燃料的消耗，同時也可以提昇功率，並且使鍋爐的水可以循環使用[3]。不過冷凝器需要充足的冷卻水供應，若沒有足夠的冷卻水，無法實現冷凝器[4][5]。估計在2040至2069年時，陸上加工廠及發電廠所消耗的冷卻水會減少大部份火力發電廠的產生的電力[6]。在船用蒸汽機上冷卻水的來源不是問題，但在陸地上的系統就有許多的限制。

在二十世紀起，已針對沒有足夠水源的地區開發了幾種以蒸發方式冷卻水的方式，這些方式也可以用在水源供應可能不足的城市地區[2][5]。若是有足夠可用土地的地區，可能會用冷卻池的方式冷卻，若是土地不足，可能就會用冷卻塔[4][7]。

早期的冷卻塔會放在建築物的屋頂，或是獨立的建築物，其冷卻是用風扇進行風冷，或是用自然風冷進行冷卻[4][7]。有一本1911年的美國工程教科書中曾提到一種設計是「圓柱形或長方體的輕形殼狀建築物，類似煙囪，但高度較短（六公尺到十三公尺），寬度寬很多。頂部是一組分配槽，要冷卻的水需要先泵到最上方的分配槽內，由分配槽流到冷卻塔中的木條或編織網上。」[7]

雙曲形冷卻塔是荷蘭工程師Frederik van Iterson和Gerard Kuypers在1918年的專利[8]。第一個雙曲冷卻塔是在1918年建在荷蘭的海爾倫附近。英國的第一個雙曲冷卻塔是在1924年建在英國利物浦的李斯特發電塔，是要冷卻火力發電廠的冷卻水[9]。

冷卻塔可以依传热方式分類：

• 濕式冷卻塔（wet cooling towers）：其運作的原理是蒸發冷卻。蒸發流體（通常是水）也是工作流體。
• 閉路冷卻塔（closed circuit cooling towers）也稱為流體冷卻器（fluid coolers），會讓工作流體經由管路流進大型的熱交換器中，熱交換器外再噴灑清水並且用風扇通風。其傳熱性能類濕式冷卻塔，好處是工作流體不會暴露在環境中，也不會受到外界的污染。
• 乾型冷卻塔（dry cooling towers）是封閉管路的冷卻塔，工作流體會接到散热器內，由散热器的空氣產生的對流熱傳散熱，沒有用到流體的蒸發。
• 混合冷卻塔（hybrid cooling towers）是可以在乾式和濕式之間切換的封閉管路冷卻塔，可以在不同的氣候下使用，設法作到水和能量之間的節約達到平衡。

若是濕式冷卻塔（或開路冷卻塔），而且在空氣較乾燥的情形下，可以將冷卻水降溫到較室溫乾球温度更低的温度。因為有部份的水會蒸發，蒸發時需要的熱能是由冷卻水提供，因此冷卻水會降溫。水蒸發時需要吸收的熱能是每公斤420kJ。蒸發後會使冷卻水的溫度接近湿球温度，此溫度較乾球温度低，兩者的溫差視原來空氣的濕度而定。

為了提高散熱效果，會在冷卻塔中加入散熱材（fill），以增加水和空氣的接觸面積，以及接觸的時間。濺水散熱材（Splash fill）可以中斷水流，產生濺水。薄膜散熱材用薄膜材料（多半是聚氯乙烯）製成，放置在水流中。兩者都可以增加流體（水）和氣體（空氣）的接觸面積及接觸時間，以提昇散熱。

英國大型雙曲面冷卻塔底部的通道樓梯，可以以樓梯為比例尺來看冷卻塔的大小

依照冷卻塔的通風方式，可以將冷卻塔分為以下三種：

• 自然通風（Natural draft）：本身是高的煙囪，利用浮力通風。溫暖、濕潤的空氣其密度比外界較乾冷的空氣要低，因此自然會往上昇。在相同的壓力下，溫暖的濕空氣比乾空氣要輕。濕空氣的浮力會在塔中產生向上的氣流。
• 機械通風：利用風扇通風，使冷卻塔中產生氣流。
  • 誘導通風（Induced draft）：冷卻塔的機械通風是在冷卻塔上方，由風扇將空氣由塔中排出。風扇讓濕熱的空氣排出塔外，此作法的排氣風速較大，進氣風速較小，比較不會有回流（recirculation，排出的熱空氣又從進氣端進入冷卻塔）的情形。這種風扇／鰭片設計稱為draw-through。
  • 強制通風（Forced draft）：冷卻塔的機械通風是在冷卻塔下方，風扇在進氣口將空氣送入冷卻塔內，此作法的進氣風速較大，排氣風速較小。較小的排氣風速比較可能會造成回流的問題。而風扇在較低溫空氣的進氣端，在氣溫較低時風扇比較容易會受到結凍的影響。強制通風的另一個缺點是相較於誘導通風，強制通風需要比較大功率的風扇。強制通風的好處是可以在高靜壓下運作。這種設計可以用在空氣較受限的場合，甚至是一些室內的應用中。這種風扇／鰭片設計稱為blow-through。
• 風扇輔助自然通風：主要還是靠自然通風，但再加上風扇的輔助氣流。

雙曲面是自然通風冷卻塔常見的設計方式，原因是結構強度以及材料的最小化。雙曲面也可以加速上昇的對流氣流，提昇冷卻效率。此建築常讓人聯想到核电厂，不過這是誤解，因為大型的火力發電廠也會用雙曲結構的冷卻塔。而且不是所有的核電廠都需要冷卻塔，核電廠也可能用湖水、河水或海水進行冷卻。

雙曲結構冷卻塔的熱效率最高可以到92%[16]。

以量化的觀點，濕式蒸發冷卻塔的質量平衡是淡水補充體積流率、蒸发損失、風損失、出汽率和濃縮倍數（concentration cycles）等操作變數所控制[17][18]。

在旁邊的圖中，從tower basin抽到的水是流經工廠的製程冷卻器以及表面冷凝器的冷卻水。冷水會從熱的、需要冷卻或是冷凝的製程蒸氣中吸熱，吸收的熱會使冷卻水（C）加溫。溫水會回到冷卻塔的上方，再往下滴入下方塔內的填充材料中。在水滴下來的過程中，會和經由自然通風或因風扇強制通風而上昇的室溫空氣接觸。接觸會使得一部份的水因為風而損失（windage drift loss，W），也有一些水會蒸发（E）。蒸發水需要吸熱，會使其他的水降溫，可以繼續冷卻循環。不過水蒸發後會留下其中溶解的盐，因此會使得循環水的鹽濃度提高。為了避免循環水中鹽的濃度過高，需要將部份的水排出（D），另外再補充淡水（M），以補償蒸發、風損以及排出的水。

風扇誘導通風，逆流式的冷卻塔

以下是流率以及濃度的單位：

整個系統的水平衡可得[18]：

M = E + D + W

蒸發水（E）中沒有鹽，因此氯化物的平衡如下[18]：

MX_M = DX_C + WX_C = X_C(D + W)

${\displaystyle MX_{M}=DX_{C}+WX_{C}=X_{C}(D+W)}$

因此[18]

${\displaystyle {X_{C} \over X_{M}}={\text{Cycles of concentration}}={M \over (D+W)}={M \over (M-E)}=1+{E \over (D+W)}}$

用簡化的冷卻塔熱平衡式：

${\displaystyle E={C\Delta Tc_{p} \over H_{V}}}$

where:
HV	= 水蒸發的潛熱，2260 kJ / kg
ΔT	= 從塔頂到塔底的溫度差，單位°C
cp	= 水的比熱，4.184 kJ / (kg${\displaystyle \cdot }$°C)

風損（W）是因為氣流而減少的水量。若沒有製造商的數據，大型的工業冷卻塔，可以假設如下：

若是自然通風，沒有風損消除器（windage drift eliminators），W = C的0.3%至1.0%。

若是誘導通風，沒有風損消除器，W = C的0.1%至0.3%。

若有風損消除器，W = C的0.005%以下。

若有風損消除器，且用海水作為補充水，W = C的0.0005%以下。

濃縮倍數

濃縮倍數表示循環水中溶解礦物質的累積程度。一般會用排放冷卻水來控制這些礦物質的生成。

補充水的化學特性（包括溶解礦物質的量），其變化範圍很廣。若是從表面水體（湖水、河水）取得的補充水，比較容易腐蝕金屬，若是由地下水（例如水井）取得的補充水，礦物質較高，比較容易有水垢的問題。若增加水中礦物質的量，比較不容易腐蝕管路，不過可能會有水垢。

冷卻塔中，濃縮倍數和流率的關係

當濃縮倍數增加時，水中溶解的礦物質可能會超過其溶解度，因而沉淀礦物質固體，會因此而結垢，也會造成冷卻塔或是换热器的問題。循環水的溫度、管路以及熱交換器的表面都會決定循環水的礦物質是否會沈澱，以及在何處沈澱。專業的工業水處理顧問可以評估冷卻塔的工作條件以及補充水量，並且建議適當的濃縮倍數。使用水處理化合物、進行硬水软化、PH值調整等預處理等技術，都會影響濃縮倍數的允許範圍。

冷卻塔的濃縮倍數多半是在3到7之間，美國許多的供水是使用井水，其溶解礦物質較多。另外，紐約最大的供水系統是用雨水，其溶解礦物質很低，因此其濃縮倍數可以到7，甚至可以超過7。

因為濃縮倍數高表示補充水可以較少，節水措施一般會著重在提高濃縮倍數[19]。若在飲用水稀缺的地區，冷卻水使用高度處理的循環水，可以減少在飲用水上的使用[20]。

冷卻塔的冷水盤和表面需清潔，去除可見的塵土和碎屑，並且去肉眼可見的生物薄膜。

需維持冷卻塔及熱水管中的消毒劑以及其他化學物的含量，並且持續監控[21]。

需要定期用浸片針對水質（特別是好氧菌）進行檢查，因為其他的生物可能會產生營養物質，讓軍團菌可以存活。

军团病

Legionella pneumophila（放大5000倍）

更多：军团病和軍團菌屬

許多微生物（例如菌群、真菌或藻類）可以在冷卻塔中的高溫下存活。

冷卻塔使用殺生物劑的另一個原因是避免軍團菌屬細菌的生長，特別是會造成军团病（退伍軍人症）的菌種，嗜肺军团菌（L. pneumophila）[22]，或是鳥型結核分枝桿菌[23]。軍團菌屬細菌會造成军团病，此疾病可以透過空氣中的懸浮粒子傳播，因此吸入含有病菌液滴的空氣即可能感染。軍團菌屬細菌的常見來源包括開放循環蒸發的冷卻水系統，家用熱水系統、噴泉，或是其他公用給水系統。自然的來源可能包括淡水池或是溪流[24][25]。

法國研究者指出在法國加来海峡省的石化廠冷卻塔中，其中的冷卻水含有軍團菌屬細菌，細菌可以透過空氣傳播6（3.7英里）的距離。曾經爆發感染，86人經實驗室檢驗，判斷確診，其中有21人死亡[26]。

風損（Drift或windage）是指冷卻塔排出，在空氣中以液滴形式散失的水份。風損消除器可以讓風損維持在循環水流量的0.001–0.005%。標準的風損消除器會讓氣流有多方向的變化，避免液滴從冷卻塔排出。設計良好，而且適合冷卻塔的風損消除器可以大幅降低風損，也可以降低軍團菌屬細菌暴露或是水處理化學藥暴露的風險。每六個月需要檢查風損消除器，確定其中沒有縫隙，以避免污物自由流動[27]。

美国疾病控制与预防中心（CDC）不建議醫療機構定期針對軍團菌屬細菌進行檢查。是否要針對軍團菌屬細菌定期進行微生物監控，仍有爭議，因為有軍團菌屬細菌不代表會產生疾病。針對已知會傳播軍團菌屬細菌的設備，美国疾病控制与预防中心建議進行積極的消毒措施，但不建議對細菌進行定期的微生物檢測。不過若醫院中的病患在特殊的條件（例如造血干细胞移植中心、器官移植中心）容易受到軍團菌屬細菌感染而患病甚至死亡，需考慮對飲用水進行定期的監測。另外，在軍團菌屬暴發後，衛生官員同意有必要監控以來識別感染源，並且評估殺生物劑或是其他預防措施的效果[28]。

研究指出冷卻塔中有40%至60%含有軍團菌屬細菌[29]。

埃格伯勒電廠產生的霧

在特定的環境條件下，會看到水蒸氣的氣流從冷卻塔的排氣口排出，可能會誤認為是火災產生的煙。若室外空氣的水蒸氣已飽和或接近飽和，冷卻塔又增加空氣中的水氣，會排出帶有水液滴及飽和水蒸氣的空氣，即為霧。此現象一般會發生在濕冷的天氣，不過在許多氣候下都很少見。和冷卻塔有關的雲和霧其特點是其均質性，就像其他人造的雲一樣（例如飛機雲及船跡）[30]。

若是降低排放飽和空氣的相對濕度，可以避免此一情形。因此，在混合式冷卻塔中，會將排放飽和空氣和較熱、濕度較低的空氣混合。會在風損消除器的上方導入一些空氣，使其在熱交換器中流動。相對濕度較低的乾空氣在進入塔內後，會因為加熱而讓相對濕度進一步降低。排出的混合氣體相對濕度較低，也不會形成肉眼可見的霧。

若在海邊（或靠近海邊），用海水作為補充水的濕式冷卻塔，冷卻塔排放的水液滴中會含有6%的氯化鈉，會散播在附近的陸地上。鈉鹽在附近農地上的沈積，可能會將會將土壤變為鹽化鈉質土或盐碱地，並且增加地下水以及表面水的鈉吸著比。在沒有國家級污染控制標準的地區，或是沒有採取措施來降低濕式冷卻塔風損的地區，若使用海水作為補充水，其鹽分沉積的問題會更嚴重[31]。

若使用淡水補充水，不會有排放鹽類的問題，可是會有其他問題。冷卻塔的風損水液滴中，可能會有直徑小於10微米（µm）的可吸入懸浮粒子。10微米以上的懸浮粒子會在鼻子和喉嚨中被纖毛和粘液過濾，但較小的粒子（PM₁₀）會進入支氣管以及肺部，因而形成健康問題。大小小於2.5 µm（PM_2.5）的粒子會進入肺部的氣體交換區域。非常小的粒子（小於100奈米）會經由肺部進入體內循環，影響其他器官。雖用淡水補充水的總粒子排放會少很多，但其中PM₁₀和PM_2.5的比例會比以海水為補充水時要多很多。這是淡水為補充水的風損鹽份（小於2,000 ppm）較用海水時（60,000 ppm）要少[31]。

自然通風濕式冷卻塔內的排氣煙囪

連接到自然通風濕式冷卻塔的排氣煙囪

在烏克蘭由結構鋼製成的電廠大型雙曲面冷卻塔

有些現代的發電廠有配置煙氣脫硫設備，例如Großkrotzenburg發電廠和羅斯托克發電廠，也會用冷卻塔當成排氣煙囪，因此可以節省獨立煙囪結構的費用。若發電廠沒有煙氣淨化設備，煙氣和水可以會反應產生酸，因此會出現腐蝕的問題。

有時自然通風的冷卻塔會用結構鋼來代替鋼筋凝混凝土（RCC）來建造，多半是在自然通風冷卻塔的建造時間超過其他設備建造時間時，或是當時的土壤強度不足，無法承載結構鋼和混凝土結構的重量，也有可能因為混凝土價格昂貴，為了成本考量，因此用結構鋼來製作冷卻塔。

若冷卻塔中的部份材料（或全部材料）有可燃物質，可能會助長內部火災的擴散。因為冷卻塔內部的高表面體積比，再加上自然通風或強制通風的影響，其火勢會相當的強。其損害會相當嚴重，需要更換冷卻塔內的所有元件。因此有些製作規模或標準[32]會要求可燃的冷卻塔需加裝自動灑水系統。若冷卻塔沒有運作（例如正在興建中，或因維修原因沒有運作），內部的火災可能會蔓延，甚至在冷卻塔有運作時，針對誘導通風的系統，可能會因為部份區域相對來說較乾，而可能產生火災[33]。

有些冷卻塔（例如較小型的大樓空調系統）為了避免結凍造成的損害，會在冬季關機、將水排空並且防凍。

在冬季時，有些持續運作的冷卻塔會使流出的水溫度在4 °C（39 °F）。針對寒冷的天氣，會使用Basin加熱器等防凍的對策。在運作中的冷卻塔在天氣非常寒冷時也可能會誤動作。一般來說，結凍會先出現在冷卻塔的中央，在熱負載較小，或是沒有熱負載時出現。嚴重的結凍會讓水變成冰，其體積膨脹，因此會增加結構上的受力，可能會造成結構受損或是倒塌。

為了避免結凍，可以採取以下的措施：

• 在寒冷的天氣中，不建議使用水量調節的旁路（by-pass）系統。此時需要有變速馬達的控制可變性、雙速馬達、或是雙速馬達多芯冷卻塔。
• 不要在沒有監控的情形下運作冷卻塔。若無人看守，需要加裝感測器及遠端的警報器以監控運作情形。
• 不要在沒有水壓的情形下運作冷卻塔。可以用讓冷卻塔中的水維持在凝固點以上。加熱管是電阻性的發熱元件，可以裝在水管上以避免結凍。
• 讓水的流量可以超過塔內的填充料。
• 控制或減少氣流，以維持水溫在凝固點以上。

非常大的冷卻塔很容易因風力而受損，過去也曾發生過大型結構的失效。英國西约克郡的渡橋發電站在1965年11月1日，因為85 mph（137 km/h）強風造成的振動，造成三座冷卻塔結構失效而倒塌[34]。此結構的設計是可以承受較高的風速，但冷卻塔的形狀導致西風漏斗狀的繞著塔旋轉，形成渦旋。八座冷卻塔中有三座倒塌，另外五座也嚴重受損。後來八座冷卻塔都已重建，而且有強化，可以承受惡劣的天候。後來也有修改建築法規，其中包括改善結構支撐，以及為了確認冷卻塔的結構和組態，需進行风洞測試。

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• 水塔
• 退伍軍人症

维基共享资源中相关的多媒体资源：冷卻塔

• What is a cooling tower? （页面存档备份，存于） – Cooling Technology Institute
• "Cooling Towers" – includes diagrams （页面存档备份，存于） – Virtual Nuclear Tourist
• Wet cooling tower guidance for particulate matter, Environment Canada.
• Striking pictures of Europe’s abandoned cooling towers （页面存档备份，存于） by Reginald Van de Velde, Lonely Planet, 15 February 2017 (see also excerpt from radio interview （页面存档备份，存于）, World Update, BBC, 21 November 2016)