冷卻塔

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典型的蒸發式強制通風開迴路冷卻塔,可以透過凝結器的水循環排出工業冰水機中的廢熱
英國迪科特電站的自然通風濕式冷卻雙曲塔英语Hyperboloid structure
德國西發里亞的強制通風濕式冷卻塔(高34公尺)以及自然通風濕式冷卻塔(高122公尺)
德國德累斯顿的自然通風濕式冷卻塔,刻意使其顏色類似背景

冷卻塔(cooling tower)是利用將水蒸氣冷卻成較低溫的水,將系統的废热排到大气层的排熱裝置。冷卻塔可能用蒸發的方式釋放水蒸氣中的熱,將工作流體冷卻到接近湿球温度,也有一種是「閉迴路乾冷卻塔」(closed circuit dry cooling towers),只利用空氣將工作流體冷卻到接近乾球温度

冷卻塔常見的應用包括冷卻許多工廠中的循環冷卻用水,這些工廠包括有煉油廠石油化工产品及其他化學工廠热力发电厂核电厂。小型的冷卻水塔也用在大樓中的冷氣。冷卻塔可以依讓空氣進入塔中的方式來分類:主要的分類有自然对流強制對流冷卻塔。

冷卻塔的大小依應用而不同,小的有可以放在大樓屋頂的冷卻水塔,大的則是大型的雙曲塔英语Hyperboloid structure,高可以到200公尺,直徑則是100公尺,也有可能是長方形的結構,長80公尺,高40公尺。雙曲塔多半是核能發電廠的冷卻塔[1],不過也有用在一些火力發電廠,甚至是大型的化工廠或其他工廠。大多數的冷卻塔其實體積很小,例如在大樓樓頂,中央空調系統的冷卻水塔。

歷史[编辑]

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]。冷凝器會用各種方式用比較冷的水,冷凝汽缸或渦輪機產生的蒸氣。這可以減少背壓英语back pressure,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]。在船用蒸汽機英语Marine steam engine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,可能會用冷卻池英语cooling pond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]

雙曲形英语hyperboloid structure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年建在英國利物浦李斯特發電塔英语Lister Drive power station,是要冷卻火力發電廠的冷卻水[9]

依用途分類[编辑]

暖通空調(HVAC)[编辑]

在德國購物中心屋頂的二個空調冷卻水塔
橫流式冷卻塔的單元,可看到其中的填充材料以及循環冷卻水

暖通空調(暖氣、通風及空氣調節,簡稱HVAC)的冷卻水塔是用來排除冰水主機英语chiller的廢熱。水冷的冰水主機排熱溫度在湿球温度附近,而氣冷的冰水主機排熱溫度是在溫度較高的乾球温度,因此後者的平均反卡諾循環效率較低。若是氣溫較高的地區、大型辦公大樓、醫院或學校,其空調系統中一般會有一個或是多個冷卻水塔。空調用的冷卻水塔一般會比工業用的要小。暖通空調會用冷卻水塔配合水冷的冰水主機或是水冷的冷凝器。冷凍噸定義為移除12,000英熱單位小時(3,500瓦特)的功率。, 但因為驅動冰水主機壓縮機需要額外的能量,在冷卻塔端的「等效冷凍噸」是移除15,000英熱單位每小時(4,400瓦特)的功率。若假設冰水主機性能係數(COP)為4.0(等效於EER 14),其「等效冷凍噸」定義為冷卻1,500英磅每小時(680公斤每小時)的水,使其降10 °F (6 °C),約等於15,000英熱單位每小時(4,400瓦特)[10]

若HVAC系統中有多個共用水泵管路的水源熱泵,也會使用冷卻水塔。在這類的系統中,只要熱泵運作在冷卻模式下,水環路內的循環水就會移除熱泵中冷凝器中的熱量,而冷卻水塔是冷卻水環路內的循環水,將熱量排到大氣中。相反的,若熱泵是在供暖模式下,冷凝器會抽取水環路中的熱量,排到需要加熱的位置。若熱泵主要是用在大樓供暖,一般會關閉冷卻水塔(並且將水排乾以避免因液體冷凍造成的設備損壞),此時會用其他方式加熱水環路,例如獨立锅炉

工業冷卻塔[编辑]

電廠的工業冷卻塔
水果加工廠的工業冷卻塔

工業冷卻塔也會用在移除許多工業程序中的廢熱,例如機械加工的發熱或是加熱材料產生的熱。大型工業冷卻塔的主要用途是用來冷卻在水冷系統中的循環水,水冷系統可能是用在發電廠煉油廠石化廠天然气製造廠、食品加工廠、半導體廠,或是其他的工業設備中,例如蒸餾塔的冷凝器中,結晶製程中的冷卻液等[11]。若是典型 700 MW的燃煤火力發電廠英语coal-fired power plant,冷卻水的循環用量約為每小時71,600立方公尺[12],循環水需要的補水供應量約為5%(每小時3,600立方公尺)。

若相同規模的發電廠沒有冷卻塔,使用單流冷卻(once-through cooling)的水冷系統,需要的冷卻水量是每小時100,000立方公尺[13]。大量的冷卻水進水會造成每年殺死上百萬的幼体,因為這些生物會撞擊到進水口的魚屏英语fish screen[14]。而且冷卻系統也需要持續的將大量的水排到海洋、湖泊或河流,也就是取得冷卻水源的水體。冷卻系統會排出大量的熱水,會讓河流或湖泊的水溫上昇,影響生態系統,,可能會殺死其他水中的生物(參見熱污染)或是造成其他不想要的物種或是入侵物種的繁殖(例如斑馬貽貝藻類)。冷卻塔的廢熱會散失到空氣中,會透過風和空氣對流擴散到更廣的區域,其溫度影響也較小,不會像冷卻系統的廢熱水,對一區域的水有較大的影響。蒸發冷卻散失的水無法在後續回收利用,只有表面冷卻的水可以回收使用。 有些在海邊的燃煤火力發電廠以及核电厂會用海水來單流冷卻,就算這些,其離岸冷卻水的放流口也需要小心的設計,以免造成環境問題。

煉油廠也有很大型的冷卻系統。典型每天處理四萬公噸原油的大型煉油廠,若用冷卻塔冷卻,其冷卻水需求是每小時80,000立方公尺。

世界上最高的冷卻塔是印度拉賈斯坦邦贾拉瓦尔卡里森德火力發電廠英语[Kalisindh Thermal Power Station]]中,二座202公尺的冷卻塔熱電站[15]

正在架設的冷卻塔

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ CleanEnergy Footprints (cleanenergy.org). Identifying Nuclear Reactors in Google Earth Retrieved 5/19/2014
  2. ^ 2.0 2.1 International Correspondence Schools. A Textbook on Steam Engineering. Scranton, Pa.: International Textbook Co. 1902. 33–34 of Section 29:"Condensers". 
  3. ^ Croft, Terrell (编). Steam-Engine Principles and Practice. New York: McGraw-Hill. 1922: 283–286. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 Heck, Robert Culbertson Hays. The Steam Engine and Turbine: A Text-Book for Engineering Colleges. New York: D. Van Nostrand. 1911: 569–570. 
  5. ^ 5.0 5.1 Watson, Egbert P. Power plant and allied industries. The Engineer (With Which is Incorporated Steam Engineering) (Chicago: Taylor Publishing Co.). 1906, 43 (1): 69–72. 
  6. ^ van Vliet, Michelle T. H.; Wiberg, David; Leduc, Sylvain; Riahi, Keywan. Power-generation system vulnerability and adaptation to changes in climate and water resources. Nature Climate Change. 2016, 6 (4): 375–380. ISSN 1758-678X. doi:10.1038/nclimate2903. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 Snow, Walter B. The Steam Engine: A Practical Guide to the Construction, Operation, and care of Steam Engines, Steam Turbines, and Their Accessories. Chicago: American School of Correspondence. 1908: 43–46. 
  8. ^ UK Patent No. 108,863
  9. ^ Power Plant Cooling Tower Like Big Milk Bottle. Popular Mechanics (Hearst Magazines). February 1930: 201. ISSN 0032-4558. 
  10. ^ Cheremisinoff, Nicholas. Handbook of Chemical Processing Equipment. Butterworth-Heinemann. 2000: 69. ISBN 9780080523828. 
  11. ^ U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Profile of the Fossil Fuel Electric Power Generation Industry. Washington, D.C. 1997.  Document No. EPA/310-R-97-007. p. 79.
  12. ^ Cooling System Retrofit Costs EPA Workshop on Cooling Water Intake Technologies, John Maulbetsch, Maulbetsch Consulting, May 2003
  13. ^ Thomas J. Feeley, III, Lindsay Green, James T. Murphy, Jeffrey Hoffmann, and Barbara A. Carney (2005). "Department of Energy/Office of Fossil Energy’s Power Plant Water Management R&D Program." 互联网档案馆存檔,存档日期27 September 2007. U.S. Department of Energy, July 2005.
  14. ^ Indian Point Energy Center的冷卻系統每年會殺死十億個魚卵及幼体McGeehan, Patrick. Fire Prompts Renewed Calls to Close the Indian Point Nuclear Plant. New York Times. 2015-05-12. 
  15. ^ https://www.constructionweekonline.com/article-18052-worlds-tallest-cooling-towers-take-shape-in-india

外部連結[编辑]