冷卻塔（Cooling tower）是使水冷卻的塔式散熱裝置。冷卻塔通過冷卻水在塔內與大氣充分直接或間接接觸，利用水蒸發散熱將工作流體冷卻到接近濕球空氣溫度，或是將工作流體冷卻到接近干球空氣溫度，使水將熱量傳給大氣。
冷卻塔出現于二十世紀初。1918年，荷蘭工程師伊特森（Frederik van Iterson）和庫珀斯（Gerard Kuypers）為雙曲面冷卻塔申請了專利。1923年，沃克等人提出了冷卻塔運行的基礎理論。隨后，自然通風式冷卻塔的建造高度逐步發展，冷卻塔的技術不斷革新，于1970年代左右出現了提高冷卻能力的塑料薄膜式填料。1981年，冷卻塔研究所CTI更新并修訂了認證標準STD-201，確保一系列冷卻塔的性能符合制造商公布的熱性能等級。
冷卻塔的基本工作原理是蒸發凝結和熱量交換，可按照工作原理（通風方式、水和空氣是否直接接觸、水和空氣的流動方向、水和空氣的接觸方式）、應用領域、噪聲級別和形狀對其進行分類。不同類型的冷卻塔具有構造上的區別，例如自然通風冷卻塔不安裝風機，逆流式冷卻塔使用噴淋裝置等。從技術角度來看，在中國由國核電力院于2017年率先攻克了核電冷卻塔超高超大、高位集水、高效節能、耐久性等技術難題，并掌握了關鍵的計算分析方法。
冷卻塔具有冷卻能力、噪聲、耗電比、飄水率等性能指標，其關鍵技術包括雙曲型結構及用于冷卻的填料材料。冷卻塔主要應用于空調冷卻系統、冷凍系列、注塑、制革、發泡、發電、汽輪機、鋁型材加工、空壓機、工業水冷卻等領域，應用最多的為空調冷卻、冷凍、塑膠化工行業。未來冷卻塔的發展趨勢主要包括高效節能、智能化運維、防腐蝕材料和涂層的研發以及水資源節約等方面；從應用領域來看，電力系統、數據中心、半導體等行業對冷卻塔有著廣泛的需求。
簡史
專利確立
冷卻技術設備最早被用于十九世紀末。在工業革命時期，蒸汽機的使用需要冷凝器，冷凝器使用溫度相對較低的水，使從汽缸或渦輪機中排出的蒸汽凝結。然而，冷凝器需要充足的冷卻水的供應，對冷卻水的需求限制了許多陸基機器。
到20世紀初，為供應冷卻水，在有可用土地的地區，系統采用冷卻池的形式；在土地有限的地區，例如城市，采用冷卻塔的形式。早期的冷卻塔要么位于建筑物的屋頂上，要么作為獨立結構，由風扇提供空氣或依靠自然氣流。1901年，一位美國工程師提出了一種特殊的設計——類似于垂直縮短的煙囪的矩形或圓形外殼，從冷凝器中抽出水到頂部，頂部是一組分配槽，水滴落在木制或編織的金屬絲網上。冷卻塔發展的主要原因是電廠的發展與對提高工作效率的追求。
1914年，荷蘭工程師伊特森（Frederik van Iterson）和庫珀斯（Gerard Kuypers）開始建造高度為35m的雙曲面冷卻塔（hyperboloid cooling tower, HCP），并于1918年申請專利。這項專利比以前的冷卻形式效率更高，并迅速發展為冷卻塔的標準，沿用至今。
1919年，世界上有了木外殼鋼結構的橫流式冷卻塔，1920年，法國敦刻爾克建造了具有加強肋的混凝土錐型殼體冷卻塔。
理論發展
1923年，沃克（Walker）等人首次描述了濕式冷卻塔內的熱量交換和質量交換過程，提出了冷卻塔運行的基礎理論。
1925年，安格拉·默克爾（Merkel）統一了水滴與空氣的傳熱傳質過程，引入了的概念，得到了焓差法，提出了廣泛使用的默克爾數。
1967年，米爾恰（Mircea）基于殼體彎曲理論首次對冷卻塔塔體結構進行分析。
1984年，韋伯在理論上對冷卻塔、蒸發式冷凝器和蒸發式流體冷卻器進行了統一的熱力學分析，將水膜的傳熱系數、通過水膜傳遞給空氣的傳質系數分別用不同的數表示。
1996年，莫修丁和康特的研究解釋了濕式冷卻塔的熱力設計方面的細節程序。
建造發展
1924年，英國的第一座冷卻塔建造于利物浦利斯特大道的一座燃煤發電站里，高120英尺（約36.5m）。
1954年，德國柏林建造了第一個預制構件的雙曲線自然通風冷卻塔。
1958年，美國建造了第一個超100m高的自然通風冷卻塔。
1960年，英國建造了第一個雙曲線自然通風干式冷卻塔。
1971年，美國的電廠冷卻塔高度達到了150m。
目前德國科隆的超大型冷卻塔高度已經達到了200m，淋水面積達到14000m2。
技術發展
第二次世界大戰后，對空調建筑的需求快速增長，商用空調行業開始考慮噪聲因素和使用非可燃材料。因此，在1950年代后期，當工廠組裝的冷卻塔被用于商業空調項目時，冷卻塔使用靜音離心風機，并由鍍鋅鋼制成。
1970年代左右，塑料薄膜式填料出現，增加了水與空氣的接觸面積，提升了冷卻能力。這種填料先被用于采暖通風空調工業，后發展到化工和電力行業，是冷卻塔的一次重要的技術革新。
2021年，董（Peixin Dong）等人提出了一種新型的直接空氣捕獲（DAC）系統，該系統將傳統的自然通風干式冷卻塔與當前的DAC技術相結合，以降低捕獲二氧化碳的運行成本。捕獲二氧化碳時，水分蒸發，可提高冷卻塔約16%的冷卻能力，冷卻塔提供的自然通風效應可為系統節省大量電能。
同年，麻省理工學院提出了一種蒸汽回收方法：使用離子束使蒸汽帶電，然后將其捕獲在帶有相反電荷的金屬絲網上，水的純度超過了EPA的飲用標準。蒸汽回收系統旨在捕獲發電廠冷卻塔排出的蒸汽羽流。
2022年，中國國核電力院的廉江核電項目一期工程建設兩座超大型高位海水冷卻塔，屬世界首創，采用海水二次循環冷卻方案，將大大減少用海面積，降低溫排水余熱，對海洋環境、通航產業和沿海經濟更加友好。
原理
冷卻塔基本工作原理是蒸發凝結和熱量交換，通過冷卻水在塔內與大氣充分直接或間接接觸，利用水蒸發散熱將工作流體冷卻到接近濕球空氣溫度，或是將工作流體冷卻到接近干球空氣溫度，使水將熱量傳給大氣。
以典型的雙曲型自然通風冷卻塔為例，塔中的熱量交換是通過空氣的自然對流實現的。自然對流由內外空氣的密度差驅動，內部空氣溫度高、密度低，外部環境空氣溫度低、密度高。而機械通風式冷卻塔則利用風機制造塔內氣流。
構造
冷卻塔一般主要由塔體、填料、配水系統（水槽或管道與噴頭）、通風設備（即風機）、空氣分配裝置（如：進風口、百葉窗、導風板、風筒）、除水器（又稱收水器）、集水器（又稱水盤、集水槽）等部分構成。
基本分類
冷卻塔的分類主要依據工作原理，包括通風方式、水和空氣是否直接接觸、水和空氣的流動方向、水和空氣的接觸方式。其它分類標準還包括應用領域、噪聲級別、形狀等。
按通風方式分類
自然通風冷卻塔
自然通風冷卻塔塔內的低壓是由煙囪內加熱的空氣（密度較低）與塔外相對低溫的環境空氣（密度較高）之間存在的密度差產生的，沒有安裝機械裝置。這種冷卻塔在相對濕度較高的地區運行更有效。
機械通風冷卻塔
機械通風式冷卻塔塔內使用單個或多個風扇，通過風扇容量控制和調節風扇的運轉，以補償不斷變化的大氣和負載條件，降低塔內的氣壓。
混合通風冷卻塔
混合通風冷卻塔是安裝了風扇的自然通風冷卻塔，風扇可能只需要在高環境負載和峰值負載期間運行，這是為了盡量減少用于空氣流動的馬力的同時盡可能減少堆棧成本的影響。
按水和空氣是否直接接觸分類
開式冷卻塔
在開式冷卻塔內部，水與空氣直接接觸，使熱量直接被傳遞到空氣中。
開式冷卻塔具有結構簡單、造價低、維護檢修方便等優點，是早期最常用的一種冷卻設備。然而，開式冷卻塔運行時噪音較大，這是由暴露在空氣中的風機馬達和葉片造成的。由于是開式系統，冷卻塔在運行時會產生次氯酸鈉現象，造成水量損失，同時一定程度上會降低冷卻水的水質，且外界的雜物的進入也會造成水質污染。另外，開式冷卻塔的冷卻水壓力損失要高于閉式冷卻塔。
閉式冷卻塔
閉式冷卻塔內使用熱交換器，水與大氣非直接接觸。
閉式冷卻塔的冷卻效率高，閉式循環能夠保證水質不受污染，防止雜物堵塞管道。然而，當外界氣溫較低時，易引起引起冷卻器局部凍裂，需停掉噴淋水系統，否則可能會凍壞換熱管或冷卻塔的其他部件。
按熱水和空氣流動方向分
橫流式冷卻塔
橫流式冷卻塔的特點是空氣水平流動穿過填料，與向下流動的水交匯，內部是一個重力系統，無需噴淋裝置。優點是配水系統可以承受更大的水流波動，低靜壓降，節省運營和能源成本。但易受寒冷天氣和低溫影響。
逆流式冷卻塔
逆流式冷卻塔的特點是空氣垂直向上通過填料，水則向下流動，需要安裝噴淋裝置。垂直穿過填料的空氣使最冷的水與最干燥的空氣接觸，噴淋產生的較小液滴更有效地利用可用空氣，提高了塔的性能。由于需要延長進氣和排氣室、使用高壓噴霧系統、氣壓損失較高，逆流式冷卻塔相比橫流式塔高更高、需要更多的泵頭和更多的風扇。
混合流式冷卻塔
混流式冷卻塔的特點是冷卻介質和冷卻空氣在塔內同時流動，介質和空氣之間進行熱交換。
按水和空氣接觸方式分類
濕式冷卻塔
濕式冷卻塔采用蒸發冷卻，將水噴灑到填料或管子等熱交換介質的表面，熱量通過蒸發傳遞。濕式冷卻塔冷卻效率高，但消耗的水量比干式冷卻塔更大。
干式冷卻塔
干式冷卻塔使用空氣作為冷卻介質，利用換熱器，熱水通過管道，熱量被傳遞到環境空氣中。干式冷卻塔能最大限度地減少用水量，因此通常在缺水的環境下使用。但冷卻效率較低。
性能指標
根據中國國家標準規定，冷卻塔的性能指標包括：冷卻能力、噪聲、能效（耗電比）、飄水率。由指標之間相互關聯，不應對單一指標進行獨立測試。
冷卻能力
對于開式冷卻塔，冷卻性能與進水溫度、出水溫度、設計溫差、濕球溫度、干球溫度、大氣壓力有關，這些物理量在按其它工況設計時，應換算到標準工況。
對于中小型開式冷卻塔，實測冷卻性能計算原理為：先將測試工況下的實測冷卻水溫差換算成標準工況條件下的冷卻水溫差，即用實測的風量、工況參數求出實測的冷卻數，將該冷卻數代入標準工況。再用標準工況的名義冷卻水流量、進塔水溫、濕球溫度和對應的實測風量，求出此時的出塔水溫，將該出塔水溫差與標準工況的進行比較。
對于大型開式冷卻塔，冷卻性能的計算中還需要測量進塔水流量、進塔空氣流量和風機軸功率。對于閉式冷卻塔，還需要進塔循環冷卻水流量、風機功率。
噪聲
冷卻塔的噪聲值不得超過規定的噪聲值：對于中小型開式冷卻塔，對于不同的名義冷卻水流量，規定了噪聲級別I、II、III、IV、V的噪聲值，前四級對應標準工況I，第五級對應標準工況II。對于大型開式冷卻塔，對于不同范圍的名義冷卻水流量，規定了標準點噪聲值。對于閉式冷卻塔，對于不同的名義冷卻水流量，規定了噪聲級別I、II的噪聲值。
耗電比
冷卻塔的能效按耗電比分為5個級別。
飄水率
中小型開式冷卻塔和閉式冷卻塔的飄水率應≤0.010%，大型開式冷卻塔的飄水率應≤0.005%。
關鍵技術
雙曲型結構
塔體的雙曲型結構從空氣動力學的角度、強度和穩定性方面，為冷卻塔提供了最佳的構造條件。雙曲型結構使冷卻塔具有負高斯曲率的優點，在抵抗外部壓力的穩定性方面優于直塔。塔底加寬，可容納大型填料，便于循環水薄膜的蒸發冷卻。
另外，雙曲型結構還應用了文丘里效應，以提高冷卻塔的冷卻能力。文丘里效應指的是空氣在從較寬的截面區域傳遞到較窄的截面區域時的加速效應，有利于交界處形成負壓區，從周圍吸入空氣。冷卻塔底部的配水系統可以均勻地分配來自蒸汽驅動渦輪機的熱水，當水被分配并落到下面的水池時，它會加熱空氣。加熱的空氣攜帶大量的蒸汽通過冷卻塔，塔底的開口允許大量空氣進入塔內，隨著濕熱空氣的一起上升。冷卻塔的雙曲型結構能夠加速空氣的上升速度。
填料材料
冷卻塔中的傳熱涉及傳導、對流和蒸發等多種機制，但最重要的傳遞方法是通過蒸發或傳質。濕式冷卻塔中的填料能夠最大限度地提高空氣和水之間的接觸面積以及停留的接觸時間，從而促進有效的傳熱和傳質。由于填料貢獻了濕式冷卻塔內70%的傳熱，是冷卻塔的核心部件。
冷卻塔填料通常由薄的、間隔緊密的板材或元件組成，通常以蜂窩狀或波紋狀排列，設計、排列和材料特性將影響填料的傳熱能力。填料主要有飛濺型和薄膜型兩種。飛濺型填料通過將水引導到交錯排列在不同高度的防濺桿上，使水珠其級聯穿過各個高度，以增加落水的持續時間，使下降的水滴分解成更小的水滴，從而增加了水和空氣之間傳熱的液滴表面積。較小液滴的另一個優點是易于將污垢顆粒與水分離。此外，這種填充類型還具有在冷卻塔中產生低壓降的優點。薄膜型填料將水引導到間隔緊密的垂直排列的板材上，這些板材通常由聚氯乙稀（PVC）制成。這導致水在片材表面形成一層薄膜，以促進蒸發。填料的熱性能通常用一個無量綱數來衡量，稱為默克爾數（Me），定義為實際傳熱率與最大可能傳熱率之比。
應用領域
冷卻塔在化工、空調、電力等領域有重要作用。
工業
工業冷卻塔使用循環冷卻水從工業發電廠的熱力學過程中去除熱量，能夠提高能源利用率和減少環境污染。主要應用于石化、冶金、數據中心、半導體、儲能、核電等領域，如煉油廠、石化廠、食品加工廠和半導體廠等。
逆流冷卻塔在工業領域的優勢突出，包括鋼鐵冶金和石油化工行業，用于化工和煉油廠、小型工廠、鍋爐和熔爐廠等。自然通風冷卻塔可用于煉油廠、石化廠和天然氣廠等能源密集型設施；強制通風冷卻塔用于造紙和化學工業。
電力行業
火力發電廠是將熱能轉化為電能的發電站。在世界上大多數地方，渦輪機都是蒸汽驅動的。在此過程中，水被加熱、蒸發，使蒸汽輪機轉動，最后通過發電機將機械能轉換為電能。火力發電站設計的最大差異是熱源，包括化石燃料、太陽能能、核能、地熱、垃圾焚燒和天然氣。
常用于電力行業的冷卻塔有自然通風冷卻塔、逆流式冷卻塔，引風冷卻塔通常用于干蒸汽發電廠。中國首座核電站超大型冷卻塔（廉江市核電項目），由國家電投綠能科技（國核電力院）EPC建設，為逆流式自然通風冷卻塔，塔高218.7米，淋水面積達到全球之最（20000平米）。
空調系統
大型辦公建筑、醫院、學校等的空調系統中，通常會使用一個或多個冷卻塔，空調冷卻塔（HVAC）屬于冷水機組的子領域。數據中心空調系統能耗巨大，具有需要全年制冷的特點。冷卻塔冷卻技術可實現自然冷卻，減少制冷主機的運行時間和能耗。
發展趨勢
技術創新
在中國，由國核電力院率先攻克了核電冷卻塔超高超大、高位集水、高效節能、耐久性等技術難題，掌握了熱力阻力特性計算方法、荷載取值計算方法、靜動力分析方法、壽命評估方法、高位集水裝置設計制造等關鍵技術。
未來冷卻塔的發展趨勢主要包括高效節能、智能化運維、防腐蝕材料和涂層的研發以及水資源節約等方面，致力于發展節水技術、消霧技術、降噪技術、節能技術、大型自然通風冷卻塔和機械通風冷卻塔的高位集水技術。
應用擴展
電力系統：未來3年火電年均裝機量相比十三五期間翻倍，冷卻塔作為火電發電系統的重要設備，需求量高增，尤其是對節能環保型的冷卻塔。中國核電機組核準節奏加快，由于環保及運行穩定性等要求，國內沿海核電、內陸核電都必然使用冷卻塔，對于使用高位收水技術，以及對防腐要求高的冷卻塔需求量更大。
數據中心：由于AI算力升級，產熱量加大，數據中心產業鏈對溫控系統的需求不斷上升，液冷數據中心相比于風冷系統更能滿足要求。同時，溫控系統是保證儲能安全，液冷方案已成為儲能溫控行業趨勢。國內比亞迪、寧德時代、陽光電源股份有限公司等主流系統集成商都推出液冷系統解決方案。根據GGII預測，到2025年液冷溫控方案在儲能溫控中的達滲透率達45%。由于冷卻塔是液冷方案中使用的室外機，液冷方案占比的快速提升，導致對冷卻塔需求將持續增長。
半導體：由于生產過程中蒸發熱量大，半導體行業需要使用大量工藝冷卻水實現降溫。為了保證半導體設備的正常使用，冷卻塔是必不可少的配套設施。
標準規范
型號組成
中小型機械通風開式冷卻塔和閉式冷卻塔的型號標記包括六個部分：結構形式、橫逆流、名義冷卻水流量、噪聲、能效等級、符合標準。大型機械通風開式冷卻塔的標記不包括噪聲，只有四個部分。示例：1. 名義冷卻水流量100m3/h，噪聲等級為II級，能效等級為1級的機械通風逆流閉式冷卻塔標記為“BN-100-II-1 GB/T 7190.3-2019”；2. 名義冷卻塔水流量3000立方米/h，能效等級為1級的大型機械通風開式冷卻塔標記為“KN-3000-1 GB/T 7190.2-2018”；3.名義冷卻塔水流量125m3/h，噪聲等級為IV級，能效等級為1級的中小型機械通風開式冷卻塔標記為“KN-125-IV-1 GB/T 7190.1-2018”。
塔體材料要求
注意事項
參考資料 >
冷卻塔的發展歷程.新疆曼吉克節能環保科技有限公司.2023-12-01
Cooling Tower Technology: An Historical Perspective.Air conditioning, Heating & Refrigeration News.2023-11-28
2023年中國逆流式冷卻塔性能特點、應用領域及市場規模分析[圖].共研網.2023-11-29