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冷卻水塔冷卻能力不足之原因探討 黃錦文 劉杰文 鄭益志 親民工商專科學校 熱交換器及其系統在化工設備或製程中，是一相當普遍與重要的裝置；同時，此種裝置選擇或設計正確與否，除影響運轉或產品生產成本外，對能源使用合理與否亦有相當的決定性。在化工設備或製程中之熱交換器種類相當多，如蒸汽系統各加熱裝置(加熱器Heater，再沸器Reboiler等)、冷凝回收裝置(如蒸汽冷凝器Steam condenser)，單元操作程序中之蒸發器(Evaporator)，輕沸物或塔頂、尾氣冷凝回收裝置(如尾氣冷凝器Vent condenser)，冷卻設備(如冷卻器Cooler)，公用系統之冷卻水塔(Cooling tower)等均是熱交換器或其系統之應用範圍。此等裝置有些可單獨使用，有些則須與其他輔助設備共構併用，如冷卻水塔者，因此其使用效率得當與否必須整體考量始可。茲以此冷卻水塔為例，探討其與能源使用合理與否之相關問題，此關鍵首在其冷卻能力是否足適的問題。欲進一步討論之前，先就冷卻水塔的基本結構與作用略作如下之說明。 冷卻水塔之基本結構與作用 一、冷卻水塔概說 1.冷卻與冷卻水、冷卻系統 由於製程(發電、燃燒、反應器)棄熱、冷凍空調冷凝棄熱及其它有熱源產生等之棄除或冷卻，而有冷卻設備設計與製造等之工程技術的發展；至於其冷卻的方式視溫度級而可採行：空氣冷卻、水冷卻及製冷冷卻(驟冷水、低溫或極低溫製冷)等三種方式，製程或工業應用中以水液可冷卻者佔極大部分，此即一般所謂之冷卻工程所含括的主要內容。 (1)冷卻水源及其決定、使用量 冷卻水源基本上可分成二大類－淡水及鹽水，而冷卻水源的決定視其供應狀況(尚須考慮取得成本)及環境影響與限制(排放、污染)、水質處理等因素而異，冷卻水之使用量則依冷卻能力而定，此外尚須考慮合理化或減量使用等因素。 (2)冷卻(水)系統的分類與相關設備 冷卻(水)系統通常可分為開放式循環系統、密閉式循環系統及直通式系統(消耗型)等三種型式，此三類系統所含括之主要設備則有冷卻水塔、熱交換器與系統及管路與循環幫浦等設施與裝置。 2.冷卻水塔簡介 冷卻水塔在基本上的分類有逆向流型及直交流型等二大類型，而其主要構造物有：本體及相關配件(支架、散水裝置或擋水器)、填充材；另抽或送風裝置(含風扇、馬達及必要之增減速裝置)則亦為其基本配備。目前常見之各類型冷卻水塔有﹕ 1.逆向流型自然通風式冷卻水塔，如圖1所示者。 2.逆向流型機械通風式冷卻水塔，如圖2所示者；另尚有一型所謂送風式者，圖3所示者即為其中之代表例。 3.逆向流型FRP製圓瓶式冷卻水塔，如圖4所示者，此即為一般常見之泛用機型。 4.直交流型自然通風式冷卻水塔，如圖5所示者。 5.直交流型機械通風式冷塔水塔，如圖6所示者，其水液與通過空氣呈垂直交互者，此即為一般常見之泛用機型。 圖1 逆向流型自然通風式冷卻水塔 1.熱水進口總管；2.中心貯槽； 3.熱水流槽；4.分配管；5.空氣進口； 6.水槽；7.冷水出口；8.填充材裝置； 9.塔肋；10.基礎腳座 圖2 逆向流型機械通風式冷卻水塔 圖3 送風逆向流型機械通風式冷卻水塔 圖4 逆向流型冷卻水塔 1.風扇馬達及減速器 2.風扇葉片　 3.本體(FRP殼體) 4.散水分岐水管 5.填充材 6.補給水管 7.散水網 8.出水管(口) 9.入水管(口) 10.腳架(座) 11.水盤(皿) 12.入風口網 13.扶梯 14.視窗  圖5 直交流型自然通風式冷卻水塔 圖6 直交流型冷卻水塔 1.、2.同圖4者 3.散水槽 4.填充材 5.擋水器 6.腳架(座) 7.下部水槽(盤) 8.出水管(口) 9.維修門 10.扶梯 11.底座(架) 12.入風口順風板 13.吊網 14.入水管(口，含 分佈及關斷閥) 二、冷卻之基本原理(理論) 冷卻水塔之基本操作原理是藉裝置 (泛指散熱填充材及水液分散器等) 使水液呈霧滴狀與通過空氣(採逆向或直交流方式進行)進行熱交換過程，此過程包括顯熱(Sensible heat) 交換及液蒸發等現象(在熱傳學上此謂之具有質量變化之熱質傳問題)，其熱交換特性可用下之關係式來表示 (1) 此即謂之Merkel方程式，是為冷卻水塔設計計算之主要基礎，其工作介質之熱力狀態變化可由圖7之線圖來表示之﹔式中冷卻水塔之特性值－kaV/L，可由下之熱質傳原理以求取之，其由來可由下之推導而得知。 在冷卻水塔整個過程中，其熱平衡關係式可以下式表之(以空氣0℉