冷却塔为什么能把水冷到比空气还凉：九成的热靠水自己蒸发带走，所以它又省地方又费水

发布于 2027-01-09｜相关行业：化工

冷却塔在干什么：把整座厂的热，交给空气和一点点水

化工厂里几乎每一台水冷器、每一台冷凝器，用的都是同一路水——循环冷却水。它从冷却塔底下的水池出发，被泵送到各个装置，在换热器里把工艺物料的热吸走，自己变成热水，再回到冷却塔上面淋下来，凉了之后落回水池，接着下一圈。

所以冷却塔是全厂的“总散热器”：前面几期讲过的精馏塔塔顶冷凝、压缩机级间冷却、反应器撤热，热量最后几乎都汇到这里，由它交给大气。一个厂有几座冷却塔、每座塔多大，基本等于这个厂要往外扔多少热。

本期按一条主线讲：冷却塔里水和空气是直接碰面的，热主要靠一小部分水蒸发掉带走。它为什么效率高、为什么费水、为什么冷不到某个温度以下、为什么电厂那种塔要一百多米高，都是这一件事的展开。

和第 1 期的换热器差在哪：水和空气之间没有那层钢板

第 1 期讲换热器时分过三大类：间壁式（两股流体隔一层金属壁，热穿壁而过）、混合式（两股流体直接接触后再分开）、蓄热式。那一期讲的全是间壁式，凉水塔被点名放在混合式里——这一期就是来补这一块的。

差别不只是少了一层钢板。间壁式换热器里，热只能以“温差”的形式传：热流体降多少，冷流体就升多少。冷却塔里水直接淋在空气里，热有两条路走：一条是空气被加热（和间壁式一样，靠温差），另一条是一部分水变成水蒸气被空气带走（靠蒸发）。后面这一条才是主力。

空冷器也是用空气做冷源，但它是间壁式——空气在翅片管外面吹，只能靠自己升温吸热。同样拿空气降温，一个只用了空气的“温度”，一个还用了空气的“干燥”，这就是两者能力差一大截的根源。

九成的热，是靠水自己蒸发掉的

拿一个夏天的设计工况算：空气干球 35 ℃、湿球 28 ℃（相对湿度 59%），热水 42 ℃ 进塔、32 ℃ 出塔，水降了 10 ℃；每公斤干空气配 1.2 公斤水。按能量守恒算下来，出塔空气是 36.5 ℃ 的饱和湿空气——空气本身只升了 1.5 ℃。

那热去哪了？被水蒸气带走了。水在 37 ℃ 上下的汽化潜热是 2413 kJ/kg，蒸发 1 公斤水带走的热，够把 576 公斤水降 1 ℃。拆开算：91% 的热是蒸发带走的，只有 9% 靠空气升温。

工程上常用一句口诀估算：每降 1 ℃，蒸发掉循环水量的 0.16%。它就是从这里来的——如果全靠蒸发，每降 1 ℃ 要蒸发 4.186 ÷ 2413 = 0.17%；实际九成靠蒸发，0.17% × 91% ≈ 0.16%。温差 10 ℃，就是蒸发掉循环量的 1.6%。

效率高和费水，是同一件事的两面：蒸发吸热的本事比升温大几百倍，所以冷却塔小而猛；可每一份被蒸发带走的热，都要拿一份水去换。

为什么水能被冷到比空气还凉：湿球温度

上面那组数里有个反直觉的地方：空气 35 ℃，出塔水 32 ℃——水比吹它的空气还凉 3 ℃。间壁式换热器做不到这一点，冷流体永远热不过热流体、热流体也永远冷不过冷流体。

冷却塔能做到，是因为它的下限不是空气温度，而是湿球温度：拿一支温度计，感温泡裹上湿纱布放在风里，读数会比旁边的干温度计低——纱布上的水在蒸发，把自己冷下来了。空气越干，蒸发越猛，湿球比干球低得越多；空气饱和了（相对湿度 100%），两者相等。

第 6 期讲喷雾干燥时说过，热风两三百度、颗粒本身却不烫，“颗粒温度接近湿球温度”——是同一个道理，只是用途反过来：那边是借蒸发保护物料，这边是借蒸发冷却水。

湿球温度是水靠蒸发能冷到的理论地板。出塔水温离湿球还差多少，叫逼近度（上例是 32 − 28 = 4 ℃）。后面会算到：这个差值决定了塔要做多大。

冷却塔看湿球，空冷器看干球

第 1 期说过，空冷器的冷源是环境空气，出口温度不可能低于环境干球温度，工程上一般只能降到干球往上十几到二十度。按下沿 15 ℃ 算，35 ℃ 的下午空冷器出口地板是 50 ℃；同样的下午冷却塔出水 32 ℃——差 18 ℃。

更有意思的是天气变了会怎样。干球都是 35 ℃，只改相对湿度：20% 时湿球 18.9 ℃、40% 时 23.9 ℃、60% 时 28.2 ℃、80% 时 31.8 ℃。冷却塔出水跟着湿球走（逼近度 4 ℃），从 22.9 ℃ 到 35.8 ℃；空冷器只认干球，一律 50 ℃。越干燥，冷却塔比空冷器低得越多：干燥天差 27 ℃，潮湿天只差 14 ℃。

偏偏最干燥的地方，往往也是最缺水的地方——这是西北煤化工和坑口电厂大量用空冷、而不是冷却塔的原因。第 1 期说“空冷负责省循环水、水冷负责最后那十几度”，那后面那台水冷器用的水，就是从冷却塔来的。

一台机械通风冷却塔，拆开是什么样

化工厂里最常见的是机械通风逆流塔：一个方形塔体，顶上一台大风机往上抽风，空气从塔下部四周的进风口进来、一路向上；热水从上往下淋，两者迎面相遇。从上到下剖开是这几层：

• 风机与风筒——塔顶的大直径轴流风机，外面套一个喇叭形风筒，把湿热空气抽出去、送到高处
• 除水器——风机下面一层折板或波形板，湿空气穿过时把夹带的小水滴撞下来。没有它，塔顶会一直往外飘细雨
• 配水系统——一排排配水管和喷头，把热水均匀撒到整个截面上。撒不匀，填料就有一块干一块湿，白白浪费面积
• 填料——塔里真正干活的地方，把水摊成大面积的薄膜或打碎成细小水滴，后面单讲
• 进风口——填料下面、塔体四周的开口，常装百叶窗挡水和防风
• 集水池——塔底的水池，冷水在这里汇集，由循环水泵抽走

逆流和横流：空气从下面来，还是从侧面来

按空气和水的相对方向，机械通风塔分两种。逆流式：空气从下往上，水从上往下，迎面相遇；横流式：空气从塔的侧面水平穿过填料，水照样从上往下，两者交叉。

逆流式换热推动力分布更均匀，同样的冷却任务填料更省，但空气要一路穿过淋水区，阻力大、风机功率高，配水要用压力喷头。横流式配水通常是塔顶一个开敞的热水盘，水靠重力从盘底小孔漏下去，检修配水方便、风阻小、噪声低，代价是填料用量多、占地大一些。

两种塔从外面也好认：逆流塔进风口在底部一圈，塔身上部是实墙；横流塔进风口占据塔侧的大半高度，整面都是百叶。

填料：冷却塔真正干活的地方

蒸发和换热都发生在水和空气的接触面上。同样一吨水，淋成一根水柱和摊成一大片薄膜，接触面差几个数量级——填料的全部任务就是把接触面积做大，同时别让空气走得太费劲。

常见两类。薄膜式填料：一片片波纹塑料片（多为 PVC）粘成蜂窝状的块，水沿着片子表面铺成薄膜往下流，空气在片间的通道里穿过。单位体积面积大、效率高，是现在的主流。点滴式填料：一层层水平的板条或格栅，水落下来一次次撞在板条上、溅成水滴，靠水滴的表面散热。效率低一些，但不怕堵。

所以选填料首先看水质：水越脏、悬浮物和油越多，越要往点滴式靠。薄膜式通道窄，一旦结垢、长藻或挂油泥，通道被堵，风量下降，出水温度就会慢慢往上爬——很多“冷却塔不够用”的问题，最后查出来是填料堵了。

逼近度：出水离湿球有多近，塔就有多大

同样的水量、同样降 10 ℃、同样的水气比，只改出水温度离湿球 28 ℃ 有多近。用 Merkel 方法算“所需填料体积”的相对大小（同一种填料、同样风水比时，填料体积和它成正比）：

逼近度 4 ℃ 时 Merkel 数是 1.47；压到 3 ℃ 是 1.96，多要 33% 的填料；压到 2 ℃ 是 2.87，多要 95%——将近翻倍；压到 1 ℃ 是 5.22，是 3.5 倍。反过来放宽到 6 ℃ 只要 0.96，省 35%；8 ℃ 只要 0.70。

原因是推动力：水面上那层饱和空气和塔里空气之间的“焓差”越小，传得越慢。出水越接近湿球，塔下部的推动力越接近零，最后那一两度最贵，逼近度为零时塔要无限大。所以设计逼近度多取 3–5 ℃，很少往下压。

反过来读这张图也有用：夏天湿球一高，同一座塔出水温度就跟着涨；下游换热器如果是按偏低的水温设计的，最热那几天就会顶不住。冷却塔的能力要按当地夏季湿球来核，不是按平均气温。

风机、减速机和风筒

第 5 期讲风机时说过：轴流风机风量大、压头低，“适合几乎没有阻力的大空间通风”，空冷器上那一排全是它。冷却塔的风机也是轴流式，道理一样——空气只需要穿过填料和除水器，阻力不大，要的是风量。

它的样子和普通风扇不一样：叶片很长、转速很低（大直径风机叶尖速度有限制，噪声和强度都受它约束），所以电机和叶片之间要加一台减速机。电机通常装在风筒外面，通过一根长传动轴把动力送到风筒中心的减速机上——这样电机不用泡在塔里的湿热空气里。

风量怎么调？冷却塔的风路基本是纯阻力（没有要克服的高差），风机功率大致和转速的三次方成正比：转速降一半，功率只剩 12.5%。所以冷天、夜里、负荷低时把风机调成低速或停掉几台，是冷却塔最直接的节电手段，双速电机和变频在这里都很常见。

一排十格：真实的机械通风冷却塔组

工厂里的机械通风塔很少单独一台，而是若干格并排连成一长排，每格顶上一台风机、下面共用一个集水池。格数按热负荷定，哪一格检修就停哪一格，其余照常运行。

下面是一座制冷机房的沙盘，顶部就是这样一排十格的冷却塔：红色的热水主管沿塔顶走，把水分配到每一格的配水系统；蓝色的冷水从塔底引出，接到下面的泵组和冷水机组。热水从上面进、冷水从下面出，这是看任何冷却塔图时第一件要对的事。

自然通风冷却塔：没有风机，靠烟囱效应

电厂鸟瞰图上最醒目的那种巨大的“腰鼓”，是自然通风冷却塔。它里面没有风机：填料、配水系统、集水池都在最底下那一小段，上面一百多米高的空壳子只做一件事——当烟囱。

原理和第 12 期讲的加热炉烟囱抽力是一回事：塔内是出填料的湿热空气，比塔外的空气轻，轻的那一柱往上浮，底部就从四周吸进新空气。塔底一圈是斜撑的人字柱，柱子之间整圈敞开当进风口；壳体是一层钢筋混凝土薄壳。

为什么是双曲线形？一是结构：单叶双曲面可以由一根根直线段扭转排出来，施工和配筋都方便，曲面薄壳抗风稳定性好、用料省；二是气流：底部大开口进风顺畅，中上部收窄成“喉部”加速，出口处再略微张开。

为什么要一百多米高：每一米只换来一点点抽力

抽力 = g × 塔高 × 塔内外空气密度差。按 150 m 的塔、同一个水气比算：夏天 35 ℃，塔内外密度只差 0.018 kg/m³，抽力 26 Pa；冬天 0 ℃，密度差 0.095 kg/m³，抽力 139 Pa——冬天是夏天的 5.4 倍。

最需要冷却的夏天，抽力反而只有冬天的 19%。夏天塔内外只差 1.5 ℃，密度差里 68% 来自水汽：水蒸气分子量 18、空气 29，湿空气本来就比干空气轻。即便这样，每米塔高也只换来 0.17 Pa。

对比一下第 12 期算过的加热炉烟囱：一根 40 米的烟囱排 300 ℃ 的烟气，抽力就有 222 Pa。冷却塔比它高出近四倍，夏天的抽力却只有它的零头——烟气和空气差两三百度，冷却塔里外只差一两度。

抽力和塔高成正比，想在夏天也拉得动足够的风，只能把塔做高——这就是它动辄一百多米、比主厂房高一大截的原因。好处是一旦建成几乎不耗电，所以大型火电和核电用它；化工厂的负荷没那么集中、布置更灵活，多用机械通风塔。

鸟瞰图上最容易画错比例的，就是它

第 16 期讲不同厂区怎么出图时算过遮挡，燃煤电厂主厂房按 60 m 高取值，并专门点过一条：冷却塔比例错——“自然通风双曲线冷却塔动辄一百多米高，比主厂房还高一大截，画得跟个水箱一样就露馅了”。按上一节 150 m 的示例塔，它是主厂房的 2.5 倍高。

画电厂或带冷却塔的厂区时，按下面几条对一遍：

• 高度关系——双曲线塔比主厂房高得多，烟囱比冷却塔更细、通常更高；三者画成一样高就不对。也有把脱硫后的烟气直接送进冷却塔排放的“烟塔合一”，那样的厂就没有高烟囱
• 底部是悬空的——壳体架在一圈人字柱上，柱间整圈是进风口，不是一堵实墙落地
• 冒的是白色水汽——塔顶出来的是饱和湿空气遇冷凝成的白雾，不是烟；夏天淡、冬天浓，颜色永远是白的
• 别画成筒仓或储罐——腰部收窄、上口略张是它的标志；直筒圆柱是筒仓
• 机械通风塔是一排方格子——每格顶上一个风筒，不是一座大圆塔

闭式冷却塔：把换热器塞进冷却塔里

开式冷却塔有个躲不开的问题：循环水直接和空气接触，空气里的灰尘、微生物、二氧化硫都会溶进水里，水越用越脏。对大多数工艺水冷器来说这没关系，定期排污加药就行；但有些设备对水质很敏感，比如中频炉、精密设备的冷却回路，就要用闭式冷却塔。

闭式塔的结构是：塔里装一组换热盘管，要冷却的水在盘管里面走，是一个完全封闭的回路；盘管外面另有一路喷淋水，从上往下淋在盘管外表面，风机抽风让这层水膜蒸发。两路水互不相通。

也就是说，闭式塔是第 1 期那种间壁式换热器和本期这种直接接触式的组合：盘管里是间壁换热，盘管外还是靠蒸发。代价是多了一层管壁和一层温差，同样的湿球下出水比开式塔高几度，盘管外壁结垢后也更难清洗，造价高得多。

冷却塔有几种类型

冷却塔的分类有好几个维度，一座塔往往同时属于好几类，比如“机械通风、逆流、开式、湿式”。下面按常用的四个维度列：

一座塔一天要喝多少水

把前面的比例换成一座真实量级的塔：每小时循环 1 万吨水、温差 10 ℃，散热 116 MW。按本期夏季工况，每小时蒸发 158 m³，一天光蒸发就是 3785 吨。

这还只是蒸发。水蒸发走了，水里的盐不会跟着走，留在池子里越来越浓；浓到一定程度就会结垢、腐蚀，所以必须排掉一部分浓水、再补一部分新水把盐稀释下来。补水 = 蒸发 + 排污（除水器漏出去的细小水滴，也就是风吹损失，这里并进排污算）。

浓缩倍数：水处理只能压住排污那一截

循环水里的含盐量是补充水的几倍，就叫浓缩倍数。盐量守恒：补水带进来的盐，全靠排污带走，所以排污量 = 蒸发量 ÷（浓缩倍数 − 1）。

还是那座每小时 1 万吨的塔：浓缩倍数 4 时，排污 53 m³/h、补水 210 m³/h，一天补水 5046 吨，其中 75% 是蒸发掉的。浓缩倍数 2、3、5、6 时补水分别是 315、237、197、189 m³/h。

浓缩倍数从 3 提到 5，补水省 17%；从 5 提到 6，只省 4%。倍数越往上，省的越少，水里的盐却越来越浓，结垢、腐蚀和微生物的麻烦越来越大，药剂和补充水水质的要求越来越苛刻——工业上常见控制在 3–5 倍。而蒸发那一大块，任何水处理都动不了，它是热量换来的。

冬天：蒸发少了，麻烦多了

“每降 1 ℃ 蒸发 0.16%”是夏天的数。同一座塔、同样 42 → 32 ℃，只把进塔空气换成不同温度（相对湿度都按 60%）：40 ℃ 时 0.16%，30 ℃ 时 0.15%，20 ℃ 时 0.14%，10 ℃ 时 0.12%，0 ℃ 时 0.10%，−10 ℃ 时只有 0.08%——−10 ℃ 时蒸发掉的水只有 40 ℃ 时的 50%。蒸发在热量里的份额，也从 40 ℃ 时的 94% 掉到 0 ℃ 时的 58%、−10 ℃ 时的 47%。

原因是冷空气自己升温能吸走的热多了，而它能装下的水汽却少得多。所以冬天补水少、风机可以开得少，但麻烦换了一批：

结冰：进风口、填料底部和百叶上最容易挂冰，冰重了能压坏填料。所以冬天要减风量、停风机甚至让风机反转，让热水把进风口化开，并保证每格都有足够的热负荷。

白雾：冬天出塔空气是 19.5 ℃ 的饱和湿空气，一出塔就和 0 ℃ 的冷空气混合。按一比一混合，混合点 9.8 ℃，这时空气里的水比它能装下的多出 10%——多出来的水汽只能凝成小水滴，就是那团白雾。所以冬天白雾最浓，而且它是水，不是烟（一比一混合是为看清量级的简化，真实羽流是连续稀释的）。

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