为什么用水来冷却设备或产品

自然界中存在大量的气体和各种液体，为什么用水冷却设备或产品呢？理由有以下三点：

1. 水的比热大，其比热为1kcal／（kg·℃），就是说1kg 水温度升高或降低1℃，可吸收或放出1000cal（1kcal）热量。则用1kg H2O去冷却设备或产品时，水温升高5℃，理论上可吸收设备或产品5000cal 热量。

2. 水的价格相对较便宜，一般来说，只要提升水的水泵电费和水的净化处理费，水与其他液体、气体相比，不但价格便宜，货源也相对充足。

3. 水的汽化热大：在0℃时，1kg 水的汽化热为59713kcal。什么叫汽化热？就是说1kg 0℃的水变为0℃的水蒸气时所吸收的热量称汽化热。那么汽化热有什么意义呢？就是说1kg0 ℃的水，其蒸发1 %的水量（1kg 中的1 %）可使1kg 水水温降低6 ℃。 水与酒精及其他液体的比热与汽化热比较见表4-1 。可见水的比热和汽化热，用水进冷却效果。

用水去冷却生产设备和产品，使生产设备和产品的温度降低了，把热量传给了水，使水温升高了，这个过程就是传导散热。

水在冷却塔中进行冷却的过程中，把水形成很小的水滴或薄的水膜，扩大水与空气的接触面积和延长接触时间，是加强水的蒸发汽化，带走水中的大量热量，所以水在冷却塔中冷却的过程是传导散热和蒸发散热的过程。

空气中能容纳一定量的水蒸气，当空气中水蒸气少的时候，气候很干燥，天气也较好；当空气中水蒸气多时，会感到很潮湿；当空气中水蒸气很多时，会出现很小露点。这说明空气能接纳水蒸气，同时说明空气接纳水蒸气是有一定限度的，当空气中出现小露点时，说明空气接纳的水蒸气已经“满”了，不能再接受了，即空气中的水蒸气达到了饱和，称为饱和水蒸气。

水在冷却过程中，只要空气中的水蒸气还未达到饱和，则热水表面直接与空气接触时，就会不断地散发出水蒸气跑到空气中去。热水表面的水分子在化为水蒸气的过程中，将从水中吸收热量，使水得到冷却。

冷却塔水的蒸发散热

从分子运动理论来说，水的表面蒸发是由分子热运动而引起的，分子的运动又是不规则的，各分子的运动速度大小不一样，波动范围很大。当水表面的某些水分子的动能是以克服水内部对它的内聚力时，这些水分子就从水面逸出，进入空气中去，这就是蒸发。由于水中动能较大的水分子逸出，那么余下来的其他水分子的平均动能减小，水的温度也随之降低，使水得到冷却，这就是蒸发散热的主要原因。所以水的蒸发散热是水分子运动的结果。

水的蒸发散热可以在沸腾时进行，也可以在低于沸点的温度下进行，而自然界中的蒸发散热大都是属于低于沸点的温度下进行的蒸发。如湿衣服晾干、潮湿地面变成干燥以及热水在冷却塔内的冷却等都是低于沸点的情况下进行的蒸发现象。所以说，当水温＜气温的情况下，水照样会得到冷却，其道理就在于低于沸点下的蒸发散热。

从水面逸出去的水分子，相互之间可能进行碰撞，或者逸出去的水分子与空气中已有的水分子之间进行相互碰撞，那么又可能重新进入到水中。如果在单位时间内逸出水分子多于回到水面中来的水分子，那么水就不断地蒸发，水温也就不断地降低，水就得到冷却。

水的表面蒸发因在水温低于沸点的情况下进行的，这时，水和空气的相交面上存在着蒸气的压力差，一般认为水与空气的接触中，在其交界面处存在着一层薄的饱和气层，称为水面饱和气层。水先蒸发到饱和气层中去，然后再扩散到空气中去。设水面饱和气层的温度为t′，水面的温度为tf ，水滴越小或水膜越薄，那么t′与tf 就越接近。

设水面饱和气层的饱和水蒸气分压力为P″q ，而远离水面的空气中，温度为θ时（θ为干球温度）水蒸气的分压力为Pq ，那么它们的分压力差为：

这个ΔPq 就是水分子向空气中蒸发扩散的推动力，只要存在P″q ＞ Pq（即ΔPq 为正值），那么水的表面一定产生蒸发，水一定会冷却，而与水面的温度t f 是高于还是低于水面以上的空气温度θ无关。如果说蒸发所消耗热量用H β 表示，那么在P″q ＞ P q 的条件下，蒸发的热量Hβ总是由水面跑向空气，水中的热量总是减小的。

为加快水的蒸发散热速度，在冷却塔内要采取以下两条措施：

1. 增加热水与空气之间的接触面积。接触面积越大，水分子逸出去的机会越多，蒸发散热就越快。而水与空气的接触主要在冷却塔内的淋水填料中进行，则一方面要求水在淋水填料中形成的水滴越小越好、水膜越薄越好；另一方面要求填料本身越薄越好，即填料的面积越大越好（填料越薄，总面积越大）。

2. 提高填料中水膜（或水滴）水面空气流动的速度，使从水面逸出的水蒸气分子迅速地扩散到冷却塔外部的空气中去，维持扩散的推动力为常数，就是不使ΔPq降低下来。如果不迅速地排除逸出水蒸气分子，就会使空气中的水蒸气分压力Pq升高，使ΔPq =P″q-Pq 值变小（蒸发推动力减小），不利于蒸发。所以要保持一定的风量和风速。 水的蒸发散热量可用式（4-2）计算：

式中 Hβ——蒸发散热量（kcal／（m2 ·h））；

qβ——蒸发量（kg／（m2 ·h））；

λ——汽化热（kcal／kg ，1kg水的汽化热为597.3kcal）。

冷却塔水的传导散热和对流散热

传导散热也称接触散热，有时也称接触传导散热。这种散热是指热水水面与空气直接接触时的传热过程，包括传导和对流两种传热形式。如水的温度与空气温度不一样，将会产生传热过程，当水温高于空气温度时，水就把热量传给空气，空气自身的温度就逐渐升高，使水面以上周围空气内部的温度不均匀，这样冷空气与热空气之间就产生对流作用（注：对流只发生在流体中，而传导是指传热的分子之间无混合现象），对流的结果是使空气本身各点的温度达到一致，到水面温度与空气温度一致时传导散热停止。上述可见：传导和对流是同时发生的，总称为“接触散热”。

从上述讨论可见：传导散热的推动力为温度差Δt =tf -θ （水面温度与空气温度差），温差越大，传热效果越好，传热量可用下式表示：

式中 Hα——单位面积上的接触传递热量（kcal／（m2 ·h ））；

tf ——水面温度（℃）（水气交界面温度）；

θ——空气温度（℃）；

α——传热系数（kcal／（m2·h ））。

只要tf＞θ，Hα始终从水面传导给空气；反过来，当tf＜θ时，Hα就从空气传导给水。

冷却塔水的辐射散热

辐射散热不需要传热介质的作用，是一种由电磁波的形式来传播热能的现象。如平时见到的火炉烤得很热，太阳晒得很热等都是辐射热。辐射散热只有在大面积的冷却池中才起作用，在其他类型的冷却设备中（含各类冷却塔），可以忽略不计。

从水的冷却理论来说，水在冷却过程中，同时存在蒸发、传导对流、辐射3 种散热现象，因辐射散热在冷却塔中很小，故常不计在内。蒸发散热与接触散热那个起主导作用，视不同季节的水气温差而定。在一年的春夏秋三季中，水与空气的温差相对较小，以蒸发散热为主，特别是炎热的夏天，蒸发散热占总散热量的80 %～90 %，而接触传热仅占10 %～20 %；到了冬季，水与空气的温差较大，蒸发散热量减小，接触散热会提升到主导作用，其传热量会占到总散热量的50 %以上，在寒冷地区，可达到70 %。其实长江以北地区（含部分长江南岸地区），冬季不开风机，自然冷却即可。

冷却塔水冷却不同温度的蒸发与传导散热

从上述讨论可知，水的冷却过程是通过蒸发散热和传导散热两个综合作用的结果。现按图4-5在不同温度下，论述其蒸发散热与传导散发的不同情况。

1. 图4-5 中① ，tf ＞θ 在tf＞θ的条件下，蒸发散热与传导散热同时存在，并都从水面向空气一个方向进行（存在的Δt 和ΔPq均为正值），两者的总散热量用H 表示，则单位时间内从水面散发的总热量为：

这种情况下同时存在ΔPq和Δt为推动力的散热，图中Qu 是蒸发散热时被蒸发掉的水量，蒸发了多少水量Qu就带走了多少热量Hβ ，故Qu与Hβ成正比（Qu∞Hβ）。

2. 图4-5中② ，tf =θ 在tf =θ的条件下，说明Δt =0，不存在温度差引起的传导散热的推动力，即传导散热Hα =0 ，水没有热量传递给空气，空气也没有热量传递给水，只存在蒸发散热量Hβ，故得： H =Hβ（传导散热保持平衡） （4-5）

3. 图4-5中③ ，tf ＜θ tf ＜θ时，则tf -θ=-Δt ，说明空气的热量传给水面，所以存在Hα值，但不是水面传给空气，而相反。但只要存在水面的蒸发散热Hβ，并且Hβ＞Hα，那么总散热量H为正值，即： H =Hβ-Hα＞0 （4-6）

4. 图4-5中④，tf=τ＜θ τ是湿球温度，水冷却的限值。在图4-5 ③ 中，tf ＜θ，但还没有达到tf=τ，虽然水冷却很缓慢，但还是冷却的，现在到了t f=τ＜ θ，水的温度就停止下降了，其理由从散热量来说，因为这时候，水向空气的蒸发散热量Hβ与空气传导给水的热量Hα处于平衡状态（平衡状态是指两者传导的速度相等，不是处于停止状态），即Hα=Hβ，而使H =0，这时水面的温度tf就是空气的湿球温度τ，温度τ称为水的冷却限。

从上述分析的四种情况可见：希望水在冷却塔中的冷却属于种情况，因为既有蒸发散热Hβ，又有传导散热Hα，水的冷却效果好；在无法达到图4-5① 要求时，则希望水的冷却状况为图4-5②，虽然这时Hα=0 ，但存在H =Hβ，即以蒸发散热为主。而夏天炎热的情况下，水面温度tf 与空气干球温度θ比较接近，故传导散热在总散热量H 中仅占10 %～20 %，而蒸发散热在H 中约占80 %～90 %，所以夏天水在冷却塔中的冷却基本上

属于图4-5②的情况。冷却塔的设计也是按夏季的情况即不考虑传导散热量（Hα=0），只考虑蒸发散热量Hβ进行的，通常指的标准型冷却塔Δt =t1 -t2 = 5 ℃，就是只考虑蒸发散热的结果，没有考虑传导散热Hα。

图4-5③的情况，一般来说不希望出现，但少数地区是存在的，如重庆、武汉、南京、杭州、南昌等地，夏季有几天的空气温度很高，tf 与θ更为接近，故按上海的气象参数（一般τ=28 ℃，θ=31.5 ℃）设计的冷却塔，在这些地方，这几天的冷却效果达不到Δt ≠ 5 ℃，即t1 -t2 =Δt ＜ 5 ℃，但水还是得到冷却的，就是冷却效果差。如果这些地方夏季都要达到Δt =5 ℃，那么塔体要放大，填料要增高，风量要增加等，是非常不经济的。

图中4-5 ④ 是没有意义的，因冷却效果=0 。 在冬季tf 与θ之间温差很大（即Δt =tf -θ很大），这就是温差引起的传导散热的推动力很大，故传导散热量Hα 在总散热量H 中可达50 %，严冬时可达70 %，在冬季，Hα冬＞ Hα夏，Hβ冬＞ Hβ夏，所以总散热量H冬＞ H夏，冬季冷却效果特别好。

但无论如何，对冷却塔来说，夏天通常为Hβ ＞ Hα ，冬季Hβ ≈ Hα ，Hβ越大，效果好，这是因为水的汽化热为597.3kcal（1kg0 ℃的水汽化为0 ℃的水蒸气放出的热量），而水的比热为1kcal／kg ，这就是说1kg 水全部被汽化可带走几乎为600kcal 的热量，那么1kg 水中有1 %被汽化（即Qu =1／100kg ）可带走6kcal 的热量，则就可以使1kg 水的温度降低6 ℃。