冷卻塔安全和優化：在冷卻塔操作和安全方面，復雜性會影響可靠性、操作和效率。這將分為兩部分。在這里，我們描述了冷卻水塔的操作和安全方面。

冷卻塔（簡稱CT）是一種水-氣熱交換器，用于將過程產生的廢熱排放到大氣中。它們的尺寸各不相同，從小型屋頂單元到高度可達 200 米（660 英尺）、直徑可達 100 米（330 英尺）的超大型雙曲面結構，以及大于 40 米的矩形結構。高度（130 英尺），長度 80 m（260 英尺）。

在正常運行中，它們為工廠的安全服務，但它們的故障可能會因過熱而導致嚴重事故。它們的運營成本是水運和空運成本的總和，因此如果將這些成本最小化（優化），工廠的運營成本可以大幅降低。 （在 IBM 的工作中，我們通過優化將工廠的運營成本降低了 17%。）

本文描述了不同冷卻塔設計可以提供的安全級別（可靠性），以及通過優化可以實現的目標優化 降低運營成本的控制系統。

冷卻塔術語和操作

所有冷卻塔都利用煙囪效應，這效果使外部空氣通過塔。煙囪效應引起的空氣流動取決于從底部進入的較冷的外部空氣與內部空氣之間的密度差，內部空氣更輕，因為它更溫暖、更潮濕。空氣的濕度隨著塔內空氣的上升而增加，因為只要水的溫度高于空氣的濕球溫度，它就會繼續蒸發。這種蒸發降低了內部空氣的密度，也會造成循環水的一些損失，需要補充。隨著水的熱量傳遞到空氣中，低密度的內部空氣上升并吸入塔底的新鮮空氣。

圖1：如果增加塔容量（傳熱面積）或通過塔的氣流，方法減小；如果你減少水流量，方法就會減少。該范圍是從工藝返回的熱水溫度 (Tin) 與工廠冷卻水供應溫度 (Tout) 之間的差值。

在自然通風的塔中，氣流僅由“煙囪效應”引起，而在機械底部，推動空氣（強大的風扇塔）通過立柱。

冷卻塔供應給工廠的水的溫度（Tout）總是高于冷卻它的空氣的濕球溫度（Tw）。如果溫度計的燈泡上覆蓋著潮濕的吸水物質并暴露在空氣中，蒸發會使燈泡冷卻到周圍空氣的濕球溫度。這是干濕表讀取的溫度。如果空氣中充滿水，則濕球溫度、干球溫度和露點溫度都將相同。否則，濕球溫度高于露點溫度，但低于干球溫度。

Tout只能“接近”Tw，而不能到達。如果塔容量（傳熱面積）或通過塔的氣流增加，這種方法 (A = Tout-Tw) 將減少，而如果水流量減少，塔容量將減少。 CT 的范圍（R = Tin-Tout）是從工藝返回的熱水溫度 (Tin) 與供應給工廠的冷卻水溫度 (Tout) 之間的差值。這些項如圖 1 所示。

CT 在冬季效率較高（約 80%），在夏季效率較低（約 65%），在高濕度地區效率較低。 CT 的效率是其范圍除以其范圍之和加上方法之和的比率的 100 倍：

μ = 100(Tin-Tout)/(Tin-Tw)< p>它們的進水和出水溫度之間的溫差通常為 10-15°F。每冷卻 10°F，耗水量約為 1%。

冷卻系統安全

隨著組件數量的減少，整體冷卻系統的安全性提高了。傳統工業冷卻塔系統的正常運行取決于空氣傳輸設備（風扇）和輸水設備（泵）的可用性和正常運行。從安全的角度來看，最重要的因素是這些組件的電源。當然，使用備用電源（柴油、電池、渦輪增壓等）可以提高安全性，但正如我們在許多事故中看到的那樣，備用電源也可能會失敗。

冷卻系統的組件越多，安全性就越差。從這個角度來看，最不安全的冷卻系統是使用冷凍水的冷卻系統。在這里，工藝熱量首先傳遞給冷凍水，然后從冷凍水傳遞給冷卻塔水，最后傳遞給空氣。它是最不安全的，因為它由四個部件組成（冷水泵、冷水機、冷卻塔水泵和冷卻塔風扇），每個部件都可能導致停電或損失。

因此，如果可以重新設計流程以直接使用 CT 水運行，將提高工廠的安全性，從而消除對冷卻器的需求。另一方面，如果塔出的冷水不夠冷，必須先送冷水機進一步冷卻，然后再送冷卻工序。討論了冷卻系統的安全和優化控制措施。在“冷卻系統的優化”中有詳細描述。

直接使用冷卻塔水使工廠更安全，因為只有 CT 風扇和泵這兩個組件才能正常運行。這些冷卻塔在工業中使用最廣泛。如果風扇是變速的，那么它們的冷卻能力就會變得可變，因為它們產生的水的溫度可以通過調節風扇的速度（連續或間歇）來控制。

通過將系統中的運行部件減少為一個（泵），可以進一步提高冷卻系統的可靠性。不使用風扇的自然通風冷卻塔就是這種情況。自然通風（雙曲面）冷卻塔通常用于需要最大安全性的地方，例如核電站。它們是非常大的高雙曲線煙囪，形狀像噴嘴。這使得來自環境的涼爽、稠密的外部空氣可以自然地流經塔底并到達頂部。空氣流動是驅動冷卻水蒸發的原因。

優點包括適用于高負載和高水流應用、可靠性、一致的性能和低維護。另一方面，它們投資成本高，不適合高干球溫度應用，它們不能非常接近濕球溫度或提供嚴格的溫度控制，效率較低，并且取決于風和老化，也需要控制誘發軍團 良好的清潔可以預防致病細菌。

最安全、最可靠的冷卻系統完全不需要人工動力，因為它是自驅動的，使用始終可用的自然重力和熱膨脹能量。這個冷卻系統只是一個概念（它并不“存在于任何地方”，我在關于安全核心的文章中對此進行了描述。

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