核电站火电站旁这些冒白烟的塔做什么用？内部又是怎样的构造？ ...
2018-07-17 11:20 ·出品：科普中国
制作：寒木钓萌
监制：中国科学院计算机网络信息中心
图片来Industrial Access。
截至目前，中国还没有一座建于内陆的商用核电站，而原因是，若在内陆建核电站，就得建造一个冷却塔，也就是大家平时看到的上图这种，双曲面结构，会冒白烟，看上去污染很严重的样子，但其实这里的白烟全都是水蒸汽，跟家里煮饭冒出的蒸汽没本质区别。
故，在国内我们看到的冷却塔，几乎全是火电站的配套设施。而美国是全球核能发电量最大的国家，他们有很多内陆核电站，所以你会看到，美国的不少内陆核电站都有冷却塔。
这是目前最高效的形式冷却塔的作用不难理解，火电站和核电站都是加热水，得到高压蒸汽，继而冲击汽轮机发电。然而，高温高压蒸汽冲击汽轮机后，我们绝不能把这些蒸汽白白地放入空气中走掉。所以，得把高温蒸汽进行冷却，让它再次变成水，继续循环。
赵顺安教授在其所著的书《海水冷却塔》中，有这样一组数据：传统火力发电厂中，燃料燃烧的能量只有大约40%转化为电能，而48%随冷却水排掉，12%被烟气带走。而在核电站中，核能中只有大约33%转化为电能，其他的67%均变为废热由冷却水带走。
故，对于核电站和火电站来说，冷却永远是一个大问题。
而目前，双曲面冷却塔是最为经济高效的方式。
那么，它到底是怎么运作的？
冷却工程探讨要理解冷却塔的工作原理，咱们现在就不妨来思考一下，如果给你1千万吨热水，你怎样才能快速、经济地把它冷却？(yancaoye.comyancaoye.com)
小孩子们可能会想到的办法是，用冷柜冰冻或者使用电风扇使劲吹呀吹！
但我们是成人……
那么，可不可以用铜皮把这1千万吨热水装起来，然后放入大河中，让河水冷却它？
想想就发现这行不通，因为你会让河水的温度升高，破坏生态。另一个问题是，周围可能没有大河，即使有，这条河也可能是季节河，冬天就没水了。
所以，最好的方式还是在海边，用海水。
可问题是，我们的核电站或者火电站没有在海边。
怎么办？
增加热水与空气的接触面积是一个好办法，比如把这1千万吨热水抽到一大根置于高处的水平管子里，并在管子的底部钻密密麻麻的蜂窝状小孔，接着，热水通过这些小孔流下，流下的过程中，因为增加了热水与空气的接触面积，冷却速度就快了。
这是一个不错的方案。但它完美吗？
好像还有改进的空间。
我们可以在一个水平的直直的洞中，把装热水的大管子置于洞的内部，而且是顶部位置，接着，洞的左边入口放一个大风机，不断往洞中鼓风，洞的右边出口也放一个大风机，往外抽气，如此的话，当洞中管子里面的热水落下时，就像倾盆热雨，同时，一股强大的气流从左吹向右，于是冷却速度更快了。
这方案确实高效，可仔细想想，问题也不少。(yancaoye.comyancaoye.com)
比如说，你需要一个很长的洞，如果这个洞位于地下，那么你需要开凿，如果位于地上，你又会占用大量的土地。
还有，这个方案中，有一个大鼓风机，还有一个大抽风机，这也是挺耗电的。
你说等等！等等！如果这个洞不是水平的，而是垂直的，那么，它就不会占用太多土地了。
嗯，咱们越来越接近答案了，请继续往下说。
你说，方法是建造一个洞，不，此时再说洞就不合适了，咱们就建造一个圆柱形的塔，塔的上方是开口的。
然后把热水抽到塔的中部，再让热水喷洒下来，就像塔内在下一场热雨。而塔的底部，其四周是开口的，风从塔底进入，往上走，而热雨往下掉，逆流接触的过程中，上升的空气就把水里面的热量带走了。
又因为，湿空气变热后，密度会降低，故空气会自行往上走。也就是说，进入塔内的空气由于变热，会加快上升，这会带来一个抽吸的作用，那么塔的底部，空气就被抽吸进去了。所以，此方案中，可以不要吹风机。
恭喜你，你已经得到了基本正确的答案。但还有一些问题。比如说，热水从塔内如倾盆大雨般落下，它落下的速度较快，这减少了与空气的接触时间。而且，大雨滴与空气的接触面积已经达到极限了吗？
你一拍大腿，又想到了一个方案。一杯热水冷却到常温需要不少时间，但如果把这杯热水平铺在一大块铁皮上，形成一大片很薄的水膜，则这杯热水将会在几秒内被冷却。
所以你说，再把热水抛洒之前，我们应该先将其抛洒在一些类似于散热片的装置上。如此，热水在散热片上形成大量的垂直水膜，当空气从下往上走，吹过水膜时，热水也就被冷却了。
不错，还有最后一个问题。空气与热水膜大量接触后，空气中会夹杂大量微小的雾状小液滴，如果这些雾状小液滴时时刻刻都排到塔外的话，我们就会损失很多水。
您又想了想，说，那就在塔的出口处，放置一些除水器。(yancaoye.comyancaoye.com)
恭喜你，你已经把有百年历史的冷却塔重新发明了一遍。
如上图，冷却塔的内部就是这样子的。由于不需要抽风机或鼓风机，这样的冷却塔又叫做“自然通风冷却塔”。当然，冷却塔有多种，但原理大同小异。
自然通风冷却塔主要用在电力行业，因为电力行业的冷却水流量大，既要冷却塔处理能力强，还要运行费用低。而这正是自然通风冷却塔的优势，一般每小时能处理的水量高达几千吨，更高的，还有每小时处理10万吨以上的。
正因此，自然通风冷却塔一般做的都很大，目前世界最大的冷却塔高210米，它就是宁夏方家庄电厂的冷却塔。
方家庄电厂冷却塔高210米，底座半径89米，图片来自中国火力发电网。
国际上面积最大的足球场地一般也就10800平方米，而方家庄电厂冷却塔的面积就高达24871平方米。
冷却塔的高和大，这使它成为国外极限跳伞爱好者的乐园。
冒出的水蒸气有没污染？
图片来自Petr Louzensky/Shutterstock。(yancaoye.comyancaoye.com)
火电厂的咱们就不说了，因为大家担心的不是火电厂，而是核电站冷却塔冒出的水蒸气有没有辐射，答案当然是没有的。
上面的动图中，最左边循环的是“一回路”，中间循环的是“二回路”，最右边循环的是“三回路”，而冷却塔冷却的是三回路的水，三回路距离反应堆堆芯很远，且各回路之间都是密封的，否则也就循环不下去了。
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