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马庆华苍梧秋鸿 在经过热电厂时，我们一定见过这样细腰型的高大建筑（如下图），通常上方会冒着白烟（实际是水蒸气），很多人以为这是烟囱。实际上这是发电厂用来给水冷却的冷却塔，现在常见的就是双曲线冷却塔，是一种自然通风式冷却塔。  双曲线冷却塔   双曲线冷却塔 双曲线冷却塔什么是双曲线冷却塔 因为其外形类似于数学图形内的双曲线图形，因此此类塔通常称之为双曲线冷却塔。不知道大家对下面的数学题目是否熟悉呢？   双曲面是其实一种直纹曲面，是由一条直线通过连续运动构成，这是它最重要的几何性质。  可以看到，直线绕轴旋转形成了双曲面 这种曲面其实是一条直线绕着另一条与其自身既不平行也不相交的另一条直线（又称异面直线）旋转而成的。   因此钢筋在布置时不需要弯曲,即将其平行于空间斜向直线即可。  其实在早期的时候，发电厂的冷却塔并不是双曲线形的，而是有各种各样的形状，比如直筒型、八边形等。荷兰以为教授在1915年第一次设计了双曲面型冷却塔，而后随着大型火电站的发展，这种双曲面型的冷却塔迅速流行。为什么这种形状的冷却塔会迅速流行呢？  早期的冷却塔 Iterson在1915年第一次发明了双曲面型塔后, 这种构型在热电站中迅速流行，那么为什么会有这种转变呢？答案是规模，随着大型火\核电站的出现而有了这种自然通风式双曲面冷却塔。 这是一个关系链：1 电站装机增大——2 需要建更大规模的冷却塔——3 冷却能力受面积和高度的直接影响，因此冷却塔要更高更大——4 高大的圆筒状结构很不稳定，即使建造出来成本也很高——5 需要用经济的手段建造大型冷却塔——6 双曲面塔最经济 1和2不用解释，过程3中需要一个公式，即冷却的能力（单位面积抽力）只和冷却塔的高度和内外气体密度差有关，因此冷却塔造得越来越高，现如今通常都在100米以上，而新造塔都超过了160米甚至出现很多超过200米的塔。  这就造成了4中的问题，不管用混凝土还是钢结构，200米高的直墙都是很不稳定的，要让它承受风阻和变形就得加厚或者加大量钢筋，最终一个塔会像摩天大楼一样，成本无法接受。 因此，在5中，我们得找一种经济的手段让冷却塔成本降低，那就是壳状曲面结构，也就是说曲率能够产生强度。 这是因为曲面的高斯曲率非0，大数学家高斯提出的“绝妙定理（Theorema Egregium）”中可以推论：你可以随意弯曲一个曲面，只要你不拉长、压缩或者撕裂它，高斯曲率一定不会变。可见：你拿披萨的方式，很可能是错的 | 科学人 | 果壳网 科技有意思 换言之，对于高斯曲率非0的结构，只有它被撕裂或超出材料承受能力时高斯曲率才会发生变化，因此曲面的结构强度和抗变形能力是非常强的。因此我们要将冷却塔建造为曲面的形状。这里要注意的是，圆柱形和锥形的结构其高斯曲率是0，也就是说可以用一个平面卷成圆柱或圆锥，因此其强度是不如其它曲面的。 由左至右：负高斯曲率曲面（双曲面），零高斯曲率曲面（圆柱面），和正高斯曲率曲面（球面）。 所有的薄壳曲面结构都具有高强度和节省材料的特点，也有其他形状和材料的冷却塔，对于结构的探索是永无止境的。 目前典型的大型冷却塔大约高 150m , 底部直径大约是 150m , 就是说, 它的底部可以容纳一个足球场. 然而它的厚度却很薄,最薄处只有 20cm. 如果将冷却塔成比例地缩小到鸡蛋壳直径 大小, 则它比鸡蛋壳还要薄, 仅及鸡蛋壳厚度的1/5。 冷却塔作用及工作过程要说冷却塔的作用，我们需要先讲一下火力发电厂的工作流程。 燃料送到电厂后，经过筛选输送到锅炉燃烧，锅炉被加热后，锅炉内的水变成了高温水蒸气。水蒸气通过管道被输送到汽轮机，推动汽轮机旋转作功，发电机与汽轮机通过联轴器相连，从而带动发电机发电。而经过汽轮机作过功的水蒸气则被送入到凝汽器，被冷却水冷却凝结成水。一部分则被加压输送到附近小区进行供热。热电厂需要大量的冷却水来给机组降温。而冷却塔就是为此提供冷却水的。 电厂工作流程 热电厂工作流程 冷却塔底边直径一般在65到120米，高度在75到150米。其由3部分组成，分别为下环梁、筒壁、塔顶刚性环。下梁环在风筒下部，所有载荷通过下梁环传递给斜支撑。筒壁则是冷却塔的主体部分，其形状及壁厚经过优化计算确定。而塔顶刚性环则是筒壳的加强箍。在塔底部设有约2米深的集水池。在筒壁下部设有配水槽和淋水装置。 双曲线冷却塔工作过程 冷却塔塔身比较高，容易形成烟窗效应（烟窗效应：户内空气沿着有垂直坡度的空间上升或者下降，造成空气加强对流的现象，当烟囱变窄时，气流会加速），由于上下空气压差，就会有风从塔底进入塔顶流出。从凝汽器中出来的热水被输送到冷却塔中部的配水槽处，热水被喷射成水滴状。水滴下落的过程中，冷风上升，在此过程中将热水冷却。上升的水汽从上口冒出，就是我们看到的白色水雾。冷却水低落到集水池内，被重新输送到凝汽器内，循环利用。 为什么是双曲线型呢？从结构上讲，双曲线型结构更坚固。在此处，我们要先讲一下伯努利效应，即边界层表面效应，科学家伯努利通过无数次试验验证得出结论：流体速度大的地方压强小，流速小的地方压强大。例如我们在等待火车时，要站在黄线以外。因为越靠近火车的地方，气体速度越大，而远的地方流速小，这就形成了一个压强差，离得太近的话，则有可能被火车吸走。再讲回双曲线结构，因为靠近筒壁的位置空气流速要比中心慢，这样就会产生一个向内的拉力。这样筒身就容易被破坏。而曲面结构可以增加结构和强度。 从经济方面考虑，双曲面结构更容易建造。双曲面其实是一种直纹曲面，是通过直线连续运动形成的。利用这个特质，双曲面结构只利用直梁就可以建造，而直梁更容易建造。 双曲面 冷却塔建造 冷却塔建造 冷却塔建造 经历了多年的工程实践，这种结构的力学性能和防风性能得到了很好的检验，成为了最普遍的冷却塔形式，因此沿用双曲面也是一种历史的惯性。 实际上，工程实践中不是完全按照曲面的几何形状去施工，实际的施工中曲面大多是采用分节施工的办法，给定筒壁母线半径和壁厚然后用多段平面钢模板去逼近。 因此严格来说，其最终形状和双曲线型的母线是有所差异的，现如今的塔形是优化设计、工程实践和施工习惯相互影响的结果，和几何上的双曲面会有差异。 从效果上讲，双曲线型更容易使空气流通。底部直径最大，可以最大限度的是冷空气进入。而达到最细部门时，由于管径变小，空气流速加快，可以尽快带走热量。而到达顶部后，管径变大，大量的热气在此处压力减小，将热量释放，形成白色的水蒸气。 结构集水池多为在地面下约2米深的圆形水池。塔身为有利于自然通风的双曲线形无肋无梁柱的薄壁空间结构，多用钢筋混凝土制造。冷却塔通风筒包括下环梁、筒壁、塔顶刚性环3部分。下环梁位于通风筒壳体的下端，风筒的自重及所承受的其他荷载都通过下环梁传递给斜支柱，再传到基础。筒壁是冷却塔通风筒的主体部分，它是承受以风荷载为主的高耸薄壳结构，对风十分敏感。其壳体的形状、壁厚，必须经过壳体优化计算和曲屈稳定来验算，是优化计算的重要内容。塔顶刚性环位于壳体顶端，是筒壳在顶部的加强箍，它加强了壳体顶部的刚度和稳定性。 冷却塔 冷却塔斜支柱为通风筒的支撑结构，主要承受自重、风荷载和温度应力。斜支柱在空间是双向倾斜的，按其几何形状有“人”字形、“V”字形和“X”字形柱，截面通常有圆形、矩形、八边形等。一般按双抛物线设计，基础主要承受斜支柱传来的全部荷载，按其结构形式分有环形基础(包括倒“T”型基础)和单独基础。基础的沉降对壳体应力的分布影响较大、敏感性强。故斜支柱和基础在冷却塔优化计算和设计中亦显得十分重要。 “人”字形柱 “V”字形柱 “X”字形柱 冷却塔高度一般为75～150米，底边直径65～120米。塔内上部为风筒，筒壁第一节（下环梁）以下为配水槽和淋水装置，统制为淋水构架，多用PE或PVC材料制成。塔底有一个蓄水池，但需根据蒸发量连续补水。淋水装置是使水蒸发散热的主要设备。运行时，水从配水槽向下流淋滴溅，空气从塔底侧面进入，与水充分接触后带着热量向上排出。冷却过程以蒸发散热为主，一小部分为对流散热。双曲线型冷却塔比水池式冷却构筑物占地面积小，布置紧凑，水量损失小，且冷却效果不受风力影响；它又比机力通风冷却塔维护简便，节约电能；但体形高大，施工复杂，造价较高，多用电动滑模。 |
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