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[讨论] 双曲线凉水塔和机力塔有什么不同?

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双曲线凉水塔和机力塔有什么不同?



      在化工企业经常看到有两种不同 的凉水塔:双曲线和机力塔,不知这两种凉水塔都有什么区别?运行费用如何?为什么不全部选用运行费用低的呢?请专家科普一下。谢谢!


 

发表于 2018-9-25 15:44:31

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双曲线凉水塔多用于电厂,为汽轮机系统提供冷却水,主要特点是处理水量大,运行费用低,但是缺点是水温降低较少(同机力塔比)。
机力塔多用于化工系统用水,通过风机逆流吹风使循环水降温,主要优势是水温可以降低较多,但是运行费用较高。
两者应用的场合有些差异,各有优缺点,需要根据不同场合选用。

 

发表于 2018-9-25 19:40:35

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冷却塔(The cooling tower)是用水作为循环冷却剂,从一系统中吸收热量排放至大气中,以降低水温的装置;其冷是利用水与空气流动接触后进行冷热交换产生蒸汽,蒸汽挥发带走热量达到蒸发散热、对流传热和辐射传热等原理来散去工业上或制冷空调中产生的余热来降低水温的蒸发散热装置,以保证系统的正常运行,装置一般为桶状,故名为冷却塔。
自然通风式双曲面冷却塔适用于发电站的特点: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。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。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。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。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。





 

发表于 2018-9-26 09:49:11

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那么为什么双曲面的结构最经济呢?

首先,根据冷却塔的结构可以看到,中间收窄的设计使得在同样的淋水面积下,进风口面积可以更大,有助于增加风量。因此这个曲面应该是内弯的(负高斯曲率)。双曲面经济性的原因不是因为最节省材料,而是因为其建造方式,双曲面是一种直纹曲面,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。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。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x i惯相互影响的结果,和几何上的双曲面会有差异。
冷却塔做成双曲线形的是为了提高冷却的效率,底部有最大的圆周,可以最大限度地进入冷空气,冷空气到达最细部位时,接触热水,这时首先由于管径变小,空气流速加快,可以尽快的带走热水中的热量,其次由于管径变小,冷空气的体积也受到压缩,故压力也有增加,而压力增加流体的含热能力会随之增加,于是在细腰部冷空气可以最大限度的吸收热水的热量从而使热水冷却。到了最上部,管径再次扩大,已携带了大量热量的空气由于速度减慢,压力减小,又将所含的热量释放出来形成白色的水蒸气。




 

发表于 2018-9-26 09:55:54

双曲面塔建造.png
广州塔.jpg

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常见的冷却塔,要么方的,要么圆的,塔顶装有风机,这个风机类似排风扇,是加快水蒸气和热空气的排出。这些气体跑出冷却塔后,就像冬天里我们哈气,形成白雾。
电厂里的冷却塔是什么形状呢?按维基上的说法:许多发电厂的冷却塔结构是单叶双曲面形状。由于单叶双曲面是一种双重直纹曲面 (ruled surface) ,它可以用直的钢梁建造。这样,会减少风的阻力.同时,也可以用最少的材料来维持结构的完整。这是从结构(双曲面实际上是由直线组成的),流线(减少风阻)说的。那么,内部的流体原理又是怎样的呢?我们先考察下烟囱的拔烟原理。烟囱是用来输送热流体的,热流体的基本特征是比空气轻,因此是上浮上升的。为了减少污染,需要把烟囱做的很高,而流体在流动中将产生阻力损失。因为热流体是靠浮力上升的,因此必须保持其温度,所以烟囱都是用保温性好的材料制作的。那流动阻力怎么克服呢?流速越小阻力越小,按理烟囱应该做成越往上直径越大,这样流速减慢,阻力减少,更有利于排放。比如汽车的排放管就是排放口是扩大的。为什么实际中却做成越往上越细呢?因为热气是靠浮力上升的,产生浮力是因为密度轻,而热气在上升中温度是降低的,温度降低导致气体密度上升。此时需要减少气压来维持低密度,方法就是将热气的压力转为为速度,也就是将烟囱的流径变小。这个分析是否正确,抛砖引玉。那电厂的冷却塔为什么排放口不是像烟囱那样缩小而是扩大呢?冷却塔利用简单的烟囱效应(烟囱效应_百度百科)带动空气(或加喷淋的冷水)与热质进行热交换进行冷却。其实无论什么形状,只要营造出有一定垂直坡度的空间,就可以产生烟囱效应。那为什么是图中这种设计呢?结论:图中冷却塔的造型是一个双曲面。在已知底面和顶面是圆形的情况下算连续连接面的最小表面积,解方程会发现连接面是双曲函数旋转面。因此冷却塔设计为双曲面形状带来的最大好处是:同等冷却能力下(同样大小的底面和顶面,同样高度,同样的冷却介质共同决定了同等的最大冷却能力)建塔时用的材料最少。(可以近似认为壁厚一定的情况下材料用量正比于表面积)附加的好处:冷却塔建筑材料一般是钢筋混凝土。如果是用钢材建设双曲面建筑的话,全部可以用直线钢材,会省很多加工费用的(参见广州小蛮腰,斜撑全部是直线钢管)。

 

发表于 2018-9-26 09:59:30

普通冷却塔.jpg
电厂冷却塔1.png
电厂冷却塔2.png

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一个是电厂常用冷却塔
一个是循环水或工业水降温用冷却塔

 

发表于 2018-10-16 13:27:58

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路过

 

发表于 2018-10-19 08:31:48

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欢迎参与公用工程版交流!  发表于 2018-10-19 09:16
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这个真不清楚

 

发表于 2018-11-1 09:08:38

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