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冷却塔为什么要设计成双曲面?

发布时间:2018-08-12 19:01:09  浏览次数:286
 


其实不论是核反应堆,还是火电站,冷却塔都是双曲线型的。英国最早使用这种冷却塔。20世纪30年代以来在各国广泛应用,40年代在中国东北抚顺电厂、阜新电厂先后建成双曲线型冷却塔群。冷却塔由集水池、支柱、塔身和淋水装置组成。冷却塔利用简单的烟囱效应带动空气来工作。其实无论什么形状,只要营造出一定垂直坡度的空间,就可以产生烟囱效应。那为什么要双曲面的设计呢?那是因为双曲线形的设计有助于提高冷却的效率,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。冷却塔有三种:1)机械通风(风机驱动产生风量);2)自然通风(高高的双曲线烟囱产生风量);3)混合式(以自然通风为主,在侧边加上风机辅助鼓风);前两者应用的非常广泛。核电站偏向于双曲线塔,主要两个原因:1)不需要风机驱动,靠自然力,就避免了电机和机械故障的风险,要知道,如果风机系统坏掉,循环水冷不下来,对核电站来说,可不是闹着玩的。核电装置,首要考虑是可靠,其次才是效率和技术先进性;2)一般核电站冷却水量巨大,如果采用电力驱动的话,变压装置和供电设施也是巨大的,相对来说风险就比较高。和第一个原因是一致的。我们希望花费最少,建造最容易,而且结构的完整性还有保证,(哪有那么好的事!!),双曲线就是首选!因为在已知底面和顶面是圆形的情况下算连接面的最小表面积,解欧拉方程会发现连接面是双曲函数旋转面。因此冷却塔被设计成双曲面的形状带来的最大好处是:建塔时用的材料最少。另外呢,冷却塔的单叶双曲面是一种直纹曲面,这一点可以形象化地简单的理解为把一根直线绕着与它异面的一个轴旋转,这个直线划过的曲面就是一个单叶双曲面。这意味着一个建筑,如果有着单叶双曲面的造型,那么它的主体可以只由直的钢梁来建造。毕竟大型钢梁,生产直的会比生产弯的更方便。这样既可以减少风的阻力,又可以用最少的材料来维持结构的完整性。一个最典型的例子是广州塔“小蛮腰”。

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