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電廠(chǎng)冷卻塔為什么這樣設(shè)計(jì)?原來(lái)是這樣的!

作者:方舟閉式冷卻塔 時(shí)間:2022-10-21 閱讀:60

  為什么冷卻塔的側(cè)面是曲面的

  為什么這種曲面是雙曲面形狀的

  為什么上面的開(kāi)口???

  為了分清其中因素的主次程度,我們得梳理一下。

  首先最早的冷卻塔是有各種形狀,如直筒和八邊形筒

  而在Iterson在1915年第一次發(fā)明了雙曲面型塔后, 這種構(gòu)型在熱電站中迅速流行,那么為什么會(huì)有這種轉(zhuǎn)變呢?答案是規(guī)模。

  這是一個(gè)關(guān)系鏈:1 電站裝機(jī)增大——2 需要建更大規(guī)模的冷卻塔——3 冷卻能力受面積和高度的直接影響,因此冷卻塔要更高更大——4 高大的圓筒狀結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定,即使建造出來(lái)成本也很高——5 需要用經(jīng)濟(jì)的手段建造大型冷卻塔——6 雙曲面塔最經(jīng)濟(jì)

  1和2不用解釋?zhuān)^(guò)程3中需要一個(gè)公式,即冷卻的能力(單位面積抽力)只和冷卻塔的高度和內(nèi)外氣體密度差有關(guān),因此冷卻塔造得越來(lái)越高,現(xiàn)如今通常都在100米以上,浮式起重機(jī)而新造塔都超過(guò)了200米。

  這就造成了4中的問(wèn)題,200米高的直墻是很不穩(wěn)定的,要讓它承受風(fēng)阻和變形就得加厚或者加大量鋼筋,最終一個(gè)塔會(huì)像摩天大樓一樣,成本無(wú)法接受。

  因此,在5中,我們得找一種經(jīng)濟(jì)的手段讓冷卻塔成本降低,那就是殼狀曲面結(jié)構(gòu),也就是說(shuō)曲率能夠產(chǎn)生強(qiáng)度。

  這是因?yàn)榍娴母咚骨史?,大數(shù)學(xué)家高斯提出的“絕妙定理(Theorema Egregium)”中可以推論:你可以隨意彎曲一個(gè)曲面,只要你不拉長(zhǎng)、壓縮或者撕裂它,高斯曲率一定不會(huì)變。

  換言之,對(duì)于高斯曲率非0的結(jié)構(gòu),只有它被撕裂或超出材料承受能力時(shí)高斯曲率才會(huì)發(fā)生變化,因此曲面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗變形能力是非常強(qiáng)的。因此我們要將冷卻塔建造為曲面的形狀。這里要注意的是,圓柱形和錐形的結(jié)構(gòu)其高斯曲率是0,也就是說(shuō)可以用一個(gè)平面卷成圓柱或圓錐,因此其強(qiáng)度是不如其它曲面的。

  由左至右:負(fù)高斯曲率曲面(雙曲面),零高斯曲率曲面(圓柱面),和正高斯曲率曲面(球面)。

  實(shí)際上所有的薄殼結(jié)構(gòu)都是很節(jié)省材料的,也有其他形狀的冷卻塔,對(duì)于結(jié)構(gòu)的探索是永無(wú)止境的。

  波蘭第二大的Kozienice 火電廠(chǎng),冷卻塔上半部分為直筒狀

  目前典型的大型冷卻塔大約高 150m , 底部直徑大約是 150m , 就是說(shuō), 它的底部可以容納一個(gè)足球場(chǎng). 然而它的厚度卻很薄,最薄處只有 20cm. 如果將冷卻塔成比例地縮小到雞蛋殼直徑 大小, 則它比雞蛋殼還要薄, 僅及雞蛋殼厚度的1/5。

  6 那么為什么雙曲面的結(jié)構(gòu)最經(jīng)濟(jì)呢?

  首先,根據(jù)冷卻塔的結(jié)構(gòu)可以看到,中間收窄的設(shè)計(jì)使得在同樣的淋水面積下,進(jìn)氣口面積可以更大,有助于增加風(fēng)量。因此這個(gè)曲面應(yīng)該是內(nèi)彎的(負(fù)高斯曲率)。

  圖中冷卻塔的造型是一個(gè)雙曲面。 在已知底面和頂面是圓形的情況下算連續(xù)連接面的最小表面積,解方程會(huì)發(fā)現(xiàn)連接面是雙曲函數(shù)旋轉(zhuǎn)面。

  因此冷卻塔設(shè)計(jì)為雙曲面形狀帶來(lái)的最大好處是:同等冷卻能力下(同樣大小的底面和頂面,同樣高度,同樣的冷卻介質(zhì)共同決定了同等的最大冷卻能力)建塔時(shí)用的材料最少。(可以近似認(rèn)為壁厚一定的情況下材料用量正比于表面積)

  這其實(shí)是錯(cuò)誤的,連續(xù)連接面的最小表面積是一種"最小曲面"問(wèn)題,德國(guó)數(shù)學(xué)家歐拉在1744年的論文中作了解答,"懸鏈曲面"才是那種有最小表面積的旋轉(zhuǎn)曲面,懸鏈曲面是懸鏈線(xiàn)繞其準(zhǔn)線(xiàn)旋轉(zhuǎn)所得。

  而雙曲面是雙曲線(xiàn)繞準(zhǔn)線(xiàn)生成的(還可以是直線(xiàn)繞不共面的一條準(zhǔn)線(xiàn)生成),因此兩種曲面看上去形狀相近,但卻是完全不同的。

  雙曲面經(jīng)濟(jì)性的原因不是因?yàn)樽罟?jié)省材料,而是因?yàn)槠浣ㄔ旆绞?,雙曲面是一種直紋曲面,是由一條直線(xiàn)通過(guò)連續(xù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成,這是它最重要的幾何性質(zhì)。

  因此鋼筋在布置時(shí)不需要彎曲,即將其平行于空間斜向直線(xiàn)即可。

  廣州塔,又稱(chēng)小蠻腰,可以看到每一根主鋼梁都是直的

  因此在1915年荷蘭工程師Iterson實(shí)施了這種方案后,雙曲面形式的冷卻塔流行了起來(lái)。當(dāng)然現(xiàn)如今隨著尺寸的增大,雙曲冷卻塔的施工方式都是分段混凝土現(xiàn)澆的。

  世界上最早的雙曲面冷卻塔的建造過(guò)程

  經(jīng)歷了多年的工程實(shí)踐,這種結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和防風(fēng)性能得到了很好的檢驗(yàn),成為了最普遍的冷卻塔形式,因此沿用雙曲面也是一種歷史的慣性。

  實(shí)際上,工程實(shí)踐中并不是完全按照幾何形狀去施工,其曲線(xiàn)形式和施工設(shè)計(jì)有所出入,實(shí)際的施工中曲面大多是用多段平面鋼模板去逼近的。

  因此嚴(yán)格來(lái)說(shuō),現(xiàn)如今的塔形是優(yōu)化設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐和施工習(xí)慣相互影響的結(jié)果,和幾何上的雙曲面會(huì)有細(xì)微差異。

  上面提到的波蘭Kozienice 電站的冷卻塔,它的初始幾何形狀和施工設(shè)計(jì)圖是有細(xì)微差異的。

  中間內(nèi)彎的結(jié)構(gòu)還有一種額外的特性,文丘里效應(yīng),氣流通道變窄可以提高氣體的速度,有助于提高在蒸發(fā)器附近的氣體速度,但這部分是存疑的,根據(jù)一些資料這一部分的貢獻(xiàn)很小,還得請(qǐng)流體力學(xué)方面的專(zhuān)業(yè)答主釋疑。