什么是冷却塔?

[拼音]：lengqueta

[外文]：cooling tower

火力电站及其他工业中用于循环冷却水的高耸结构。在冷却塔内依靠水的蒸发将水的热量传给空气而使水冷却。冷却塔的冷却能力与环境的空气温度、相对湿度、所要求达到的冷却幅度(进塔水温与冷却后水温之差)和冷却幅高（冷却后水温与空气湿球温度之差）有关。冷却能力以每小时的水负荷或热负荷表示。

根据冷却过程的不同，冷却塔分为湿式和干式两类。

主要以蒸发过程散热。塔内水与空气直接接触进行热交换：空气竖向流过水平布置的散热装置并与热水下落方向相反的称逆流式冷却塔，如图1和图2。空气水平流过竖向布置的散热装置并与热水下落方向相交的称横流式冷却塔。

主要以传导、对流散热。塔内水与空气不接触而是经过带鳍管组的散热器与空气接触散热。干式冷却塔耗资大、效率低，但省水。

近年来，新发展干/湿式混合冷却塔，热水先通过干塔部分进行降温，然后流入湿塔部分再蒸发冷却，兼有干式和湿式冷却塔的优点。

要完成散热过程，必须有足够的冷空气通过塔内的散热装置进行热交换。因此，冷却塔应有通过气流的结构（通风筒）和支承散热装置（湿式冷却塔为配水、淋水装置，干式冷却塔为带鳍管的散热器）的构架及冷却水的回收装置（湿式塔为集水池、干式塔为回水管道）。通风方式有：

以塔内、外空气密度差为推动力产生气流，故需要很高的通风筒以产生足够的抽力。目前，世界上已建成高达170米，直径为135米，每小时可冷却水136200米3的冷却塔。

由风机产生气流，风筒较短小，仅起排风导流作用。风机直径较小（4.7～8.0米）的冷却塔，多建成方格形的塔组；风机直径较大(12.0～20.0米及以上)的冷却塔，多建成圆形或多边形的单个塔；最大风机直径达26米。也有在一个圆形或多边形的塔上装设几台或十几台直径较小的风机，以便调节负荷。风机可布置成鼓风式或抽风式。

为了节约能源，大型冷却塔多用自然通风冷却塔，它由通风筒、支柱和基础组成。通风筒多为钢筋混凝土双曲线旋转壳，具有较好的结构力学和流体力学特性。壳体下部边缘支承在等距离的V形或X形斜支柱上，以构成冷却塔的进风口。壳体的荷载经斜支柱传到基础上。基础多做成带斜面的环形基础以承受由斜支柱传来的部分环拉力，也可做成分离的单个基础或桩基础。

通风筒的喉部直径最小，壳壁最薄，由此向上直径逐渐增大构成气流出口扩散段，塔顶处设有刚性环，或将塔壁局部加厚以增加塔顶边缘刚度。喉部以下按双曲线形逐渐扩大，下段壳壁也相应加厚，形成一个具有一定刚度的下环梁。通风筒也可做成截头锥壳或组合锥壳，或用钢构架外包木护板或石棉水泥护板的多边形塔筒。近几年联邦德国在施梅豪森的核电站的一座高146米，直径为140米的干式冷却塔中采用了网索结构的塔筒，外包铝质护板，具有较好的抗震和抗风性能。

机力通风冷却的方格形、圆形或多边形的塔体均为框架结构，并有进风口、通风筒和支承风机的结构，可按平面或空间结构进行分析。

淋水装置构架为钢筋混凝土结构，柱子可直接放在集水池底板上或支承在分离的单个基础上。

冷却塔的荷载有自重、风荷载和温度应力，在地震区还要考虑地震作用。

（1）自重，塔壳自重沿子午向产生薄膜压应力。当计算壳体受压稳定时，自重应乘以一个放大系数。当计算壳体上举力时，乘以一个降低系数。

（2）风荷载。通风筒属高耸薄壁结构，对风荷载特别敏感。人们研究了风压沿壳面的分布、塔群和邻近高耸建筑物对风压分布的影响及脉动风压引起塔壳的动力反应等。作用在塔壳表面的风荷载常用风洞模型试验或对原型塔实测的风压分布曲线作为设计依据。壳面的粗糙度对风压负峰值有显著影响，大型冷却塔多在壳面布置许多小肋以增加塔面的粗糙度，从而降低风压负峰值。脉动风压可用频谱放大系数来调整。

（3）温度应力。按温度梯度沿塔壁厚度依线性变化，而沿环向为常值来进行计算。

（4）地震作用。响应谱法是估计冷却塔地震作用的一种有效方法。用振型叠加法和标准反应谱可求得对应于每一振型的最大地震力和相应的内力，在冷却塔的抗震设计中，通常只考虑一个水平地震力分量。竖向地震力仅对斜支柱、基础和地基有影响。

塔筒可作为d性、各向同性的均质壳体进行分析。对大型塔筒，由于壳面出现裂缝或施工的几何偏差，分析时应考虑其非线性和各向异性的影响。用分析d性薄壳的弯矩理论来设计塔壳及其支柱。如果能用适当方法进行塔壳的局部弯曲计算，也可用薄膜理论来设计。计算时必须考虑塔壳的真实几何尺寸及边界条件，其d性变形值不得超过所用设计理论规定的极限值。设计下环梁时应考虑斜支柱的影响。柱子设计应与塔壳分析所得的力和弯矩相协调。设计时在工作荷载下应控制开裂及变形。

脉动风压引起塔壳的动力反应可用阵风响应因子来近似地估计。在壳面设环向小肋可改善塔壳的动力特性。

风荷载引起的应力可使塔壳喉部附近发生屈曲，塔壳的临界屈曲压力可根据模型试验结果来估计，也可用稳定的分支理论按塔的理论几何尺寸和边界条件并考虑自重及由于开裂而使刚度降低的影响进行估计。考虑到材料的非线性和出现裂缝时刚度显著降低，故屈曲安全系数通常不小于 5。当已考虑自重及开裂的影响时，安全系数不小于2。风和自重同时作用在塔壳上所引起的应力会使塔壳下部发生屈曲，塔壳几何尺寸施工偏差超过正常的允许值时，会使塔壳的抗屈曲能力降低。

使用以有限元法作数值分析的计算机程序进行塔筒（双曲线旋转壳、截头锥壳和组合锥壳）的静力和动力分析设计，能满足上述原则的要求。

参考文章

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