在經過熱電廠時,我們一定見過這樣細腰型的高大建筑(如下圖),通常上方會冒著白煙(實際是水蒸氣),很多人以為這是煙囪。實際上這是發電廠用來給水冷卻的冷卻塔,現在常見的就是雙曲線冷卻塔,是一種自然通風式冷卻塔。
熱電廠冷卻塔有什么用?為什么都是雙曲線型
雙曲線冷卻塔
什么是雙曲線冷卻塔
因為其外形類似于數學圖形內的雙曲線圖形,因此此類塔通常稱之為雙曲線冷卻塔。不知道大家對下面的數學題目是否熟悉呢?
熱電廠冷卻塔有什么用?為什么都是雙曲線型
來源:高二數學 人教版 選修2-1
其實在早期的時候,發電廠的冷卻塔并不是雙曲線形的,而是有各種各樣的形狀,比如直筒型、八邊型等。荷蘭以為教授在1915年***次設計了雙曲面型冷卻塔,而后隨著大型火電站的發展,這種雙曲面型的冷卻塔迅速流行。為什么這種形狀的冷卻塔會迅速流行呢?我們后面再講。
熱電廠冷卻塔有什么用?為什么都是雙曲線型
冷卻塔作用及工作過程
要說冷卻塔的作用,我們需要先講一下火力發電廠的工作流程。
燃料送到電廠后,經過篩選輸送到鍋爐燃燒,鍋爐被加熱后,鍋爐內的水變成了高溫水蒸氣。水蒸氣通過管道被輸送到汽輪機,推動汽輪機旋轉作功,發電機與汽輪機通過聯軸器相連,從而帶動發電機發電。而經過汽輪機作過功的水蒸氣則被送入到凝汽器,被冷卻水冷卻凝結成水。一部分則被加壓輸送到附近小區進行供熱。熱電廠需要大量的冷卻水來給機組降溫。而冷卻塔就是為此提供冷卻水的。
熱電廠冷卻塔有什么用?為什么都是雙曲線型
熱電廠冷卻塔有什么用?為什么都是雙曲線型
冷卻塔底邊直徑一般在65到120米,高度在75到150米。其由3部分組成,分別為下環梁、筒壁、塔頂剛性環。下梁環在風筒下部,所有載荷通過下梁環傳遞給斜支撐。筒壁則是冷卻塔的主體部分,其形狀及壁厚經過優化計算確定。而塔頂剛性環則是筒殼的加強箍。在塔底部設有約2米深的集水池。在筒壁下部設有配水槽和淋水裝置。
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雙曲線冷卻塔工作過程
冷卻塔塔身比較高,容易形成煙窗效應(煙窗效應:戶內空氣沿著有垂直坡度的空間上升或者下降,造成空氣加強對流的現象,當煙囪變窄時,氣流會加速),由于上下空氣壓差,就會有風從塔底進入塔頂流出。從凝汽器中出來的熱水被輸送到冷卻塔中部的配水槽處,熱水被噴射成水滴狀。水滴下落的過程中,冷風上升,在此過程中將熱水冷卻。上升的水汽從上口冒出,就是我們看到的白色水霧。冷卻水低落到集水池內,被重新輸送到凝汽器內,循環利用。
為什么是雙曲線型呢?
從結構上講,雙曲線型結構更堅固。在此處,我們要先講一下伯努利效應,即邊界層表面效應,科學家伯努利通過無數次試驗驗證得出結論:流體速度大的地方壓強小,流速小的地方壓強大。例如我們在等待火車時,要站在黃線以外。因為越靠近火車的地方,氣體速度越大,而遠的地方流速小,這就形成了一個壓強差,離得太近的話,則有可能被火車吸走。再講回雙曲線結構,因為靠近筒壁的位置空氣流速要比中心慢,這樣就會產生一個向內的拉力。這樣筒身就容易被破壞。而曲面結構可以增加結構和強度。
從經濟方面考慮,雙曲面結構更容易建造。雙曲面其實是一種直紋曲面,是通過直線連續運動形成的。利用這個特質,雙曲面結構只利用直梁就可以建造,而直梁更容易建造。
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冷卻塔建造
從效果上講,雙曲線型更容易使空氣流通。底部直徑***,可以***限度的是冷空氣進入。而達到最細部門時,由于管徑變小,空氣流速加快,可以盡快帶走熱量。而到達頂部后,管徑變大,大量的熱氣在此處壓力減小,將熱量釋放,形成白色的水蒸氣。