王金 劉艾軒 蔡陽(yáng)

(華東交通大學(xué)，江西南昌 330000)

工業(yè)生產(chǎn)制冷工藝過(guò)程中產(chǎn)生的廢熱，一般要用冷卻水來(lái)導(dǎo)走。冷卻塔的作用是將挾帶廢熱的冷卻水在塔內(nèi)與空氣進(jìn)行熱交換，使廢熱傳輸給空氣并散入大氣中。

冷卻塔是利用水和空氣的接觸，通過(guò)蒸發(fā)作用來(lái)散去工業(yè)上或制冷空調(diào)中產(chǎn)生的廢熱的一種設(shè)備。基本原理是:干燥(低焓值)的空氣經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)的抽動(dòng)后，自進(jìn)風(fēng)網(wǎng)處進(jìn)入冷卻塔內(nèi)，飽和蒸汽分壓力大的高溫水分子向壓力低的空氣流動(dòng)，濕熱(高焓值)的水自播水系統(tǒng)灑入塔內(nèi)。當(dāng)水滴和空氣接觸時(shí)，一方面由于空氣與水的直接傳熱，另一方面由于水蒸氣表面和空氣之間存在壓力差，在壓力的作用下產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象，帶走蒸發(fā)潛熱，將水中的熱量帶走即蒸發(fā)傳熱，從而達(dá)到降溫之目的。目前，冷卻塔塔體主要為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這類(lèi)冷卻塔之所以得到廣泛應(yīng)用是因?yàn)樗\(yùn)行可靠性高，防腐蝕性能好。

從技術(shù)上看，我國(guó)冷卻塔尚存在以下主要問(wèn)題:

1)大型塔的熱力性能較差，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性不好;2)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差;3)振動(dòng)嚴(yán)重;4)笨重粗大;5)冷卻效率也不高;6)支模施工復(fù)雜。

而且隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)在對(duì)于冷卻塔的冷卻能力要求越來(lái)越高，導(dǎo)致冷卻塔的高度越來(lái)越高和其上下口的直徑越來(lái)越大，使得混凝土冷卻塔的上述問(wèn)題越發(fā)的突出。

與混凝土相比，鋼材擁有自重輕，施工方便，抗拉壓承載能力好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在日新月異的發(fā)展下，鋼結(jié)構(gòu)可能更加適應(yīng)現(xiàn)在的冷卻塔發(fā)展現(xiàn)狀。因此，我們考慮使用鋼結(jié)構(gòu)來(lái)代替混凝土，做成雙曲拋物面外形的鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔。

1 幾何結(jié)構(gòu)及荷載

1.1 幾何結(jié)構(gòu)

分析對(duì)象為某工程的雙曲線冷卻塔，塔體尺寸為塔筒進(jìn)風(fēng)口直徑為71 m，塔筒頂部直徑為40 m，冷卻塔高度為176 m。結(jié)構(gòu)整體為鋼結(jié)構(gòu)桿件受力，其外層薄膜不受力，受力桿件均采用二級(jí)鋼。冷卻塔簡(jiǎn)體圖如圖1所示。

1.2 荷載作用

本論文考慮自重和風(fēng)荷載兩種工況，等效設(shè)計(jì)風(fēng)荷載按建筑荷載規(guī)范及條紋說(shuō)明[1]計(jì)算，查詢建筑荷載規(guī)范及條文說(shuō)明，基本風(fēng)壓0.55 kN/m，風(fēng)壓高度變化系數(shù)取2.74，風(fēng)振系數(shù)取1.774，本論文風(fēng)向從左至右，假定來(lái)風(fēng)方向?yàn)?°。由外層薄膜傳到受力骨架冷卻塔荷載布置圖如圖2所示。

2 計(jì)算模型

用Beam189單元模擬受力桿件，采用圓鋼管為受力桿件截面形狀，其尺寸為:內(nèi)徑0.273 m，外徑 0.283 m，壁厚 10 mm。外層傳力薄膜采用Surf154單元進(jìn)行模擬。塔體每隔7.5°設(shè)立一根豎向支撐，總共48根，然后再用斜向支撐組成整個(gè)的受力鋼架。所有桿件均以1.5 m為單位進(jìn)行網(wǎng)格劃分。風(fēng)荷載使用規(guī)范中給出的值以三角形布置于結(jié)構(gòu)的左側(cè)。

3 計(jì)算結(jié)構(gòu)分析

本文中結(jié)構(gòu)只有自重和風(fēng)荷載兩種工況，自重為對(duì)稱(chēng)荷載，而風(fēng)荷載方向則是從左至右。從最后的應(yīng)力圖，應(yīng)變圖和變形圖中可以看出結(jié)構(gòu)的變形最大值在左側(cè)頂部，大小為25 mm，軸力最大值位于左側(cè)底部，大小為2 200 kN，最小值位于塔體中間底部，大小為 －1 170 kN，應(yīng)力最大值位于左側(cè)底部，大小為265 MPa，最小值位于塔體中間底部，大小為－141 MPa，應(yīng)變最大值位于左側(cè)底部，大小為0.631 mm，最小值位于塔體中間底部，大小為－0.336 mm，如圖3～圖5所示。

以上結(jié)果符合自重和風(fēng)荷載兩種工況共同作用的情況，而且由于結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔，其自重比較輕，所以在受壓區(qū)壓力很小。應(yīng)力最小值位于結(jié)構(gòu)中部則是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)為筒體，結(jié)構(gòu)以中間部分為其橫向支撐，而不是右側(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)自重引起的變形很小，而風(fēng)荷載引起的變形較大，即結(jié)構(gòu)的豎向位移很小，而徑向位移較大。2)在承載力方面，鋼結(jié)構(gòu)可以承擔(dān)，因此在大型冷卻塔的設(shè)計(jì)中，可以適當(dāng)考慮采用鋼結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行處理，有可能得到更優(yōu)化的方案。

[1] GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范及條文說(shuō)明[S].

[2] 劉德濤.冷卻塔介紹及選型[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2010，1(1):80-87.

[3] 張文元，鄭朝榮，張耀春，等.某景觀煙囪順風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)分析與風(fēng)振系數(shù)確定[J]，建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(2):97-99.

[4] 張相庭.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

[5] R.克拉夫，J.彭津.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M].王光遠(yuǎn)，譯.北京:高等教育出版社，2006.