在經(jīng)過熱電廠時(shí)，我們一定見過這樣細(xì)腰型的高大建筑（如下圖），通常上方會(huì)冒著白煙（實(shí)際是水蒸氣），很多人以為這是煙囪。實(shí)際上這是發(fā)電廠用來(lái)給水冷卻的冷卻塔，現(xiàn)在常見的就是雙曲線冷卻塔，是一種自然通風(fēng)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?yàn)槠渫庑晤愃朴跀?shù)學(xué)圖形內(nèi)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(duì)下面的數(shù)學(xué)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(lái)源：高二數(shù)學(xué) 人教版 選修2-1
其實(shí)在早期的時(shí)候，發(fā)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(shè)計(jì)了雙曲面型冷卻塔，而后隨著大型火電站的發(fā)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(huì)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(fā)電廠的工作流程。
燃料送到電廠后，經(jīng)過篩選輸送到鍋爐燃燒，鍋爐被加熱后，鍋爐內(nèi)的水變成了高溫水蒸氣。水蒸氣通過管道被輸送到汽輪機(jī)，推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)作功，發(fā)電機(jī)與汽輪機(jī)通過聯(lián)軸器相連，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。而經(jīng)過汽輪機(jī)作過功的水蒸氣則被送入到凝汽器，被冷卻水冷卻凝結(jié)成水。一部分則被加壓輸送到附近小區(qū)進(jìn)行供熱。熱電廠需要大量的冷卻水來(lái)給機(jī)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(huán)梁、筒壁、塔頂剛性環(huán)。下梁環(huán)在風(fēng)筒下部，所有載荷通過下梁環(huán)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(jīng)過優(yōu)化計(jì)算確定。而塔頂剛性環(huán)則是筒殼的加強(qiáng)箍。在塔底部設(shè)有約2米深的集水池。在筒壁下部設(shè)有配水槽和淋水裝置。
熱電廠冷卻塔有什么用？為什么都是雙曲線型
雙曲線冷卻塔工作過程
冷卻塔塔身比較高，容易形成煙窗效應(yīng)（煙窗效應(yīng)：戶內(nèi)空氣沿著有垂直坡度的空間上升或者下降，造成空氣加強(qiáng)對(duì)流的現(xiàn)象，當(dāng)煙囪變窄時(shí)，氣流會(huì)加速），由于上下空氣壓差，就會(huì)有風(fēng)從塔底進(jìn)入塔頂流出。從凝汽器中出來(lái)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(fēng)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(nèi)，被重新輸送到凝汽器內(nèi)，循環(huán)利用。
為什么是雙曲線型呢？
從結(jié)構(gòu)上講，雙曲線型結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固。在此處，我們要先講一下伯努利效應(yīng)，即邊界層表面效應(yīng)，科學(xué)家伯努利通過無(wú)數(shù)次試驗(yàn)驗(yàn)證得出結(jié)論：流體速度大的地方壓強(qiáng)小，流速小的地方壓強(qiáng)大。例如我們?cè)诘却疖嚂r(shí)，要站在黃線以外。因?yàn)樵娇拷疖嚨牡胤?，氣體速度越大，而遠(yuǎn)的地方流速小，這就形成了一個(gè)壓強(qiáng)差，離得太近的話，則有可能被火車吸走。再講回雙曲線結(jié)構(gòu)，因?yàn)榭拷脖诘奈恢每諝饬魉僖戎行穆?，這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向內(nèi)的拉力。這樣筒身就容易被破壞。而曲面結(jié)構(gòu)可以增加結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。
從經(jīng)濟(jì)方面考慮，雙曲面結(jié)構(gòu)更容易建造。雙曲面其實(shí)是一種直紋曲面，是通過直線連續(xù)運(yùn)動(dòng)形成的。利用這個(gè)特質(zhì)，雙曲面結(jié)構(gòu)只利用直梁就可以建造，而直梁更容易建造。
熱電廠冷卻塔有什么用？為什么都是雙曲線型
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(jìn)入。而達(dá)到最細(xì)部門時(shí)，由于管徑變小，空氣流速加快，可以盡快帶走熱量。而到達(dá)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。
