双曲线型冷却塔 【微课堂】冷却塔为什么设计成双曲线型？因为好用还便宜

火电厂的冷却塔为什么这么设计？有什么优势？》

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这个问题其实很混乱，因为各种因素交织在一起，但中间其实有几个不同的问题

为什么冷却塔的侧面是弯曲的

为什么这种曲面是双曲面

为什么上面的开口小？

为了对这些因素进行优先排序，我们需要对它们进行排序。

首先，最早的冷却塔有各种形状，如直管和八角管

早期各种形状的冷却塔

1915年Iterson首次发明双曲面塔后，这种配置很快在火电厂流行起来，那么为什么会发生这种变化呢？答案是规模。随着大型火力发电厂的出现，这种自然通风的双曲面冷却塔应运而生。

这是一个关系链:1。电站装机容量增加-2。需要建造一个更大的冷却塔。制冷量直接受面积和高度影响，所以冷却塔需要更高更大-4。高大的圆柱形结构不稳定，即使建成，造价也高——5。用经济手段建造大型冷却塔是必要的-6。双曲面塔最经济

不需要解释1和2，但是过程3需要一个公式，即制冷量(单位面积泵送力)只与冷却塔高度和内外气体密度差有关，所以冷却塔越建越高，现在一般100米以上，而新建塔160米以上，甚至出现很多200米以上的塔。

这导致了第4项中的问题。无论是混凝土还是钢结构，200米高的直墙都很不稳定。如果受风阻变形，必须加厚或加大量钢筋。最终，一座塔将像一座摩天大楼，其成本将是不可接受的。

所以在5中，我们要找到一种经济的降低冷却塔成本的方法，就是壳状曲面结构，也就是曲率可以产生强度。

这是因为曲面的高斯曲率不为零。从大数学家高斯提出的“Theorema Egregium”可以推断，可以任意弯曲一个曲面，只要不拉伸、压缩、撕裂，高斯曲率就不会改变。可见你拿披萨的方式很可能是错的|科学人|果壳技术有意思

换句话说，对于高斯曲率非零的结构，高斯曲率只有在被撕裂或超过材料承载能力时才会发生变化，所以曲面的结构强度和抗变形能力非常强。因此，我们将建造曲面形状的冷却塔。这里需要注意的是，圆柱和圆锥结构的高斯曲率都是0，也就是说它们可以卷成一个平面的圆柱或圆锥，所以它们的强度不如其他曲面。

由左至右：负高斯曲率曲面（双曲面），零高斯曲率曲面（圆柱面），和正高斯曲率曲面（球面）。

所有薄壳曲面结构都具有强度高、节省材料的特点，还有其他形状和材料的冷却塔，所以对结构的探索是无穷无尽的。

华电的土默特右旗火电厂，其银光闪闪的钢结构冷却塔非常显眼

目前典型的大型冷却塔高约150m，底径约150m，即底部可容纳一个足球场。但是它的厚度很薄，最薄的部分只有20cm。冷却塔如果缩小到蛋壳直径，会比蛋壳薄，只有蛋壳厚度的1/5。

那么为什么双曲面结构最经济呢？

首先，根据冷却塔的结构可以看出，中间变窄的设计使得相同喷水面积下的进风面积更大，有助于增加风量。所以这个曲面应该是向内弯曲的(负高斯曲率)。

很多回答提到双曲面是最经济的材料，有一个回答说:

图中冷却塔的造型是一个双曲面。在已知底面和顶面是圆形的情况下算连续连接面的最小表面积，解方程会发现连接面是双曲函数旋转面。因此冷却塔设计为双曲面形状带来的最大好处是：同等冷却能力下（同样大小的底面和顶面，同样高度，同样的冷却介质共同决定了同等的最大冷却能力）建塔时用的材料最少。（可以近似认为壁厚一定的情况下材料用量正比于表面积）

这其实是不对的。连续连接曲面的最小表面积是一种“最小曲面”，由德国数学家欧拉在1744年的论文中求解。“悬链线曲面”是表面积最小的旋转曲面，悬链线曲面是通过围绕其准线旋转悬链线而获得的。

双曲面是由双曲线围绕一个准线(或一条直线围绕一个非共面准线)生成的，所以两个曲面看起来形状相似，但完全不同。

紫色为双曲线，橙色为悬链线

双曲面之所以经济，不是因为它节省的材料最多，而是因为它的构造方式。双曲面是一个直的曲面，它是由一条直线通过连续运动构成的，这是它最重要的几何性质。

可以看到，直线绕轴旋转形成了双曲面

因此，钢筋在布置时不需要弯曲，即应平行于空之间的斜直线。

广州塔，又称“小蛮腰”，每一根主钢梁都是直的

因此，荷兰工程师Iterson在1915年实施这一方案后，双曲面冷却塔开始流行。当然，现在随着尺寸的增大，双曲线冷却塔的施工方法是分段混凝土现浇。

世界上最早的双曲面冷却塔的建造过程

经过多年的工程实践，这种结构的力学性能和抗风性能都得到了很好的测试，成为最常见的冷却塔形式，所以使用双曲面也是历史惯性。

实际上，在工程实践中，施工并不是完全按照曲面的几何形状进行的。在实际施工中，曲面大多是分段施工的。给定圆筒壁母线的半径和壁厚，用多截面平面钢模板近似。

所以严格来说，它的最终形状和双曲母线是不一样的。今天的塔形是优化设计、工程实践和施工习惯相互作用的结果，不同于几何双曲面。

上面提到的波兰Kozienice 电站的冷却塔，它的初始几何形状和施工设计图是有细微差异的。

中间弯的结构还有一个额外的特点。文丘里效应和气流通道的变窄可以提高气体速度，有助于提高蒸发器附近的气体速度。但是，这一部分值得怀疑。根据一些数据，这部分的贡献很小，需要请流体力学的专业人士来回答问题。

PS:由于用词不准确，双曲线、悬链线曲面、拱形、抛物面等。很容易混淆。其实两者各有特点，应该准确区分。悬链线是一条非常有趣的曲线，拱桥、悬索桥、拱坝的受力结构都是这个形状，而不是抛物线，有兴趣的可以广泛阅读。

目标

信息来源:权力圈

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