ANSYS 在雙曲線冷卻塔中的靜力分析

王金 劉艾軒 蔡陽

(華東交通大學，江西南昌 330000)

工業生產制冷工藝過程中產生的廢熱，一般要用冷卻水來導走。冷卻塔的作用是將挾帶廢熱的冷卻水在塔內與空氣進行熱交換，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，通過蒸發作用來散去工業上或制冷空調中產生的廢熱的一種設備。基本原理是:干燥(低焓值)的空氣經過風機的抽動后，自進風網處進入冷卻塔內，飽和蒸汽分壓力大的高溫水分子向壓力低的空氣流動，濕熱(高焓值)的水自播水系統灑入塔內。當水滴和空氣接觸時，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，在壓力的作用下產生蒸發現象，帶走蒸發潛熱，將水中的熱量帶走即蒸發傳熱，從而達到降溫之目的。目前，冷卻塔塔體主要為鋼筋混凝土結構。這類冷卻塔之所以得到廣泛應用是因為它運行可靠性高，防腐蝕性能好。

從技術上看，我國冷卻塔尚存在以下主要問題:

1)大型塔的熱力性能較差，達不到設計要求，設計的技術經濟性不好;2)結構穩定性差;3)振動嚴重;4)笨重粗大;5)冷卻效率也不高;6)支模施工復雜。

而且隨著技術的發展和進步，現在對于冷卻塔的冷卻能力要求越來越高，導致冷卻塔的高度越來越高和其上下口的直徑越來越大，使得混凝土冷卻塔的上述問題越發的突出。

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點，在日新月異的發展下，鋼結構可能更加適應現在的冷卻塔發展現狀。因此，我們考慮使用鋼結構來代替混凝土，做成雙曲拋物面外形的鋼結構冷卻塔。

1 幾何結構及荷載

1.1 幾何結構

分析對象為某工程的雙曲線冷卻塔，塔體尺寸為塔筒進風口直徑為71 m，塔筒頂部直徑為40 m，冷卻塔高度為176 m。結構整體為鋼結構桿件受力，其外層薄膜不受力，受力桿件均采用二級鋼。冷卻塔簡體圖如圖1所示。

1.2 荷載作用

本論文考慮自重和風荷載兩種工況，等效設計風荷載按建筑荷載規范及條紋說明[1]計算，查詢建筑荷載規范及條文說明，基本風壓0.55 kN/m，風壓高度變化系數取2.74，風振系數取1.774，本論文風向從左至右，假定來風方向為0°。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單元進行模擬。塔體每隔7.5°設立一根豎向支撐，總共48根，然后再用斜向支撐組成整個的受力鋼架。所有桿件均以1.5 m為單位進行網格劃分。風荷載使用規范中給出的值以三角形布置于結構的左側。

3 計算結構分析

本文中結構只有自重和風荷載兩種工況，自重為對稱荷載，而風荷載方向則是從左至右。從最后的應力圖，應變圖和變形圖中可以看出結構的變形最大值在左側頂部，大小為25 mm，軸力最大值位于左側底部，大小為2 200 kN，最小值位于塔體中間底部，大小為 －1 170 kN，應力最大值位于左側底部，大小為265 MPa，最小值位于塔體中間底部，大小為－141 MPa，應變最大值位于左側底部，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。

以上結果符合自重和風荷載兩種工況共同作用的情況，而且由于結構為鋼結構冷卻塔，其自重比較輕，所以在受壓區壓力很小。應力最小值位于結構中部則是因為結構為筒體，結構以中間部分為其橫向支撐，而不是右側。

4 結語

1)自重引起的變形很小，而風荷載引起的變形較大，即結構的豎向位移很小，而徑向位移較大。2)在承載力方面，鋼結構可以承擔，因此在大型冷卻塔的設計中，可以適當考慮采用鋼結構來進行處理，有可能得到更優化的方案。

[1] GB 50009-2001，建筑結構荷載規范及條文說明[S].

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

[3] 張文元，鄭朝榮，張耀春，等.某景觀煙囪順風向風振響應分析與風振系數確定[J]，建筑結構，2010，40(2):97-99.

[4] 張相庭.結構風工程[M].北京:中國建筑工業出版社，2006.

[5] R.克拉夫，J.彭津.結構動力學[M].王光遠，譯.北京:高等教育出版社，2006.