ANSYS 在双曲线冷却塔中的静力分析

王金 刘艾轩 蔡阳

(华东交通大学，江西南昌 330000)

工业生产制冷工艺过程中产生的废热，一般要用冷却水来导走。冷却塔的作用是将挟带废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，使废热传输给空气并散入大气中。

冷却塔是利用水和空气的接触，通过蒸发作用来散去工业上或制冷空调中产生的废热的一种设备。基本原理是:干燥(低焓值)的空气经过风机的抽动后，自进风网处进入冷却塔内，饱和蒸汽分压力大的高温水分子向压力低的空气流动，湿热(高焓值)的水自播水系统洒入塔内。当水滴和空气接触时，一方面由于空气与水的直接传热，另一方面由于水蒸气表面和空气之间存在压力差，在压力的作用下产生蒸发现象，带走蒸发潜热，将水中的热量带走即蒸发传热，从而达到降温之目的。目前，冷却塔塔体主要为钢筋混凝土结构。这类冷却塔之所以得到广泛应用是因为它运行可靠性高，防腐蚀性能好。

从技术上看，我国冷却塔尚存在以下主要问题:

1)大型塔的热力性能较差，达不到设计要求，设计的技术经济性不好;2)结构稳定性差;3)振动严重;4)笨重粗大;5)冷却效率也不高;6)支模施工复杂。

而且随着技术的发展和进步，现在对于冷却塔的冷却能力要求越来越高，导致冷却塔的高度越来越高和其上下口的直径越来越大，使得混凝土冷却塔的上述问题越发的突出。

与混凝土相比，钢材拥有自重轻，施工方便，抗拉压承载能力好等诸多优点，在日新月异的发展下，钢结构可能更加适应现在的冷却塔发展现状。因此，我们考虑使用钢结构来代替混凝土，做成双曲抛物面外形的钢结构冷却塔。

1 几何结构及荷载

1.1 几何结构

分析对象为某工程的双曲线冷却塔，塔体尺寸为塔筒进风口直径为71 m，塔筒顶部直径为40 m，冷却塔高度为176 m。结构整体为钢结构杆件受力，其外层薄膜不受力，受力杆件均采用二级钢。冷却塔简体图如图1所示。

1.2 荷载作用

本论文考虑自重和风荷载两种工况，等效设计风荷载按建筑荷载规范及条纹说明[1]计算，查询建筑荷载规范及条文说明，基本风压0.55 kN/m，风压高度变化系数取2.74，风振系数取1.774，本论文风向从左至右，假定来风方向为0°。由外层薄膜传到受力骨架冷却塔荷载布置图如图2所示。

2 计算模型

用Beam189单元模拟受力杆件，采用圆钢管为受力杆件截面形状，其尺寸为:内径0.273 m，外径 0.283 m，壁厚 10 mm。外层传力薄膜采用Surf154单元进行模拟。塔体每隔7.5°设立一根竖向支撑，总共48根，然后再用斜向支撑组成整个的受力钢架。所有杆件均以1.5 m为单位进行网格划分。风荷载使用规范中给出的值以三角形布置于结构的左侧。

3 计算结构分析

本文中结构只有自重和风荷载两种工况，自重为对称荷载，而风荷载方向则是从左至右。从最后的应力图，应变图和变形图中可以看出结构的变形最大值在左侧顶部，大小为25 mm，轴力最大值位于左侧底部，大小为2 200 kN，最小值位于塔体中间底部，大小为 －1 170 kN，应力最大值位于左侧底部，大小为265 MPa，最小值位于塔体中间底部，大小为－141 MPa，应变最大值位于左侧底部，大小为0.631 mm，最小值位于塔体中间底部，大小为－0.336 mm，如图3～图5所示。

以上结果符合自重和风荷载两种工况共同作用的情况，而且由于结构为钢结构冷却塔，其自重比较轻，所以在受压区压力很小。应力最小值位于结构中部则是因为结构为筒体，结构以中间部分为其横向支撑，而不是右侧。

4 结语

1)自重引起的变形很小，而风荷载引起的变形较大，即结构的竖向位移很小，而径向位移较大。2)在承载力方面，钢结构可以承担，因此在大型冷却塔的设计中，可以适当考虑采用钢结构来进行处理，有可能得到更优化的方案。

[1] GB 50009-2001，建筑结构荷载规范及条文说明[S].

[2] 刘德涛.冷却塔介绍及选型[J].洁净与空调技术，2010，1(1):80-87.

[3] 张文元，郑朝荣，张耀春，等.某景观烟囱顺风向风振响应分析与风振系数确定[J]，建筑结构，2010，40(2):97-99.

[4] 张相庭.结构风工程[M].北京:中国建筑工业出版社，2006.

[5] R.克拉夫，J.彭津.结构动力学[M].王光远，译.北京:高等教育出版社，2006.