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玻璃钢冷却塔结构设计范文

第一章概述

随着工业和民用需水量的越来越多，循环使用水资源成为一项有效的节水措施，世界各国都在竞相发展各种类型的冷却塔，以往的冷却塔都采用木‘钢’和钢筋混凝土结构，但木材易腐蚀，资源少，浪费大，很早就淘汰了，钢筋结构冷却塔的围护钢板容易生锈，至令没有找到好的维护方法：

钢筋混凝土的耐久性显然好些，但其存在建造周期长，模板耗量大，占地面积大，施工困难，投资高等缺点，因此，研究新结构材料冷却塔便成为节水工程中的一个大热点。

玻璃钢具有耐腐蚀，强度高，质量轻，易成型及性能可以根据使用条件进行设计等优点，用来制作冷却塔可以使塔体小、占地面积小、耗电低、造型美观、冷效高、耐腐蚀、使用寿命长及安装方便和造价低等。

很好的解决了冷却塔技术中的一系列难题，从而实现了工厂化生产，现场快速安装，大大缩短了冷却塔的建造周期。

玻璃钢冷却塔，钢筋混凝土冷却塔和木结构冷却塔的比较[1]。

表1-1玻璃钢冷却塔与其他材质冷却塔的比较

比较项目

塔类及容量

玻璃钢冷却塔

钢筋混凝土冷却塔

木结构冷却塔

500m3/h

750m3/h

外形尺寸

最大直径×高度

长度×宽度×高度

内径×高度×外径

1740mm×6843mm

8400mm×8400mm×14950mm

12136mm×24900mm×18900mm

进风口温度/℃

5～10

塔体质量

总质量6t

总质量100t

消耗优质木材200cm3

材料消耗

玻璃钢消耗0.7

消耗水泥70.8、钢18.84

投资/万元

5～5.5

10.433

17.865

使用寿命/a

﹥15

3～5

施工安装

费用低，占地少

费用高，需大量钢板，

占地面积大，施工费用高

表1-1充分说明了玻璃钢冷却塔的优越性。

目前我过循环水量在1000m3/h以内机械通风塔，几乎全部被玻璃钢冷却塔代替；就是循环水量在2000-4000m3/h的大型钢筋混凝土冷却塔也开始被玻璃钢冷却塔所取代。

目前国内外对玻璃钢冷却塔的研究，主要集中在以下几个方面。

（1）进一步提高冷却塔的冷却效率主要研究开发动力消耗少、热力性能高的冷却塔。

（2）改进风机叶片采用变速电机提高风机效率，降低能耗。

（3）研究超低噪声冷却塔，降低噪声污染，改善居住环境。

（4）研究新型高效收水技术，解决飘水问题，控制环境污染。

（5）研究高效亲水材料，提高热交换效率。

（6）开发高效水质稳定剂，提高水稳效果。

（7）加强冷却塔支撑结构的防腐和稳定研究，提高冷却塔的使用寿命。

（8）加强冷却塔的基础理论研究，寻求新的高效冷却途径。

消除大气污染，回收能源。

第二章玻璃钢冷却塔的分类及其主要性能

2.1玻璃钢冷却的工作原理

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）的水自配水系统洒入塔内。

当水滴和空气接触时，一方面由于空气与不的直接传热，另一方面由于水蒸汽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，带到目前为走蒸发潜热，将水中的热量带走即蒸发传热，从而达到降温之目的[2]。

圆形逆流式冷却塔的工作过程为例：

热水自主机房通过水泵以一定的压力经过管道、横喉、曲喉、中心喉将循环水压至冷却塔的配水系统内，通过布水管上的小孔将水均匀地播洒在填料上面；干燥的低晗值的空气在风机的作用下由底部入风网进入塔内，热水流经填料表面时形成水膜和空气进行热交换，高湿度高晗值的热风从顶部抽出，进入塔内的空气、是干燥低湿球温度的空气，水和空气之间明显存在着水分子的浓度差和动能压力差，当风机运行时，在塔内静压的作用下，水分子不断地向空气中蒸发，成为水蒸气分子，剩余的水分子的平均动能便会降低，从而使循环水的温度下降。

从以上分析可以看出，蒸发降温与空气的温度（通常说的干球温度）低于或高于水温无关，只要水分子能不断地向空气中蒸发，水温就会降低。

但是，水向空气中的蒸发不会无休止地进行下去。

当与水接触的空气不饱和时，水分子不断地向空气中蒸发，但当水气接触面上的空气达到饱和时，水分子就蒸发不出去，而是处于一种动平衡状态。

蒸发出去的水分子数量等于从空气中返回到水中的水分子的数量，水温保持不变。

由此可以看出，与水接触的空气越干燥，蒸发就越容易进行，水温就容易降低。

2.2玻璃钢冷却塔的分类

⒈按通风方式分有自然通风冷却塔、机械通风冷却塔、混合通风冷却塔。

⒉按热水和空气的接触方式分有湿式冷却塔、干式冷却塔、干湿式冷却塔。

⒊按热水和空气的流动方向分有逆流式冷却塔、横流（交流）式冷却塔、混流式冷却塔。

⒋按用途分一般空调用冷却塔、工业用冷却塔、高温型冷却塔。

⒌按噪声级别分为普通型冷却塔、低噪型冷却塔、超低噪型冷却塔、超静音型冷却塔。

⒍其他如喷流式冷却塔、无风机冷却塔、双曲线冷却塔等。

根据水和空气的相对流动方向，冷却塔分为逆流式、横流式、横逆流混合式和喷射型4种。

前两种形式技术成熟、安全可靠、国家已有标准颁发，因此应用最广。

逆流塔和横流塔的优缺点比较如下：

1逆流塔控制冷却水温比较准确；横流塔受气温影响又较逆流塔大、风机效率比逆流塔低。

因此，在不受场地条件限制的情况下，最好选用逆流塔。

2当采用多台塔并联使用时，横流塔比逆流塔具有占地少的优点。

3在热工性能相同的条件下，横流塔填料用量大，但清洗方便。

4在逆流塔中，玻璃钢壳体可以作为受力结构，承担塔体上部载荷。

但在横流塔中，玻璃钢壳体结构则只起围护作用。

因此，前者较能发挥玻璃钢的强度作用。

2.3玻璃钢冷却塔的主要性能

冷却塔的性能主要有热力性能、噪声、耗电比、飘水率和填料性能等。

（1）热力性能根据国家标准GB7190.1-1997,中小型玻璃钢冷却塔的标准设计工况如表2-1

表2-1中小型玻璃钢冷却塔标准设计工况

标准设计

B型

D型

C型

G型

进水温度/℃

出水温度/℃

设计温度/℃

湿球温度/℃

干球温度/℃

大气压力/Pa

28．0

31．5

9．91×104

31．5

9．91×104

注：

表中符号的含义B-标准型；D-低噪声型；C-超低噪声型；G-工业型。

（2）噪声

噪声是环境保护方面的要求。

中、大、小型冷却塔的噪声指标，国家标准规定不能超过表2-2

表2-2中小型冷却塔噪声指标/dB（A）

名义流量

/（m3·h-1）

噪声指标

B型

D型

C型

G型

100

150

200

300

400

500

600

800

900

1000

66．0

67．0

68．0

69．0

70．0

71．0

72．0

73．0

74．0

75．0

60．0

62．0

63．0

65．0

66．0

68．0

69．0

70．0

71．0

55．0

58．0

60．0

61．0

62．0

64．0

67．0

68．0

69．0

70．0

75．0

78．0

（3）耗电比

冷却塔的耗电比是指实测风机电机的输入功率与实测冷却水之比。

大型冷却塔的实测电耗比不大于0.055Kw；中小型工业冷却塔的耗电比不大于0.06Kw。

（4）飘水率飘水率为单位时间内冷却塔风筒飘出的水量（Kg/h）与进入冷却塔水量（kg/h）之比。

第三章玻璃钢冷却塔的设计

3.1玻璃钢冷却塔的选型

在选择冷却塔的时应确定下列技术条件：

需冷却处理的水量Q=100m3/h。

进塔最高水温t1=43℃处理后要求达到的水温t2=33℃,大气干球温度31.5℃,大气湿球温度28℃,噪声要求dB（A）,然后按照选型曲线选择，如挂图1选出BNGD-100型的冷却塔。

3.2塔体尺寸

冷却塔的结构尺寸包括：

上下塔体尺寸、塔体直径、进风口尺寸、淋水装置高度及风扇外型尺寸等。

BNGD-100型冷却塔按照设计要求其基本尺寸如下；

上塔体尺寸=1970mm

下塔体尺寸=490mm

塔体直径=1700mm

风扇外型尺寸=1500mm

3.3淋水装置

淋水装置的类型及种类直接关系到冷却塔的工作效率按淋水在散热时不同的形式，淋水填料可分为点滴式、薄膜式、点滴薄膜式三类[3]。

在BNGD-100冷却塔里选择的填料类型是斜交错填料。

斜交错填料具有技术先进，设计合理，数据可靠，经久耐用，冷却效果好，通风阻力小，亲水性强，接触面积大等优点。

斜交错填料采用圈料和螺杆组装两种形倾斜角一般为60度，主要用于圆型冷却塔。

一、性能特点：

适应温度：

65℃~-35℃

化学稳定性好，耐酸、碱及有机溶剂的腐蚀。

阻燃自熄性好，氧指数≥31

产品亲水性能强，成膜性好，易于填料的热传导。

二、规格：

50×25×60宽度：

125-400mm

长度：

0.35～0.6±0.05mm

三、工作温度：

聚氯乙烯（PVC）-20℃-70℃

聚丙烯（PP）-20℃-100℃

3.4配水系统

冷却塔配水系统的作用是将需要冷却的热水通过配水系统均匀的分布在整个淋水材料上面。

对配水系统的设计要求是供水水压低，压力分布均匀，通风阻力小，运行可靠，维护简便。

配水系统设计的流量范围为冷却水量的80%～110%；配水管流速应采用1～5m/s；配水系统的总阻力损失宜小于5Kpa。

对与中小型冷却塔，多采用旋转布水器系统。

它的优点是布水均匀，供水压力低。

它由旋转布水头和水管两部分组成冷却塔中的淋水装置由配水管及喷淋头组成,在循环水回水余压的作用下将循环水分配后进行均匀喷淋,其所用材料不用钢管,均为PVC塑料,这样不仅增加了溅水装置的使用寿命,而且避免了水质污染，还降低了成本，如图3.1所示。

图3.1冷却塔布水器

3.5风机

目前机械通用冷却塔使用的风机均为轴流风机，而BNDG-100的风机采用SWF系列混流风机，它是低噪高效环保节能型风机，是替代现有轴流及斜流风机的换代产品。

特点:

1.该风机兼有离心风机压力系数高和轴流式风机流量系数较高的特点，风机流量系数大于离心风机，全压系数高于轴流式风机，直径系数小于离心风机，进风方向和出风方向于一条轴线上，进出口直径相同，风机可直接安装在管道上，占地少，最适合于直管道加压送风和排风。

2.该风机采用了新的叶型，可得到大流量及高压力，并提高风机效量率及稳定工作范围该风机叶型经特别设计可较大地降低外流噪声在单位风量、单位风压的工况条件下比a声级可降低3-4dB，同时在较低转速的情况下可获得较高风机压力。

3.由于风机子午面上的气流加速是在通风机壳为筒形条件下依靠减小进口轮毂相对直径达到的，由于工作轮毂锥角较小避免转子轮毂与后导叶轮毂有较大凹凸台而造成气流分离，从而提高了风机的效率降低了噪声。

3.6收水器

收水器是为了减少淋水被溅碎后形成的微小水滴所造成的风吹损失及水雾对环境的污染，塔中应设置收水期，将水滴与空气分离后收回。

3.7风筒和导圈

冷却塔的风筒分为两类，一类是动能回收型风筒，另一类是动能不回收型风筒。

对于中小型冷却塔，由于旋转平面平均风速VC﹤7m/s或旋转平面动压小于30Pa，一般不考虑动压回收。

这时就可以不要风筒扩散段，使风筒收缩段与导流圈合二为一。

因而风筒只留下一个较矮的平直段，它的导流收缩段从淋水段一个大圆过渡到风机直径一个小圆，采用均匀流线型设计[4]。

3.8集水池设计

冷却塔集水池的作用是汇集淋水装置掉落下来的水滴，同时起到调节和储存水量的作用。

3.9塔体设计

（1）外载荷的确定

塔体承受的外载荷主要有风机质量、风载荷、塔各部件质量、填料与塔正常运行时的积水质量、风机运行时塔内的负静压力、维修安装人员的质量、积雪载荷和地震力等。

风载荷可以根据塔体形状、使用地点气候条件及安装高度确定，计算详见第四章第一节。

塔内积水量及正常运转时的循环水量根据实际需要选择为100m3/h。

风机运转时在塔内造成的负压，可以根据风量及风道阻力计算。

（2）强度与刚度计算

逆流塔的上下塔体，采用回转壳体的形式。

为了增强壳体的局部刚度和改善壳体转折处的应力状态，一般都在壳体母线及转折处设置周向加强筋。

壳体连接处一般都采用翻边结构，用螺栓连接，在壳体上自然地形成了一条T型筋。

所以整个壳体形成一个变厚度的加筋回转壳。

（3）安全系数的考虑

玻璃钢受材料性能不稳定性和成型工艺条件的影响，使其性能有较大的离散。

玻璃钢的湿态强度明显比干态强度低。

从常温开始，随着温度的升高强度也逐渐下降。

对与长期承受较高压力的玻璃钢部件，如上塔体、风机叶片等还必须考虑玻璃钢的蠕变和疲劳问题。

通过中小型冷却塔的设计与试验比较，可以发现实际使用应力比考虑上述诸因素后的许用应力还低，这是因为玻璃钢材料的弹性模量低、变形大，因此尺寸往往不是由强度条件而是刚度条件所决定的。

总之，大部分玻璃钢冷却塔的实际使用应力，安全系数为10～15。

3.10降噪设计

噪声来源与下列方面

1风车噪音：

其噪声主要是由机械噪声和流体噪声组成；

2电机噪声：

其主要电机运转时的电磁声；

3水滴噪声

4通风噪声：

其主要有塔体内外空气流体噪声和塔体共振噪声。

为了降低噪声必须采用低噪声风机和降低淋水噪声。

要降低淋水噪声一般有两个途径；一是在冷却塔进风窗高度段吊挂点滴塑料填料片和薄膜斜板，前者是让淋水不断碰撞逐步下落，后者是让淋水沿斜板下落，目的是抵消滴水的动能；二是在积水池上增设一层弹性消声层，材质一般是软性泡沫塑料或是弹性泡沫橡胶。

另外，低噪声冷却塔使用时，应调整出口阻力，保证积水盘有一定的积水高度，避免淋水直接落在盘底上，增加噪声。

第四章冷却塔的结构设计

冷却塔的结构设计，一般应进行荷载确定及组合、塔体钢架结构设计、玻璃钢塔体外壳设计及安全系数选择等内容。

4.1冷却塔载荷分析

冷却塔承受的载荷可分为短期载荷和长期载荷。

短期载荷包括风载荷、地震载荷、维修安装时的活载荷。

长期载荷包括结构自重、填料质量、风机和给排水系统正常运行时的积水以及热交换部位滞留水的质量等。

图4.1为塔体在外力作用下，塔体产生的应力[5]

图4.1冷却塔受力示意图

1风载荷

基本风压W0=50Kg/m2

冷却塔的风载荷为W=0.463DKsW0

=0.463×2.910×1.00×50

=67.367Kg/m

式中0.463——体型小数；

D——塔体直径；

Ks——高度系数；

②雪荷载

雪荷载引起的主要是垂直荷载。

有二种情况：

一是冷却塔工作时，雪花融化不能形成积雪荷载；二是冷却塔停机时，雪荷载远小于冷却塔工作时的载水荷重时，可不予考虑雪荷载。

塔体运行时的总质量

Q=风机系统质量+塔体结构质量（壳体和支架）+填料质量+布水系统质量+运行过程中水质量=1610Kg

风荷载引起的载塔体倾覆力矩

M=H0W

=1.535×67.367

=103.408Kg

风荷引起的垂直轴向力

P=4M/ND

=4×103.408÷6×2.910

=200.612N

风荷引起基础上的荷载

拉伸荷载pL=4M/ND-Wq

压缩荷载pc=2W/N'

加在基础上的长期荷载

WN=Q/N

=1610÷6

=268.333Kg

式中W——作用在冷却塔上的风荷载

H0——冷却塔重心高度

N——基础墩数

D——冷却塔直径

Wq——每个基础质量

WN——运行时每个基础上荷载

在玻璃钢冷却塔设计中，直接与玻璃钢材料有关的是冷却塔壳体和底盘。

4.2上塔体玻璃钢壳体结构设计

（1）上塔体结构尺寸

根据热力计算结果确定冷却塔上塔壳体尺寸后，将壳体结简化为下图4.2和图4.3所示。

即上塔体可由两个圆柱形和一个锥形构成。

将壳体沿圆周方向划分成8等分，再将壳体用法兰打拼装成薄壳整体

1700

2910

1660

800

380

图4.2上塔体构造尺寸

冷却塔壳体和计算方法很多，有的很复杂，但都不能完全精确的计算出准确结果。

为简化设计，仅考虑拼接处局部区域承载[6]，而其余部分只考虑失稳而不承载。

承载局部是由两块壳体翻边法兰拼接成“T”形肋。

肋的宽度为16t（t为壳体厚度）。

共8条肋，法兰翻边的厚度为12mm。

图4.3上塔体构造尺寸

上塔体的惯性矩表示如下

Ix=2[F（D/2）2+2F（2D/4）2]

=FD2

=0.0047×2.910×2.910

=0.040

式中F——肋的截面积

D——冷却塔直径

（2）上塔体强度计算

①风荷载

设冷却塔使用地区的基本风压W0=50Kg/m2（MPa），安装高度为10m，由«工业与民用建筑结构荷载规范»查得高度系数为K2=1.00，基本风压调整系数为K1=1.3，则单位高度塔体表面上的风压为[7]；

W=0.463×K2×K1×D×W0

=0.463×1.00×1.3×291.0×5×10-4

=3.010×10-4×2.910

=8.8×10-4MPa

上塔体风压分布，如图4.4所示

图4.4上塔体风压分布

其中qA=qB=5.15×10-4×2.910

=0.149MPa

qC=qD=3.010×10-4×1.7

=0.088MPa

②上塔体垂直荷载

上塔体的垂直荷载包括风机重、安装维修人员重和机械附件、壳体自重等[8]。

设垂直荷载为10000N，超载系数为1.2,动荷系数为1.4,则正常运转时冷却塔上塔体的垂直荷载为;

P2=10000×1.2×1.4=16800N

③上塔体内静压

上塔体内静压为－10×9.8Pa（约取100Pa）,取超载系数1.2,

则q内=－100×1.2=－120Pa

其它荷载与上塔体无关,故从略.

（3）强度计算

上塔体上用螺栓固定在冷却塔的钢支架上,故可将上塔体看作是固定在钢支架上的悬臂梁来简化计算。

此时A、B、C三点处由风荷载引起的弯距分别为：

MC=1/2×qC×382

=0.5×8.76×382

=6324.72N·cm

MB=1/2×qC×（38+80）2＋1/2×（qA－qC）×80×1/3×80

=0.5×8.76×138×138＋0.5×6.23×80×80×0.76

=90057.39N·cm

MA=1/2×qC×（86＋80＋38）2＋1/2×（qA－qC）×862＋1/2×（qA－qC）×（80/3＋86）

=0.5×8.76×204×204＋0.5×6.23×86×86＋0.5×6.23×（80÷3＋86）

=205667.5N·cm

肋的横截面积为

F=2.4×10+19.2×1.2

=47.04cm2

考虑到迎风面和背风面各1根肋F及45°方向两根肋折合成一根肋承载，A，B，C三点的截面弯曲模数分别为：

WA=WB=2F×291

=2×47.04×291

=27354cm3

WC=2×47×170

=15980cm3

A、B、C、截面的最大弯曲应力分别为：

σAmax=±MA/WA

=±205667.5/27354

=±7.52Kg/cm2

=±0.752MPa

σBmax=±MB/WB

=±90057.39/27354

=±3.292Kg/cm2

=±0.3292MPa

σCmax=±MC/WC

=±6324.72/15980

=0.396Kg/cm2

=0.0396MPa

由于上塔体所承受的垂直荷载由8根肋均分，则每根肋所受的压应力为：

σ′=pZ/8F=－1680/（6×47）

=－5.957Kg/cm2

=－0.5957MPa

将应力叠加，可求得截面A处的最大压应力：

σA=σAmax+σ′

=7.52＋5.957

=13.477Kg/cm2

=1.348MPa

手糊聚脂玻璃钢的压缩强度为180MPa，安全系数取10，由许用压应力为[σ]=18MPa。

设计中的最大压应力为1.348MPa，远小于许用压应力18MPa，即

σA≤[σC]很多，断面可以减小。

（4）肋的局部强度核算由于风载分布不均匀，会引起上塔体受载不均。

即使整体强度满足了要求，还是可能出现局部强度不够的情况，故尚需对局部强度进行核算。

侧重于安全考虑，可将肋视为既承受横向风力、静压，又承受垂直的风机重及自重的纵横弯曲的简支梁，分段进行计算[9]。

肋的中性轴：

e=∑S/∑F

=[19.2×1.2×0.6＋10×2.4×（0.5＋1.2）]÷47

=3.46cm

肋横截面对x轴和y轴的惯性矩分别为：

Ix=19.2×1.23÷12＋19.2×1.2×（3.46－0.6）2＋200＋2.4×10×（6.84－5）2

=472.6cm4

Iy=1.2×19.23÷12＋10÷12×2.43

=719cm4

由于Iy＜Ix，故取Ix计算临界力。

假设每根肋承担3.14R/4圆柱面上所承受的风载和静压，则最大分布压力为[10]：

q1=（1.0q+q静）3.14R/4

其中q静为上塔体静压,约为－100Pa,取超载系数为1.2,则

q静=－100×1.2=－1.2×10-4MPa

则q1=（1.0×1.3×1.71×0.005＋1.2×0.0001）×0.25×3.14R

=9.7×10-4RMPa

最大分布吸力：

q2=（－1.7q＋1.2×10-4）×3.14R÷4

=13.9×10-3RMPa

由于q1﹤q2，因此应以q2为校核离力。

肋稳定计算简图如图4.5所

图4.5肋稳定计算简图

下面计算肋所承受的欧拉临界力。

已知E=1.3×105N/cm2L=86＋80＋38=204cm

则pcr=3.14×3.14×E×IX/L2

=3.14×3.14×1.3×105×472.6÷204

=14555.8N

各点弯矩如下：

M中=RA×L÷2-q2×L2÷2

=626.5×102－3.34×204×102

=5595.72N·cm

MB=RA×86-3.34×86×86÷2

=52643.68N·cm

MC=RA×166－166×1.89×83－1.45×86－40×1.45×0.76×80

=103999－26040.42－124.7－3108.8

=74725.08N·cm

跨中截面弯曲模数为：

W中=WB=2F×D

=2×47×291

=27354cm3

跨中截面最大应力为：

σ中max=M中/W中

=5595.72÷27354

=0.205MPa

垂直压力引起的应力和弯距计算如下。

垂直压力引起的应力为：

σ′=S/F

=210÷47

=0.446MPa

垂直压力S在B点引起的弯距

MB′=（D-a）×S/2

=（291－272）×210÷2

=1992N·cm

σB′=1995÷457200

=0.0436MPa

肋跨中截面的总应力为：

σ中=σPm

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