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机械毕业设计论文
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冷却塔设计说明书2,机械毕业设计论文
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摘 要 冷却塔是一种广泛应用的热力设备，其作用是通过热质交换将高温冷却水的热量散入大气，从而降低冷却水的温度。 其冷 却原理 是利用水与空气流动接触后进行冷热交换产生蒸汽，蒸汽挥发带走热量达到蒸发散热 。依靠 对流传热和辐射传热散去工业上或制冷空调中产生的余热 ， 降低水温，以保证系统的正常运行，装置一般为桶状，故名为冷却塔。 冷却塔是集空气动力学、热力学、流体学、化学、生物化学、材料学、静、动态结构力学，加工技术等多种学科为一体的综合产物 。 水质为多变量的函数，冷却 的影响 更是多因素，多变量与多效应综合的过程。 本文主要冷却塔的工作原理，选用类型，结构设计，并对冷却塔的外壳进行了设计，包括上塔体壳体结构设计和下塔体水槽强度计算。最后介绍了在选择使用材料时应注意的问题以及制造技术，并展望了冷却塔在国内的应用前景。 关键词： 冷却塔；逆流式；设计；蒸发散热； nts Structure Design of the Cooling Tower Abstract The cooling tower is a kind of widely used thermal equipmentitsfunction is thr-ough the heat exchange of the high temperature coolingwater heat into the atmosp-here, thereby reducing the temperature of cooling water. The cold is the use of wat-er and air flow after the contact heat exchanged to produce steam, steam heat to volatile evaporation dissipation, convection and radiation heat transfer principle of di-spersed or industrial waste heat generated in the refrigeration and air conditioning t-o reduce the evaporation temperature of the heat radiating device, in order to ensu-re the normal operation of the system, device is generally named for the barrel, co-oling tower. The cooling tower is in aerodynamics, thermodynamics, hydrodynamics, chemistry, biological chemistry, material science, mechanics, static and dynamic structure, processing technology and other disciplines as one of the products. Water quality formulti variable function, cooling is multi factor, multi variable and multi process ofcomprehensive effect. The working principle, this thesis mainly introduces the counter flow cooling tower type selection, structure design, and the cooling tower shell is designed, the calculation of the tower body shell design and under the tower body sink strength. At the end of the paper should be paid attention to in the choice of materials usedwhen problems and manufacturing technology, and the prospect of cooling tower application prospect in china. Key words: Counterblow cooling tower; design; evaporative cooling; nts nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 1 - 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结构，但木材易腐蚀，资源少，浪费大，很早就淘汰了，至令没有找到好的维护方法；钢筋混凝土式的耐久性显然好些，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。玻璃钢冷却塔和混凝土冷却塔以及木结构冷却塔的比较 1。 表 1-1 逆流式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 混凝土冷却塔 木结构冷塔 500m3/h 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 1740mm6843mm 8400mm8400mm14950mm 12136mm24900mm 18900mm 进风口温度 / 5 10 10 5 塔体质量 总质量 6t 总质量 100t 消耗优质木 材 200cm3 材料消耗 逆流式消耗 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 20 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 玻璃钢逆流 冷却塔的优越性。另外，目前我国循环水量在1000m3/h 以内机械通风塔，几乎全部被逆流式冷却塔代替；就是循环水量在2000-4000m3/h 的大型逆流式冷却塔也开始被 玻璃钢 式冷却塔所取代。 目前国内 外对逆流式冷却塔的研究，主要集中在以下几个方面。 nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 2 - （ 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。 1.1 冷却塔的国内外发展状况 伴随工业生产的发 展和人民生活水平的不断提高，我国各类冷却塔产品的设计制造水平也得到了飞速发展，国产化水平有了跨跃式的提高，冷却塔产品基本上可以满足我国重大装备配套的需求。产品出口已遍布世界 30 多个国家和地区。产品被广泛应用于空调、制冷、空压站、加热炉及冷凝工艺、精密铸造，塑胶、化工、服装机械、食品、医疗、科研、包装、印刷、电镀、电子、液压机械、电力电炉、注塑机械、制 药、纺织、印染、油田、造纸、发电、化肥、轻工、冶金、制盐、焦化煤气、卷烟以及科研单位、宾馆、商场、影剧院、民用建筑等。 尽管我国冷却塔市场起步晚，但发展稳定增 长，近几年来每年均以 10左右的速度增长，市场发展空间十分广阔， 2008 年冷却塔市场销售增加到 34 亿元， 2010年则达 40 亿元左右，由于其较好的市场前景和利润空间，冷却塔为许多寻找出路的冷却企业所看好。冷却塔设备是化工、电力、冶金、纺织、造纸等现代化工矿企业和各种民用工程（例：宾馆、医院、商业中心、办公大楼）等实现设备冷却或者空调制冷中实行循环用水冷却的理想节水型设备，其前景广阔市场巨大。 而且，近几年来，国家不断推出高技术高质量的冷却塔产品。并且要使干湿式冷却塔设计、选型、报价、成本管理等计算机 化、模块化，再利用国内产品的价格优势，这样不仅可以更加的全面占领国内市场，同时在国外市场占据更多的份额。 对于我国冷却塔的技术水平不断的发展，冷却塔行业要及时建立更多的技术交流平台，促进各企业之间的技术交流。净化冷却塔市场、健全竞争机制、不断开拓创新，以便进一步的使我国的冷却塔的技术设计及生产水平得到更好的发展。 相对于国内的冷却塔发展状况，国外的冷却塔的技术研究及其发展较早。因此， nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 3 - 国外的冷却塔技术领先国内良多，核心技术也掌握在国外的企业，研究机构手中。冷却塔产品已经广泛的应用于化工，医疗，食品，石油，民 用，国防，科学研究等，各个行业中。对于国外冷却塔的技术成熟以及在各个行业的广泛应用，已经为企业及国家缩减成本，同时能够获得更多的经济利益。在对环境保护上面，国外的冷却塔的技术更加成熟，使得冷却塔对环境的污染更小。 1.2 冷却塔的工作原理 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，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，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。 1.3 冷却塔的分类 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 。 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 。 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 。 nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 4 - 按用途分一般空调用 冷却塔 、工业用 冷却塔 、高温型 冷却塔 。 按噪声级别分为普通型、低噪型、超低噪型、超静音型。 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： 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。 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。 在热工性能相同的条件下，横流塔填料用量大，但清洗方便。 在逆流塔中，逆流式壳体可以作为受力结构，承担塔体上部载荷。但在横流塔中，逆流式壳体结构则只起围护作用。因此，前者较能发挥逆流式的强度作用。 1.4 逆流式冷却塔的主要性能 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,中小型逆流式冷却塔的标准设计工况如表 2-1 表 2-1 中小型逆流式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 37 32 5 28 0 31 5 9 91104 43 33 10 28 31 5 9 91104 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 /（ m3h -1） 噪 声 指 标 B 型 D 型 C 型 G 型 nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 5 - 8 15 30 50 75 100 150 200 300 400 500 600 800 900 1000 66 0 67 0 68 0 68 0 68 0 69 0 70 0 71 0 72 0 72 0 73 0 73 0 74 0 75 0 75 0 60 0 60 0 60 0 60 0 62 0 63 0 63 0 65 0 66 0 66 0 68 0 69 0 70 0 71 0 71 0 55 0 55 0 55 0 55 0 55 0 58 0 58 0 60 0 61 0 62 0 62 0 64 0 67 0 68 0 69 0 70 0 70 0 70 0 70 0 70 0 75 0 75 0 75 0 75 0 75 0 78 0 78 0 78 0 78 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。 第二章 逆流式冷却塔的设计 nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 6 - 2.1 逆流式冷却塔的选型 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 t 2=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。 2.2 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。冷却塔按照设计要求其基本尺寸如下 ： 上塔体尺寸 =2110mm 下塔体尺寸 =590mm 塔体直径 =3206mm 风扇外型尺 寸 =1440mm 2.3 盘管结构 盘管外喷淋水吸收盘管表面热量，温度升高而蒸发，使空气的焓值增加，从而达到换热的目的，根据工程实测数据显示，一般情况下喷淋式冷却塔的撒热效率和盘管面积成一次方程的关系，取冷却塔内的换热盘管进行传热、传质分析，换热盘管内冷却水将热量传递给管外循环喷淋水，其传热方程式为： 0 0 1()i i i i w tM c d t K t t N D d 式（ 3-1） 式中 iM 盘管内冷却水的质量流量， Kg/s ； ic盘管内冷却水的比热， J/(Kg )； it盘管内冷却水温度，； wt盘管外喷淋水温度，； 0K传热系数； tN每排盘管的根数； 0D换热盘管的外径尺寸； 冷却盘管在运行时，由于喷淋水、冷却水中含有悬浮物或固体杂 质，在管壁表面长期沉积形成污垢，影响管壁换热，但因为污垢的成份和结构性质等各不相同，很难nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 7 - 精确计算得到污垢的热阻理论值。本次盘管结构选择正三角形错列布置，如 3.1 图示。 图 3.1 每个管排平面内的盘管根数tN由下式得出： 1ttBN P 式中，tP换热盘管横向管间距， m； 2.4 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： 502560 宽度： 125-400mm 长度： 0.35 0.60.05mm 三、工作温度： nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 8 - 聚氯乙烯（ PVC） -20 -70 聚丙烯（ PP） -20 -100 2.5 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。 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。 2.6 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。 2.7 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。nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 9 - 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。 2.8 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。 2.9 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 逆流式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。逆流式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逆流式部件，如上塔体、风机叶片等还必须考虑逆流式的蠕变和疲劳问题。 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，这是因为逆流式材料的弹性模量低、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，大部分逆流式冷却塔的实际使用应力，安全系数为 10 15。 2.10 降噪设计 噪声来源与下列方面 nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 10 - 风车噪音：其噪声主要是由机械噪声和流体噪声组成； 电机噪声：其主要电机运转时的电磁声； 水滴噪声 ； 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。 第三章 冷却塔的 改进 设计 nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 11 - 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、塔体外壳设计及安全系数选择等内容。 3.1 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 风载荷 基本风压 2? 0 5 0 /W K g m式（ 4-1） 冷却塔的风载荷为000 .4 6 3 sW D K W 6 7 . 3 6 7 /K g m 式中 0.463体型小数 D塔体直径 Ks高度系数 雪荷载 nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 12 - 雪荷载引起的主要是垂直荷载。有 两种 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 0 1 0 3 . 4 0 8M H W K g式（ 4-2） 风荷引起的垂直轴向力 P M N D N / 200.612 式（ 4-3） 拉伸荷载 4/Lp M N D W q 式（ 4-4） 压缩荷载 cp W N 式（ 4-5） 加在基础上的长期荷载 / 2 6 8 . 3 3 3NW Q N式（ 4-6） 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 在逆流式冷却塔设计中，直接与逆流式材料有关的是冷却塔壳体和底盘。 3.2 上塔体壳体结构设计 （ 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 。 nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 13 - 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。 上塔体的惯性矩表示如下 2222 2 2 0 . 0 4 0I x F D F DFD/ 2 / 4（ ） （ ） 式（ 4-7） 式中 F肋的截面积 D冷却塔直径 1700 2910 1660 800 380 图 4-2 上塔体构造尺寸 图 4-3 上塔体构造尺寸 nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 14 - （ 2）上塔体强度计算 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： 2 1 0 ? 4440 . 4 6 30 . 4 6 3 1 . 0 0 1 . 3 2 9 1 . 0 5 1 03 . 0 1 0 1 0 2 . 9 1 08 . 8 1 0W K K D WM P a 式（ 4-8） 上塔体风压分布，如图 4.4 所示 380800860DCBA ABCD15N/cm14N/cm图 4-4 上塔体风压分布 其中 45 . 1 5 1 0 2 . 9 1 0 0 . 1 4 9ABq q M P a 43 . 0 1 0 1 0 1 . 7 0 . 0 8 8Cq q M P a D 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 ： 2 1 0 0 0 0 1 . 2 1 . 4 1 6 8 0 0PN 上塔体内静压 上塔体内静压 为 109.8Pa(约取 100Pa)， 取超载系数 1.2， 则 1 0 0 1 . 2 1 2 0q P a 内 nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 15 - 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： 221 / 2 3 80 . 5 8 . 7 6 3 86324CCMqN c m 式 （ 4-9） 221 / 2 8 6 8 0 3 8 1 / 2 8 6 1 / 2 8 0 / 3 8 60 . 5 8 . 7 6 2 0 4 2 0 4 0 . 5 6 . 2 3 8 6 8 6 0 .( ) ( )5 6 . 2 3 8 0 3 8 620( ) ( )()5 6 6 7 . 5A C A C A CM q q q q qN c m 式 （ 4-10） 肋的横截面积为 22 . 4 1 0 1 9 . 2 1 . 24 7 . 0 4Fcm 式 （ 4-11） 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： 32 2 9 127354ABW W Fcm 式 （ 4-12） 32 4 7 1 7 015980CWcm 式 （ 4-13） A、 B、 C、截面的最大弯曲应力分别为： 2/2 0 5 6 6 7 . 5 / 2 7 3 5 47 . 5 2 /0 . 7 5 2A m a x A AMWK g c mM P a 式 （ 4-14） 2/2 0 5 6 6 7 . 5 / 2 7 3 5 47 . 5 2 /0 . 7 5 2A m a x A AMWK g c mM P a 式 （ 4-15） nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 16 - 2/9 0 0 5 7 . 3 9 / 2 7 3 5 43 . 2 9 2 /0 . 3 2 9 2B m a x B BMWK g c mM P a 式 （ 4-16） 2? /0 . 3 9 6 /0 . 0 3 9 6C m a x C CMWK g c mM P a 6 3 2 4 / 1 5 9 8 0式（ 4-17） 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： 2? / 8 1 6 8 0 / 6 4 75 . 9 5 7 /0 . 5 9 5 7ZpFK g c mM P a 式（ 4-18） 将应力叠加，可求得截面 A 处的最大压应力： 27 . 5 2 5 . 9 5 71 3 . 4 7 7 /1 . 3 4 8 A A m a xK g c mM P a 式（ 4-19） 手糊聚脂逆流式的压缩强度为 180MPa，安全系数取 10，由许用压应力为=18MPa。 设计中的最大压应力为 1.348MPa，远小于许用压应力 18MPa，即 AC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： /1 9 . 2 1 . 2 0 . 6 1 0 2 . 4 0 . 5()1 . 2 4 73 . 64e S Fcm 式（ 4-20） 肋横截面对 x 轴和 y 轴的惯性矩分别为： nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 17 - 3 2 2 ? 4()1 9 . 2 1 . 2 1 2 1 9 . 2 1 . 2 3 . 4 6 0 . 6 2 0 0 2 . 4 1 0 6 . 8 4 5472.)6(Ixcm 式（ 4-21） 3341 . 2 1 9 . 2 1 2 1 0 1 2 2 . 4719Iycm 式（ 4-22） 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： 1 1 . 0 3 . 1 4 / 4q q q R 静（ ）式（ 4-23） 其中 q 静 为上 塔体静压 ,约为 100Pa,取超载系数为 1.2， 则 41 0 0 1 . 2 1 . 2 1 0q M P a 静 式（ 4-24） 则 ： 141 . 0 1 . 3 1 . 7 1 0 . 0 0 5 1 . 2 0 . 0 0 0 1 0 . 2 5 3 . 1 4 ? 9 . 7 1 0()qRR M P a 式（ 4-25） 最大分布吸力： 4231 . 7 1 . 2 1 0 3 . 1 4 413(). 9 1 0q q RR M P a 式（ 4-26） 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=1.3105N/cm2 L=86 80 38=204cm 则 nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 18 - 2? 53 . 1 4 3 . 1 4 /3 . 1 4 3 . 1 4 1 . 3 1 0 4 7 2 . 6 2 0 41 4 5 5 5 . 8c r Xp E I LN 式 （ 4-27） 各点弯矩如下： 22 6 2 6 . 5 1 0 2 3 . 3 4 2 0 4 1 0 25 5 9 5 . 7 2 AM R L q LN c m 22中 式 （ 4-28） 8 6 3 . 3 4 8 6 8 6 2BAMRN c m 52641式 （ 4-29） 8 6 3 . 3 4 8 6 8 6 252643.BAMRN c m g式 （ 4-30） 1 6 6 1 6 6 1 . 8 9 8 3 1 . 4 5 8 6 4 0 1 . 4 5 0 . 7 6 8 01 0 3 9 9 9 2 6 0 4 0 . 4 2 1 2 4 . 7 3 1 0 8 . 87 4 7 2 5 CAMRN c m g 式 （ 4-31） 1 6 6 1 6 6 1 . 8 9 8 3 1 . 4 5 8 6 4 0 1 . 4 5 0 . 7 6 8 01 0 3 9 9 9 2 6 0 4 0 . 4 2 1 2 4 . 7 3 1 0 8 . 87 4 7 2 5 CAMRN c m g 式 （ 4-32） 跨中截面弯曲模数为： 32 ?2 7 3 5 4 BW W F Dcm 2 4 7 2 9 1中 式 （ 4-33） 跨中截面最大应力为： / 5 5 9 5 . 7 2 2 7 3 5 40 . 2 0 5m a x MWM P a 中 中 中 式 （ 4-34） 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： 2 1 0 4 70 . 4 4 6SFM P a / 式 （ 4-35） nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 19 - 垂直压力 S 在 B 点引起的弯距 2 9 1 2 7 2 2 1 0() 2BM D a SN c m /21 9 9 2 ? 式 （ 4-36） 1 9 9 5 4 5 7 2 0 00 . 0 4 3 6B M P a 肋跨中截面的总应力为： 0 . 2 0 5 0 . 4 4 6 0 . 0 4 6 30 . 6 9 5P m a x BM P a 中 式 （ 4-37） 截面受到的最大压力为： 3 2 . 6 4 8m a xpFN 4 7 O . 6 6 9 5中 式 （ 4-38） 与截面的临界 pcr 比较，则 pmax pcr 如果将肋增加到 12cm，会更安全。 3.3 下塔体水槽强度核算 由于下塔体水槽，仅承受部分回流水，只要水不外漏即可满足使用要求，对变形和强度要求不高 11。因此可以采用简化的 计算模型。 在简化的计算模型中，沿径向取从内圆到外圆周边的单位宽度板进行分析。由于底部水槽用用螺栓固定在钢支架上，可以简化为两端固接梁。其中跨度为 l=a-b,受线型均匀荷载 q0 ,梁截面的宽度为 1 单位。高度为 t0 最大弯矩 20 / 1 2m a xM q l式 （ 4-39） 最大应力 26/m a x m a xMt 式 （ 4-40） 材料的允许应力 /b K式 （ 4-41） 第 四 章 冷却塔壳体制造技术 nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 20 - 4.1 材料选择 冷却塔壳体一般采用聚酯逆流式制造。由于长期处在与水接触的环境中，又暴露在大自然环境，故选择材料时，要考虑到耐水性和耐自然老化性。 增强材料选择 制造冷却塔壳体用的纤维增强材料，一般选用粗直径中碱玻璃纤维纱、织的方格布，厚度从 0.2 0.8mm.玻璃纤维表面需经过偶联处理 .严禁使用土坩埚生产的高碱玻璃纤维布 。 为提高外观质量 ， 表面采用树脂含量高的玻璃纤维表面毡12。 基体材料选择 由于复合材料壳体的材料逆流式要求具有耐 水和减缓老化等功能，故基体材料选用常州 253 厂生产的 TM-189 树脂，羡并要求加入 UV 9 紫外线吸收剂。如果表面采用胶衣层时，则 TM-189 树脂中可不加紫外线吸收剂；仅在胶衣树脂中加 UV 9 紫外线吸收剂。胶衣树脂一般选用 TM-33 或天津合成材料厂生产的SGL-22 胶衣树脂。如果选用武汉理工大学刘雄亚教授研制的高性能无机胶黏剂，将能获得更高的技术经济效益。 4.2 制造技术 复合材料冷却塔壳体造型复杂，不宜于批量流水线生产，在国内常采用手糊工艺成型；也有采用手糊和喷射相结合的生产工艺。 手糊成型冷却塔壳体构件一 般逆流式制品的糊制，没有很大区别，但应注意以下几个问题： （ 1） 外观质量 冷却塔对逆流式壳体的要求较高。要求表面光滑、色泽均匀、无裂纹。表面上气泡直径不大于 3 5mm，并且每平方米内不得超过 3 个；不允许有直径大于 5mm 的气泡出现，而所有的气泡在产品出厂前都应进行修补 。 （ 2） 因为冷却塔壳体外表面质量要求较高，故壳体制造时常采用逆流式阴模成型。逆流式模具表面要求达到镜面光洁度。 （ 3） 翻制壳体构件的逆流式模具，必须保证尺寸精度，其误差应在设计公差允许范围内。 （ 4） 为了防止变形，壳体模件脱模时，必须保证充分固化。当室温在 15 30 ，固化时间为 8 24h13。控制配方，可使 8h 后脱模，糊制好的壳体构件，在 60 80条件下加热 1 2h，即可脱模，这样可提高模具周转率。 （ 5） 壳体翻边是壳体构件的连接法兰，必须相互平行，为此在设计模具时，不仅要保证尺寸精确，而且要预先估计到变形的可能性。 nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 21 - （ 6） 为了避免应力集中，法兰翻边和厚度不能偏差太大，也不允许发生树脂聚脂现象。 （ 7） 法兰部位的形状如图示。本设计中法兰翻边厚度为 t=12mm，壁厚为 6mm，L=120mm。 （ 8） 对于有防火要求的冷却塔，必须采用阻燃树脂。 参考 文献 nts天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） - 22 - 1 刘雄亚 ， 晏石林等 . 复合材料制品设计及应用 . 北京化学工业版社 ， 2003： 6-21. 2 沃丁柱等 . 复合材料大全 . 北京化学工业出版社 ， 2000： 23-78. 3 刘雄亚 , 谢怀勤 . 复合材料工艺及设备 ,武汉：武汉工业大学出版社 . 1997： 21-54. 4 GB719011997. 5 GB719021997. 6 刘德安 , 郁轶澄 . 逆流式结构设计基础 . 北京：中国建筑工业出版社 . 1990： 63-124. 7 翁祖淇等 . 中国逆流式工业大全 . 北京 :国防工业出版社 . 1992： 56-78. 8 植村 益次 ， 纤 维增强塑料设计手册 . 北京逆流式研究所译 ， 中国建筑工业出版社 ，1986： 12-45. 9 马最良 ， 孙宇辉 . 冷却塔供冷技术的原理及分析 . 暖通空调 ， 1999： 29. 10 TED Pannkoke. cooling tower basics. HPAC， 1996. 11 JC Hensley.
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