在经过热电厂时，我们一定见过这样细腰型的高大建筑（如下图），通常上方会冒着白烟（实际是水蒸气），很多人以为这是烟囱。实际上这是发电厂用来给水冷却的冷却塔，现在常见的就是双曲线冷却塔，是一种自然通风式冷却塔。

双曲线冷却塔

什么是双曲线冷却塔

因为其外形类似于数学图形内的双曲线图形，因此此类塔通常称之为双曲线冷却塔。不知道大家对下面的数学题目是否熟悉呢？

来源：高二数学 人教版 选修2-1

其实在早期的时候，发电厂的冷却塔并不是双曲线形的，而是有各种各样的形状，比如直筒型、八边型等。荷兰以为教授在1915年第一次设计了双曲面型冷却塔，而后随着大型火电站的发展，这种双曲面型的冷却塔迅速流行。为什么这种形状的冷却塔会迅速流行呢？我们后面再讲。

早期的冷却塔

冷却塔作用及工作过程

要说冷却塔的作用，我们需要先讲一下火力发电厂的工作流程。

燃料送到电厂后，经过筛选输送到锅炉燃烧，锅炉被加热后，锅炉内的水变成了高温水蒸气。水蒸气通过管道被输送到汽轮机，推动汽轮机旋转作功，发电机与汽轮机通过联轴器相连，从而带动发电机发电。而经过汽轮机作过功的水蒸气则被送入到凝汽器，被冷却水冷却凝结成水。一部分则被加压输送到附近小区进行供热。热电厂需要大量的冷却水来给机组降温。而冷却塔就是为此提供冷却水的。

电厂工作流程

热电厂工作流程

冷却塔底边直径一般在65到120米，高度在75到150米。其由3部分组成，分别为下环梁、筒壁、塔顶刚性环。下梁环在风筒下部，所有载荷通过下梁环传递给斜支撑。筒壁则是冷却塔的主体部分，其形状及壁厚经过优化计算确定。而塔顶刚性环则是筒壳的加强箍。在塔底部设有约2米深的集水池。在筒壁下部设有配水槽和淋水装置。

双曲线冷却塔工作过程

冷却塔塔身比较高，容易形成烟窗效应（烟窗效应：户内空气沿着有垂直坡度的空间上升或者下降，造成空气加强对流的现象，当烟囱变窄时，气流会加速），由于上下空气压差，就会有风从塔底进入塔顶流出。从凝汽器中出来的热水被输送到冷却塔中部的配水槽处，热水被喷射成水滴状。水滴下落的过程中，冷风上升，在此过程中将热水冷却。上升的水汽从上口冒出，就是我们看到的白色水雾。冷却水低落到集水池内，被重新输送到凝汽器内，循环利用。

为什么是双曲线型呢？

从结构上讲，双曲线型结构更坚固。在此处，我们要先讲一下伯努利效应，即边界层表面效应，科学家伯努利通过无数次试验验证得出结论：流体速度大的地方压强小，流速小的地方压强大。例如我们在等待火车时，要站在黄线以外。因为越靠近火车的地方，气体速度越大，而远的地方流速小，这就形成了一个压强差，离得太近的话，则有可能被火车吸走。再讲回双曲线结构，因为靠近筒壁的位置空气流速要比中心慢，这样就会产生一个向内的拉力。这样筒身就容易被破坏。而曲面结构可以增加结构和强度。

从经济方面考虑，双曲面结构更容易建造。双曲面其实是一种直纹曲面，是通过直线连续运动形成的。利用这个特质，双曲面结构只利用直梁就可以建造，而直梁更容易建造。

双曲面

冷却塔建造

从效果上讲，双曲线型更容易使空气流通。底部直径最大，可以最大限度的是冷空气进入。而达到最细部门时，由于管径变小，空气流速加快，可以尽快带走热量。而到达顶部后，管径变大，大量的热气在此处压力减小，将热量释放，形成白色的水蒸气。

编辑：直观机械 首发于今日头条