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冷却塔造型为什么那么设计？有什么优势？
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这个问题其实是很容易让人迷惑的 ， 因为各种因素交织在一起 ， 其实中间隐含着几个不同的问题
为什么冷却塔的侧面是曲面的？
为什么这种曲面是双曲面形状的？
为什么上面的开口小？
为了分清其中因素的主次程度 ， 我们得梳理一下 。
1、首先最早的冷却塔是有各种形状 ， 如直筒和八边形筒
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早期各种形状的冷却塔
2、而在Iterson在1915年第一次发明了双曲面型塔后, 这种构型在热电站中迅速流行 ， 那么为什么会有这种转变呢？答案是规模 ， 随着大型火核电站的出现而有了这种自然通风式双曲面冷却塔 。
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这是一个关系链：1 电站装机增大——2 需要建更大规模的冷却塔——3 冷却能力受面积和高度的直接影响 ， 因此冷却塔要更高更大——4 高大的圆筒状结构很不稳定 ， 即使建造出来成本也很高——5 需要用经济的手段建造大型冷却塔——6 双曲面塔最经济
【冷却塔|为什么冷却塔“腰”那么细？】1和2不用解释 ， 过程3中需要一个公式 ， 即冷却的能力（单位面积抽力）只和冷却塔的高度和内外气体密度差有关 ， 因此冷却塔造得越来越高 ， 现如今通常都在100米以上 ， 而新造塔都超过了160米甚至出现很多超过200米的塔 。
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这就造成了4中的问题 ， 不管用混凝土还是钢结构 ， 200米高的直墙都是很不稳定的 ， 要让它承受风阻和变形就得加厚或者加大量钢筋 ， 最终一个塔会像摩天大楼一样 ， 成本无法接受 。
因此 ， 在5中 ， 我们得找一种经济的手段让冷却塔成本降低 ， 那就是壳状曲面结构 ， 也就是说曲率能够产生强度 。
这是因为曲面的高斯曲率非0 ， 大数学家高斯提出的“绝妙定理（Theorema Egregium）”中可以推论：你可以随意弯曲一个曲面 ， 只要你不拉长、压缩或者撕裂它 ， 高斯曲率一定不会变 。 可见：你拿披萨的方式 ， 很可能是错的 。
换言之 ， 对于高斯曲率非0的结构 ， 只有它被撕裂或超出材料承受能力时高斯曲率才会发生变化 ， 因此曲面的结构强度和抗变形能力是非常强的 。 因此我们要将冷却塔建造为曲面的形状 。 这里要注意的是 ， 圆柱形和锥形的结构其高斯曲率是0 ， 也就是说可以用一个平面卷成圆柱或圆锥 ， 因此其强度是不如其它曲面的 。
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由左至右：负高斯曲率曲面（双曲面） ， 零高斯曲率曲面（圆柱面） ， 和正高斯曲率曲面（球面） 。
所有的薄壳曲面结构都具有高强度和节省材料的特点 ， 也有其他形状和材料的冷却塔 ， 对于结构的探索是永无止境的 。
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华电的土默特右旗火电厂 ， 其银光闪闪的钢结构冷却塔非常显眼
目前典型的大型冷却塔大约高 150m , 底部直径大约是 150m , 就是说, 它的底部可以容纳一个足球场. 然而它的厚度却很薄,最薄处只有 20cm. 如果将冷却塔成比例地缩小到鸡蛋壳直径 大小, 则它比鸡蛋壳还要薄, 仅及鸡蛋壳厚度的1/5 。分页标题#e#
3、那么为什么双曲面的结构最经济呢？
首先 ， 根据冷却塔的结构可以看到 ， 中间收窄的设计使得在同样的淋水面积下 ， 进风口面积可以更大 ， 有助于增加风量 。 因此这个曲面应该是内弯的（负高斯曲率） 。
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很多答案中提到双曲面最省材料 ，有个答案中说：
图中冷却塔的造型是一个双曲面 。在已知底面和顶面是圆形的情况下算连续连接面的最小表面积 ， 解方程会发现连接面是双曲函数旋转面 。 因此冷却塔设计为双曲面形状带来的最大好处是：
同等冷却能力下（同样大小的底面和顶面 ， 同样高度 ， 同样的冷却介质共同决定了同等的最大冷却能力）建塔时用的材料最少 。 （可以近似认为壁厚一定的情况下材料用量正比于表面积）
这其实是错误的 ， 连续连接面的最小表面积是一种"最小曲面"问题 ， 德国数学家欧拉在1744年的论文中作了解答 ， "悬链曲面"才是那种有最小表面积的旋转曲面 ， 悬链曲面是悬链线绕其准线旋转所得 。
而双曲面是双曲线绕准线生成的（还可以是直线绕不共面的一条准线生成） ， 因此两种曲面看上去形状相近 ， 但却是完全不同的 。
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紫色为双曲线 ， 橙色为悬链线
双曲面经济性的原因不是因为最节省材料 ， 而是因为其建造方式 ， 双曲面是一种直纹曲面 ， 是由一条直线通过连续运动构成 ， 这是它最重要的几何性质 。
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可以看到 ， 直线绕轴旋转形成了双曲面
因此钢筋在布置时不需要弯曲,即将其平行于空间斜向直线即可 。
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广州塔 ， 又称“小蛮腰” ， 每一根主钢梁都是直的
因此在1915年荷兰工程师Iterson实施了这种方案后 ， 双曲面形式的冷却塔流行了起来 。 当然现如今随着尺寸的增大 ， 双曲冷却塔的施工方式都是分段混凝土现浇的 。
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世界上最早的双曲面冷却塔的建造过程
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经历了多年的工程实践 ， 这种结构的力学性能和防风性能得到了很好的检验 ， 成为了最普遍的冷却塔形式 ， 因此沿用双曲面也是一种历史的惯性 。
实际上 ， 工程实践中不是完全按照曲面的几何形状去施工 ， 实际的施工中曲面大多是采用分节施工的办法 ， 给定筒壁母线半径和壁厚然后用多段平面钢模板去逼近 。
因此严格来说 ， 其最终形状和双曲线型的母线是有所差异的 ， 现如今的塔形是优化设计、工程实践和施工习惯相互影响的结果 ， 和几何上的双曲面会有差异 。
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上面提到的波兰Kozienice 电站的冷却塔 ， 它的初始几何形状和施工设计图是有细微差异的 。
中间内弯的结构还有一种额外的特性 ， 文丘里效应 ， 气流通道变窄可以提高气体的速度 ， 有助于提高在蒸发器附近的气体速度 ， 但这部分是存疑的 ， 根据一些资料这一部分的贡献很小 ， 还得请流体力学方面的专业答主释疑 。分页标题#e#
PS：由于用词不准确 ， 双曲面、悬链曲面、拱形、抛物面等很容易造成混淆 ， 其实他们各有各的特性 ， 应予准确区分 。 悬链线是种非常有趣的曲线 ， 拱桥、悬索桥、拱坝的受力结构都是这种形状的 ， 而非通常认为的抛物线型 ， 有兴趣的可以进行扩展阅读 。
来源：网络
由化工707编辑整理
来源：(化工707)
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标题：冷却塔|为什么冷却塔“腰”那么细？
