摘　要:在水资源和环境问题日益突出的今天，在工农业生产和生活中广泛应用的冷却设备―― 冷却塔对于节省水资源和保护环境发挥了重要的作用。从冷却塔塔体结构材料的角度对不同塔体结构的特点进行了阐述和分析．并对其进行了比较，以供在冷却塔选型、设计时参考。
关键词:冷却塔 塔体结构 结构材料 玻璃钢

0　前　言

　　国际上有“19世纪争煤，20世纪争石油，21世纪可能争水” 和21世纪国际投资与经济发展“一看人，二看水” 的说法，可见水资源和环境问题已经成为共同关注的热点，是一个社会经济能否可持续发展的关键因素．这跟水资源紧张和环境污染紧密相关。在工农业生产和生活中，冷却水的用量占较大比例。为了保证工艺设备的正常运行和产品的质量．很多需要冷却工艺和冷却设备的地方．都是用水作为冷却介质进行冷却的。如果将这些温度升高了的冷却水直接排放，不仅会造成热污染，影响环境．还会造成能源和水资源的极大浪费。若将这些冷却水循环重复利用，无疑对提高水的有效利用率，缓解当前经济发展与水资源以及环境的矛盾具有重要意义。目前，我国水的循环利用率约为51.7％，发达水的循环利用率达75％~85％，美国工业用水的循环率高达92％～95％。很明显，我国水的循环利用率与发达相比还有较大差距。反过来想，我国在提高水的循环利用率上还有很大空间，因此无论是层面还是企业或个人都应该大力发展和推广水循环利用技术。
　　冷却塔是水循环利用技术的关键设备。它利用水与空气的接触，以蒸发冷却作用为基础来排除工业或制冷空调中产生的废热。不同塔体结构的冷却塔在冷却能力相同的情况下，其冷却效率、能耗、制造成本、工程周期、运行维护费用、使用寿命等都是不同的，因此分析不同结构的冷却塔的优缺点，对合理设计和选型冷却塔具有一定的指导意义。

1　冷却塔塔体结构的分类与特点

　　冷却塔塔体是冷却塔的外壳和气流的通道，是冷却塔的重要组成部分。塔体一般由上壳体(主要为风筒)、中壳体(塔身1和下壳体组成。从冷却塔塔体结构使用的材料来看．冷却塔塔体结构主要有玻璃钢(FRP)结构、混凝土结构、钢结构(包括不锈钢结构)、木结构，也有综合前几种结构特点的混合结构。下面将针对不同塔体结构的特点进行阐述和分析。
1.1　玻璃钢结构
　　玻璃钢(FRP)结构冷却塔自从亮相市场以来，就凭借其自身优势迅速占领市场。不到几年时间，几乎所有中小型冷却塔都是玻璃钢冷却塔。现在玻璃钢结构冷却塔已经成为冷却塔中的主角。20世纪80年代末至90年代初，我国玻璃钢冷却塔从中小型发展到大型．现在已发展到单台4000 t／h的玻璃钢塔体。若采用钢筋混凝土塔，其风筒也都采用玻璃钢。玻璃钢冷却塔在其他得到了迅速发展，各著名冷却塔品牌例如Marley、良机等大都为玻璃钢结构冷却塔。
　　玻璃钢全称为玻璃纤维增强塑料(即FRP)，是以玻璃纤维及其制品作为增强材料以增强塑料基体――合成树脂的一种复合材料．其中玻璃纤维起着骨架作用，而合成树脂主要是粘结纤维，因此玻璃钢集中了玻璃纤维和合成树脂两种材料的优点。玻璃钢主要有以下优点：
　　(1)轻质但高强。玻璃钢的密度在1.5～2.0t／m³之间．只有普通碳钢的1／5～1／4，比金属铝还要轻1／3左右，但机械强度却能达到或超过普通碳钢的水平。
　　(2)耐腐蚀性好。玻璃钢具有良好的耐海水、酸、碱及有机溶剂腐蚀的性能。
　　(3)良好的绝热性能。玻璃钢导热系数低，在室温状态下为0.35~0.47 W／(m・K)，只有金属的1／1 000～1／100，是一种很好的绝热材料。
　　(4)具有优良的工艺性，可设计性强。可根据实际选择成型方法，对于形状复杂、数量少、还没定型的产品在设计上更具优势．即对于产品的设计更具有灵活性。
　　当然玻璃钢也有缺点：
　　(1)弹性模量低，刚度常感不足，变形较大。
　　(2)长期耐温性差。若长期在高温下使用，玻璃钢机械强度会明显下降。
　　(3)老化问题。由于各种机械应力和化学腐蚀的作用，玻璃钢会老化，性能会变差。
　　因此，玻璃钢结构冷却塔具有以下特点：
　　(1)外形美观，加工容易。随着设计水平的提高和生产工艺的成熟，玻璃钢冷却塔能适应多方面的用途需要，达到与周围建筑相协调。
　　(2)质量轻，强度高，但整体刚性较差，存在玻璃钢老化问题，会影响冷却塔的使用寿命。
　　(3)冷却效率高，耗电低，体积小，相应的占地面积也小。
　　(4)耐腐蚀性好，适应性强。现在玻璃钢冷却塔不仅应用于民用空调制冷上。而且像石油化工、电力、冶金等行业也都在大量使用。
　　(5)玻璃钢冷却塔的所有构件均由制造商在工厂里做好了，只需在现场组装一下。特别是一些小型的玻璃钢冷却塔。厂家在出厂前已做成整体．直接到现场就可调试运行。因此玻璃钢结构冷却塔安装方便，施工周期较短，工程造价也较低。
　　(6)维护成本低。玻璃钢冷却塔一旦安装好，一般只需每年一次对其进行目测检查，不需经常喷涂专用油漆或涂料。
　　(7)价格适中。随着玻璃钢工业的发展以及相关技术的成熟，玻璃钢的价格较以前便宜了许多，玻璃钢冷却塔被越来越多的客户和行业所接受。
1.2　混凝土结构
　　混凝土结构冷却塔的种类有很多．在大型冷却塔市场中占有很大的比例。给人印象深的混凝土结构冷却塔恐怕就是火电厂和核电站的双曲线自然通风冷却塔，它是电厂的标志性构筑物。当然在其他行业中，如石化、冶金、纺织等行业。混凝土结构的冷却塔也应用得十分普遍。混凝土结构冷却塔主要有下列特点：
　　(1)塔的所有主要梁柱、墙体、构件等均采用混凝土现浇。这样结构的刚度和稳定性好．振动小，使用寿命长。但由于其重量大，对地基承重有所要求，在改造时也会碰到较大的困难。
　　(2)塔内梁柱截面较其他结构要大，因此会使有效冷却面积减小，造成同样冷却能力的冷却塔，混凝土结构的冷却塔体积要大。此外，塔内的气流受到梁柱的阻挡，涡流现象较严重，这样在达到相同风量和冷却能力时，冷却塔风机的能耗就较其他结构要高，因而对风机的性能要求也就高。这种结构的冷却塔需要研究的重要方向是如何让结构更加优化，减少涡流现象，使气流更加合理和流畅，以提高冷却塔的性能和降低投资成本。可以采取一些措施来减弱上述问题的影响。据文献报道，在冷却塔内空气流通截面中梁柱所占截面<15％时，塔内的涡流现象并非十分严重。因此在满足所需强度和刚度的情况下，应尽可能减小梁柱、构件等的截面积和数量，也可以将梁柱倒角，处理成圆形或流线形。
　　(3)虽然混凝土结构的冷却塔耐腐蚀性强，但由于该结构的冷却塔使用的环境相当恶劣，其中水对混凝土组分的溶性、混凝土的冻融破坏以及钢筋的腐独膨胀作用是造成塔体结构破坏的主要原因，因此为了延长塔的使用寿命．需要在日常的管理维护中采取一定的防护措施。
　　(4)由于需要混凝土现浇，因此混凝土结构的冷却塔建造周期长，施工组织麻烦，混凝土和钢筋以及模板耗量大，占地面积大，施工困难，成本投资高。
1.3　钢结构
　　钢结构冷却塔在国外冷却塔品牌里还是很常见的。我国于1982年由当时的化工部组织，上海化工机械二厂和成都化工工程公司借鉴国外先进技术，研制出我国台横流钢塔，这之后钢结构冷却塔才开始在国内市场逐步发展起来。从2011年上海制冷展上国内外冷却塔厂商力推钢结构冷却塔的现象中可以看出。钢结构冷却塔在未来的冷却塔市场中大有作为。
　　目前，钢结构冷却塔主要应用于大中型冷却塔上。钢结构冷却塔相比其他结构形式的冷却塔有下列优势：
　　(1)塔形轻巧美观，看上去很紧凑。
　　(2)塔的强度高，刚性好，安全性较高。
　　(3)塔的结构件全部采用各种型钢连接，这样塔内梁柱截面很小，有效冷却面积大，相应的塔的体积就较小。由于气流受结构件的阻挡减小．产生的涡流现象也减弱，因此钢结构冷却塔的冷却效率高．风机的耗电较低。
　　(4)由于塔的结构件在抵达现场前已经在工厂制造完成，这样到现场时只需用螺栓连接组装，故施工周期大大缩短，工程造价也相应降低。此外，钢结构的冷却塔更换构件和维修改造也较方便，这是混凝土结构冷却塔所不能比拟的。
　　(5)钢结构冷却塔在制造过程中不存在化学污染问题，因此更加环保。
　　但钢结构冷却塔也有不足的地方，大的问题就是钢构件的腐蚀问题．这是由于冷却塔工作特性所决定的。众所周知，钢材处于既有空气又有水的环境中比起处于单一的空气或水环境中更容易生锈腐蚀。而冷却塔塔体结构正是常年处在潮湿的水汽环境中。目前钢结构冷却塔的防腐措施主要采用热镀锌工艺。以前也有采用刷环氧沥青、氯磺化聚乙烯等来防腐的，总体看来这些防腐措施效果还行。当然还有采用不锈钢结构来防腐的。但如何更有效地提高钢结构冷却塔的耐腐蚀性仍是冷却塔行业需要努力的一个方向。结构件的防腐性能好坏直接关系到钢结构冷却塔的承载能力和使用寿命。另外，因为腐蚀性的问题，会造成冷却塔的防腐维修费用相对较高。
1.4　木结构
　　在冷却塔发展的早期，木结构冷却塔是一种应用较多的结构。我国于20世纪50年代从前苏联引进了这种结构的冷却塔，但由于我国木材资源缺乏，木材价格昂贵和木材的化学处理技术落后，因此在一定程度上影响了冷却塔的设计和选材思路。在现有的冷却塔应用和市场中，很少见到木结构冷却塔的身影，用户也缺乏对木结构塔的认识，所以木结构冷却塔在的发展受到了限制。而在美国．由于木材价格低廉，木结构冷却塔已大量专业化、工业化生产，设计制造技术成熟，一些制造商和用户倾向于木结构冷却塔，因此在美国冷却塔市场中占有一定的份额。木结构冷却塔具有以下特点：
　　(1)重量较轻，安装和损坏时调换都很方便。
　　(2)由于真菌、藻类在木材上寄生繁殖会引起木材腐蚀．所以木材需要经过专门的化学处理才能长期在湿热环境中使用。若循环水中含有腐蚀介质，木结构也能有效地防止腐蚀。在施工过程中，若个别构件需要进行现场钻孔、截短时，应对破坏了的木材防腐层采取补充性防腐措施。
　　(3)木结构冷却塔还有一个主要问题就是易燃性。无论在生产安装时还是在使用中都要注意采取防火措施。
　　(4)因为木材本身具有一定的吸振作用，所以木结构冷却塔能吸收冷却塔风机在运行时所产生的振动，从而减弱了振动和噪音。
　　(5)需要消耗大量的木材，不符合我国的国情和科学发展观。

2　总结及建议

　　(1)利用冷却塔进行水的循环利用，是一种行之有效的节水措施，对于解决当前水资源危机和环境问题具有重要的现实和深远意义。
　　(2)有了良好的塔体结构，才会有好的使用效果，达到节约水资源和保护环境的目的。单一结构的冷却塔不可避免地有其缺点，可以考虑结合不同结构形式的冷却塔优点，设计具有更强优势的混合结构冷却塔。
　　(3)解决冷却塔的防腐问题不应只局限在冷却塔塔体结构材料上。也可以在循环水的水质处理上有所作为。让冷却塔处理的水处于不易腐蚀塔体的状态。
　　(4)冷却塔的研究与设计是一个复杂而又综合的技术活，无论是专业人员还是客户应从性能、结构、选材、工艺等方面全面地考虑问题，结构设计要将功能性、经济性和可维护性有机结合。
　　(5)尽管冷却塔产品日趋成熟，但是还有很多细节有待完善，特别是如何在产品的创新上更需要冷却塔的相关人员花大力气去现实。
　　(6)建议有关政府职能部门制定和完善冷却塔的设计、制造、工艺、安装、运行管理等各方面的相关标准和规范，健全竞争机制，促进冷却塔上下游产业链的交融，引导整个行业健康有序发展。