刚性的冷却塔的制作方法

专利名称：刚性的冷却塔的制作方法
技术领域：
本发明涉及冷却塔，特别是现场建立的冷却塔，其设计须能承受风和地震等的侧向力。
冷却塔用来冷却液体，办法是使液体与空气接触。许多冷却塔都属于对流型，往往使温热的液体向下流动通过塔身，而逆向流动的空气则用各种装置向上抽吸使它通过降落的液体而使液体冷却。其他设计有用横向流动的空气和强制送风系统的。液体冷却塔的普通用途是用来冷却发电厂、制造厂、及工业和公共单位的空调系统用的水，以便消散其废热。
大多数冷却塔都有一个塔结构。设置这种结构组合体是为了支承死(静)载荷和活(动)载荷，活载荷包括驱动空气设备如风扇、电动机、齿轮箱、驱动轴或联轴器，液体分配设备如分配母管和喷嘴，及传热表面介质如填充组合体。填充组合体一般占有空间，通过该空间液体向下流动而空气向上流动， 以便在液体和空气间进行热和质的交换。美国Texas州Fort Worth的陶瓷冷却塔所用的填充材料是一种著名的类型，它由堆砌成层的开孔粘土砖构成。对传统尺寸的空调冷却塔来说，这种填充材料可重达60,000到70,000磅。冷却塔的结构零件不仅必须支承填充材料的重量，而且必须抵挡风力或风载荷并应设计成能承受地震载荷。
由于通过这种冷却塔引出的大量的空气和水带有腐蚀性，因此过去的做法是用不锈钢、镀锌或有其他镀层的金属来装配这种冷却塔，或对较大的现场装配的这种冷却塔采用在压力下经过化学处理的木材来构造，或至少用混凝土来构造塔的结构零件。
冷却塔的金属零件能被当地的大气或要冷却的液体腐蚀，取决于实际使用的金属或用来保护该金属的镀层。另外，这种金属塔的大小通常受到限制并且多少比较贵，特别是在极其大的装置上，如冷却从电站冷凝器出来的水。
混凝土非常耐用，但用混凝土制成的塔是昂贵而笨重的。许多冷却塔位在建筑物的屋顶上，混凝土冷却塔的重量会给建筑设计带来问题。
塑料零件能抗腐蚀，但塑料零件通常不能提供足够的强度来支承填充材料和塔本身的重量。
木材曾被用作冷却塔的结构零件，但也有其缺点。木材需要昂贵的火灾防护系统。经常不仅暴露在环境下而且还暴露在塔内待冷却的热水下的木材会腐烂。经过化学处理的木材可增加其有用寿命，但有环保上的缺点化学处理剂可能会从木材上浸出而进入到正在冷却的水内。纤维增强塑料曾被使用在一个成功的设计中可替代木材和金属。
为了承受预期的侧向风载荷和地震载荷，支承塔一般具有两种型式剪力墙框架结构和侧向支撑框架结构。剪力墙框架结构一般用纤维增强塑料或混凝土来构造，并具有立柱和横梁互联的网格。剪力墙被用来对风和地震载荷提供侧向抗力。在侧向支撑框架结构中，冷却塔一般由木材或纤维增强塑料的横梁和立柱制成，按传统方式构成框架作为死载荷的支承；斜角支撑被用来抵抗侧向载荷。横梁和立柱汇合处的接头被设计成允许在结构元件之间可以有转动。这些接头对结构的载荷或偏弯并不提供侧向抗力。
采用纤维增强塑料的现有技术方案包括那些在美国专利5,236,625号(1993年授予Bard0等)和5,028,357号(1991年授予Bardo)中所揭示的内容。这两个专利都公开了适宜用于冷却塔的结构，但目前仍需要有一中等价格的适宜用作冷却塔的结构。
这样，虽然现有的纤维增强塑料的塔结构已解决了不少与木材和金属的冷却塔结构有关的问题，但对如何抵抗侧向载荷这一问题的许多解决方案却都要增加费用。不论是剪力墙还是侧向支撑的框架都要化费大量的人工去构筑，因为有许多零件和许多连接件要制造。还有大量的关键结构元件的制造和库存都较复杂，增加构造的复杂性，因此增加费用。虽然所增的费用在许多情况下可认为是值得的，但仍然需要有费用较低的冷却塔结构，这种结构只要能满足较不严格的设计标准即可，而现有的结构却是超越了人们的需要。
在纤维增强塑料的框架结构中，遇到的一个困难是， 当用传统的螺栓或螺钉制出立柱和横梁之间的接头时，横梁和立柱是能互相转动的。但若企图用传统的螺栓或螺钉制出更紧的连接以便限止转动并提供侧向稳定性而不增加斜角支撑时，那么纤维增强塑料就会被损坏，因为连接件会使纤维增强塑料变劣而接纳连接件的孔会被扩大。
本发明提出需要提供容易设计、制造和构造的、可在现场建立的冷却塔。它还提出需要提供比传统的冷却塔制造起来费用较低的、构造更简单的、可在现场建立的冷却塔。它提供一种中等水平的冷却塔结构来满足对冷却塔的需要，该结构满足较不严格的设计标准，从而可降低费用。它能满足对侧向稳定性的需要，可承受预期的风载荷和地震载荷，而可在消除剪力墙的同时，减少或消除对传统的斜角支撑的需要。它还可允许增加横梁的跨度，同时满足对蠕变和使用寿命的设计标准而可不需增加斜角支撑，同时它还可提供设计的灵活性，以便提高使用寿命并减少冷却塔的横梁内的蠕变。
在一个方案内，本发明所提供的刚性的框架结构可满足上述这些目标，该结构具有一对立柱和一根在两根立柱间延伸的横梁，它们均由含有增强纤维的材料制成。立柱和横梁在它们交接处具有共平面的表面。有一块安装板设在横梁和立柱的交接处。安装板有一侧面连结到横梁和立柱在交接处的共平面的表面上，以便在横梁和立柱之间形成一个力矩转移接头。
在另一方案中，本发明所提供的冷却塔具有多根由含有增强纤维的材料制成的立柱，还有多根由含有增强纤维的材料制成的第一层水平横梁，每一第一层水平横梁在一对处在第一垂直层的立柱之间延伸。另外还有多根由含有增强纤维的材料制成的第二层水平横梁，每一第二层水平横梁在一对处在第二垂直层的立柱之间延伸。立柱和第一层水平横梁在其交接处具有共平面的表面。立柱和第二层水平横梁在其交接处也具有共平面的表面。在冷却塔内有一水分配系统，以便分配所要冷却的水。水分配系统设在第二垂直层上。还有填充材料，从水分配系统来的空气和水可能要通过该填充材料。填充材料设在第一垂直层上。还有一个风扇用来使空气流动通过填充材料，以便冷却在填充材料内的水。安装板设在多根立柱和第一层水平横梁的交接处上，每一安装板都设在一个交接处上并有一个安装面与第一层水平横梁和立柱的共平面的表面连结，以便在交接处形成一个力矩转移接头。安装板还设在多根立柱和第二层水平横梁的交接处上，每一安装板都设在一个交接处上并有一个安装面与第二层水平的横梁和立柱的共平面的表面连结，以便在交接处形成一个力矩转移接头。
在还有另一个的方案中，本发明所提供的结构具有一个由含有增强纤维的材料制成的骨干。该结构包括一个基底和多根由含有增强纤维的材料制成的立柱。这些立柱都被间隔开并都有底端。还有多根由含有增强纤维的材料制成的横梁，每一横梁都在一对相邻的立柱之间延伸并连接到这两立柱上。设有底座，以便将这些立柱安装到基底上。在本实施例中，每一底座都被固定到基底上并与立柱的底端连接。
在再有另一个方案中，本发明所提供的冷却塔具有一个骨干支承框架形成的内部容积。骨干框架包括多根立柱和横梁，它们都是由含有增强纤维的材料制成的，每一横梁的两端都各连接到一对立柱中的一根上。冷却塔也具有一个水分配系统，以便将水分配到放置在骨干支承框架所形成的内部容积中的填充材料内，使水流动通过这些填充材料。冷却塔还包括使空气流动通过填充材料以便冷却被接纳在填充材料内的水的装置和用来从填充材料收集被冷却的水的装置。冷却塔还可包括从下面这些单独分开的零件中选用的零件，如冷却塔顶部的盖板、盖板下面的过梁、冷却塔外部的梯子、及冷却塔顶部的围栏，这些单独分开的零件是由木材制成的。
本发明还提供一种构造冷却塔的方法，该方法包括下列步骤提供多个由含有增强纤维的材料制成并具有一底端和一平表面的立柱，并提供一个基底，将立柱垂直地对准基底并将底端固紧在基底上，提供多个由含有增强纤维的材料制成并在两端各具有平表面的横梁，并提供具有安装面的安装板，将安装板的安装面连结到一根横梁一端的平表面上和一根立柱的平表面上，以便在横梁和立柱之间形成一个力矩转移接头。
下面简要说明附图

图1为现有技术的冷却塔的骨干框架的部分透视图， 为使画面清晰，一些零件已被拿掉。
图2为图1所示带零件的现有技术的骨干结构的放大部分透视图，图中示出立柱与横梁和斜角支撑的交接。
图3为按照本发明制成的两室冷却塔的侧立视图。
图4为图3中的两室冷却塔的顶平面图。
图5为另一个两室冷却塔的透视图， 为使画面清晰，一些零件已被拿掉。
图6为图5中的两室冷却塔的透视图，为使画面清晰，零件已被进一步拿掉。
图7为立柱底端的放大部分透视图，在该底端上装有本发明可用的一种实施例的底座(底脚)。
图7A为图7中沿7A-7A线切开的剖面图。
图8为另一种实施例的本发明可用底座的放大部分透视图。
图9为用来制作图8中底座托架的板材在未弯折成图8所示形状前摊平时的顶平面图。
图10为立柱底部的侧立视图，立柱的底端用两根角钢装有图9中的底座托架。
图11为可与图8中底座托架一起使用或与另外的角钢构成本发明底座的支架的侧立视图。
图12为图11中沿12-12线切开的剖面图。
图13为在一根立柱和三根横梁之间构成的力矩转移接头的放大部分透视图，其中一根横梁大于另外两根横梁。
图14为在图13这种情况下另一种力矩转移接头的放大部分透视图。
图15为在一根立柱和三根同样大小的横梁之间构成的力矩转移接头。
图16为图13中沿16-16线切开的剖面图。
图17为本发明的一种实施例的安装板的平面图。
图18、19和20各为本发明另一种实施例的安装板的平面图。
图20A为本发明的一种实施例的安装板的透视图，其外形如图20的实施例，但在表面上制出许多凹窝。
图20B为图20A中沿20B-20B线切开的剖面图。
图21为按照本发明的可替代的骨干支承结构的透视图。
图22为用斜角的C形槽钢支撑的一对立柱的部分侧立视图。
图23为图22中沿23-23线切开的剖面图。
图24为图22中沿24-24线切开的剖面图。
图25为冷却塔底部吸取空气层面的部分侧立面图。
图26为图25中沿26-26线切开的剖面图。
图1-2示出现有技术的冷却塔框架结构的一个例子。如该图所示，总体用标号10指出的冷却塔框架包括许多立柱12和横梁14。典型的现有技术的冷却塔框架的立柱12和横梁14用木材或纤维增强的塑料制成，并具有多根斜角支撑件或斜梁16，以便提供侧向稳定性及对风和地震的抗力。图1所示的结构为一不完全的冷却塔，其中为了使画面清晰，一些零件已被拿掉，以便示出现有技术的一个典型的总体结构。图2示出一个典型的具有斜角支撑的框架，其中斜梁16头对头相连地在各个位置上连接到支承框架的各个结构元件上。
在这样一种典型的现有技术结构中，立柱间常间隔开一个约为6英尺的距离；在所示的现有技术框架10中，立柱被间隔开以便形成间格，每个间格的宽度约为6英尺。框架结构10具有好几层，第一地面层为空气吸入层20，上面各层22则在垂直方向上与空气吸入层20对齐。上部层22被用来承载填充材料、水分配系统和空气吸入设备。一般地说，在这种对流结构中，大直径的风扇和电动机(未示出)常被装在屋顶24上，以便从空气吸入层抽取空气使它向上通过上部各层22，然后在风扇处排出。
如图1-2所示，这种现有技术的结构按照传统要求在结构的每一层设置斜角支撑16。虽然除了图1所示出的以外，还可能有并曾使用过其他型式的斜角支撑，但这些支撑一般都是成对设置的，使当框架受到侧向的力如风和地震造成的力时，一组支撑受到拉力，而另一组支撑受到压力。并且支撑还得在框架的另一侧和框架内设置，以保护框架使其不被来自另一方向的侧向力破坏。除非设有某些其他形式的对付侧向力的防护设施，从基底到顶横梁，在框架的每一层和层间一般都设有支撑。
图3-4示出按照本发明的冷却塔。应该知道在图3-4中示出的冷却塔及在其余的图中所示出并在本文中说明的结构只代表本发明的一些例子，本发明并不仅限于这些示出并说明的结构。在图3-4的实施例中，总体用标号30指出的冷却塔具有两个相连的室32。在所示出的实施例中，每一室都是方形，每一边约为36英尺，因此整个冷却塔约为36×72英尺。每一室包括一台被保持在风扇罩36内的风扇34，一般具有纤维增强塑料的结构并被组装在冷却塔30的顶部。风扇34坐落在风扇齿轮减速器的顶部，后者接纳一根来自风扇电动机的驱动轴。风扇、风扇减速器和电动机可按本行业中传统的方法安装，例如，安装在一根横梁如钢管上而该横梁须具有合适选定的结构特性如抗弯和抗剪强度及扭转抗力。电动机和该横梁可在屋顶之外，或冷却塔顶部，或其内。在所示出的实施例中，风扇罩36被装在冷却塔顶部的平盖板38的顶部上，在其周围设有围栏40。为了走到盖板上并可设有梯子41或楼梯43，在盖板上还可设有走道。
在盖板38下面为冷却塔的上部各层42，而在上部各层42下面为底层或空气吸入层44。在空气吸入层44下面为从填充系统收集冷却水的装置。在所示出的实施例中，收集装置为一池46，冷却水滴入其内并被收集。
上部各层42的外部可用罩壳或覆盖屏48覆盖，其设计可允许空气(例如在有风的条件下)流动通过进入到冷却塔内，也可把这个覆盖屏设计成为牺牲品，一旦设计载荷被超过时可把它吹掉。覆盖屏可由纤维增强塑料或某些其他材料制成并可具有百页。
如图5所示，上部各层42包括一个填充层50和水分配层52。填充层在水分配层之下，因此水可被分配滴落通过填充层来到在底下的收集池46。空气则流动通过填充层，在水的旁边经过把它冷却。所示的风扇(抽风机)34可以是一种使空气流动通过填充层的装置，但其他装置也能使用，例如鼓风机可在空气横向流动的结构中使用。
如同现有技术那样，用填充材料54即传热介质来填充填充层。一般地说，填充物为一种开孔材料，可允许水向下通过， 空气向上通过，而在这两者通过时在它们之间进行传热。开孔粘土砖、开孔聚氯乙烯材料和任何其他开孔的传热介质都可使用。在所示的实施例中，采用一般由多张垂直的聚氯乙烯瓦楞板构成的块作为填充材料。可用商业上有售的填充材料，例如美国Florida州Ft.Myers的Munters公司用商品号12060，19060，25060以前出售的填充材料；美国Pennsylvania州Rea ding的Brentwood工业公司用商品号1200，1900，3800和5000出售的填充材料；美国New Jersey州Bridgewater的Hamon冷却塔公司以商品名“Cool Drop”和“ Clean Flow”出售的填充材料；及格栅型的填充材料；这些填充材料被鉴定为只可用于所说明的目的，而本发明并不限于采用某一种特定型式的填充材料。本发明也可应用于横向流动的设计，对这种设计，合适的填充材料结构可由本行业的技术人员自己作出。
在填充层50上面一层52内的水分配系统49包括一个分配母管56，该管接受来自供水管(未示出)的热水，而该供水管可连接到冷却塔外部的进水口58上。一条分配母管56可延伸越过各室的宽度，而从每一条分配母管56上又可接出许多侧向分配管60，这些分配管60垂直于母管56而走向每一室的两个对边。侧向分配管60在每一个间格上都均匀地互相间隔开，就所示出的实施例而言，在每一个6×6英尺的间格中设有8根侧向分配管。较大的间格可设有数目合适的分配管并在各管之间保持合适的间隔。
每一侧向分配管60设有许多向下指向的喷嘴63，这些喷嘴被接通可接受热水并使热水成为点滴地向下喷洒到填充材料54上，在一段距离内重力吸引水滴下落到水池，而风扇吸引空气向上流动通过冷却塔，热交换就能发生。每一侧向分配管可以有例如10个喷嘴，因此在每一个间格62内可以有80个喷嘴。这种水分配系统被示出并描述只是为了说明的目的；其他设计也可使用。
本发明的冷却塔还具有一个骨干支承框架64可用来支承风扇系统、水分配系统49和填充材料54。骨干支承框架64限定一个内部容积65，填充材料54和水分配系统的绝大部分被保持在其内。本发明的骨干或框架64具有多根立柱66和横梁68。它们都被简单地成形为具有方形或矩形截面和平表面67、69的长管，如图13-16所示。立柱66和横梁68的表面67、69在它们的接头或交接处61是在同一平面上。横梁用新的方式连结在立柱上， 因此完成的框架是牢固的，上部各层可不再需要斜角支撑，这样就可简化现场建立的塔的构造并降低费用。
所示骨干支承框架64的立柱66和横梁68都是由含有玻璃纤维或其他增强纤维的材料制成。所示纤维增强材料是一种拉伸的纤维增强塑料，可制成耐火的或不耐火的，这在本行业都知道。拉伸纤维增强塑性线束一般是那些通过一个模具拉伸细长的玻璃纤维或其他增强纤维和粘结材料所制出并经过硬化的材料，玻璃以外的增强纤维也可应用，而含有增强塑料的材料可以是任何传统的塑料或树脂或其他传统的材料或基体，这在本行业都知道。
如图6所示，在冷却塔的四角，每一根角立柱70都与两根在填充层或第一垂直层50的第一层水平横梁71连接，每一根端面立柱72都与三根第一层水平横梁7 1连接，而每根内部立柱74都与四根第一层水平横梁71连接着。这些第一层水平横梁71支承着在水池46上面间隔开一段距离的填充层50上的填充材料54。这些立柱在接下来较高的水分配层52上与同样数目的第二层水平横梁73连接，而在接下来的更高的盖板支承层76上又与同样数目的第三层水平横梁75连接。每一接续层的横梁都与前一层的横梁在垂直方向上隔开一段距离。
为了在填充层50上支承填充材料54，本发明包括多根水平的填充材料支承过梁78，它们在平行的第一层水平横梁71之间延伸并被支承。填充材料支承过梁78都在同一平面上，填充材料块54可被支承在相邻的过梁78和平行的横梁71上。第一水平横梁71的高度这样设定；使搁置过梁的横梁高度略微低于与搁置过梁的横梁垂直的第一层水平横梁的高度；使得过梁的顶部与平行于过梁的第一层水平横梁的顶部在同一平面上，如图5和6所示。过梁可用可卸掉的专用螺钉通过过梁插入到在下面的横梁内来固紧在位。
在第二垂直层或水分配系统支承层52上设有一单独系列水分配系统支承过梁80。该过梁80垂直于侧向分配管60并在第二层水平横梁73之间延伸而被支承。在所示实施例中，水分配系统支承过梁80垂直于填充材料支承过梁78并在填充材料之上支承着侧向分配管和喷嘴。垂直的第二层水平横梁73可被设定在两个高度上，使过梁的顶部与平行于过梁的第二层水平横梁在同一平面上。
在水分配系统支承过梁80之上并离开一段距离的盖板支承层76上设有另一单独系列盖板支承过梁82。该过梁82被支承在第三层水平横梁75上并可支承覆盖的地板84、风扇34和风扇罩36。垂直的第三层水平横梁75可被设定在不同的高度上，使过梁的顶部与平行于过梁的横梁的顶部在同一平面上。
水分配母管56可从下面被第二水平横梁73中的一根支承着。或者，最好在两根立柱之间设置一根另加的、较粗的悬挂横梁85，而在两根这样的横梁上悬挂着延伸的水分配母管56。采用这样一种构造，不是把母管所有的重量都支承在母管下面的横梁的一个中心点上，而是把重量悬挂在两个离开中心的点上，这样下面的横梁就不易蠕动。这种悬挂可用两个螺栓或销钉通过横梁挂下并通过一条环绕母管的带来完成。一部分其余的水分配系统49可由第二层水平横梁73来支承。
在所示出的实施例中，混凝土收集池46限定着一个基底，立柱66可通过底座(底脚)86安装在该基底上。如图7所示，每一底座可有一安装得与水池的水平地面91齐平的平底板90，和一个将立柱66的底端夹持在其内的垂直的壳体92。在横截面上，垂直壳体的形状与立柱吻合使在壳体和立柱之间有一较紧密的配合。每一底座的平底板90可用螺栓固紧在水池的地面91上，以便维持冷却塔在水池上的位置。
一种可替代的底座在图8-12中示出，如同所示，一个U形托架200可与一对角钢202联合使用作为一个底座86。U形托架200可由一如图9所示的扁平金属板沿折叠线204弯折，使端部206垂直于中心部208而制成。在两折叠线之间的中心部的宽度须大到足够的程度，以便紧密地将立柱66的底端94夹持在端部206所形成的两个竖起的侧面内。托架200可用一个或多个螺栓210延伸通过立柱和托架的两个侧面206连结在立柱的底端上。
为了使装有托架的立柱端固紧到地面上，可用螺栓将一对角钢202固紧到立柱上，如图10所示，然后用螺栓通过角钢和在其下的托架200的中心部208将整个组件固紧在水池的地面上。或者，可用一组角钢202将每一根立柱固紧在水池的地面上，而将角钢的直立表面212粘结在立柱端上，如下所述。
或者，最好设有被接纳在立柱内而不是围在立柱外的竖立件。这些实施例中的任一种都设有两个互相垂直的平表面，如平底面90和垂直壳体92，托架的中心部208和两个侧面206，及角钢件的两个表面212、214，以便将底座固紧到立柱66上和基底46上；螺栓，举例说，可用来将底座固紧到水池的混凝土地面上。
在某些情况下，较好的做法是将立柱66的底端94粘结到底座86的垂直壳体上，或者粘结到托架202和角钢202的垂直端部206上。在某些其他的情况下，也可以是较好的做法是将底座86的平底板90粘结到基座或水池的地面91上。这样，为了粘结到立柱66的底端表面94，可以有一层粘结材料或粘结剂敷设在垂直壳体92的内壁213上(图7A)，或U形托架的垂直端部上(图10)，或角钢件202的垂直表面上(图11)。为了粘结到地面91上，可以有一层粘结剂或粘结材料215敷设在托架200的中心部208上(图10)，或角钢件202的底表面214上(图11)，或平底板90上(图7)。但在许多应用中，将立柱连结到底座上和底座的地面上没有采用粘结剂或粘结材料。
本发明为每一个立柱66和横梁68提供一个独特的接头。传统的螺栓连接允许在这种立柱和横梁之间可以有相对的转动，但本发明所提供的是基本上为刚性的接头，在设计载荷下不允许有相对转动，在传统接头中不能在横梁和立柱之间转移力矩，而在本发明可以这样做。接头59的特征是能够转移(传递)力矩，这意味着在设计的死重量和侧向载荷下在连接件之间基本上没有相对运动。在立柱66的底端94和基底46之间的连接与此类似能够转移力矩。因此，在本发明中，对侧向力的设计限制是立柱的刚度。冷却塔能够在不用或少用斜角支撑或剪力墙的条件下构造成能够承受预期的剪力载荷。
为了在立柱和横梁间提供这种能转移力矩的接头59，本发明采用了刚性安装板和粘结材料结合的方法。在每一接头或交接处61，安装板100的安装表面101被放置得能够覆盖并粘结立柱66和横梁68的一部分相会的共平面的表面67、69。在所示出的实施例中，安装板覆盖着每一相会件66、68的共平面的平表面67、69的整个宽度，并向侧向延伸从而覆盖每一连接汇合件的一部分平表面的整个宽度。在立柱和横梁表面67、69及并列的安装板的内安装面101之间有一薄层的粘结剂或粘给材料102。粘结剂102用来将安装板粘结到立柱和横梁上，以便创出一个能转移力矩的连接或接头59，在板和它所粘结的立柱和横梁之间基本上没有相对运动，因此在所连接的立柱和横梁之间也基本上没有相对运动。没有相对运动，那就是说，力矩能从横梁转移到立柱上。
采用本发明的结构，冷却塔的上部各层42可以基本上不用斜角支撑来抵抗侧向载荷和剪力载荷，这种在结构的内部容积65内不需设置斜角支撑的自由是特别有利的，因为填充层就可与水分配层一样，免受斜撑的干扰，这样在安装填充材料和水分配系统时就可较为容易而迅速。
在本发明中可用的安装板样品在图13-20B中示出，如图所示，安装板只需少数基本形状便可满足现场建造冷却塔的需要。第一种基本形状为图14和17中所示，用于立柱和横梁在角部汇合时的典型连接。如图所示，这种安装板100具有一个狭长的区域103用来安装立柱66，还有一个成为整体的、长度较短的用来安装横梁的区域104。这两区域103、104的宽度都至少约为5英寸，以便用于宽度约为5英寸的立柱。一般地说，最好横梁覆盖区域104的长度至少能够覆盖横梁的宽度。在所示出的实施例中，横梁的宽度可以是例如5、7或10英寸，因此可制造一个能覆盖10英寸横梁的通用安装板。这样，只要在一套中提供一种大小的安装板，便可用于在冷却塔框架中所常使用的任一种大小的横梁。
另一种基本形状如图13和18所示。该形状用于多于一根的横梁68与一根立柱66的交接。该形状与第一形状相似，只是在用来与立柱连结的共平面的狭长区103的两侧各设有一个共平面的横梁安装区104。
另外的安装板形状如图15-16和19-20所示。其中，安装板可具有T形106，如图15所示；L形108，如图15所示；矩形110，如图13-14和19-20所示。如图13-16和21所示，骨干框架结构可具有所有这些安装板的形状或其中的几种，视所用横梁的尺寸而定。
安装板100最好具有预先钻好的孔112，通过该孔，自攻丝螺钉113和专用螺钉(tech screw)114可被拧入到立柱66和横梁68内。在构造时，自攻丝螺钉113和专用螺钉114须在粘结剂硬化前置入孔内，以便在构造时用来将冷却塔框架结构夹持在一起。一般地说，自攻丝螺钉113被插入通过安装板100的孔并通过立柱和横梁66、68表面67、69的孔；专用螺钉114也被插入通过安装板100的孔并进入到立柱和横梁66、68的表面67、69内，形成它们自己进入到立柱和横梁内的孔。这些连接可在构造时承受结构的死载荷，并用来夹持安装板的内安装面101及连接的立柱和横梁的表面67、69，使它们与粘结剂紧密接触，以便在这些元件中发生粘结。如图16和20所示，自攻丝螺钉113例如可用在安装板的内部孔115上，而专用螺钉114则用在环绕安装板周围的外部孔117上。最好增添地或替代地设有孔116，以便1/4英寸贯穿螺栓118延伸通过安装板而进入到横梁和立柱内，借以在构造时使横梁和立柱定位并互相间隔开。
安装板例如可由不锈钢或镀锌金属、或纤维增强塑料板制成。任何材料都可使用，只要它能提供所需强度并能承受预期的环境，特别是在冷却塔内部的潮湿环境。在所示实施例中，安装板可用12规格(12sauge)304或316号的不锈钢；对某些用途，最好用混合体，例如将某些材料用于塔的内部而将其他材料用在周边。
在所示实施例中，粘结剂或粘结材料102以一薄层放置在每一安装板100的内安装面101与所要连结的每一立柱66和横梁68的共平面表面67、69之间。粘结强度可随粘结材料的厚度变化。粘结剂典型的厚度约为2-15密尔。为了有助于保证使粘结剂具有适当的用量，安装板100的内安装面101可制出凹陷(凹坑)，如图20A和20B的实施例所示，在预先钻好的螺钉孔112周围设置螺钉用的环状凸起区105。凸起区的高度可用来限定粘结剂的有效厚度，因为内安装表面101的凸起区105可与立柱66和横梁68的共平面表面67、69齐平，使粘结材料在内表面10的其余部分和共平面表面67、69之间伸展。这种凹陷可用于金属安装板100。
这样，在所示实施例中，安装板100的安装面101可以是平面的或具有凸起区105的。安装面101在安装板的一侧。安装面可以包括安装板一侧的全部内表面或包括内表面上的一部分或几部分区域。
在安装板100上还可设置溢出孔，使多余的粘结剂可以流出。这种孔的有利之处还在于它可使粘结剂从立柱和横梁的表面伸展到安装板的表面并通过安装板的厚度。
粘结剂或粘结材料102在凝固时应能防水并且对用于横梁和立柱的材料及用于安装板的材料都能粘结。粘结剂或粘结材料例如可用一种环氧树脂，如美国Georgia州Chamblee的Magnolia塑料公司供售的“ Magnobond 56A&B”，这是一种高强度环氧树脂采用改性的聚酰胺凝固剂的粘结剂，原被设计用来将纤维增强塑料板粘结到种类广泛的基片上。或者可用甲基丙烯酸酯粘结剂。适用的甲基丙烯酸酯粘结剂如美国Massachusetts州Danvers的ITW粘结剂系统公司供售的“PLEXUSAO420”汽车粘结剂和“PLEXUS AO425”结构粘结剂。预期其他构造粘结剂也能用于本发明。例如最好采用一种以片状提供的粘结剂，如在一块薄片或薄膜的两侧都涂有环氧树脂；这时美国Minnesota州St.Paul的3M公司供售的型号为VHB的粘结带便可使用，或者可用类似的产品如汽车粘结剂；这些和类似的产品都被包括在“粘结剂”、“粘结材料”的术语内。这些粘结剂或粘结材料被指出只是为了说明；其他粘结剂或粘结材料也可应用并且属于本发明的范围内。
在选用粘结剂或粘结材料102时，最好选用那些能与横梁和立柱的构件起良好反应并可共处的粘结剂，如同在纤维增强塑料中的隔离剂那样，它可跑到表面上，从而使连结的接头不被粘结材料与横梁和立柱构件的相互作用削弱。有些用在拉伸上的材料能使环氧树脂，或甲基丙烯酸酯或其他粘结材料失效。某些隔离剂不会影响连结强度，应在制造过程中予以使用。可与上面指出的粘结剂兼容的隔离剂的一个例子例如美国New Jersey州Newark的Blendex公司所供售的“TECH-LUBE 250CP”；这种产品被鉴定为是一种拥有专利权的、混合有变性脂肪酸和磷酸酯的树脂、脂肪酸甘油酯脂和有机酸衍生物的浓缩产品。
最好还能采用一种能被敷设的粘结剂，该粘结剂能在潮湿的环境下定形和凝固，而且不丧失其强度。凝固好的接头应该不太柔顺，在预期的载荷下在立柱和横梁间不允许有相对运动发生连结强度须大到足够的程度，以便使结构在通过预期的加载时能维持其接头的刚性；虽然接头可能不会坚强到能够通过使用时它们将经历到的所有加载，但它们应在通过一个选定范围的侧向力时保持其刚性。
当粘结剂102定形和凝固好，它便形成一个刚性的接头，不仅能承受结构的死载荷，而且能够支撑框架和冷却塔，抵挡侧向力，将来自横梁的力矩转移到立柱上。这样，对预期的风和地震的载荷来说，立柱的刚性和对垂直方向弯曲的抗力可能成为起限制作用的设计标准。
采用本发明的刚性接头的一个效果是，冷却塔框架很少或不再需要斜角支撑，特别是在上部各层42。虽然最好在底部空气吸取层44保留数个斜角支撑，如图5-6所示，但在上层一般不需要这样做，因为力矩转移接头59会将来自侧向力的剪切载荷转移到立柱上。
减少斜角支撑的数目是有利的，它可减少塔的材料费用，减少建筑时间和费用，改善冷却塔的可及性，以便放置、更换、清洁或修理零件如在水分配系统内的喷嘴。在一建筑工地上所需零件的数目和品种可显著减少，这样甚至可以得到更高的建筑效率。另外，还可生产出模块式的框架单元，甚至可以更快地就地装配。
采用力矩可转移接头59还可有其他设计上的优点在维持或达到所需的载荷能力、横梁长度对挠度的比率和服务因数的条件下，具有典型跨度的横梁可提高其强度；或者可显著增大横梁的跨度。例如，在理论上用具有简单支承的5×5的纤维增强塑料横梁与具有固定支承的同一横梁相比， 当长度和挠度比为180英寸对1英寸时，前者可期望的最大承载能力约为191磅/英尺；而后者可期望的最大能力约为720磅/英尺；当长度和挠度比为360英寸对1英寸时，前者可期望的能力约为99.5磅/英尺，而后者可期望的能力约为360磅/英尺。这种横梁能力的增大是在横梁长时间使用的蠕变或下陷为可接受的程度的条件下被预期的。另外，可接受的服务因数即失效时的应力与工作应力之比对本发明来说可期望在增大跨度的条件下达到，另外对传统的跨度和某些增大的跨度，本发明可期望增大服务因数。这样，本发明可增大横梁与横梁之间的跨度，从而可减少必需用来支承机械载荷的立柱的数目。本发明还可允许有较大的设计灵活性对于可接受较低服务因数的用途，本发明允许冷却塔在满足较低标准的条件下进行设计，同时减少零件数并简化设计。对于需要较高服务因数的场合，跨度可设定为较短的长度，如传统的6英尺，以便减少蠕变而仍可简化结构， 因为只需要较少的零件并且可以不需斜角支撑。所有这些优点都可期望达到，而结构不产生偏弯，即结构在受到侧向载荷时应保持直立而不能有侧向位移。
可能增大跨度的例子在图21中示出，其中在冷却塔的框架内存在着不同的跨度。如图所示，除了有标准间格将所有立柱按6英尺的距离间隔开以外，还有立柱间隔为12英尺的间格130和间隔为6英尺的间格132排列在一起。本行业的技术人员应该知道，给出这种立柱布置只是为了说明的目的，事实上可以有各种变化，例如可用一个单一的12×12英尺间格，或多个12×12英尺间格被连接成各种外形，还可具有或不具有其他大小的间格。其他尺寸也可使用，须根据工地和设计标准而定。显然，本发明具有大为增加的设计灵活性，可允许创造出适合具体应用的费用有效的设计。
另外，在传统的纤维增强材料中，在紧固件与纤维增强的塑料横梁或立柱之间的相对的微小移动可能会引起连接处纤维增强材料的磨损，从而不断地增加游动量并削弱框架结构。采用本发明，这种微小移动基本上可被阻止。
在某些预期要受到高载荷的应用中，最好还能在每一立柱66的底部94和底座86之间的连接处制出一个力矩转移接头95。这种刚性连接可用一种上面说过的粘结剂或粘结材料211放置在立柱66和底座86之间来做到。虽然在大多数应用中，人们希望用锚固螺栓和具有适当厚度的底座来牢固地将底座固定在基面上，但在某些应用中，最好用粘结剂或粘结材料215放置在底座86和基底46之间，以在它们之间创出一种力矩转移接头，从而增大立柱的刚度并提高塔框架抗拒侧向载荷的能力。粘结材料211、215还可放置在底座86的两个互相垂直的粘结表面90、92或208、206或212、214之间，并可放置在立柱的底部94和基面46、地面91之间。
如同已尼说过的，并在图5-6中示出的，在空气吸取层44内可设有斜角支撑140。最好采用由多根C形槽钢制成的支撑350，如图22-24中的实施例所示。或者对于较小的塔，可用图25-26中的实施例所示的金属棒支撑。
在图22-24所示的实施例中，一对相邻的立柱66被一对平行的C形支撑350支撑着，该支撑在两相邻立柱66之间沿斜角方向延伸，而立柱66被夹持在两根支撑350的两个平表面351之间。具有与立柱66同样宽度的多个管状间隔器352可按一定距离放置在支撑350的平表面351之间，以便使支撑间隔开并得到增强。管状间隔器可具有与立柱相同的宽度。在支撑350和立柱66的交换处，支撑350可用设置在支撑和立柱的配合平表面之间的粘结材料356连结到立柱66上，以便形成一个力矩转移接头354。粘结材料356也可设置在C形槽钢支撑和间隔器352的配合平表面351之间。这样，在支撑350和立柱66之间及在支撑350和间隔器352之间便可制成力矩转移接头。
图22-24中的实施例所用的粘结材料356可与用于结构中其他力矩转移接头的粘结材料相同，如环氧树脂粘结剂，或甲基丙烯酸酯粘结剂和其他上面说过的粘结剂。C形槽钢支撑350和间隔器352都可由纤维增强塑料制成。在现场建立冷却塔时，可用专用螺钉358通过C形槽钢支撑350和立柱66及通过C形槽钢支撑和进入到间隔器352内而安装，以便承受构造载荷。
作为替代方案，特别是对较小的冷却塔结构，可用金属棒400作为支撑140，如图25-26所示。该棒可由不锈钢如304或316号不锈钢，或镀锌金属制成，例如，两个螺纹端402可分别被接纳在带孔U形夹404的在同一直线上的孔眼内，以便使一端通过一个枢轴销407可绕枢旋转地装在立柱66的一个带孔支架406上，而另一端则可绕枢旋转地装在相邻立柱的一个在垂直方向间隔开的位置的安装件或支架上。如图所示，如果U形支架200被用作底座，那么其两个垂直侧面206可具有孔眼，以便与安装支架上共线的孔眼对齐并接纳螺栓409，使安装支架可绕该螺栓旋转。该棒的两个螺纹端可各设两组螺帽，使该棒既能在受拉又能在受压条件下工作来支撑该结构。
采用斜角支撑可根据结构的预期载荷来安排。例如在确定预期的标准载荷后，如果预期接头的载荷将超过预期的标准载荷时，那么该接头可如上述增加一个斜角支撑。另外，在构造冷却塔框架时，如果怀疑或确定一个接头由于某种理由而具有不适当的力矩强度时，那么该接头可用增加立柱和横梁间的斜角支撑来增强。在任一种情况下，接头都可利用在受影响的立柱和横梁上增添斜角支撑来增强，使力矩可通过支撑转移或在接头之外另外还通过支撑转移。支撑可用一金属棒或用一纤维增强材料的斜角件如同横梁连接到立柱上那样方式连接在相邻立柱之间。这是因为这种增添的支撑在数个毗连的位置上并不一定需要，我们并不希望因此而显著地妨碍进入到塔内或显著地增加造塔的费用。另外，某些设计环境预期是比较严酷的，可能需要在冷却塔的上部各层设置某些补充的斜角支撑，但还没有达到不需要本发明的力矩转移接头的程度。
另一种很有潜力的费用节省来自材料节省，如果冷却塔采用混合结构的话，即用某些材料构造某些零件，而用另外一些材料构造另外一些零件。木制零件例如用花旗松、红木或胶合板制成的零件一般比纤维增强塑料制的零件便宜，但由于会腐烂和由于化学处理剂能浸出到水分配系统内而具有缺点。本发明所采用的有利做法是，某些零件由木材制成而另外一些零件由纤维增强塑料制成。一般地说，冷却塔的某些零件比其他零件较为容易更换，而这些比较容易更换的零件一般都是与骨干支承框架64分开的零件，它们的更换不会扰乱在横梁68和立柱66及在立柱66和基面46之间的接头。这些分开的零件如果使用的话可包括进入梯41或楼梯43、围栏40、盖板支承过梁82和盖板地板84。如果盖板84是木质的，那么最好用木质的屋顶过梁82。采用木材来制造这些分开零件将可减少构造盖板的费用。更换这些分开零件中任何一个都不需要拆卸或破坏骨干支承框架。
不论这些可分开的零件是否由木材制成，填充物78和水分配系统过梁80最好由纤维增强材料制成。如果盖板84采用纤维增强塑料，那么在下面的过梁或搁栅82最好也用纤维增强塑料。
在构造一个具有如图3-5和21所示那样框架的冷却塔时，只需数目很少的不同零件。例如，立柱可都用统一的5×5英寸见方的管状立柱。它们例如可超过26英尺长以便建造一个具有12英尺空气吸取层44和14英尺上部层42的冷却塔。在某些应用中，立柱可比26英尺长或短，空气吸取层可比12英尺高或低，而通风室高度可比14英尺高或低；空气吸取层在比12英尺高时须另增水平件。每一立柱都可设有底座或台脚。可提供标准的横梁，例如全部为10英寸的横梁，或成组具有不同厚度的横梁，还可提供如图14-17所示的各种型式的安装支架，以及盖板、填充物和水分配系统用的轻质过梁76、78、80。可提供足够数量的支撑空气吸取层44用的斜角支撑。假定所生产的都是标准大小的室，标准风扇34和风扇罩36可成套供应。随着小室尺寸的标准化，盖板地板也可用标准尺寸供应，其厚度例如约为1英寸，不管是由木材还是用纤维增强塑料制成的。采用这种标准构件，不仅可减少构造时间，还可减少错误。另外，采用这种标准件，加上品种少的标准件，可使零件的预制组装简化。零件不需拼接。在填充层和水分配层的过梁可不需支架。
本发明的方法包括下列步骤提供多根立柱、一个基面和多根横梁。并提供具有安装表面的安装板。将一对立柱垂直地与基面对齐并将底端固紧在基面上。将安装板的安装表面粘结到横梁一端的平表面上并连结到立柱的平表面上，以便在横梁和立柱间形成一个力矩转移接头。安装顺序可调整最好将一根或多根横梁连结到立柱上，然后将立柱固紧在基面上。粘结步骤可这样完成，将粘结材料敷设在要粘结的表面中的一个或两个表面上，将这两表面压在一起并使粘结材料凝固硬化。在将两个表面压在一起时可用螺钉插入穿过安装板上的孔并进入到横梁和立柱上的孔内，以便使零件定位到发生粘结为止。螺栓也可用来使零件定位。在将粘结材料敷设到立柱、横梁或安装板之前，最好先将表面准备好为了促进粘结，表面可用粗砂打毛并去除油脂，虽然这种表面准备也可能是不必要的。经过适当的固化时间后，观察接头，以便确保正常的应用和固化。如果预期载荷大于接头的标准，或者怀疑接头具有不正常的力矩强度，那么可用斜角支撑增强接头，如上所述。冷却塔的其余部分可用本行业以前采用的方式构筑。
采用本发明，构筑可以进行得更迅速、更便宜，只需较少的协调。当建造未按顺序进行时，构筑可较少受到影响；设计能适应小的发货问题而不会影响进度。与传统的木结构相比，可用型式显著较少的接头及显著较少的接头、零件型式、构件和构件形式。
虽然本发明只说明了一些具体的实施例，但显然可在这些实施例上作增添和修改并可选用各种替代方案。因此所附权利要求应该包括所有这些能包括在本发明真正范围内的增添、修改和替代方案。
权利要求
1.一种冷却塔，该塔包括多根由含有增强纤维的材料制成的立柱；多根由含有增强纤维的材料制成的第一层横梁，每一第一层横梁都在第一垂直层的一对立柱间延伸；多根由含有增强纤维的材料制成的第二层横梁，每一第二层横梁都在第二垂直层的一对立柱间延伸；所说立柱和所说第一层横梁在其交接处具有共平面的表面；所说立柱和所说第二层横梁在其交接处具有共平面的表面；一个用来在所说冷却塔内分配流体用的流体分配系统，所说流体分配系统位在一个垂直层上；热交换材料，从所说流体分配系统来的流体将通过该材料，所说热交换材料位在另一垂直层上；在多个所说立柱和所说第一层横梁的交接处上的安装件，每一安装件都被设置在一个交接处上并有一个安装面粘结到所说第一层横梁和所说立柱的所说共平面的表面上，以便在所说交接处形成一个力矩转移接头；在多个所说立柱和所说第二层横梁的交接处上的安装件，每一安装件都被设置在一个连接处上并有一个安装面粘结到所说第二层横梁和所说立柱的所说共平面的表面上，以便在所说交接处形成一个力矩转移接头。
2.按照权利要求1的冷却塔，其特征为，所说安装件是由从含有金属和纤维增强材料的组群中选出的材料制成的。
3.按照权利要求1的冷却塔，其特征为，该塔还包括设置在所说安装件的安装面和所说共平面表面之间的粘结材料。
4.按照权利要求1-3中任一项的冷却塔，其特征为，所说安装件具有孔眼并包括延伸通过所说孔眼进入到所说立柱和所说横梁内的紧固件。
5.按照权利要求1-4中任一项的冷却塔，其特征为，所说安装件的所说安装面为在安装件的两侧具有凸起区的安装面。
6.按照权利要求1-4中任一项的冷却塔，其特征为，所说安装件的所说安装面为在安装件的两侧基本上为平面的安装面。
7.按照权利要求1-6中任一项的冷却塔，其特征为，还包括一个基底和多个底座，所述底座被固紧在所说基底上并被粘结到所说立柱的所说底端。
8.按照权利要求7的冷却塔，其特征为，每一所说底座包括两个互相垂直的粘结表面，而粘结材料被敷设在一个粘结表面和所说基底之间及所说另一个垂直的粘结表面和所说主柱之间。
9.一种构造冷却塔的方法，该方法包括下列步骤提供多根立柱，该立柱由纤维增强材料制成并具有一个底端和一个平表面；提供一个基底；将所说立柱垂直地对齐在所说基底上并将所说底端固紧在所说基底上；提供多根横梁，该横梁由纤维增强材料制成并具有两端和在所说两端的两个平表面；提供具有安装面的安装件；将所说安装件的所说安装面粘结到一根横梁一端的平表面和一根立柱的平表面上，以使在所说横梁和所说立柱间形成一个力矩转移接头。
10.按照权利要求9的方法，其特征为，粘结所说安装件的所说安装面的所说步骤包括将粘结材料敷设到一个要粘结的表面上，将要粘结的表面压在一起，并使所说粘结材料凝固。
11.按照权利要求9-11中任一项的方法，其特征为，还包括一个步骤，即将机械紧固件插入通过所说安装件上的孔，进入到所说立柱和所说横梁内，从而使立柱和横梁相互相对地定位，一直到发生粘结为止。
全文摘要
冷却塔及其构造方法,该塔能抵抗侧向位移,可减少零件的数目和型式,同时限制斜角支撑数量。该塔具有纤维增强材料的骨干框架。在框架的各个元件之间及在框架与所坐落的基底之间的连接处上设有多个力矩转移接头。由于用木材替代纤维增强材料制成可分开的零件,在费用上还可节约。在框架元件之间的力矩转移接头是将连接元件粘结到安装板上制成的。而在框架和基底之间的这种接头是将框架件和基底粘结到底座上制成的。
文档编号E04H5/12GK1177049SQ9711822
公开日1998年3月25日 申请日期1997年9月8日 优先权日1996年9月9日
发明者杰西·Q·西韦尔, 托比·L·戴利, 查尔斯·J·巴多, 詹姆斯·A·布兰德, 格雷戈里·S·梅尔恩 申请人:巴尔的摩汽圈公司