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水面冷却构筑及组织发布时间:2017-01-20

冷却构筑物分类

在循环冷却水系统中,降低水温的设备或构筑物称为冷却设备或冷却构筑物,也可称为循环水冷却设施。 按水冷却方法,分为自然冷却法和机械冷却法;

按循环水是否与空气直接接触,可分为密闭式循环冷却水系统和敞开式循环冷却水系统,简要分述以下:

1. 密闭式循环水冷却系统

密闭式循环冷却水系统中,水密闭循环,并交替冷却和加热,不与空气直接接触。其主要设备为密闭式冷却塔,基本原理是依靠向被冷却的水管喷洒水滴,由被冷却水管表面水膜的蒸发而把热水传至管壁的热量带走,流动空气与管壁的接触也起到了对流散热作用,从而使管内的热水得到冷却。

密闭式循环系统的特点是介质洁净、冷效高、噪声低。适用于要求介质洁净的电子、食品、医药和空气污染严重的冶金(如安徽马鞍山钢铁公司)、纺织和矿山等单位。因密闭式循环冷却水系统相对来说,用的较少,故这里不作进一步介绍。

2. 敞开式循环冷却水系统

敞开式循环冷却水系统,根据需要降温的热水与空气接触的控制方法的不同,可分为水面冷却构筑物(水库、湖泊、海湾、河道、人工冷却池),喷水冷却池和冷却塔(自然通风冷却塔和机械通风冷却塔)等。

这里对水面冷却构筑物的冷却池(含喷水冷却池)、河道冷却、海湾冷却作概要介绍,重点论述冷却塔。敞开式冷却设施见图2-1。

3. 影响水面冷却的因素

水面冷却是利用与空气接触的水体表面,通过蒸发散热、对流传热和辐射传热来降低水温。但主要是蒸发散热,其次是对流传热,辐射散热很小,有时忽略不计。

水面冷却构筑物包括热水排放口、取水口和冷却水面。设计水面冷却构筑物时,应考虑热水排入对环境的影响和冷却水体的综合利用。属于第一类和第二类海水水质的海域不应用于水面冷却;江、河、湖泊、水库等地面水水体的环境水温变化,应符合国家标准《地面水环境质量标准》(GB 3838)的规定。

影响水面冷却的因素为:

1)水域范围内的地貌、水文、水面面积、水源、几何形状、生态。

2)气温、相对湿度、水面综合散热系数、风向、风速、自然水温等。

3)热水排水口与取水口工程平面布置、形式、尺寸及设计深度。

4)排入水域的热负荷。

5)外水注入、排放的水量与温度。

喷水冷却池

喷水冷却池虽然划分在“水滴水膜冷却”中,但实际上是水滴冷却与水面冷却相结合,而且往往是水面冷却降温比水滴冷却降温大。从热水管喷嘴喷出的水滴,虽然喷水冷却池剖面示意 增加了水与空气接触的表面积,有利于水的冷却,但水与空气接触的时间非常短,几秒钟就落入水池中。水在池中停留时间相当长,几小时至一天以上,在水池中进行蒸发散热和传导散热。因此把喷水冷却池划入水面冷却中,同时也有利专门论述冷却塔,当然喷水冷却池与单一的冷却池相比较,大幅度地提高了水的冷却效果。(如图2-2所示)

喷水池是在人工或天然水体(池、塘、河床)上装设喷嘴的管,热水通过喷嘴在空气中散成水滴。水与空气接触冷却与池水面蒸发散热和传导散热冷却相结合的构筑物(图2-3所示)。

当循环水量相对较小,工艺对冷却水温的稳定性要求不甚严格,且可提供开阔场地并环境允许时,可采用喷水冷却池。但风砂较大地区,不宜采用喷水冷却池。当采用天然水池作为喷水冷却池时,要保证水体的水温符合水环境质量要求,防止热污染危害。

喷嘴

喷水冷却池的配水支管上安装的喷嘴,应满足:不易堵塞,喷嘴前水压要求低,制造简单,喷出水滴细,喷射角大。喷水冷却池一般采用渐伸线型和C-6 型喷嘴。喷嘴的规格见表2-1。

渐伸线型喷嘴特点:不易堵塞,压力要求不高;但流量系数小,水滴较大。

C-6 型喷嘴特点:不易堵塞,出水量大,布置简单;但加工要求较准确。

喷嘴布置有放射式和单个式两种,见图2-4 ,喷嘴布置距离见表2-2。

喷嘴一般安装在距冷却水池正常水位以上1.2~1.5m (见图2-2 ),池水深一般为1.5~ 2.0m。

喷嘴安装见图2-5 。渐伸线型喷嘴前水压为5~7m ,C-6型喷嘴前水压不应小于6m。为避免堵塞,喷嘴出口直径不宜小于20mm。

配水管道和水池

对配水管和水池设计与布置的基本要求与原则为:

1. 配水管道应布置在水面以上,沿水流方向有0.001~0.002的坡度。

2. 配水管上应设闸阀,闸阀以暗杆式为宜,配水管末端应设管道冲洗和放空的堵头。

3. 配水总管两个固定支座之间应安装伸缩节。

4. 配水管变径处应采用偏心异径管接头,以利管道放空。

5. 每3~5 排配水管之间应留宽为1.3~1.5 倍配水管间距的空气通道。

6. 喷水冷却池应选择在通风良好的地段,水池宜建成矩形,池宽不宜大于60m ,最外侧喷嘴距池边不宜小于7m 。在风速大的地方,可采用10~12m 或更大。喷水池的长边应与夏季主导风向垂直。

7. 水池一般应不少于两格,当允许间歇使用时亦可用单格。

8. 水池通常为地下式或半地下式,水池池顶应高出地面0.3m 。

9. 池底、池壁通常采用混凝土做护面,隔一定间距设伸缩缝,缝隙要防渗漏。

10. 水池设计水深宜为1.5~2.0m。当喷水池兼做其他用途时,水深可适当增加。喷水池的池壁应有不小于0.25m 的超高。 11. 水池应有排污、放空与溢流装置。池底有0.003~0.005 的坡度,坡向放空管。

12. 水池周围应设回水台,其坡度根据风向、风速和喷嘴前水头等因素确定。一般不宜小于3m;厮ㄆ孪蛩,坡度为2 %~5 %;厮ㄍ馕вτ蟹乐怪芪У孛嫠魅胨氐慕厮。

13. 喷水冷却池出水口处要有拦污设施。

14. 寒冷地区的喷水冷却池应采取以下防冻措施:

1)进水干管上设旁流水管,旁流水管的排水点应于水池出水口的对面一侧。

2)干管及配水管上的闸阀应安装防冻放水管或采用其他保温措施。

喷水密度和热力、水力计算

1. 喷水密度

1)喷水密度:

式中 Q——喷水冷却池总冷却水量(m3/h); Fs——喷水冷却池池壁内的总面积(m2)。

2)有效喷水密度:

式中 q′——一个喷嘴的出水量(m3/h ); a——喷嘴组间的间距(m); b——配水管间的间距(m); n——每个喷嘴组中喷嘴个数。

3)喷水密度选择

根据当地的气象条件(气温、湿度、风速等)和工艺要求确定,一般可采用下值: 我国南方地区0.7~0.9m3/(m2 ?h );中部地区0.9~1.0m3/(m2 ?h);北部地区1.0~1.2m3/(m2 ?h)。 上述数据供初选时参考,最终的确定还应根据喷嘴压力、喷嘴形式、气象条件及热力负荷、技术经济比较确定。

2. 热力计算 采用冷却曲线图(见图2-6)计算冷却水温。冷却水温修正值采用+0.7℃。

3. 水力计算

1)配水总管内的流速一般不大于1.8m/s ,配水支管内的速度一般不大于1m/s。

2)两个相距最远的喷嘴压力差不大于0.3m 。

3)每个喷嘴的出水量按下式计算:

式中 A ——流量系数; H——喷嘴前水压(m ),渐伸线型喷嘴为5~7m ,C-6型喷嘴不应小于6m。 喷嘴流量系数及出水量见表2-3。

4. 设计计算步骤

1)选择喷嘴形式,确定喷嘴前压力。

2)根据确定的水压求喷嘴的单个出水量及喷嘴总数。

3)根据常用数据和有效喷水密度,确定喷水池有效面积及平面尺寸。为合理选择喷嘴前的压力和喷嘴密度,须选择几个不同的水压和喷水密度进行技术经济比较。

4)热力计算和水力计算。

5)确定喷水冷却池宽度和长度。

【例】已知:

冷却水量120m3/h

进水温度t1 =40℃

要求冷却水温差Δt =8℃

喷嘴水压H =6m

空气干球温度θ=2615℃

相对湿度=60 %

自然风速W =215m/s

求冷却后的水温t2及喷水冷却池面积。

【解】1. 有效喷水密度

采用渐伸线型喷嘴,接管直径40mm,喷嘴出口直径27mm,当H =6m 时,查表2-3得q′=8182m 3/h 。

喷嘴总数 n =Q/q′=120/8182=1316  取n =14 个 当a =8m ,b =16m 时,有效喷水密度为

2. 热力计算

选喷水密度q =1m3/(m2 ?h),H =6m 冷却水温修正值采用+0.7℃,故t 2 =31 +0.7 =31.7℃,能满足t2 =40-8 =32℃的要求。

3. 喷水冷却池面积(池壁内边缘)

天然冷却池

模型试验目的

冷却池的设计一般均以物理模型试验方法来估算冷却池的水力、热力特性和确定合理的工程方案布置。电力部门在试验室和原型条件下,进行试验研究工作,建立了较符合当地实际情况的计算资料。模型试验的目的为:

1. 确定冷却池在一定工程条件下的最大散热能力。

2. 选择排、取水口的最优工程布置。

3. 计算多年月平均取水水温。

自然水温的确定

自然水温是冷却池设计的重要参数之一,一般按下列设计标准选用:

1. 深水型冷却池按历年(不少于5 年)中最高的月平均自然水温设计。

2. 浅水型冷却池按历年(不少于5 年)中连续15 天的日平均自然水温最高值设计。

3. 自然水温应根据实测资料或条件相似的水体观测资料确定。

当缺乏实测资料时,可按热平衡方程或经验公式计算。

冷却池设计原则

1. 尽量利用已有水库、天然湖泊、江河、河网及海湾,必须建造人工冷却池时,应考虑综合利用的可能。 2. 水温、水质的变化应尽可能减少对工农业用水及渔业等的不利影响。

3. 冷却池要考虑防止岸边崩坍、冲刷、淤积、渗漏、冰凌和冰絮阻塞等问题。

4. 尽量促进水温差产生的异重流;工程布置和设施要有利于提高水池表面水温;扩大水池内高温区面积;延长热水排水口至取水口的流动时间。

5. 冷却池水体对温度排放标准有要求时,应在工程上采取相应措施,使池水达到要求时的流态和温度。

6. 利用水库或湖泊作冷却循环水,应根据水体的水文、气象条件、水利利用、运行方式及水工构筑物的设计标准等资料进行设计。

7. 冷却池的设计最低水位,应根据水体的自然条件、冷却要求的水面面积和最小水深、 泥砂淤积和取水口的布置等条件确定。在夏季最低水位时,水流循环区的水深不宜小于2m ;正常水位和洪水位应根据水量平衡和调洪计算成果、循环水系统对水位的要求和池区淹没损失等条件,进行技术经济分析确定。

8. 新建冷却池应根据冷却、取水、卫生和其他方面的要求,对池底进行清理;初次灌水至运行要求的最低水位所需要的时间,应满足工业企业投入生产的要求。

9. 冷却池应有可靠的补充水源,补充水量应≥冷却池的损失水量。损失水量为自然蒸发损失、排污损失和渗漏损失三者之和。冷却水补充水源的设计标准应根据工业企业的重要性和生产工艺的要求确定。一般可采用保证率95 %~97 %的枯水率水量;当有地面径流作补给水时,宜设置向冷水池下游排放热水的旁路设施。

10. 冷却池应考虑泥砂淤积对取水口~热水排放口的位置和冷却能力的影响,必要时应采取防止或控制淤积发展的措施;取水口和热水排放口位置的选择,还应考虑风向对取水温度和热水扩散的影响。

11. 为提高冷却池的冷却能力或降低取水温度,可采用导流堤、潜水堰和挡热墙等工程措施。

12. 地面径流补给水的冷却池,应有排泄洪水的设施;人工补给水的冷却池,应根据需要设置溢流和放水等设施。

热力计算

水面冷却热力计算一般有以下几种方法:

1. 一般估算:适用于工程可行性研究,以一些简化公式、图表,估计水面散热能力、取水水温。

2. 数学模型:根据流体的动量、质量、能量守恒方程和研究对象的边值条件,采用数值计算方法求解?梢郧蟮昧魉俪『拖嘤Φ乃嫔⑷饶芰、取水水温等。

3. 物理模型试验:根据物理模型试验得出的温度场,计算水面散热能力。一般在试验报告中,已有冷却池冷却热力计算成果,可供设计使用。

冷却塔可冷却的循环水量



式中

H——冷却池中散热能力(Mcal/d );

Q——可冷却水量(m3/d );

C——水的比热(Mcal/t?℃),取C =1 ;

γ——水的密度(t/m3),取ρ=1 ;

t1——热水排水温度(℃); t2——取水温度(℃)。

冷却池的工程设计与布置

1. 取水与热水排水口的平面设计布置:

深水型水池(一般水深> 4m )只要取水构筑物设置在热水层以下,取水口与热水排水口之间的平面距离不是影响取水水温的主要因素。取水口与热水排水口采用重叠布置已日益重视;浅水型水池(一般水深< 3m )内无温差异重流运动,表层与底层水温差小,热量的调蓄作用极微,水面冷却能力主要与取水、热水排水的平面距离有关。因此,取水与排水口平面距离设计是浅水型水池工程布置的重点。为提高水池水面的利用系数,可在取水与排水口之间设置导流堤,如图2-7 所示。

导流堤一般布置在热水排水口附近,堤顶高程应高于设计水位。深水型水池亦可设置导流堤,以控制出水流向和减低流速。导流堤可用石料砌筑,或打钢板桩填土而成,其平面形状可根据需要做成曲线或直线型。 工程设计布置应考虑风的影响,在夏季主导风向作用下,取水与排水口应背主导风向布置;取水口不宜设在有热水“堆积”的水池一侧。

2. 热水排水口

(1)平面设计布置:尽可能使出水平顺。排水口可做成扩散形,必要时加筑弧形潜水堰,如图2-8、图2-9 所示。

(2)高程设计布置:以出水水面与水池水面平齐为宜,避免潜没出流及下注出流。

1)出流和水池水面平。出流平静,表面水温较高,如图2-10 所示。

2)潜没出流和下注出流。出流掺混强度大,水池内水面温度低,如图2-11、图2-12所示。

3)由于其他原因,热水排水口布置不可避免发生潜没出流时,为改善流态,可将热水排水口出口向上稍翘,形成挑流,如图2-13。

4)热水排水出口流速不宜过大。当排水口尺寸受工程投资限制时,可在排水口前设置潜水堰。

5)水位变化幅度较大的水池,可设置一道以上潜水堰。

(3)潜水堰

1)潜水堰的作用是挡冷溢热,减小出口流速和使出流水面与水池水面平齐。

2)潜水堰高度:潜水堰过低,冷水将侵入潜水堰内,过早发生掺混使水池内水温低;潜水堰过高,将发生下注出流,恶化水池内流态,不利于异重流形成;潜水堰比较适合高度约为2/3 水深,如图2-14 所示。

3)潜水堰可用石料干砌或浆砌而成,亦可用钢筋混凝土结构。

3. 取水口

(1)取水口的高程布置:为了吸取深层低温水,取水口淹没深度越大越好;但要考虑 水池泥砂淤积的高度和工程投资。取水口上沿至少应在高温水层(包括热水层和温跃层)以下。

(2)取水口进口流速宜小,以免吸入上层高温水,一般可取0.1~0.2m/s。

(3)取水口的上沿宜采用简单折线形(如直角),见图2-15,若采用曲线形进口,易引入上层高温水。

(4)为降低取水水温和减小取水流速,可在取水口前设置挡热墙。挡热墙的平面布置,要能引导底层低温水穿越孔口流向取水口,以及引导上层高温水经挡热墙继续向前运动,如图2-16 所示。


河道与河湾冷却

河道冷却

1. 利用河道冷却循环时,应根据工程的具体条件,用物理模型试验或数学模型计算,确定河段水面的冷却能力、取水温度和河段水温分布,并结合技术经济比较确定取水与热水排水工程的最优设计布置方案。

2. 利用河道冷却循环水时,应考虑水温、水质变化对水体环境的影响。

3. 利用河网冷却循环水时,应根据河网的规划设计、论证和选择设计最低水位。

4. 热水排水口宜设在取水口下游。当热水排水口设在上游时,应采取减少进入取水口的热水量。

5. 受潮水影响的河段,应采取避免和减少热水排水热量在河道中积蓄对取水温度影响的措施。

海湾冷却

1. 利用海湾冷却循环水时,应根据工程的具体条件,利用数学模型计算或物理模型试验,确定热水排水的扩散与取水温度的影响;并结合经济技术比较确定取水与热水排水工程的最优设计布置方案。

2. 利用海湾冷却循环水时,应注意海域内海流流向和温跃层的影响。当取水口海域有温跃层时,宜采用深层取水方式;热水排水方式可根据工程的具体条件确定。

3. 取水与热水排水构筑物要尽量避开海生物养殖场。设计中应考虑热水排水对水体环境的影响。

4. 利用靠近河口的海湾冷却循环水时,应注意海水盐度垂直分布不均匀对取水水温和热水排水扩散的影响。当可能出现这种影响时,不宜采用重叠式取水与热水排水口。

5. 无化冰要求的环抱式港内不宜设置循环冷却水的热水排水口。

6. 当用于冷却循环水的海湾有泥砂和海流运动时,应首先研究和论证泥砂对取水与热水排水设施的淤积和海流对取水与热水排水设施的冲刷影响;并考虑利于吸取冷水和热水排水的扩散,确定合理的取水和热水排水设施的位置和形式。


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