河道與河灣冷卻

河道冷卻1、利用河道冷卻循環(huán)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程的具體條件，用物理模型試驗(yàn)或數(shù)學(xué)模型計(jì)算，確定河段水面的冷卻能力、取水溫度和河段水溫分布，并結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定取水與熱水排水工程的最優(yōu)設(shè)計(jì)布置方案。2、利用河道冷卻循環(huán)水時(shí)，應(yīng)考慮水溫、水質(zhì)變化對(duì)水體環(huán)境的影響。3、利用河網(wǎng)冷卻循環(huán)水時(shí)，應(yīng)根據(jù)河網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、論證和選擇設(shè)計(jì)最低水位。4、熱水排水口宜設(shè)在取水口下游。當(dāng)熱水排水口設(shè)在上游時(shí)，應(yīng)采取減少進(jìn)入取水口的熱水量。5、受潮水影響的河段，應(yīng)采取避免和減少熱水排水熱量在河道中積蓄對(duì)取水溫度影響的措施。海灣冷卻1、利用海灣冷卻循環(huán)水時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程的具體條件，利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算或物理模型試驗(yàn)，確定熱水排水的擴(kuò)散與取水溫度的影響；并結(jié)合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較確定取水與熱水排水工程的最優(yōu)設(shè)計(jì)布置方案。2、利用海灣冷卻循環(huán)水時(shí)，應(yīng)注意海域內(nèi)海流流向和溫躍層的影響。當(dāng)取水口海域有溫躍層時(shí)，宜采用深層取水方式；熱水排水方式可根據(jù)工程的具體條件確定。3、取水與熱水排水構(gòu)筑物要盡量避開海生物養(yǎng)殖場。設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮熱水排水對(duì)水體環(huán)境的影響。4、利用靠近河口的海灣冷卻循環(huán)水時(shí)，應(yīng)注意海水鹽度垂直分布不均勻?qū)θ∷疁睾蜔崴潘當(dāng)U散的影響。當(dāng)可能出現(xiàn)這種影響時(shí)，不宜采用重疊式取水與熱水排水口。5、無化冰要求的環(huán)抱式港內(nèi)不宜設(shè)置循環(huán)冷卻水的熱水排水口。6、當(dāng)用于冷卻循環(huán)水的海灣有泥砂和海流運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)首先研究和論證泥砂對(duì)取水與熱水排水設(shè)施的淤積和海流對(duì)取水與熱水排水設(shè)施的沖刷影響；并考慮利于吸取冷水和熱水排水的擴(kuò)散，確定合理的取水和熱水排水設(shè)施的位置和形式。

水冷卻基本原理

熱水通過冷卻設(shè)備把水溫降低下來的現(xiàn)象，在日常生活中也會(huì)經(jīng)常遇到。如一杯開水用兩只杯子把開水倒來倒去，不久水溫就降低了，這就是使水形成水膜層或水滴，加大熱水與空氣的接觸面積，增加水的蒸發(fā)散熱的作用，加快了水的冷卻速度，因而較快地把開水變成了溫水。又如夏天游泳時(shí)，剛從水中出來，被風(fēng)一吹覺得很涼，這也是由于身體上的水珠蒸發(fā)而帶走大量的熱量而引起的。水的冷卻實(shí)際上是蒸發(fā)散熱、接觸散熱和輻射散熱三個(gè)過程的共同作用。蒸發(fā)散熱和接觸散熱是主要的，輻射散熱很小。為什么用水來冷卻設(shè)備或自然界中存在大量的氣體和各種液體，為什么用水冷卻設(shè)備或呢理由有以下三點(diǎn)：1、水的比熱大，其比熱為1kcalkg·℃，就是說1kg水溫度升高或降低1℃，可吸收或放出1000cal1kcal熱量。則用1kgH2O去冷卻設(shè)備或時(shí)，水溫升高5℃，理論上可吸收設(shè)備或5000cal熱量。2、水的價(jià)格相對(duì)較便宜，一般來說，只要提升水的水泵電費(fèi)和水的凈化處理費(fèi)，水與其他液體、氣體相比，不但價(jià)格便宜，貨源也相對(duì)充足。3、水的汽化熱大：在0℃時(shí)，1kg水的汽化熱為59713kcal。什么叫汽化熱就是說1kg0℃的水變?yōu)?℃的水蒸氣時(shí)所吸收的熱量稱汽化熱。那么汽化熱有什么意義呢就是說1kg0℃的水，其蒸發(fā)1%的水量1kg中的1%可使1kg水水溫降低6℃。水與酒精及其他液體的比熱與汽化熱比較見表4-1。可見水的比熱和汽化熱最大，用水進(jìn)冷卻效果最好。用水去冷卻生產(chǎn)設(shè)備和，使生產(chǎn)設(shè)備和的溫度降低了，把熱量傳給了水，使水溫升高了，這個(gè)過程就是傳導(dǎo)散熱。水在冷卻塔中進(jìn)行冷卻的過程中，把水形成很小的水滴或極薄的水膜，擴(kuò)大水與空氣的接觸面積和延長接觸時(shí)間，是加強(qiáng)水的蒸發(fā)汽化，帶走水中的大量熱量，所以水在冷卻塔中冷卻的過程是傳導(dǎo)散熱和蒸發(fā)散熱的過程。空氣中能容納一定量的水蒸氣，當(dāng)空氣中水蒸氣少的時(shí)候，氣候很干燥，天氣也較好；當(dāng)空氣中水蒸氣多時(shí)，會(huì)感到很潮濕；當(dāng)空氣中水蒸氣很多時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很小露點(diǎn)。這說明空氣能接納水蒸氣，同時(shí)說明空氣接納水蒸氣是有一定限度的，當(dāng)空氣中出現(xiàn)小露點(diǎn)時(shí)，說明空氣接納的水蒸氣已經(jīng)滿了，不能再接受了，即空氣中的水蒸氣達(dá)到了飽和，稱為飽和水蒸氣。水在冷卻過程中，只要空氣中的水蒸氣還未達(dá)到飽和，則熱水表面直接與空氣接觸時(shí)，就會(huì)不斷地散發(fā)出水蒸氣跑到空氣中去。熱水表面的水分子在化為水蒸氣的過程中，將從水中吸收熱量，使水得到冷卻。冷卻塔水的蒸發(fā)散熱從分子運(yùn)動(dòng)理論來說，水的表面蒸發(fā)是由分子熱運(yùn)動(dòng)而引起的，分子的運(yùn)動(dòng)又是不規(guī)則的，各分子的運(yùn)動(dòng)速度大小不一樣，波動(dòng)范圍很大。當(dāng)水表面的某些水分子的動(dòng)能是以克服水內(nèi)部對(duì)它的內(nèi)聚力時(shí)，這些水分子就從水面逸出，進(jìn)入空氣中去，這就是蒸發(fā)。由于水中動(dòng)能較大的水分子逸出，那么余下來的其他水分子的平均動(dòng)能減小，水的溫度也隨之降低，使水得到冷卻，這就是蒸發(fā)散熱的主要原因。所以水的蒸發(fā)散熱是水分子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。水的蒸發(fā)散熱可以在沸騰時(shí)進(jìn)行，也可以在低于沸點(diǎn)的溫度下進(jìn)行，而自然界中的蒸發(fā)散熱大都是屬于低于沸點(diǎn)的溫度下進(jìn)行的蒸發(fā)。如濕衣服晾干、潮濕地面變成干燥以及熱水在冷卻塔內(nèi)的冷卻等都是低于沸點(diǎn)的情況下進(jìn)行的蒸發(fā)現(xiàn)象。所以說，當(dāng)水溫＜?xì)鉁氐那闆r下，水照樣會(huì)得到冷卻，其道理就在于低于沸點(diǎn)下的蒸發(fā)散熱。從水面逸出去的水分子，相互之間可能進(jìn)行碰撞，或者逸出去的水分子與空氣中已有的水分子之間進(jìn)行相互碰撞，那么又可能重新進(jìn)入到水中。如果在單位時(shí)間內(nèi)逸出水分子多于回到水面中來的水分子，那么水就不斷地蒸發(fā)，水溫也就不斷地降低，水就得到冷卻。水的表面蒸發(fā)因在水溫低于沸點(diǎn)的情況下進(jìn)行的，這時(shí)，水和空氣的相交面上存在著蒸氣的壓力差，一般認(rèn)為水與空氣的接觸中，在其交界面處存在著一層極薄的飽和氣層，稱為水面飽和氣層。水首先蒸發(fā)到飽和氣層中去，然后再擴(kuò)散到空氣中去。設(shè)水面飽和氣層的溫度為t′，水面的溫度為tf，水滴越小或水膜越薄，那么t′與tf就越接近。設(shè)水面飽和氣層的飽和水蒸氣分壓力為P″q，而遠(yuǎn)離水面的空氣中，溫度為θ時(shí)θ為干球溫度水蒸氣的分壓力為Pq，那么它們的分壓力差為：這個(gè)ΔPq就是水分子向空氣中蒸發(fā)擴(kuò)散的推動(dòng)力，只要存在P″qPq即ΔPq為正值，那么水的表面一定產(chǎn)生蒸發(fā)，水一定會(huì)冷卻，而與水面的溫度tf是高于還是低于水面以上的空氣溫度θ無關(guān)。如果說蒸發(fā)所消耗熱量用Hβ表示，那么在P″qPq的條件下，蒸發(fā)的熱量Hβ總是由水面跑向空氣，水中的熱量總是減小的。為加快水的蒸發(fā)散熱速度，在冷卻塔內(nèi)要采取以下兩條措施：1、增加熱水與空氣之間的接觸面積。接觸面積越大，水分子逸出去的機(jī)會(huì)越多，蒸發(fā)散熱就越快。而水與空氣的接觸主要在冷卻塔內(nèi)的淋水填料中進(jìn)行，則一方面要求水在淋水填料中形成的水滴越小越好、水膜越薄越好；另一方面要求填料本身越薄越好，即填料的面積越大越好填料越薄，總面積越大。2、提高填料中水膜或水滴水面空氣流動(dòng)的速度，使從水面逸出的水蒸氣分子迅速地?cái)U(kuò)散到冷卻塔外部的空氣中去，維持?jǐn)U散的推動(dòng)力為常數(shù)，就是不使ΔPq降低下來。如果不迅速地排除逸出水蒸氣分子，就會(huì)使空氣中的水蒸氣分壓力Pq升高，使ΔPq=P″q-Pq值變小蒸發(fā)推動(dòng)力減小，不利于蒸發(fā)。所以要保持一定的風(fēng)量和風(fēng)速。水的蒸發(fā)散熱量可用式4-2計(jì)算：式中Hβ——蒸發(fā)散熱量kcalm2·h；qβ——蒸發(fā)量kgm2·h；λ——汽化熱kcalkg，1kg水的汽化熱為597、3kcal。冷卻塔水的傳導(dǎo)散熱和對(duì)流散熱傳導(dǎo)散熱也稱接觸散熱，有時(shí)也稱接觸傳導(dǎo)散熱。這種散熱是指熱水水面與空氣直接接觸時(shí)的傳熱過程，包括傳導(dǎo)和對(duì)流兩種傳熱形式。如水的溫度與空氣溫度不一樣，將會(huì)產(chǎn)生傳熱過程，當(dāng)水溫高于空氣溫度時(shí)，水就把熱量傳給空氣，空氣自身的溫度就逐漸升高，使水面以上周圍空氣內(nèi)部的溫度不均勻，這樣冷空氣與熱空氣之間就產(chǎn)生對(duì)流作用注：對(duì)流只發(fā)生在流體中，而傳導(dǎo)是指傳熱的分子之間無混合現(xiàn)象，對(duì)流的結(jié)果是使空氣本身各點(diǎn)的溫度達(dá)到一致，最后到水面溫度與空氣溫度一致時(shí)傳導(dǎo)散熱停止。上述可見：傳導(dǎo)和對(duì)流是同時(shí)發(fā)生的，總稱為接觸散熱。從上述討論可見：傳導(dǎo)散熱的推動(dòng)力為溫度差Δt=tf-θ水面溫度與空氣溫度差，溫差越大，傳熱效果越好，傳熱量可用下式表示：式中Hα——單位面積上的接觸傳遞熱量kcalm2·h；tf——水面溫度℃水氣交界面溫度；θ——空氣溫度℃；α——傳熱系數(shù)kcalm2·h。只要tfθ，Hα始終從水面?zhèn)鲗?dǎo)給空氣；反過來，當(dāng)tf＜θ時(shí)，Hα就從空氣傳導(dǎo)給水。冷卻塔水的輻射散熱輻射散熱不需要傳熱介質(zhì)的作用，是一種由電磁波的形式來傳播熱能的現(xiàn)象。如平時(shí)見到的火爐烤得很熱，太陽曬得很熱等都是輻射熱。輻射散熱只有在大面積的冷卻池中才起作用，在其他類型的冷卻設(shè)備中含各類冷卻塔，可以忽略不計(jì)。從水的冷卻理論來說，水在冷卻過程中，同時(shí)存在蒸發(fā)、傳導(dǎo)對(duì)流、輻射3種散熱現(xiàn)象，因輻射散熱在冷卻塔中很小，故常不計(jì)在內(nèi)。蒸發(fā)散熱與接觸散熱那個(gè)起主導(dǎo)作用，視不同季節(jié)的水氣溫差而定。在一年的春夏秋三季中，水與空氣的溫差相對(duì)較小，以蒸發(fā)散熱為主，特別是炎熱的夏天，蒸發(fā)散熱占總散熱量的80%～90%，而接觸傳熱僅占10%～20%；到了冬季，水與空氣的溫差較大，蒸發(fā)散熱量減小，接觸散熱會(huì)提升到主導(dǎo)作用，其傳熱量會(huì)占到總散熱量的50%以上，在寒冷地區(qū)，可達(dá)到70%。其實(shí)長江以北地區(qū)含部分長江南岸地區(qū)，冬季不開風(fēng)機(jī)，自然冷卻即可。冷卻塔水冷卻不同溫度的蒸發(fā)與傳導(dǎo)散熱從上述討論可知，水的冷卻過程是通過蒸發(fā)散熱和傳導(dǎo)散熱兩個(gè)綜合作用的結(jié)果。現(xiàn)按圖4-5在不同溫度下，論述其蒸發(fā)散熱與傳導(dǎo)散發(fā)的不同情況。1、圖4-5中①，tfθ在tfθ的條件下，蒸發(fā)散熱與傳導(dǎo)散熱同時(shí)存在，并都從水面向空氣一個(gè)方向進(jìn)行存在的Δt和ΔPq均為正值，兩者的總散熱量用H表示，則單位時(shí)間內(nèi)從水面散發(fā)的總熱量為：這種情況下同時(shí)存在ΔPq和Δt為推動(dòng)力的散熱，圖中Qu是蒸發(fā)散熱時(shí)被蒸發(fā)掉的水量，蒸發(fā)了多少水量Qu就帶走了多少熱量Hβ，故Qu與Hβ成正比Qu∞Hβ。2、圖4-5中②，tf=θ在tf=θ的條件下，說明Δt=0，不存在溫度差引起的傳導(dǎo)散熱的推動(dòng)力，即傳導(dǎo)散熱Hα=0，水沒有熱量傳遞給空氣，空氣也沒有熱量傳遞給水，只存在蒸發(fā)散熱量Hβ，故得：H=Hβ傳導(dǎo)散熱保持平衡4-53、圖4-5中③，tf＜θtf＜θ時(shí)，則tf-θ=-Δt，說明空氣的熱量傳給水面，所以存在Hα值，但不是水面?zhèn)鹘o空氣，而相反。但只要存在水面的蒸發(fā)散熱Hβ，并且HβHα，那么總散熱量H為正值，即：H=Hβ-Hα04-64、圖4-5中④，tf=τ＜θτ是濕球溫度，水冷卻的極限值。在圖4-5③中，tf＜θ，但還沒有達(dá)到tf=τ，雖然水冷卻很緩慢，但還是冷卻的，現(xiàn)在到了tf=τ＜θ，水的溫度就停止下降了，其理由從散熱量來說，因?yàn)檫@時(shí)候，水向空氣的蒸發(fā)散熱量Hβ與空氣傳導(dǎo)給水的熱量Hα處于平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)是指兩者傳導(dǎo)的速度相等，不是處于停止?fàn)顟B(tài)，即Hα=Hβ，而使H=0，這時(shí)水面的溫度tf就是空氣的濕球溫度τ，溫度τ稱為水的冷卻極限。從上述分析的四種情況可見：希望水在冷卻塔中的冷卻屬于第一種情況，因?yàn)榧扔姓舭l(fā)散熱Hβ，又有傳導(dǎo)散熱Hα，水的冷卻效果好；在無法達(dá)到圖4-5①要求時(shí)，則希望水的冷卻狀況為圖4-5②，雖然這時(shí)Hα=0，但存在H=Hβ，即以蒸發(fā)散熱為主。而夏天炎熱的情況下，水面溫度tf與空氣干球溫度θ比較接近，故傳導(dǎo)散熱在總散熱量H中僅占10%～20%，而蒸發(fā)散熱在H中約占80%～90%，所以夏天水在冷卻塔中的冷卻基本上屬于圖4-5②的情況。冷卻塔的設(shè)計(jì)也是按夏季的情況即不考慮傳導(dǎo)散熱量Hα=0，只考慮蒸發(fā)散熱量Hβ進(jìn)行的，通常指的標(biāo)準(zhǔn)型冷卻塔Δt=t1-t2=5℃，就是只考慮蒸發(fā)散熱的結(jié)果，沒有考慮傳導(dǎo)散熱Hα。圖4-5③的情況，一般來說不希望出現(xiàn)，但少數(shù)地區(qū)是存在的，如重慶、武漢、南京、杭州、南昌等地，夏季有幾天的空氣溫度很高，tf與θ更為接近，故按上海的氣象參數(shù)一般τ=28℃，θ=31、5℃設(shè)計(jì)的冷卻塔，在這些地方，這幾天的冷卻效果達(dá)不到Δt≠5℃，即t1-t2=Δt＜5℃，但水還是得到冷卻的，就是冷卻效果差。如果這些地方夏季都要達(dá)到Δt=5℃，那么塔體要放大，填料要增高，風(fēng)量要增加等，是非常不經(jīng)濟(jì)的。圖中4-5④是沒有意義的，因冷卻效果=0。在冬季tf與θ之間溫差很大即Δt=tf-θ很大，這就是溫差引起的傳導(dǎo)散熱的推動(dòng)力很大，故傳導(dǎo)散熱量Hα在總散熱量H中可達(dá)50%，嚴(yán)冬時(shí)可達(dá)70%，在冬季，Hα冬Hα夏，Hβ冬Hβ夏，所以總散熱量H冬H夏，冬季冷卻效果特別好。但無論如何，對(duì)冷卻塔來說，夏天通常為HβHα，冬季Hβ≈Hα，Hβ越大，效果好，這是因?yàn)樗钠療釣?97、3kcal1kg0℃的水汽化為0℃的水蒸氣放出的熱量，而水的比熱為1kcalkg，這就是說1kg水全部被汽化可帶走幾乎為600kcal的熱量，那么1kg水中有1%被汽化即Qu=1100kg可帶走6kcal的熱量，則就可以使1kg水的溫度降低6℃。