Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

При оборотном водоснабжении промышленного объекта охлаждающее уст­ройство (охладитель) должно обеспечить охлаждение циркуляционной воды до температур, отвечающих оптимальным технико-экономическим показате­лям работы объекта.

Понижение температуры воды в охладителях происходит в результате пере­дачи ее тепла воздуху. По способу передачи тепла охладители, применяемые в системах оборонного водоснабжения, разделяются на испарительные и повер­хностные (радиаторные). В испарительных охладителях охлаждение воды про­исходит в результате ее испарения прн непосредственном контакте с воздухом (испарение 1 % воды снижает ее температуру на 6 °С). В радиаторных охлади­телях охлаждаемая вода не имеет непосредственного контакта с воздухом. Вода проходит внутри трубок радиаторов, через стенки которых происходит пере­дача ее тепла воздуху.

Так как теплоемкость и влагоемкость воздуха относительно невелики, для охлаждения воды требуется интенсивный воздухообмен. Например, для пони­жения температуры воды с 40 до 30 °С при температуре воздуха 25 °С иа 1 м охлаждаемой воды к испарительному охладителю должно быть подведено около 1 ООО м3 воздуха, а к радиаторному охладителю, в котором воздух только нагревается, но не увлажняется, около 5000 ь? воздуха.

Испарительные охладители по способу подвода к ним воздуха разделяются на открытые, башенные и вентиляторные. К открытым охладителям относят­ся водохранилища-охладители (или пруды-охладители), брызгальные бассей­ны, открытые градирни. В них движение воздуха относительно поверхности охлаждаемой воды обусловливается ветром и естественной конвекцией. В ба­шенных охладителях — башенных градирнях — движение воздуха происхо­дит в результате естественной тяги, создаваемой высокой вытяжной башней. В вентиляторных охладителях — вентиляторных градирнях — осуществляет­ся принудительная подача воздуха с помощью нагнетательных или отсасыва­ющих вентиляторов.

Радиаторные охладители, которые называют также сухими градирнями, по способу подвода к ним воздуха могут быть башенными или вентиляторными.

Для охлаждения циркуляционной воды до достаточно низких температур требуется большая площадь контакта ее с воздухом — около 30 м2 на 1 м3/ч охлаждаемой воды. Соответственно этому принимается площадь зеркала воды водохранилищ-охладителей. В градирнях необходимая площадь контакта со­здается путем распределения воды над оросительными устройствами, по ко­торым она стекает под действием силы тяжести в виде тонких пленок или капель, разбивающихся при попадании на рейки на мельчайшие брызги. В брыз­гальных бассейнах для создания необходимой площади контакта с воздухом вода разбрызгивается специальными соплами на мельчайшие капли, суммар­ная поверхность которых должна быть достаточной для испарительного ох­лаждения.

Теплообмен в испарительных охладителях. При охлаждении воды в испари­тельных охладителях понижение ее температуры определяется совместным действием различных по физической природе процессов: теплоотдачи сопри­косновением — переноса теплоты путем теплопроводности и конвекции, и поверхностного испарения воды — превращения части ее в пар и переноса пара путем диффузии и конвекции.

В результате теплоотдачи соприкосновением вода отдает теплоту, если ее температура выше температуры воздуха, и получает теплоту, если ее темпера­тура ниже температуры воздуха.

Удельное количество теплоты, переданной при теплоотдаче сопри­косновением, определяется по формуле

<7с = а(;-Є), (3.31)

№ qc — удельное количество теплоты, кДж/(м2-ч); а — коэффициент тепло­отдачи соприкосновением, кДж/ (м2-ч-°С); t—температура поверхности воды, °С; 0 — температура воздуха, °С.

Поверхностное испарение жидкости происходит, когда парциальное давле­ние пара, содержащегося в воздухе, меньше давления насыщения пара при температуре поверхности жидкости.

Удельное количество теплоты, теряемой водой в результате испарения, оп­ределяется по формуле

9.“Р (3-32)

W — удельное количество теплоты, кДж/(м2-ч); (3 — коэффициент, тепло­отдачи испарением, кДж/(м2’Ч-Па); ет—давление насыщения пара при темпе­ратуре поверхности воды, Па; е — парциальное давление водяного пара в воз­духе (абсолютная влажность воздуха), Па.

Сумма удельных количеств теплоты, передаваемой через водную поверхность в результате совместного действия теплоотдачи соприкосновением и поверх­ностного испарения, равна:

<2* * 9с+ % = Є) + $(ет — є). (3.33)

Когда і> 0, оба процесса действуют в одном направлении, вызывая охлажде­ние воды. При t = 6 теплоотдача соприкосновением прекращается, и охлажде­ние воды происходит только благодаря поверхностному испарению. Вола бу­дет продолжать охлаждаться и при * < Є до тех пор, пока количество теплоты, передаваемой воздухом воде соприкосновением, не сравняется с количеством теплоты, теряемой водой в результате испарения, т. е. пока не будет соблюдать — ся равенство #с+ qv ~ 0. Температура воды в этот момент достигнет того же значения, которое имеет температура охлаждающего воздуха т, измеренная смоченным термометром. Это значение температуры является теоретическим пределом охлаждения воды воздухом. Отметим, что хотя охлаждение воды при температуре ее, равной г, прекратится, испарение ее, и приток к ней теплоты будут продолжаться.

Фактически вода в охладителях не охлаждается до теоретического предела. Например, температура воды, охлажденной на градирнях, обычно на 8—И °С превышает температуру воздуха по смоченному термометру, но может ока­заться ниже температуры воздуха, измеренной обычным (сухим) термомет­ром.

Таким образом, при испарительном охлаждении может быть достигнута тем­пература воды, более низкая, чем температура воздуха.

Особенности теплообмена в водохранилищах-охладителях. При охлаждении воды в открытых водоемах с большим зеркалом воды кроме теплоотдачи со­прикосновением и испарением происходит также теплообмен излучением. Последний процесс протекает путем проникания солнечной лучевой энергии (радиации) через открытую поверхность воды. При этом часть солнечной ра-

Диации отражается от поверхности воды. В то же время происходит излучение теплоты водной поверхностью, как всяким нагретым телом или средой (эф­фективное излучение).

Удельное количество теплоты, переданной воде излучением, определяется радиационным балансом

R=(Q + q)n{l — а) (3.34)

где і? — радиационный баланс, МДж/(м2-сут); Q — прямая солнечная радиа­ция, МДж/(м сут); q — рассеянная солнечная радиация, МДж/(м2-сут); п — общая облачность в долях единицы; (Q + q)n— суммарная солнечная радиа­ция при общей облачности, МДж/(м2сут); а — характеристика гаражателыюй способности воды или альбедо в долях единицы; {Q +q) п(1 — а) — поглощен­ная водой суммарная радиация, МДжДм2-сут); I — эффективное излучение водной поверхностью, зависящее от температуры воды и общей облачности, а также от температуры и влажности воздуха, МДж/(м2-сут).

Сумма удельных количеств теплоты, передаваемой через водную поверхность открытого водоема, равна:

Солнечная радиация может заметно снижать охладительный эффект испа­рительного охлаждения. Поэтому температура воды, охлаждаемой в откры­том водоеме, не может достичь температуры, измеренной смоченным термо­метром. Теоретическим пределом охлаждения в этом случае является есте­ственная температура воды па поверхности водоема при установившихся ме­теорологических условиях, удовлетворяющая равенству:

gc+q„-X = 0. (3.36)

Теплообмен в радиаторных охладителях. Теплота от воды к воздуху в ради­аторных охладителях передается через стенки трубчатых радиаторов, в кото­рых циркулирует охлаждаемая вода.

Удельное количество теплоты, переданной через стенку радиатора, опреде­ляется по формуле

?р = ар(/-Є), (3.37)

где qr — удельное количество теплоты, кДж/(м2-ч); бр — общий коэффициент теплопередачи от воды к воздуху через стенку радиатора, кДж/(м2-ч-°С); t — температура воды, проходящей через радиатор, °С; G — температура обтекаю­щего радиатор, °С.

Общий коэффициент теплопередачи бр зависит от теплопроводности мате­риала, из которого выполнен радиатор, толщины стенки его трубок, а также от интенсивности теплоотдачи от веды к внутренней поверхности трубки и от наружной поверхности трубки к воздуху. Он определяется из формулы

—=—+f+-L. (3.38)

да б, — коэффициент теплоотдачи от воды к внутренней поверхности трубки радиатора, кДж/ (м2ч-°С); s — толщина стенки радиатора, м; X — теплопро­водность материала радиатора, кДж/(м-ч-°С); б2 — коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубки радиатора к воздуху, кДж/(м2-ч-°С).

Коэффициент б2 имеет весьма низкие значения даже при больших скоростях воздуха, обтекающего радиаторы. Для компенсации плохой теплоотдачи к воз­духу необходимо увеличить поверхность радиаторов. Поэтому они выполня­ются с ребрами на наружной поверхности трубок.

3.8. ВОДОХРАНИЛИЩА-ОХЛАДИТЕЛИ

По назначению, расположению и условиям питания водохранилища-охла­дители разделяются на следующие группы:

• регулирующие водохранилища на водотоках, используемые не только для охлаждения циркуляционной воды, но и для сезонного или многолетнего ре­гулирования стока;

• водохранилища-охладители на водотоках без регулирования стока, соору­жаемые для создания поверхности, достаточной для охлаждения циркуляци­онной воды;

• водохранилища-охладители па естественных озерах и прудах;

• наливные водохранилища, сооружаемые вне водотока, с подпиткой из бли­жайших рек.

Схемы циркуляции воды в водохранилищах-охладителях. Свободная поверхность водохранилища-охладителя ие вся одинаково эффективно уча­ствует в отдаче теплоты, поступающей с нагретой циркуляционной водой. Количество теплоты, отводимой с единицы площади того или иного участка поверхности водохранилища, зависит от температуры воды на этом участке. Поэтому при теплотехническом расчете водохранилища-охладителя необхо­димо представить картину распределения температур по его поверхности; сле­довательно, необходимо составить схему распределения потока теплой воды от точки ее сброса до места ее приема.

Схема циркуляции в водохранилище-охладителе определяется его формой, взаимным расположением водосбросных и водоприемных сооружений, а так­же струераспределительными и струенаправляющими сооружениями.

При проектировании для современных мощных электростанций крупных водохранилищ-охладителей с глубинами, достигающими десятков метров, и с объемами воды в сотни миллионов кубических метров следует учитывать, что кроме градиентных течений, вызываемых сбросом циркуляционного расхода и поступлением речной воды, в водохранилищах возникают также ветровые, плотиостные и компенсационные течения.

Ветровые течения приводят к сгону воды от подветренной стороны водоема и к нагону ее у наветренной стороны. Возникающий при этом горизонталь­ный градиент давления, направленный в сторону, противоположную ветру, вызывает один из видов глубинных компенсационных течений.

Известно, что вода имеет максимальную плотность при температуре 4 °С, а при нагревании ее плотность уменьшается. Передача теплоты в водную толщу вследствие молекулярной диффузии и теплопроводности весьма слаба. По­этому при прогреве верхних слоев воды возникает температурная стратифика­ция: температура воды на поверхности оказывается выше, чем в глубинных слоях, и эта разница достигает иногда 10 °С и более. При выпуске теплой воды на поверхность водохранилища может возникнуть устойчивая разница темпе­ратур воды в верхних и нижних слоях и произойти расслоение потоков, имею­щих различную плотность. В этом случае возникают верхнее теплое и глубин­ное холодное течения, которые могут быть разнонаправленными. Такие тече­ния называются плотностными.

При сбросе нагретой воды в водохранилище у сбросных сооружений часто наблюдается понижение температуры воды па несколько градусов. Это объяс­няется тем, что нагретая вода, если она выходит в водохранилище со значи­тельными скоростями, эжектирует массы холодной воды из придонных слоев и вовлекает их в циркуляционный поток. Этот смешанный поток, имея мень­шую плотность, чем придонные слои, выходит на поверхность, а по направле­нию к сбросным сооружениям возникает глубинный ток холодной воды, явля­ющийся вторым видом компенсационных течений.

Из-за отсутствия методов, позволяющих установить расчетным путем дей­ствительную сложную картину распределения течений и температур воды по поверхности и глубине водохранилища-охладителя; при решении практичес­ких инженерных задач приходится принимать весьма упрощенную схему те­чений.

Считается, что с поверхности водоворотов теплоотдача происходит с мень­шей интенсивностью, чем с поверхности транзитного потока. Площадь дей­ствительной поверхности водохранилища заменяется, согласно предложению Н. М. Вернадского, «площадью активной зоны», которая учитывает теплоотда­чу транзитного потока и смежных с ним водоворотов. Отношение площади активной зоны к площади действительной поверхности водохранилища назы­вается коэффициентом использования площади водохранилища: К = сі^/со. Этот коэффициент в зависимости от формы водохранилища, схемы располо­жения водосбросных и водозаборных сооружений и условий растекания цир­куляционного потока имеет значение от 0,5 до 0,95.

Более надежные данные дня проектирования, в частности значения коэффи­циента использования площади водохранилища-охладителя, могут быть по­лучены по результатам гидротермического моделирования на крупномасштаб­ной модели водохранилища, которое проводится по методикам, разработан­ным ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева и другими институтами.

Чтобы распределить транзитный поток циркуляционной воды по возможно большей части поверхности водохранилища и создать площадь активной зоны, достаточную для охлаждения расчет-ного расхода, воду, нагретую на промыш­ленном предприятии, сбрасывают на значительном расстоянии от водозабор­ных сооружений, а также применяют струенаправляющие и струераспредели­тельные сооружения.

Исследованиями последних лет установлено, что в больших и глубоких во­дохранилищах-охладителях, которые сооружаются, например, для современ­ных мощных теплоэлектростанций, возможно создание объемной циркуляции воды. Для этого необходимо осуществить забор воды только из глубинных слоев водохранилища, а нагретую воду сбрасывать на поверхность водохра­нилища с малыми скоростями. Тоща можно располагать сбросные сооруже­ния вблизи водозаборных и даже совмещать их в одном сооружении. При этом нагретая вода, имеющая меньшую плотность, чем холодная, растекается по поверхности водохранилища и, охлаждаясь, переходит в глубинные слои, ко­торые движутся к водозаборным сооружениям. Такая схема циркуляции по­зволяет отказаться от длинных отводящих каналов и струенаправляющих сооружений при высоком коэффициенте использования площади водохрани­лища.

Некоторые решения организации водохранилищ-охладителей и схем распо­ложения сооружений, предназначенных для обеспечения наиболее полного использования их поверхности для охлаждения воды, приведены на рис. 3.16- Здесь представлены:

• водохранилище вытянутой формы на водотоке (рис.3.16, а);

• циркуляпия обеспечивается отводящим каналом и струенаправляющей дам­бой перед водозаборным сооружением;

• водохранилище сложной формы на водотоке (рис. 3.16, б);

• циркуляция обеспечивается перегораживающей дамбой и искусственной прорезью:

• широкое водохранилище на водотоке (рис.3.16, е); циркупяцияобеспечива — ется струепаправляющей дамбой;

• система естественных озер, используемая для охлаждения воды (рис. 3.16, г);

• наливное водохранилище, для сооружения которого удачно использован рельеф местности (рис.3.16, Э);

• наливное водохранилище с круговой циркуляцией воды и водозаборным сооружением в центре (рис.3.16, е);

• глубокое водохранилище на малом водотоке с выпуском нагретой воды на поверхность и глубинным водозаборным сооружением, расположенным вблизи выпуска (рис.3.16, ж);

■ циркуляция воды объемная с разнонаправленными поверхностными и глу­бинным потоками.

Тепловой расчет водохранилища-охладителя. Тепловой расчет про­изводится для определения температуры охлажденной воды у места ее забора при заданной площади активной зоны или для определения необходимой ПЛО-

Рис. 3.16. Организация водохранилищ-охладителей и схемы расположения сооружений, предназиа ченных для обеспечения наиболее полного использования их поверхности для охлаждения воды: / — Промышленное предприятие; 2 — плотина; 3 — струенаправляющая дамба; 4 — река; 5 — отво­дящий канал; 6 — водозаборное сооружение; 7 — насоекая станция; 8 — прорезь; 9 — перегоражи­вающая дамба; 10 — подача воды нз соседней реки 7 і

щади активной зоны водохранилища при заданных тепловой и гидравли»13^ кой нагрузках.

Температура охлажденной воды определяется для установившегося теП-Я0" вого режима применительно к метеорологическим условиям наиболее небл^ гоприятной для охлаждения воды декады. Это достигается решением уравВ6′ ния теплового баланса

(3-40)

сут; Q2t2 — количество теплоты, забираемой с водой из водохранилища, МДЖ/ сут; 6с6/.5р — количество теплоты, сбрасываемой из водохранилища, МДж/ сут; А(ет — ё) — удельное количество теплоты, отдаваемой поверхностью во­дохранилища путем испарения, МДж/(м2-сут); ет — давление насыщения пара при температуре поверхности воды, Па; е— парциальное давление водяного пара в воздухе (абсолютная влажность воздуха), Па; В(к^ср — 0) — удельное количес тво теплоты, отдаваемой поверхностью водохранилища путем конвек­ции (соприкосновением), МДж/(м2-сут); к{ — коэффициент, учитывающий не­равномерность распределения температур воды по глубине водохранилища — / — средняя температура активной зоны водохранилища-охладителя, °С; R радиационный баланс неподогреваемого водоема, МДж/(м2-сут); AI — допол.. иитепьное эффективное излучение водной поверхностью, МДж/(м2-сут); <а — где w2C0 — скорость ветра на высоте 2 м над поверхностью воды, м/с. Коэффициенты теплоотдачи принимаются равными: коэффициент теплоотдачи испарением, МДж/^-сут-Па),

А = 0,0314-0,23J(1 + 0,135w200); коэффициеиг теплоотдачи конвекцией, МДж/(м2-сут-°С), Я = 0,314-0,11(1 + 0, 135>v200),

,-jjg уу2ю — скорость ветра на высоте 2 м иад поверхностью воды, м/с.

Из уравнения теплового баланса определяется средняя температура вОДЬ) пределах активной зоны водохранилища-охладителя t^. Температура охла^ денной воды <2, поступающей в водозаборное сооружение, определяется ^ следующего уравнения;

іде te—естественная температура воды в водохранилище без учета подогрева ее теплотой, отводимой от промышленного объекта;— температура нагре­той циркуляционной воды, сбрасываемой в водохранилище от промышленно­го предприятия.

Естественная температура воды для проектируемого водохранилища-охла­дителя может быть принята равной температуре воды в водоемах, располо­женных в том же районе, или определена по уравнению теплового баланса

Жев — е)+ £(*,*«-Є)-/? = (), (3.43)

которое решается подбором относительно Л

Для облегчения практических расчетов можно пользоваться номограммой на рис. 3.17, при этом следует подсчитать удельную площадь активной зоны шуд, приходящуюся на единицу расхода охлаждаемой воды, м2/(м5-сут). По но­мограмме определяется перегрев охлажденной в водохранилище циркуляци­онной воды, покупающей к месту ее забора, по сравнению с естественной температурой воды (/, — tj в зависимости от величины нагрева воды на элект­ростанции (перепада температур Д< = <, -12).

Для ориентировочных расчетов можно принимать необходимую площадь водохранилища-охладителя от 30 до 50 м2 для охлаждения 1 м3/ч воды на 8- 10 °С.

Основные сооружения водохранилищ-охладителей. Проектирование платин, дамб, водосбросов и каналов для водохранилищ-охладителей производят по соответствующим нормам проектирования гидротехнических сооружений.

Место расположения водосбросных и водозаборных сооружений, а также сооружений, увеличивающих активную зону водохранилища (струераспреде — лительиых и струенаправляющих сооружений), выбирают исходя из условий получения необходимой площади активной зоны на основе тежнико-экономи — ческих расчетов.

Струенаправляющие и струераспределительные сооружения выполняют в виде водосливов, лотков, труб, консольных водосбросов. Струераспределитель­ные сооружения наиболее целесообразно выполнять в виде затопленных во­досливов распластанного профиля либо в виде фильтрующих дамб из камен­ной наброски. Такие сооружения обеспечивают выпуск теплой воды на повер­хность водохранилища с малыми скоростями, что предотвращает появление глубинного течения к водосбросу.

Наиболее рациональным типом сооружения для забора воды из во — дохранилшца-охладителя глубиной не менее 4-5 м является гпубинныйводо — забор, обеспечивающий получение воды из придонных слоев. При этом дос­тигается наиболее низкая температура охлаждающей воды, предотвращается или резко уменыцается захват биологических загрязнений (микроорганизмов,

Рис. 3.17.

низшей водной растительности, личинок моллюсков), достигается наиболее рациональная продувка водохранилища, резко уменьшается захват рыбы и, что особенно важно, мальков, которые обитают обычно на небольших глуби­нах. Глубинный водозабор обеспечивает также бесперебойную подачу воды к потребителям при шуговых явлениях без принятия мер по обогреву водозабо­ра. Во избежание подсасывания воды из верхних слоев входные окиа глубин­ного водозабора должны быть расположены на достаточной глубине, а вход­ные скорости воды должны быть минвмальиыми. В зависимости от глубины расположения верхней кромки входного окна водозабора входные скорости принимаются от 0,1 до 0,3 м/с.

Глубинные водозаборы выполнялись ранее в виде забралькых стенок, по­груженных на определенную глубину и образующих входные проемы между дном водохранилища и нижней кромкой стенки. В последние годы широкое применение получили водозаборные сооружения в виде подводной галереи со щелью переменного сечения во фронтальной стенке и козырьком над щелью (рис. 3.18). Такое водозаборное сооружение не подвергается воздействию вол­новых и ледовых нагрузок и обеспечивает равномерное поступление воды по всему водозаборному фронту.

Комментарии запрещены.