水面冷卻構筑物分類及其組織

冷卻構筑物分類在循環冷卻水系統中，降低水溫的設備或構筑物稱為冷卻設備或冷卻構筑物，也可稱為循環水冷卻設施。按水冷卻方法，分為自然冷卻法和機械冷卻法；按循環水是否與空氣直接接觸，可分為密閉式循環冷卻水系統和敞開式循環冷卻水系統，簡要分述以下：1、密閉式循環水冷卻系統密閉式循環冷卻水系統中，水密閉循環，并交替冷卻和加熱，不與空氣直接接觸。其主要設備為密閉式冷卻塔，基本原理是依靠向被冷卻的水管噴灑水滴，由被冷卻水管表面水膜的蒸發而把熱水傳至管壁的熱量帶走，流動空氣與管壁的接觸也起到了對流散熱作用，從而使管內的熱水得到冷卻。密閉式循環系統的特點是介質潔凈、冷效高、噪聲低。適用于要求介質潔凈的電子、食品、醫藥和空氣污染嚴重的冶金如安徽馬鞍山鋼鐵廠家、紡織和礦山等單位。因密閉式循環冷卻水系統相對來說，用的較少，故這里不作進一步介紹。2、敞開式循環冷卻水系統敞開式循環冷卻水系統，根據需要降溫的熱水與空氣接觸的控制方法的不同，可分為水面冷卻構筑物水庫、湖泊、海灣、河道、人工冷卻池，噴水冷卻池和冷卻塔自然通風冷卻塔和機械通風冷卻塔等。這里對水面冷卻構筑物的冷卻池含噴水冷卻池、河道冷卻、海灣冷卻作概要介紹，重點論述冷卻塔。敞開式冷卻設施見圖2-1。3、影響水面冷卻的因素水面冷卻是利用與空氣接觸的水體表面，通過蒸發散熱、對流傳熱和輻射傳熱來降低水溫。但主要是蒸發散熱，其次是對流傳熱，輻射散熱很小，有時忽略不計。水面冷卻構筑物包括熱水排放口、取水口和冷卻水面。設計水面冷卻構筑物時，應考慮熱水排入對環境的影響和冷卻水體的綜合利用。屬于第一類和第二類海水水質的海域不應用于水面冷卻；江、河、湖泊、水庫等地面水水體的環境水溫變化，應符合國家標準《地面水環境質量標準》GB3838的規定。影響水面冷卻的因素為：1水域范圍內的地貌、水文、水面面積、水源、幾何形狀、生態。2氣溫、相對濕度、水面綜合散熱系數、風向、風速、自然水溫等。3熱水排水口與取水口工程平面布置、形式、尺寸及設計深度。4排入水域的熱負荷。5外水注入、排放的水量與溫度。噴水冷卻池噴水冷卻池雖然劃分在水滴水膜冷卻中，但實際上是水滴冷卻與水面冷卻相結合，而且往往是水面冷卻降溫比水滴冷卻降溫大。從熱水管噴嘴噴出的水滴，雖然噴水冷卻池剖面示意增加了水與空氣接觸的表面積，有利于水的冷卻，但水與空氣接觸的時間非常短，幾秒鐘就落入水池中。水在池中停留時間相當長，幾小時至一天以上，在水池中進行蒸發散熱和傳導散熱。因此把噴水冷卻池劃入水面冷卻中，同時也有利專門論述冷卻塔，當然噴水冷卻池與單一的冷卻池相比較，大幅度地提高了水的冷卻效果。如圖2-2所示噴水池是在人工或天然水體池、塘、河床上裝設噴嘴的管，熱水通過噴嘴在空氣中散成水滴。水與空氣接觸冷卻與池水面蒸發散熱和傳導散熱冷卻相結合的構筑物圖2-3所示。當循環水量相對較小，工藝對冷卻水溫的穩定性要求不甚嚴格，且可提供開闊場地并環境允許時，可采用噴水冷卻池。但風砂較大地區，不宜采用噴水冷卻池。當采用天然水池作為噴水冷卻池時，要保證水體的水溫符合水環境質量要求，防止熱污染危害。噴嘴噴水冷卻池的配水支管上安裝的噴嘴，應滿足：不易堵塞，噴嘴前水壓要求低，制造簡單，噴出水滴細，噴射角大。噴水冷卻池一般采用漸伸線型和C-6型噴嘴。噴嘴的規格見表2-1。漸伸線型噴嘴特點：不易堵塞，壓力要求不高；但流量系數小，水滴較大。C-6型噴嘴特點：不易堵塞，出水量大，布置簡單；但加工要求較準確。噴嘴布置有放射式和單個式兩種，見圖2-4，噴嘴布置距離見表2-2。噴嘴一般安裝在距冷卻水池正常水位以上1、2～1、5m見圖2-2，池水深一般為1、5～2、0m。噴嘴安裝見圖2-5。漸伸線型噴嘴前水壓為5～7m，C-6型噴嘴前水壓不應小于6m。為避免堵塞，噴嘴出口直徑不宜小于20mm。配水管道和水池對配水管和水池設計與布置的基本要求與原則為：1、配水管道應布置在水面以上，沿水流方向有0、001～0、002的坡度。2、配水管上應設閘閥，閘閥以暗桿式為宜，配水管末端應設管道沖洗和放空的堵頭。3、配水總管兩個固定支座之間應安裝伸縮節。4、配水管變徑處應采用偏心異徑管接頭，以利管道放空。5、每3～5排配水管之間應留寬為1、3～1、5倍配水管間距的空氣通道。6、噴水冷卻池應選擇在通風良好的地段，水池宜建成矩形，池寬不宜大于60m，最外側噴嘴距池邊不宜小于7m。在風速大的地方，可采用10～12m或更大。噴水池的長邊應與夏季主導風向垂直。7、水池一般應不少于兩格，當允許間歇使用時亦可用單格。8、水池通常為地下式或半地下式，水池池頂應高出地面0、3m。9、池底、池壁通常采用混凝土做護面，隔一定間距設伸縮縫，縫隙要防滲漏。10、水池設計水深宜為1、5～2、0m。當噴水池兼做其他用途時，水深可適當增加。噴水池的池壁應有不小于0、25m的超高。11、水池應有排污、放空與溢流裝置。池底有0、003～0、005的坡度，坡向放空管。12、水池周圍應設回水臺，其坡度根據風向、風速和噴嘴前水頭等因素確定。一般不宜小于3m。回水臺坡向水池，坡度為2%～5%。回水臺外圍應有防止周圍地面水流入水池的截水溝。13、噴水冷卻池出水口處要有攔污設施。14、寒冷地區的噴水冷卻池應采取以下防凍措施：1進水干管上設旁流水管，旁流水管的排水點應于水池出水口的對面一側。2干管及配水管上的閘閥應安裝防凍放水管或采用其他保溫措施。噴水密度和熱力、水力計算1、噴水密度1噴水密度：式中Q——噴水冷卻池總冷卻水量m3h；Fs——噴水冷卻池池壁內的總面積m2。2有效噴水密度：式中q′——一個噴嘴的出水量m3h；a——噴嘴組間的間距m；b——配水管間的間距m；n——每個噴嘴組中噴嘴個數。3噴水密度選擇根據當地的氣象條件氣溫、濕度、風速等和工藝要求確定，一般可采用下值：我國南方地區0、7～0、9m3m2·h；中部地區0、9～1、0m3m2·h；北部地區1、0～1、2m3m2·h。上述數據供初選時參考，最終的確定還應根據噴嘴壓力、噴嘴形式、氣象條件及熱力負荷、技術經濟比較確定。2、熱力計算采用冷卻曲線圖見圖2-6計算冷卻水溫。冷卻水溫修正值采用+0、7℃。3、水力計算1配水總管內的流速一般不大于1、8ms，配水支管內的速度一般不大于1ms。2兩個相距最遠的噴嘴壓力差不大于0、3m。3每個噴嘴的出水量按下式計算：式中A——流量系數；H——噴嘴前水壓m，漸伸線型噴嘴為5～7m，C-6型噴嘴不應小于6m。噴嘴流量系數及出水量見表2-3。4、設計計算步驟1選擇噴嘴形式，確定噴嘴前壓力。2根據確定的水壓求噴嘴的單個出水量及噴嘴總數。3根據常用數據和有效噴水密度，確定噴水池有效面積及平面尺寸。為合理選擇噴嘴前的壓力和噴嘴密度，須選擇幾個不同的水壓和噴水密度進行技術經濟比較。4熱力計算和水力計算。5確定噴水冷卻池寬度和長度。例已知：冷卻水量120m3h進水溫度t1=40℃要求冷卻水溫差Δt=8℃噴嘴水壓H=6m空氣干球溫度θ=2615℃相對濕度=60%自然風速W=215ms求冷卻后的水溫t2及噴水冷卻池面積。解1、有效噴水密度采用漸伸線型噴嘴，接管直徑40mm，噴嘴出口直徑27mm，當H=6m時，查表2-3得q′=8182m3h。噴嘴總數n=Qq′=1208182=1316取n=14個當a=8m，b=16m時，有效噴水密度為2、熱力計算選噴水密度q=1m3m2·h，H=6m冷卻水溫修正值采用+0、7℃，故t2=31+0、7=31、7℃，能滿足t2=40-8=32℃的要求。3、噴水冷卻池面積池壁內邊緣

配水系統

冷卻塔固定式配水系統1、管式配水系統管式配水系統由環狀或樹支狀配水管上裝噴嘴組成，它需要較高的水壓噴嘴前水壓一般為3～7m，當水量發生變化時會影響布水均勻性。與槽式配水相比，配水均勻、氣流阻力小、施工安裝容易且質量保證，但對水質要求較高，以防止噴嘴堵塞。1形式1樹枝狀：一般用于小型塔或兩格冷卻塔共用一根干管，如圖3-20所示。2環狀：一般冷卻塔面積較大時采用，布水均勻性較好。如圖3-21所示。2管式配水系統應符合下列要求1配水干管起始斷面設計流速宜采用1、0～1、5ms。2大、中型冷卻塔在布置配水管時，應利用支管使配水干管連通成環網。3配水干管的末端必要時設排污管。2、槽式配水系統槽式配水系統在大型冷卻塔及水質相對較差時采用較普遍。槽式配水系統維護管理方便，供水壓力低，可減少動力消耗。槽式配水系統通常由主配水槽、配水槽、管嘴和濺水碟組成。熱水經主配水槽流入配水支槽，從噴嘴落下，沖擊在濺水碟上。水流以重力加速度沖擊濺水碟，將水流粉碎為均勻的小水滴灑在淋水填料上，水在濺水碟上的濺散半徑隨著濺水碟與溢水管嘴之垂直距離即落水高度的增大而增大。此距離一般為0、5～0、8m。噴嘴在平面上布置成方格或梅花形，水平距為0、5～1、0m。1形式：配水槽分樹枝狀布置和環狀布置兩種，如圖3-22、圖3-23所示。1樹枝狀：規模較小的中小型塔采用。2環狀：配水較樹枝狀均勻，適用于大型冷卻塔。2材質：配水槽可采用木質、鋼筋混凝土、玻璃鋼等制作，視具體情況而定。如要求防酸堿腐蝕的則采用玻璃鋼，通常采用木質較多。3槽式配水系統應符合下列要求：1配水槽尺寸根據水量和槽中流速確定，槽內水流速度不宜太大，避免槽內水位差太大而影響配水均勻。主水槽的起始斷面設計流速宜采用0、8～1、2ms，配水槽的起始斷面流速宜采用0、5～0、8ms。運行中水槽的水位差不宜大于50mm。2配水槽高度不宜大于350～450mm，超高不宜小于0、1m，寬度不宜小于120mm。但也不宜過寬，以免增加通風阻力。當水量很大時，為使水槽布置不致過密，水槽高度可增至600～800mm。3配水槽內正常水深應大于濺水噴嘴內徑的6倍，且應不小于150mm。主水槽、配水槽底均宜水平設置，水槽連接處應圓滑，水流轉角不宜大于90°。槽式配水通風阻力較大，槽內易沉積污物，施工復雜。故也有用槽式與管式相結合的配水方式，熱水經主水槽到配水槽進入配水支管，或采用配水豎井和配水槽的形式。3、池式盤式配水系統池式配水系統由配水管、流量控制閥、消能箱、配水底板及水池組成，如圖3-24、圖3-25所示。配水底板有兩種形式，一種是開孔，孔徑為5～9mm，在配水系統下面設置流量分配板；一種是在配水底板裝設低壓噴嘴，通過噴嘴將水濺散或小水滴落向填料。流量控制閥起到調節流量的作用，使各配水池維持相同水深10～20cm，這種配水系統只適用于中型以上橫流式冷卻塔中。其優點是所需供水壓力比一般的噴嘴低，有利于空氣橫向流動。缺點是池式配水易受大氣污染，如灰塵、藻類繁殖等。為使各配水孔或管嘴出水均衡，需維持配水池中水位穩定。要求配水池水平入口光滑，積水深度不得小于50mm。1池式配水系統的特點：供水壓頭低，布水系統簡單，清理方便，在大型橫流式冷卻塔中為了改善池式配水的噴濺效果，則在配水池底部可安裝配水管嘴。2池式配水系統應符合下列要求：1配水池內的水深在設計水量時應大于濺水噴嘴內徑或配水底孔直徑的6倍，池壁超高不宜小于0、1m，池底宜水平設置。2池頂宜設蓋板，以免水池在光照下孳生微生物或藻類，也可防止灰塵、雜物進入。4、噴濺裝置1選用的噴嘴應具有以下性能：1噴水角度大。2水滴較細。3布水均勻，無中空現象。4供水壓力低，流量系數大。5不易堵塞。6堅固耐用，價格便宜。2噴嘴的類型：噴嘴基本上可以分成兩類：一類是靠沖擊力將成股的水扯成水滴；另一類是旋轉型，靠離心力將水流扯開，灑向四周。前者要求的水壓較低，多用于槽式或池式配水；后者要求的水壓較高，多用于管式配水。常用的噴嘴有：管—碟式、單多層濺水式、反射式、離心式等。1管—碟式噴嘴：這種噴嘴由噴管和濺水碟兩部分組成，如圖3-26所示。濺水碟安裝在噴管出口下方0、5～0、6m，與噴管對中，固定在填料上。我國早期的冷卻塔，大都采用這種噴嘴。其缺點是會產生中空，即濺水碟附近水很少；另一個缺點是經過一段時間運行后，濺水碟位置易變動，形成與噴管不對中，致使噴濺效果大大降低。為了改善這種情況，產生研究成管碟合一的噴嘴。2單層濺水噴嘴：單層濺水噴嘴如圖3-27所示，噴濺方式與管—碟式噴濺相同，但避免管—碟式噴濺在運行過程中產生的位移，使管、碟不對中的缺點。另一種單層濺水噴嘴如圖3-28所示，濺水碟是旋轉的。濺水碟分成兩半，用縫隔開，靠水流的沖擊力旋轉，并將水甩開，方向如圖3-28中所示。部分水從縫隙流到盤下，所以不會形成中空，淋水分布也較均勻。3多層濺水噴嘴：如圖3-29a所示，是一種三層濺水噴嘴，由塑料制成。圖3-29b是另一種三層濺水噴嘴。水流由噴口噴出后，經3個不同半徑的濺水盤邊層的濺散，使水滴的分布比較均勻。上層到下層的水流由盤中間的圓孔流下，圓孔的大小可控制下落的水量。圖3-29b的最下層盤中心處也開孔，使噴頭中間部分也有水。圖3-29a則在最下一層盤中心處不開孔，通過一個弓形凸體來達到濺水和防止中空目的。圖3-30是花籃式噴嘴中的一種。4反射噴頭：反射噴頭有反射Ⅰ型適用于橫流式冷卻塔、反射Ⅱ型、反射Ⅲ型適用于逆流式冷卻等規格，如圖3-31、圖3-32所示。反射Ⅲ型噴嘴是將Ⅱ型的上下盤間距加大，改變下盤造型而制成。圖3-29三層噴嘴1—進水管；2—錐形管嘴；3—支架；4、7、10—濺水盤；5、8—錐形突出部；6、9、11—孔口反射型噴嘴噴濺的水滴在不同的水位高度h和不同落下高度y有不同的噴濺半徑R，如圖3-33所示。反射Ⅲ型由于加大上下盤間距，當配水槽內水位或配水管內水頭較低時也能保持水流噴濺均勻，并有較大濺散半徑。在同樣噴嘴至填料高度下，反射Ⅲ型噴嘴的噴濺半徑要比反射Ⅱ型約大20%～30%。反射Ⅰ型、Ⅱ型噴嘴的噴濺半徑可根據圖3-34中的曲線查得。反射型噴嘴常用于低水壓管式配水和槽式配水系統中。5離心式噴嘴：這種噴嘴一般用在管式配水，要求水壓力較大。依靠水壓作用使水流成旋轉狀離開噴頭出口，在離心力作用下向四周灑開，噴灑半徑較大，水滴也較細。圖3-35所示的為漸伸線式噴嘴，水從進水口進入噴嘴后，過水斷面逐漸減小，水流流速加大，進入旋轉室高速旋轉后從出水口噴出。圖3-36為杯式噴嘴，圖3-37為瓶式噴嘴。圖3-38為單旋流式噴嘴。這種噴嘴與上述形式的離心式噴嘴不同，出水與進水方向一致。水從進水口進入，經過導葉產生旋轉水流，然后從出口噴出。圖3-39為雙旋流式噴嘴，在噴嘴內形成兩股旋流，然后匯成一股噴出，效果更好。6上噴式噴嘴：上述各種形式噴濺裝置都是將水流向下噴濺，而上噴式噴嘴將水向上噴射，經反射后再使水流灑落到填料上，這種噴嘴如圖3-40所示，水流從進水口進入，通過分流器，沖在散水器上部反射下來，部分穿過散水器，經頂板反射或自由下落，灑到填料上。這種噴頭可減小從噴頭到填料的空間；但需要足夠的水壓力，只能用于管式配水。7靶式管嘴：圖3-41所示為靶式管嘴。靶式管嘴由一個同管嘴連在一起的濺水碟組成，這種管嘴的噴濺半徑內有中空現象。3噴嘴布置要點：1噴口向下朝淋水填料噴射上噴式噴嘴和部分開放式冷卻塔有噴口向上噴射布置，噴嘴噴射投影面圓心相切布置。2噴嘴在冷卻塔平面上的排列呈梅花形、方格形等，如圖3-42所示，務使噴出水滴相互交叉布滿平面。3噴嘴出口高出淋水填料面一般不小于0、6～0、8m。噴嘴的間距由安裝高度和噴水角度計算確定，一般選用110m×110m，最大不超過1125m×1125m。噴嘴間距可按式3-6計算。式中b——噴嘴間距m；α——噴嘴噴射角°；h1——噴嘴離淋水填料高度m。4在保持噴水均勻分布滿整個淋水填料平面的要求下，選用噴水量較大的噴嘴，以減少接管。5安裝在邊角部位的噴嘴，為避免噴濺水滴被遮擋的可能，應采用加長管降低噴嘴位置，或選用濺散高度小的噴嘴。噴嘴離筒壁距離不大于500mm。6槽式配水系統應選用低水頭型噴嘴，以保證濺散效果；或采用加長管增加水頭，但下面應留有一定的濺落高度。4噴嘴的技術要求：1噴嘴及其附件的外觀、規格、結構：表面光潔，塑化良好，形狀規整，色澤一致，不得有裂紋、孔洞、汽泡、凹陷和明顯的雜質。各部件的尺寸均應符合設計規格要求，濺散元件的尺寸及角度必須準確，噴嘴出口直徑的允許偏差為±013mm。各螺紋連接件之間應配合良好、松緊適度、進退自如。2噴嘴及其附件的材質：材質必須滿足安裝運行要求，具有良好的耐熱、耐老化、耐水流沖刷等性能。噴嘴材料有鑄鐵、鑄鋁、鑄銅、塑料等。采用ABS塑料及聚丙烯PP塑料制作的噴嘴，其物理力學性能應符合表3-8中的各項指標。5、各種配件形式的比較各種配件形式的比較見表3-9。各種配水形式都應采用適合于本系統的噴嘴，有些噴嘴既適合于管式配水，也適用于槽式或池水配水。設計時應了解噴嘴的水力特性和噴水密度、噴濺范圍等，以便正確選用。冷卻塔旋轉式配水系統旋轉式配水系統在配水管上開有出水孔或扁形出水縫，利用水噴出時的反作用力推動配水管旋轉，使淋水填料表面得到輪流而均勻的布水。如圖3-43、圖3-44所示。單組旋轉配水系統圖3-43適用于小型玻璃鋼逆流式冷卻塔；中型或中偏大冷卻塔則可采用多組旋轉配水裝置圖3-44，視具體情況而定。1、旋轉式配水系統的特點1供水壓力高于槽式池式配水和部分低壓管式配水。2改變噴水口的噴水角度可調節配水管轉速噴角一般在30°～60°之間。3布水均勻性常好，但布水是間歇的特別是塔徑較大時更明顯。4在配水管上設置擋水板，具有一定的促進配水均勻和除水作用。5孔口較易堵塞。2、旋轉配水器大都采用尼龍、銅或鋁合金制成，配水管采用玻璃鋼管或塑料管，在保證強度的前提下，重量要輕，有利于旋轉和節能。由于有運動部件故加工要求高，維修比較困難。3、采用旋轉布水時，應保證配水器正常運轉，管上開孔角度和方向正確，孔口光滑，管端與塔體間隙以20mm為宜，管底與填料間隙不小于50mm。冷卻塔配水系統的選擇對于配水系統，除要求配水均勻、通風阻力小、能耗低和便于維護修理外，還應結合塔型、循環水量和水質等條件加以考慮，一般為：1、逆流式冷卻塔可采用槽式、管式或管槽結合的配水方式。2、橫流式冷卻塔宜采用池式配水。3、圓形中小型逆流式機械通風冷卻塔多采用旋轉布水方式。4、水質較差時宜采用槽式配水系統。大型冷卻塔的循環水水量大，采用槽式配水固然可以降低供水能耗，但水槽將占去較大的通風面積按塔橫斷面計一般占25%～35%，增加了通風阻力，直接影響冷卻效果。為了改善冷卻塔的通風條件，減少配水槽所占的通風面積，降低通風阻力，可以采用低壓管式配水系統或槽管結合的配水系統，宜多做幾個方案進行技術經濟比較后確定。