CN104730107B - 滨海电厂温排水数学模型表面散热系数实验室观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明滨海电厂温排水数学模型表面散热系数实验室观测方法属于环境工程领域，尤其是一种在实验室内对滨海电厂温排放区散热特征进行模拟并获得表面散热系数的方法。具体包括：收集研水文、气象统计数据，设置实验边界条件，设置实验初始条件，进行温降过程模拟，解算测量时段内的温排水表面散热系数序列；表面散热系数实验室观测装置包括：模拟环境箱、水温温降观测箱、前整流器、后整流器、风速调节器、温度调节器、湿度调节器、空气掺混器、空气混流空腔、绝热外壳。本发明的有益效果在于提供了一种实测表面散热系数的方法；同时提供了表面散热系数实验室观测装置。
Description
技术领域
本发明滨海电厂温排水数学模型表面散热系数实验室观测方法属于环境工程领域，尤其是一种在实验室内对滨海电厂温排放区散热特征进行模拟并获得表面散热系数的方法。
背景技术
近年来随着滨海核电站、火电站的兴建，电厂温排水排入近岸海域，使得海洋热污染问题逐渐突出，同时电厂取排水布置的合理与否也决定着电厂投资和运营费用。目前，比较成熟的用于热(核)电厂温排水的环境影响评价方法有现场实测、物理模型试验和数值模拟计算。数值模拟方法以其成本低、周期短而倍受电厂建设单位和设计单位青睐，目前通常在电厂初可、可研究阶段基本上是通过温排水数值模拟方法来进行电厂取排水口优化的。在预测温排水输移扩散的方法中，由于滨海电厂基本位于水深较浅的沿岸，温排水二维模型能较好地反映温排水的平流、扩散和累积等效果，能模拟计算水面热量损失的影响，理论基础和计算方法相对成熟，工程应用中最为普遍。
用海水冷却的滨海电厂只要发电机组不停止运行，温排水则一刻不停地将大量余热排入受纳水体，使得受纳水域局部水温升高、水质产生变化、水中生物的生长受到影响，如果情况继续恶化，可从根本上、整体上改变水生生态系统的结构和功能，我国目前尚未制定明确的温排水监管规定和接受准则，我国《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)和《海水水质标准》(GB3097-1997)对温排水引起的温升作了限值规定，对于拟建的用海水冷却的滨海电厂,如何准确的模拟预测将要建设的电厂温排水影响范围则显得至关重要，除了要对拟建电厂附近海域水动力状况较为准确的模拟外，对温排水数学模型及相关参数的较为合理的选取对温排水的计算结果影响极为重大。目前常用水面综合散热系数取值主要是参考国内外学者在实验室中获取的经验公式和经验参数，在工程实践中，管理和建设、设计部门比较观注不同季节长期水文气象数据统计特征值下温排水影响范围，选取的经验公式和经验参数是否符合电厂附近的实际水文气象关系则很难核实，对决定温排水计算结果正确与否的水面综合散热系数的取值是否合理、与拟建电厂的水文气象条件是否适宜的相关研究则显得非常薄弱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在室内获取温排水表面散热系数的方法，弥补现有温排水表面散热系数获取方法的经验性不足。
具体而言本方法包括以下步骤：
1、收集研究区域附近的长期观测海洋水文、气象统计数据，包括：多年月平均海水水温、多年月平均气温、多年月平均风速；
2、设置实验边界条件，将1中获取的海洋水文、气象统计数据作为实验条件，对表面散热系数实验室观测装置进行设置；
将实验条件按时间段分为冬季(12月1日-次年2月29日)，夏季(7月1日～9月30日)；
当实验为冬季条件时，选择多年月平均海水水温中最低值，作为室内温排水表面散热系数观测装置中被测水体的本底水温值，将相应月份的多年月平均气温值和多年月平均风速值作为室内温排水表面散热系数观测装置的气温和风速设定值；
当实验为夏季条件时，选择多年月平均海水水温中最高值，作为室内温排水表面散热系数观测装置中被测水体的本底水温值，将相应月份的多年月平均气温值和多年月平均风速值作为室内温排水表面散热系数观测装置的气温和风速设定值；
3、设置实验初始条件，对温降观测箱进行充水操作；
所述的充水操作是指：
当实验为冬季条件时，在温降观测箱充入比本底水温高12～15摄氏度的水，充水量达到箱内水深55cm；
当实验为夏季条件时，在温降观测箱充入比本底水温高8～10摄氏度的水，充水量达到箱内水深55cm；
4、进行温降过程模拟，测量温降观测箱中实验水体的温降过程；
室内温排水表面散热系数观测装置启动运行，通过小型气象站测量温降观测箱附近的气温值、风速值和湿度值，将测得值反馈进入计算机对室内温排水表面散热系数观测装置中的温度调节器、风速调节器、湿度调节器进行反馈调节，直到小型气象站测得值满足实验边界条件，其中温差小于±0.5℃，风速差小于5％；
观测时间设置为6～13h，其中高精度连续自记水温计采样频率设置为7次/s测温；高精度连续自记水温计采样所得数据进行时间平均，平均时长为1s；将8个高精度连续自记水温计时间平均后数据按照体积加权法进行空间平均；
5、利用4测得的温降过程解算测量时段内的温排水表面散热系数序列；
利用公式解算测量时段内的温排水表面散热系数序列，发明人经过反复试验和推导，得出上述公式，利用该公式算得温排水表面散热系数序列能够反映真实散热情况。
Tn第n时刻温降观测箱中实验水体温度，Tn+1是第n+1时刻温降观测箱中实验水体温度，Δt为n到n+1两时刻间的时间差，ρ为水的密度，Cp为水的比热，Hn是温降观测箱中实验水体的水深。
所述的表面散热系数实验室观测装置包括：模拟环境箱、水温温降观测箱、前整流器、后整流器、风速调节器、温度调节器、湿度调节器、空气掺混器、空气混流空腔、绝热外壳。
所述的模拟环境箱除顶面以外5个面为6cm厚绝热材料，其中上游支撑墙内侧固定前整流器，下游支撑墙内侧固定后整流器；所述的模拟环境箱顶面为具有真空层的透明玻璃窗；
所述的前整流器为铝合金风孔组，前整流器整体尺寸为1.6m(宽)×1.2m(高)×0.30m(深)，单个风孔尺寸为0.10m×0.1m×0.30m；所述的后整流器与前整流器相同；
所述的水温温降观测箱包括：箱体、8个高精度连续自记水温计；
所述的箱体为绝热材料制作，内径尺寸为118.4×46.4×58cm3(长宽高)，所述的绝热材料的导热系数小于0.006W/(mK)；
所述的8个高精度连续自记水温计固定箱体长边两段，每端固定4个，间距16cm，最下一个与箱底接近，最上一个与箱口接近；所述的箱体底面外侧四角设置调平螺栓。
所述的风速调节器为四个无级变速风扇，风扇直径0.62m，左右两侧风扇转向相反，左侧为顺时针，右侧为逆时针，风速方向相同，发明人经过多次试验得到以上组合，只有以上组合才能在模拟环境箱内获得均匀稳定的风速场；
所述的温度调节器包括空调器和热交换格栅，空调器在热交换格栅顶部，热交换格栅总尺寸为1.6m(宽)×1.6m(高)×0.35m(深)，单个格栅孔尺寸为0.10m×0.10m×0.35m；
所述的湿度调节器包括加湿器、导湿管、喷口，所述的导湿管直接连在加湿器上，导湿管沿热交换格栅垂直布置，在每个热交换格栅孔中部开横向喷口，第一喷口直径为2mm，喷口尺寸自上而下每个递增1mm，到最下一个喷口直径为18mm；发明人经反复试验得出这样的喷口直径能够在不同的位置喷出相同量的湿气；
所述的空气掺混器为一径向风扇，风扇为四叶片，叶片平行于转轴，单叶片长0.667m，宽0.381m，厚5cm，经过叶片的空气只会在垂向断面内被掺混，不会在轴向改变速度；叶片外周设置半径71cm的风圈，发明人经过多次试验得到以上掺混器尺寸，在这样的掺混器掺混下，上游来风被均匀掺混；
所述的空气混流空腔为绝热外壳与模拟环境箱的下游支撑墙所围成的腔体，从空气掺混器处吹来的空气在空气混流空腔里进一步掺混，然后进入后整流器；
空气的流动路径为：前整流器、水温温降观测箱、后整流器、风速调节器、温度调节器、湿度调节器、空气掺混器、空气混流空腔；在将风速调节器后置，在下游进行吸风而不是在上游吹风可以使模拟环境箱中的空气流更均匀；温度调节器置于湿度调节器上游，这样避免了本底温度较低时出现温度调节器冷凝现象影响湿度的控制。
本发明的优点在于：
1、提供了一种实测表面散热系数的方法；
2、本发明同时提供了表面散热系数实验室观测装置。
附图说明
图1表面散热系数实验室观测装置整体俯视示意图；
图2表面散热系数实验室观测装置前整流器侧视示意图；
图3表面散热系数实验室观测装置前整流器侧视示意图；
图4表面散热系数实验室观测装置后整流器侧视示意图；
图5表面散热系数实验室观测装置水温温降观测箱正视示意图；
图6表面散热系数实验室观测装置水温温降观测箱侧视示意图；
图7表面散热系数实验室观测装置风速调节器正视示意图；
图8表面散热系数实验室观测装置温度调节器正视示意图；
图9表面散热系数实验室观测装置温度调节器和湿度调节器侧视示意图；
图10表面散热系数实验室观测装置温度调节器和湿度调节器正视示意图；
图11表面散热系数实验室观测装置空气掺混器正视示意图；
图12表面散热系数实验室观测装置整体下游侧三维示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例为在室内对滨海A电厂进行温排水表面散热系数观测，包括以下步骤：
1、收集研究区域附近的长期观测海洋水文、气象统计数据，包括：多年月平均海水水温、多年月平均气温、多年月平均风速；
2、设置实验边界条件，将1中获取的海洋水文、气象统计数据作为实验条件，对表面散热系数实验室观测装置进行设置，具体而言：
进行测算冬季(12月1日-次年2月29日)表面散热系数实验：
选择多年月平均海水水温中最低值1.7℃，作为室内温排水表面散热系数观测装置中被测水体的本底水温值；
将相应月份的多年月平均气温值0.6℃和多年月平均风速值6.7m/s作为室内温排水表面散热系数观测装置的气温和风速设定值；
3、设置实验初始条件，对温降观测箱进行充水操作；
所述的充水操作是指：
在温降观测箱充入比本底水温高12～15摄氏度的水，充入后测得水温为16.5120℃，充水量达到箱内水深55cm；
4、进行温降过程模拟，测量温降观测箱中实验水体的温降过程；
室内温排水表面散热系数观测装置启动运行，通过小型气象站测量温降观测箱附近的气温值、风速值和湿度值，将测得值反馈进入计算机对室内温排水表面散热系数观测装置中的温度调节器、风速调节器、湿度调节器进行反馈调节，直到小型气象站测得值满足实验边界条件，并一直保持实验边界条件，其中温差小于±0.5℃，风速差小于5％；
本实施例稳定后小型气象站测得的气温为1.1℃，测得的风速值为6.6m/s；
观测时间设置为6～13h，其中高精度连续自记水温计采样频率设置为7次/s测温；高精度连续自记水温计采样所得数据进行时间平均，平均时长为1s；将8个高精度连续自记水温计时间平均后数据按照体积加权法进行空间平均；
测得的温度时间序列见下表：
5、利用4测得的温降过程解算测量时段内的温排水表面散热系数序列；
利用公式解算测量时段内的温排水表面散热系数序列：
对于本实施例中第一时段公式表示为：
经上述计算得到以下表面散热系数序列计算表,
其中
| ρ(kg/m3) | Cp(J/(kg℃)) | Hn(m) | Δt(s) |
| 999.97 | 4.18×103 | 0.55 | 3600 |
表面散热系数序列计算表：
| t(dd:hh:mm:ss) | 平均T(℃) | (Tn+1-Tn)(℃) | Tn(℃) | Ks(J/(m2s)) |
| 18:05:00:00 | 16.5120 | |||
| 18:06:00:00 | 15.8002 | -0.7118 | 16.5120 | -27.5284 |
| 18:07:00:00 | 14.8820 | -0.9182 | 15.8002 | -37.1106 |
| 18:08:00:00 | 13.5207 | -1.3612 | 14.8820 | -58.4096 |
| 18:09:00:00 | 12.9206 | -0.6002 | 13.5207 | -28.3479 |
| …… | …… | |||
| …… | …… | |||
| …… | …… | |||
| 18:21:00:00 | 1.9751 | |||
| 18:22:00:00 | 1.9459 | -0.0291 | 1.9751 | -9.4087 |
| 18:23:00:00 | 1.9256 | -0.0203 | 1.9459 | -6.6619 |
| 18:24:00:00 | 1.9057 | -0.0199 | 1.9256 | -6.5995 |
| 18:25:00:00 | 1.8870 | -0.0187 | 1.9057 | -6.2663 |
表面散热系数实验室观测装置包括：模拟环境箱1、水温温降观测箱2、前整流器3、后整流器4、风速调节器5、温度调节器6、湿度调节器7、空气掺混器8、空气混流空腔9、绝热外壳10。
所述的模拟环境箱1除顶面以外5个面为6cm厚绝热材料，其中上游支撑墙11内侧固定前整流器3，下游支撑墙12内侧固定后整流器4；所述的模拟环境箱1顶面为具有真空层的透明玻璃窗；
所述的前整流器3为铝合金风孔组，前整流器3整体尺寸为1.6m(宽)×1.2m(高)×0.30m(深)，单个风孔尺寸为0.10m×0.1m×0.30m；所述的后整流器4与前整流器尺寸相同；
所述的水温温降观测箱2包括：箱体21、8个高精度连续自记水温计22；
所述的箱体21为绝热材料制作，内径尺寸为118.4×46.4×58cm3(长宽高)，所述的绝热材料的导热系数小于0.006W/(mK)；
所述的8个高精度连续自记水温计固定箱体长边两段，每端固定4个，间距16cm，最下一个与箱底接近，最上一个与箱口接近；所述的箱体底面外侧四角设置调平螺栓。
高精度水位计的温度计算最终获得一个温度时间序列，计算过程及结果见下表所示，根据图6，图7所示，其中在垂直方向上底部的两个传感器控制体积各为59.2×46.4×10.5cm3，中间四个传感器控制体积各为59.2×46.4×16cm3，顶部两个传感器控制体积各为59.2×46.4×15.5cm3；
相应的温度传感器编号及体积对应表
所述的风速调节器5为四个无级变速风扇，风扇直径0.62m，左右两侧风扇转向相反，左侧为顺时针，右侧为逆时针，风速方向相同，发明人经过多次试验得到以上组合，只有以上组合才能在模拟环境箱内获得均匀稳定的风速场；
所述的温度调节器6包括空调器和热交换格栅61，空调器在热交换格栅顶部，热交换格栅总尺寸为1.6m(宽)×1.6m(高)×0.35m(深)，单个格栅孔尺寸为0.10m×0.10m×0.35m；
所述的湿度调节器7包括加湿器71、导湿管72、喷口73，所述的导湿管72直接连在加湿器71上，导湿管72沿热交换格栅61垂直布置，在每个热交换格栅孔中部开横向喷口73，第一喷口直径为2mm，喷口尺寸自上而下每个递增1mm，到最下一个喷口直径为18mm；发明人经反复试验得出这样的喷口直径能够在不同的位置喷出相同量的湿气；
所述的空气掺混器8为一径向风扇，风扇为四叶片，叶片81平行于转轴82，单叶片长0.667m，宽0.381m，厚5cm，经过叶片81的空气只会在垂向断面内被掺混，不会在轴向改变速度；叶片81外周设置半径71cm的风圈83，发明人经过多次试验得到以上掺混器尺寸，在这样的掺混器掺混下，上游来风被均匀掺混；
所述的空气混流空腔9为绝热外壳10与模拟环境箱1的下游支撑墙12所围成的腔体，从空气掺混器8处吹来的空气在空气混流空腔9里进一步掺混，然后进入后整流器4；
空气的流动路径为：前整流器3、水温温降观测箱2、后整流器4、风速调节器5、温度调节器6、湿度调节器7、空气掺混器8、空气混流空腔9，再循环到前整流器3；本发明将风速调节器5后置，在下游进行吸风而不是在上游吹风可以使模拟环境箱中的空气流更均匀；温度调节器6置于湿度调节器7上游，这样避免了本底温度较低时出现温度调节器6冷凝现象影响湿度的控制。
Claims (3)
1.滨海电厂温排水数学模型表面散热系数实验室观测方法，其特征在于包含以下步骤：
1)收集研究区域附近的长期观测海洋水文、气象统计数据，包括：多年月平均海水水温、多年月平均气温、多年月平均风速；
2)设置实验边界条件，将1中获取的海洋水文、气象统计数据作为实验条件，对表面散热系数实验室观测装置进行设置；
3)将实验条件按时间段分为冬季12月1日-次年2月29日，夏季7月1日～9月30日；
当实验为冬季条件时，选择多年月平均海水水温中最低值，作为室内温排水表面散热系数观测装置中被测水体的本底水温值，将相应月份的多年月平均气温值和多年月平均风速值作为室内温排水表面散热系数观测装置的气温和风速设定值；
当实验为夏季条件时，选择多年月平均海水水温中最高值，作为室内温排水表面散热系数观测装置中被测水体的本底水温值，将相应月份的多年月平均气温值和多年月平均风速值作为室内温排水表面散热系数观测装置的气温和风速设定值；
4)设置实验初始条件，对温降观测箱进行充水操作；所述的充水操作是指：
当实验为冬季条件时，在温降观测箱充入比本底水温高12～15摄氏度的水，充水量达到箱内水深55cm；当实验为夏季条件时，在温降观测箱充入比本底水温高8～10摄氏度的水，充水量达到箱内水深55cm；
5)进行温降过程模拟，测量温降观测箱中实验水体的温降过程；
室内温排水表面散热系数观测装置启动运行，通过小型气象站测量温降观测箱附近的气温值、风速值和湿度值，将测得值反馈进入计算机对室内温排水表面散热系数观测装置中的温度调节器、风速调节器、湿度调节器进行反馈调节，直到小型气象站测得值满足实验边界条件，其中温差小于±0.5℃，风速差小于5％；
观测时间设置为6～13h，其中高精度连续自记水温计采样频率设置为7次/s测温；高精度连续自记水温计采样所得数据进行时间平均，平均时长为1s；将8个高精度连续自记水温计时间平均后数据按照体积加权法进行空间平均；
6)利用4)测得的温降过程解算测量时段内的温排水表面散热系数序列；利用公式解算测量时段内的温排水表面散热系数序列；
Tn第n时刻温降观测箱中实验水体温度，Tn+1是第n+1时刻温降观测箱中实验水体温度，Δt为n到n+1两时刻间的时间差，ρ为水的密度，Cp为水的比热，Hn是温降观测箱中实验水体的水深。
2.表面散热系数实验室观测装置包括：模拟环境箱、水温温降观测箱、前整流器、后整流器、风速调节器、温度调节器、湿度调节器、空气掺混器、空气混流空腔、绝热外壳；
所述的模拟环境箱除顶面以外5个面为6cm厚绝热材料，其中上游支撑墙内侧固定前整流器，下游支撑墙内侧固定后整流器；所述的模拟环境箱顶面为具有真空层的透明玻璃窗；
其特征在于：所述的空气混流空腔为绝热外壳与模拟环境箱的下游支撑墙所围成的腔体，从空气掺混器处吹来的空气在空气混流空腔里进一步掺混，然后进入后整流器；
模拟环境箱中空气的流动路径为：前整流器、水温温降观测箱、后整流器、风速调节器、温度调节器、湿度调节器、空气掺混器、空气混流空腔；
所述的前整流器为铝合金风孔组，前整流器整体尺寸为宽1.6m×高1.2m×深0.30m，单个风孔尺寸为0.10m×0.1m×0.30m；所述的后整流器与前整流器相同；
所述的水温温降观测箱包括：箱体、8个高精度连续自记水温计；
所述的箱体为绝热材料制作，内径尺寸为长118.4×宽46.4×高58cm，所述的绝热材料的导热系数小于0.006W/(mK)；
所述的8个高精度连续自记水温计固定箱体长边两段，每端固定4个，间距16cm，最下一个与箱底接近，最上一个与箱口接近；所述的箱体底面外侧四角设置调平螺栓；
所述的风速调节器为四个无级变速风扇，风扇直径0.62m，左右两侧风扇转向相反，左侧为顺时针，右侧为逆时针，风速方向相同；
所述的温度调节器包括空调器和热交换格栅，空调器在热交换格栅顶部，热交换格栅总尺寸为宽1.6m×高1.6m×深0.35m，单个格栅孔尺寸为0.10m×0.10m×0.35m；
所述的湿度调节器包括加湿器、导湿管、喷口，所述的导湿管直接连在加湿器上，导湿管沿热交换格栅垂直布置，在每个热交换格栅孔中部开横向喷口，第一喷口直径为2mm，喷口尺寸自上而下每个递增1mm，到最下一个喷口直径为18mm。
3.根据权利要求2所述的表面散热系数实验室观测装置，其特征在于：所述的空气掺混器为一径向风扇，风扇为四叶片，叶片平行于转轴，单叶片长0.667m，宽0.381m，厚5cm，经过叶片的空气只会在垂向断面内被掺混，不会在轴向改变速度；叶片外周设置半径71cm的风圈。
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