温排水物理模型实验

2010-10-18刘华

科学之友 2010年1期

刘华

（太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原 030024）

温排水物理模型实验是研究向河流中排放较河水水温高的电厂表面的冷却水引起的环境污染问题。研究热量在传输过程中的时空分布情况，也就是受纳水域的温度场，研究电厂取排水口方案布置与优化问题，提出具体的排水口方案和尺寸，并对电厂取水温升进行预测给出温排水的热污染情况，从而解决由于水域温度升高而引起的一系列环境污染问题。在条件许可的情况下，电厂总是利用自然水体冷却排放出的废热。但火电厂的温排水，如果温度冷却过慢或者受潮汐的影响，在排水口附近徘徊，就可能导致热水直接回归引起取水温升较小，从而降低冷却效果。

1 模型的设计

模型设计都以相似理论为基础，但任何一种模型都不可能完全相似的再现原体，除非模型与原型比尺为1∶1，这时模型就失去了它的价值。试验中须从具体情况出发，抓住主要影响因素，兼顾次要因素，并估计其影响，进而比较精确地反映所关注的问题。对于温排水物理模型试验，除了应满足物理模型所要求的几何相似，水流运动相似以外，由于水域中增加了温度、盐度变量，还应要求浮力相似和热扩散相似。

1.1 重力相似

在具有自由面流动的模型试验研究中，考虑到重力为主要作用力，以重力相似准则（又称佛汝德模型定律）设计模型，即：

1.2 浮力相似

由于从电厂排出的温水比河道中水的温度要高，其水温高，密度就小，产生分层流动，按照温排水出流浮力相似，需满足密度佛汝得数相等，即：

结合重力相似要求（1），则浮力相似要求变为：

在模型试验中，模拟介质通常为水，根据水的密度随温度变化规律，可得：（ΔT）r＝1，

即模型试验中，要求模型中冷热水温差与原体相等。

1.3 热平衡相似

由于温排水模型中增加了温度变量,不但要求流速场相似，而且要求温度场相似，温差的存在不仅有热传导效应，而且增加了水气交面上热交换，原体与模型的热力运动应满足热平衡相似要求。

2 温排水物理模型取排水口布置

温水由排水口入注水域后,如水域基本上处于热平衡状态,其所带的废热有3条出路:①由排水口回归进入取水口；②由水域的自由水面逸散大气；③由上游来流带出水域。为保障电厂安全运行，冷却水要求低的取水水温，取排水口布置就应尽量避免热水直接回归进入取水口，也就是要求尽量减小①，增大②③。总结以往的经验，取排水口布置方式主要有：

2.1 分列式

分列式是一种传统的取排水方法，通过增加排取水口沿水流方向的间距，以避免热水直接回归。分列式取排水口布置，对取水口高程没有严格的要求。但其输入管道、渠道或防波堤投资较高，且取排水口占地面积较大。

2.2 差位式

差位式排取水口布置是将排取水口间距的着眼点,从随水流方向的纵向间距转移到垂直水流方向的法向间距上。利用这个法向间距，造成冷热水流动途径的分开，由排水口排放的热水和抽入取水口的冷水各有其流动的范围,出现基本上互不干涉的热水流道和冷水流道。采用差位式取排水布置方法，可以消除受潮汐往复流影响而导致的热水直接回归的影响。

2.3 重叠式

所谓重叠式，就是在排水口下面的一定深度布置取水口，取、排水口的平面距离为零。它是利用水体温度分层的现象，从底部抽取冷水，从表层排出温水。温排水在表层向四周扩散，而底部的冷水从各个方向流向取水口。

工程实际中，需根据具体的地形条件，考虑多方面综合因素，选择合理的取排水口布置方式。

3 温排水物理模型设备

3.1 加热控温系统

温排水物理模型试验取排水系统包括取水、加温和排水3个部分。具体由微型泵、调压器控制的电加热箱、浮子流量计、阀门、水温控制软件、专用接口电路和微机组成。用以上装置来模拟真实电厂的温排水时，取排水流量由浮子流量计和阀门控制，通过电加热箱进行加温，温差由调压器控制。调压器通过调节电加热器的电压，进而调节电加热箱两端的温度差。在微型泵工作过程中，取水流量出现变化时，可以通过调节阀门以保证取水流量在试验要求的范围内。为保证读数的准确性，在每次接通取排水系统的电源后，要先通过阀门对其进行排气，等读数稳定后在开始记录。