泵站技术供水盘管冷却器布置与换热面积计算

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Installation of Coiled Pipe Cooling Device and Calculation of Heat Exchan ge Area forthe Technical W ater Supply of Pumping StationYAN Hong-qin1，HUANG Yi(1.Hydraulic Engineering Science and Technology Consultation Limited Company of Jiangsu Pronce，Nanjing 210029，China；2.Shanghai Survey& Design Research Institute，Shanghai 200434，China)Abstract：According tO the engineering characteristics of the pump station，the closed circulating water supply system composedof the coiled pipe cooling device which was installed in natural water for cooling is an energy-saving and reliable technical watersupply mode.The heat transfer principle of the coiled pipe cooler was analyzed using the heat transfer theory，and the calculationformulas of heat exchange area of coiled pipe cooler under different instalation form s were proposed.The results showed that(1)when the coiled pipe cooler is in static water th natural convection heat transfer and water capacity is used tO carry awayheat.the heat exchange area of the coiled pipe coler is the largest；(2)when the coiled pipe coler is in floransfer and water flow is used to carry away heat，the heat exchang e area of the coiled pipe cooler is thelower；(3)increasing of the pipe internal thermal fluid or the flow rate of coling water outside of the pipe can reduce the heattransfer area。but it increases the pipeline installation requirements and operation cost；and(4)the stainless steel material is rec-ommended for the coil material in order to save the investment and prolong the service life。

Key words：pum ping station；technical water supply system coiled pipe co ling device；instalation；heat transfer area泵站工程中，供给生产的用水称为技术供水，包括冷却水和润滑水，其中冷却水主要供应电机或齿轮箱的油(空气)冷却器，供应量约占全部供水量的85%左右L3J。冷却水供应既要保证持续供给，又需满足设备冷却要求，是泵站技术供水系统的重要组成部分，该系统设计的合理性与经济性，直接影响机组运行可靠性及 日常运行成本。

传统的泵站技术供水系统-般采用河水直供方式，近年来出现了-些新型技术供水方式，如利用板式换热器4 或冷水机组l5 形成循环供水方式。另外，利用置于水中的盘管冷却器，通过热交换实现管内水体冷却的循环供水方式在部分泵站技术供水系统中得到应用，这种冷却器随主体工程-次设计建成后，可长期运行。从热量传递方式看，盘管冷却器属于间壁式热交换器[7]的-种，但与化工、暖通等行业使用的定型产品不同，冷却盘管置于开放式水池中，无需提供冷流体，而是依靠天然水体冷却，因此节能、环保。常见换热器盘管换热面积计算在各种技术手册中均有说明，同时毛培元8 采用列图法提出了化工生产中盘管热交换器最佳尺寸确定方法，沙站等[9 认为闭式冷却塔中管壁热阻对泠却盘管收稿 日期：2012-10-16 修回日期：2013-05-03 网络出版时间：2013-05-18网络出版地址：http：//Ⅵrw cnki.net/kcms/detml/13.1334.T 20130518.1744.027.html作者简介：颜红勤(1973-)，男，江苏姜堰人，高级工程师，主要从事泵站工程技术咨询与研究。E-mail：yanhq2003###yahoo.com.cn. 173 。

Isn 蜥 罐 龋 ∞l滞 a第 11卷 总第 66期 ·南水北调与水利科技 ·2013年第3期传热影响较小，可忽略不计 ，而泵站技术供水系统中盘管冷却器换热面积计算尚未见相关文献说明。

1 技术供水系统组成与布置盘管冷却器是指由金属管道弯曲形成盘状、置与自然水体中的热交换系统。根据管外水体流动与否，可分为静水冷却器和动水冷却器两类。静水冷却器-般安装于泵站排水廊道或空箱岸墙内，要求有较大的水体容量，多做成具有较多弯头的蛇状盘管，见图 1(a)。由于周边水体处于静止状态，静水冷却器对管道的安装固定要求较低。动水冷却器可安装于出水流道中或进出水池内，由于周边水体处于流动状态，对安装固定要求较高，通常做成较长的通道形式，利用站墩等大体积混凝土进行固定，见图1(b)。

出水冷却盘管 站墩- 、rf亲 f 进 水(a)静水冷却器 (b)动水玲却器图 1 盘管冷却器安装示意图Fig.1 Schematic diagram of the installation ofcoiled pipe cooling device包括盘管冷却器在内的循环供水系统主要由油(空气)冷却器、供水泵、盘管冷却器、管道、闸阀等组成。根据机组是否共用冷却器，又可分为单台机组独立循环系统和多台机组共用循环系统两种形式，见图 2。运行初期利用补水装置、供水母管向系统充水，充水完成后关闭系统与供水母管连接闸阀，开启供水泵，实现循环运行。

母管l供水泵；2止回阀；3仪表三通旋塞；4压力表；5、6截止阀；7排气阀；8电磁流量计；9温度传感器；10电接点压力表；1l法兰闷板；12盘管冷却器I3离位水箱(a)单台机组独立循环系统4l管道增压泵；2、3止回阀；4压力表；5水表；6深井泵7、8、9、10闸阀；l1排气阀；12盘管冷却器(b)多台机组共用循环系统图 2 供水系统图Fig.2 The technical water supply system.174. 主 娃 采下游常见冷却器由冷水系统与热水系统组成。由图 2可知 ，本文所述的盘管冷却器仅包括热水系统。相对于利用板式换热器或冷水机组组成的循环供水系统，冷水系统根据泵站站身特点，直接利用天然水体，工程直接投资可减少-半，同时也提高了运行可靠性。

2 盘管冷却器的传热计算方法传热计算的主要 目的是根据设备冷却负荷要求，确定换热面积，优选布置方案。

2.1 热负荷计算方法泵站工程中，需用冷却水的设备主要有电机、齿轮箱、推力轴承等，油(空气)冷却器中的热流体(主要为水)在盘管中流动，通过管外冷流体(水)的流动，利用管壁的热交换带走热量，达到冷却目的。

假设盘管中水体传热为恒压过程，不计盘管以外段管道热量传递，根据热力学定律，热负荷计算公式为：Q-%Cp(T1-T2)- (丁1-丁2) (1)式中：Q为盘管冷却装置需冷却的热负荷(w)； 、q为管内热水的质量流量(kg/s)、体积流量 (m3/s)，-般 由设备厂家确定； 为管内热水的平均恒压 比热(J/kg·℃)；p为管内热水的平均密度(kg/m3)；Tx、T2为冷却盘管内热水进、出口温度(℃)，-般可采用设备油(空气)冷却器的出口与进口温度。

2.2 换热面积计算方法盘管冷却装置的理论换热面积可由传热基本方程计算确定，即：q - K△ (2)式中：s 为盘管理论换热面积 (m2)；K为管道传热系数(w/m2·℃)；△ 为传热平均温度差(℃)。

考虑管壁污垢等不确定因素影响，设计换热面积 S-· S， 为安全系数，可取 1.5～2.0。

2.2.1 传热平均温度差 △ 计算方法通常管外冷却水体容量较大，可将盘管传热简化为管内水体变温，管外为恒温状态的错流传热模式，则有：△ ： (3)In( )式中：t为管外流体温度(℃)。

2.2.2 管道传热系数K计算方法盘管可采用不锈钢或碳钢等材质制成的弯曲管道，根据对流传热基本方程，热、冷流体通过间壁的传热是-个对流传热-热传导-对流传热”的串联过程，盘管传热系数可用下式计算：K 融1式中：∞、 为管壁内外侧水体的传热膜系数 (w/m2·℃)；R 、R舯为管壁内外侧污垢热阻(rn2·C/W) 为管壁厚度(m)及导热系数(W/m·℃)；di、do、dm分别为管道内径、外径、平均直径(m)。

排水廊道侧壁颜红勤等·泵站技术供水盘管冷却器布置与换热面积计算对于管壁内外侧水体的传热膜系数，根据水体流动方式及速度不同，分别采用相应计算方法[10-11]。

通常冷却盘管内水体雷诺数Re在 10 000以上，水体流动方式为湍(紊)流，有：啦-o.023 eo·8pro·3-0.023 ( ) sp D3a i a i式中：P 、、lD、 和 分别为管内水体普兰特准数、流速(m/s)，密度(kg/m3)、水体动力黏滞系数(Pa·s)和对流换热系数(W/(rnz·℃))。定性温度采用管道进出口温度的算术平均值。应用时，要求 0.7

a.盘管外为流动水体。当盘管位于流动水体中时，参照间壁式换热器中直列管的计算方法，即：口-0.26 pro.3 0.26-o( Pro。

式中：Pr、 和 为管外水体物理参数，意义同前，定性温度直接取水体温度； 为管道排数修正系数，由于间距较大，参照间壁式换热器取 0.64。

b.管道外为静止水体。盘管位于静止水体中时，此时传热以自然对流为主，则：。- (Gr.Pr)- 孕( . ) ao 0 A式中：Gr为管外流体格拉斯霍夫准数；At -， 为壁温，t为流体温度；定性温度tm-( t)/2； -1/(273 )；c、为系数，当 1O

3 计算案例与讨论现以某轴流泵站为例，分析盘管冷却器管道内、外水体流速及管壁材质对换热面积的影响。该站共安装 2 800 kW同步电机 3台套，设计要求电机油冷却器进水温度不高于 33℃[1 ，经过 电机后 温升 4℃，每 台电机冷却 水量为 8.0m3/h，共用-套冷却装置。盘管冷却装置进口温度 Tl取 37℃，出口温度 取 33℃，管外水体温度取 25℃。分别计算不同管内、管外水体流速、管壁材料与盘管换热面积S关系曲线，见图3。

(1)盘管处于静止水体中的情况下，管外流速为 0 m/s，以自然对流传热为主，利用水体容量带走热量，此时所需盘管换热面积最大。如管外水体容量较小，机组长期运行易导致其温度升高，传热平均温差减小，所需换热面积将进-步增加。

(2)盘管处于流动水体中的情况下，以强制对流传热为主，利用水体流动带走热量，此时随着管外水流流速加大，换热面积逐渐减小，但管外流速增加到-定数值时，会在管壁产生脱流，换热面积不再下降