Московский Государственный Университет Природообустройства
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

Кафедра комплексного использования водных ресурсов

           Содержание
 Введение
 Осн. обозначения

Лекционный курс
 Лекция № 1-2
 Лекция № 3-4
 Лекция № 4-5
 Лекция № 6
 Лекция № 7
 Лекция № 8

Практический курс
 Практика № 1
 Практика № 1-2
 Практика № 2-3
 Практика № 4
 Практика № 5
 Практика № 6
 Практика № 7
 Практика № 8
 Практика № 9

    Литература Рекомендуемая литература 

           Скачать
 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ "ОСНОВЫ ГИДРОФИЗИКИ"
Автор: Козлов Д. В.

  Скачать Методичку

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ "ОСНОВЫ ГИДРОФИЗИКИ"
Автор: Козлов Д. В.

6.   РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ  ТЕРМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ВОДОТОКА

 

6.1. Термический режим водотоков

Развитие тепловых процессов в водотоках обусловлено сочетанием климатических особенностей района расположения водотока, водности реки или канала, гидравлических свойств и морфологических характеристик русла.

Большинство водотоков (в первую очередь рек) турбулентно. Если турбулентность достаточно велика, обусловленное ею перемешивание достаточно для разрушения любой начальной стратификации, связанной с изменением плотности воды при ее охлаждении до температуры от 4°С до 0°С. Теплопроводность воды полностью определяется турбулентностью. Поскольку на водотоках температурная стратификация практически отсутствует, потери тепла с поверхности одинаково охлаждают поток по всей глубине, и температура воды в соответствии с погодными условиями постепенно понижается до точки замерзания (кристаллизации). Градиент температуры вдоль потока пренебрежимо мал.

Водная масса рек и каналов сравнительно быстро реагирует на изменение метеорологических условий, но вследствие тепловой инерции ее температурный ход более сглажен, чем температуры воздуха. Весной температура воды в реке обычно ниже на 2-3°С температуры воздуха, осенью (в октябре) – на 5-10°С выше.

Годовой термический цикл водотоков вследствие интенсивного турбулентного перемешивания и отсутствия конвекции не отличается особой сложностью. В практике принято делить годовой термический цикл водотока на два периода – при отсутствии льда (летний) и при его наличии (зимний).

Зимний термический режим водотоков достаточно разнообразен, что связано с образованием в водной толще внутриводного льда, шуги и движением кромки ледяного покрова.

Пока поверхность потока свободна от льда, температура воды в мелких реках и неглубоких каналах быстрее реагирует на меняющиеся метеорологические условия, чем в глубоких, из-за разницы в глубине. До охлаждения воды до 4°С  перемешивание происходит на всю глубину, поскольку холодная поверхностная вода более плотная, чем теплая вода внизу потока. При температуре от 4°С до 0°С перемешивание зависит от турбулентности. По достижению водой температуры 0°С дальнейшее выхолаживание приводит к формированию ледяного покрова или, если вода переохлаждена, внутриводного льда. 

Когда ледяной покров сформировался, термический режим водотока характеризуется температурой у поверхности воды постоянной и близкой к температуре замерзания (плавления). Она отличается от нее на 0,1°С или меньше.  Ледяной покров действует на реку как теплоизоляционный экран, препятствующий поступлению тепла из атмосферы и выхолаживая путем теплоотдачи к его нижней поверхности любые тепловые стоки, вводимые в поток. Существенное значение приобретают диссипация энергии (переход части механической энергии потока в тепловую) и теплообмен с дном Sд.

Температура воды в водотоке под ледяным покровом (при заданной температуре воды у кромки) практически не зависит от толщины ледяного покрова и от метеорологических условий, но, напротив, толщина льда существенно зависит от обоих факторов (см. Практическое занятие №7).

 

Особенности зимнего термического режима каналов и нижних бьефов гидроузлов.

Температурный режим участков рек ниже гидроузла и каналов характеризуется следующими общими чертами, значительно отличающими его от температурного режима водохранилища. Различия эти состоят:

  • в быстрых изменениях температуры воды в водотоке и ее сильной зависимости от предшествующих метеорологических условий; теплопроводность воды полностью определяется турбулентностью потока;
  • в сложности и многообразии ледового режима водотока, в том числе из-за интенсивного образования внутриводного льда и шуги, а также движения кромки ледяного покрова;
  • в отсутствии выраженной температурной стратификации (разность температур по глубине мала) водной массы в поперечном сечении и наличии пренебрежимо малого градиента температуры по длине потока.

Для нижних бьефов гидроэлектростанций независимо от периода годового цикла происходят характерные изменения температуры воды по длине бьефа. В безледоставный период она изменяется от температуры воды, поступающей в нижний бьеф из верхнего (водохранилища), до установившейся температуры, соответствующей теплообмену потока с атмосферой. В зимний период по длине нижнего бьефа вода охлаждается до 0°С, а затем в зависимости от гидрометеорологических условий переохлаждается до величины максимального переохлаждения, образований внутриводного льда, выделения теплоты кристаллизации, сброса переохлаждения и формирования кромки ледяного покрова. Влияние смены периодов и фаз годового термического цикла водохранилища сказывается  на величине начальной температуры, поступающей в нижний бьеф, и на соотношении между тепловыми потоками у поверхности воды и у дна.

Вследствие того, что вода в водохранилище осенью обладает большим запасом тепла, осеннее охлаждение воды в нижнем бьефе отстает по сравнению с естественными условиями, например, на крупных водохранилищах Сибири на 10-15 дней. В весенне-летний период вода в нижних бьефах холоднее, чем в естественных условиях вследствие более медленного прогревания водных масс водохранилищ. Так, температура воды Енисея ниже плотины Красноярской ГЭС в летний период стала на 8-10°С ниже, чем до зарегулирования реки, и, наоборот, повысилась на 4-5°С в осенние месяцы, что создало определенные трудности при освоении прилегающей территории. Причем, Красноярское водохранилище вследствие его глубоководности оказывает в 4-5 раз большее влияние на термический режим нижнего бьефа, чем, например, мелководное Новосибирское (Л.К.Малик, 1990г.).

На температуру воды в нижнем бьефе ГЭС также большое влияние оказывает проточность водохранилища и схема забора воды к турбинам ГЭС. Чем больше проточность, тем ниже температура воды, поступающей в нижний бьеф. Забор воды к гидроагрегатам, в первую очередь, высоконапорных ГЭС из глубоких слоев стратифицированнго водохранилища (например, Красноярского, Братского или Колымского), температура в которых в течение года изменяется в незначительных пределах (3-8°С) и отличается от температуры воды в поверхностных слоях водохранилища в летний и зимний периоды и от температуры воды в реке в бытовых условиях, также обусловливает изменение температурного режима реки за гидроузлом. Если же производить забор воды к турбинам ГЭС посредством специальных конструкций (селективный водозабор) из поверхностных слоев водохранилища, то при определенных условиях температурный режим за гидроузлом будет приближен к режиму, существовавшему в реке до возведения гидроузла.

Изменения в термическом режиме реки в результате гидротехнического строительства по сравнению с естественными условиями влияют на работу не только самого гидроузла, но и сооружений водохозяйственного назначения (водозаборов питьевого и промышленного назначения и т.д.), водного транспорта, расположенных в зоне термического влияния ГЭС, а также на качество воды и климат региона.

Канал, как искусственный водоток, отличается от реки (естественного водотока) рядом особенностей: постоянством сечения русла по длине, возможностью регулирования гидравлических характеристик в процессе эксплуатации (заданием постоянного расхода, а также необходимой скорости его изменения),  определенностью температурных условий в голове канала, незначительной температурной стратификацией воды по трассе канала.

В отличие от условий рек термический режим каналов подвержен влиянию работы насосных станций, организованных перепадов и других сооружений, определяющих гидравлику потока и, следовательно, условия перемешивания воды. С помощью работы перегораживающих сооружений систему канала можно привести к условиям близким к речным и к условиям близким к условиям неглубоких слабопроточных водохранилищ.

Термический режим каналов большой и средней протяженности и входящих в их систему водохранилищ зависит также от географического расположения трассы канала, особенно при пролегании ее в меридиональном направлении, когда канал пересекает различные природно-климатические зоны.

При наступлении отрицательных температур воздуха и появлении в канале или на отдельных его участках шуги и льда канал может быть разбит условно на три термических участка (см. рис.8  в Практическом занятии №8).

При понижении температуры воздуха интенсивность охлаждения воды в открытом канале увеличивается, что приводит к наступлению кромки льда; протяженность участка канала, покрытого льдом, увеличивается. При потеплении наблюдаются обратные процессы, связанные с отступлением кромки льда.

 

6.2. Расчет температуры воды в водотоке

Расчет температуры воды в реке, отводящем канале, в нижнем бьефе гидроэлектростанций и в других случаях имеет непосредственное практическое значение. При решении этих задач используется дифференциальное уравнение (5.9) (Лекция №7), описывающее температурное поле потока. Уравнение может быть решено при наличии следующих начальных и граничных условий: распределения температуры в начальном (входном) створе потока и теплообмена на внешних границах (на поверхностях) потока. Кроме того, должны быть заданы проекции скоростей υx, υy, υz во всех точках изучаемого потока, а также значение коэффициента турбулентной теплопроводности λт.

Учитывая, что в водотоке главенствующую роль играет турбулентное перемешивание по вертикали и адвективный теплоперенос в направлении движения воды, уравнение (5.9) в Лекции №7 на практике упрощают до условий прямолинейного течения, т.е. принимается,  что υy = υz = 0.

Кроме того, пренебрегают вторыми производными от температуры по длине и ширине потока из-за их малости. И тогда уравнение (5.9) (Лекция №7) приобретает следующий вид:

 

(6.1)

 

или, после интегрирования правой части,

 

 

(6.2)

 

а для установившегося температурного режима (t/∂τ = 0)

 

 

(6.3)

 

Это уравнение уже может быть решено аналитически или проинтегрировано конечно-разностным методом. Для его решения необходимо располагать начальными и граничными условиями, а также значениями продольной скорости υx. Определение составляющих поверхностного теплового потока следует осуществлять согласно рекомендациям, имеющимся, например, в [38]. 

Уравнение (6.3), которым определяется изменение средней по сечению температуры воды вдоль течения при открытой поверхности, может быть использовано и для расчетов температуры воды под ледяным покровом, но для этого необходимо в него внести некоторые изменения, заменив поверхностный тепловой поток из воды в воздух на тепловой поток из воды в лед.   

В конечных разностях уравнение (6.3) имеет следующий вид:

 

 

(6.4)

 

или

 

 

(6.5)

Здесь ∆t/∆x = (tкtн)/∆x, а qв = υxH, где tн и tк — средняя температура воды соответственно в начальном и конечном сечениях участка водотока длиной ∆x,  Q — сумма тепловых потоков через свободную поверхность водотока и дно, qв — удельный расход воды.

Отдельные слагаемые суммы теплопотоков зависят от искомой температуры воды на участке, т.е. от температуры tср=(tн + tк)/2. Это обстоятельство обусловливает выбор метода решения уравнения, а именно: метода последовательных приближений. Он заключается в том, что задается ориентировочно искомое значение температуры tк, затем определяются теплопотоки через поверхности водотока, после чего решается уравнение (6.5). Решением этого уравнения считается значение температуры, которое совпадет с заданным ее значением. Если в результате выполненного расчета совпадение заданного значения температуры с найденным по уравнению не достигнуто, расчеты повторяют, задав новое значение tк и т. д.

Длина рассматриваемого участка, в конце которого отыскиваемая температура равна tк, определяется равенством ∆x = υx∆τ.

Период времени ∆τ (время добегания потока) выбирается с учетом отрезка времени, за который дана метеорологическая информация. Обычно она дается как средняя суточная, средняя декадная или средняя месячная.

Проектирование температурной кривой водотока по его длине по уравнению (6.3) выполняется по следующей схеме (рис.6.1).

 

Рис.6.1. Схема построения температурной кривой открытого водотока [8]

 

Водоток по длине разбивается на участки протяженностью ∆xi в зависимости от времени добегания потока ∆τ. Затем в поле координат t, x на первом участке проводится отрезок температурной кривой. Начало этой  кривой определяется начальной температурой tн, а конец — конечной  которая задается ориентировочно. Средняя температура воды  , снятая с этого отрезка, позволяет определить тепловые потоки через водную поверхность водотока (граничные условия), которые подставляются в уравнение (6.5). Вычисленный по этому уравнению градиент температуры сравнивается с заданным. Если результаты сравнения расходятся, то вычисления повторяются с учетом градиента, определенного по уравнению (6.5).

Выполнив расчеты для первого участка водотока, переходят к следующему. Экстраполируют температурную кривую участка в следующий интервал ∆x, затем с экстраполированного отрезка кривой снимают среднее значение температуры, по которому определяют тепловые потоки для нового участка водотока и т. д.

В заключение отметим, что расчет температуры по уравнению (6.3) может быть выполнен не только графоаналитическим способом, как это изложено выше, но и с помощью ЭВМ.

Расчет температуры воды по длине нижнего бьефа гидроузла.

Методика аналитического расчета изменения температуры воды по длине нижнего бьефа (t) разработана наиболее детально в работах А.И.Пеховича [30] и справедлива при следующих основных допущениях: разность температур по глубине и ширине потока мала вследствие больших значений коэффициентов турбулентного перемешивания; распределение температуры по глубине и ширине потока считается равномерным; основное изменение температуры происходит по длине потока (одномерная тепловая задача) в условиях квазистационарности.

С учетом перечисленных допущений изменение t, полученное на основе решения дифференциального уравнения теплового баланса движущегося отсека жидкости (6.1) для установившегося гидравлического режима и постоянных морфометрических характеристик русла, имеет вид:

t=(tНБ -Jэ)×exp(-a1×b×x/(cвrв Q))+Jэ,                                        (6.6)

где св ,rв – теплоемкость и плотность воды при наблюденной температуре; a1 - коэффициент теплообмена воды с воздухом, Jэ - эквивалентная температура воздуха, b - ширина потока в нижнем бьефе, x - координата по длине потока (начало оси координат у ГЭС).

Температура воды, поступающая в нижний бьеф из водохранилища tНБ, в том числе при поверхностном селективном водозаборе, может быть определена, исходя из распределения температуры воды по глубине на участке водохранилища, соответствующем средней по длине водохранилища толщине транзитного потока у плотины. Значение tНБ является начальным условием для проведения прогностических расчетов ледотермического режима в нижнем бьефе гидроузла; граничными условиями являются условия теплообмена воды с воздухом и грунтом ложа.

Расчет температуры воды в потоке под ледяным покровом без учета влияния диссипации механической энергии на температуру воды можно осуществлять по формуле для средней по глубине температуры:

tср=(tкр -Sд/a2)×exp(-a2×b×x/(cвrв Q))+ Sд/a2,                            (6.7)

где  tкр - температура воды у кромки льда, a2 - коэффициент теплоотдачи от воды ко льду.

 

6.3. Расчет температуры воды в водохранилище-охладителе ТЭС

В настоящее время в России более 82% электроэнергии вырабатывается на тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанциях.

В системе этих электростанций часто предусматривается оборотное водоснабжение с использованием охладителей в виде градирен, брызгальных бассейнов или водохранилищ. Предпочтение обычно отдают водохранилищам, так как с их применением достигается более значительное понижение температуры воды, экономия электроэнергии на ее перекачку, комплексное использование водоемов (рыбоводство, орошение и т. д.) при невысоких капитальных затратах на их сооружение.

Схема взаимодействия отдельных блоков энергетического оборудования ТЭС следующая (рис.6.2). Ископаемое топливо подается в топку парогенератора. В процессе его сгорания в парогенераторе образуется пар, который поступает в турбоагрегат для выработки в электрогенераторе электроэнергии. После охлаждения в конденсаторе отработанного турбоагрегате пара его направляют в парогенератор для повторного использования. Для охлаждения пара в конденсаторе применяется вода, которая подается из водохранилища-охладителя с температурой tз (температура воды на водозаборе). Пройдя конденсатор, вода приобретает теплоту пара и выходит из него с температурой tс (температура воды на водосбросе в водохранилище-охладитель). Количество воды, требующееся для охлаждения пара в конденсаторе современных мощных ТЭС и АЭС, достигает порядка 100—150 м3/с.


Рис.6.2. Принципиальная схема ТЭС [8]

tс — температура воды, сбрасываемой водохранилище; tз — температура воды, забираемой из водохранилища.

В практике эксплуатации ТЭС и АЭС иногда используют прямоточную систему водоснабжения. При этой системе вода, забираемая из реки для охлаждения пара в конденсаторе, сбрасывается в нее же только ниже по течению. Следовательно, эта вода повторно не используется. В этом случае происходит существенное тепловое загрязнение реки, так как вода сбрасывается с повышенной температурой. По этой причине применение прямоточного водоснабжения ограниченно.

При проектировании системы технического водоснабжения ТЭС и АЭС с водохранилищами-охладителями необходимо выполнять их тепловой расчет, в результате которого должно быть установлено соответствие охлаждающей способности водоема той тепловой нагрузке, которая обусловливается работой электростанции.

Тепловая нагрузка водохранилища-охладителя — это количество теплоты, поступающее с электростанции в водохранилище и приходящееся на единицу площади его поверхности.

Обычно при проектировании необходимо определить:

1)  предельную мощность электростанции, которая может быть обеспечена имеющимся водохранилищем-охладителем;

2)  необходимую площадь водохранилища-охладителя, отвечающую заданной мощности электростанции.

Тепловая электростанция будет работать нормально, если температура воды, забираемой из водохранилища tз, не будет превышать заданную (примерно 33—35°С), а перепад температуры ∆t между сбрасываемой и забираемой водой (предусмотренный технологией выработки электроэнергии) составит не менее 8°С. Чтобы охладить воду на ∆t, необходимо иметь соответствующую площадь водохранилища Ω, с которой происходит теплоотдача в атмосферу, обусловливающая это охлаждение. Размеры указанной площади определяются расчетным путем.

 

 

Рис.6.3. Схема водохранилища-охладителя [8]

1 — водосброс, 2 — водозабор, 3 — транзитный поток, 4 водоворот, 5 — тупиковая  зона, 6 — плотина.

 

В водохранилищах-охладителях различают циркуляционный (транзитный) поток, водоворотные и тупиковые области (рис.6.3). Основную роль в охлаждении воды играет транзитный поток. Роль водоворотных и тупиковых областей менее значимая, она учитывается коэффициентом эффективности водохранилища-охладителя Kэф.

Метод расчета водохранилища-охладителя был предложен в 1929г. Н.М.Бернадским и почти без изменений рекомендуется в настоящее время специальными методическими указаниями [23]. Он предусматривает решение двух задач — гидравлической и теплотехнической. Первая задача сводится к расчету транзитного потока и определению активной площади водохранилища (площади, которая принимает участие в охлаждении воды):

Ωакт = KэфΩ.                                                         (6.8)

С помощью второй задачи оценивается температура воды на водозаборе - tз. В этой части расчета активная площадь является одним из основных факторов, определяющих охлаждение воды в водохранилище и, соответственно, tз. Расчет температуры осуществляется по уравнению теплового баланса для установившегося режима водоема (6.3) в следующем виде:

 

(6.9)

 

где dω = bdx — приращение площади транзитного потока, b — ширина транзитного потока, Qц — циркуляционный расход воды.

Теплотехнический расчет водохранилища-охладителя заключается в оценке температуры забираемой воды в период самого жаркого времени года (самого тяжелого периода для работы ТЭС). Поэтому при расчете теплоотдачи в атмосферу в уравнении (6.9) необходимо использовать экстремальные значения солнечной радиации и метеорологических условий в районе расположения водохранилища-охладителя.

Рис.6.4. Кривая падения температуры воды вдоль активной зоны водохранилища-охладителя [8]

tе — температура воды естественного водоема.

 

Перепишем уравнение (6.9) в виде

 

(6.10)

 

Проинтегрировав эту зависимость, получим

 

(6.11)

 

 

где ωуд — удельная площадь активной зоны водохранилища.

Уравнение (6.11) можно представить в виде кривой падения температуры в координатах ωуд и t (рис.6.4), построенной способом, изложенным в Практическом занятии №6 (1-й час) при рассмотрении уравнения (6.3). С помощью указанной кривой можно оценить удельную площадь активной зоны водохранилища при заданной температуре воды на сбросе (tс) и водозаборе (tз), а также решить обратную задачу — при заданном перепаде ∆t и удельной площади ωуд найти температуру воды tс и tз.

Изложенный метод не применим для расчета охлаждения воды в глубоких водоемах, так как в них нет полного перемешивания воды по глубине потока, являющегося одним из условий применения метода. Гидравлические и гидротермические процессы, происходящие в таких водоемах, относятся к весьма сложным вопросам гидромеханики.


На Практическое занятие № 5
На Практическое занятие № 7

Copyright © 2002-2007 ГОУ Московский государственный университет природообустройства.                                                                                                           Наш e-mail: mailto:web-msuee@rambler.ru
Руководитель проекта: В.В. Шабанов
Дизайн и програмирование: Сиранчиев К.А.