厚板廠層冷系統(tǒng)補(bǔ)水量的計算方法

李 凡

(鞍山鋼鐵集團(tuán)公司 中板廠，遼寧 鞍山 114042)

冷卻水澆到熱的鋼板上后溫度迅速上升，其中一部分冷卻水以水蒸氣的形式損失掉，大部分冷卻水升溫后經(jīng)沉淀池、晾水塔等中間機(jī)構(gòu)處理后繼續(xù)循環(huán)利用.涼水塔補(bǔ)水量=蒸發(fā)量+排污水量+飄散損失量+泄漏量，一般涼水塔內(nèi)水分的蒸發(fā)量不大，約為進(jìn)水量的1% ～2.5%.飄散損失(飄水率)指的是沒有被風(fēng)帶出去的小水滴，這部分水沒有參加蒸發(fā)吸熱，約在0.3%，一些廠家說能控制在0.001%，一般是估算的，不同品質(zhì)的冷卻塔的實(shí)際飄散率差別很大.

鋼廠設(shè)計水系統(tǒng)時，除了要考慮瞬時最大流量、總水量等參數(shù)外，還要考慮冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的補(bǔ)水量，在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)軋制節(jié)奏、季節(jié)進(jìn)行補(bǔ)水控制［1］.

冷卻水在鋼板表面處于臨界沸騰狀態(tài)，并且遵從能量守恒定律，因此可以分別用臨界汽化率和能量守恒兩種方法進(jìn)行補(bǔ)水量計算.

1 汽化率方法計算補(bǔ)水量

式中，qmax為熱流密度，W/m2;r為汽化潛熱，J/kg;ρl、ρV為相應(yīng)于飽和液體和飽和蒸汽的密度，kg/m3;g為重力加速度，m/s2;γ為液體－蒸汽界面的表面張力，N/m.

其中，ρl、ρV和 γ隨溫度變化而變化.計算時，取 r=2 257 kJ/kg，ρV=0.598 kg/m3，ρl=958.4 kg/m3，γ=58.9×10－3N/m.代入公式(1)

當(dāng)以高密度的流體被一低密度的流體支持時，系統(tǒng)勢能處于較高位置，系統(tǒng)存在向勢能最低的穩(wěn)定態(tài)方向發(fā)展的趨勢，這時，在擾動的作用下，就會發(fā)生瑞利－泰勒(Rayleigh－Taylor)不穩(wěn)定性.這種不穩(wěn)定性是由密度梯度驅(qū)動的.應(yīng)用汽膜的泰勒不穩(wěn)定性原理［2］推導(dǎo)的大容器沸騰的臨界熱流密度的半經(jīng)驗(yàn)公式為計算，得

單位加熱面上的汽化率為

該計算式是在臨界熱流密度條件下得到的，因此實(shí)際汽化率小于該值.

假設(shè)集管長度為3.2 m，冷卻工藝從850℃冷卻到680℃，開啟12組集管，集管間距1 m，上下集管流量為 q上=90 m3/h、q下=220 m3/h，輥道速度為1 m/s，軋件寬度w=2.8 m，長度l=15 m，厚度h=25 mm，則單塊鋼的瞬時有效用水量為

瞬時汽化量為

汽化的水量占用水量的百分比為

冷卻單位質(zhì)量鋼板所消耗的汽化水量為

2 能量守恒方法計算補(bǔ)水量

忽略輻射等各種熱量損失不計，根據(jù)能量守恒定律得

而

式中，r為汽化潛熱，J/kg;m汽為轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝馁|(zhì)量，kg;C水為水的比熱容，kJ/(kg·K);m水為被加熱的冷卻水的質(zhì)量，kg;ΔT為冷卻水的溫度變化量，℃.

鋼板上表面放熱量為

式中，h為鋼板表面的熱交換系數(shù)，W/(m2·K);s為鋼板表面積，m2;t為冷卻時間，s.

在冷卻水量為90 m3/h、鋼板溫度從850℃降溫至680℃的條件下，假設(shè)冷卻水溫度從30℃變化到50℃，鋼板表面熱交換系數(shù)為2 000 W/(m2·K)，代入上式進(jìn)行計算，得

假設(shè)鋼板上下表面熱流量相同，則整塊鋼板的放熱量為

又，參與冷卻過程的瞬時冷卻水質(zhì)量為m水=904 kg，且

聯(lián)立方程式(2)、式(3)，得

解此方程得

汽化率為m汽/(1.1×S×t)=10.35/(1.1×2.8 ×12)=0.28 kg/(m2·s)

汽化的水量占用水量的百分比為

10.35 /904×100%=1.145%

冷卻單位質(zhì)量鋼板所需補(bǔ)水量為

3 計算結(jié)果比較及結(jié)語

以汽化率和能量守恒方法計算得到的理論補(bǔ)水量及現(xiàn)場實(shí)測值見表1，可見兩種理論方法得到的計算結(jié)果還是比較接近的.根據(jù)現(xiàn)場的經(jīng)驗(yàn)建議汽化百分率在2% ～5%.實(shí)際冷卻水損失量還跟空氣濕度、溫度、冷卻水利用率等多種因素有關(guān)，實(shí)際設(shè)計過程中要結(jié)合現(xiàn)場情況進(jìn)行設(shè)定.

表1 補(bǔ)水量比較Table 1 Comparison of water compensation amount

［1］鄢金輝.漣鋼技改節(jié)水探討［J］.漣鋼科技與管理，2011(3):56－58.

(Yan Jinhui.Discussion of water saving in liangang［J］.Liangang Technology and Management，2011(3):56 －58.)

［2］閆全英，劉迎云.熱質(zhì)交換原理與設(shè)備［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006:182 －183.

(Yan Quanying，Liu Yingyun.Theory and equipment of heat and substance exchange［M］.Beijing:China Machine Press，2006:182－183.)