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1、第4章 水的冷却和循环水水质处理,在工业生产过程中（热力、电力、钢铁、石油、化工、空调等），往往会产生大量热量，使生产设备或产品（气体或液体）温度升高，必须及时冷却，以免影响生产的正常进行和产品质量。从节能、经济、环保三方面考虑，冷却水应该实现循环利用。水是吸收和传递热量的良好介质，常用来冷却生产设备和产品。工业冷却水的供水系统一般可分为直流式、循环式和混合式三种。为了节约水资源，常采用循环冷却水系统，一般流程如下图。,敞开式循环冷却水系统,循环水在使用过程中，少量水在冷却塔中蒸发损失，从而盐类浓缩而形成盐垢，水中悬浮物也发生浓缩，循环水可能受到渗漏工艺物料的污染，还有有机物、微生物、藻类进入
2、系统。这些都可使循环水系统出现结垢、污垢、腐蚀和淤塞问题。因此，为了保证循环冷却水系统的可靠运行，必须同时采取以下技术措施：1.采用冷却构筑物以降低水温；2.进行水质处理以控制结垢、污垢、腐蚀和淤塞。,一、冷却构筑物类型及构造,第一节 冷却构筑物类型、工艺构造,1.水面冷却池（1）水面面积有限的水体：水塘、浅水库、小湖泊（2）水面面积很大的水体：河道、海湾、大型湖泊2.喷水冷却池：压力水喷射后又落回水池，水与空气接触，而蒸发与传导散热。,3.冷却塔,湿式：自然通风、机械通风、混合通风干式：即风冷，不需大量水，但费用高,湿式冷却塔按热水与空气流动的方向可分为：逆流式、横流式、混流式。本章主要讲述
3、以水滴水膜形式冷却的湿式冷却塔,1.水面冷却池,2.喷水冷却池,3.湿式冷却塔,冷却塔,自然通风冷却塔,自然通风式冷却塔是利用空气自然对流来使水冷却的，水流运动形式有喷淋、溅滴等多种.主要有进水管、出水管、分配水管、喷头和通风百叶窗等部件组成。,缺点是：占地面积大；冷却效率低；冷却效果不稳定，易受风速和风向的影响，水被吹散的损失大,优点是：构造简单；设备投资少；运行维护方便。,机械通风冷却塔,冷却塔水系统,机械通风式冷却塔需要消耗电能，而且维护管理比较复杂。但是它的冷却效率高，结构紧凑，占地面积小，适用范围广。,抽风式机械通风横流钢制冷却塔,逆流式机械通风冷却塔,在塔内空气和水通过填料时的流动
4、方向是相逆的：热水从上向下淋洒，而空气从下向上流动。冷却效果比较好，横断面积相对较小，其缺点是配水不够均匀，而且塔体高度较大。,机械通风逆流冷却塔,（1）配水系统（2）淋水填料（3）风机（4）风筒（5）空气分配装置（6）除水器（7）集水池（8）塔体（9）输水设施（10）其它设施,二、冷却塔的组成,（1）配水系统,将热水均匀分配在整个淋水面积上，有管式、槽式、池盘式，管式如下图。,（2）淋水填料 是冷却塔的关键部分。其作用：将配水系统溅落的水滴，经多次溅散成微细的小水滴或水膜，增大水和空气的接触面积，延长接触时间，从而保证空气和水的良好热、质交换作用。要求有大的比表面积，使水与空气有大的接触面积
5、，通风阻力小，亲水性强，价格低廉，施工方便，质轻、耐久。分类有：点滴式、薄膜式、点滴薄膜式。,点滴式淋水填料,（3）通风及空气分配装置,均匀分配空气。有机械通风的风机，风筒（形成风的自然对流流线形），导风装置。,（4）其他装置 除水器：减少水量损失。集水池：收集、储存和调节水量。容积为循环水小时流量的三分之一到五分之一。塔体：支撑作用。,收水器,第二节 水冷却的基本原理,一、湿空气的性质1.湿空气的热力学参数（1）湿空气的压力 P=Pg+Pq PV=GRT10-3 Pg=gRg10-3 Pq=qRqT10-3 Pg、Pq干空气和水蒸汽在其本身分压 Rg干空气的气体常数，Rg=287.145 J
6、/（kgK）Rq水蒸气的气体常数，Rq=461.53 J/kgK,（2）饱和水蒸气分压力 当空气在一定温度下，吸湿能力达到最大时，空气中的水蒸气处于饱和状态。水蒸气的分压称为饱和水蒸汽压（Pq“）。0PqPq”当温度在0-100及通常的气压范围内时，可按纪利公式计算：T=273.15+，为空气的温度 从上式可知，湿空气的饱和水蒸气分压只与温度有关，与大气压力无关。空气温度越高，蒸发越快，Pq“越大。在一定温度下已饱和的空气，当温度升高时成为不饱和；反之，不饱和的空气，当温度降低到某一值时，又趋于饱和。冬天结露、夏天空调管结露就剩这个道理。,（3）绝对湿度 绝对湿度每m3湿空气中所含水蒸汽的质量
7、称为空气的绝对温度。其数值等于水蒸汽在分压Pq和湿空气温度T时的密度(q)。,（4）相对湿度：空气绝对湿度和同温度下饱和空气的绝对湿度之比。表示湿空气接近饱和的程度。其计算公式为：=q/q=Pq/Pq Pq=Pq Pq Pq,、湿空气的干球、湿球温度 P“、P“相当于和的饱和水蒸汽压力,（5）含湿量：在含有 1 kg干空气的湿空气混合气体中，其所含水蒸汽的质量x（kg）称为湿空气含湿量，也称为比湿，单位为kg/kg(干空气)。大气压一定时，使湿空气变成饱和空气的温度称为露点，当空气温度低于露点温度时，水蒸汽开始凝结。,（6）湿空气的密度 湿空气的密度等于1m3湿空气中所含的干空气和水蒸汽在其各
8、自分压下的密度之和。,湿空气的密度随大气压力的降低和温度的升高而减小。,（7）湿空气的比热（Csh）使总质量为（x）kg的湿空气（包括kg干空气和x kg水蒸汽）温度升高所需的热量，称为湿空气的比热，用Csh表示。Cshg+Cq x Csh=1.00+1.84x Csh一般采用.kJ/(kg)（8）湿空气的焓（i）表示气体含热量大小的数值叫焓，用 i 表示。湿空气的焓等于kg干空气和含湿量x公斤水蒸汽的含热量之和。iigx ig,计算含热量要有一个基点，国际上以的水的热量为零。水蒸汽的焓以两部分组成：a.汽化热0=2500 kJkgb.1kg水蒸汽由升至所需的热量：,2.湿空气的焓湿图 湿空气
9、的各项热力学参数都是由试验测得，为了计算方便，一般把湿空气的四项主要热力学参数（相对湿度、压力P、焓 i、温度）之间的相应关系绘制成图表，根据已知的参数求焓的图称为焓湿计算图。3.湿球温度（）和水的冷却理论极限：干湿球温度是空气的主要热力学参数，干球温度为一般温度计测得的气温。在温度计外包有纱布并将纱布的自由端浸入水中，在毛细管作用下，纱布表面吸收一层水，这就组成湿球温度计。由于纱布表面水的蒸发，使水温下降，当蒸发散热量与空气传回水的传导散热量相等，处于动态平衡时，测得湿球温度。,测定湿球温度时：）纱布必须完全包住水银球）风速m/s以上。湿球温度代表在当地气温条件下，水可能被冷却的最低温度，也
10、即冷却构筑物出水温度的理论极限值。,二、水的冷却原理 当热水表面直接与未饱和的空气接触时，热水表面的水分子将不断汽化蒸发，在此过程中，将从热水中吸收热量，达到冷却的效果，这是蒸发传热。与温度无关，是单向的。当热水表面与空气直接接触时，因温度不同，将产生传热过程，最终使温度达到平衡，这是接触传热。与温度差（水温tf-）有关，是双向的。水的冷却过程是通过蒸发传热和接触传热实现的，水温的变化则是两者作用的结果。在冷却过程中，冬季接触传热可占50%，夏季，蒸发传热占80-90%。设计按夏季气候考虑。,三、接触传热量和蒸发传热量1.接触传热量 接触传热与水和空气的温度差成正比。在单位时间内通过水和空气接
11、触的微元面积dF上的接触传热量为：,传热系数，Kw/(cm2.),2.蒸发传热量 在微元面积dF上，单位时间内蒸发的水量dQu与水面饱和空气的分压差成正比（也可用含湿量差代替），其蒸发水量为：,蒸发传热量等于蒸发水量与水的汽化热的乘积，蒸发热量为：,3.总传热量 总传热量等于接触传热量和蒸发传热量之和：,在冷却塔中，淋水填料邻接触表面积 F 的总传热量H为：,接触面积F确定困难，实际中填料体积以及填料单位体积相应的系数。,式中：v容积传热系数 pv与蒸汽分压差有关的容积传质系数xv与含湿量差有关的淋水填料的容积传质系数,第三节 循环冷却水水质处理,一、循环冷却水的水质特点1、浓缩作用 冷却水在
12、循环过程中会产生4种水量损失，即：蒸发、风吹、渗漏和排污损失。P总=P蒸发+P风吹+P渗漏+P排污 蒸发损失了水分，但盐分仍留在水中。风吹、渗漏和排污所带走的盐量为：S(P风吹+P渗漏+P排污)补充水带进系统的盐量为：S补P=S补(P蒸发+P风吹+P渗漏+P排污)S循环水含盐量，S补补充水含盐量,在系统刚投入运行时，系统中的水质为新鲜的补充水水质：S初=S补，随着运行循环水中含盐量逐渐提高，引起浓缩作用，最终达到平衡。平衡时含盐量S平：S补(P蒸发+P风吹+P渗漏+P排污)=S平(P风吹+P渗漏+P排污)令：S平/S补=K，即浓缩系数 K=(P蒸发+P风吹+P渗漏+P排污)/(P风吹+P渗漏+
13、P排污)=P总/(P总-P蒸发)1 在敞开式中K值永远大于1，密闭式循环冷却水的浓缩倍数：K=S平/S补=1 浓缩会增加水的导电性加快腐蚀，同时也使某些盐类由于过饱和而沉积出来产生结垢。,2.CO2的散失和O2的增加 天然水中含有一定量的重碳酸盐和游离CO2，使水质稳定，但在冷却塔内淋漏过程中引起的CO2散失（同中和吹脱、阳床后的吹脱塔），加重了水中碳酸钙的沉淀。另一方面，淋洒如同曝气，使水中O2增加，助长了水的氧化腐蚀性，是造成金属化学腐蚀的主要原因。3.水质污染（1）大气中的多种杂质通过空气接触进入水中；（2）塔体、填料、水池和管道的腐蚀剥落物会进入水中；（3）循环水水质稳定处理过程中加入
14、药剂会产生沉淀物；（4）系统内微生物繁殖及分泌物形成的粘性污垢。,以上各种杂质中：微生物繁殖所形成的粘性物称为粘垢；无机盐沉积出来称为结垢；悬浮物。腐蚀剥落物称为污垢。粘垢、结垢、污垢统称为沉积物。4.水温的变化 冷却水在换热设备中是升温过程，有结垢倾向；冷却水在冷却塔内是降温过程，CO2散失，O2增加，结垢腐蚀均可能发生。总之，循环冷却水的水质特点：浓缩作用、CO2散失 O2增加、水质污染、水温发生变化。产生结垢、污（粘）垢、腐蚀不利影响。,二、循环冷却水的基本水质要求 通常把冷却水水质按腐蚀和沉积物控制要求作为水质指标，是一种间接指标。见下表（P513，表24-1）给水排水设计手册（二版）
15、第四册，356页，循环冷却水水质标准，18项指标，主要有：SS20mg/L，板式换热器要求10mg/L pH值 7.0-9.2 甲基橙碱度（以碳酸钙计）500 mg/L Ca2+30-200 mg/L Fe2+0.5 mg/L Cl-300 mg/L 电导率 3000 us/cm,作为循环水补充水的水质应要求高一些，GB50335-2002中再生水用作冷却用水的水质控制指标如下表,敞开式循环冷却系统冷却水主要水质指标标,1.腐蚀率 腐蚀率一般以金属每年的平均腐蚀深度表示，单位mm/a，可用失重法挂片试验测定：CL 腐蚀率 P0、P 腐蚀前后金属重量，金属密度 F 金属与水接触面积，t腐蚀时间
16、缓蚀率：经水质处理后使腐蚀率降低的效果。=（C0-CL）/C0100%C0循环水未处理时腐蚀率；CL循环水经处理后的腐蚀率。,2.污垢热阻 热交换器传热面由于沉积物沉积使传热系数下降，从而使热阻（传热系数的倒数）增加的量称为污垢热阻。交换器的热阻在不同时刻不同，在某一时间的为即时污垢热阻，为经t小时后的传热系数的倒数和开始时的传热系数的倒数之差。Rt=1/Kt-1/K0=(1/tK0)-(1/K0)=(1/K0)*1/(t-1)Rt即时污垢热阻 K0开始时，传热表面清洁所测得的总传热系数 Kt经t时间后所测得的总传热系数 t积垢后传热效率降低的百分数 以Rt和t作曲线，推算出年污垢热阻作为控制
17、指标。,三、循环冷却水结垢和腐蚀的判别,1.极限碳酸盐硬度法：当水中碳酸钙浓度超过其饱和浓度时，则会出现沉淀形成结垢，反之对碳酸钙具有溶解能力，为腐蚀性水。,2.饱和（朗格利尔）指数法,IL=pH0-pHS,3.稳定指数法,IR=2pHS-pH0,IL=0 稳定,IL0 结垢倾向,IL0 腐蚀倾向,IR=,4.0-5.0严重结垢5.0-6.0轻微结垢6.0-7.0基本稳定7.0-7.5显著腐蚀7.5-9.0严重腐蚀,pH0循环水的实际pH值pHs碳酸钙平衡时的pH值,四、循环冷却水处理 循环水处理的目的及重要性：主要是为了保护换热器免遭损害。稳定生产、节约水资源、减少环境污染、节约成本、提高经
18、济效益。主要是三方面的控制 1.沉积物控制（主要是防垢）2.腐蚀控制 3.微生物控制 还有循环水系统的清洗、预膜、排污处理,闭路循环零排污流程图,1.沉积物控制 包括结垢控制和污垢控制，粘垢控制与微生物控制一起考虑。（1）结垢控制：1）去除水中产生结垢的成分，如软化和除盐，只有补充水水质很差或必须提高浓缩倍数的情况下采用。2）采用酸化法，将碳酸盐硬度转化为溶解度较高的非碳酸盐硬度。3）向水中投加阻垢剂：聚磷酸盐（六偏磷酸钠和三聚磷酸钠）、有机磷酸盐与水中钙金属离子起络合反应生产不易结垢的络合盐，从而提高循环水中允许的极限碳酸盐浓度，也有分散剂作用，防止产生结垢。4）用排污法减小浓缩倍数 5）物
19、理水处理：磁水器、电子式水处理器阻垢,（2）污垢控制 1）尽量减少补充水中悬浮物的含量；2）采用傍滤，防止悬浮物的积累。2.腐蚀控制（1）投加缓蚀剂：缓蚀剂使在金属表面形成一层薄膜将金属表面覆盖起来，从而与腐蚀介质隔绝，防止金属腐蚀。缓蚀剂所形成的膜有氧化膜（铬酸盐亚硝酸盐）、沉淀物膜（聚磷酸盐和锌盐）、吸附膜（胺类和表面活性剂）三类型。（2）降低或除去水中易产生腐蚀的杂质（如氯离子），提高水的pH 值。（3）阳极保护、阴极保护。（4）改进设备材质。（5）用防腐涂层。,3.微生物控制（1）采用旁滤装置；（2）防止日光照射，水池加盖；（3）加强补充水的预处理；（4）加入杀生剂，是目前最常用的方法
20、 常用的杀菌剂有氧化型：液氯、次氯酸、次氯酸钠、二氧化氯、臭氧 加氯量一般为2-4mg/L，余氯在0.5-1.0 2-4mg/L非氧化型：氯酚类、季铵盐类、丙烯醛等 聚磷酸盐+有机膦酸盐+聚丙烯复合复方缓蚀阻垢剂：锌盐+聚磷酸盐+共聚物 六偏磷酸钠+硫酸锌+苯并噻挫,4.循环水系统的清洗和预膜（1）清洗 物理清洗：人工清洗、一定流速的水冲洗、空气擦洗、海绵球或橡胶球清洗。化学清洗：利用酸、碱或有机分散剂将水垢、污泥等沉积物溶解清洗（2）预膜 是在系统正常运行之前或年度大修酸洗之后，投加预膜剂，使金属表面形成一层完好的缓蚀保护层。常用预膜剂配方：六偏磷酸钠+硫酸锌、多元醇膦酸酯+聚羟酸类聚合物等。,5.排污水处理（1）除磷：以石灰为助凝剂，铁盐为混凝剂，去除率可达85-90%。（2）除锌、铬：化学沉淀法6.循环水水质简单判断（1）在浓缩倍数变化不大的情况下，钙镁较大幅下降，说明系统有结垢发生；（2）总铁不断上升，说明腐蚀加重；（3）其它离子增加，如铜、氨、油，说明腐蚀或渗漏发生；（4）采取污垢进行分析（5）挂片试验,
