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第第9 9章章 水的冷却水的冷却冷却水系统冷却水系统 直流式直流式循环式循环式混合式混合式工业生产过程中产热工业生产过程中产热设备和产品温度升高设备和产品温度升高须及时冷却须及时冷却保证生产和产品质量保证生产和产品质量水水吸收和传热的介质吸收和传热的介质水温问题水温问题循环水在使用过程中发生循环水在使用过程中发生少量水在冷却塔中蒸发损失少量水在冷却塔中蒸发损失盐类浓缩而形成盐垢或称结垢盐类浓缩而形成盐垢或称结垢水中悬浮物发生浓缩水中悬浮物发生浓缩循环水可能受到填料物的污染循环水可能受到填料物的污染还有杂质如有机物、微生物、藻还有杂质如有机物、微生物、藻类等进入系统类等进入系统结垢结垢、污垢污垢、腐蚀和淤塞腐蚀和淤塞冷却构筑物冷却构筑物降低水温降低水温水质处理水质处理控制结垢、污垢、腐蚀控制结垢、污垢、腐蚀解决措施解决措施水质问题水质问题循环水系统经常出现循环水系统经常出现冷却构筑物类型冷却构筑物类型冷却塔工艺构造冷却塔工艺构造冷却塔工作原理冷却塔工作原理主要内容主要内容湿球温度（湿球温度（）代表在当地气温）代表在当地气温条件下，水可能被冷却的最低温条件下，水可能被冷却的最低温度，即冷却出水温度的理论极限度，即冷却出水温度的理论极限值。值。一般冷却后水温一般冷却后水温t t2 2比比高高3535。常见类型常见类型干湿式干湿式(混合式）：热水与空气经干式冷却后，再混合式）：热水与空气经干式冷却后，再湿式冷却。湿式冷却。按水与空按水与空气触方式气触方式分为分为冷却构筑物类型冷却构筑物类型水面冷却池水面冷却池 喷水冷却池喷水冷却池冷却塔冷却塔用一般温度计用一般温度计测得的气温测得的气温湿式湿式(敞开式敞开式)：水与空气直接接触水与空气直接接触，传热和传质传热和传质同同时，冷却极限为空气的时，冷却极限为空气的湿球温度湿球温度。干式干式(密闭式密闭式)：水与空气不直接接触水与空气不直接接触，冷却介质为，冷却介质为空气，空气空气，空气对流对流带走热量，带走热量，单纯传单纯传热热，冷却极限为空气的，冷却极限为空气的干球温度干球温度。密闭式（干式）冷却密闭式（干式）冷却冷凝水循环利用冷凝水循环利用水与空气不直接接触水与空气不直接接触敞开式（湿式）冷却敞开式（湿式）冷却水与空气直接接触水与空气直接接触 冷却塔的工艺构造冷却塔的工艺构造配水系统配水系统淋水填料淋水填料热水分配装置热水分配装置通风及空气通风及空气分配装置分配装置进风口进风口风机风机通风筒通风筒均匀配水均匀配水增加接触面积增加接触面积抽吸空气与水接触抽吸空气与水接触其它装置其它装置除水器除水器集水池集水池挡风墙挡风墙化冰器化冰器进水管进水管湿热空气与水分分离湿热空气与水分分离回流回流冷却塔冷却塔及零部件及零部件 冷却塔工作原理冷却塔工作原理蒸发传热蒸发传热:以蒸气压差（以蒸气压差（PV”-PV）为推动力）为推动力塔顶部塔顶部PV”-PV0带走水的蒸发潜热带走水的蒸发潜热以温度差（以温度差（ti-t）为推动力）为推动力对流传热：对流传热：ti”-t0热量（显热）从水传入空气热量（显热）从水传入空气夏、春、夏、春、秋？秋？冬？冬？最不利条件？最不利条件？入塔空气是未饱和入塔空气是未饱和浓度差浓度差且温度较水温低且温度较水温低温度差温度差含湿量含湿量塔底部塔底部循环水降温循环水降温热水喷淋在填料层上，沿填料表面或间隙下热水喷淋在填料层上，沿填料表面或间隙下落，与空气流充分接触。填料将水多次溅散落，与空气流充分接触。填料将水多次溅散成水滴或水膜，以增加水成水滴或水膜，以增加水气两相的接触表气两相的接触表面和接触时间。蒸发传热占面和接触时间。蒸发传热占80-90%。水、气传热过程影响循环冷却水水质的因素影响循环冷却水水质的因素循环冷却水水质特点与水处理任务循环冷却水水质特点与水处理任务循环冷却水的基本水质要求循环冷却水的基本水质要求循环冷却水稳定性控制指标循环冷却水稳定性控制指标循环冷却水处理循环冷却水处理第第1010章章 循环冷却水水质处理循环冷却水水质处理 影响循环冷却水水质的因素影响循环冷却水水质的因素水质污染水质污染补充水水质不良（溶解盐、溶解气体、有机物）补充水水质不良（溶解盐、溶解气体、有机物）外来的污染（尘土、树叶、填料等）外来的污染（尘土、树叶、填料等）系统内部（藻类、微生物等）系统内部（藻类、微生物等）循环水的脱循环水的脱CO2作用作用 空气中空气中CO2少，其分压力低；少，其分压力低；水在塔中与空气接触水在塔中与空气接触:2HCO3-=CO2+CO32-+H2O+Ca2+=CaCO3(固固)CO2逸出逸出破坏了碳酸平衡破坏了碳酸平衡和碳酸钙的溶解平衡和碳酸钙的溶解平衡水垢水垢污垢或粘垢污垢或粘垢循环水的浓缩作用循环水的浓缩作用水量损失水量损失P蒸发损失蒸发损失P1盐分留存盐分留存风吹损失风吹损失P2渗漏损失渗漏损失P3带走盐分带走盐分排污损失排污损失P4需要补充新鲜水需要补充新鲜水补充水的含盐量补充水的含盐量SB1浓缩倍数浓缩倍数水的导电性水的导电性腐蚀加快腐蚀加快盐分超过饱和度盐分超过饱和度结垢结垢水温变化水温变化水温升高水温升高Ca2+、Mg2+、CO2易析出或逸出易析出或逸出提高了平衡提高了平衡CO2的需要量的需要量水温降低水中平衡水温降低水中平衡CO2的需要量降低的需要量降低且低于水中且低于水中CO2的量的量换热器中换热器中冷却塔中冷却塔中水水腐蚀腐蚀水水结垢结垢冷却系统中冷却系统中高温区高温区结垢，低温区结垢，低温区腐蚀腐蚀循环冷却水水质特点循环冷却水水质特点产生沉积物产生沉积物具有腐蚀性具有腐蚀性微生物繁殖微生物繁殖水垢、污垢或粘垢水垢、污垢或粘垢 循环冷却水水质处理任务循环冷却水水质处理任务防止和减轻水垢（防止和减轻水垢（CaCO3)在换热器和设备表面：在换热器和设备表面：传热效率下降传热效率下降过水断面减少过水断面减少防止和减轻腐蚀防止和减轻腐蚀防止和减轻污垢或粘垢防止和减轻污垢或粘垢（有机物、微生物）（有机物、微生物）在系统中、在补充水中：在系统中、在补充水中：传热效率下降传热效率下降过水断面减少过水断面减少腐蚀腐蚀设备与管道设施等设备与管道设施等损坏损坏调节水中调节水中CO2、a(HCO3)2和和aCO3的平衡的平衡调节水中调节水中CO2、a(HCO3)2和和aCO3的平衡的平衡控制污染、微生物控制污染、微生物年污垢热阻年污垢热阻R：结垢沉积使热交换器：结垢沉积使热交换器热阻热阻增加的量。增加的量。传热系数的倒数传热系数的倒数T时刻时刻t0时刻时刻0腐蚀率腐蚀率L：金属每年平均腐蚀深度（：金属每年平均腐蚀深度（mm/a)。P0-P腐蚀前后金属重量差腐蚀前后金属重量差F接触面积接触面积T腐蚀作用时间腐蚀作用时间缓蚀率缓蚀率：经处理，腐蚀率降低的效果。：经处理，腐蚀率降低的效果。CL0处理前腐蚀率处理前腐蚀率CL处理前腐蚀率处理前腐蚀率循环冷却水的基本水质要求循环冷却水的基本水质要求(表表24-1)微生物繁微生物繁殖的影响殖的影响对水的腐蚀性和沉积物的控制要求对水的腐蚀性和沉积物的控制要求腐蚀率腐蚀率年污垢热阻年污垢热阻循环冷却水稳定性控制指标循环冷却水稳定性控制指标稳定性判别稳定性判别水质稳定的水水质稳定的水无侵蚀性、不发生碳酸盐沉积结垢的水无侵蚀性、不发生碳酸盐沉积结垢的水水质不稳定的水水质不稳定的水有侵蚀性、发生碳酸盐沉积结垢的水有侵蚀性、发生碳酸盐沉积结垢的水水质稳定处理水质稳定处理基于碳酸平衡原理，控制结垢与腐蚀。基于碳酸平衡原理，控制结垢与腐蚀。水质稳定处理机理水质稳定处理机理调整水中调整水中CO2、Ca(HCO3)2、CaCO3的平衡的平衡当水中碳酸钙浓度当水中碳酸钙浓度 其饱和浓度时，碳酸钙沉淀结垢；其饱和浓度时，碳酸钙沉淀结垢；当水中碳酸钙含量当水中碳酸钙含量 0:CaCO3处于过饱和状态，有结垢倾向；处于过饱和状态，有结垢倾向；LSI0:CaCO3未饱和，有腐蚀倾向；未饱和，有腐蚀倾向；LSI=0:水质稳定。水质稳定。循环水的实际循环水的实际pH值值结垢控制指标：结垢控制指标：基于水质稳定，又参照循环冷却水运行经验。基于水质稳定，又参照循环冷却水运行经验。实际运行中，影响结垢与腐蚀的其他主要因素实际运行中，影响结垢与腐蚀的其他主要因素悬浮固体与有机物浓度高悬浮固体与有机物浓度高水温高水温高水处理药剂（控制结垢药剂）水处理药剂（控制结垢药剂）仅按水质稳定概念仅按水质稳定概念解决结垢和腐蚀问解决结垢和腐蚀问题不合适题不合适循循环水水结垢控制指垢控制指标结垢垢控制参数控制参数控制指控制指标CaCO3CaSO4Ca(PO4)2MgSiO2pHs溶解度溶解度pHp溶解度溶解度pH0pHs+(0.52.5)Ca2+SO42-500000pH0pHp+1.5Mg2+SiO2Cl-的浓度。的浓度。4Fe+3NO2-+3H+=2Fe2O3+NH3+N2 问题？问题？注意注意保护膜保护膜在阳极部位在阳极部位？锌盐：锌盐：在在阴极阴极部位形成部位形成Zn（OH）2沉淀，起保护膜作用；但沉淀，起保护膜作用；但对环境有污染，应用受限。对环境有污染，应用受限。l沉淀型缓蚀剂沉淀型缓蚀剂作用原理作用原理：与水中溶解离子形成难溶盐或络合物，沉积在与水中溶解离子形成难溶盐或络合物，沉积在金属表面形成保护膜。金属表面形成保护膜。聚磷酸盐系列：如聚磷酸钠聚磷酸盐系列：如聚磷酸钠与水中的与水中的钙、铁离子钙、铁离子形成聚磷形成聚磷酸钙等，向酸钙等，向阴极阴极沉积成膜。沉积成膜。要足要足够够问题？问题？多孔、松散。多孔、松散。为提高氧的扩散作用，过量投药剂，膜增厚，为提高氧的扩散作用，过量投药剂，膜增厚，防腐好，但影响传热。防腐好，但影响传热。MBT（巯基苯并噻唑）：（巯基苯并噻唑）：使金属活化溶解，并与之形成沉积使金属活化溶解，并与之形成沉积致密保护膜致密保护膜铜的阳极缓蚀剂。铜的阳极缓蚀剂。l吸附型缓蚀剂吸附型缓蚀剂作用原理：作用原理：利用有机缓蚀剂分子的利用有机缓蚀剂分子的亲水基亲水基和和疏水基疏水基形成抑形成抑制腐蚀层。制腐蚀层。亲水基亲水基吸附在金属表面，而吸附在金属表面，而疏水基疏水基朝向水，形成叠壁，阻止水与水中溶解氧向金朝向水，形成叠壁，阻止水与水中溶解氧向金属表面的扩散属表面的扩散缓蚀作用。缓蚀作用。烷基胺缓蚀剂：烷基胺缓蚀剂：C16H33NH2，(C16H32)2NH特点：特点：用量小，无污染。用量小，无污染。原理：原理：使金属表面与循环水隔绝，对控制腐蚀有良好效果。使金属表面与循环水隔绝，对控制腐蚀有良好效果。如如604环氧树脂与氨基树脂混合环氧树脂与氨基树脂混合环氧氨基树脂。环氧氨基树脂。涂料可耐高温，且不影响传热效果。涂料可耐高温，且不影响传热效果。但投资较大，应用较少。但投资较大，应用较少。方法二：涂料覆盖方法二：涂料覆盖使产生结垢的成分处于溶解或分散状态使产生结垢的成分处于溶解或分散状态投加阻垢剂或阻垢分散剂；投加阻垢剂或阻垢分散剂；结垢控制结垢控制去除水中结垢成分：软化、除盐；去除水中结垢成分：软化、除盐；使结垢成分转化成易于排除的泥渣使结垢成分转化成易于排除的泥渣结晶改良。结晶改良。投加阻垢剂或阻垢分散剂：投加阻垢剂或阻垢分散剂：聚磷酸盐和有机磷酸盐聚磷酸盐和有机磷酸盐与金属离子的络合作用拟制其与金属离子的络合作用拟制其结垢；结垢；与与Ca2+、Mg2+螯合，促进水螯合，促进水质稳定；质稳定；作为分散剂吸附在碳酸钙晶胚作为分散剂吸附在碳酸钙晶胚表面阻止其结垢；表面阻止其结垢；与管壁垢物螯合使之分散。与管壁垢物螯合使之分散。吸附或分散作用吸附或分散作用提高结垢物质微粒表面的电荷提高结垢物质微粒表面的电荷密度，使微粒间排斥力增大，密度，使微粒间排斥力增大，降低微粒结晶速度，使结晶体降低微粒结晶速度，使结晶体结构变形而失去桥键作用结构变形而失去桥键作用不能结垢。不能结垢。膦酸盐和二膦酸盐。膦酸盐和二膦酸盐。主要控制循环水中悬浮物和微生物：主要控制循环水中悬浮物和微生物：化学药剂处理化学药剂处理投加混凝剂投加混凝剂絮凝沉淀絮凝沉淀加旁滤加旁滤循环水系统外过滤，再回系统中。循环水系统外过滤，再回系统中。旁滤水量为循环水量的旁滤水量为循环水量的15%污垢控制污垢控制微生物控制微生物控制水质与环境条件控制：水质与环境条件控制：环境条件，如空气、阳光和水质条件等。环境条件，如空气、阳光和水质条件等。物理场控制技术：物理场控制技术：磁化处理法：靠磁场作用使蛋白质和酶变性；磁化处理法：靠磁场作用使蛋白质和酶变性；静电水处理：干扰破坏微生物的生长繁殖，并静电水处理：干扰破坏微生物的生长繁殖，并氧化杀灭其活性。氧化杀灭其活性。化学杀菌剂：化学杀菌剂：化学杀菌剂化学杀菌剂（a a）氧化杀菌剂：）氧化杀菌剂：Cl2、NaOCl、Ca(OCl)2（b b）非氧化杀菌剂：）非氧化杀菌剂：CuSO4控控制制藻藻类类,同同时时投投加加表表面面活活性性剂剂EDTA；有机物，如氯酚等。靠干扰微生物生命过有机物，如氯酚等。靠干扰微生物生命过程起控制作用。程起控制作用。复方缓蚀剂、阻垢剂复方缓蚀剂、阻垢剂两种以上药剂配合使用，综合考虑腐蚀、两种以上药剂配合使用，综合考虑腐蚀、结垢和微生物控制。结垢和微生物控制。常用类型：常用类型：Zn聚磷酸盐聚磷酸盐预处理预处理预膜：预膜：运行前预先在换热器管壁上预先形成完整的保护运行前预先在换热器管壁上预先形成完整的保护膜。膜。预处理过程：预处理过程：化学清洗剂清洗化学清洗剂清洗冲洗干净冲洗干净(1)A系统：系统：200mg/L的的Na2MoO4预膜，在贮水池预膜，在贮水池中投加臭氧，保持剩余臭氧浓度为中投加臭氧，保持剩余臭氧浓度为0.030.10mg/L，5d后将预膜剂换作冷却水。磁力阻后将预膜剂换作冷却水。磁力阻垢器安装在换热器前的管路上。垢器安装在换热器前的管路上。(2)B系统：用系统：用20mg/L的的Na2MoO4进行预膜，臭氧进行预膜，臭氧投加方式为间歇式，每投加方式为间歇式，每2d投加一次，每次投加一次，每次60min。表表1试验管污垢热阻试验管污垢热阻 清洁管热阻清洁管热阻R R1 1 （m m2 2.K/W.K/W）极限污垢热阻极限污垢热阻R2A2.6310-41.1110-4B2.7410-41.1210-4污垢沉积率污垢沉积率mcmmg/(cm.月）月）腐蚀速率腐蚀速率Fmg/(dm2.d)A27.013.73B30.327.74表表2试验管结垢、腐蚀情况试验管结垢、腐蚀情况 预膜是为了防腐，磁化的主要作用是防垢，而臭氧的杀预膜是为了防腐，磁化的主要作用是防垢，而臭氧的杀菌作用最佳，三者可以发挥协同作用。菌作用最佳，三者可以发挥协同作用。(1)A系统比系统比B系统缓蚀率更高，原因在于系统缓蚀率更高，原因在于A系统预膜剂浓系统预膜剂浓度更高，且连续投加臭氧，度更高，且连续投加臭氧，A系统未预膜片腐蚀速率比系统未预膜片腐蚀速率比B系统更低也证实了这一点。系统更低也证实了这一点。(2)臭氧有效地控制了微生物繁殖，大幅度减少了粘附和臭氧有效地控制了微生物繁殖，大幅度减少了粘附和垢下腐蚀作用，几乎不产生生物粘泥。垢下腐蚀作用，几乎不产生生物粘泥。(3)两个系统极限污垢热阻均达到两个系统极限污垢热阻均达到好好的等级，说明磁化的等级，说明磁化作用使得垢层疏松，传热效率降低幅度较小。阻垢率作用使得垢层疏松，传热效率降低幅度较小。阻垢率为为70%80%。防结垢处理防结垢处理排污量排污量P4：排污法排污法减小浓缩倍数减小浓缩倍数K方法方法 排除一部分盐浓度大的循环水排除一部分盐浓度大的循环水补充一部分盐浓度小的新鲜水补充一部分盐浓度小的新鲜水降低循环水中含盐量降低循环水中含盐量使其值使其值允许值允许值循环水含盐量循环水含盐量补充水含盐量补充水含盐量适用于适用于SB1蒸发蒸发风吹风吹渗漏渗漏排污量排污量可知：可知：SB越大越大P4大大,不经济不经济一般一般P4为为35%循环水流量循环水流量)()(4324321PPPSPPPPSB+2.降低补充水中的碳酸盐硬度降低补充水中的碳酸盐硬度用软化法用软化法,降低降低HCSB满足满足:(HB,H分别为补充水和循环水中碳酸盐硬度分别为补充水和循环水中碳酸盐硬度)3.提交水中极限碳酸盐硬度提交水中极限碳酸盐硬度加阻垢剂加阻垢剂(聚磷酸盐聚磷酸盐)不致使水产生结垢的最高不致使水产生结垢的最高碳酸盐硬度值碳酸盐硬度值微生物腐蚀微生物腐蚀微生物是由于微生物的直接或间接地参加腐蚀过程所引微生物是由于微生物的直接或间接地参加腐蚀过程所引起的材料毁坏作用。起的材料毁坏作用。主要生物相：细菌主要生物相：细菌、真菌真菌一般，微生物腐蚀往往与电化学腐蚀作用交积。一般，微生物腐蚀往往与电化学腐蚀作用交积。厌氧还原菌的腐蚀作用（硫酸盐还原菌）：厌氧还原菌的腐蚀作用（硫酸盐还原菌）：-+-+OHOHHOHOHSSOH26884822224能量能量硫酸盐还原菌作用硫酸盐还原菌作用 +8e-+Fe2+FeS阴极部位没有自由氧，阴极部位没有自由氧，去极化作用是硫酸还原去极化作用是硫酸还原菌的氢化酶作用菌的氢化酶作用 8e-3Fe(OH)2 4Fe+3Fe2+FeS3Fe(OH)2好氧菌好氧菌铁细菌铁细菌在管内壁形成铁瘤在管内壁形成铁瘤电化学腐蚀。电化学腐蚀。氧化剂杀菌：氧化剂杀菌：Cl2、CaOCl2、NaOClCuSO4表面活性剂（季铵盐）、但易发泡表面活性剂（季铵盐）、但易发泡 化学法化学法 傍滤傍滤物理法物理法防腐：防腐：部分循环冷却水经傍滤后返回循环水系统部分循环冷却水经傍滤后返回循环水系统重金属含氧酸盐污染环境重金属含氧酸盐污染环境铬酸盐不单独使用，而与其他缓蚀剂混合使用，铬酸盐不单独使用，而与其他缓蚀剂混合使用，以降低其使用量。以降低其使用量。返回电化学腐蚀电化学腐蚀(以铁的腐蚀为例以铁的腐蚀为例)在铁的某个部位在铁的某个部位电位低电位低时，时，Fe溶于水中，形成溶于水中，形成阳极阳极:氧化反应氧化反应(1)中性、酸性水中中性、酸性水中 (2)若水中无氧若水中无氧，阴极表面被，阴极表面被H2和和Fe(OH)2覆盖，覆盖，Fe不再与水直不再与水直接接触，式接接触，式(2)反应不再进行反应不再进行拟制了式拟制了式(1)的反应。的反应。金属表面两个部位间存在物理金属表面两个部位间存在物理的或化学的差异，导致构成阳的或化学的差异，导致构成阳极、阴极极、阴极腐蚀电极腐蚀电极(3)若水中有氧若水中有氧在在电位高电位高的部位发生还原反应的部位发生还原反应阴极：阴极：Fe不断溶解不断溶解于水中于水中腐蚀。腐蚀。在碱性溶液中，阴极部位直接产生在碱性溶液中，阴极部位直接产生OHOH-Fe腐蚀的必要条件：水、氧腐蚀的必要条件：水、氧若水中有氧若水中有氧(3)式式(2)反应还在继续：反应还在继续：推动式推动式(1)反应进行：反应进行：(4)为为Fe(OH)2Fe(OH)3创造条件创造条件不断腐蚀不断腐蚀xiexie!xiexie!谢谢！谢谢！
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