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当前位置:首页 > 高等教育 > 工学 > 华北理工水质工程学Ⅰ(工业给水处理)课件第4章水的冷却和循环水水质处理
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,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+PqPV=GRT×10-3Pg=ρgRg×10-3Pq=ρqRqT×10-3Pg、Pq——干空气和水蒸汽在其本身分压Rg——干空气的气体常数,Rg=287.145J/(kg·K)Rq——水蒸气的气体常数,Rq=461.53J/kg·K(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+θ,θ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。331010373.15lg0.01419663.1423058.2lg0.0024808(373.16)373.15PqTTT(3)绝对湿度绝对湿度——每m3湿空气中所含水蒸汽的质量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(ρq)。3331010(/)461.53qqqqPPkgmRTT3331010(/)461.53qqqqPPkgmRTT饱和空气(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:Φ=ρq/ρq"=Pq/Pq"Pq=ρPq"Pq=P-ρPq"0.000662(-)PPθ、τ——湿空气的干球、湿球温度Pθ“、Pτ“——相当于θ和τ的饱和水蒸汽压力(5)含湿量:在含有1kg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。287.140.6220.622461.53P-PqqgRgPqPgPqPqRqPgPgPPqPq0.6221P-Pq饱和含湿量(相对湿度)(6)湿空气的密度ρ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自分压下的密度之和。333331010()10103.4831.316(/)gqqqgqgqgqqPPPqPRTRTRTRTPPkgmTT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(1+x)kg的湿空气(包括1kg干空气和xkg水蒸汽)温度升高1℃所需的热量,称为湿空气的比热,用Csh表示。Csh=Cg+CqxCsh=1.00+1.84xCsh一般采用1.05kJ/(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1kg干空气和含湿量x公斤水蒸汽的含热量之和。i=ig+xig计算含热量要有一个基点,国际上以0℃的水的热量为零。水蒸汽的焓以两部分组成:a.汽化热γ0=2500kJ/kgb.1kg水蒸汽由0℃升至θ℃所需的热量:11.005(/)ggkgiCkJkg干空气的焓1.842(/)ggickJkg01.005(25001.842)(1.0051.842)2500(/)ggsbiixixxxCxkJkg(1.0051.842)x显热:与温度有关2500x潜热:与温度有关2.湿空气的焓湿图湿空气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φ、压力P、焓i、温度θ)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(τ)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:1)纱布必须完全包住水银球2)风速3—5m/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-θ)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触的微元面积dF上的接触传热量为:()fdHtdF()ft水和空气的温度差,℃α——传热系数,Kw/(cm2.℃)()()upqquxdQPPdFdQxxdFpx——以分压差为基准的传质系数——以含湿量为基准为传质系数(x-x)qqPP——分压差——含湿量差1——tx与水温相应的饱和气层含湿量x——温度为℃时空气的含湿量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:0000()()()upqqxdHdQPPdFxxdF——水的汽化热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:0dHdHdH()()fxtdFxxdF在冷却塔中,淋水填料邻接触表面积F的总传热量H为:00m000m()()()()()()HFFfxfmxfmHdHtdFxxdFtFxxFtxx塔内水面温度与空气温度差的平均值。含湿量的平均值。mvH()()()()(),,fmfpUpmxpxxvpvFtFtVVFQPqPqFPqPqVFxxFVFFFVVVU总接触发热量:总蒸发传热量:或Q令接触面积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。m0()()()()()vfmuxvqqmxvvfmxvHtVQPPVxxVdHdHdHtdVxxdV总传热量的微分计算公式为:式中:αv——容积传热系数βpv——与蒸汽分压差有关的容积传质系数Βxv——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+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
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