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主题：【分享】【清华大学】水环境处理讲义 NO 12

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发表于：2012/01/06 11:08:02 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

第十二章循环水的冷却与稳定

在生产过程中，常常会产生大量的热量，需要及时冷却。水是良好的吸热介质。循环使用的冷却水称为循环水。涉及到两个问题：

降温――水冷却

稳定――进行水质处理

第1节冷却构筑物

一、冷却构筑物的分类

冷却池：水面和喷水冷却池

冷却塔：敞开式（湿式）、密闭式（干式）和混合式（干湿式）

湿式冷却塔：自然通风、机械通风、混合通风

逆流或横流

二、冷却塔的组成

配水系统：管式（固定或旋转，大中冷却塔中应用）

槽式（维护管理方便，但易沉积污物）

池式（配水均匀）

淋水填料：点滴式、薄膜式、点滴薄膜式

通风设备：风机、风筒

其他装置：集水池、除水器

第2节水冷却的理论基础

一、湿空气热力学参数

湿空气：含水蒸汽的空气，干空气＋水蒸汽

1．湿空气压力

P＝P_g＋P_q

2．湿度：

※绝对湿度：1立方米湿空气含水蒸汽的质量：ρq

※相对湿度：空气的绝对湿度和同温度下饱和空气的绝对湿度之比：j＝ρq/ρq"

※含湿量：含有1kg干空气的湿空气中，水蒸汽的质量：x

3. 湿空气的比热

使总质量为（1+x）kg的湿空气温度升高1℃所需的热量，称为湿空气的比热，Csh

Csh = Cg+Cq x

4.湿空气的焓

气体含热量大小。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的和。有以下两部分组成：

1） 1公斤干空气相对于0度时的含热量

2） x公斤水蒸汽相对于0度水所含热量

汽化潜热：0度，液体――气体

显热：气体0度――θ度

i=i_g+i_qx

=C_gθ+x(g₀+C_qθ)

＝C_shθ＋g₀x

C_g：干空气比热；C_q：水蒸汽比热；g₀：汽化潜热

C_sh：湿空气比热；θ：空气温度

二、焓湿图

湿空气的各项热力学参数都是由试验测得的。为方便，将相对湿度j，压力P，焓i，温度θ之间的关系制成图表――焓湿图

求出焓。

三、理论冷却极限

―――湿球温度τ，代表当地气温条件下，水可能被冷却的最低温度。

干球温度――当地温度θ

四、水的冷却原理

水的冷却是将空气作为冷却介质。

※水气之间的接触传热

※水的蒸发散热

1．接触传热

基于水温和气温差的传热。

单位时间内微元面积上的接触传热：

dH_α = α(t_f – θ) dF

α:接触传热系数

t_f：水气交界面的水温

θ：空气温度

2．蒸发散热

单位时间内蒸发的水量dQu

dQu＝b_x(x" – x) dF

单位时间内蒸发传热：

dH_β = g₀b_x(x" – x) dF

g₀ :水的汽化热 kJ/kg

b_x:以含湿量为基准的传质系数

x"：与水温t_f相应的饱和空气含湿量（1kg干空气中含有的水蒸汽的质量，kg/kg）

x：温度为θ时空气的含湿量

总散热量H：

F：淋水填料全部接触表面积

如果以填料体积来表示，则

a_v：容积传热系数

b_xv：与含湿量差有关的淋水填料的容积传质系数

V：淋水填料的体积

H_α

H_β

H=H_α+H_β

(1) t_f >q

(2) t_f =q

(3) t_f <q

H_α=0

H_β

H=H_β

H_α< H_β

H_β

H= H_β-H_α

H_α= H_β

H_β

H=0

(4) t_f =t<q

上述两种散热方式在循环水降温中的地位视气候条件而定。

该帖子作者被版主 今明后加 4积分， 2经验，加分理由：感谢分享资料！能否把中间的内容重新排一下。

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2012/1/6 11:08:22 沙发管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

第3节冷却塔的热力计算原理

一、麦克尔焓差方程：

Lewis关系式：

―――麦克尔焓差方程

二、逆流冷却塔热力学平衡基本方程

图23－31：

在微元层dZ中水所散发的热量：

dHs= Cw Qz t – [Cw(Qz – dQu)(t-dt)]

Cw：水的比热；Qz：微元层进水流量；dQu：微元层蒸发水量

忽略二阶微量，假设Qz » Q：

dHs = Cw Q dt + Cw t dQu

另一方面：空气吸收总热量：dHk＝G di

稳定时：dHk = dHs

------- 冷却塔热力计算的基本方程

bxv：填料容积传质系数

V：淋水填料体积

Q：水的流量

C_W：水的比热

K：考虑蒸发水量传热的流量系数

N：冷却数，表示冷却任务的大小，与外部气象条件、空气参数有关，而与冷却塔构造无关。实际上是对冷却塔的冷却要求。N越大，要求散发的热量就越大。

Nˊ：特征数。表示在一定的淋水填料和塔型下，冷却塔本身具有的冷却能力。它与填料特性、构造、尺寸、气水流量等有关。Nˊ越大，则冷却塔的冷却性能越好。

冷却塔计算，要求N＝Nˊ

三、热力学基本方程图解

1.水面饱和气层的饱和焓曲线

以水温t为横坐标，i为纵坐标

在当地大气压P、j=1.0的条件下，利用焓湿图求出不同t下的i”

绘出i”-t关系曲线（图23-32）

2.空气操作线

反映了淋水填料中空气焓i与水温t的关系。

气水比l＝G/Q

作法：

在横坐标上找到当地湿球温度t，作垂线交饱和焓曲线于B’，相应的i₁进入塔中空气的焓值。

由B’引水平线交t₂- B₁’线于A点，t₂：出水温度。

过A点作斜率（1/kl）直线，由t₁（进水温度）交为B。

连接AB₁线----空气操作线

四、冷却数和特征数的确定

1．N的计算

采用梯形积分法：

空气饱和焓曲线

A’

B’

空气操作线

1/i"-i

t

2．Nˊ的计算＝bxv V/Q

bxv取决于填料材质、构造、尺寸、布置、高度等，也与淋水密度、风量、水温等有关。可由经验式计算得到。

Nˊ可由下列经验式计算：

Nˊ＝Aˊλ^m

Aˊ、m：试验常数

不同的填料，具有不同的系数，可由表23－4查出。

五、气水比λ（冷却每公斤热水所需的空气重量）的确定

λ同时影响N和Nˊ

Nˊ－λ

N－λ

λ_D

六、冷却塔的设计计算

1．在规定任务下，求冷却塔所需面积

1〕设不同的气水比λ，求N，作N－λ曲线

2〕选定填料，计算Nˊ－λ

3〕将N－λ曲线和Nˊ－λ相交，得设计N_D和λ_D

4〕根据λ_D求进塔空气量

5〕求塔面积

Nˊ_D

2．较核已有冷却塔的出水水温

1〕假设λ，根据选定的填料，计算Nˊ－λ曲线

2〕在Nˊ－λ上求得Nˊ_D

3〕假设若干个出水水温，计算N，作出t₂-N曲线。

4〕从t₂-N上，由Nˊ_D所对应的水温即为出水水温。

第4节循环冷却水水质特点和处理要求

一、循环冷却水的水质特点

1．蒸发浓缩

循环系统中的总损失P：蒸发损失P1（不带走盐分）

风吹损失P2、渗漏损失P3、排污损失P4

P＝P1＋P2＋P3＋P4

风吹、渗漏、排污所带走的盐量为：S（P2＋P3＋P4）；S：循环水中的含盐量

补充水带进系统的含盐量为：S_B P＝S_B（P1＋P2＋P3＋P4）；S_B：补充水含盐量

当系统刚投入运行时，S＝S_B

S_B P> S（P2＋P3＋P4）

随着运行时间的增长，S>S_B。到一定时间后，排出的盐量接近于进入系统的盐量，达到浓缩平衡。S＝S_P

S_B PU S_P（P2＋P3＋P4）

浓缩倍数K＝S_P/S_B=P/（P－P1）>1

水的蒸发浓缩，使循环水中的含盐量增加：1）一方面增加水的导电性，使循环冷却水系统腐蚀过程加快；2）溶解盐浓度超过饱和溶解度时会发生沉积。

2．二氧化碳散失与O₂增加

CO₂散失，加快沉淀：

CaCO₃ + CO₂ +H₂O---Ca(HCO₃)₂

CO₂散失，反应向左。

O₂增加，加大腐蚀性。

3．水质污染

来源是多方面的。

1）来自外界环境的多种杂质

2）冷却水处理过程中加入的药剂所产生的沉积物

3）系统内部微生物的滋生产生粘垢

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2012/1/6 11:09:41 板凳管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

无机盐类沉积――结垢

悬浮物、其它杂质――污垢

微生物繁殖――粘垢

4. 水温变化

水温升高――溶解盐溶解度降低

水温降低―――腐蚀

5.电化学腐蚀

金属腐蚀的一种常见形式。

金属表面的两个部位，由于存在物理或化学差异（不均匀、溶解盐类、杂质等），使得一个易溶于水（阳极），一个难溶于水（阴极）。形成电极电位差别――构成腐蚀原电池（由化学反应产生电能）

高电位：阴极

低电位：阳极

阳极：Fe ® Fe²⁺ + 2e 发生腐蚀

阴极：1/2 O₂ +H₂O +2e ® 2OH^-

在水中，Fe²⁺+ 2OH^- ® Fe(OH)₂

2Fe(OH)₂ + 1/2 O₂ + H₂O ® 2Fe(OH)₃¯

如果水中无氧，阴极反应产物2H⁺+2e®H₂ 会覆盖在金属表面，使水与阴极分开，使阴极反应不能进行。这称做极化作用。

如果水中溶解氧比较充足，上述阴极就会继续进行。O2起到了去极化作用。

6. 微生物腐蚀

铁细菌：把亚铁离子转化为不溶于水的Fe₂O₃水合物，形成铁瘤（锈瘤），过量时会堵塞管道。

铁细菌的锈瘤遮盖了钢铁表面，形成氧浓差腐蚀电池，并使缓蚀剂难于与金属表面作用。

硫酸盐还原菌：8H + SO₄^2- ® H₂S +2H₂O + 2OH^-+ 能量

生成的硫化氢对一些金属有腐蚀性。

参与电化学腐蚀中的阴极去极化作用，使电化学腐蚀在缺氧条件下得以继续。

硝化细菌：把氨转变为硝酸。

硫杆菌：把可溶性硫化物转变为硫酸。

因此，循环冷却水处理需要解决；腐蚀性、沉积物、微生物滋生

二、循环冷却水的基本水质要求

由于影响因素复杂，制订通用的循环冷却水质标准十分困难。因此通常将循环冷却水水质按腐蚀和沉积物控制要求作为基本水质指标。实际上是间接指标。

※腐蚀率：金属每年的平均腐蚀深度，mm/a，采用挂片试验，测定试验前、后的试片重量来确定。对于局部腐蚀，可用“点蚀系数”来反映点蚀的危害程度，即最大腐蚀深度与平均腐蚀深度之比。

经水质处理后使腐蚀率降低的效果称为缓蚀率h

※污垢热阻：传热系数的倒数，Rt。

热交换器传热面由于沉积物沉积使传热系数下降，从而使热阻增加的量称为污垢热阻。

污垢热阻与时间有关。应作出污垢热阻对时间的变化曲线，推算出年污垢热阻作为控制指标。

第5节循环水结垢与腐蚀的判别

一、极限碳酸盐法

与碳酸盐系统的平衡有关。

为维持水的稳定，水中二氧化碳含量与碳酸盐硬度之间应保持平衡。在一定水质水温条件下，保持不结垢的碳酸盐应有一限度。叫极限碳酸盐硬度 H_极。该值可根据相似条件下的运行数据，或小型试验决定。也可由经验公式计算。

判别标准：

KH_碳>H_极，发生结垢

K：循环水的浓缩倍数；H_碳：补充水中的碳酸盐硬度

只能用于判断是否结垢，不能判断腐蚀。

二、饱和指数

水中存在一系列的平衡：

CaCO₃ + CO₂ +H₂O Û Ca(HCO₃)₂

CO₂＋H₂O Û H₂CO₃

H₂CO₃ Û H⁺+HCO₃^-

HCO₃^-Û H⁺+CO₃^2-

CaCO₃ Û Ca²⁺+CO₃^2-

H₂O Û H⁺+OH^-

以上这些平衡式之间，都是相互关联又相互制约的。达到某一平衡时，水中各成份的浓度就被确定。存在一个平衡时的pHs

饱和指数LSI = pH₀ – pHs

pH₀ ：循环水在使用温度下的实际pH；

pHs：循环水在使用温度下CaCO₃所平衡饱和时的pH值。

LSI = 0 水质稳定

LSI> 0 过饱和，可能结构

LSI<0 未饱和，可能腐蚀

pHs的计算：

联立解以下式子。

Ks=[Ca²⁺][CO₃^2-] Kw=[H⁺][OH^-]

[碱度] + [H⁺] = [HCO₃^-] + 2[CO₃^2-] + [OH^-]

三、稳定指数

I_R = 2pHs – pH₀

根据生产统计数据

I_R =4-5，严重结垢

I_R =5－6 轻微结垢

I_R =6－7 轻微结垢或轻微腐蚀

I_R =7－7.5 腐蚀显著

I_R =7.5－9 严重腐蚀

四、其他盐类结垢的判别

磷酸钙饱和指数、硫酸钙浓度、硅酸镁

第6节循环水处理

一、腐蚀控制

投加缓蚀剂，在金属表面形成一层薄膜。

1．氧化膜型：

直接或间接产生金属氧化物或氢氧化物，在金属表面形成保护膜。

如铬酸盐即属于此类缓蚀剂。使金属表面的电位向高电位区移动，生成的Fe²⁺迅速氧化，在金属表面形成以不溶性g-Fe₂O₃为主体的氧化膜。形成的膜薄而致密。

但多数氧化膜缓蚀剂都是重金属含氧酸盐，污染环境。一般不单独使用，可与其它缓蚀剂联合使用。

2．沉淀膜型：

水中离子型：缓蚀剂（聚磷酸盐、锌盐等）与溶解在水中的离子（Ca²⁺, Mg²⁺）生成难溶盐或络合物，在金属表面析出。形成的膜比较松散。

金属离子型：使金属活化溶解，并在金属离子浓度高的部位与缓蚀剂形成沉积。

3.吸附膜型：

有机缓蚀剂具有亲水性基和疏水性基。亲水基即极性基能有效地吸附在清洁的金属表面上，而将疏水基团朝向水相，阻碍水和溶解氧向金属扩散，以抑制腐蚀。价格高但有发展前途。

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2012/1/6 11:14:10 马扎管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

又可分成：阳极缓蚀剂：在阳极形成保护膜

阴极缓蚀剂：在阴极形成保护膜

混合型缓蚀剂：

二、防垢处理

1．用排污法减少浓缩倍数

2．降低补充水中的碳酸盐硬度

采用软化降低水的硬度。

采用酸化法将碳酸盐硬度转化成溶解度较高的非碳酸盐硬度。

Ca(HCO₃)₂ + H₂SO₄ ----- CaSO₄ + 2CO₂ + 2H₂O

3．投加阻垢剂

从水中析出碳酸钙等水垢的过程，就是微溶性盐从溶液中结晶沉淀的一种过程。按结晶的动力学观点，结晶的过程首先是生成晶核，形成少量的微晶粒，再由于不断地相互碰撞，变成大晶体。

---- 投加阻垢剂，破坏结晶增长。

阻垢剂：对钙、镁离子具有吸附、络合、分散作用。

聚磷酸盐法（有：六偏磷酸钠和三聚磷酸钠）：与水中离子起络合反应；分散剂，可吸附在微小晶坯上。

有机磷酸盐（有：膦酸盐和二膦酸盐）：吸附和分散作用

聚羧酸类阻垢剂（聚丙烯酸钠）：是一种比较有效的阴离子型分散剂。

三、防污垢处理及微生物控制

※补充水处理

※冷却水构筑物的保护

※循环水处理：投加化学药剂（杀菌）、设置旁滤池

四、综合处理

复方稳定剂（腐蚀、结垢及污垢）：

锌/聚磷酸盐

聚磷酸盐/有机磷酸盐

化学清洗（表面处理）――冲洗――预膜（缓蚀阻垢）――综合处理（投加稳定剂）

五、存在的问题

生物陶瓷的生成

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2012/1/7 16:47:04 地毯管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

gl19860312版主：
是从那里来的这些啊，谢谢分享。

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2012/1/7 16:47:34 地板管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

如果更紧凑点，那么就比较爽了哈。

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2012/1/7 20:02:34 6楼管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

氧化膜型：直接或间接产生金属氧化物或氢氧化物，在金属表面形成保护膜。如铬酸盐即属于此类缓蚀剂。使金属表面的电位向高电位区移动，生成的Fe2+迅速氧化，在金属表面形成以不溶性g-Fe2O3为主体的氧化膜。形成的膜薄而致。但多数氧化膜缓蚀剂都是重金属含氧酸盐，污染环境。一般不单独使用，可与其它缓蚀剂联合使用。
就一个循环水系统如此复杂啊。

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2012/1/7 20:04:25 7楼管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

沉淀膜型：水中离子型：缓蚀剂（聚磷酸盐、锌盐等）与溶解在水中的离子（Ca2+, Mg2+）生成难溶盐或络合物，在金属表面析出。形成的膜比较松散。金属离子型：使金属活化溶解，并在金属离子浓度高的部位与缓蚀剂形成沉积。
循环水的第二个模型，不知道目前我国用的那种模型呢？

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2012/1/7 20:06:12 8楼管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

吸附膜型：有机缓蚀剂具有亲水性基和疏水性基。亲水基即极性基能有效地吸附在清洁的金属表面上，而将疏水基团朝向水相，阻碍水和溶解氧向金属扩散，以抑制腐蚀。价格高但有发展前途。

这种模型在三中循环水中具有一定的市场导向啊，这也是个科研的方向，虽然现在价格高，相信随着科研的研究，这个方法是最有利用价值的。

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