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第第 1515 章 水的冷却与水质稳章 水的冷却与水质稳定定
•湿空气的性质湿空气的性质•水冷却的基本原理水冷却的基本原理•冷却塔的工艺与设计冷却塔的工艺与设计•循环冷却水水质稳定循环冷却水水质稳定
15.115.1 湿空气的性质湿空气的性质15.1.1 湿空气的热力学参数1. 湿空气的压力 P=Pg+Pq P=RT×10-3 Pg=gRg×10-3 Pq= gRqT×10-3 Pg、 Pq—— 干空气和水蒸汽在其本身分压下的密
度, Kg/m3 。 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" )。湿空气的饱和水蒸气分压只与温度有关,与大气压力无关。0<Pq<Pq " :
)T16.273(0024808.0T
15.373lg2.8
15.373
10
T
10142305.30141966.0Pqlg
33
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) )m/kg(10
T6.461
"P10
TR
P 33q3
q
)m/kg(10T53.461
"P10
TR
"P" 33q3
q
qq 饱和空气
4 .相对湿度: Φ=ρq/ρq"= Pq/ Pq "Pq= ρPq " Pq =P- ρPq "
P
)-(.0006620P
5 .含湿量: 在含有一 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 )
Pq-P
Pq622.0
PqP
Pq622.0
Pg53.461
Pg14.287
RqPg
RgPq
g
q
)(饱和含湿量 1Pq-P
Pq622.0
0.622
0.622
: PqP
Pq622.0
PgP
Pg622.0
g
g
可得
饱和空气说明 :
的水蒸汽增加则每项公斤干空气可以 "
。,," 空气越干燥吸湿能力增大增大
6 .湿空气的密度 ρ
)m/kg(T
Pq316.1
T
P483.3
RgT
10Pq
RgT
10)qP(
RqT
10Pq
TR
10P
3
33q
3
g
3g
qg
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1 kg 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 =C g+Cq x Csh=1.00+1.84x Csh 一般采用1 . 05 KJ/(kg· )℃
8 . 湿空气的焓( i )湿空气的焓等于1 Kg 干空气和含湿量 x 公斤水蒸汽的含湿量之和。i= ig+ xig以0℃ 的水的热量为零:水蒸汽的焓以两部分组成:a. 汽化热 r0 =2500kJ / kgb.1kg 干空气由0℃ 升至 θ℃ 所需的热量:
)Kg/KJ(005.1ci :kg1 gg 干空气的焓
)Kg/KJ( 842.1ci gg
)Kg/KJ(xC
x2500)x842.1005.1(x)842.12500(005.1xiii
0sb
gg
与温度有关显热 : )x842.1005.1(
与温度有关潜热: x2500
15.1.2 湿空气的焓湿图:15.1.3 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。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。
15.215.2 水冷却的基本原理水冷却的基本原理 15.2.1 水的冷却原理 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。
15. 2 . 2 接触传热量和蒸发传热量
dF)xx(dQ
dF)PP(dQ
dF)t(dH
"xu
q"
qpu
f
。: 。: xp 系数以含湿量为基准为传质系数以分压差为基准的传质
含湿量差分压差 x):-(x :PP q"
q
P0.622
P
P622.0
P
g
g
2121 XXXXX
水面饱和气层含湿量进塔水温 11 t——X
水面饱和气层含湿量出塔水温 22 t——X
X1—— 进塔空气含湿量X2—— 出塔空气含湿量
• 在冷却塔中,淋水填料邻接触表面积 F 的总传热量 H 为 dF)x"x(dF)t(dHdHdH
)(dF)x"x(dF)Pq"Pq(dQdH
x0f
x0p0u0
:水的汽化热
的空气含湿量。温度为
湿量。相对应的饱和空气的含与水温含湿量的平均值。
温度差的平均值。塔内水面温度与空气
x
tx"
)x"x(
)t(
F)x"x(F)t(dF)x"x(dF)t(dHH
f
m
f
mx0mf
F
0x0
F
0f
H
0
dV)x"x(dV)t(dHdHdH
V)x"x(V)Pq"Pq(
V)t(HV
F,
V
F,
V
F
F)x"x(V
F)Pq"Pq(
V
FF)Pq"Pq(Q
V)t(V
FF)t(H
xv0mfv
mxvmxvu
mfv
ppv
xxvv
mxp
mpy
fmf
令
15.315.3 冷却塔的工艺与设计冷却塔的工艺与设计 理论公式计算法目前国内外常用的有两种:
1. 三变量分析法( t,θ,Pq ) ① 热水有接触散热传给空气的热量 dHa 将使空气干球温度 θ 升
高。
② 空气通过 dz 段所增加的含湿量等于该段内水的蒸发量 dQu,会引起空气中水蒸气分压 Pq 的增大。
③ dz 段中,水放出了热量必然引起水温 t 的下降。
水蒸气分压—空气干球温度—水温 Pq —t
)t(dV
d :
接触传热
)PqPq(bdV
dPq " 蒸发量
)PqPq(B)t(AdV
dt " 平衡水气热量
2 .两变量分析法( t,i ) Merkel 焓差方程为基础,麦克尔于 1925 年引用“焓”的概念。建立了麦克尔焓差方程: 从而只需分析水温 t与 i, i 代替 θ, P
15. 3 . 1 麦克尔焓差方程
表示了热量交换和质量交换之间的速度关系。
dv)ii(dH "xv
刘易斯关系式 ))C.Kg/(KJ(05.1C 0sh
vx
v
x
xCi C 0sb 湿空气的焓
空气水面饱和层 )x,t( "f
)h/kJ(dv)i"i(
dv)xC)("xtC(
dv)x"x()t(
dv)x"x(dV)t(
dHdHdH
"xtC"i
xv
0sh0fshxv
0fxv
vxv
xv0fv
0fsh
1 、
2 、。之差,为冷却之推动力差
与塔内该点空气焓所对应的饱和焓为水平温度i
itii "f
"
推动下散发的热量。积淋水填料在单位焓差反映了单位时间单位容xv
空气所到的热量:
uwzw
uzwzw3
tdQCdtQC
)]dtt)(dQQ(C[tQCdH :dz
水散失的热量对
dtdQC uw略去
Gdi
tdQC1
dtQCGdi
dtQC)Gdi
tdQC1(Gdi
dtQCtdQCGdi
tdQCdtQCGdi:dHdH
GdidH
uw
zw
zwuw
zwuw
uwzwsk
k
①
K 为考虑蒸发水量传热的流量系数。k
dtQCGdi
Gdi
tdQC-1k zwuw 设
20)-0.56(t-586
t-1k :
2
2经验公式
m
uzw
um
uzw
s
uzw
ums
s
uzw
suzw
su
s
u
uwzw
uw
QtC1
Q
QtC1
H
QtC1k
QHHHH
H
QtC1k
dH)k1(QtC
dH)k1(dH
dH
dH1
tdQCdtQC
tdQC1kk
夏季:
积分得:
值,得①将 代入
此即为逆流式冷却塔热力学计算基本方程。
散热性能以及气、水流量有关,称为冷却塔的特性数。
1
2
1
2
t
t "wxv
t
t "w
v
0
xv
"wxv
w"xv
k
ii
dt
k
C
Q
Vii
dt
k
C
Q
dv
)ii(k
dtC
Q
dvk
QdtCdv)ii(
,dHdH :引入麦克尔焓差方程得
、
,,NQ
txv
构造几何尺寸水填料的特性
与淋的冷却能力反映了冷却塔本身具有特性数
、
。,,ii
dt
k
CN
1
2
t
t "w 无关而与冷却的构造和形式数有关与外部气象条件空气参为冷却数
15. 3 . 2 对热力学基本方程的讨论
βxv :单位容积淋水填料在单位焓差的推动力的作用下,所能散发的热量。
量之差热量与其外界空气含热指水面饱和空气层的含 i:i"
。,V,ii" 冷却塔淋水填料体积)冷却推动力(
Vi
tQ
k
C
i
t
k
C
Q
V
m
wxv
m
wxv
15. 3 . 3 逆流塔焓差法热力学基本方程图( i—t图)解
1 、
t
0.1
P大气压水面饱和焓曲线
2 .空气操作线 起点:在 t坐标上找到当地湿球温度值,作垂线交饱和焓曲线于 B′点, B′点的纵坐标为 i1 ,即为进入塔中空气的焓值。
)1C(tgk
C
dt
di
G
Q
k
1
dtC
dik
QdtCGdi
ww
w
w
k
tCii
Ck
ttii
)tt(k
QC)ii(G
w12
w21
1
21w
1
3 .焓差的物理意义:
。 ii" 为冷却塔的推动力
。V,,ii" 及冷却塔体积越小所需填料体积冷却数越小越大
焓曲线斜率是先小后大
由于饱和值即缩小左移若空气操作线起点 ,)t(,A 1
C 532 一般不应小于冷却困难将使焓差缩小所以空气操作线左移
t
。,,
愈大,冷却愈易。愈大,气水比 ii"
15. 3 . 4先根据 i—t 图作出
。i
dt
k
CN
1
2
t
t
w 的求解冷却数
用 simpson 积分法
时的饱和空气焓。为水温的平均值,为式中,
:℃时,可简化计算如下当
2
ttiiii
)ii
1
ii
1
ii
1(
k6
CN
15
)i
1
i
4
i
2
i
2
i
4
i
1(
w3
dtC
ii
dt
k
CN
21"m21m
2"
1m"
m1"
2
tw
t
n1n2n210
wt
t "w
1
2
15. 3 . 5 冷却塔的性能:1 、(1)
(2)
:Nxv 求定及特性数
xv
)hm/kg(qAg :
hkg/m。—q
hkg/mg,—g
tqAg) 、 tq、g、(f
2nmxv
2
2
p1
nm1xv
国内外多采用
单位为淋水密度
的单位为空气流量密度
特性数—N
试验常数
汽水流量比
淋水填料的高度式中
时当
AZ,A
q
g ,——
m ,—— Z:
Aq
gAZN :1nm
qAZgq
zqAgN
q
Z
F/Q
F/V
Q
VN
mm
1nmnm
xvxvxv
2 .淋水填料性能:1 )热水特性数: A′,m或 A,m,n 等参数由模型塔或生产性塔试验求得。2 )阻力特性:
3 )淋水填料模型塔与工业塔的热力学性能比较。
4)当出塔时空气的含湿量恰好达到饱和( φ=1.0 ),此时
空气的流量为理论空气需氧量。
nm
1
AVg
P
0.185.0N
N—
模型塔
工业塔
的选择气水比
15. 3 . 6 冷却数( N)与特性数( N′ )的统一。
)(fN
)(fN
15. 3 . 7 横流式冷却塔基本公式的推导:1 .矩形横流塔基本公式的推导:
y
z
x
θ 2 Ф, 2 X, 2, ρ 2
t1,Qwater
t1,Q-Qu
θ 1,Ф 1,X1,ρ 1G ai r
y+dy
x+dx y,
x+dx,x x+dy
x,y
o
单位时间水所散发的热量
单位时间空气所吸收的热量:
由于 i在 x 方向有变化, i在 y 方向有变化:
dxdyy
tC
k
qzdH w
s
dxdyx
izgdHk
dxdyyx
zgdH
dxdyyx
tC
k
qzdH
ik
2
ws
右端表示冷却塔的冷却能力,左边为冷却任务时对冷却塔的要求。
经过变换后积分得:
由
得:对与微元
dxdy)ii(dxdyyx
tgdxdy
yx
tC
k
q
dHdHdH
zdxdy)ii(dH
zdxdydv)ii(dH
"xv
22w
ks
"xv
"xv
y
0
x
0
y
0
x
0
xv2
y
0
x
0
y
0
x
0
xvw
2
dxdyq
dxdyxy
t
ii
1
dxdyq
kdxdyC
xy
t
ii
1-
横流塔热力计算基本式
2 .求解: dxdyq
kdxdyC
yx
t
ii
1 H
0
L
0
xvw
2H
0
L
0 "
4
i2ii
ii
ii
ii
ii
),(fx
iiixi
Hq
k
i
tCN
Li
tCdxdyC
xy
t
ii
1-
HLq
kdxdy
q
k
m21
11
21
11
21
11m
xv
m
w
H
0
L
0 m
ww
2
H
0
L
0
xvxv
15.415.4 循环冷却水水质稳定循环冷却水水质稳定 15.4.1 循环冷却水水质特点和处理要求 15. 4 . 1 . 1 敞开式循环水冷却水具
有的特点 1 .循环冷却水的浓缩作用 2 .冷却水中 CO2 的散失和 O2 的增加 3. 循环冷却水的水质污染 4 .水温变化
项目 要求条件 允许值
浊度
(度)
Ⅰ
1. 年污垢热阻<9.5×10-5m2·h·0C/kJ2. 有油类粘性污染物时 ,年污垢热阻<1.4×10-4m2·h·0C/kJ3.腐蚀率<0.125mm/a
<20
Ⅱ1. 年污垢热阻<1.4×10-4m2·h·0C/kJ2. 腐蚀率<0.2mm/a <50
Ⅲ1. 年污垢热阻≤ 1.4×10-4m2·h·0C/kJ2. 腐蚀率≤ 0.2mm/a <100
电导率( us/cm )
采用缓蚀剂处理<3000
总碱度(mmol/L )
采用缓蚀剂处理<7
PH 值 6.5~9.0
15. 4. 1. 2 循环循环冷却水的处理要求:1 .敞开式循环冷却系统对水的浊度,电导度,总碱度, PH 值等均有要求,详见表
敞开式循环冷却系统冷却水主要水质指标
2 .腐蚀率:⑴. 概念(2)⑶. 点蚀参数:点蚀时,腐蚀可用点蚀参数反应。点蚀系数越大,对金属危害越大。
(4).缓蚀率:3 .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
使热阻增加的量称为污垢热阻。
Ft
PP76.8C: 0
L
失重法测量方法
%100C
CC
0
L0
)11
(K
1
K
1
K
1
K
1
K
1R
t000t0tt
4 .循环冷却水结垢控制指标 不稳定的水: 1. 结垢性水 2 .腐蚀性水
循环水结垢控制指标
影响因素:①盐分浓缩: CaCO3,CaSO4,MgSO4 结垢。 ②悬浮固体及有机物浓度。 ③ 热交换器提高了水温的影响。 ④水处理药剂。
结垢 控制参数 控制指标
CaCO3 pHs
pH0<pHs+ ( 0.5~2.5 )
CaSO4 溶解度 [Ca2+]×[SO42-]<5000
00
Ca3 ( PO4) 2 pHp pH0<pHP+1.5
MgSiO2 溶解度 [Mg2+]×[SiO22-]<350
0
15.4.2 循环冷却水水质处理 控制: 1.腐蚀 2.沉积物 3.微生物 15. 4 . 2 . 1 腐蚀控制: 1 .金属的腐蚀: 1) 概念 2) 分类 3) 化学腐蚀 4)电化学腐蚀 (1) 析氢腐蚀 (2) 吸氧腐蚀 (3)浓差腐蚀 (4)点蚀(孔蚀) 2 .腐蚀控制
15. 4 . 2 . 2 沉积物控制: 结垢控制 污垢控制1. 结垢控制:1 )去除水中产生结垢的成分 2 )酸化法 3 )加阻垢剂 2 .污垢控制:15. 4 . 2 . 3 微生物控制 1 .化学药剂法1 )氧化型杀菌剂2) 非氧化型杀菌剂 3 )表面活性剂杀菌剂 15. 4 . 2 . 4 复方缓蚀阻垢剂 15. 4 . 2 . 5 循环冷却水系统的预处理: 预处理包括清洗与预膜,一般分三步:化学清洗剂清洗 、冲洗干净、预膜
15.4.3循环冷却水的水量损失与补充 水量总损失: P=P1+P2+P3+P4 P1———— 蒸发损失 P2———— 风吹损失 P3————渗漏损失 P4——排污损失补充水量为 P,含盐量为 SB ,则当系统刚开始运行时,补充的盐
量SBP=SB( P1+P2+P3+P4)>S1(P2+P3+P4)S1(P2+P3+P4)——失去的盐量随着系统的运行,系统中的含盐量增大,当增大到SBP=SB( P1+P2+P3+P4)≈ S1(P2+P3+P4) 时:含盐量稳定,以 SP 代替 S2 ,则
B432
1Bp
1
1
1432
4321
B
p
S)PPP
P1(KSSS
PP
P1
PP
P
PPP
PPPP
S
SK