第三讲 循环冷却水系统及其水处理概况 3

第三讲循环冷却水系统1．课程教学内容（1）循环冷却水系统的种类、组成、操作（2）常见的冷却塔2．课程重点、难点重点内容：循环冷却水系统的组成和操作难点内容：冷却塔的冷却机理3．课程教学要求（1）掌握直流式、敞开式、密闭式冷却水系统的特点（2）了解常见的冷却塔用水溶液来移走热量的系统。水溶液是很理想的热载体；水是普遍存在的，江、河、湖、海等地表水或是地下水，甚至是废水处理后的回用水，都可以用作冷却水。

水有比较大的热容量；在室温时，lm3的水，温度升高1℃，可以吸收纳2.42×109J的热量。

水有很大相变热；当水溶液作冷却介质使用时，部分能量较大的表层水分子有可能克服分子间的引力和氢键，从而气化到空气中，完成相变过程。每蒸发lkg水、带走约2.43×106J的热量。3.1冷却水系统冷却水系统通常有两种：(一)直流冷却水系统冷却水仅仅通过换热设备—次，用过后水就被排放掉，如图3-1所示。因此，它的用水量很大，而排出水的温升却很小，水中各种矿物质和离子含量基本上保持不变。这种冷却水系统不需要其他冷却水构筑物，因此投资少、操作简便，但是冷却水的操作费用大，而且不符合当前节约使用水资源的要求。这种系统(除了用海水的直流冷却水系统外)在国外已被淘汰，在国内一些中、小型老厂仍在采用。随着国内各项节水政策的制定，这些工厂也都在采取措施，将其列入技术改造的范围。3.2冷却塔

用于水冷却的塔式构筑物简称冷却塔。冷却塔内部装有溅水装置或填料，由一排排板条交错排列而成。水顺着板条逐排淋降，溅成水滴。也可采用膜式填料，使水在填料表面上以薄膜形式与空气接触。填料必须受湿良好，否则形成水流而不是水滴或水膜。在冷却塔中，热水由塔顶向下喷淋成水滴或水膜状，空气由下而上或水平方向与水滴或水膜进行热交换，使水温降低。冷却塔的分类:

按照塔的构造，有框架式和玻璃钢整体成型式；按照塔内空气流动的动力，有自然通风和机械通风之分；机械通风又分抽风和鼓风式两种；按照空气与水在塔内相对流动状态，有逆流式和横流式；（二)循环冷却水系统循环冷却水系统又分封闭式和敞开式两种：1．封闭式循环冷却水系统又称为密闭式循环冷却水系统。在这个过程中，冷却水温度升高而成为热水，在另一台换热设备中用其他冷却介质来进行冷却热水，经冷却后循环使用。如图3-2所示。特点:

冷却水不暴露于空气中，水的损耗很少，如果选用密封性能很好的水泵，可以做到基本上不消耗水，水中各种杂质的浓度变化很少。由于密闭冷却水系统一般用量比较少，可以使用纯水，但不要使用软化水因为软化水对金属的腐蚀性很强。一个密闭循环冷却水系统由两部分组成：一个是冷却水的循环部分，另一个是对冷却水进行冷却的装置部分。一般用于发电机、内燃机、或有特殊要求的单台换热设备。2．敞开式循环冷却水系统在敞开式循环冷却水系统中，冷却水用过后也不是立即排放掉，而是收回循环再用。水的再冷却是通过冷却塔来进行的，因此冷却水在循环过程中要与空气接触，部分水在通过冷却塔时还会不断被蒸发损失掉，因而水中各种矿物质和离子含量也不断被浓缩增加。为了维持各种矿物质和离子含量稳定在某一个定值上，必须对系统补充一定量的冷却水，通常称作补充水；并排出一定量的浓缩水，通称排污水。如图3-3所示：

图3-3敞开式循环冷却水系统1-补充水(M)；2-冷却塔；3-冷水池；4-循环水泵；5-渗漏水(F)；6-冷却水；7-冷却用换热器；8-热水(R)；9-排污水(B)；10-蒸发损失(E)；11-风吹损失(D)；12-空气系统的基本组成:包括补充水的预处理、循环水的输送泵、与工艺介质的热交换、循环水的冷却、药剂的投加、冷却水的旁滤、排污水的处理、控制检测网络和管道等设备，构筑物，装置及仪表等组成。与直流冷却水系统相比，可节约大量冷却水，允许的浓缩程度越高，节约的水量越大，且排污水也相应减少。所以这是目前应用最广、类型最多的一种冷却系统。下面主要介绍这种系统的操作、存在的问题、及解决办法。1、开放式自然通风冷却塔

在较高的塔型构筑物的顶部，水经过淋水装置喷淋而下，与从百叶窗中进来的空气垂直交叉相遇，完成热交换过程。冷却效果取决于环境风力和气温。只能适用于冷却水量不大，传热要求很低，水温变化不高的系统。(见教材P7图1-4a，b)2、风筒式冷却塔有很大很高的风筒，因而对空气有很强的抽吸能力。低温状态的空气在风筒的下部进人冷却塔，在填料内与热水进行有效的热交换。这种构造常常用于冷却水流量很大的系统，虽然工程基建投资大，但日常维护简易，能耗较小，像发电厂的冷却水一般使用风筒式冷却塔。(图1-4c，d)3、鼓风式冷却塔是由安装在冷却塔底部的鼓风机将低温状态的空气压入塔中，与热水逆流通过填料层进行传热和传质。优点是风机的位置较低，维护方便；风机的工作不受湿热空气的影响，温度低，使用寿命长，尤其当水质较差或有腐蚀时，可避免风机的腐蚀。缺点是在相同冷却效果时，要有更高的塔身高度；塔内空气处于正压状态，不利于蒸发，当风机的吸入口受湿热空气回流影响时，冷却效果明显降低。(图1-4e)4、抽风式冷却塔是机械通风冷却塔中应用最普遍的。风机安装在塔顶，根据水与空气流动方向，可分为逆流式、横流式和并流式3种。从热交换效率来看，逆流式最优越。根据冷幅在4~25℃范围内变化，可以制造成低温、中温、高温不同型号的冷却塔。单台冷却塔处理冷却水的能力小至3~5m3／h.(图1-4f，g)优点:

1）抽风时，塔内空气成负压，十分有利于水的蒸发散热；

2）塔内装填着一定高度的、亲水性能很好的波纹或网格形状的淋水装置填料，使从上而下的热水以细小水珠或极薄的水膜与空气有最大的接触面积和最理想的接触时间，以达到好的传热效果；

3）允许有较大水温差，淋水密度远大于自然通风的冷却塔，因此占地面积小，工程造价低，可用于对冷却后的水温有确定要求的生产工艺，甚至在气温较高、湿度较大的地区也能很好地使用。缺点:1）风机消耗较大的电能；塑料制品有一定的老化期需要定期进行维护检修

2）塔身较低时，由于风机进口的风速较大，排出塔顶的湿热空气容易造成部分回流，影响冷却的效果，如果能形成理想的塔群分布，可克服这一缺点。5、框架式冷却塔是机械通风冷却塔的一种使用形式。冷却塔呈矩形结构，框架由钢筋混凝土浇注，设计和施工时往往与水池连接成一体，设计的冷却水温差可达10℃以上，单框冷却水的处理量为500~2000m3/h，多柜组合施工可节省投资。框架式冷却塔适宜于冷却水量较大的使用场合，对北方寒冷地区有较长的使用寿命；可逐个检修和更换填料而不影响生产的正常运行，但造价高，遇到有腐蚀性的气体或介质进入水体时，要在混凝土表面进行涂层防护处理。6、玻璃钢冷却塔

壳体由玻璃钢制作的机械通风冷却塔称玻璃钢冷却塔。目前已经有系列化产品，由于这类产品规格齐全，场地安置适应性强，排列灵活，既可以整体运输安装，又可以在现场拼装，价格相对比较便宜，很适合化工、制冷、轻工、制药等行业选用。玻璃钢冷却塔适宜组合使用，单框的处理水量约150~600m3/h，可以组合2~12台，组合后因通风条件改变，处理水量应重新计算。广州菱科冷却塔广州菱科冷却塔结构河北枣强钢筋混凝土框架逆流式河北枣强方形横流河北枣强方形横流结构枣强圆形逆流枣强圆形逆流结构3.3冷却机理1、湿空气的性质湿空气中水蒸汽的分压一般小于该温度下的饱和蒸汽压，相对湿度小于100%。2、干球温度普通温度计测得，真实温度。3、湿球温度普通温度计水银球上包一层湿纱布，叫湿球温度计。当湿空气传递到纱布表面的热量等于纱布中水分蒸发所需的热量，此温度为湿球温度。4、冷却机理在冷却塔内，热水下淋过程与周围空气存在温度差和湿度差，发生两种传热作用，一是蒸发传热，二是接触传热，使水温降低。蒸发传热是冷却水在冷却塔中由于气化而从液相带到空气中的潜热量。进人冷却塔的空气相对湿度一般总小于l00％，而在填料处水膜表面的空气、水蒸气已达饱和状态，水蒸气就不断扩散到空气中去。只要水表面的饱和蒸汽压比空气中的水蒸气分压大，水表面的蒸发就必然会存在。蒸发传热的过程使一部分冷却水从液相转移到空气中，所以是水的传质过程。由于水有很高的汽化潜热，每蒸发lkg水、要带走约2.43×106J的热量，占冷却塔中传热量的75％~80％。蒸发传热传递的热量q

q汽=γ·Eγ为该温度下的汽化热

E(kg)蒸发水量接触传热是当空气的湿球温度低于水温时，热量从水传向空气，使空气温度提高而水温降低，这部分热量的传递通过温度显示出来，称为显热，约占冷却塔中传热量的20％~25%。在热量传递的过程中，传导和对流都在起作用，以传导为主，冷却水与空气之间直接接触传递的热量qq传

=k传·A·Δtk传由流体的流动状态和物料特性所决定，

A为气液两相真实的传热面积（m2），

Δt为两相的温度差（℃）实际计算时k和A都很难确定，只能相对说，在冬季气温低，接触传热的作用占的比例增大；在夏季气温高，接触传热作用占的比例减小。3.4敞开式循环冷却水系统操作冷却水在完成换热任务后变成热水，此循环水量为R的热水被送往冷却塔顶部，由布水管道喷淋到塔内填料上。空气则由塔底百页窗空隙中进入塔内，并被塔顶风扇抽吸上升，与落下的水滴和填料上的水膜相遇进行热交换，水滴和水膜则在下降过程中逐渐变冷，当到达冷却水池时，水温正好下降到符合冷却水的要求。空气在塔内上升过程中则逐渐变热，最后由塔顶逸出，同时带走水蒸气。这部分水的损失称蒸发损失E。热水由塔顶向下喷溅时，由于外界风吹和风扇抽吸的影响，循环水会有一定的飞溅损失和随空气带出的雾沫夹带损失。这些损失掉的水，统称为风吹损失D。为了维持循环水中一定的离子浓度，必须不断向系统中加入补充水量M和向系统外面排出一定的污水。这部分水量称为排污损失B。操作图见3-3所示。

图3-3敞开式循环冷却水系统1-补充水(M)；2-冷却塔；3-冷水池；4-循环水泵；5-渗漏水(F)；6-冷却水；7-冷却用换热器；8-热水(R)；9-排污水(B)；10-蒸发损失(E)；11-风吹损失(D)；12-空气实际操作中，这些参数都需讨论确定。(一)浓缩倍数在敞开式循环冷却水系统中，由于蒸发系统中的水会愈来愈少，而水中各种矿物质和离子含量就会愈来愈浓，为使水中含盐量维持在一定的浓度，必须补入新鲜水，排出浓缩水。通常在操作时，用浓缩倍数来控制水中含盐的浓度。设以K表示浓缩倍数，则K的含义就是指循环水中某物质的浓度与补充水中某物质的浓度之比。即K=CR/CM式中CR——循环水中某物质的浓度；CM——补充水中某物质的浓度。用来计算浓缩倍数的物质，要求它们的浓度除了随浓缩过程而增加外，不受其他外界条件，如加热、沉淀、投加药剂等的干扰。通常选用的物质有Cl-、SiO2、K+等物质或总溶解固体。浓缩倍率是一个相对量的概念，不能用浓缩倍率的高低来简单评定药剂的性能，但能反映冷却水系统运行的管理水平.

(如一个地方地表水的含盐量很低，运行浓缩五倍以后还比另一个地方的补充水的含盐量低。)

(二)补充水量M(m3/h)

水在循环过程中，除因蒸发损失和维持一定的浓缩倍数而排掉一定的污水外，还由于空气流由塔顶溢出时，带走部分水滴，以及管道渗漏而失去部分水，因此补充水是下列各项损失之和。1、蒸发损失E(m3/h)

冷却塔中，循环冷却水因蒸发而损失的水量E与气候和冷却幅度有关，通常以蒸失损失率a来表示。进入冷却塔的水量愈大，E也就愈多，以式表示如下：式中a——蒸发损失率，%；R——系统中循环水量，m3/h；

B——系统中排污水量，m3/h；

t1，t2——循环冷却水进、出冷却塔的温度，℃；

e——损失系数，与季节有关，夏季(25~30℃)时为0.15~0.16；冬季(-15~10℃)时为0.06~0.08；春秋季(0~10℃)时为0.10~0.12。2、风吹损失(包括飞溅和雾沫夹带)D(m3/h)

除与当地的风速有关外，还与冷却塔的型式和结构有关。一般自然通风冷却塔比机械通风冷却塔的风吹损失要大些。若塔中装有良好的收水器，其风吹损失比不装收水器的要小些。风吹损失通常以占循环水量R的百分率来估计，D≈（0.2%~0.5%）R3、排污水损失B(m3/h)

由需要控制的浓缩倍数和冷却塔的蒸发量来确定，其计算下面再讨论。4、渗漏损失F(m3/h)

良好的循环冷却水系统，管道连接处，泵的进、出口和水池等地方都不应该有渗漏。但因管理不善，安装不好，则渗漏就不可避免。因此在考虑补充水量时、应视系统具体情况而定。故补充水量M=E+D+B+F(三)排污水量B(m3/h)

B的确定与冷却塔的蒸发损失量和浓缩倍数K有关。可以通过下列物料衡算的办法，找出B和E与K的关系式。

设循环系统中，除了有补充水加入和排污、蒸发、风吹、渗漏等损失外，再没有其他的水流或溶质加入或排出系统，那么整个系统在循环浓缩过程中，就可以对循环水中某些不受加热、沉淀等干扰的溶质(如Cl-、K+、Na+等)作物料衡算，得到下面的式子：

蒸发时，溶质不会随水蒸气逸出，所以实际cE等于零，故上式可写成McM=(B+D+F)cR

因为K=cR/cM

所以M/(B+D+F)=K或(B+D+E+F)/(B+D+F)=K

则B=[E-(K-1)D-(K-1)F]/(K-1)

当系统中管道联接紧密，不发生渗漏时，则F=0；当冷却塔收水器效果较好时，风吹损失D很小，如略去不计，则上式可简化为：B=E/(K-1)

因此循环冷却水系统运行时，只要知道了系统中循环水量及和浓缩倍数K，就可以估算出蒸发量E、排污水量B以及补充水量M等操作参数。控制好这些参数，循环冷却水系统的运行也就能正常进行。由上述一些关系还可以看出，在一定的系统中，只要改变补充水量或排污水量，就可以改变循环水系统的浓缩倍数。(四)操作运行时系统中离子浓度的变化循环水系统在操作运行时，不断加入补充水和徘出浓缩水，因此循环水中的离子浓度随着运行时间的推移会发生变化。其变化的规律将根据补充水量和排污水量的大小而异，但最终会趋于一个定值。现在讨论改变运行条件时，系统中一些离子浓度的变化规律。设补充水中某离子的浓度为cM，而循环水中某离子浓度c只是随着补充水量和排污水量的变化而变化，那么对系统中某离子浓度的瞬时变化可作如下的分析：某离子的瞬时变化量＝d(Vc)

式中v——系统中水的总容量，m3；

c——系统中某离子的瞬间浓度，g/m3。某离子随补充的加入而引起的瞬时增加量=McMdtcM——补充水中某离子的浓度，g/m3；某离子随排污水的排出而引起的瞬时减少量=Bcdtc——排污水中某离子的瞬时浓度，g/m3；根据物料衡算，系统中某离子瞬间变化量应该等于进入该系统的瞬时量和排除系统的瞬时量的差值。即设系统在t0时，某离子的浓度为c0，经时间t后，某离子浓度变为c。对上式积分经整理后可得下式此式描述了循环水系统运行条件发生变化时，冷却水中某离子浓度变化的规律。见下图：图3-4降低浓缩倍数时水中某离子浓度变化曲线图3-5提高浓缩倍数时水中离子浓度变化曲线两个图中的McM/B不相等。从图3—4和图3—5得知，不论系统中某离子的初始浓度是多少，随着运行时间的推移，其最终的浓度总是浓缩倍数和补充水中离子浓度的乘积，由此证明了控制好补水量和排污水量能使系统中某些离子浓度稳定在一个定值上。3.5敞开式循环冷却水系统产生的问题冷却水在循环系统中不断循环使用，由于水的温度升高，水流速度的变化，水的蒸发，各种无机离子和有机物质的浓缩，冷却塔和冷水池在室外受到阳光照射、风吹雨淋、灰尘杂物的进入，以及设备结构和材料等多种因素的综合作用，会产生比直流系统更为严重的沉积物的附着、设备腐蚀和菌藻微生物的大量滋生，以及由此形成的粘泥污垢堵塞管道等问题，它们会威胁和破坏工厂长周期地安全生产，甚至造成经济损失，因此不能掉以轻心，在推广使用敞开式循环冷却水系统时，必须要选择一种经济实用的循环冷却水处理方案，使上述问题得到解决或改善。腐蚀严重的镀锌管结垢严重的镀锌管被堵塞的铜管1、水垢附着

一般天然水中都溶解有重碳酸盐，这种盐是冷却水发生水垢附着的主要成分。在直流冷却水系统中，重碳酸盐的浓度较低。在循环冷却水系统中，重碳酸盐的浓度随着蒸发浓缩而增加，当其浓度达到过饱和状态时，或者在经过换热器传热表面使水温升高时，会发生下列反应：冷却水经过冷却塔向下喷淋时，溶解在水中的游离CO2要逸出，这就促使上述反应向右方进行。CaCO3沉积在换热器传热表面，形成致密的碳酸钙水垢，它的导热性能很差。不同的水垢，其导热系数不同，但一般不超过1.16w／(m·K)，而钢材的导热系数为45w／(m·K)，可见水垢形成，必然会影响换热器的传热效率。水垢附着的危害，轻者是降低换热器的传热效率，影响产量，严重时，则管道被堵。2、设备腐蚀循环冷却水系统中，大量的设备是金属制造的换热器。对于碳钢制成的换热器用循环冷却水，会发生腐蚀穿孔，其腐蚀的原因是多种因素造成的。1）冷却水中溶解氧引起的电化学腐蚀敞开式循环冷却水系统中，水与空气能充分地接触，因此水中溶解的O2可达饱和状态。当碳钢与溶有O2的冷却水接触时，由于金属表面的不均一性和冷却水的导电性，在碳钢表面会形成许多腐蚀微电池，微电池的阳极区和阴极区分别发生下列的氧化反应和还原反应：在阳极区在阴极区在水中这些反应促使微电池中的阳极区的金属不断溶解而被腐蚀。2）有害离子引起的腐蚀循环冷却水在浓缩过程中，除重碳碳盐浓度随浓缩倍数增长而增加外，其他的盐类如氯化物、硫酸盐等的浓度也会增加。当Cl-和SO42-离子浓度增高时，会加速碳钢的腐蚀。Cl-和SO42-会使金属上保护膜的保护性能降低，尤其是的氯离子半径小，穿透性强，容易穿过膜层，置换氧原子形成氯化物，加速阳极过程的进行，使腐蚀加速，所以氯离子是引起点蚀的原因之一。对于不锈钢制造的换热器，Cl-是引起应力腐蚀的主要原因，因此冷却水中Cl-的含量过高，常使设备上应力集中的部分，如换热器花板上胀管的边缘迅速受到腐蚀破坏。循环冷却水系统中如有不锈钢制的换热器时，一般要求Cl-的含量不超过300mg/L。

3）微生物引起的腐蚀微生物的滋生也会使金属发生腐蚀。这是由于微生物排出的粘液与无机垢和泥砂杂物等形成的沉积物附着在金属表面，形成氧的浓差电池，促使金属腐蚀。此外，在金属表面和沉积物之间缺乏氧，因此一些厌氧菌(主要是硫酸盐还原菌)得以繁殖，当温度为25~30℃时，繁殖更快。它分解水中的硫酸盐，产生H2S，引起碳钢腐蚀，其反应如下：铁细菌是钢铁锈瘤产生的主要原因，它能使Fe2+氧化为Fe3+，释放的能量供细菌生存

上述各种因素对碳钢引起的腐蚀常使换热器管壁被腐蚀穿孔，形成渗漏，或工艺介质泄漏入冷却水中，损失物料，污染水体；或冷却水渗入工艺介质中，使产品质量受到影响。当被腐蚀穿孔的管子数目不多时，可采取临时堵管的办法，使换热器在减少传热面的情况下继续使用。当穿孔的管子过多时，换热器传热面减少得太多，失去冷却作用，此时只有停产更换。因此，腐蚀与水垢附着一样，危害工厂安全生产，造成经济损失。3、微生物的滋生和粘泥冷却水中的微生物一般是指细菌和藻类。在新鲜水中，一般来说细菌和藻类都较少。但在循环水中，由于养分的浓缩，水温的升高和日光照射，给细菌和藻类创造了迅速繁殖的条件。大量细菌分泌出的粘液像粘合剂一样，能使水中飘浮的灰尘杂质和化学沉淀物等粘附在一起，形成黏湖糊的沉积物粘附在换热器的传热表面上。这种沉积物有人称它为生物粘泥，也有人把它叫做软垢。粘泥积附在换热器管壁上，除了会引起腐蚀外，还会使冷却水的流量减少，从而降低换热器的冷却效率；严重时，这些生物粘泥会将管子堵死，迫使停产清洗。例如北京某厂因换热器中菌藻大量繁殖。半月之内就使热负荷下降到50％，不得不经常停产冲洗，使产量减少。六、敞开式循环冷却水处理的重要性冷却水长期循环使用后，必然会带来沉积物附着、金属腐蚀和微生物滋生这三个问题，而循环冷却水处理就是通过水质处理的办法解决这些问题，这样做法的好处如下。(1)稳定生产没有沉积物附着、腐蚀穿孔和粘泥堵塞等危害，冷却水系统中的换热器就可以始终在良好的环境中工作。除计划中的检修外，意外的停产检修事故就会减少，从而在循环冷却水方面为工厂的长周期安全生产提供广保证。(2)节约水资源年产30万吨合成氨工厂，如果用直流冷却水系统，则每小时耗水量达23500m3；如改为循环冷却水系统，并以1.5倍的浓缩倍数运行，则每小时耗水量降为1100m3，如果将浓缩倍数提高到3倍，则每小时耗水量只需550m3。(3)减少环境污染直流冷却水系统除将废热带到水源中形成热污染外，若也用化学药剂处理以消除结垢、腐蚀，则大量排放的冷却水将向环境中带入很多药剂，对水源产生严重的污染。而循环冷却水系统可以大大减少污水的排放量，因此对少量污水通过精心处理，可达到排放标准，甚至作进一步处理后，可收回作系统的补充水用。这样形成闭路循环，不向外界排