13供水与制冷系统设备

第十三章供水与制冷系统设备第一节用水质量分级与要求一、用水质量分级1、普通水2、自来水3、脱盐软化水4、蒸馏水二、用水质量要求根据加工生产的产品不同，对水质量有不同的要求第二节水处理系统及设备生物工业用水处理的三个阶段过滤沉淀软化杀菌一、水的过滤表面过滤：水中粒子大于过滤层孔径时，粒子被阻挡在过滤层的表面的过滤。深层过滤：水中粒子小于过滤层孔径时，粒子进入滤层深处，由于滤层弯曲且形状变化使小粒子被截留的过滤。水过滤过程：过滤与冲洗对过滤介质的要求：化学性能稳定，无害无毒；有足够的强度；含污能力大，产水能力高；有适宜的粒度分布和孔隙率。砂滤棒过滤器1、结构主要部件：砂滤棒：由硅藻土在高温下熔制而成或由硬质玻璃烧结而成。过滤器外壳：铝合金铸成消毒锅形的密闭容器2、操作过程操作时，水由泵打入容器内，在外力的作用下，水通过砂滤棒的微小孔隙进入棒筒体内，水中粒子则被截留在砂滤棒的表面。3、滤出水质量基本无菌。活性炭过滤器1、结构主体为一密闭圆柱体，过滤器底部装填0.2-0.3m厚石英砂层作为支撑层，石英砂上面装1-2m厚的活性炭层筒体上有进出水管接口。2、操作过滤：水由顶部导入，顺流自然下降过滤，由底部排出。反洗：1）水洗，水从底部进，反洗15-20min，2）吹洗，再用蒸汽吹洗15-20min3）淋洗，用NaOH溶液从顶部通入洗涤4）正洗，清水从顶部通入洗至出水达到要求。二、水的软化及脱盐软化：除去水中钙镁离子的过程。脱盐：除去水中所有阴、阳杂质离子的过程。软化及脱盐方法：离子交换法、电渗析法、反渗透法（一）离子交换装置1、离子交换树脂是一种具有网状结构、且不溶于酸、碱和有机溶剂的固体离分子化合物。单元结构分为两部分：一是不可移动且具有立体结构的网络骨架，二是可移动的活性离子。强酸性阳离子交换树脂：离子本身带有强酸性交换基团例：RSO3H+NaClRSO3Na+HCl弱酸性阳离子交换树脂：离子本身带有弱酸性交换基团如羧基—COOH，酚羟基—OH强碱性阴离子交换树脂：离子本身带有强碱性交换基团例：RN（CH3）3Cl+NaOHRN（CH3）3OH+NaCl弱碱性阴离子交换树脂：离子本身带有弱碱性交换基团如：伯胺基团—NH2等2、离子交换法是用离子交换剂和水中溶解的某些阴阳离子发生交换反应，来除去水中的有害物质。3、固定床离子交换装置结构：将离子交换树脂装填于管柱式容器中，形成固定的树脂层。可组合成单床、多床、复床、混合床、多层床等（P460）。操作：交换、反洗、再生、清洗4个过程全在一个装置中分别进行。优点：操作简单、设备少、水质稳定。缺点：树脂用量多，利用率低，操作不连续。4、连续床离子交换装置（二）电渗析装置1、工作原理通过具有选择透过性和良好导电性的离子交换膜，在外加直流电场的作用下，使原水中的阴阳离子分别通过阴离子交换膜和阳离子交换膜迁移达到除盐的目的。2、操作过程进入第1、3、5、7室的水中离子，在直流电场的作用下要作定向移动。阳离子要向阴极移动，透过阳膜进入极室以及2、4、6室；阴离子要向阳极移动，透过阴膜进入2、4、6、8室。因此，从第1、3、5、7室流出来的水中，阴阳离子数会减少，成为含盐量降低的淡水。进入第2、4、6、8室的水中离子，在直流电场作用下也要做定向移动。阳离子要移向阴极，但受阴膜的阻挡而留在室内；阴离子要向阳极移动，受阳膜阻挡也留在室内。第2、4、6、8室内原来的阴阳离子均出不去，而第1、3、5、7室中的阴阳离子都要穿过膜进入其中，所以从第2、4、6、8室出来的水中阴阳离子数都会比原水中的多成为浓水。3、结构：电渗析器有立式和卧式两种基本部件：离子交换膜、隔板、电极、极框、压紧装置等离子交换膜：由具有离子交换性能的高分子材料制成的薄膜隔板：隔开阴阳两膜，作为水流通道电极：通电后形成外电场，使水层中的离子定向迁移极框：保持电极与离子交换膜间的距离压紧装置：压紧交替排列的膜堆和极区三、水的杀菌常用的方法氯杀菌、臭氧杀菌及紫外线杀菌原理氯杀菌氯进入水中可生成次氯酸（HOCl），次氯酸具有强烈的氧化作用，可以穿过细菌的细胞膜进入细胞内部，由于氧化作用而破坏细胞内酶和细菌的生理机能使细菌死亡。加氯量0.5-2mg/L，15min常用的氯杀菌试剂活性二氧化氯、漂白粉、次氯酸钠（二）臭氧杀菌水中：0.1~1g，10~15min臭氧（O3）是一种强烈的氧化剂，能氧化水中的有机物，破坏微生物的原生质，杀死微生物。杀菌作用优于氯。杀菌速度比氯快15~30倍。臭氧因在水中的溶解度小，所以在水中加臭氧的方法以喷射法加注，目的是增加与水的接触时间（三）紫外线杀菌原理微生物受紫外线照射后，微生物的蛋白质和核酸吸收紫外光谱的能量，使蛋白质和核酸的结构破坏，引起微生物死亡波长200-295nm紫外线具有杀菌能力。水面上灭菌：用低压汞灯水中灭菌：用高压汞灯杀菌效果：水中水面，杀菌率达97%以上。第三节供水系统及设备供水系统：选择水源、供水方式、水泵选用1、地下水无压水（浅水）地面以下，第一层不透水层构造以上所含的水承压水（深井水）地面以下两个不透水层之间所含有的水，有一定的压力2、自来水一、水源的选择1、地下水无压水（浅水）地面以下，第一层不透水层构造以上所含的水承压水（深井水）地面以下两个不透水层之间所含有的水，有一定的压力2、自来水二、地下水取水方式取无压水：大口井Φ1000以上，井深20m取承压水：大口井Φ150~500，井深30~150m或更深三、供水系统装置（一）供水方式1、直流供水：生产与非生产用水直接由水源得到2、循环用水：用过的水经处理后再循环使用3、连续供水：污染不严重时，不经处理直接供给其他车间再次使用（二）自来水供水自来水已进行过简单的沉淀和消毒处理但水压水量不稳定，应设置加压和贮存装置（三）地下水供应系统地下水→井泵抽→曝气除铁锰→清水→水泵→水塔→车间↑加氯或↓沉砂抽出后加氯第四节制冷系统设备通常温度高于-100℃时为一般冷冻，低于-100℃时为深度冷冻。发酵工业所用的冷冻温度多在—15℃左右，多采用压缩式单级制冷系统。1．制冷过程压缩式制冷四个过程：压缩、冷凝、膨胀、蒸发制冷过程简图制冷过程：系统中的制冷剂饱和蒸汽被压缩机吸入压缩，在冷凝器内被冷凝为液体而放出热量。液体制冷剂经过膨胀阀后，压力降低，低压液体吸收周围介质的热量而汽化为气体，气体又被压缩，压力升高，气体的热量传递给冷却水而冷凝为液体，形成一个反复循环过程，使周围介质的温度降低。制冷机工作原理被冷却的物质为供热体，温度为T0，较周围介质的温度T低，制冷机从被冷却的物体中取出的热量为Q0，完成循环所消耗的功为L，传递给周围介质的热量为QT周围介质Q制冷剂机械功LQ0T0被冷却物体制冷机工作原理图逆向卡诺循环的温熵图TTh32LTc41T-S图SbSa制冷机的制冷量Q0=Gq0式中G——制冷剂在制冷机中的循环量，kg/hq0——每1kg制冷剂的制冷量，kJ/kg3、制冷量与制冷系数2、提高效率的方法降低冷凝温度T，用较低温度的水；把冷凝后的制冷剂进行再冷却气体→冷凝→高温液体→冷却→低温液体维持干冲程，即气体状态入压缩机，增加气液分离器系统要排油，增加排油装置系统要排不凝性气体，增加空气分离器设保温层，减少冷量损失。实际制冷循环氨T-ST等压线2液相线气相线冷凝温321过冷线31L等温线4141Q0等焓线5671-2压缩2—21等压冷却21—3等温冷凝3—31过冷4—1蒸发消耗功L：1-2-21-3-31-41-1制冷量Q0：1-4-41-5-6-7-1设过冷膨胀从3-4时，冷量减少4-1-7-6-4，二、一般制冷方法常用的有以下方法：1．空气压缩制冷这种制冷方法是利用大气中的空气作制冷剂1．空气压缩制冷空气首先在压缩机中绝热压缩至0．5～0．6MPa，然后在等压下以冷水冷却至可能的温度；冷却后的空气于膨胀问中绝热膨胀，空气温度继续降低；然后温度降低的空气再通过制冷器，在等压下吸取热量，使之回升至原来的温度，再回到压缩机中，进行另一循环。制冷循环是以两等压过程代替逆卡诺循环中的两等温过程。特点:制冷系数较小，故经济性较差；由于在制冷过程中物质不发生集态变化，无潜热可利用，故单位制冷量也较小；为了获得足够的制冷量，则需要比较庞大的设备，必造成动力消耗大、成本高；同时当冷却温度降到0℃时，由于冰霜生成，致使操作困难。2．蒸汽压缩式制冷是用常温及普通低温下可以液化的物质作为工质，工质在循环过程中将不断发生集态改变。在蒸发器中产生的低压制冷剂蒸汽（状态1），在压缩机中被压缩到冷凝压力pc，消耗了机械功L，此时为绝热压缩，同时温度不断升高；然后压缩后的蒸汽在过饱和状态下（点2）进人冷凝器中，因受到冷却介质（水或空气）的冷却而凝结成饱和液体（点3），并放出热量，其冷凝过程为一等温等压过程；由冷凝器出来的制冷剂液体，经膨胀阀（又称节流阀）进行绝热膨胀到蒸发压力PO，温度降到与之相对应的饱和温度TO（状态点4），此时已成为两相状态的汽液混合物；然后进人蒸发器A，进行等温等压的蒸发过程，以制取冷量Q0。特点蒸汽压缩式制冷循环的蒸发过程和冷凝过程是在等温情况下进行的，不可逆性小，故循环的制冷系数大。它是利用液体的蒸发过程来制冷，故单位制冷量大.在蒸发器和冷凝器中都是有集态改变的传热过程，传热系数较大，因而设备不是很庞大。理想的蒸汽压缩式制冷循环是一个与逆卡诺循环相同的矩形封闭体。3．吸收式制冷吸收式制冷循环由消耗热能（蒸汽、热水等）来工作在吸收式制冷机中，使用两种工质：制冷剂与吸收剂吸收式制冷特点:吸收式制冷循环是由消耗热能（蒸汽、热水等）来工作的。在吸收式制冷机中，使用两种工质：制冷剂与吸收剂。与压缩式制冷的区别:由热能代替机械能,工质由二种组成工作原理：浓度高的制冷剂送人发生器1内吸热蒸发成蒸汽气体发生器中出来的蒸汽进人冷凝器2，使蒸汽冷凝成液体。冷凝后的制冷剂经过节流阀3减压进人蒸发器4吸热。制冷剂的蒸汽从蒸发器出来后，进人吸收器5，被经过节流阀7而来的稀制冷剂吸收，吸收时放出热量传给冷却水。稀制冷剂又变成浓的制冷剂，经过溶液泵送人发生器，形成了制冷循环。4．蒸汽喷射式制冷蒸发喷射式制冷：以热能来代替机械能。制冷剂（工质）：水喷射泵：由喷嘴、混合室、扩压器组成，起着压缩机的作用。蒸汽喷射式制冷工作原理:锅炉的高压蒸汽进人喷射器中，工作蒸汽在喷嘴中膨胀，获得很大的汽流速度（800～1000m／s或更高些）。由于这时位能变为动能，产生真空，使蒸发器中的水蒸发成蒸汽，当蒸发器中的水蒸发时，就从周围的水中吸取热量，使其成为低温水，供降温使用。工作蒸汽与低温低压蒸汽在喷射器的混合室内混合后即进人扩压器，在扩压器中速度下降，动能又变为位能，压力升高。然后混合蒸汽就进人冷凝器中冷凝成水，一部分送回锅炉，另一部分送人蒸发器，提供所须的冷量。可逆循环:高压蒸汽经喷射器后，温度由点1位置降至点2位置，使蒸发器压力降低，温度降低，2～3为等温过程，3～4’热熔增加，4’至4～5为降温等温过程，5～7～8为升温过程，8－1为等温过程，6～9为等温过程。三、制冷剂和载冷剂制冷剂（常用的有10种左右）1）分类：无机类：NH3、SO2、CO2氟里昂：F-12、F-11、F-22…等C-H化合物：甲烷、乙烷、丙烷……等2）制冷剂性质比较（选NH3和F-12）2、载冷剂（冷媒）在间接蒸发式制冷系统中传递冷效应的介质载冷剂在蒸发器中被制冷剂冷却然后再去冷却物料（1）对载冷剂的要求冰点低；热容量大；腐蚀性小；便宜。（2）常用的载冷剂空气，缺点热容量小水，热容量大，用于0℃以上盐水（常用），CaCl2盐水，四、制冷工艺流程1、单级压缩制冷循环压缩式制冷循环：是一种逆向卡诺制冷过程：压缩、冷凝、膨胀、蒸发。理论循环的假设条件是：压缩机吸入的汽体是饱和汽体，在节流阀前是饱和液体。蒸发和冷凝的压力和温度稳定；制冷压缩机气缸没有摩擦、节流等损耗；气缸阀与