第一章 水的冷却

第一章水的冷却化工、电力、冶金、食品等工业生产中，往往会产生大量的热量，当热量积累到一定程度可能会造成对设备本身或产品质量的不良影响，甚至危及生产的安全；另外，产生的热量若直接排放对周围环境也将造成严重的影响。一般在这些行业中通过水的冷却设备对产生的废热进行处理。工业用水中很大一部分为冷却水量，约占工业用水的70～80％。概述各行业中循环冷却水比例：•电力业：99%•石油化工：90.1%•化学工业：87.3%•冶金：85.4%为了重复利用吸热后的水以节约水资源，现常采用循环冷却水系统，但循环水在使用过程中会有少量水在冷却塔中蒸发，从而使盐类浓缩形成盐垢，此外循环水还可能受到渗漏工艺物料的污染，还有杂质如有机物、微生物、藻类等进入系统使系统出现结垢、污垢、腐蚀和淤塞等问题。为保证循环冷却水系统的可靠运行，必须同时采取以下措施：•降温――采用冷却构筑物进行水冷却•稳定――进行水质处理控制结垢、污垢、腐蚀和淤塞水的冷却系统常见的有：直流式封闭式循环式敞开式一、水的冷却系统1.1水的冷却系统与冷却构筑物1.直流式冷却水系统•投资少，操作简便，冷却水的耗量大，容易对所排入的水体造成热污染。12341－冷却水2－冷却水泵3－冷却工艺介质的换热器4－热水2.循环式冷却水系统（1）封闭式又称为密闭式循环冷却水系统。冷却用水循环利用，且不暴露在空气中，水量损失及受外界污染的程度少。需热交换设备对冷却水进行再冷却。12341－冷却水2－冷却水泵3－冷却工艺介质的换热器4－热水5－热水泵6－冷却水的冷却器56（2）敞开式循环冷却水系统中，冷却水用过后也进行循环利用。水的冷却是通过冷却塔等冷却构筑物来进行的。由于冷却水与外界接触，冷却水损失量大，且易受外界污染，一般需要补充一部分损失的水量并处理污染物。热流体热水热空气冷空气冷水循环泵热交换器集水池填料加药排污敞开式循环冷却水系统应用较占优势。分类•冷却池：水面冷却池和喷水冷却池•冷却塔：敞开式（湿式）密闭式（干式）混合式（干湿式）二、冷却构筑物1.水面冷却是利用水体的自然水面，向大气中传质、传热的冷却方式。（1）水面面积有限的水体有浅水冷却池和深水冷却池。（2）水面面积很大的水体或水面面积相对于冷却水量很大的水体，包括河道、大型湖泊、海湾等。水的冷却主要靠水面自由散热及冷却水与冷却水池大量水体的对流传热完成。2.喷水冷却池喷水池是在水面冷却水池中布置配水管系统，并装有喷嘴。要求水与空气接触面积大，且有足够的接触时间。影响喷水池冷却效果的因素是：喷嘴形式和布置方式、水压、风速、风向、气象条件等。3.冷却塔冷却塔的操作原理：在冷却塔内，热水从上向下喷散成水滴或水膜，空气由下而上或水平方向在塔内流动，在流动过程中，水与空气间进行传热和传质，水温随之下降。热流体热水热空气冷空气冷水循环泵热交换器集水池填料加药排污（1）冷却塔形式很多，构造比较复杂。按循环供水系统中的循环水与空气是否直按接触，冷却塔又分敞开式（湿式）、密闭式（干式）和混合式3种。其中最多的是敞开式(湿式)冷却塔。（2）冷却塔的组成部分及其作用主要装置有：热水分配装置(配水系统、淋水填料)，通风及空气分配装置(风机、风筒、进风口)、集水器、除水器（塔体等）。配水系统配水系统的作用:是将热水均匀地分配到冷却塔的整个淋水面积上。如分配不均，会使淋水装置内部水流分布不均，从而在水流密集部分通风阻力增大，空气流量减少，热负荷集中，冷效则降低，而在水量过少的部位，大量空气未充分利用而逸出塔外，降低了冷却塔的运行经济指标。配水系统的基本要求：在一定的水量变化范围内(80％-110％)保证配水均匀且形成微细水滴，系统本身水流阻力和通风阻力较小，并便于维修管理。固定管式配水系统的分类：管式旋转管式槽式池式1）固定管式配水系统该系统由配水干管、支管及支管上接出短管安装喷嘴组成。配水均匀的关键是喷嘴的形式和布置。喷嘴应具有喷水角度大、水滴细小、布水面均匀、供水压力低、不易堵塞等要求。喷嘴分类：离心式和冲击式。离心式喷嘴，是在水压的作用下，使水流在喷嘴内形成强烈的旋转而后喷出水花。冷却塔多用单或双旋流直流式喷嘴。冲击式喷嘴，是利用水头的作用冲击溅水盘，将水溅散成细小水滴，反射Ⅲ型（适用横流塔）即属此类。目前喷嘴的形式较多。2）旋转管式配水系统旋转布水器，由给水管、旋转体和配水管组成。此类配水系统多用于小型玻璃钢逆流冷却塔。3）槽式配水系统通常由配水总槽、配水支槽1和溅水喷嘴2组成。它是一种重力配水系统热水经总、支槽，再经反射型喷嘴溅散成分散小水滴，均匀地洒在填料上。用于大型塔或水质较差或供水余压较低的系统。维护管理方便，但槽内易沉积污物。4）池式配水系统热水经流量控制阀由进水管经消能箱分布于配水池中，池底开小孔或装管嘴。该系统适用于横流塔。配水均匀，维护方便，但易生藻类。淋水填料•淋水填料作用：是将配水系统破落的水滴，经多次溅散成为微细小水滴或水膜，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。水的冷却过程主要是在淋水填料中进行，所以是冷却塔的关键部位。•淋水填料分类：按照其中被淋洒成的冷却表面形式，可分为点滴式、薄膜式、点滴薄膜式3种类型。•基本要求：1）具有较高的冷却能力，即水和空气的接触表面积较大、接触时间较长；2）亲水性强，容易被水湿润和附着；3）通风阻力小节省动力；4）材料易得而又加工方便的结构形式；5）价廉、施工维修方便，质轻、耐久。1）点滴式淋水填料以水滴散热为主，约占总散热量65％～70％左右，水膜散热占25％～30％。淋水填料有塑料十字形，塑料M型、T型、L型石棉水泥角型、水泥孤型板等。2）薄膜式淋水填料利用间隔很小的格网等组成的多层空心体，使水沿着其表面自上而下形成薄膜状的缓慢水流，冷空气经多层空心体间的空隙自下向上（或从侧面）流动与水膜接触，吸收水所散发的热量。表面水膜约占70％；板隙中的水滴表面散热，占20％。3）点滴薄膜式淋水填料水泥格网淋水填料，蜂窝淋水填料，适用于逆流塔。通风装置机械通风冷却塔中由轴流式风机供给空气。风机启动后，在风机下部形成负压，冷空气便从下部进风口进入塔内。轴流风机的特点是风量大、风压小、能正反转，并可通过调整叶片数或叶片角改变风量或风压，提高片数或角度可增加风量、风压，但功率增大，效率下降。1）风机风机一般由叶轮、传动装置和电机3部分组成。叶轮：由叶片和轮毂组成。轮毂的作用是固定叶片和传递动力。轮毂直径一般为叶片直径的30～40％，由钢板制成。叶片数4～8片，安装角度20。～22。叶轮转速（127～240）r/min。叶片顶端和风筒壁之间的间隙应小于叶片长的1％。传动装置：包括减速齿轮箱、传动轴和联轴器3部分。联轴器由优质钢（或不锈钢）法兰制造，两个半联轴器之间用8～10个柱销联接。传动轴由优质钢管制作。减速器进轴转速由980r/min，减速输出转速为240r/min。2）通风筒通风筒包括进风收缩段、进风口和上部扩散简。为了保证进风平缓和消除风简出口的涡流区，风筒进风口宜作成流线形的喇叭口；为了减少塔出口动能损失（回收型）和减轻出塔湿空气回流，风筒出口扩散筒的圆锥角β＝14～18。集水池：起储存和调节水量作用，有时还可作为循环水泵的吸水井。集水池的容积应当满足循环水处理药剂在循环水系统内的停留时间的要求。集水池的深度不宜大干2m。池底设(深0.3~0.5m)的集水坑，并有大于0.5％的坡度坡向集水坑，坑内设排空管，排泥管，集水池设溢流管。为了拦阻杂物，在出水管前设置格栅，池中还没补充水管。其他装置除水器：从冷却塔排出的湿热空气中，带有一些水分，其中一部分是混合于空气中的水蒸气，它不能用机械方法分离。另一部分是随气流带出的雾状小水滴，用除水器分离回收。除水器采用薄壁材料，增大通风面积，减小风速。塔体：起封闭和维护作用。1.2.1湿空气的性质1.2水的冷却原理湿空气：含水蒸汽的空气，干空气＋水蒸汽一、湿空气热力学参数1.湿空气压力：湿空气总压力P就是当地的大气压按照气体分压定律：总压力等于干空气的分压力P0和水蒸气分压力PV之和Px＝P0＋PV饱和水蒸气分压力PV’’:一定温度下，吸湿能力达最大，空气中的水蒸汽处于饱和状态时。湿空气中所含水蒸气的数量，不会超过该温度下的饱和蒸气含量，从而水蒸气分压PV也不会超过该温度条件下的饱和蒸气压力，即在0～PV’’之间变化。当温度θ＝0～100℃及通常的气压范围内时，可按纪利公式计算：)16.373(0024804.0)15.373lg(2.8)15.3731010(142305.30141966.0lg33TTTPV从PV’’表达式可看出饱和蒸汽分压值只与空气温度有关，而与大气压力无关。且空气的温度越高，PV’’也越大。即在一定温度下达到饱和的空气，当温度升高时则成为不饱和空气；反之，不饱和的空气，当温度降低到某一值时，可称为饱和的空气。)16.373(0024804.0)15.373lg(2.8)15.3731010(142305.30141966.0lg33TTTPV2.湿度湿度是空气中含水分子的浓度。常用绝对湿度、相对湿度和含湿量来表示。(1)绝对湿度每m3湿空气中所含水蒸气的质量。以γV表示。其数值等于水蒸气在分压PV和湿空气温度T时的密度。(2)相对湿度空气的绝对湿度γV和同温度下饱和空气的绝对湿度γV”之比，称为湿空气的相对湿度，用φ表示。相对湿度表示湿空气接近饱和的程度，相对湿度越小，空气吸收水分的能力越强。（3）含湿量在含有1kg干空气的湿空气混合气体中，其所含水蒸气的质量x(kg)称为含湿量，也称为比湿，单位为kg/kg(干空气)。在一定大气压下，当水蒸气分压值减小时，含湿量减少。当温度降低到使空气成为饱和空气的温度时称为露点。当空气低于露点温度时，水蒸气开始凝结。一定温度下，1kg干空气中最大可容纳的水蒸汽量为饱和含湿量x”。3.湿空气密度等于1m3湿空气中所含的干空气和水蒸气在其各自分压下的密度之和。VX044001010VxVPPRTRT上式可以看出，湿空气的密度随大气压的降低和温度的升高而减小。4.湿空气的比热定义：使总质量为（1+x）公斤的湿空气（包括1kg干空气和xkg水蒸气）温度升高l℃所需的热量，称为湿空气的比热，用CX表示。CX＝C0+CVx＝1.005+1.842x（kJ/kg.℃）C0——干空气的比热；CV——水蒸汽的比热在冷却塔中，CX一般采用1.05kJ/kg.℃。5.湿空气的焓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lkg干空气和x公斤水蒸气的含热量之和。用ix表示。VXxiii0干空气的焓水蒸汽的焓基点：国际水蒸气会议规定，以水温为0℃的水的热量为零。lkg干空气的焓i0为：001.005iCtt水蒸气的焓iv由两部分组成：汽化热λ＝2500kj/kgtiV842.12500水蒸气比热ttCV842.101.005(25001.842)(1.0051.842)2500viixittxxtx汽化潜热：0℃，液体→气体显热：气体从0℃→t℃二.焓湿图（p306）湿空气的焓只是湿度和压力及温度的函数，为了计算方便，一般把湿空气的四项主要（φ、Px、t、ix）之间相应的关系绘制成图表，根据已知参数求焓的图称为焓湿计算图。1.2.2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.空气－水的蒸发和接触传热过程水的蒸发:当热水表面直接与未被水蒸气所饱和的空气接触时，热水表面会形成很薄的一层饱和蒸汽层，饱和蒸汽层水蒸气分压力往往大于空气中水蒸气分压力，使饱和水层水分子将不断转化为水蒸气，在此过程中，将从热水中吸收热量，达到冷却的效果。蒸发的推动力是水面饱和水层与水周围空气水分压差作用，与温度无关。接触传热：当水温和周围空气存在温度差时，在温度推动作用下，热水和空气会进行热量传递，热量传递速率与温度差有直接关系。PV’’PVx’’xtitPV、x、tPV’’、xV、