3.水质工程学III—循环冷却水与水质处理-§4-1-水的冷却系统与冷却构筑物-§4-2-水的冷却原理(ppt文档).ppt

水质工程学水质工程学第四章第四章 水的冷却循环、腐蚀与结垢水的冷却循环、腐蚀与结垢4-1 水的冷却系统与冷却构筑物水的冷却系统与冷却构筑物4-2 水的冷却原理水的冷却原理主讲：赵晴主讲：赵晴 博士博士第四章第四章 水的冷却循环、腐蚀与结垢水的冷却循环、腐蚀与结垢主要内容：一、水的冷却系统与冷却构筑物二、水的冷却原理三、冷却水的水质与水处理4-1 4-1 水的冷却系统和冷却构筑物水的冷却系统和冷却构筑物一、概述工业生产过程中会产生大量的热量积累，使生产设备或者产品温度升高，必须及时的冷却，以免影响生产的正常进行和产品质量。水是吸收和传递热量的良好介质，常用来冷却生产设备和产品。冷却水的用水量一般占工业用水的70%80%冷却技术广泛应用于电力、石油化工、化学工业、冶金等各行业中。直流式冷却水系统直流式冷却水系统循环式冷却水系统循环式冷却水系统密闭式循环冷却水系统密闭式循环冷却水系统敞开式循环冷却水系统敞开式循环冷却水系统交换器交换器冷水冷水热水热水冷却水泵冷却水泵二、二、水的冷却系统水的冷却系统在直流水系统中，冷却水只经换热器一次利用后在直流水系统中，冷却水只经换热器一次利用后就被排掉了，所以直流水又称为一次利用水。就被排掉了，所以直流水又称为一次利用水。优点：优点：投资少，操作简便；投资少，操作简便；缺点：缺点：冷却水耗量大，容易对所排入的水体造成冷却水耗量大，容易对所排入的水体造成热污染。热污染。水泵水泵换热器换热器江江河河直直流流水水系系统统1.1.直流冷却水系统：直流冷却水系统：在循环水系统中，冷却水可以反复使用，水在循环水系统中，冷却水可以反复使用，水经换热器后温度升高，由冷却塔或其他冷却设备经换热器后温度升高，由冷却塔或其他冷却设备将水温降低下来，再由泵将水送往用户，水如此将水温降低下来，再由泵将水送往用户，水如此不断的进行重复使用不断的进行重复使用.2.2.循环冷却水系统：循环冷却水系统：水泵水泵换热器换热器循循环环水水系系统统冷却冷却设备设备补充水补充水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。水中各种矿物质和离子含量一般不发生变化。水的再冷却是在另一台换热设备中用其他冷却介质来进行冷却的。（1 1）封闭式循环冷却水系统）封闭式循环冷却水系统（2）敞开式循环冷却水系统冷却水循环再用，水的再冷是通过冷却塔完成的。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。而水中各种矿物质和离子含量也不断被浓缩增加。三、水的冷却构筑物三、水的冷却构筑物冷却池冷却池水面冷却池水面冷却池利用天然湖泊或水池中水体表面的自然蒸发而降利用天然湖泊或水池中水体表面的自然蒸发而降低水温的构筑物；低水温的构筑物；喷水冷却池喷水冷却池在人工的水池上安装成组的喷头，通过喷水蒸发在人工的水池上安装成组的喷头，通过喷水蒸发而降低水温的构筑物；而降低水温的构筑物；冷却塔冷却塔塔体内安装各种淋水装置，热废水在与自然或人工塔体内安装各种淋水装置，热废水在与自然或人工造成的空气流接触的过程中，降低水温的构筑物；造成的空气流接触的过程中，降低水温的构筑物；(一一)水面冷却池水面冷却池水面冷却水面冷却的概念的概念:利用水体的自然水面，向大气中散质、散热进行利用水体的自然水面，向大气中散质、散热进行冷却的一种方式。冷却的一种方式。水体水面的分类水体水面的分类：水面面积有限的水体，包括水深小于水面面积有限的水体，包括水深小于3m的浅水的浅水冷却池和水深大于冷却池和水深大于4m的深水冷却池。的深水冷却池。水面面积很大的水体或水面面积相对于冷却水量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，如河道、大型湖泊和海湾等。很大的水体，如河道、大型湖泊和海湾等。水的冷却主要靠水面自由散热及冷却水与冷却水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。池大量水体的对流传热完成。在冷却池中，高温水由排水口排入湖内，在缓慢流向下游取在冷却池中，高温水由排水口排入湖内，在缓慢流向下游取水口的过程中，由于水面和空气接触，借自然对流蒸发作用，使水口的过程中，由于水面和空气接触，借自然对流蒸发作用，使水冷却。水冷却。扩大主流区，减小回流区，消灭死水区可以提高冷却效果。扩大主流区，减小回流区，消灭死水区可以提高冷却效果。缺点：缺点：冷却过程缓慢、效率低、温差小冷却过程缓慢、效率低、温差小需要很大的贮水池需要很大的贮水池 在冷却池中，水面的综合散热系数是蒸发、对在冷却池中，水面的综合散热系数是蒸发、对流和水面辐射流和水面辐射3种水面散热系数的综合，是计算水种水面散热系数的综合，是计算水面冷却能力的基本参数，指在单位时间内、水面温面冷却能力的基本参数，指在单位时间内、水面温度变化度变化1时，水体通过单位表面散失的热量变化时，水体通过单位表面散失的热量变化量以量以W/m2.表示。一般需要通过试验确定。在表示。一般需要通过试验确定。在近似估算冷却池表面积时可参考水力负荷为近似估算冷却池表面积时可参考水力负荷为0.01-0.1m3/m2.h求定所需表面积。求定所需表面积。(二）喷水池冷却二）喷水池冷却 喷水冷却池是利用喷嘴喷水进行冷却的敞开式水池。组成：1）配水管及喷嘴；2）集水池和溢流井 工艺过程及示意如下图所示 喷水冷却池工作原理：压力水经喷嘴向上喷出，喷散成均匀散开的小水滴，使水和空气的接触面积增大；同时使小水滴在以高速向上喷射而后又降落的过程中，有足够的时间与周围空气接触，改善了蒸发与传导的散热条件。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。2024/5/25 周六1515优点：由喷嘴把水喷到大气中从而增加蒸发量，即使在较小的水池也能加速冷却。缺点：水的消耗大，约为循环水量的1-5%易带入周围的杂质（三）冷却塔（三）冷却塔冷却塔是一个塔型建筑，水气热交换在塔内进行，可以人工控制空气流量来加强空气与水的对流作用来提高冷却效果。按通风方式分有自然通风冷却塔、机械通风冷却塔、混合通风冷却塔。按热水和空气的流动方向分有逆流式冷却塔、横流（交流）式冷却塔、混流式冷却塔。按循环供水系统中的循环水与空气是否直接接触，冷却塔可分为：敞开式（湿式）；密闭式（干式）；混合式（干湿式）。1、塔体 2、淋水装置；3、填料 4、空气5、接水盘 6、冷却水7、热水 8、排风扇；9、热空气和水蒸汽u占地面积小u冷却效果好优点：1.湿式冷却塔：指热水和空气直接接触、传热和传质同时进行的敞开式供水系统。2024/5/25 周六1919几种类型的湿式冷却塔几种类型的湿式冷却塔自自然然通通风风横横流流式式自自然然通通风风逆逆流流式式抽抽风风横横流流式式鼓鼓风风逆逆流流式式 2.干式冷却塔：水和空气不直接接触，冷却介质为空气，冷却是在空气冷却器中实现的，所以只是单纯传热。3.干湿式冷却塔：热水和空气进行干式冷却后再进行湿式冷却的构筑物电厂冷却塔电厂冷却塔玻璃钢冷却塔玻璃钢冷却塔冷却塔实物照片冷却塔实物照片 冷却塔的主要装置有:热水分配装置(淋水填料、配水系统）、通风及空气分配装置（通风设备、通风筒、空气分配装置）和其它装置（除水器、集水池）。1、淋水填料：将需要冷却的水多次溅散成水滴或形成水膜，以增加水和空气的接触面积和时间，促进水和空气的热交换。水的冷却主要在淋水填料上进行。2、配水系统：将热水均匀分布到整个淋水填料上，热水分布均匀与否，对冷却效果影响很大。如果水量分配不均匀，不仅直接降低冷却效果，也会造成部分冷却水滴飞溅而飘逸到塔外。冷却塔的组成部分冷却塔的组成部分3、通风设备：机械通风冷却塔中利用通风机产生预计的空气流量，以保证要求的冷却效果。4、空气分配装置：利用进风口、百叶窗和导风板等装置，引导空气均匀分布于冷却塔整个截面上。5、通风筒：其作用是创造良好的空气动力条件，减少通风阻力，并将排出冷却塔的湿热空气送往高空减少湿热空气回流。6、除水器：将排出湿热空气中所携带的水滴与空气分离，减少逸出水量损失和对周围环境的影响。7、集水池：设于冷却塔下部，汇集淋水填料落下的冷却水，并兼有水量调节功能。4-2 水的冷却原理水的冷却原理一、湿空气的性质二、水的冷却原理1.湿空气的压力2.湿度3.湿空气的密度4.湿空气的比热5.湿空气的焓6.湿空气的焓湿图一一.湿空气的性质湿空气的性质1、湿空气的压力湿空气的压力（1）湿空气的总压力）湿空气的总压力 根据道尔顿分压定律其等于干空气分压力与水蒸气分压力之和根据道尔顿分压定律其等于干空气分压力与水蒸气分压力之和Px=Po+Pv式中：Px湿空气压力，即大气压力，N/cm2 ；Po 干空气的分压力，N/cm2 ；Pv 水蒸气的分压力，N/cm2；而干空气和水蒸气分压力计算公式为：而干空气和水蒸气分压力计算公式为：其中 Ro，Rv 分别为干空气和水蒸气 气体常数，o，v分别为干空气和水蒸气本身压力下的密度，（2）饱和水蒸气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，湿空气称为饱和空气饱和空气；饱和空气中的水蒸气分压力称为饱和蒸气分压力饱和蒸气分压力。饱和分压力计算公式：2.湿度湿度（1）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空气的绝对温度度。其数值等于水蒸汽在其分压力、湿空气温度T时的密度。计算公式为：同样，饱和空气的绝对湿度为：（2）相对湿度）相对湿度一定容积下的湿空气在某一温度下，所含水蒸气的重量与同温度下达到饱和时所含水蒸气重量之比，称为该温度的温度的相对湿度相对湿度。相对湿度的计算公式为：式中 湿空气的干球温度、湿球温度，即采用干球温度计、湿球温度计测定的温度，；分别为温度t、的饱和水蒸气压力，kPa；大气压力，kPa（3）含湿量1kg干空气所含水蒸汽的质量x（kg）称为湿空气含湿量湿空气含湿量，也称为比湿比湿，单位为kg/kg(干空气)在一定温度下，每公斤干空气中最大可容纳的水蒸气量称为饱和含湿量，以 表示，当 1.0时，含湿量大最大值，此时含湿量即为饱和含湿量：3.湿空气的密度湿空气的密度湿空气的密度湿空气的密度等于每立方米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。结合相关公式得：4.湿空气的比热湿空气的比热干空气1公斤、含湿量x公斤的湿空气温度升高1所需的热量，称为湿空气的比热湿空气的比热，用 表示，单位为kJ/（kg）：Cx=C0+Cvx式中 C0干空气的比热，kJ/（kg），在压力一定时，温度小于100的情况下，约为 1.005 kJ/(kg)；Cv水蒸气的比热，kJ/（kg），约为1.842kJ/(kg)；x 湿空气的含湿量，kg/kg干空气。以 C0，Cv 值代入得5.湿空气的焓湿空气的焓湿空气的焓湿空气的焓数值等于1公斤干空气和x公斤水蒸气所含热量得总和。水蒸气的焓由两部分组成：（1）1公斤0的水变成1公斤0的水蒸气所吸收的热量，这一热量称为水的汽化热，用表示，2500 kJ/kg；（2）1公斤0的水蒸气升高到t 时所需的热量，其值为Cvt，即1.842 kJ/（kg）综合相关公式得：6.湿空气的焓湿图湿空气的焓湿图当空气压力P固定时，含湿量x、温度t、相对湿度、焓i中只有两个独立变量，把湿空气的四个重要热力学参数都绘在同一张图上，这样的图称为焓湿量焓湿量。湿空气的焓湿图湿空气的焓湿图结合上图，说明焓湿图的应用如下：（1）当温度t固定，从图中看出，焓i及相对湿度均随x的增、减而增、减，当相对湿度达到最大值1.0时，x和i也都达到它们的最大值，此时对应的是该温度下的饱和含湿量和饱和焓；（2）当含湿量x固定不变时，x将沿着平行于温度轴的方向移动，由图中看出，焓值i是随温度的增、减而增、减的。但相对湿度则随温度t的降低而增加，t的升高而减少。（3）当固定焓值i不变，即相当于绝热条件下，i将沿着图中等值线移动，如图中AB线上D点的情况。（4）相对湿度固定不变时，焓i、温度t和含湿量x将同时增大或同时减小。2 水的冷却原理水的冷却原理 循环冷却水的冷却是在冷却构筑物中以空气为冷却介质，由蒸发传热、接触传热蒸发传热、接触传热和辐射传热辐射传热三个过程共同作用的结果。空气水的蒸发和接触传热过程，空气水的蒸发和接触传热过程，主要为：蒸发传蒸发传热热和接触传热接触传热。蒸发传热：蒸发传热：当热水表面直接与未被水蒸气所饱和的空气接触时，热水表面的水分子将不断化为水蒸气，在此过程中，将从热水中吸收热量，达到冷却的效果，这就是蒸发传热。原理：分子热运动(分子传热理论，由于分子的不规则运动，各个分子的运动速度的变化幅度很大。当液体表面的某些水分子的动能足以克服液体内部对它的内聚力时，这些水分子即从液面逸出，进入空气中。由于水中动能较大的水分子逸出，因而剩下来的其它水分子的平均动能就减小，水的温度就随之降低。产生条件：水温低于沸点时发生，只要水面饱和气层的饱和水蒸气分压P”大于远离水面的空气中的水蒸气分压P，水的表面就会蒸发，与水面温度tf高于还是低于水面上空气温度无关。蒸发消耗的热量H总是由水流向空气,分压差p”-P就是蒸发传热的推动力。加速蒸发的措施：增加热水与空气的接触面积；提高水面空气流动的速度，使逸出的水蒸气分子迅速扩散。接触传热 当热水水面和空气直接接触时，如果水的温度与空气的温度不一致，将会产生传热的过程，这个过程称为接触传热。传热类型 温差是接触传热的推动力，接触传热所产生的热量可以从水传向空气，也可以从空气传向水，这取决于两者之间的温度差。接触传热和蒸发传热关系 在冷却过程中，虽然蒸发传热和接触传热一般同时存在，但随季节不同而不同。冬季气温低，接触传热量高；夏季气温高，主要靠蒸发传热。因此在冷却塔设计时，应按最不利条件下的夏季气温考虑。根据不同水温下接触传热和蒸发传热量计算，随着水温的增高，总传热量也不增大，而蒸发传热的增加要比接触传热快得多，因此，在总传热量中，蒸发传热占主导地位。湿球温度湿球温度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。湿球温度指极限冷却温度通常用湿球温度计来测量；湿球温度的测定见图：测定湿球温度时：）纱布必须完全包住水银球）风速m/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。