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

qq

)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