臭氧处理循环冷却水系统及其节能分析
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中文摘要
ABSTRACT
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第一章 绪论.....................................................................................................................1
§1.1 研究背景及意义................................................................................................1
§1.1.1 冷却水系统..............................................................................................1
§1.1.2 循环冷却水系统中存在的问题..............................................................1
§1.1.3 化学处理方法存在的问题......................................................................2
§1.1.4 能源和环保的压力..................................................................................2
§1.1.5 臭氧处理循环冷却水的优点..................................................................3
§1.2 国内外研究现状................................................................................................3
§1.2.1 国外的研究情况......................................................................................3
§1.2.2 国内的研究情况......................................................................................4
§1.3 课题研究的内容、方法和意义........................................................................5
§1.3.1 研究内容..................................................................................................5
§1.3.2 实验研究方法..........................................................................................5
§1.3.3 本课题的意义..........................................................................................6
第二章 实验装置.............................................................................................................7
§2.1 主要实验设备....................................................................................................7
§2.1.1 冷水机组..................................................................................................7
§2.1.2 冷却塔......................................................................................................8
§2.1.3 污垢热阻仪..............................................................................................9
§2.1.4 臭氧发生装置..........................................................................................9
§2.1.5 数据采集及监控系统............................................................................10
§2.1.6 气象参数仪............................................................................................11
§2.1.7HACI 臭氧分析仪.................................................................................. 11
§2.2 实验装置的总体构成......................................................................................11
§2.3 实验装置实现的功能......................................................................................12
§2.4 本章小结..........................................................................................................12
第三章 臭氧处理循环冷却水的杀菌实验...................................................................14
§3.1 臭氧及其主要性质..........................................................................................14
§3.1.1 臭氧的性质............................................................................................14
§3.1.2 臭氧的制备............................................................................................15
§3.2 冷却水中微生物..............................................................................................16
§3.2.1 冷却水中微生物的分类........................................................................16
§3.2.2 冷却水中微生物的危害........................................................................17
§3.3 臭氧杀菌..........................................................................................................18
§3.3.1 臭氧杀菌的机理....................................................................................18
§3.3.2 不同时间臭氧杀灭细菌的效果............................................................18
§3.3.3 臭氧质量浓度对杀菌的影响................................................................19
§3.3.4 臭氧对不同细菌的杀灭效果................................................................19
§3.3.5 水质条件对臭氧杀灭细菌的影响........................................................19
§3.4 臭氧杀菌实验..................................................................................................20
§3.4.1 实验条件................................................................................................20
§3.4.2 臭氧制取和测量....................................................................................21
§3.4.3 实验方法................................................................................................22
§3.4.4 实验结果分析........................................................................................23
§3.5 本章小结..........................................................................................................25
第四章 臭氧处理循环冷却水的缓蚀实验...................................................................26
§4.1 循环冷却水系统的腐蚀..................................................................................26
§4.1.1 循环冷却水系统中金属腐蚀的机理....................................................26
§4.1.2 循环冷却水系统中金属腐蚀的形态....................................................27
§4.1.3 循环冷却水系统中金属腐蚀的影响因素............................................28
§4.2 臭氧缓蚀机理..................................................................................................28
§4.2.1 臭氧的预膜对缓蚀的影响....................................................................29
§4.2.2 臭氧水处理的 pH 值对缓蚀的影响.....................................................29
§4.2.3 臭氧的杀菌性能对缓蚀的影响............................................................29
§4.3 臭氧缓蚀实验..................................................................................................30
§4.3.1 实验方法................................................................................................30
§4.3.2 低碳钢缓蚀实验....................................................................................31
§4.3.3 紫铜缓蚀实验........................................................................................34
§4.4 本章小结..........................................................................................................35
第五章 臭氧处理循环冷却水的阻垢实验...................................................................37
§5.1 污垢的种类和形成..........................................................................................37
§5.1.1 水垢的形成............................................................................................37
§5.1.2 生物垢的形成........................................................................................38
§5.1.3 腐蚀垢的形成........................................................................................38
§5.2 污垢的危害......................................................................................................38
§5.2.1 增加流动阻力........................................................................................38
§5.2.2 降低换热效率........................................................................................39
§5.3 污垢热阻..........................................................................................................39
§5.3.1 传热基本方程........................................................................................39
§5.3.2 传热原理................................................................................................40
§5.3.3 传热系数的确定....................................................................................41
§5.3.4 污垢热阻................................................................................................42
§5.4 污垢预测模型..................................................................................................43
§5.4.1 污垢随时间的变化...............................................................................43
§5.4.2 污垢形成的一般表达式.......................................................................44
§5.4.3 污垢预测模型........................................................................................45
§5.5 臭氧阻垢机理..................................................................................................47
§5.6 臭氧阻垢实验..................................................................................................48
§5.6.1 实验方法................................................................................................48
§5.6.2 实验结果分析........................................................................................48
§5.7 本章小结..........................................................................................................50
第六章 臭氧处理循环冷却水脱垢及其节能分析.......................................................51
§6.1 污垢对能耗的影响..........................................................................................51
§6.1.1 污垢对换热器传热性能的影响............................................................51
§6.1.2 臭氧处理循环冷却水的除垢作用........................................................52
§6.2 冷水机组能耗实验..........................................................................................52
§6.2.1 污垢对冷水机组性能的影响................................................................52
§6.2.2 冷水机组 COP .......................................................................................53
§6.2.3 设备的控制............................................................................................54
§6.2.4 数据的采集............................................................................................56
§6.2.5 循环冷却水系统的脱垢情况................................................................57
§6.2.6 冷水机组能耗实验结果分析................................................................57
§6.3 工程实例分析..................................................................................................59
§6.3.1 空压机工作原理...................................................................................59
§6.3.2 空压机理论轴功...................................................................................60
§6.3.3 污垢对空压机能耗的影响...................................................................61
§6.3.4 空压机换热器脱垢情况.......................................................................61
§6.3.5 空压机节能分析...................................................................................62
§6.4 本章小结..........................................................................................................63
第七章 结论与展望.......................................................................................................65
§7.1 结论................................................................................................................65
§7.2 有待继续研究的内容....................................................................................66
参考文献.........................................................................................................................67
在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果.................................................70
致 谢.............................................................................................................................71
第一章 绪论
1
第一章 绪论
循环冷却水系统广泛应用于空调、化工、冶金、电力、轻工、机械、医药、
食品等行业。循环冷却水系统的状况对设备的安全运行起着至关重要的作用。由
于传统水处理方法的缺陷和对日常运行管理的不重视，导致循环冷却水系统都不
同程度的存在着污垢、腐蚀和微生物滋生等问题。其中污垢会使换热器的换热效
率下降 30％～50％，还会阻塞管道，使输送能力下降 3.5％～55％[1]，浪费了大量
的能源。传统的化学水处理方法应用较为广泛，但是会对环境造成污染。因此优
化循环冷却水处理方法对于我国的节能节水和减少排污有重大意义。
§1.1 研究背景及意义
§1.1.1 冷却水系统
在工业生产和舒适性空调的使用过程中，会伴随有大量的热产生,为了保证生
产和设备的安全，必须即时的进行冷却。用水来冷却工艺介质的系统称作冷却水
系统[2][3]。冷却水系统一般有两种：直流冷却水系统和循环冷却水系统。在直流冷
却水系统中，冷却水仅仅通过换热设备一次，使用后水就被排放掉，不循环利用。
这种冷却方式用水量大，不符合当前节约使用水资源的要求，已经很少使用。
循环冷却水系统分为封闭式和敞开式两种。封闭式循环冷却水系统内的水循
环使用，而且由于冷却水不暴露在空气中，水的损失很少，水的再冷却是利用另
一台换热设备中其他冷却介质来进行的，一般用于有特殊要求的单台换热设备。
在敞开式循环冷却水系统中，冷却水用过后不是立即排放掉，而是循环再用。
循环冷却水由冷却水泵送入热交换器，升温后的水通过冷却塔进行冷却降温，冷
却后的水再由冷却水泵送入换热器循环利用。由于冷却水在冷却塔中与空气接触，
部分水会被蒸发掉，为了维持系统正常运行，必须对系统补充一定量的水。敞开
式循环冷却水系统是工艺生产和舒适性空调中应用最广泛的一种冷却水系统。本
文主要就是研究臭氧氧化法在这种敞开式循环冷却水系统中的应用及其效果。
§1.1.2 循环冷却水系统中存在的问题
天然水中溶解有各种盐类，其中以重碳酸盐如 Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2的含量最
多，而且也最不稳定，如果采用这种水作为冷却水，当它通过换热器表面时，会
受热分解，进而发生反应形成微溶性盐，沉积在换热面上形成水垢。冷却水通过
臭氧处理循环冷却水系统及其节能分析
2
冷却塔时不断的蒸发，水中的 Ca2+、Mg2+等离子的浓度不断上升，当这些离子的浓
度超过一定范围的时候也会生成沉淀物沉积在换热面形成水垢。冷却水系统内的
管道和换热器会产生电化学反应，产生腐蚀。循环冷却水系统中的水温、光照等
条件都非常适宜微生物的滋长，所以如果不加以控制，冷却水系统中的微生物滋
长就会很严重。微生物中对冷却水系统有较严重危害的是藻类、细菌和真菌。这
些微生物的滋长会给人们的身体健康带来隐患，会阻塞冷却水管道，它们分泌出
的黏液会把原来冷却水中的悬浮物、杂质和灰尘等粘结起来形成污垢，有些细菌
还会造成管道和设备的腐蚀。由于循环冷却水系统特定的运行方式和水处理方法
的不当，循环冷却水系统都不同程度地存在着微生物滋生、腐蚀和结垢等问题。
这些问题都严重地影响了人们的身体健康、设备正常运行和寿命、生产的安全，
这就要求我们必须正确、有效地处理循环冷却水系统。
§1.1.3 化学处理方法存在的问题
目前我国对循环冷却水处理的重视程度不是很高，大部分的用户都是采用化
学药剂处理方法。利用投放化学药剂的方法对循环冷却水进行处理是目前比较便
利的水处理方法，市场上水处理药剂品种繁多，购买比较方法，而且操作较为简
单。但是大量的使用化学药剂进行水处理，也存在着较大的问题。首先，在循环
冷却水中投放大量化学药剂，如果随意进行排放，就会对环境造成污染，而处理
冷却水系统排放的污水也需要较高的费用。化学水处理方法不能有效的杀灭水中
的全部微生物，某一种化学药剂只对某几种微生物有杀生效果，而且长期使用某
种化学药剂会使水中的微生物对其产生抗药性。另外，大量使用化学药剂也会对
管道和设备造成严重的腐蚀。化学药剂本身的价格也比较高，长期使用，投资较
大。总之，化学水处理方法在使用过程中产生的问题是不容忽视的。
§1.1.4 能源和环保的压力
我国经济快速的增长一方面大大地提高了国家的总体实力和人民的生活水
平，另一方面也带来了能源和环境的压力。首先，我国能源的问题是非常突出的，
伴随着我国经济的飞速发展，能源的消耗量不断增大，我国能源的供应压力凸现，
也引起国际社会的普遍关注。其次，我国的能源利用水平也不容乐观，设备老化、
技术落后和各种人为因素造成了大量的能源浪费。能源的短缺会严重影响我国的
经济发展，做好节能工作对我国的经济发展有着及其重要的作用。
随着经济的快速发展，我国面临的环境压力持续增加，环境与经济社会发展
第一章 绪论
3
的矛盾非常突出。面对持续、紧迫的环境压力，怎样做到减少排放降低对环境的
污染是我国可持续发展中一个重要的课题。
处理好我国经济、社会的可持续发展以及能源与环境的之间的矛盾是至关重
要的，我国政府非常重视这些问题，把节能减排工作放在非常突出的问题。
§1.1.5 臭氧处理循环冷却水的优点
臭氧作为一种环保、安全有效的水处理方法，通过大量的研究和实际应用证
明它是具有非常明显的优点的：
（1）臭氧是一种强氧化剂，具有很强的杀生效果，可以快速有效的杀灭循环
冷却水系统中的微生物，而且不会使微生物产生抗药性。
（2）通过臭氧处理的循环冷却水，其 PH 值基本保持在 8～9 之间，是具有碱
性处理效果的水处理方法。
（3）臭氧的强氧化性有效的杀灭水中的微生物，同时可以促使金属表面钝化，
有效防止腐蚀。
（4）臭氧可以阻止循环冷却水系统中污垢的生成，并且可以氧化污垢成分中
的有机物，去除已经生成的污垢。
（5）臭氧可以作为循环冷却水系统中单一的水质稳定剂，而不需要添加其他
的化学药剂。
（6）臭氧处理循环冷却水系统的初投资较大，但它的运行费用比化学处理法
要低，长期来看，臭氧法更为经济。
（7）臭氧处理循环冷却水可以实现零排放，只需要补充由于蒸发而损失的水
量，有效的节约用水。
（8）由于臭氧是一种对环境友好的气体，即使在系统运行过程中有臭氧的散
失，也不会对周围环境造成任何污染。
§1.2 国内外研究现状
§1.2.1 国外的研究情况
国外早在六十年代末就开始了关于臭氧在水处理中应用的研究。当时的水处
理方法有微应变法、离子交换法、过虑法、有序凝结法等多种方法。臭氧水处理
法作为一种新出现的水处理方法开始引起人们的关注[4]。七十年代初期，臭氧水处
理方法开始应用到实际的水处理工程中[4][5]。臭氧发生装置的发明也使得臭氧水处
理法应用到实际工程中提供了便利的条件。在当时，人们已经开始关注使用化学
臭氧处理循环冷却水系统及其节能分析
4
药剂进行水处理的方法会对环境产生污染，而臭氧水处理法可以有效的解决这个
问题。但是由于臭氧发生装置的造价在当时比较昂贵，这就限制了臭氧水处理法
的推广应用[6]。七十年代中期，随着人们对环境的重视，美国政府一系列的环境法
案对工业生产的污水排放作出了严格的限制。而臭氧作为一种强氧化性的水处理
剂，对环境是没有任何不利影响的。高昂的水处理费用和政府对排放的限制，使
得臭氧水处理法又进入了人们的视线，变得更加有吸引力[7]。在这期间，人们对臭
氧水处理法做了大量的研究，有关臭氧水处理系统的设置，包括处理的水质条件，
水的流速、流量，设备摆放位置，臭氧发生装置，循环装置，接触和混和装置等
都有了一定的进展。这些都为臭氧水处理法的广泛应用提供了有利的条件。
臭氧水处理法初期大都应用到工业废水的处理，地表水的处理和饮用水的处
理，随着这项技术的日渐成熟，其应用也日益广泛，七十年代末期八十年代初期，
臭氧在循环冷却水处理领域有了初步的应用[6]。美国喷气推进实验所在八十年代初
期采用了臭氧作为化学药剂对冷却塔进行了处理。有 3座冷却塔利用臭氧作为长
期的唯一处理手段。冷却塔内的水不用进行排放，循环次数可以达到 30 次而不会
对换热器产生不好的影响。成本估算显示，使用臭氧对循环冷却水进行处理之后，
较之以前采用化学药剂进行水处理要节约 55％的运行成本[8]。大量研究表明，使
用臭氧对循环冷却水系统进行处理是一种非常好的水处理模式。臭氧可以有效地
替代化学药剂，保持循环冷却水系统内的水质。臭氧是一种很强的杀生剂，其有
效性仅次于氟，对细菌的杀灭速度是氯的 3125 倍，可以有效快速地杀灭冷却水中
的军团菌等对人体有害的细菌。臭氧的这种特性也使得它可以有效的防止冷却水
中污垢的形成[9]~[13]。
九十年代美国和欧洲一些发达国家开始从工业上开始大量应用臭氧法处理循
环冷却水，实际的应用肯定了臭氧技术处理冷却水的有效性与经济上的有利性。
美国国家航空航天局于 1994 年在肯尼迪航天中心的空调冷却水系统中作为单一的
水处理剂进行实际应用，取得了良好的效果。这是近些年里出现的一项重要的突
破性节能技术，也是美国能源部大力推广的节能项目。
§1.2.2 国内的研究情况
1988 年，化工部天津化工研究院的何铁林对臭氧法水处理技术的特点进行了
论述,介绍了国外该技术的发展水平及趋势,并进行了适当的技术经济评价,指出了
其中存在的一些问题，除此之外,还对其技术开发过程中出现的一些重大问题做了
追述和澄清[14][15]。鲍其鼐也介绍了国际上臭氧在冷却水中应用的一些最新发展动
态，并着重介绍了美国几家公司在这一领域的进展。这是我国较早的介绍臭氧处
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作者：陈辉
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：73 页
大小：2.58MB
格式：PDF
时间：2024-11-19
