冷卻循環(huán)水系統水質(zhì)問(wèn)題初探

第10卷第6期制冷與空調2010年12月REFRIGERATION AND AIR - CONDITIONING26- 28冷卻循環(huán)水系統水質(zhì)問(wèn)題初探劉明謙李欣(深圳市建筑設計研究總院有限公司)摘要分析影響中央空調冷卻循環(huán)水系統水質(zhì)的幾個(gè)因素,探討冷卻水系統水質(zhì)惡化對冷水機組制冷性能的影響程度及水質(zhì)控制要點(diǎn)。關(guān)鍵詞中央空調;冷 卻水系統;水質(zhì)Discussion on water quality problem of cooling water systemLiu Mingqian Li Xin(Shenzhen General Institute of Architectural Design and Research Co., Ltd.)ABSTRACT Analyzes the factors affecting water quality of ooling water system of centralair- conditioning. Discusses the effects of deteriorative water quality on the performance ofchilled and the control point of water quality control.KEY WORDS central air conditioning;cooling water system; water quality中央空調循環(huán)水分為冷卻循環(huán)水和冷凍循環(huán)LI ,則隨著(zhù)水分的蒸發(fā),每小時(shí)將有1. 6 kg的鹽水,是中央空調系統的重要組成部分。循環(huán)水處分析出。以深圳市為例,每個(gè)供冷季按中央空調理的效果直接影響中央空調主機的制冷效果、冷系統運行210天、每天平均10 h計,則一個(gè)空調季卻塔的工作及管網(wǎng)和末端設備的正常使用。(即一個(gè)清洗周期)就會(huì )有3. 36 t的鹽分析出。如.1冷卻水系統水質(zhì)影響因素分析果冷卻塔的平均負荷率取60%,則鹽分增量為影響冷卻循環(huán)水系統水質(zhì)的主要因素包括:2. 02 t/a.這些鹽分一部分經(jīng)平時(shí) 排污排走,一部1)冷卻塔內部水分蒸發(fā)導致冷卻循環(huán)水系統分沉積在冷卻塔填料表面、冷卻水管道的管壁,剩中鹽分濃縮、析出和沉積;余的懸浮或溶于水中，導致冷卻循環(huán)水系統的濁2)氣-水熱質(zhì)交換過(guò)程中空氣中的污染物對度和濃度增加,最終形成待沉積物的。水質(zhì)的影響;為了論述水分蒸發(fā)問(wèn)題,引人2個(gè)概念:系統3)冷卻塔內部微生物的滋生。循環(huán)量W和系統水容量V。系統循環(huán)量W是指1.1水分蒸發(fā)單位時(shí)間內系統的循環(huán)總量,是動(dòng)態(tài)的可變量,- -般冷卻塔是冷卻循環(huán)水系統的散熱設備,主要通認為是單位時(shí)間內水泵的實(shí)際總流量。系統水容量過(guò)水與空氣充分接觸而蒸發(fā)來(lái)達到散熱的目的。水V是指系統的總容積,包括系統管道、冷凝器.冷卻在冷卻塔中蒸發(fā)散熱的同時(shí)也造成循環(huán)水鹽分濃度塔等的容積,是靜態(tài)的定值，通?？照{系統-經(jīng)施工的增大。當鹽分濃度超過(guò)其在水溶液中的飽和濃度完成,其容積即已確定。系統水容量V可根據實(shí)際時(shí),鹽分就會(huì )析出形成懸浮物。若此懸浮物不能及系統計算得出,亦可用下式大致推算得出:時(shí)排出,就會(huì )沉積在管壁處,形成水垢。v=_WI. _ +V.(1)由熱平衡原理不難推算,冷卻水若獲得5C3600U的溫差,那么冷卻塔蒸發(fā)量約為循環(huán)量的0.8%左式中:V 為系統水容量(m');W為系統循環(huán)量右。假定某中央空調系統中冷卻水循環(huán)總量為(m' /h);L為系統總長(cháng)度(m);v為水的平均流速1 000 t/h,蒸發(fā)量為8 t/h,原水硬度為200 mg/ (m中國煤化工)。MYHCNMHG收稿日期.2010301通信作者:劉明謙，Email:898601953@qq com第6期劉明謙等:冷卻循環(huán)水系統水質(zhì)問(wèn)題初探由式(1)可知，假設-一個(gè)冷卻水循環(huán)系統管道仍以循環(huán)量為1 000 t/h的冷卻水系統為例，總長(cháng)度為150 m,冷卻水的平均流速為1.8 m/s,假設該系統配置4臺額定循環(huán)量為300 t/h的標系統循環(huán)量為2000 m' /h,冷卻塔的水容積為20準冷卻塔,風(fēng)機總風(fēng)量為8X103 m/h,那么每小時(shí)由大氣進(jìn)入系統中的TSP總量為160g,-個(gè)空m'時(shí),則該系統的冷卻水水容積為調季總的增量約為336 kg,導致水的濁度不斷上V= 2000x150 + 20≈66 3 m' .V= 3 600X1.8升。O,SO2和NO,等有害污染物會(huì )不斷增加系那么，該冷卻水系統的系統水容積相當于系統中的溶解氧、亞硫酸和亞硝酸的濃度,使水的氧統循環(huán)量的3.3%,由此可見(jiàn)W>V.化能力、酸性和電導率不斷上升,從而不斷加速金冷卻塔每小時(shí)的水分蒸發(fā)量占系統水容積的百屬管道的腐蝕。分比為:V/V=0.8%/3. 3% x 100% =24.24%,即:可見(jiàn),氣-水熱質(zhì)交換時(shí),大氣對水質(zhì)的危害有如果不補水，那么整個(gè)系統的水將在4個(gè)多小時(shí)后2種形式:管道腐蝕加劇和水系統的獨度上升。完全蒸發(fā)。換言之,每小時(shí)蒸發(fā)掉近1/4的水,如果1.3微生物的滋生僅補充蒸發(fā)量而不排污.那么在4 h之后,水系統的空調冷卻水的運行溫度-般為32~37 C,在鹽分濃度就會(huì )升高-倍，即濃縮倍數為2。當鹽分此溫度和富氧條件下，微生物極易大量繁殖。在濃度達到相應溫度下的飽和依度時(shí),開(kāi)始出現結垢冷卻塔中,由于陽(yáng)光的照射,藻類(lèi)在光合作用下大現象。因為CaCO,及MgCO3的溶解度隨水溫的升量繁殖,生命活動(dòng)旺盛，藻類(lèi)附著(zhù)于塔壁、管壁形高而下降,所以結垢會(huì )在溫度較高的物體表面發(fā)生，成生物黏泥，與水垢、大氣塵埃結合形成“復合這種垢因硬度大而稱(chēng)為“硬垢”。垢”。這種垢的產(chǎn)生會(huì )增大熱交換器的傳熱熱阻，1.2氣水熱質(zhì)交換對水質(zhì)的影響嚴重時(shí)會(huì )堵塞管道，特別是冷水機組的冷凝器的大量的空氣進(jìn)入冷卻塔與冷卻水進(jìn)行熱質(zhì)交管束,而對于水源熱泵系統的影響尤為嚴重。由換時(shí),冷卻塔像“吸塵器”-樣將大氣中的污染物于冷卻塔的水分微粒的飄散半徑可達到數公里之照單全收。大氣污染物按其存在狀態(tài)可分為2類(lèi):遙,使得塔中微生物跟隨水分到處傳播,嚴重時(shí)還氣溶膠狀態(tài)污染物和氣體狀態(tài)污染物門(mén)。會(huì )造成疾病傳播如軍團桿菌等。1)氣溶膠狀態(tài)污染物2水質(zhì)惡化對制冷 系統的影響氣溶膠狀態(tài)污染物主要成分有:粉塵(dust)、鹽分、灰塵、菌藻.化合物、溶解氧等對循環(huán)系煙(fume)、氧化鉛煙、飛灰(fly ash)、黑煙統的危害主要表現為在管璧形成附著(zhù)物和對管壁(smoke)、霧(fog)等。這些污染物統稱(chēng)為顆粒物，的腐蝕2個(gè)方面。管壁積垢會(huì )使管道有效面積減根據粉塵顆粒的大小，又分為總懸浮顆粒物(total小,內壁絕對粗糙度增加，管道阻力加大，從而使suspended particles,簡(jiǎn)稱(chēng)TSP ,指懸浮在空氣中空系統阻力增加。在同等流量下,會(huì )加大水泵揚程，氣動(dòng)力學(xué)當量直徑不大于100 pm的顆粒物)和可而在水泵已選定的情況下,阻力的增加會(huì )導致流吸入顆粒物(簡(jiǎn)稱(chēng)PM,o ,指懸浮在空氣中空氣動(dòng)力量減少。而在熱交換器管束內壁等處附著(zhù),形成學(xué)當量直徑不大于10 μm的顆粒物)。復合垢后的危害會(huì )更大。它會(huì )增大熱交換器的壓2)氣體狀態(tài)污染物力損失,減少水流量，影響散熱效率，更重要的危以分子狀態(tài)存在的污染物簡(jiǎn)稱(chēng)氣態(tài)污染物。害是加大了金屬換熱器的傳熱熱阻，直接影響其主要分為5類(lèi):以二氧化硫為主的硫化物.以氧化換熱效率和制冷機組的制冷效率。污垢層厚度的氮和二氧化氮為主的氮氧化物、碳氧化合物、有機增加表現為污垢系數的增大，兩者對應關(guān)系見(jiàn)化合物及鹵索化合物。以南方某城市為例，該城市大氣污染物含量表2。表2污垢層厚度與污垢系數的對照表參見(jiàn)表1.污垢系數/n02 006. 0172 0.258 0.344表1南方某城市大氣污染物含量mg/m'(m2.中國煤化工式045 060監測項日99年監測值HCNMHGTSP0. 200朽垢系數增大會(huì )導斂機組利冷效率降低,污0.060_NO,0.041 _垢系數對冷水機組性能的影響如圖1所示?！?8.制冷與空調第10卷110g 48.9穩定水質(zhì)的;而只進(jìn)行化學(xué)加藥處理,不設置定量排污機制,水質(zhì)會(huì )迅速變差。通過(guò)前面的分析可f 105知,水體變濃的速度要比想象的快很多,有可能在w很短的時(shí)間內就達到了結垢的濃度。文100冷卻循環(huán)水水質(zhì)控制的核心是不間斷地排出每95。40.6系統中析出的鹽分和懸浮物，使系統內的鹽分和懸浮物的總量達到收支平衡,其濃度才有可能被_ 37.89,0.0440.0860.13 0.18控制在一定的范圍內。污垢系數/(m2. C/kW)懸浮物的排出易于實(shí)現,采用一般的旁流過(guò)圖1污垢系數對冷 水機組性能的影響1濾裝置即可間。而其中的鹽分(主要是CaCO3及.目前，由于我國中央空調運行管理普遍缺乏MgCO3等)的排出卻難以實(shí)現，在水資源較豐富水處理意識，因而我國中央空調循環(huán)水的運行環(huán)的地域可采用定量的連續排污方法。排污量根據境遠比美國的要差。據調查,我國的空調冷卻水當地原水的鹽分含量(硬度)和鹽分在冷凝溫度下系統運行1個(gè)月即開(kāi)始結垢,問(wèn)題嚴重的-一個(gè)空調的飽和溶解度來(lái)確定-一個(gè)安全的濃縮倍數,再推季冷凝器內的垢層厚度可達1.0 mm以上,效率損算合適的排污量,從而使系統循環(huán)水的濃度保持失很大。只不過(guò)一- 般設計院對制冷主機的設計余在一定范圍內,以實(shí)現不結垢運行。量很大,所以這個(gè)問(wèn)題在實(shí)際運行時(shí)不一定會(huì )暴設當地原水的硬度為x,冷凝溫度下的溶解度露出來(lái)。圖1只給出了污垢系數為0.18(m2●C/為S,則kW)以?xún)鹊臄祿?。通過(guò)對圖1進(jìn)行分析,推導出濃縮倍數N= KS/x(2)當垢層厚度較大時(shí),污垢系數對制冷主機性能的式中:K為安全系數,取值范圍為0.6~0.8。.影響情況(見(jiàn)表3)。排污量V.=N-(3)表3垢層厚度較大時(shí)對冷水機組性能的影響式中:V.為排污量(含水分飄逸損失的水量, m');污垢系數/0.258 0.344 0.43 0.573 0. 688V,為蒸發(fā)量(m2 );N為濃縮倍數。(m2 . C/kW)垢層厚度/mm 0.45 0.60 0.75 1. 01.2對冷卻水系統進(jìn)行定量的排污,才能保證一制冷量Q:/% 89.20 85.00 81.00 76. 5072. 20定的濃縮倍數,才能保持水質(zhì)的穩定。濃縮倍數功耗W*/% 116.00 122.00 128.50 135.00 147.00的取值應結合當地原水的實(shí)際硬度而定:水質(zhì)硬對于溴化鋰吸收式制冷機組而言,污垢系數度越高的地區,濃縮倍數的取值應越低;反之,則對其制冷效率的影響尤為嚴重(見(jiàn)表4)?？梢匀「咭恍?。表4污垢系數對溴化鋰吸收式冷水機組性能的影響對于原水硬度較高、水資源較為缺乏的地區，污垢系數/(m2 . C/kW)_ 0.044 0.086 0.172 0.258 0. 344靠簡(jiǎn)單的排污來(lái)穩定水質(zhì)顯然既不經(jīng)濟又不合垢層厚度/mm0.075 0.15 0.30 0.45 0. 60理。對于這些地區,據筆者了解,目前還沒(méi)有特別制冷量Q:/%-冷水側104100 92 85 79有效的措施。不過(guò)可以嘗試采取一些可以直接排冷卻水側10310090 86制熱量/%103 100 94 90- 86-除其礦物質(zhì)的措施。注: *此數據非實(shí)測值，可能會(huì )存在誤差。水質(zhì)的惡化往往會(huì )迫使物業(yè)管理部門(mén)再委托3冷卻循環(huán)水水質(zhì)控制專(zhuān)業(yè)的空調水處理公司進(jìn)行化學(xué)加藥處理。然目前國內的空調水系統化學(xué)處理主要有3種而,化學(xué)加藥并不能一勞永逸地解決問(wèn)題,須定期方式:①補充軟化水以控制循環(huán)水水質(zhì);②設置電進(jìn)行系統清洗,但2次清洗周期之間制冷效率仍會(huì )子水處理器,以防垢、除垢、殺菌、滅藻;③化學(xué)加降低。假設沒(méi)有污垢的系統的制冷效率為100%，藥方式，添加藥劑(清洗劑、預膜劑、阻垢劑、緩蝕基于中國煤化工率將降至85%劑、消毒劑)以控制結垢、腐蝕和微生物繁殖。方(假定,效率曲線(xiàn)是一式①運行成本較高,可行性較差;而若僅設置一套條下降THCN M H! C.效率曲線(xiàn)對時(shí)水處理儀,沒(méi)有定量的排污機制,實(shí)際上也是無(wú)法(下轉第32頁(yè))制拎與空調第10卷大,非常小的壓差就有可能引起飽和溫度大的變響比較小,因為富油層-般位于氣液分離器上部，化,進(jìn)而急劇降低系統的能效。比如對于R22來(lái).對換熱管幾乎沒(méi)有多大影響。說(shuō),在-40 C的蒸發(fā)溫度下,相當于每0.36 m的4結束語(yǔ)液柱高度,吸氣壓力會(huì )降低5kPa,相應蒸發(fā)溫度在工藝冷卻過(guò)程中選擇合適的蒸發(fā)器是決定降低1 C以上。因此,在低溫情況下一定要慎用冷卻工藝好壞的關(guān)鍵之- - ,表1給出了不同工藝條虹吸式蒸發(fā)器。潤滑油對虹吸式蒸發(fā)器的運行影件下工藝冷卻用蒸發(fā)器的選擇原則。表1不同工藝條件 下工藝冷卻用蒸發(fā)器的選擇原則換熱器選擇應用條件18~1 230 kW1 230~3 500 kW3500kW以上干式殼管式換熱器或板式換滿(mǎn)液殼管式或高效換負荷比較穩定的冷凍水滿(mǎn)液殼管式或滿(mǎn)液板換熱器熱管負荷比較穩定,動(dòng)力黏度<6 mPa●s的介質(zhì)干式殼管式換熱器或滿(mǎn)液殼管式換熱器負荷比較穩定,動(dòng)力黏度>6 mPa●s的介質(zhì)殼管虹吸式蒸發(fā)器或干式殼滿(mǎn)液 板換或殼管虹吸式殼管虹吸式蒸發(fā)器蒸發(fā)器分批次冷卻或穩定負荷，比較臟的工藝流體滿(mǎn)液殼管式(臟水、化學(xué)品、污水等介質(zhì))滿(mǎn)液板換或殼管虹吸式熊滿(mǎn)液板換或殼管虹吸式 滿(mǎn)液 板換或殼管虹吸式分批次冷卻的冷陳水或其他流體發(fā)器蒸發(fā)器.注:制冷劑為R22,RI34a,R404,R507 ,R290, R1270。參考文獻[3] COOLPACK物性軟件.[1] ASHRAE HANDBOOK..4] GB151-1999殼管式換熱器.[2] Alfa Laval. Plate Heat Exchangers for Refrigeration5] Ash Bhadsavle, Art Stipanovic, Teresa Sauble, FESApplications. TECHNICAL REFERENCE MANU-Systems Evaporators for Process Cooling Systems.業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)**業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)*業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)北業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)(上接第28頁(yè))間的積分就是功耗增加率。效率曲線(xiàn)的倒數對時(shí)處理措施的核心。采用合理的水質(zhì)控制方式，間的積分等于累計的功耗增加率。將對中央空調系統的高效.平穩運行起到重要設初期的垢層厚度為0,污垢系數為0,期末的作用。垢層厚度為0. 313 mm,污垢系數為0.18 m2●C/kW,與期初的功耗相比,功耗增加率為:oW* %= W本- 100%[1] CJ/T 206- -2005 城市供水水質(zhì)標準W期初[2]陳耀宗,姜文源. 建筑給水排水設計手冊.北京:中國= 10.589% - 100%建筑工業(yè)出版社,2005.93.72%[3]郝吉明,馬廣大. 大氣污染控制工程.北京:高等教育= 13%出版社,2007.同等制冷量情況下,期末的功耗比期初的增加[4]香港預防退伍軍人病癥委 員會(huì )預防退伍軍人病癥13% ,年平均增加值為6. 5%。若能控制冷卻水系工作守則.統不結垢,則制冷主機的節能率至少可達6.5%。[5]薛杰(SERGE SALAT).可持續發(fā)展設計指南:高環(huán)4結論境質(zhì)量的建筑北京:清華大學(xué)出版社,2006.中央空調冷卻循環(huán)水系統水質(zhì)問(wèn)題，不僅給6] ASHRAE. 2000 ASHRAE Handbook-HVAC Sys-tems and Equipment. Atlanta:ASHRAE, 200.0建筑室內外的人居環(huán)境帶來(lái)不良影響,危害人體7] 曹勤.集中空調系統的水質(zhì)管理.暖通空調,2005,35健康,而且影響到中央空調主機的制冷效率,導致中國煤化工系統運行過(guò)程功耗增加。冷卻水處理的關(guān)鍵是保8]HCNMHG計規范.持系統污染物的收支平衡,建立“排出機制”是水