10水的冷知 一数学肉空及学时分配(6学时) 10.1水的冷却系统与冷却构筑物：10,2水的冷却原理10,3冷却的热力学计算：104冷却水 的木质与水处理 二教学目的及要求 了解冷却构筑物类型和工艺构造，掌握湿空气性质、水的冷却原理、冷却塔的热力计 算基本方程、冷却水水质特点及其处理 10.1水的阿冷却系统与冷却构筑物 10.11概述 工业生产中，往往会产生大量热量，使生产设备或产品（气体或液体）温度升高，必须 及时冷却，以免影响生产的正常进行和产品质量。 10.12水的冷却系统 水的冷却系统常见的有直流式和循环式两种，循环式又分为封闭式和敞开式。水通过换 热器后即排放的称为直流系统。采用直流系统的优点是设备管理简单，但会造成水源的热污 染，浪费水资源。该系统目前较少采用。冷却水在完全封闭的、山换热器和管路构成的系统 中进行循环称为密闭式循环系统。在密闭式循环系统中，冷却水所吸收的热量一般山空气进 行冷却，在水的循环过程中除浚漏外并无其它水量损失，也无挂污所引起的环境污染问题 系统中含盐量及所加药剂几乎保持不变，故水质处理较单纯。帝闭式循环冷却水存在严重 腐蚀问题。密闭式循环系统冷却效率低，基建造价和经常电耗高。该系统一般只用于小水量 或缺水地区，敞开式循环冷却水系统是应用最广泛的系统，也是水质处理技术最复杂的系统， ·一g巴 4 围101直流式冷却水系统 图102封闭式雁环冷却水系统 工艺介质的换热器：4一热水 补充P 围03开式循环却水系镜 一冷却换格器：一冷却塔系统：一循环水 10.13冷却构筑物 水的冷却有多种方法，包括水面冷却池、喷水冷却池和冷却塔。其中冷却塔式循环冷却 水系统中的主要冷却构筑物。本课重点介绍冷却塔
1冷却塔的分类 按通风方式分类有自然通风冷知塔和机械通风冷却塔。按热水和空气的接触方式分类有 湿式冷却塔、干式冷却塔和干式冷却塔。按热水和空气的流动方向分类有逆流式冷却塔和 横流式冷却塔 2冷知塔构造 图104式一个抽风式逆流冷却塔（湿式）。冷知搭内的主要装置包活热水分配装置而 水系统、淋水填料)、通风及空气分配装胃（风机、风简、进风口）、集水器和除水器等。配水 系统的作用主要是使水在淋水面积上均匀分配，提高冷却效率。配水系统主要有管式、槽式 池（盘）式二种形式 淋水填料的作用是使热 水形成水滴或水膜，增大水和空 接触面积 延长接触时间，是水被冷却的主要场所，是冷却塔的关健部分。淋水填料按照水被淋成冷赳 表面的形式分为：点滴式、薄膜式和点滴薄膜式三种。通风装置主要是风机和风筒，它们的 作用是使塔内形成负压，外部空气得以进入塔内。空气分配装置主要是保证进塔的风速分行 合理，为防止水流难出，有的塔讲风口设置百叶窗。除水器主要用干分离回收夹带在实气中 的雾状小水滴，以减少水量损失。集水池起储存和调节水量的作用，有时还可以作为循环水 的吸水井。 剩剖面图 图10一4逆流式冷搭丁梦构造 1-配水管系：2-淋水填料：3 当风墙：4-集水池：5-进风口：6-风机：7-风筒：8 一除水器：9一化冰管：10一进水管
102水的冷却原见 10.2.1湿空气的性质 湿空气是山于空气和水蒸气所组成的混合气体。大气一般都合有水蒸气，故大气实际 是湿空气。 在大气压力下，空气中的水蒸气含量很少，而且大都处于过热状态。湿空气中的水蒸气 或湿空气本身可当作理想气体来处理。 1湿空气的压力 (1)湿空气的总压力 对冷却塔来说，湿空气的总压力就是当地的大气压，按照气体分压定律，其总压力P 等于干空气的分压力Pg和水蒸气分压力Pg之和 P=P.+P (kPa) (10-1) 按照理想气体处理，则得： P,=P,R,T×10(w) (10-4) P,=P,R,T×103 (kPa) (10-5) 式中pgpg一干空气和水蒸气在其本身分压下的彩度，kgm3: Rg一干空气的气体常数，287.14Jkg·K: Rq-水蒸气气体常数，461.53Jkg·K。 (2)饱和水蒸气分压力 当空气在某一温度下，吸湿能力达到最大值时，空气中的水蒸气处于饱和状态，称为饱 和空气。水蒸气的分压称为饱和蒸气压力(P,)。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Pq也不会超过该温度条件下的饱和蒸气压力P, 即PgP,Pg在0一P,之间变化。当温度日=0一100C及通常的气压范用内时，P,可按 下列经验公式计算： （T373.15/+82g37315 og=0014196-3.14230s10-10）】 -0.0024804373.16-T) T (10-6) 式中P,”-饱和蒸气压力，kgfcm2: T一绝对温度，K: T=273.15+,为空气的温度，(C) 2湿度
(1)绝对湿度 每m3湿空气中所含水蒸气的质量称为空气的绝对湿度。其数值等于水蒸气在分压Pq 和湿空气温度T时的密度。山式(10-4)(10-5)可知： A是0-670 P (kg/m3) (10-7) 饱和空气的绝对湿度，为： A号06570 (kg/m3) (10-8) (2)相对湿度 空气的绝对湿度和同温度下饱和空气的绝对湿度之比，称为湿空气的相对湿度，用甲 表示。 (10-9) 将式(12-6)代入式(12-7)，得 (10-10) 相对湿度表示混空气接近饱和的程度。相对湿度低的空气较干燥，易吸收水分，反之则 差。 山上式可求得 P,=pP,则P=P-P,=P-P, (10-11) 相对湿度的计算公式为 p=P-0.0062P8- (10-12) 式中日，t一湿空气的干球、湿球温度，‘C: L、P-一相当于9和t的饱和水蒸气压办，kP: P-大气压力，kPa (3)含湿量 在含有1kg干空气的湿空气混合气体中，所含水蒸气的质量x(kg)称为湿空气的含湿 量，也称为比湿，单位为kgkg(干空气)
x=Pe (10-13) Pa 将式(10-4)(10-5)代入式(10-13)，得 x久-R5-76-0627 P =0.622 P (10-14) P,R,P461.53P, P-oP 山式(10-14)可知，当P一定时，空气中的含湿量x随着水蒸气分压Pg的增加而增 加。大气压P一定时，使湿空气变成饱和空气的温度称为露点。当空气温度低于落点温度 时，水蒸气开始凝结。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(x")。山式(10-14)可知，当p=1时，含湿量达最大值，此时x”为 x=0.62p-p (10-15) 一定温度下，x值等于x”的空气称为饱和空气，它个能再吸收水蒸气。果x<”,则 每公斤干空气允许增加(x”一x)的水蒸气：x”一x值越大，说明空气越干燥，吸湿能力越 强，反之亦然。 已知含湿量，山式(10-11)、(10-14)可求得Pg,Pq B-0.622+x (10-16) =0622+xP 3湿空气的索度 湿空气的帝度等于Im湿空气中所含的干空气和水蒸气在各自分压下的帝度之和。 p=P:+P (kglem) (10-17) 将式(10-4)(10-5)代入式(10-17)
p=Px102x10 RT (P-)x1 R.T RT -P×103P,×10311 RT -TR。R .1000PP(1 287147728714461.53k10 -34号-1316号 (10-18 式(10-18)表明，湿空气的密度随大气压力的降低和温度的升高而减少 4湿空气的比热 使总质量为(1+x)kg的湿空气（包括1kg干空气和xkg水蒸气）温度升高1℃所需 的热量，称为湿空气的比热，用Csh表示. Cw=Cg+C,x(kJkg·C》 (10-19 式中Cg一干空气的比热，在压力一定，温度小于100C时，约为1.005kkg·C Cq一水蒸气的比热，约为1.842kkg·C 故C=1.005+1.842x(kkg·C) (10-20 在冷却塔中，C一般采用1.05kkg·C。 5湿空气的烙 焓表示气体含热量的大小，用表示。 湿空气的格等于1kg干空气和含湿量x公斤水蒸气的含热量之和 i=ig+xi (kJ/kg) (10-21) 式中。一干空气的格，kkg: i,一水蒸气的格，kJkg: x一湿空气的含湿量，kgkg(干空气). 计算含热量时，要有一个基点。国际水蒸气会议规定，在水汽的热量计算中，以水温为 0'℃的水的热量为零。因此，1kg干空气的烙'为
i.=C.0=1.0050(akg) 水蒸气的焓山两部分组成 (1)1kg0C的水变为0'C的水蒸气所吸收的热量称为汽化热，用0表示， Y0=2500k3kg (2)1kg水蒸气山0C升高到日C所需的热量 i=Ca0=1.8420 i=i。+xi,=1.0050+(2500+1.8420)x (10-23) 经整理得 i=0.005+1.842x)9+2500x=C0+7ox(Ukg (10-24) 将式(10-14)中的x值代入式(10-24)，得 i=1.0050+0.622(2500+1.8420) P-P (10-25) 在湿空气的诸参数中，只有干球温度日、湿球温度：和大气压通过实际测定狄得，其 余参数可通过上述公式计算得到。为了计算方便，一般将时空气的主要热力学参数（φ、P、 i、日)之间相应的关系绘制成图表。 10.22水的冷却原理 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。 1空气一水的蒸发 和接触传热过程 根据分子运动理论，水的表面蒸发是山分子热运动引起的。根据分子运动的不规则性， 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。山于水中动能较大的水分子逸出， 剩下的其它水分子的平均动能减少，水的温度随之降低。这些逸出的水分子之间以及与空气 分子之间相五碰箍， 又有可能重新返回水面。若单位时间内逸出的分子多于返回的分 即不断蒸发 水温不断降低。反之，若返回水面的分子多于逸出的分子，则将产生水蒸气 结：当逸出的与返回的水分子数的平均值相等时，蒸气和水处于动半衡状态，此时空气中的 水蒸气是饱和的。 水的表面蒸发，在自然界中大部分是在水温低于沸点时发生的。水相和气相的界面上存 在一定的蒸气压力差。 一般认为空气和水接触的界面上有一层极薄的饱和空气层，称为水面 饱和气层。水首先蒸发到水面饱和气层中，再扩散到空气中。水面饱和气层的温度可认》 与水面温度f相同。水滴越小或水膜越薄，与f越接近。设水面饱和气层的饱和水蒸气分 压为Pg”,而远离水面的空气中，温度为日时的水蒸气分压为Pq,则分压差△P=Pq”一Pg 是蒸发的推动力.只要Pg”>Pq,水的表面就会蒸发，而与木面温度f高于还是低于空气温
度日无关。因此，蒸发的方向总是山水向空气。 为了叫快水的蒸发速度，可采取下列措施：(1)增九热水与空气之的接他面积。接 面积越大，则水分子逸出的机会就越多，蒸发就越快。冷却塔采用填料来达到此目的：(2 提高水面空气流动的速度，使逸出的水蒸气分子迅速扩散，降低接近水面的水蒸气分压P, 提高蒸发的推动力。冷塔采取提高气水比来达到此目的。 除蒸发传热外，当热水水面和空气直接接触时，如水的温度与空气的温度不一致，将会 产生传热过程。例如水温高于空气温度，水将热量传给空气：空气接受了热量，温度上升， 这种现象称为接触散热。温度差(f一》是接触散热的推动力。接触散热的热量传送方向 可以从水流向空 也可以 气流向水，其方向取决 两者 度的高作 综上所述，水的冷却过程是通过蒸发传热和接触传热实现的，而水温的变化则是两者作 用的结果。 在冷却塔中，蒸发散热和接触散热同时存在。随者季节的不同，两者的比例相差较大 冬季气温很低，(t一日)值很大，冷却以接触散热为主，接触散热量可占50%，严冬时甚 达70%左右。夏季气温较高，( 一)很小，面月经常发生气温高于水温的现象 。此 时，冷却主要依靠蒸发散热，蒸发散热量可达80%一90%。 2传热量计算 (1)蒸发传热量 分压第也可用含湿量差代替，因此，蒸发水量又可表示为 de.=B.(-x)dF () (10-26) 式中x”一与水温f相应的饱和空气含湿量，kgkg: x一温度为0时的空气含湿量，kgkg: B、一以含湿量差为基准的蒸发传质系数，kg(m2·h)。 在蒸发冷却时，单位时间创内的蒸发散热量等于蒸发术量与水的汽化热的乘积，故： dHa =Yode.=oB (P-P)dF =oB.(x-x)dF (kI/h) (10-27) 式中%一水的汽化热，kkg (2)接轴散执量 假设在单位时间内，水和空气接触的微元面积为dF(m),则接触散热量(Hα)为： H。=a(t,-0)df (kI/h) (10-28) 式中f一水体表面的温度，C: 日一空气温度，C: u-接触散热系数，k/(m2,h·C)。 （3)总传执量 在单位时间内，冷却的散热量d旧等于蒸发散热量d耶和接触散热量du之和 在冷却塔中，林水填料全部接触表面积℉的总散热量H为： H=[dH=[a (1-0)dF+roB,(x-x)dF =a(t-0)F+yoB,(x-x)F (10-29) 式中亿，一)。一塔内水面温度与空气温度差的平均值。 (x一x)m一含湿量差的Ψ均值
式(10-29)中的水气接触面积F很难确定，但它与淋水填料的表面积有关，但在实际 应用时，采用填料表面积很不方便，而填料的体积很容易确定。因此，在实际计算时，通常 采用填料体积以及与填料单位体积相应的系数 3湿球温度 干湿球温度是湿空气的主要热力学参数。图10一9为干湿球温度计。不包纱的一支为 干球温度计，即用一般温度计测得的气温。包有纱布并将纱布的自山端浸入水中的一支称为 湿球温度计，它的水银球上附若了一层连水层。因此，湿球温度计定的是这层水膜的温度， 如果大气温度为，相应的水燕气分压和含湿量为Pg和x:水膜的初始水温为,月 相应的饱和水蒸气分压和饱和含湿量为P和x”,山于大气是大量的，水膜的蒸发和传导的 热量对大气几乎不产生任何影响，可认为大气的热力学参数(、x、i、Pq)不变。开始 时，接触散热和蒸发的方向均山水向大气传送，在它们的作用下，水膜温度t下降。当t下 降至日时，无接触散热作用。但山于蒸发的散热，t进一步下降，t<0,此时接触散热的方向 改变，山大气向水膜传送 蒸发丧失的热量大于接触散热所提供的热量，水膜温度： 继续 降。山于↑的降低同时大气温度θ又保特不变，接触散热的推动力（一t)增加，接触散热 量增大。另一方面，水膜温度t的降低使水膜表面饱和气层的Pg”下降，同时山于大气的水 蒸气分压Pg不变，蒸发推动力(Pg”一Pq)下降，导致蒸发传热量减少。当接触散热量与 蒸发散热量相等时，水膜的温度为湿球温度：山此可见，湿球温度代表在当地气象条件下， 水被冷却的最低温度，也即冷却构筑物出水温度的理论极限值。 图12-8湿球温度计 1-纱布：2-水层：3-空气层 10.3冷却的热力学计算 本节以逆流冷却塔为例介绍冷却塔热力计算的基本原理 10.3.1热力计算基本方程 冷却塔中传质和传热同时进行，冷却塔热力计算的方法日前国内外用得较多的是烙差 法，这甲主要介绍烙差法
(1)逆流塔热力学平衡基本方程推导 1图12一10。山冷却塔项部的水流量为Q(kgh),水温为，经过淋水填料的水气热 量交换后，水温冷却到2。山冷却塔底部，即水流相反方向通入空气，流量为G(kgh) 进入塔内的空气接受了水的热量，空气的诸热力学参数山进口处的A,9,,1变化到出口 处的8,9，，2 推州空G Pi xi B+d8x+dx Pi xi 出本Q-Q.进入空气G 图10一10道流式冷却塔中的水冷知讨积 淋水填料高度为乙 般认为，逆流塔的水气热力学参数沿淋水填料宽度方向个变，它 仪随高度的变化而变化，即水气热力学参数为填料高度Z的一维函数。在淋水填料中，沿 宽度划出微元层，微元高度为血。进入微元层的水量为Qz,水温为·，则进水中所含热量 为C.2,Cw(kgC)为水的比热。设在该层中蒸发的水量为dQu,水温降低了山， 则该层出水中所含的热量为：C,(但。一d0。(-。所以，在该层内的水所散发的热量 ds应为以上两部分热量之差： dH,=C.o.t-C (o.-de )(1-dr) (10-30) 上式简化并略去二阶微量C,d0t,得： dl。=C9.dh+CQ.dg. (10-32) 山于水的蒸发量较小，可忽略不计，即Qz=Q,则得 dH,=C.Qdt+C.o.do (10-33) 空气通过微元层时，含热量提高，增值为，则空气吸收的热量d为：