人类日常生活离不开水，工业生产也同样离不开水。随着工业生产的发展，用水量越来越大，很多地区已经出现供水不足的现象，因此合理和节约用水已经成为发展工业生产中的一个重要问题。
工业用水主要包括锅炉用水、工艺用水、清洗用水和冷却用水、污水等。其中用水量最大的是冷却用水，约占工业用水量的百分之九十以上。不同的工业系统和不同用途对水质的要求是不同的；但各工业部门使用的冷却水对水质的要求基本上是一致的，这就使得冷却水质控制在近年来作为一门应用技术获得了迅速的发展。在工厂中，冷却水主要用来冷凝蒸汽，冷却产品或设备，如果冷却效果差，就会影响生产效率，使产品的收率和产品的质量下降，甚至于会造成生产事故。
水是比较理想的冷却介质。因为水的存在很普遍，和其它液体相比，水的热容或比热较大，水的汽化潜热（蒸发潜热）和熔化潜热也很高。比热是单位质量的水温度升高一度时所吸收的热量。常用的单位是卡/克·度(摄氏)或英热单位(B．T．U．)/磅·度(华氏)。用这两个单位表示水的比热度时，其数值是相同的。热容大或比热大的物质升高温度时需要吸收大量的热量，而本身温度并不明显升高，因此水具有良好的贮热性能。潜热是物态发生转变时所吸收或放出的热量。一克分子水蒸发成为一克分子蒸汽需要吸收近一万卡的热量，因此水蒸发时能吸收大量的热量，从而使水温下降，这种依靠水分蒸发带走热量的过程称为蒸发散热。
工艺冷却水系统原理图
用水来冷却工艺介质的系统称作冷却水系统。冷却水系统通常有两种：直流冷却水系统和循环冷却水系统。
1.1 直流冷却水系统
在直流冷却水系统中，冷却水仅仅通过换热设备一次，用过后水就被排放掉，因此，它的用水量很大，而排出水的温升却很小，水中各种矿物质和离子含量基本上保持不变。
1.2循环冷却水系统
循环冷却水系统又分封闭式和敞开式两种。
1.2.1封闭式循环冷却水系统
封闭式循环冷却水系统又称为密闭式循环冷却水系统。在此系统中，冷却水用过后不是马上排放掉，而是回收再用。
1.2.2敞开式循环冷却水系统
敞开蒸发系统是目前应用最广、类型最多的一种冷却系统。它也是以水冷却移走工艺介质或换热设备所散发的热量，然后利用热水和空气直接接触时将一部分热水蒸发出去，而使大部分热水得到冷却后，再循环使用。因此，这样的系统也称敞开循环冷却水系统。根据热水和空气接触方法的不同，可以分成很多类型。敞开循环冷却水系统的分类见表一。
冷却水由循环泵送往系统中各换热器，以冷却工艺热介质，冷却水本身温度升高，变成热水，此循环水量为R的热水被送往冷却塔顶部，由布水管道喷淋到塔内填料上。空气则由塔底百叶窗空隙中进入塔内，并被塔顶风扇抽吸上升，与落下的水滴和填料上的水膜相遇进行热交换，水滴和水膜则在下降过程中逐渐变冷，当到达冷却水池时，水温正好下降到符合冷却水的要求。空气在塔内上升过程中则逐渐变热，最后由塔顶逸出，同时带走水蒸气。这部分水的损失称为蒸气损失E。热水由塔顶向下喷溅时，由于外界风吹和风扇抽吸的影响，循环水会有一定的飞溅损失和随空气带出的雾沫夹带损失。由于这些损失掉的水，统称为风吹损失D。为了维持循环水中的一定的离子浓度，必须不断向系统中加入补充水量M和系统外面排出一定的污水。这部分水量称为排污损失B。
冷却塔的种类很多，按照塔的构造和空气流动情况来区分，有自然通风冷却塔和机械通风冷却塔两大类。按照空气与水在塔内的相对流动情况，又可分为逆流式和横流式。有关各种类型冷却塔的结构和特点，可参阅有关的参考文献。机械通风冷却塔冷却效果最好。设计中应综合考虑循环比,其应在3～5倍为宜。
2、浓缩倍数
循环冷却水的浓缩倍数是该循环冷却水的含盐量与其补充水的含盐量之比。
提高循环冷却水的浓缩倍数，可以降低补充水的用量，从而节约水资源；还可以降低排污水量，从而减少对环境的污染和废水的处理量。此外，提高浓缩倍数还可以节约水处理剂的消耗量，从而降低冷却水处里的成本。但是，过多地提高浓缩倍数，会使循环冷却水中的硬度，碱度和浊度升得太高，水的结垢倾向增大很多，从而使结垢控制的难度变得太大；还会使循环冷却水中的腐蚀性离子（例如Cl-和SO42-）和腐蚀性物质（例如H2S、SO2和NH3）的含量增加，水的腐蚀性增强，从而使腐蚀控制的难度增加；过多地提高浓缩倍数还会使药剂（例如聚磷酸盐）在冷却水系统内的停留时间增长而水解。因此，冷却水的浓缩倍数并不是愈高愈好，一般热电系统可控制5～8倍，化工、炼油2～4倍。
2.1水量与浓缩倍数的关系
现在从节约水资源的角度看一下补充水量M占循环水量R的百分比M/R与浓缩倍数K的关系，以及每提高一个浓缩倍数单位时节约的补充水百分比（以占循环水量的百分比表示）
蒸发损失水量E=R·CP·t/r
=10000×4.187×(42-32)/2401
=174.4(m3/h)
风吹损失水量（按0.05%R计）
D=10000×0.05%=5.0(m3/h)
总排污水量Br=E/(K-1)=174.4/(2.0-1.0)=174.4(m3/h)
排污水量B=Br-D=174.4-5.0=169.4(m3/h)
补充水量M=E Br=174.4 174.4=348.8(m3/h)
式中CP——水的热容量（比热）·kJ/(kg·℃);
t——水的进口温度与出口温度之差，℃；
r——水的蒸发潜热，kJ/kg ；
K——水的浓缩倍数。
因此，提高冷却水的浓缩倍数，可以节约水资源；
但是，每提高一个浓缩倍数单位（K=1）所降低的补充水量的百分比M/R / K则随浓缩倍数的增加而降低。例如：
当浓缩倍数K由1.0提高到2.0时，补充水量M由10000 m3/h，降低到了348.8m3/h故有：
M/R / K=348.8-261.6/10000/(3.0-2.0)=0.87%
当浓缩倍数K由3.0提高到4.0时，则有：
M/R / K=232.5-218.0/10000/(5.0-4.0)=0.14%
由以上的例子中可以看到：
①在低浓缩倍数时，提高浓倍数的节水效果比较明显；但当浓缩倍数提高到4.0以上时，再进一步提高浓缩倍数的节水效果就不太明显了。例如把上述循环冷却水的浓缩倍数由4.0提高到5.0时，节约的水量仅占循环水量的0.14%。因此，一般循环冷却水系统的浓缩倍数通常被控制在2.0~4.0左右。
②与直流冷却水相比，即使循环水的浓缩倍数比较低，例如仅为1.5倍，但此时补充水即可节约94.8%（100%—5.2%）。由此可见，从节约水资源的角度来看，把直流冷却水改造为浓缩倍数不太高的冷却水，就可以节约大量的淡水资源。因此，直流冷却水系统的改造与不改造（为循环冷却水系统）是大不一样的。
敞开式循环冷却水的浓缩倍数可以通过调节排污水量或补充水量来控制。
2.2 补充水量M（m3/h）
水在循环过程中，除因蒸发损失和维持一定的浓缩倍数而排掉一定的污水外，还由于空气流由塔顶逸出时，带走部分水滴，以及管道渗漏而失去部分水，因此补充水是下列各项损失之和。
2.2.1蒸发损失E（m3/h）冷却塔中，循环冷却水因蒸发而损失的水量E与气候和冷却幅度有关，通常以蒸发损失率a来表示。进入冷却塔的水量愈大，E也就愈多，以式表示如下：
E=a(R－B)
a=e(t1－t2)
式中a —蒸发损失率，%；
R —系统中循环水量，m3/h；
B —系统中排污水量，m3/h；
t1、t2—循环冷却水进、出冷却塔的温度，℃；
e—损失系数，与季节有关，夏季（25～30℃）时为0.15～0.16；冬季（-15～10℃）时为0.06～0.08;春秋季（0～10℃）时为0.10～0.12。
2.2.2风吹损失（包括飞溅和雾沫夹带）D（m3/h）风吹损失除与当地的风速有关外，还与
冷却塔的型式和结构有关。一般自然通风冷却塔比机械通风冷却塔的风吹损失要大些。若塔中装有良好的收水器，其风吹损失比不装收水器的要小些。风吹损失通常以占循环水量R的百分率来估计，其值约为
D=（0.2%～0.5%）R m3/h
2.2.3排污水损失B（m3/h）B的大小，由需要控制的浓缩倍数和冷却塔的蒸发量来确定，其计算下面再讨论。
2.2.4渗漏损失F （m3/h）良好的循环冷却水系统，管道连接处，泵的进、出口和水池等地方都不应该有渗漏。但因管理不善，安装不好，则渗漏就不可避免。因此在考虑补充水量时，应视系统具体情况而定。故补充水量
M=E D B F
3、排污水量B（m3/h）
排污水量B的确定与冷却塔的蒸发损失E和浓缩倍数K有关。可以通过下列物料衡算的办法，找出B和E与K的关系式。
设循环冷却水系统中，除了有补充水加入和排污、蒸发、风吹、渗漏等损失外，再没有其他的水流或溶质加入或排出系统，那么整个系统在循环浓缩过程中，就可以对循环水中某些不受加热、沉淀等干扰的溶质（如Cl-、Na 、K 等）作物料衡算，得到下面的式子：
MCM=ECE BCR DCR FCR
式中：CM —补充水中某种溶质的浓度；
CE —水蒸气中某种溶质的浓度；
CR —循环冷却水中某种溶质的浓度；
当系统中管道联接紧密，不发生渗漏时，则F=0；当冷却塔收水器效果较好时，风吹损失D很小，如略去不计，则上式可简化为
因此循环冷却水系统运行时，只要知道了系统中循环水量R和浓缩倍数K，就可以估算出蒸发量E，排污水量B以及补充水量M等操作参数。控制好这些参数，循环冷却水系统的运行也就能正常进行。
第二节 敞开式循环冷却水处理的重要性1、敞开式循环冷却水系统产生的弊端及问题
冷却水在循环系统中不断循环使用，由于水的温度升高，水流速度的变化，水的蒸发，各种无机离子和有机物质的浓缩，冷却塔和冷却水池在室外受到阳光照射、风吹雨淋、灰尘杂物的进入，以及设备结构和材料等多种因素的综合作用，会产生比直流系统更为严重的沉积物的附着、设备腐蚀和微生物的大量滋生，以及由此形成的粘泥污垢堵塞管道等问题。
1.1循环冷却水使用后的弊主要表现在以下五个方面：
①对于凉水塔周边污染物的吸收及累积；
②细菌及生物粘泥大量产生；
③金属腐蚀性急剧上升；
④泄露介质污染水系统进而造成全部冷却器管网的结垢或腐蚀；
⑤污染物不易消减。
1.2敞开式循环冷却水系统产生的问题
1.2.1沉积物的析出和附着
一般天然水中都溶解有重碳酸盐，这种盐是冷却水发生水垢附着的主要成分。
在循环冷却水系统中，重碳酸盐的浓度随着蒸发浓缩而增加，当其浓度达到过饱和状态时，或者在经过换热器传热表面使水温升高时，会发生下列反应：
Ca(HCO3)2 = CaCO3 CO2 H2O
CaCO3沉积在换热器传热表面，形成致密的碳酸钙水垢，它的导热性能很差。不同的水垢其导热系数不同，但一般不超过1.16W/（m·K），而钢材的导热系数为45 W/（m·K）。
1.2.2设备腐蚀
循环冷却水系统中，大量的设备是金属制造的换热器。对于碳钢制成的换热器，长期使
用循环冷却水，会发生腐蚀穿孔，其腐蚀的原因是多种因素造成的。
1.2.3冷却水中溶解氧引起的电化学腐蚀
敞开式循环冷却水系统中，水与空气能充分地接触，因此水中溶解的O2可达饱和状态。当碳钢与溶有O2的冷却水接触时，由于金属表面的不均一性和冷却水的导电性，在碳钢表面会形成许多腐蚀微电池，微电池的阳极区和阴极区分别发生下列的氧化反应和还原反应：
在阳极区 Fe=Fe2 2e
在阴极区 1/2 O2 H2O 2e =2OH-
在水中 Fe2 2OH- = Fe（OH）2
Fe（OH）2 = Fe（OH）3
这些反应，促使微电池中的阳极区的金属不断溶解而被腐蚀。
1.2.4有害离子引起的腐蚀
循环冷却水在浓缩过程中，除重碳酸盐浓度随浓缩倍数增长而增加外，其他的盐类如氯化物、硫酸盐等的浓度也会增加。当Cl-和SO2-4离子浓度增高时，会加速碳钢的腐蚀。Cl-和SO2-4会使金属上保护膜的保护性膜的保护能降低，尤其是Cl-的离子半径小，穿透性强，容易穿过膜层，置换氧原子形成氯化物，加速阳极过程的进行，使腐蚀加速，所以氯离子是引起点蚀的原因之一。
对于不锈钢制造的换热器，Cl-是引起应力腐蚀的主要原因，因此冷却水中Cl-离子的含量过高，常使设备上应力集中的部分，如换热器花板上胀管的边缘迅速受到腐蚀破坏。循环冷却水系统中如有不锈钢制的换热器时，一般要求Cl-的含量不超过300mg/L。
对于碳钢而言，S2-、油污、酸、碱的腐蚀是剧烈的，尤其是S2-引发的一系列生化腐蚀极易造成管道的大面点蚀穿孔，其对金属的腐蚀能力远大于Cl-、SO2-4等离子。
1.2.5微生物引起的腐蚀
微生物的滋生也会使金属发生腐蚀。这是由于微生物排出的粘液与无机垢和泥砂杂物等形成的沉积物附着在金属表面，形成氧的浓差电池，促使金属腐蚀。此外，在金属表面和沉积物之间缺乏氧，因此一些厌氧菌（主要是硫酸盐还原菌）得以繁殖，当温度为25～30℃时，繁殖更快。它分解水中的硫酸盐，产生H2S，引起碳钢腐蚀，其反应如下：
SO2-4 8H 8e=S2- 4 H2O 能量（细菌生存所需）
Fe2 S2 -=FeS
铁细菌是钢铁锈瘤产生的主要原因，它能使Fe2 氧化为Fe3 ，释放的能量供细菌生存需要。
细菌
Fe2 = Fe3 能量（细菌生存所需）
1.2.6微生物的滋生和粘泥
冷却水中的微生物一般是指细菌和藻类。在新鲜水中，一般来说细菌和藻类都较少。但
在循环水中，由于养分的浓缩，水温的升高和日光照射，给细菌和藻类创造了迅速繁殖的条件。大量细菌分泌出的粘液像粘合剂一样，能使水中飘浮的灰尘杂质和化学沉淀等粘泥附在一起，形成粘糊糊的沉积物粘附在换热器的发热表面上，有人称之为生物粘呢，也有人把它叫做软垢。
粘泥积附在换热器管壁上，除了会引起腐蚀外，还会使冷却水的流量减少，从而降低换热器的冷却效率；严重时，这些生物粘泥会将管子堵死，迫使停产清洗。
2、敞开式循环冷却水处理的重要性及优点
如前所述，冷却水长期循环使用后，必然会带来沉积物附着、金属腐蚀和微生物滋生这三个问题，而循环冷却水处理就是通过水质处理的办法解决这些问题。这样做法的好处如下：
①稳定生产 没有沉积物附着、腐蚀穿孔和粘泥堵塞等危害，冷却水系统中的换热器就可以始终在良好的环境中工作。循环冷却系统由于能够有效地控制污垢的沉积和生长，保证了传热效率，污垢热阻值一般定为万分之三以下。良好的传热效率为延长生产周期创造了条件。国内外有很多管理水平较高的工厂可连续生产400天左右。
②节药水资源 一般合理利用的循环水可节药96%以上的用水量，循环水装置的投资6～12个月就可以得到回收。例如在日产千吨合成氨的工厂中，每小时直流冷却水的用量是22000米3。如果用循环冷却水，其补充水量一般只需550~880米3/时。因此，循环冷却系统节约了96~97.5%的用水量。
③减少环境污染 直流冷却水系统直接从水源抽取冷水用于冷却，然后又将温度升高了的热水再排放到水源中去。将废热带到水源中形成热污染，用循环水可减95%以上的热污染。
④节约钢材 提高经济效益；处理效果良好的化工企业冷却器一般使用寿命可达4～6年，远高于2～3年的一次水冷却器使用期限。
⑤减少设备的体积：热交换器的污垢热阻值若按千分之三设计时，其传热面积将比污垢热阻值，按万分之三设计时大数倍。因此采用循环冷却水系统可使热交换器体积缩小。这也就是为什么日产千吨的新氨厂比日产三百三十吨的老氨厂产量提高了三倍，而占地面积却减少了十倍的原因之一。热交换器体积减小还节约大量的钢材。
⑥循环冷却系统中投加缓蚀剂可以有效地控制腐蚀，降低了对热交换器的材质要求。
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