臭氧处理循环冷却水系统及其节能分析

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.58MB 73 页 15积分
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目 录
中文摘要
ABSTRACT
目 录
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
摘要：

目录中文摘要ABSTRACT目录第一章绪论.....................................................................................................................1§1.1研究背景及意义................................................................................................1§1.1.1冷却水系统.............................................

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