冷却循环水系统水质问题初探

第10卷第6期制冷与空调2010年12月REFRIGERATION AND AIR - CONDITIONING26- 28冷却循环水系统水质问题初探刘明谦李欣(深圳市建筑设计研究总院有限公司)摘要分析影响中央空调冷却循环水系统水质的几个因素,探讨冷却水系统水质恶化对冷水机组制冷性能的影响程度及水质控制要点。关键词中央空调;冷 却水系统;水质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中央空调循环水分为冷却循环水和冷冻循环LI ,则随着水分的蒸发,每小时将有1. 6 kg的盐水,是中央空调系统的重要组成部分。循环水处分析出。以深圳市为例,每个供冷季按中央空调理的效果直接影响中央空调主机的制冷效果、冷系统运行210天、每天平均10 h计,则一个空调季却塔的工作及管网和末端设备的正常使用。(即一个清洗周期)就会有3. 36 t的盐分析出。如.1冷却水系统水质影响因素分析果冷却塔的平均负荷率取60%,则盐分增量为影响冷却循环水系统水质的主要因素包括:2. 02 t/a.这些盐分一部分经平时 排污排走,一部1)冷却塔内部水分蒸发导致冷却循环水系统分沉积在冷却塔填料表面、冷却水管道的管壁,剩中盐分浓缩、析出和沉积;余的悬浮或溶于水中，导致冷却循环水系统的浊2)气-水热质交换过程中空气中的污染物对度和浓度增加,最终形成待沉积物的。水质的影响;为了论述水分蒸发问题,引人2个概念:系统3)冷却塔内部微生物的滋生。循环量W和系统水容量V。系统循环量W是指1.1水分蒸发单位时间内系统的循环总量,是动态的可变量,- -般冷却塔是冷却循环水系统的散热设备,主要通认为是单位时间内水泵的实际总流量。系统水容量过水与空气充分接触而蒸发来达到散热的目的。水V是指系统的总容积,包括系统管道、冷凝器.冷却在冷却塔中蒸发散热的同时也造成循环水盐分浓度塔等的容积,是静态的定值，通常空调系统-经施工的增大。当盐分浓度超过其在水溶液中的饱和浓度完成,其容积即已确定。系统水容量V可根据实际时,盐分就会析出形成悬浮物。若此悬浮物不能及系统计算得出,亦可用下式大致推算得出:时排出,就会沉积在管壁处,形成水垢。v=_WI. _ +V.(1)由热平衡原理不难推算,冷却水若获得5C3600U的温差,那么冷却塔蒸发量约为循环量的0.8%左式中:V 为系统水容量(m');W为系统循环量右。假定某中央空调系统中冷却水循环总量为(m' /h);L为系统总长度(m);v为水的平均流速1 000 t/h,蒸发量为8 t/h,原水硬度为200 mg/ (m中国煤化工)。MYHCNMHG收稿日期.2010301通信作者:刘明谦，Email:898601953@qq com第6期刘明谦等:冷却循环水系统水质问题初探由式(1)可知，假设-一个冷却水循环系统管道仍以循环量为1 000 t/h的冷却水系统为例，总长度为150 m,冷却水的平均流速为1.8 m/s,假设该系统配置4台额定循环量为300 t/h的标系统循环量为2000 m' /h,冷却塔的水容积为20准冷却塔,风机总风量为8X103 m/h,那么每小时由大气进入系统中的TSP总量为160g,-个空m'时,则该系统的冷却水水容积为调季总的增量约为336 kg,导致水的浊度不断上V= 2000x150 + 20≈66 3 m' .V= 3 600X1.8升。O,SO2和NO,等有害污染物会不断增加系那么，该冷却水系统的系统水容积相当于系统中的溶解氧、亚硫酸和亚硝酸的浓度,使水的氧统循环量的3.3%,由此可见W>V.化能力、酸性和电导率不断上升,从而不断加速金冷却塔每小时的水分蒸发量占系统水容积的百属管道的腐蚀。分比为:V/V=0.8%/3. 3% x 100% =24.24%,即:可见,气-水热质交换时,大气对水质的危害有如果不补水，那么整个系统的水将在4个多小时后2种形式:管道腐蚀加剧和水系统的独度上升。完全蒸发。换言之,每小时蒸发掉近1/4的水,如果1.3微生物的滋生仅补充蒸发量而不排污.那么在4 h之后,水系统的空调冷却水的运行温度-般为32~37 C,在盐分浓度就会升高-倍，即浓缩倍数为2。当盐分此温度和富氧条件下，微生物极易大量繁殖。在浓度达到相应温度下的饱和依度时,开始出现结垢冷却塔中,由于阳光的照射,藻类在光合作用下大现象。因为CaCO,及MgCO3的溶解度随水温的升量繁殖,生命活动旺盛，藻类附着于塔壁、管壁形高而下降,所以结垢会在温度较高的物体表面发生，成生物黏泥，与水垢、大气尘埃结合形成“复合这种垢因硬度大而称为“硬垢”。垢”。这种垢的产生会增大热交换器的传热热阻，1.2气水热质交换对水质的影响严重时会堵塞管道，特别是冷水机组的冷凝器的大量的空气进入冷却塔与冷却水进行热质交管束,而对于水源热泵系统的影响尤为严重。由换时,冷却塔像“吸尘器”-样将大气中的污染物于冷却塔的水分微粒的飘散半径可达到数公里之照单全收。大气污染物按其存在状态可分为2类:遥,使得塔中微生物跟随水分到处传播,严重时还气溶胶状态污染物和气体状态污染物门。会造成疾病传播如军团杆菌等。1)气溶胶状态污染物2水质恶化对制冷 系统的影响气溶胶状态污染物主要成分有:粉尘(dust)、盐分、灰尘、菌藻.化合物、溶解氧等对循环系烟(fume)、氧化铅烟、飞灰(fly ash)、黑烟统的危害主要表现为在管璧形成附着物和对管壁(smoke)、雾(fog)等。这些污染物统称为颗粒物，的腐蚀2个方面。管壁积垢会使管道有效面积减根据粉尘颗粒的大小，又分为总悬浮颗粒物(total小,内壁绝对粗糙度增加，管道阻力加大，从而使suspended particles,简称TSP ,指悬浮在空气中空系统阻力增加。在同等流量下,会加大水泵扬程，气动力学当量直径不大于100 pm的颗粒物)和可而在水泵已选定的情况下,阻力的增加会导致流吸入颗粒物(简称PM,o ,指悬浮在空气中空气动力量减少。而在热交换器管束内壁等处附着,形成学当量直径不大于10 μm的颗粒物)。复合垢后的危害会更大。它会增大热交换器的压2)气体状态污染物力损失,减少水流量，影响散热效率，更重要的危以分子状态存在的污染物简称气态污染物。害是加大了金属换热器的传热热阻，直接影响其主要分为5类:以二氧化硫为主的硫化物.以氧化换热效率和制冷机组的制冷效率。污垢层厚度的氮和二氧化氮为主的氮氧化物、碳氧化合物、有机增加表现为污垢系数的增大，两者对应关系见化合物及卤索化合物。以南方某城市为例，该城市大气污染物含量表2。表2污垢层厚度与污垢系数的对照表参见表1.污垢系数/n02 006. 0172 0.258 0.344表1南方某城市大气污染物含量mg/m'(m2.中国煤化工式045 060監测项日99年监测值HCNMHGTSP0. 200朽垢系数增大会导敛机组利冷效率降低,污0.060_NO,0.041 _垢系数对冷水机组性能的影响如图1所示。●28.制冷与空调第10卷110g 48.9稳定水质的;而只进行化学加药处理,不设置定量排污机制,水质会迅速变差。通过前面的分析可f 105知,水体变浓的速度要比想象的快很多,有可能在w很短的时间内就达到了结垢的浓度。文100冷却循环水水质控制的核心是不间断地排出每95。40.6系统中析出的盐分和悬浮物，使系统内的盐分和悬浮物的总量达到收支平衡,其浓度才有可能被_ 37.89,0.0440.0860.13 0.18控制在一定的范围内。污垢系数/(m2. C/kW)悬浮物的排出易于实现,采用一般的旁流过图1污垢系数对冷 水机组性能的影响1滤装置即可间。而其中的盐分(主要是CaCO3及.目前，由于我国中央空调运行管理普遍缺乏MgCO3等)的排出却难以实现，在水资源较丰富水处理意识，因而我国中央空调循环水的运行环的地域可采用定量的连续排污方法。排污量根据境远比美国的要差。据调查,我国的空调冷却水当地原水的盐分含量(硬度)和盐分在冷凝温度下系统运行1个月即开始结垢,问题严重的-一个空调的饱和溶解度来确定-一个安全的浓缩倍数,再推季冷凝器内的垢层厚度可达1.0 mm以上,效率损算合适的排污量,从而使系统循环水的浓度保持失很大。只不过一- 般设计院对制冷主机的设计余在一定范围内,以实现不结垢运行。量很大,所以这个问题在实际运行时不一定会暴设当地原水的硬度为x,冷凝温度下的溶解度露出来。图1只给出了污垢系数为0.18(m2●C/为S,则kW)以内的数据。通过对图1进行分析,推导出浓缩倍数N= KS/x(2)当垢层厚度较大时,污垢系数对制冷主机性能的式中:K为安全系数,取值范围为0.6~0.8。.影响情况(见表3)。排污量V.=N-(3)表3垢层厚度较大时对冷水机组性能的影响式中:V.为排污量(含水分飘逸损失的水量, m');污垢系数/0.258 0.344 0.43 0.573 0. 688V,为蒸发量(m2 );N为浓缩倍数。(m2 . C/kW)垢层厚度/mm 0.45 0.60 0.75 1. 01.2对冷却水系统进行定量的排污,才能保证一制冷量Q:/% 89.20 85.00 81.00 76. 5072. 20定的浓缩倍数,才能保持水质的稳定。浓缩倍数功耗W*/% 116.00 122.00 128.50 135.00 147.00的取值应结合当地原水的实际硬度而定:水质硬对于溴化锂吸收式制冷机组而言,污垢系数度越高的地区,浓缩倍数的取值应越低;反之,则对其制冷效率的影响尤为严重(见表4)。可以取高一些。表4污垢系数对溴化锂吸收式冷水机组性能的影响对于原水硬度较高、水资源较为缺乏的地区，污垢系数/(m2 . C/kW)_ 0.044 0.086 0.172 0.258 0. 344靠简单的排污来稳定水质显然既不经济又不合垢层厚度/mm0.075 0.15 0.30 0.45 0. 60理。对于这些地区,据笔者了解,目前还没有特别制冷量Q:/%-冷水侧104100 92 85 79有效的措施。不过可以尝试采取一些可以直接排冷却水侧10310090 86制热量/%103 100 94 90- 86-除其矿物质的措施。注: *此数据非实测值，可能会存在误差。水质的恶化往往会迫使物业管理部门再委托3冷却循环水水质控制专业的空调水处理公司进行化学加药处理。然目前国内的空调水系统化学处理主要有3种而,化学加药并不能一劳永逸地解决问题,须定期方式:①补充软化水以控制循环水水质;②设置电进行系统清洗,但2次清洗周期之间制冷效率仍会子水处理器,以防垢、除垢、杀菌、灭藻;③化学加降低。假设没有污垢的系统的制冷效率为100%，药方式，添加药剂(清洗剂、预膜剂、阻垢剂、缓蚀基于中国煤化工率将降至85%剂、消毒剂)以控制结垢、腐蚀和微生物繁殖。方(假定,效率曲线是一式①运行成本较高,可行性较差;而若仅设置一套条下降THCN M H! C.效率曲线对时水处理仪,没有定量的排污机制,实际上也是无法(下转第32页)制拎与空调第10卷大,非常小的压差就有可能引起饱和温度大的变响比较小,因为富油层-般位于气液分离器上部，化,进而急剧降低系统的能效。比如对于R22来.对换热管几乎没有多大影响。说,在-40 C的蒸发温度下,相当于每0.36 m的4结束语液柱高度,吸气压力会降低5kPa,相应蒸发温度在工艺冷却过程中选择合适的蒸发器是决定降低1 C以上。因此,在低温情况下一定要慎用冷却工艺好坏的关键之- - ,表1给出了不同工艺条虹吸式蒸发器。润滑油对虹吸式蒸发器的运行影件下工艺冷却用蒸发器的选择原则。表1不同工艺条件 下工艺冷却用蒸发器的选择原则换热器选择应用条件18~1 230 kW1 230~3 500 kW3500kW以上干式壳管式换热器或板式换满液壳管式或高效换负荷比较稳定的冷冻水满液壳管式或满液板换热器热管负荷比较稳定,动力黏度<6 mPa●s的介质干式壳管式换热器或满液壳管式换热器负荷比较稳定,动力黏度>6 mPa●s的介质壳管虹吸式蒸发器或干式壳满液 板换或壳管虹吸式壳管虹吸式蒸发器蒸发器分批次冷却或稳定负荷，比较脏的工艺流体满液壳管式(脏水、化学品、污水等介质)满液板换或壳管虹吸式熊满液板换或壳管虹吸式 满液 板換或壳管虹吸式分批次冷却的冷陈水或其他流体发器蒸发器.注:制冷剂为R22,RI34a,R404,R507 ,R290, R1270。参考文献[3] COOLPACK物性软件.[1] ASHRAE HANDBOOK..4] GB151-1999壳管式换热器.[2] Alfa Laval. Plate Heat Exchangers for Refrigeration5] Ash Bhadsavle, Art Stipanovic, Teresa Sauble, FESApplications. TECHNICAL REFERENCE MANU-Systems Evaporators for Process Cooling Systems.业业业业业业业**业业业业业业业业业业业业业业业业业业业*业业业业业业业业北业业业业业业(上接第28页)间的积分就是功耗增加率。效率曲线的倒数对时处理措施的核心。采用合理的水质控制方式，间的积分等于累计的功耗增加率。将对中央空调系统的高效.平稳运行起到重要设初期的垢层厚度为0,污垢系数为0,期末的作用。垢层厚度为0. 313 mm,污垢系数为0.18 m2●C/kW,与期初的功耗相比,功耗增加率为:oW* %= W本- 100%[1] CJ/T 206- -2005 城市供水水质标准W期初[2]陈耀宗,姜文源. 建筑给水排水设计手册.北京:中国= 10.589% - 100%建筑工业出版社,2005.93.72%[3]郝吉明,马广大. 大气污染控制工程.北京:高等教育= 13%出版社,2007.同等制冷量情况下,期末的功耗比期初的增加[4]香港预防退伍军人病症委 员会预防退伍军人病症13% ,年平均增加值为6. 5%。若能控制冷却水系工作守则.统不结垢,则制冷主机的节能率至少可达6.5%。[5]薛杰(SERGE SALAT).可持续发展设计指南:高环4结论境质量的建筑北京:清华大学出版社,2006.中央空调冷却循环水系统水质问题，不仅给6] ASHRAE. 2000 ASHRAE Handbook-HVAC Sys-tems and Equipment. Atlanta:ASHRAE, 200.0建筑室内外的人居环境带来不良影响,危害人体7] 曹勤.集中空调系统的水质管理.暖通空调,2005,35健康,而且影响到中央空调主机的制冷效率,导致中国煤化工系统运行过程功耗增加。冷却水处理的关键是保8]HCNMHG计规范.持系统污染物的收支平衡,建立“排出机制”是水