人類日常生活離不開水，工業生産也同樣離不開水。随着工業生産的發展，用水量越來越大，很多地區已經出現供水不足的現象，因此合理和節約用水已經成為發展工業生産中的一個重要問題。

工業用水主要包括鍋爐用水、工藝用水、清洗用水和冷卻用水、污水等。其中用水量最大的是冷卻用水，約占工業用水量的百分之九十以上。不同的工業系統和不同用途對水質的要求是不同的；但各工業部門使用的冷卻水對水質的要求基本上是一緻的，這就使得冷卻水質控制在近年來作為一門應用技術獲得了迅速的發展。在工廠中，冷卻水主要用來冷凝蒸汽，冷卻産品或設備，如果冷卻效果差，就會影響生産效率，使産品的收率和産品的質量下降，甚至于會造成生産事故。

水是比較理想的冷卻介質。因為水的存在很普遍，和其它液體相比，水的熱容或比熱較大，水的汽化潛熱（蒸發潛熱）和熔化潛熱也很高。比熱是單位質量的水溫度升高一度時所吸收的熱量。常用的單位是卡/克·度(攝氏)或英熱單位(B．T．U．)/磅·度(華氏)。用這兩個單位表示水的比熱度時，其數值是相同的。熱容大或比熱大的物質升高溫度時需要吸收大量的熱量，而本身溫度并不明顯升高，因此水具有良好的貯熱性能。潛熱是物态發生轉變時所吸收或放出的熱量。一克分子水蒸發成為一克分子蒸汽需要吸收近一萬卡的熱量，因此水蒸發時能吸收大量的熱量，從而使水溫下降，這種依靠水份蒸發帶走熱量的過程稱為蒸發散熱。

和水一樣，空氣也是一種常用的冷卻介質。水和空氣的導熱性能都很差，在0℃時，水的導熱系數是0.49千卡/米·小時·℃，空氣的導熱系數是0.021千卡/米·小時·℃，但水與空氣相比，水的導熱系數要比空氣高24倍左右。因此，當冷卻效果相同時，用水冷卻比用空氣冷卻的設備要小得多。大型工業企業和用水量大的工廠一般都采用水冷卻。常用的水冷系統可以分成三類，即直流系統、密閉系統和敞開蒸發系統，後兩種冷卻水都是循環使用的，故又稱為循環冷卻水系統。

用水來冷卻工藝介質的系統稱作冷卻水系統。冷卻水系統通常

有兩種：直流冷卻水系統和循環冷卻水系統。

• 1.1 直流冷卻水系統

在直流冷卻水系統中，冷卻水僅僅通過換熱設備一次，用過後水就被排放掉，因此，它的用水量很大，而排出水的溫升卻很小，水中各種礦物質和離子含量基本上保持不變。

• 1.2循環冷卻水系統

循環冷卻水系統又分封閉式和敞開式兩種。

• 1.2.1封閉式循環冷卻水系統

封閉式循環冷卻水系統又稱為密閉式循環冷卻水系統。在此系統中，冷卻水用過後不是馬上排放掉，而是回收再用。

• 1.2.2敞開式循環冷卻水系統

敞開蒸發系統是目前應用最廣、類型最多的一種冷卻系統。它也是以水冷卻移走工藝介質或換熱設備所散發的熱量，然後利用熱水和空氣直接接觸時将一部分熱水蒸發出去，而使大部分熱水得到冷卻後，再循環使用。因此，這樣的系統也稱敞開循環冷卻水系統。根據熱水和空氣接觸方法的不同，可以分成很多類型。敞開循環冷卻水系統的分類見表一。

冷卻水由循環泵送往系統中各換熱器，以冷卻工藝熱介質，冷卻水本身溫度升高，變成熱水，此循環水量為R的熱水被送往冷卻塔頂部，由布水管道噴淋到塔内填料上。空氣則由塔底百頁窗空隙中進入塔内，并被塔頂風扇抽吸上升，與落下的水滴和填料上的水膜相遇進行熱交換，水滴和水膜則在下降過程中逐漸變冷，當到達冷卻水池時，水溫正好下降到符合冷卻水的要求。空氣在塔内上升過程中則逐漸變熱，最後由塔頂逸出，同時帶走水蒸氣。這部分水的損失稱為蒸氣損失E。熱水由塔頂向下噴濺時，由于外界風吹和風扇抽吸的影響，循環水會有一定的飛濺損失和随空氣帶出的霧沫夾帶損失。由于這些損失掉的水，統稱為風吹損失D。為了維持循環水中的一定的離子濃度，必須不斷向系統中加入補充水量M和系統外面排出一定的污水。這部分水量稱為排污損失B。

冷卻塔的種類很多，按照塔的構造和空氣流動情況來區分，有自然通風冷卻塔和機械通風冷卻塔兩大類。按照空氣與水在塔内的相對流動情況，又可分為逆流式和橫流式。有關各種類型冷卻塔的結構和特點，可參閱有關的參考文獻。機械通風冷卻塔冷卻效果最好。設計中應綜合考慮循環比,其應在3～5倍為宜。

循環冷卻水的濃縮倍數是該循環冷卻水的含鹽量與其補充水的含鹽量之比。

提高循環冷卻水的濃縮倍數，可以降低補充水的用量，從而節約水資源；還可以降低排污水量，從而減少對環境的污染和廢水的處理量。此外，提高濃縮倍數還可以節約水處理劑的消耗量，從而降低冷卻水處裡的成本。但是，過多地提高濃縮倍數，會使循環冷卻水中的硬度，堿度和濁度升得太高，水的結垢傾向增大很多，從而使結垢控制的難度變得太大；還會使循環冷卻水中的腐蝕性離子（例如Cl-和SO42-）和腐蝕性物質（例如H2S、SO2和NH3）的含量增加，水的腐蝕性增強，從而使腐蝕控制的難度增加；過多地提高濃縮倍數還會使藥劑（例如聚磷酸鹽）在冷卻水系統内的停留時間增長而水解。因此，冷卻水的濃縮倍數并不是愈高愈好，一般熱電系統可控制5～8倍，化工、煉油2～4倍。

• 2.1.1節水量與濃縮倍數的關系

現在從節約水資源的角度看一下補充水量M占循環水量R的百分比M/R與濃縮倍數K的關系，以及每提高一個濃縮倍數單位時節約的補充水百分比（以占循環水量的百分比表示）

蒸發損失水量E=R·CP· t/r=10000×4.187×(42-32)/2401=174.4(m3/h)

風吹損失水量（按0.05%R計）D=10000×0.05%=5.0(m3/h)

總排污水量 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)

補充水量 M=E Br=174.4 174.4=348.8(m3/h)

式中 CP——水的熱容量（比熱）·kJ/(kg·℃);

t——水的進口溫度與出口溫度之差，℃；

r——水的蒸發潛熱，kJ/kg ；

K——水的濃縮倍數。

減少，因此，提高冷卻水的濃縮倍數，可以節約水資源；

但是，每提高一個濃縮倍數單位（ K=1）所降低的補充水量的百分比 M/R / K則随濃縮倍數的增加而降低。例如：

當濃縮倍數K由1.0提高到2.0時，補充水量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%

當濃縮倍數K由3.0提高到4.0時，則有：

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在低濃縮倍數時，提高濃倍數的節水效果比較明顯；但當濃縮倍數提高到4.0以上

時，再進一步提高濃縮倍數的節水效果就不太明顯了。例如把上述循環冷卻水的濃縮倍數由4.0提高到5.0時，節約的水量僅占循環水量的0.14%。因此，一般循環冷卻水系統的濃縮倍數通常被控制在2.0~4.0左右。

②與直流冷卻水相比，即使循環水的濃縮倍數比較低，例如僅為1.5倍，但此時補充

水即可節約94.8%（100%—5.2%）。由此可見，從節約水資源的角度來看，把直流冷卻水改造為濃縮倍數不太高的冷卻水，就可以節約大量的淡水資源。因此，直流冷卻水系統的改造與不改造（為循環冷卻水系統）是大不一樣的。

敞開式循環冷卻水的濃縮倍數可以通過調節排污水量或補充水量來控制。

• 2.2 補充水量M（m3/h）

水在循環過程中，除因蒸發損失和維持一定的濃縮倍數而排掉一定的污水外，還由于空氣流由塔頂逸出時，帶走部分水滴，以及管道滲漏而失去部分水，因此補充水是下列各項損失之和。

• 2.2.1蒸發損失E（m3/h）冷卻塔中，循環冷卻水因蒸發而損失的水量E與氣候和冷卻幅度有關，通常以蒸發損失率a來表示。進入冷卻塔的水量愈大，E也就愈多，以式表示如下：E=a(R－B)，a=e(t1－t2)

式中 a —蒸發損失率，%；

R —系統中循環水量，m3/h；

B —系統中排污水量，m3/h；

t1、t2—循環冷卻水進、出冷卻塔的溫度，℃；

e—損失系數，與季節有關，夏季（25～30℃）時為0.15～0.16；冬季（-15～10℃）時為0.06～0.08;春秋季（0～10℃）時為0.10～0.12。

• 2.2.2風吹損失（包括飛濺和霧沫夾帶）D（m3/h）風吹損失除與當地的風速有關外，還與

冷卻塔的型式和結構有關。一般自然通風冷卻塔比機械通風冷卻塔的風吹損失要大些。若塔中裝有良好的收水器，其風吹損失比不裝收水器的要小些。風吹損失通常以占循環水量R的百分率來估計，其值約為

D=（0.2%～0.5%）R m3/h

• 2.2.3排污水損失 B（m3/h）B的大小，由需要控制的濃縮倍數和冷卻塔的蒸發量來确定，其計算下面再讨論。

• 2.2.4滲漏損失 F （m3/h）良好的循環冷卻水系統，管道連接處，泵的進、出口和水池等地方都不應該有滲漏。但因管理不善，安裝不好，則滲漏就不可避免。因此在考慮補充水量時，應視系統具體情況而定。故補充水量M=E D B F

排污水量B的确定與冷卻塔的蒸發損失E和濃縮倍數K有關。可以通過下列物料衡算的辦法，找出B和E與K的關系式。

設循環冷卻水系統中，除了有補充水加入和排污、蒸發、風吹、滲漏等損失外，再沒有其他的水流或溶質加入或排出系統，那麼整個系統在循環濃縮過程中，就可以對循環水中某些不受加熱、沉澱等幹擾的溶質（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 —補充水中某種溶質的濃度；

CE —水蒸氣中某種溶質的濃度；

CR —循環冷卻水中某種溶質的濃度；

當系統中管道聯接緊密，不發生滲漏時，則F=0；當冷卻塔收水器效果較好時，風吹損失D很小，如略去不計，則上式可簡化為EB=／K－1

因此循環冷卻水系統運行時，隻要知道了系統中循環水量R和濃縮倍數K，就可以估算出蒸發量E，排污水量B以及補充水量M等操作參數。控制好這些參數，循環冷卻水系統的運行也就能正常進行。

冷卻水在循環系統中不斷循環使用，由于水的溫度升高，水流速度的變化，水的蒸發，各種無機離子和有機物質的濃縮，冷卻塔和冷卻水池在室外受到陽光照射、風吹雨淋、灰塵雜物的進入，以及設備結構和材料等多種因素的綜合作用，會産生比直流系統更為嚴重的沉積物的附着、設備腐蝕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問題。

• 1.1循環冷卻水使用後的弊主要表現在以下五個方面：

①對于涼水塔周邊污染物的吸收及累積；

②細菌及生物粘泥大量産生；

③金屬腐蝕性急劇上升；

④洩露介質污染水系統進而造成全部冷卻器管網的結垢或腐蝕；

⑤污染物不易消減。

• 1.2敞開式循環冷卻水系統産生的問題

• 1.2.1沉積物的析出和附着

一般天然水中都溶解有重碳酸鹽，這種鹽是冷卻水發生水垢附着的主要成分。

在循環冷卻水系統中，重碳酸鹽的濃度随着蒸發濃縮而增加，當其濃度達到過飽和狀态時，或者在經過換熱器傳熱表面使水溫升高時，會發生下列反應：

Ca(HCO3)2 = CaCO3 CO2 H2O

CaCO3沉積在換熱器傳熱表面，形成緻密的碳酸鈣水垢，它的導熱性能很差。不同的水垢其導熱系數不同，但一般不超過1.16W/（m·K），而鋼材的導熱系數為45 W/（m·K）。

• 1.2.2設備腐蝕

循環冷卻水系統中，大量的設備是金屬制造的換熱器。對于碳鋼制成的換熱器，長期使

用循環冷卻水，會發生腐蝕穿孔，其腐蝕的原因是多種因素造成的。

• 1.2.3冷卻水中溶解氧引起的電化學腐蝕

敞開式循環冷卻水系統中，水與空氣能充分地接觸，因此水中溶解的O2可達飽和狀态。當碳鋼與溶有O2的冷卻水接觸時，由于金屬表面的不均一性和冷卻水的導電性，在碳鋼表面會形成許多腐蝕微電池，微電池的陽極區和陰極區分别發生下列的氧化反應和還原反應：

在陽極區 Fe=Fe2 2e

在陰極區 1/2 O2 H2O 2e =2OH-

在水中 Fe2 2OH- = Fe（OH）2

Fe（OH）2 = Fe（OH）3

這些反應，促使微電池中的陽極區的金屬不斷溶解而被腐蝕。

• 1.2.4有害離子引起的腐蝕

循環冷卻水在濃縮過程中，除重碳酸鹽濃度随濃縮倍數增長而增加外，其他的鹽類如氯化物、硫酸鹽等的濃度也會增加。當Cl-和SO2-4離子濃度增高時，會加速碳鋼的腐蝕。Cl-和SO2-4會使金屬上保護膜的保護性膜的保護能降低，尤其是Cl-的離子半徑小，穿透性強，容易穿過膜層，置換氧原子形成氯化物，加速陽極過程的進行，使腐蝕加速，所以氯離子是引起點蝕的原因之一。

對于不鏽鋼制造的換熱器，Cl-是引起應力腐蝕的主要原因，因此冷卻水中Cl-離子的含量過高，常使設備上應力集中的部分，如換熱器花闆上脹管的邊緣迅速受到腐蝕破壞。循環冷卻水系統中如有不鏽鋼制的換熱器時，一般要求Cl-的含量不超過300mg/L。

對于碳鋼而言，S2-、油污、酸、堿的腐蝕是劇烈的，尤其是S2-引發的一系列生化腐蝕極易造成管道的大面點蝕穿孔，其對金屬的腐蝕能力遠大于Cl-、SO2-4等離子。

• 1.2.5微生物引起的腐蝕

微生物的滋生也會使金屬發生腐蝕。這是由于微生物排出的粘液與無機垢和泥砂雜物等形成的沉積物附着在金屬表面，形成氧的濃差電池，促使金屬腐蝕。此外，在金屬表面和沉積物之間缺乏氧，因此一些厭氧菌（主要是硫酸鹽還原菌）得以繁殖，當溫度為25～30℃時，繁殖更快。它分解水中的硫酸鹽，産生H2S，引起碳鋼腐蝕，其反應如下：

SO2-4 8H 8e=S2- 4 H2O 能量（細菌生存所需）

Fe2 S2 -=FeS

鐵細菌是鋼鐵鏽瘤産生的主要原因，它能使Fe2 氧化為Fe3 ，釋放的能量供細菌生存需要。

細菌 Fe2 =Fe3 能量（細菌生存所需）

• 1.2.6微生物的滋生和粘泥

冷卻水中的微生物一般是指細菌和藻類。在新鮮水中，一般來說細菌和藻類都較少。但

在循環水中，由于養分的濃縮，水溫的升高和日光照射，給細菌和藻類創造了迅速繁殖的條件。大量細菌分泌出的粘液像粘合劑一樣，能使水中飄浮的灰塵雜質和化學沉澱等粘泥附在一起，形成粘糊糊的沉積物粘附在換熱器的發熱表面上，有人稱之為生物粘呢，也有人把它叫做軟垢。

粘泥積附在換熱器管壁上，除了會引起腐蝕外，還會使冷卻水的流量減少，從而降低換熱器的冷卻效率；嚴重時，這些生物粘泥會将管子堵死，迫使停産清洗。

如前所述，冷卻水長期循環使用後，必然會帶來沉積物附着、金屬腐蝕和微生物滋生這三個問題，而循環冷卻水處理就是通過水質處理的辦法解決這些問題。這樣做法的好處如下：

①穩定生産 沒有沉積物附着、腐蝕穿孔和粘泥堵塞等危害，冷卻水系統中的換熱器就可以始終在良好的環境中工作。循環冷卻系統由于能夠有效地控制污垢的沉積和生長，保證了傳熱效率，污垢熱阻值一般定為萬分之三以下。良好的傳熱效率為延長生産周期創造了條件。國内外有很多管理水平較高的工廠可連續生産400天左右。

②節藥水資源 一般合理利用的循環水可節藥96%以上的用水量，循環水裝置的投資6～12個月就可以得到回收。例如在日産千噸合成氨的工廠中，每小時直流冷卻水的用量是22000米3。如果用循環冷卻水，其補充水量一般隻需550~880米3/時。因此，循環冷卻系統節約了96~97.5%的用水量。

③減少環境污染 直流冷卻水系統直接從水源抽取冷水用于冷卻，然後又将溫度升高了

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