第 15章 水的冷却与水质稳
定
?湿空气的性质
?水冷却的基本原理
?冷却塔的工艺与设计
?循环冷却水水质稳定
15.1湿空气的性质
15.1.1 湿空气的热力学参数
1.湿空气的压力
P=Pg+Pq
P=RT× 10-3
Pg=gRg× 10-3
Pq= gRqT× 10-3
Pg,Pq—— 干空气和水蒸汽在其本身分压下的密
度,Kg/m3。
Rg—— 干空气的气体常数,Rg=287.145J/
（ Kg·K ）。
Rq—— 水蒸气的气体常数,Rq=461.53J/Kg·K
2,饱和水蒸气分压力
当空气在一定温度下，吸湿能力达到最
大时，空气中的水蒸气处于饱和状态。水
蒸气的分压称为饱和水蒸汽压（ Pq＂ ）。
湿空气的饱和水蒸气分压只与温度有关，
与大气压力无关。
0<Pq<Pq＂,
)T16.273(0024808.0T 15.373lg2.815.373 10T10142305.30141966.0Pqlg 33 ????????????????? ???
3．绝对湿度
绝对湿度 —— 每 M3湿空气中所含水蒸汽
的质量称为空气的绝对温度。其数值等于
水蒸汽在分压 Pq和湿空气温度 T时的密
度。 (ρq)
)m/kg(10
T6.4 6 1
"P
10
TR
P 33q3
q
q
q ????
)m/kg(10
T53.461
"P
10
TR
"P
" 33q3
q
q
q ????饱和空气
4．相对湿度：
Φ=ρq/ρq＂ = Pq/ Pq＂
Pq= ρPq＂ Pq＝Ｐ－ ρPq＂
?
?
?
? ??????
P
)-(,0 0 0 6 6 20P
5．含湿量：
在含有一 kg干空气的湿空气混合气体中，其所含水蒸汽的质量 x
（ kg）称为湿空气含湿量,也称为比湿，单位为 kg/kg(干空气 )
?
?
?
??
?????
???
Pq-P
Pq622.0
PqP
Pq622.0
Pg53.461
Pg14.287
R q P g
R g P q
g
q
）（饱和含湿量 1Pq-P Pq62 2.0 ???? ???
?
??
?
??
?
??
?
??
??
?
?
?
??
?
?
?
?
?
0,6 2 2
0,6 2 2
,
PqP
Pq
6 22.0
PgP
Pg
6 22.0
g
g
可得
饱和空气说明, ????
的水蒸汽增加则每项公斤干空气可以 ?????? ? "
。，，" 空气越干燥吸湿能力增大增大???
6．湿空气的密度 ρ
)m/kg(
T
Pq
316.1
T
P
483.3
R g T
10Pq
R g T
10)qP(
R q T
10Pq
TR
10P
3
33
q
3
g
3
g
qg
??
?
?
??
?
?
?
?
??????
湿空气的密度随大气压力的降低和温度的升高而减
小。
7．湿空气的比热（ Csh）
使总质量为（１＋ x） kg的湿空气（包括１ kg干空气
和 xkg水蒸汽）温度升高１ ℃ 所需的热量，称为湿空气的比
热，用 Csh表示。
Csh＝Ｃ g+Cq x
Csh=1.00+1.84x
Csh一般采用１,０５ KJ/(kg·℃ )
8,湿空气的焓（ i）
湿空气的焓等于１ Kg干空气和含湿量 x公斤水蒸汽的含湿量之和。
i＝ ig＋ xig
以０ ℃ 的水的热量为零：
水蒸汽的焓以两部分组成：
a,汽化热 r0 =2500kJ ／ kg
b.1kg干空气由０ ℃ 升至 θ℃ 所需的热量：
)Kg/KJ(005.1ci,kg1 gg ????干空气的焓
)Kg/KJ( 8 42.1ci gg ????
)Kg/KJ(xC
x2500)x842.1005.1(x)842.12500(005.1xiii
0sb
gg
???
???????????
与温度有关显热, )x8 4 2.10 0 5.1( ??
与温度有关潜热, x2500
15.1.2 湿空气的焓湿图：
15.1.3 湿球温度（）和水的冷却理论极限：
干湿球温度是空气的主要热力学参数，干球温度为一
般温度计测得的气温。
测定湿球温度时：１）纱布必须完全包住水银球
２）风速３ — ５ m/s 以上。
湿球温度代表在当地气温条件下，水可能被冷却的最低
温度，也即冷却构筑物出水温度的理论极限值。
水
15.2水冷却的基本原理
15.2.1 水的冷却原理
水的冷却过程是通过蒸发传热和接触传热实现的，水温的变化则
是两者作用的结果。
(3)
(4)
(2)
(1)
P q,θ,
P q ",t f,
t
H α t f > θ
t f = θ
H β
H β
H= H β H=H α + H β
t f = τ < θ
t f < θ
H β
H β
H=H β - H α
H=0
15,2,2 接触传热量和蒸发传热量
dF)xx(dQ
dF)PP(dQ
dF)t(dH
"
xu
q
"
qpu
f
???
???
?????
。,。,xp 系数以含湿量为基准为传质系数以分压差为基准的传质 ??
含湿量差分压差 x),-(x,PP q"q ??
P
0,6 2 2
P
P
6 2 2.0
P
g
g
??
??
??
??
?
?
2121 XXXXX ????? ??
水面饱和气层含湿量进塔水温 11 t——X ?
水面饱和气层含湿量出塔水温 22 t——X ?
X1—— 进塔空气含湿量
X2—— 出塔空气含湿量
? 在冷却塔中，淋水填料邻接触表面积 F的总传热量 H为
dF)x"x(dF)t(dHdHdH
)(dF)x"x(dF)Pq"Pq(dQdH
x0f
x0p0u0
??????????
???????????
??
?,水的汽化热
的空气含湿量。温度为
湿量。相对应的饱和空气的含与水温
含湿量的平均值。
温度差的平均值。塔内水面温度与空气
??
?
??
???
????????????????? ???
x
tx"
)x"x(
)t(
F)x"x(F)t(dF)x"x(dF)t(dHH
f
m
f
mx0mf
F
0
x0
F
0
f
H
0
dV)x"x(dV)t(dHdHdH
V)x"x(V)Pq"Pq(
V)t(H
V
F
,
V
F
,
V
F
F)x"x(
V
F
)Pq"Pq(
V
F
F)Pq"Pq(Q
V)t(
V
F
F)t(H
xv0mfv
mxvmxvu
mfv
p
pv
x
xvv
m
xp
mpy
fmf
???????????
???????
?????
?
??
?
??
?
??
?
?
??
?
????
??
?
?????
??
?
?
令
15.3冷却塔的工艺与设计
理论公式计算法目前国内外常用的有两种：
1,三变量分析法（ t,θ,Pq）
① 热水有接触散热传给空气的热量 dHa将使空气干球温度 θ升高。
② 空气通过 dz段所增加的含湿量等于该段内水的蒸发量 dQu,会
引起空气中水蒸气分压 Pq的增大。
③ dz段中，水放出了热量必然引起水温 t的下降。
水蒸气分压—空气干球温度—水温 Pq —t ?
)t(dVd, ?????接触传热
)PqPq(bdVd P q " ??蒸发量
)PqPq(B)t(AdVdt " ?????平衡水气热量
2．两变量分析法（ t,i）
Merkel焓差方程为基础，麦克尔于 1925年引用, 焓, 的概念。
建立了麦克尔焓差方程：
从而只需分析水温 t与 i,i代替 θ,P
15,3,1 麦克尔焓差方程
表示了热量交换和质量交换之间的速度关系。
dv)ii(dH "xv ???
刘易斯关系式 ))C.Kg/(KJ(05.1C 0sh
vx
v
x
???????
xCi C 0sb ?????? 湿空气的焓
空气水面饱和层 ）x,（t "f
? ?
)h/kJ(dv)i"i(
dv)xC)("xtC(
dv)x"x()t(
dv)x"x(dV)t(
dHdHdH
"xtC"i
xv
0sh0fshxv
0f
xv
v
xv
xv0fv
0fsh
???
???????
?
?
?
?
?
?
?????
?
?
??
????????
??
???
??
1、
2、
。之差，为冷却之推动力差
与塔内该点空气焓所对应的饱和焓为水平温度
i
itii "f" ?
推动下散发的热量。积淋水填料在单位焓差反映了单位时间单位容xv?
z
z
排出空气G进水Q
θ 2, Ф 2,X 2,ρ 2
θ 1,Ф 1,X 1,ρ 1
t
xθ
x+dxθ -d θt
Q z -dQ u
t-dt
出水Q-Qu 进入空气G
dz
Q z
空气所到的热量：
uwzw
uzwzw3
t dQCdtQC
)]dtt)(dQQ(C[tQCdH,dz
??
????水散失的热量对
dtdQC uw略去
G di
t dQC
1
dtQC
G di
dtQC)
G di
t dQC
1(G di
dtQCt dQCG di
t dQCdtQCG di:dHdH
G didH
uw
zw
zw
uw
zwuw
uwzwsk
k
?
??
???
???
???
??
①
K为考虑蒸发水量传热的流量系数。
k
dtQCGd i
Gd i
t d QC-1k zwuw ???设
20)-0,5 6 ( t-586
t-1k,
2
2?经验公式
m
uzw
um
uzw
s
uzw
ums
s
uzw
suzw
su
s
u
uwzw
uw
QtC
1
Q
QtC
1
H
QtC
1k
QHHHH
H
QtC
1k
dH)k1(QtC
dH)k1(dH
dH
dH
1
t dQCdtQC
t dQC
1kk
?
?
?
?????
?????
???
??
??
??
?
??
???
夏季：
积分得：
值，得将①代入
此即为逆流式冷却塔热力学计算基本方程。
散热性能以及气、水流量有关，称为冷却塔的特性数。
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
???
?
1
2
1
2
t
t
"
wxv
t
t
"
w
v
0
xv
"
wxv
w"
xv
k
ii
dt
k
C
Q
V
ii
dt
k
C
Q
dv
)ii(k
dtC
Q
dv
k
Q dtC
dv)ii(
,dHdH,引入麦克尔焓差方程得
、
，，N
Q
txv
构造几何尺寸水填料的特性
与淋的冷却能力反映了冷却塔本身具有特性数
、
????
。，，ii dtkCN 1
2
t
t "
w 无关而与冷却的构造和形式数有关与外部气象条件空气参为冷却数? ??
15,3,2 对热力学基本方程的讨论
βxv：单位容积淋水填料在单位焓差的推动力的作
用下，所能散发的热量。
量之差热量与其外界空气含热指水面饱和空气层的含 i,i " ?
。，V，ii " ???? 冷却塔淋水填料体积）冷却推动力（
Vi
tQ
k
C
i
t
k
C
Q
V
m
w
xv
m
wxv
?
?
???
?
?
??
?
15,3,3 逆流塔焓差法热力学基本方程图（ i— t图）解
1、
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
t
0.1
P大气压
水面饱和焓曲线
A
Ψ
空气操作线
空气饱和焓曲线
t( ℃ )
t 1
t 2τ
i 1
i 2 ″
i 2
i 1 ″
i( kJ /kg)
B 1
B 1 ′
B ′
A ′
2．空气操作线
起点：在 t坐标上找到当地湿球温度值，作垂线交饱
和焓曲线于 B′点,B′点的纵坐标为 i1，即为进入塔中
空气的焓值。
)1C(tg
k
C
dt
di
G
Q
k
1
dtC
di
k
Q d tC
G d i
w
w
w
w
???
?
?
??
?
?
?
??
?
?
??
???
k
tC
ii
C
k
tt
ii
)tt(
k
QC
)ii(G
w
12
w
21
1
21
w
1
3．焓差的物理意义：
。 ii " 为冷却塔的推动力?
。V，，ii " 及冷却塔体积越小所需填料体积冷却数越小越大?
焓曲线斜率是先小后大
由于饱和值即缩小左移若空气操作线起点,）（t，A ??1
C 532 ??? 一般不应小于
冷却困难将使焓差缩小所以空气操作线左移
?t
。，，
愈大，冷却愈易。愈大，气水比 ii " ??
15,3,4
先根据 i— t图作出
。idtkCN 1
2
t
t
w 的求解冷却数 ?
??
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
1
i 1 -i 1
11
t( ℃ )
t 1t 2
"i"-i
i 1 -i 2
"
用 simpson积分法
时的饱和空气焓。为水温的平均值，为式中，
：℃时，可简化计算如下当
2
tt
iiii
)
ii
1
ii
1
ii
1
(
k6
C
N
15
)
i
1
i
4
i
2
i
2
i
4
i
1
(
w3
dtC
ii
dt
k
C
N
21"
m21m
2
"
1m
"
m1
"
2
tw
t
n1n2n210
w
t
t
"
w
1
2
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
???
15,3,5 冷却塔的性能：
1、
(1)
(2)
：Nxv 求定及特性数 ??
xv?
)hm/kg(qAg,
hk g / m。—q
hk g / m，g—g
tqAg), tq,g,(f
2nm
xv
2
2
p
1
nm
1xv
???
?
?
???? ?
国内外多采用
单位为淋水密度
的单位为空气流量密度
特性数—N ?
试验常数
汽水流量比
淋水填料的高度式中
时当
AZ,A
q
g
,——
m,—— Z：
A
q
g
AZN,1nm
qA Z g
q
z
qAgN
q
Z
F/Q
F/V
Q
V
N
m
m
1nmnm
xv
xvxv
?
???
??
?
?
?
?
?
?
?
?
???
???
??
?
?
?
?
?
??
??
?
2．淋水填料性能：
1）热水特性数：
A′,m或 A,m,n等参数由模型塔或生产性塔试验求得。
2）阻力特性：
3）淋水填料模型塔与工业塔的热力学性能比较。
4)
当出塔时空气的含湿量恰好达到饱和（ φ=1.0），此时
空气的流量为理论空气需氧量。
n
m
1
AVgP ???
0.185.0NN —
模型塔
工业塔 ?
?
???
的选择气水比 ?
15,3,6 冷却数（ N）与特性数（ N′）的统一。
)(fN
)(fN
???
?? N
N′
N ′
λλ D
工作点
15,3,7 横流式冷却塔基本公式的推导：
1．矩形横流塔基本公式的推导：
y
z
x
θ 2, Ф 2,X 2,ρ 2
t 1,Q
water
t 1,Q-Q u
θ 1,Ф 1,X 1,ρ 1
G
air
y+dy
x+dx,y
x+dx，x x+dy
x,y
o
单位时间水所散发的热量
单位时间空气所吸收的热量：
由于 i在 x方向有变化,i在 y方向有变化：
dx dyy tCkqzdH ws ? ????
d x d yxizgdH k ???
d x d y
yx
zgdH
d x d y
yx
t
C
k
q
zdH
i
k
2
ws
??
?
?
??
?
??
右端表示冷却塔的冷却能力，左边为冷却任务时对冷却
塔的要求。
经过变换后积分得：
由
得：对与微元
dx d y)ii(dx d y
yx
t
gdx d y
yx
tC
k
q
dHdHdH
z d x dy)ii(dH
z d x dydv)ii(dH
"
xv
22
w
ks
"
xv
"
xv
???
??
?
?
??
?
?
??
???
???
?
?
?
?
?
?
?
?
??
??
?
?
?
??
??
?
?
? ? ? ?
? ? ? ?
?
?
y
0
x
0
y
0
x
0
xv
2
y
0
x
0
y
0
x
0
xv
w
2
d x d y
q
d x d y
xy
t
ii
1
d x d y
q
k
d x d yC
xy
t
ii
1
-
横流塔热力计算基本式
2．求解：
d x dyqkd x dyCyx tii 1 H0 L0 xvw2H0 L0 " ? ?? ? ???????
? ?
4
i2ii
ii
ii
ii
ii
),(fx
iiixi
H
q
k
i
tC
N
L
i
tC
d x d yC
xy
t
ii
1
-
HL
q
k
d x d y
q
k
m21
11
21
11
21
11m
xv
m
w
H
0
L
0
m
w
w
2
H
0
L
0
xvxv
???
?
??
??
???
?
??
??
????
?
??
???
?
??
???
?????
?
?
?
?
?
?
?
??
??
?
?
?
?
?
? ?
? ?
15.4循环冷却水水质稳定
15.4.1 循环冷却水水质特点和处理要求
15,4,1,1 敞开式循环水冷却水具有
的特点
1．循环冷却水的浓缩作用
2．冷却水中 CO2的散失和 O2的增加
3,循环冷却水的水质污染
4．水温变化
项目 要求条件 允许值
浊
度
（度）
Ⅰ
1.年污垢热阻 <9.5× 10-5m2·h·0C/kJ
2.有油类粘性污染物时,年污垢热阻 <1.4× 10-
4m2·h·0C/kJ
3.腐蚀率 <0.125mm/a
<20
Ⅱ 1.年污垢热阻 <1.4× 10
-4m2·h·0C/kJ
2,腐蚀率 <0.2mm/a <50
Ⅲ 1.年污垢热阻 ≤1.4 × 10
-4m2·h·0C/kJ
2,腐蚀率 ≤0.2mm/a <100
电导率
（ us/cm）
采用缓蚀剂处理 <3000
总碱度
（ mmol/L）
采用缓蚀剂处理 <7
PH值 6.5~9.0
15,4,1,2循环循环冷却水的处理要求：
1．敞开式循环冷却系统对水的浊度，电导度，总碱度,PH值等均有要求，详见表
敞开式循环冷却系统冷却水主要水质指标
2．腐蚀率：
⑴, 概念
(2)
⑶,点蚀参数：
点蚀时，腐蚀可用点蚀参数反应。点蚀系数越大，对金
属危害越大。
(4).缓蚀率：
3．污垢热阻：
热交换器传热面由于沉积物沉积使传热系数下降，从而
使热阻增加的量称为污垢热阻。
Ft
PP76.8C,0
L ?
??失重法测量方法
％100C CC
0
L0 ????
)11(K 1K 1K1K 1K 1R
t000t0t
t ????????
4．循环冷却水结垢控制指标
不稳定的水,1.结垢性水 2．腐蚀性水
循环水结垢控制指标
影响因素,① 盐分浓缩,CaCO3,CaSO4,MgSO4结垢。
② 悬浮固体及有机物浓度。
③ 热交换器提高了水温的影响。
④ 水处理药剂。
结垢 控制参数 控制指标
CaCO3 pHs pH0<pHs+（ 0.5~2.5）
CaSO4 溶解度 [Ca2+]× [SO42-]<500000
Ca3（ PO4） 2 pHp pH0<pHP+1.5
MgSiO2 溶解度 [Mg2+]× [SiO22-]<3500
15.4.2 循环冷却水水质处理
控制,1.腐蚀
2.沉积物
3.微生物
15,4,2,1腐蚀控制：
1．金属的腐蚀：
1) 概念
2)分类
3)化学腐蚀
4)电化学腐蚀
(1)析氢腐蚀
(2)吸氧腐蚀
(3)浓差腐蚀
(4)点蚀（孔蚀）
2．腐蚀控制
15,4,2,2 沉积物控制：
结垢控制
污垢控制
1,结垢控制：
1）去除水中产生结垢的成分
2）酸化法
3）加阻垢剂
2．污垢控制：
15,4,2,3 微生物控制
1．化学药剂法
1）氧化型杀菌剂
2) 非氧化型杀菌剂
3）表面活性剂杀菌剂
15,4,2,4 复方缓蚀阻垢剂
15,4,2,5循环冷却水系统的预处理：
预处理包括清洗与预膜，一般分三步：化学清洗剂清洗,冲洗
干净、预膜
15.4.3循环冷却水的水量损失与补充
水量总损失,P=P1+P2+P3+P4
P1———— 蒸发损失
P2———— 风吹损失
P3———— 渗漏损失
P4—— 排污损失
补充水量为 P，含盐量为 SB，则当系统刚开始运行时，补充的盐量
SBP=SB（ P1+P2+P3+P4） >S1(P2+P3+P4)
S1(P2+P3+P4)—— 失去的盐量
随着系统的运行，系统中的含盐量增大，当增大到
SBP=SB（ P1+P2+P3+P4） ≈S1(P2+P3+P4)时：
含盐量稳定，以 SP代替 S2，则
B
432
1
Bp
1
1
1432
4321
B
p
S)
PPP
P
1(KSSS
PP
P
1
PP
P
PPP
PPPP
S
S
K
??
????
?
??
?
?
??
???
??
定
?湿空气的性质
?水冷却的基本原理
?冷却塔的工艺与设计
?循环冷却水水质稳定
15.1湿空气的性质
15.1.1 湿空气的热力学参数
1.湿空气的压力
P=Pg+Pq
P=RT× 10-3
Pg=gRg× 10-3
Pq= gRqT× 10-3
Pg,Pq—— 干空气和水蒸汽在其本身分压下的密
度,Kg/m3。
Rg—— 干空气的气体常数,Rg=287.145J/
（ Kg·K ）。
Rq—— 水蒸气的气体常数,Rq=461.53J/Kg·K
2,饱和水蒸气分压力
当空气在一定温度下，吸湿能力达到最
大时，空气中的水蒸气处于饱和状态。水
蒸气的分压称为饱和水蒸汽压（ Pq＂ ）。
湿空气的饱和水蒸气分压只与温度有关，
与大气压力无关。
0<Pq<Pq＂,
)T16.273(0024808.0T 15.373lg2.815.373 10T10142305.30141966.0Pqlg 33 ????????????????? ???
3．绝对湿度
绝对湿度 —— 每 M3湿空气中所含水蒸汽
的质量称为空气的绝对温度。其数值等于
水蒸汽在分压 Pq和湿空气温度 T时的密
度。 (ρq)
)m/kg(10
T6.4 6 1
"P
10
TR
P 33q3
q
q
q ????
)m/kg(10
T53.461
"P
10
TR
"P
" 33q3
q
q
q ????饱和空气
4．相对湿度：
Φ=ρq/ρq＂ = Pq/ Pq＂
Pq= ρPq＂ Pq＝Ｐ－ ρPq＂
?
?
?
? ??????
P
)-(,0 0 0 6 6 20P
5．含湿量：
在含有一 kg干空气的湿空气混合气体中，其所含水蒸汽的质量 x
（ kg）称为湿空气含湿量,也称为比湿，单位为 kg/kg(干空气 )
?
?
?
??
?????
???
Pq-P
Pq622.0
PqP
Pq622.0
Pg53.461
Pg14.287
R q P g
R g P q
g
q
）（饱和含湿量 1Pq-P Pq62 2.0 ???? ???
?
??
?
??
?
??
?
??
??
?
?
?
??
?
?
?
?
?
0,6 2 2
0,6 2 2
,
PqP
Pq
6 22.0
PgP
Pg
6 22.0
g
g
可得
饱和空气说明, ????
的水蒸汽增加则每项公斤干空气可以 ?????? ? "
。，，" 空气越干燥吸湿能力增大增大???
6．湿空气的密度 ρ
)m/kg(
T
Pq
316.1
T
P
483.3
R g T
10Pq
R g T
10)qP(
R q T
10Pq
TR
10P
3
33
q
3
g
3
g
qg
??
?
?
??
?
?
?
?
??????
湿空气的密度随大气压力的降低和温度的升高而减
小。
7．湿空气的比热（ Csh）
使总质量为（１＋ x） kg的湿空气（包括１ kg干空气
和 xkg水蒸汽）温度升高１ ℃ 所需的热量，称为湿空气的比
热，用 Csh表示。
Csh＝Ｃ g+Cq x
Csh=1.00+1.84x
Csh一般采用１,０５ KJ/(kg·℃ )
8,湿空气的焓（ i）
湿空气的焓等于１ Kg干空气和含湿量 x公斤水蒸汽的含湿量之和。
i＝ ig＋ xig
以０ ℃ 的水的热量为零：
水蒸汽的焓以两部分组成：
a,汽化热 r0 =2500kJ ／ kg
b.1kg干空气由０ ℃ 升至 θ℃ 所需的热量：
)Kg/KJ(005.1ci,kg1 gg ????干空气的焓
)Kg/KJ( 8 42.1ci gg ????
)Kg/KJ(xC
x2500)x842.1005.1(x)842.12500(005.1xiii
0sb
gg
???
???????????
与温度有关显热, )x8 4 2.10 0 5.1( ??
与温度有关潜热, x2500
15.1.2 湿空气的焓湿图：
15.1.3 湿球温度（）和水的冷却理论极限：
干湿球温度是空气的主要热力学参数，干球温度为一
般温度计测得的气温。
测定湿球温度时：１）纱布必须完全包住水银球
２）风速３ — ５ m/s 以上。
湿球温度代表在当地气温条件下，水可能被冷却的最低
温度，也即冷却构筑物出水温度的理论极限值。
水
15.2水冷却的基本原理
15.2.1 水的冷却原理
水的冷却过程是通过蒸发传热和接触传热实现的，水温的变化则
是两者作用的结果。
(3)
(4)
(2)
(1)
P q,θ,
P q ",t f,
t
H α t f > θ
t f = θ
H β
H β
H= H β H=H α + H β
t f = τ < θ
t f < θ
H β
H β
H=H β - H α
H=0
15,2,2 接触传热量和蒸发传热量
dF)xx(dQ
dF)PP(dQ
dF)t(dH
"
xu
q
"
qpu
f
???
???
?????
。,。,xp 系数以含湿量为基准为传质系数以分压差为基准的传质 ??
含湿量差分压差 x),-(x,PP q"q ??
P
0,6 2 2
P
P
6 2 2.0
P
g
g
??
??
??
??
?
?
2121 XXXXX ????? ??
水面饱和气层含湿量进塔水温 11 t——X ?
水面饱和气层含湿量出塔水温 22 t——X ?
X1—— 进塔空气含湿量
X2—— 出塔空气含湿量
? 在冷却塔中，淋水填料邻接触表面积 F的总传热量 H为
dF)x"x(dF)t(dHdHdH
)(dF)x"x(dF)Pq"Pq(dQdH
x0f
x0p0u0
??????????
???????????
??
?,水的汽化热
的空气含湿量。温度为
湿量。相对应的饱和空气的含与水温
含湿量的平均值。
温度差的平均值。塔内水面温度与空气
??
?
??
???
????????????????? ???
x
tx"
)x"x(
)t(
F)x"x(F)t(dF)x"x(dF)t(dHH
f
m
f
mx0mf
F
0
x0
F
0
f
H
0
dV)x"x(dV)t(dHdHdH
V)x"x(V)Pq"Pq(
V)t(H
V
F
,
V
F
,
V
F
F)x"x(
V
F
)Pq"Pq(
V
F
F)Pq"Pq(Q
V)t(
V
F
F)t(H
xv0mfv
mxvmxvu
mfv
p
pv
x
xvv
m
xp
mpy
fmf
???????????
???????
?????
?
??
?
??
?
??
?
?
??
?
????
??
?
?????
??
?
?
令
15.3冷却塔的工艺与设计
理论公式计算法目前国内外常用的有两种：
1,三变量分析法（ t,θ,Pq）
① 热水有接触散热传给空气的热量 dHa将使空气干球温度 θ升高。
② 空气通过 dz段所增加的含湿量等于该段内水的蒸发量 dQu,会
引起空气中水蒸气分压 Pq的增大。
③ dz段中，水放出了热量必然引起水温 t的下降。
水蒸气分压—空气干球温度—水温 Pq —t ?
)t(dVd, ?????接触传热
)PqPq(bdVd P q " ??蒸发量
)PqPq(B)t(AdVdt " ?????平衡水气热量
2．两变量分析法（ t,i）
Merkel焓差方程为基础，麦克尔于 1925年引用, 焓, 的概念。
建立了麦克尔焓差方程：
从而只需分析水温 t与 i,i代替 θ,P
15,3,1 麦克尔焓差方程
表示了热量交换和质量交换之间的速度关系。
dv)ii(dH "xv ???
刘易斯关系式 ))C.Kg/(KJ(05.1C 0sh
vx
v
x
???????
xCi C 0sb ?????? 湿空气的焓
空气水面饱和层 ）x,（t "f
? ?
)h/kJ(dv)i"i(
dv)xC)("xtC(
dv)x"x()t(
dv)x"x(dV)t(
dHdHdH
"xtC"i
xv
0sh0fshxv
0f
xv
v
xv
xv0fv
0fsh
???
???????
?
?
?
?
?
?
?????
?
?
??
????????
??
???
??
1、
2、
。之差，为冷却之推动力差
与塔内该点空气焓所对应的饱和焓为水平温度
i
itii "f" ?
推动下散发的热量。积淋水填料在单位焓差反映了单位时间单位容xv?
z
z
排出空气G进水Q
θ 2, Ф 2,X 2,ρ 2
θ 1,Ф 1,X 1,ρ 1
t
xθ
x+dxθ -d θt
Q z -dQ u
t-dt
出水Q-Qu 进入空气G
dz
Q z
空气所到的热量：
uwzw
uzwzw3
t dQCdtQC
)]dtt)(dQQ(C[tQCdH,dz
??
????水散失的热量对
dtdQC uw略去
G di
t dQC
1
dtQC
G di
dtQC)
G di
t dQC
1(G di
dtQCt dQCG di
t dQCdtQCG di:dHdH
G didH
uw
zw
zw
uw
zwuw
uwzwsk
k
?
??
???
???
???
??
①
K为考虑蒸发水量传热的流量系数。
k
dtQCGd i
Gd i
t d QC-1k zwuw ???设
20)-0,5 6 ( t-586
t-1k,
2
2?经验公式
m
uzw
um
uzw
s
uzw
ums
s
uzw
suzw
su
s
u
uwzw
uw
QtC
1
Q
QtC
1
H
QtC
1k
QHHHH
H
QtC
1k
dH)k1(QtC
dH)k1(dH
dH
dH
1
t dQCdtQC
t dQC
1kk
?
?
?
?????
?????
???
??
??
??
?
??
???
夏季：
积分得：
值，得将①代入
此即为逆流式冷却塔热力学计算基本方程。
散热性能以及气、水流量有关，称为冷却塔的特性数。
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
???
?
1
2
1
2
t
t
"
wxv
t
t
"
w
v
0
xv
"
wxv
w"
xv
k
ii
dt
k
C
Q
V
ii
dt
k
C
Q
dv
)ii(k
dtC
Q
dv
k
Q dtC
dv)ii(
,dHdH,引入麦克尔焓差方程得
、
，，N
Q
txv
构造几何尺寸水填料的特性
与淋的冷却能力反映了冷却塔本身具有特性数
、
????
。，，ii dtkCN 1
2
t
t "
w 无关而与冷却的构造和形式数有关与外部气象条件空气参为冷却数? ??
15,3,2 对热力学基本方程的讨论
βxv：单位容积淋水填料在单位焓差的推动力的作
用下，所能散发的热量。
量之差热量与其外界空气含热指水面饱和空气层的含 i,i " ?
。，V，ii " ???? 冷却塔淋水填料体积）冷却推动力（
Vi
tQ
k
C
i
t
k
C
Q
V
m
w
xv
m
wxv
?
?
???
?
?
??
?
15,3,3 逆流塔焓差法热力学基本方程图（ i— t图）解
1、
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
t
0.1
P大气压
水面饱和焓曲线
A
Ψ
空气操作线
空气饱和焓曲线
t( ℃ )
t 1
t 2τ
i 1
i 2 ″
i 2
i 1 ″
i( kJ /kg)
B 1
B 1 ′
B ′
A ′
2．空气操作线
起点：在 t坐标上找到当地湿球温度值，作垂线交饱
和焓曲线于 B′点,B′点的纵坐标为 i1，即为进入塔中
空气的焓值。
)1C(tg
k
C
dt
di
G
Q
k
1
dtC
di
k
Q d tC
G d i
w
w
w
w
???
?
?
??
?
?
?
??
?
?
??
???
k
tC
ii
C
k
tt
ii
)tt(
k
QC
)ii(G
w
12
w
21
1
21
w
1
3．焓差的物理意义：
。 ii " 为冷却塔的推动力?
。V，，ii " 及冷却塔体积越小所需填料体积冷却数越小越大?
焓曲线斜率是先小后大
由于饱和值即缩小左移若空气操作线起点,）（t，A ??1
C 532 ??? 一般不应小于
冷却困难将使焓差缩小所以空气操作线左移
?t
。，，
愈大，冷却愈易。愈大，气水比 ii " ??
15,3,4
先根据 i— t图作出
。idtkCN 1
2
t
t
w 的求解冷却数 ?
??
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
1
i 1 -i 1
11
t( ℃ )
t 1t 2
"i"-i
i 1 -i 2
"
用 simpson积分法
时的饱和空气焓。为水温的平均值，为式中，
：℃时，可简化计算如下当
2
tt
iiii
)
ii
1
ii
1
ii
1
(
k6
C
N
15
)
i
1
i
4
i
2
i
2
i
4
i
1
(
w3
dtC
ii
dt
k
C
N
21"
m21m
2
"
1m
"
m1
"
2
tw
t
n1n2n210
w
t
t
"
w
1
2
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
???
15,3,5 冷却塔的性能：
1、
(1)
(2)
：Nxv 求定及特性数 ??
xv?
)hm/kg(qAg,
hk g / m。—q
hk g / m，g—g
tqAg), tq,g,(f
2nm
xv
2
2
p
1
nm
1xv
???
?
?
???? ?
国内外多采用
单位为淋水密度
的单位为空气流量密度
特性数—N ?
试验常数
汽水流量比
淋水填料的高度式中
时当
AZ,A
q
g
,——
m,—— Z：
A
q
g
AZN,1nm
qA Z g
q
z
qAgN
q
Z
F/Q
F/V
Q
V
N
m
m
1nmnm
xv
xvxv
?
???
??
?
?
?
?
?
?
?
?
???
???
??
?
?
?
?
?
??
??
?
2．淋水填料性能：
1）热水特性数：
A′,m或 A,m,n等参数由模型塔或生产性塔试验求得。
2）阻力特性：
3）淋水填料模型塔与工业塔的热力学性能比较。
4)
当出塔时空气的含湿量恰好达到饱和（ φ=1.0），此时
空气的流量为理论空气需氧量。
n
m
1
AVgP ???
0.185.0NN —
模型塔
工业塔 ?
?
???
的选择气水比 ?
15,3,6 冷却数（ N）与特性数（ N′）的统一。
)(fN
)(fN
???
?? N
N′
N ′
λλ D
工作点
15,3,7 横流式冷却塔基本公式的推导：
1．矩形横流塔基本公式的推导：
y
z
x
θ 2, Ф 2,X 2,ρ 2
t 1,Q
water
t 1,Q-Q u
θ 1,Ф 1,X 1,ρ 1
G
air
y+dy
x+dx,y
x+dx，x x+dy
x,y
o
单位时间水所散发的热量
单位时间空气所吸收的热量：
由于 i在 x方向有变化,i在 y方向有变化：
dx dyy tCkqzdH ws ? ????
d x d yxizgdH k ???
d x d y
yx
zgdH
d x d y
yx
t
C
k
q
zdH
i
k
2
ws
??
?
?
??
?
??
右端表示冷却塔的冷却能力，左边为冷却任务时对冷却
塔的要求。
经过变换后积分得：
由
得：对与微元
dx d y)ii(dx d y
yx
t
gdx d y
yx
tC
k
q
dHdHdH
z d x dy)ii(dH
z d x dydv)ii(dH
"
xv
22
w
ks
"
xv
"
xv
???
??
?
?
??
?
?
??
???
???
?
?
?
?
?
?
?
?
??
??
?
?
?
??
??
?
?
? ? ? ?
? ? ? ?
?
?
y
0
x
0
y
0
x
0
xv
2
y
0
x
0
y
0
x
0
xv
w
2
d x d y
q
d x d y
xy
t
ii
1
d x d y
q
k
d x d yC
xy
t
ii
1
-
横流塔热力计算基本式
2．求解：
d x dyqkd x dyCyx tii 1 H0 L0 xvw2H0 L0 " ? ?? ? ???????
? ?
4
i2ii
ii
ii
ii
ii
),(fx
iiixi
H
q
k
i
tC
N
L
i
tC
d x d yC
xy
t
ii
1
-
HL
q
k
d x d y
q
k
m21
11
21
11
21
11m
xv
m
w
H
0
L
0
m
w
w
2
H
0
L
0
xvxv
???
?
??
??
???
?
??
??
????
?
??
???
?
??
???
?????
?
?
?
?
?
?
?
??
??
?
?
?
?
?
? ?
? ?
15.4循环冷却水水质稳定
15.4.1 循环冷却水水质特点和处理要求
15,4,1,1 敞开式循环水冷却水具有
的特点
1．循环冷却水的浓缩作用
2．冷却水中 CO2的散失和 O2的增加
3,循环冷却水的水质污染
4．水温变化
项目 要求条件 允许值
浊
度
（度）
Ⅰ
1.年污垢热阻 <9.5× 10-5m2·h·0C/kJ
2.有油类粘性污染物时,年污垢热阻 <1.4× 10-
4m2·h·0C/kJ
3.腐蚀率 <0.125mm/a
<20
Ⅱ 1.年污垢热阻 <1.4× 10
-4m2·h·0C/kJ
2,腐蚀率 <0.2mm/a <50
Ⅲ 1.年污垢热阻 ≤1.4 × 10
-4m2·h·0C/kJ
2,腐蚀率 ≤0.2mm/a <100
电导率
（ us/cm）
采用缓蚀剂处理 <3000
总碱度
（ mmol/L）
采用缓蚀剂处理 <7
PH值 6.5~9.0
15,4,1,2循环循环冷却水的处理要求：
1．敞开式循环冷却系统对水的浊度，电导度，总碱度,PH值等均有要求，详见表
敞开式循环冷却系统冷却水主要水质指标
2．腐蚀率：
⑴, 概念
(2)
⑶,点蚀参数：
点蚀时，腐蚀可用点蚀参数反应。点蚀系数越大，对金
属危害越大。
(4).缓蚀率：
3．污垢热阻：
热交换器传热面由于沉积物沉积使传热系数下降，从而
使热阻增加的量称为污垢热阻。
Ft
PP76.8C,0
L ?
??失重法测量方法
％100C CC
0
L0 ????
)11(K 1K 1K1K 1K 1R
t000t0t
t ????????
4．循环冷却水结垢控制指标
不稳定的水,1.结垢性水 2．腐蚀性水
循环水结垢控制指标
影响因素,① 盐分浓缩,CaCO3,CaSO4,MgSO4结垢。
② 悬浮固体及有机物浓度。
③ 热交换器提高了水温的影响。
④ 水处理药剂。
结垢 控制参数 控制指标
CaCO3 pHs pH0<pHs+（ 0.5~2.5）
CaSO4 溶解度 [Ca2+]× [SO42-]<500000
Ca3（ PO4） 2 pHp pH0<pHP+1.5
MgSiO2 溶解度 [Mg2+]× [SiO22-]<3500
15.4.2 循环冷却水水质处理
控制,1.腐蚀
2.沉积物
3.微生物
15,4,2,1腐蚀控制：
1．金属的腐蚀：
1) 概念
2)分类
3)化学腐蚀
4)电化学腐蚀
(1)析氢腐蚀
(2)吸氧腐蚀
(3)浓差腐蚀
(4)点蚀（孔蚀）
2．腐蚀控制
15,4,2,2 沉积物控制：
结垢控制
污垢控制
1,结垢控制：
1）去除水中产生结垢的成分
2）酸化法
3）加阻垢剂
2．污垢控制：
15,4,2,3 微生物控制
1．化学药剂法
1）氧化型杀菌剂
2) 非氧化型杀菌剂
3）表面活性剂杀菌剂
15,4,2,4 复方缓蚀阻垢剂
15,4,2,5循环冷却水系统的预处理：
预处理包括清洗与预膜，一般分三步：化学清洗剂清洗,冲洗
干净、预膜
15.4.3循环冷却水的水量损失与补充
水量总损失,P=P1+P2+P3+P4
P1———— 蒸发损失
P2———— 风吹损失
P3———— 渗漏损失
P4—— 排污损失
补充水量为 P，含盐量为 SB，则当系统刚开始运行时，补充的盐量
SBP=SB（ P1+P2+P3+P4） >S1(P2+P3+P4)
S1(P2+P3+P4)—— 失去的盐量
随着系统的运行，系统中的含盐量增大，当增大到
SBP=SB（ P1+P2+P3+P4） ≈S1(P2+P3+P4)时：
含盐量稳定，以 SP代替 S2，则
B
432
1
Bp
1
1
1432
4321
B
p
S)
PPP
P
1(KSSS
PP
P
1
PP
P
PPP
PPPP
S
S
K
??
????
?
??
?
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???
??
