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中央空调水系统存在的污垢

中央空调水系统存在的污垢

3.1.1沉积物

中央空调的水系统在运行过程中,会有各种物质沉积在换热器的表面,这些物质统称为沉积物。沉积物附在换热器上危害很大,沉积物的成分很复杂,来源和危害也不相同。

3.1 .1.1沉积物的分类

不同的文献对沉积物的分类也不完全一致,有的将沉积物统称为污垢.污垢也包括水垢。有的将沉积物分为污垢和水垢两大类,污垢中不包括水垢。本书选择后一种分类方法。

实际上,沉积物是各类垢的混合物.习惯上常将其称为污垢。例如,沉积物的取样分析就是通常所说的污垢分析;垢样分析或污垢成分、污垢密度、污垢热导率及污垢沉积速率中的“污垢”实际上都是指包括水垢在内的沉积物。一般认为,英语fouling是不包括水垢的软垢.但习惯上又将其译为“污垢”,与上述又有矛盾。 本书采用了某些文献的译法.将水垢以外的软垢译为“污泥”,以与污垢区别。

沉积物通称为污垢.分为水垢和污泥两大类。污泥中又包括淤泥、黏泥和腐蚀产物。各类沉积物的组成大致如下。

(1)污泥。相对水垢而言较疏松,又称软垢。常含有泥渣、粉尘、沙粒、腐蚀产物、天然有机物、微生物菌落和分泌物、氧化铝、磷酸铝、磷酸铁及一般碎渣等。

(2)淤泥。以泥沙为主的软垢。

(3)黏泥。又称生物沉积物。由微生物及其分泌物和残骸组成.为具有滑腻感的胶状私泥或黏液。

(4)腐蚀产物。它们主要由水垢、淤泥、腐蚀产物和生物沉积物构成。通常人们把淤泥、腐蚀产物和生物沉积物三者称为污垢。

3.1 .1 .2沉积物的来源

(l)来自补充水。未经预处理或预处理不良的补充水会将泥沙、悬浮物、微生物带入中央空调水系统,即使澄清、过滤、消毒良好的补充水也会有一定的浑浊度并带有火缝的微生物。澄清过程 中还可能将混合凝剂的水解产物、铝或铁离子留在补充水中。另外,不管是否经过预处理,补充水中的溶解盐都会带人循环水系统。

(2)来自空气。泥沙、粉尘、微生物及其孢子会随着空气带人循环系统,有时昆虫(如甲壳虫)也会大量带人系统,引起换热器堵塞。与冷却塔周围环境受到污染时,硫化氢、二氧化硫、氮等腐蚀性气体有可能随空气进入循环水中发生反应而间接造成沉积。

(3)来自工艺介质泄漏。水冷器泄漏,特别是漏油或某些有机物会导致污泥沉积。

(4)来自化学处理药剂。如在循环水中加锌盐或聚合磷酸盐缓蚀剂.则有结锌垢或磷酸盐垢的可能性。

(5)来自系统腐蚀所形成的腐蚀产物。

3.1.1.3沉积物的危害

不管是硬垢(水垢)还是软垢(污泥)沉积在换热器上都会影响传热,使得换热器效率下降。严垂时甚至使换热器堵塞,系统阻力增大,水泵和冷却塔效率下降,能耗增加。此外,软垢还会促进垢下腐蚀。这种局部性的腐蚀比全面腐蚀的危害性更大,能够导致换热器腐蚀穿孔,特别是微生物翻泥引起的垢下腐蚀,能在短时间内使换热器泄漏,甚至造成非正常停产。

在补充水质量相同的条件下,央空调敞开式循环冷却水系统的各种危害要比直流式冷却水循环系统严重得多.这是因为敞开式循环冷却水系统有以下三个不利的条件。

(l)空气污染。循环冷却水在冷却塔中与空气接触,因而环境中的有害物质如泥沙、粉尘、有害气体、机械杂质、昆虫等都有可能被吸人系统。

(2)温度升高。直流水的入口水温多为原水水温。如用地面水.水温随季节而变化,即使在南方地区的夏季,中央空调换热器入口的水温也很少超过30℃,如用地下水一般只有十几度,中央空调循环冷却水的补充水温虽与直流水人口温度相同,但因补充水率低,在浓缩倍数为3时,补充水率<4%.所以换热器入口水温由冷却塔回水温度决定,一般为30℃以上,因而换热器的出口水温多高于40℃,水温的升高使某些难溶盐(如碳酸钙)更容易结成水垢。特别是水温在30~40℃时,对微生物繁殖非常有利,也增加了黏泥沉积的可能性。

(3)浓缩倍数升高。水中污染物成倍增加。由于中央空调的水循环使用,多数污垢物质不能排出而返回系统。以浓缩至3倍的水为例,其排污水量一般<1%,99%的污垢物仍留在系统中。如果难溶盐含成倍增长.水垢沉积的机会则大大增加。由于浓缩使营养物含量增加,因而对微生物繁殖非常有利。补充水中的好氧细菌数一般只有1~l个/mL。如果对循环水不严格控制,则有可能达到105个/mL.这样黏泥会大量增加,系统腐蚀会更加严重。 对沉积物带给中央空调循环冷却水系统的危害不可低估。实际上沉积物的腐蚀危害是相辅相成不可分割的。但是在讨沦、研究问题时,往往将硬垢、软垢和腐蚀问题分开。通常认为污泥附着、结垢 (水垢)和腐蚀是危害循环系统的三大问题,也是化学处理需要解决的三大问题。解决污泥附着问题时,除了要解决好补充水的预处理环节外,还要在循环系统中着重从控制微生物黏泥着手解决。所以,常将水垢、腐蚀和微生物控制作为化学处理的三大问题分别讨论研究,然后再研究处理措施,协同解决其危害。

3.1.2水垢

水垢一般都由具有反常溶解度的难溶或微溶的无机盐组成,又称为硬垢、水生垢、碱垢或矿物垢。在中央空调循环冷却水系统中,常见的难溶及微溶盐类有碳酸钙、磷酸钙、硫酸钙、硅酸镁、磷酸锌等。当这些盐类呈过饱和状态时,在一定条件下,可能在换热器的表面以水垢的形态析出。水垢是具有尚定晶格的无机盐类,以垂直于换热器表面的方向定向生长,与金属表面牢固结合,单一的水垢一般比较硬、厚且致密。在直流冷却水或不加阻垢剂的循环冷却水系统中,当补充水中的钙硬度大时,常产生这种硬垢。 水垢使换热器效率下降、系统限力增加,严重时甚至使换热器堵塞,水垢对冷水机组性能的影响参看表3一l。从表3一1可看出:水垢热阻对制冷机性能影响很大,特别是对溴化锂吸收式冷水机组影响更大。

一般冷水机组额定制冷量是按0.15mm.Rf=0. 000086 mZ·K/W标定,出厂的新机组山于换热管一般均经过钝化处理, 因此,出厂的新机组制冷量应比额定值大 对溴化锂机组应大7%,对压缩式冷水机组应大3.6%左右。所以选用的新机组,不仅要达到额定值.而且应该大于额定值。出厂的LiBr机组比额定制冷量要大7%。

水垢不易发生垢下腐蚀,一般不会使换热器造成腐蚀泄漏。换热器经酸洗除垢后,可以完全正常使用并恢复正常传热效率。通常水垢在沉积过程中,常与淤泥、豁泥、腐蚀产物混合在一起成为污垢,并不是单一的水垢。水垢的致垢离子基本上来自天然水,如Ca、MgZ+、SO、Hc03等离子均由补充水带人。 也有一部分致垢离子是由循环水带人的,如ZnZ等离子。 其中正磷酸根P多由聚合磷酸盐(六偏磷酸钠或三聚磷酸钠) 水解而来。

3.1,2.1难溶或微溶盐的溶度积

在一定温度下,饱和溶液中所含某些盐类的量称为该温度下该盐的溶解度。一般在室温下(20℃),每100g水中该盐类的溶解度<0.1的为难溶盐·在0.1~1.0g的为微溶盐。水垢的组成多为难溶盐或微溶盐。难溶盐或微溶盐的溶解度都很小,常用溶度积来表示其溶解平衡状况。表3一2是部分难微)溶盐的溶度积。

难溶或微溶盐的饱和溶液中。当温度一定时.其离子的物质的量浓度乘积为一个常数,称为溶度积或溶解平衡常数K, 当水中某些盐类离子的物质的浓度乘积等于溶度积时.为饱和溶液;小于溶度积时,为不饱和溶液;大于溶度积时,为过饱和溶液。过饱和时.可能发生水垢沉淀。

3.1 .2.2难溶或微溶盐的过饱和

应该说是中央空调循环冷却水系统的条件使难溶或微溶盐类可能达到过饱和。主要有以下因素。

(1)由于浓缩倍数的提高,使补充水带人的大部分离子都成倍增长,也就是使一些难溶或微溶盐类在水中的含量提高了数倍,但应说明碳酸氢根在水中的含量不是成倍增长的,如果用酸调节pH值,HCO3一甚至还可能下降。

(2)由于系统水温的升高,使部分溶解度盐类的溶解度降低了。碳酸钙及磷酸钙就是这种反常溶解度盐类.其溶解度随温度的升高而降低。以碳酸钙的溶度积为例.20℃时为5.22 X10一9, 25℃时为4.8*10、40℃时为3.o3xlo。因而水温升高后碳酸钙更容易过饱和。

(3)由于碳酸氢盐是很不稳定的盐类,其在换热器表面上受热分解为碳酸盐和二氧化碳。而碳酸钙的溶解度很低,因而很容易在换热器表面形成碳酸钙垢,
冷却水通过冷却塔相当于一个曝气过程,溶解在水中的C02 会溢出.因此.水的pH值会升高。

上述一系列反应产生的CaCO:和Ca3(PO;):均属微溶性盐,它们的溶解度比CaCI和Ca3(PO)要小得多。此外,CaCO和Ca3(PO)是随着温度的升高而降低。因此.在冷凝器的传热表面上,这些微溶性盐很容易达到过饱和状态而从水中结晶析出。当水流速度比较小或传热面比较粗糙时.这些结晶沉积物就容易沉积在传热表面上形成水垢。

这些水垢都是由无机盐组成.其结晶致密,比较坚硬,故又称无机垢或硬垢。它们通常牢固地附着在换热器表面或管道壁,不易被水冲洗掉。

大多数情况下,中央空调水系统中形成的垢是以碳酸钙为主的,这是因为硫酸钙的溶解度远大于碳酸钙。例如在0℃时,硫酸钙的溶解度是180omg/I,,比碳酸钙大90倍.所以碳酸钙比硫酸钙更容易析出。同时天然水中溶解的磷酸盐较少,因此,除非向水中投人过量的磷酸盐,否则磷酸钙水垢将较少出现。

中央空调冷冻水系统一般为封闭式。冷冻水在封闭系统中,循环,水分不蒸发,不浓缩.不存在溶解盐的过饱和问题,水温也很低。因此,冷冻水系统中的水垢可以说是很少的。

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