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臭氧处理空调冷却水的机理及设计方法

发布日期: 2016 -5-19 浏览次数: 1197 次
在空调系统设计中,对制冷机、换热设备、末端装置等有着足够的重视,但对空调水系统中水的处理问题认识不足。一般来讲,空调冷冻水系统中在闭式系统中循环,并经过软化处理,不会存在太多问题。而空调冷却水系统中,由于冷却塔中的水暴露于空气中,并且由于为了降低运行成本而采用自来水补水,存在腐蚀、结构、菌藻滋生等问题。这些问题的存在将严重缩短设备的使用寿命,导致设备换热效率明显下降,造成能源浪费,并且增加管道阻力,使管道输送能力下降35%~55%。另外,产生的菌类随水分蒸发传播在空气中,这将严重危害人们的健康。因此,对冷却水进行防腐、阻垢、杀菌灭藻处理是十分必要的。通常采用的冷却水处理方法由软化法、磁化法、静电及电子法、药剂法。从上世纪80年代起,臭氧法处理冷却水技术在欧美等一些发达国家兴起,大量应用于实际工程中,下面就其机理及工程设计方法加以详细阐述。

1.处理机理
1.l 臭氧的理化性质
臭氧是由3个氧原子组成的氧的同素异构体。在常态下是淡蓝色气体,具有特殊气味。臭氧具有极强的氧化能力且又不稳定,在水溶液中,臭氧仍保持着氧化性。臭氧在水中的溶解度很高,大约是氧气的10倍。 
1.2 臭氧的杀菌灭藻机理及影响因素
臭氧杀菌主要是靠其分解后产生的新生氧的氧化能力。臭氧首先与细胞壁的脂类的双键起反应,穿破胞壁进入细胞内部,作用于外壳脂蛋白和内面的脂多糖,使细胞的通透性发生改变,最后导致细胞融解、死亡。 
臭氧杀菌灭藻能力受臭氧浓度、水温、pH值、水的浊度等因素的影响。一般来说,臭氧浓度越高,杀菌作用越强。随着水温的增加,臭氧的杀菌效果也加强,但和其他消毒剂相比,臭氧的消毒效果受温度影响较小。若水温在4~6℃时臭氧的杀菌效果作用为1,则在8~21℃时为1.6,在36~38℃时为3.2,当水的pH值高时,杀菌效果不好,应增加臭氧的投放量,水的浊度随臭氧杀菌有一定的影响,浊度在5ml/L以下,则影响不大。 
1.3 臭氧在冷却水中缓蚀与阻垢机理
臭氧作为单一使用的水处理药剂,具有操作简单,排污量少,既能节水节能,又不用调节水的PH值,不存在二次污染等诸多优点,对循环冷却水的缓蚀、阻垢效果均有良好的效果。 
1.3.l 臭氧防腐机理
冷却水系统腐蚀,主要是由于水中存在的溶解氧与金属反应形成的化学和电化学腐蚀。实践表明,臭氧是一种强氧化剂,其抑制腐蚀的机理与铬酸盐缓蚀剂的作用大致相似,主要原因是由于冷却水中活泼的氧原子与亚铁离子反应后,在阳极表面形成一层含γ—Fe2O3的氧化物钝化膜。这种膜薄、密实且与金属结合牢固,能阻碍水中的溶解氧扩散到金属表面,从而抑制腐蚀反应进行。同时,由于这种氧化膜的产生,使金属的腐蚀电位向正方向移动,迅速降低了腐蚀速率。

另一方面,臭氧法水处理不需向水中投加药剂,使排污量减少,盐分的浓缩倍数高,循环水的pH值维持在8—9之间,属于弱碱性,减轻了腐蚀的作用。
1.3.2 臭氧阻垢机理
臭氧于水分子接触后,会立即发生还原反应,产生了原子氧(O)和羟基(OH): 
O3→O2 +(O) 
(O)+ H2O→ 2OH 
羟基(OH)是一种催化剂,能使有机物发生连锁反应: 
OH + RH→ R·+ H2O 
R· + O2→ R O2· 
R O2·+ RH→ R OOH + R 
R OOH→ CO2 
因此,臭氧的强氧化性有效地控制了循环水中微生物的生长,减轻了生物污垢及其引起垢下腐蚀。臭氧不能直接氧化钙、镁盐类的水垢成分,只能氧化垢层基质中有机物成分,使垢层变松脱落,从而引起阻垢的作用。 
2.臭氧处理空调冷却水的试验研究
用单一臭氧进行冷却水处理的试验研究首先是在美国佛罗里达州肯尼迪宇航中心(KSC)进行的。试验选择了该处的一个空调冷却水系统,过程持续了14个月。冷却水循环量约为400m3/h,补水为当地自来水,其水质如表1所示。 
试验过程及结果如下。
2.l 试验开始后,停止加入除臭氧以外的一切水处理剂,用补充水置换原来的循环水并通入臭氧。3周后,水中的细菌总数从2.1×104~6×107个/ml降低到(2.0~3.0×102个/ml)加冷却塔上的粘泥从绿色变为灰色并开始松软脱落。冷却水的浊度于3~4周内从30~60JTU逐步下降到5~10JTU,水质变清。塔池下积聚数英寸的松垢和粘泥。2.2臭氧处理方式的经济性:采用传统的化学处理,一年的操作和维修费用为12045美元,而采用臭氧处理一年的费用仅为2565美元。臭氧系统设备及安装的一次性投资为16057美元。因此,第三年臭氧系统的投资即可收回。

3.臭氧处理空调冷却水的设计方法
空调冷却水系统一般连续投加臭氧,臭氧发生器可与循环水泵联动。连续投加臭氧量非常小,lm3/h的冷却水中投入0.1lg/h的臭氧即可。由于空调冷却水在循环回路中每循环一次,一般为几分钟,不会超过60min,根据经验可只有一个臭氧注入点。投加点可设在循环水泵的出口或冷却塔盘中。
3.l 投加点设在循环水泵出口(见图1)
臭氧发生器设在机房内,不需要特别保护,但由于设置了引射水泵,增加了水泵耗电量。引射水泵及文丘里臭氧注射器的选择需要进行计算。一般情况下,引射水泵及文丘里臭氧注射器由臭氧发生器制造商配套供应,设计人员只需按循环水流量选择臭氧发生器的产气量即可。臭氧需要量为0.1Qg/h(Q为循环水流量,m3/h)。
3.2 投加点设在冷却塔水盘中(见图2) 
这种投加方式设计、安装十分简便,运行费用低,不需要设引射水泵及文丘里臭氧注射器,但臭氧发生器需要靠近冷却塔设置,需要加设防雨措施。臭氧发生器的产气量也按0.1Q(g/h)选取,Q为循环水流量(m3/h)。 
4.结论
经试验证明,单一使用臭氧处理空调冷却水,具有良好的杀菌、防腐、阻垢功能,它既能减轻由于腐蚀、污垢等造成的能源浪费,又能消除军团病菌对人体健康的威胁。因此,在空调冷却水系统中,具有很好的应用前景


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