水处理与制冷系统及设备.ppt

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1、生物工程设备,第十四章,水处理与制冷系统及设备,水处理与制冷系统及设备,14.1 水处理系统及设备14.2 制冷系统及设备,14.1 水处理系统及设备,14.1.1 水的过滤 过滤是一系列过程的综合效应，包括筛滤，深层效应和静电吸附等。水中粒子直径大于过滤层的孔径时，离子被阻挡在过滤层的表面，称为表面过滤。而小于过滤层孔径的离子进入滤层深处，由于滤层孔隙弯曲，形状大小不断变化，最终使小粒子被截留，这种作用属深层过滤。水的过滤实际包含两个过程，即过滤和冲洗，过滤为水的净化过程，冲洗是从过滤介质上冲洗掉污物，使之恢复过滤能力的过程。,14.1 水处理系统及设备,1砂滤棒过滤器 砂滤棒过滤器外壳是由

2、铝合金铸成锅形的密闭容器，器内分上下两层，中间以孔板分开。若干根砂滤棒紧固于上，孔板上（下）为待滤水。其下（上）为砂滤水。操作时，水由泵打入容器内，在外压作用下，水通过砂滤棒的微小孔隙进入棒孔体内，水中离子则被截留在砂滤表面。滤出的水可达到基本无菌。砂滤棒（又称砂芯）系由硅藻土在高温下熔制成半熔圆的过滤介质，或由硬质玻璃烧结而成。国产砂滤棒过滤规格如表14-1所示。,14.1 水处理系统及设备,表14-1 国产砂滤棒过滤器规格,规格高直径厚/,压强为196 时的流量/（,14.1 水处理系统及设备,2活性炭过滤器 用于水处理的活性炭微孔径为25nm，常用于离子交换法和电渗析法的前处理，可有效地

3、保护离子交换树脂，防止树脂污染。活性炭过滤器结构与一般机械过滤器相似（图14-1），过滤器底部装填0.20.3m厚，粒径为14nm的石英砂层作为支持层。石英砂上面铺装1.02.0m厚活性炭层，操作时，水由顶部自然顺流下降过滤，由底部排出。表14-2列出了部分活性炭过滤器规格。,14.1 水处理系统及设备,图14-1 活性炭过滤器,14.1 水处理系统及设备,表14-2 部分活性炭过滤器规格,规格,处理水量/（,设备质量/,层高/,质量/,14.1 水处理系统及设备,活性炭过滤器运行一段时间后，因截污量过多，暂时失去活性，需反洗再生，其步骤为：反洗。清水以810l/(m2 s)的反洗强度从底部进

4、入，反洗时间1520min。蒸汽吹洗。从底部通入0.3MPa饱和蒸汽吹洗1520min。淋洗。用6%8%NaOH溶液（40）从顶部通入洗涤。洗涤量为活性炭体积的1.21.5倍。正洗。原水至顶部通入，冲洗至出水符合规定水质要求。,14.1 水处理系统及设备,14.1.2 水的软化1离子交换装置（1）固定床离子交换装置 水处理中最简单的方法是采用固定床，即将离子交换树脂装填于管柱式容器中，形成固定的树脂层。操作时，交换、反洗、再生、清洗四个过程间歇反复地在同一装置中进行，而离子交换树脂本身不移动，也不流动。,14.1 水处理系统及设备,单床是固定床中最简单的一种方式。常用的钠型阳离子交换装置即属这

5、一方式。多床是同一种离子交换剂，两个单床的串联方式。当单床处理水质达不到要求时可采用多床。复床是两种不同离子交换剂的交换器的组合，即一个阳离子交换树脂单床与一个阴离子交换树脂单床串联。混合床是将阴阳离子交换树脂置于同一柱内，相当于多级阴阳离子柱串联起来。处理水质较高。多层床是在一个交换柱中装有两种树脂，上下分层不混合。,14.1 水处理系统及设备,（2）连续离子交换装置 固定床离子交换的缺点是树脂用量多而利用率低，操作不连续。为提高树脂利用率，20世纪60年代出现了连续式离子交换装置，有移动床和流动床两种。流动床是完全连续工作的，它在进行交换的同时不断从交换塔内向外输送失效的交换树脂，且又不断

6、向交换塔内输送再生后的树脂。,14.1 水处理系统及设备,移动床装置如图14-2所示，离子交换树脂装于交换塔中，原水从下部流入，软水从塔上部流出。交换一定时间（一般4560min）后停止交换，将交换塔中失效树脂送至再生塔还原，同时从清洗塔向交换塔上部补充相同量的已还原清洗的树脂。出水水质稳定，交换树脂及还原液的利用率比固定床高，其缺点是交换树脂磨损较大，耗电量较多。,14.1 水处理系统及设备,图14-2 移动床离子交换装置,1交换塔；2清洗塔；3再生塔,14.1 水处理系统及设备,（1）工作原理 电渗析装置是利用阴、阳离子交换膜对水中离子具有选择性和透过性的特点，在外加直流电场的作用下，使原

7、水中阴、阳离子分别通过阴离子交换膜和阳离子交换膜迁移，从而达到除盐的目的。电渗析工作原理如图14-3所示。,14.1 水处理系统及设备,图14-3 多层膜电渗析器工作原理,14.1 水处理系统及设备,进入1、3、5、7室的离子，在电场作用下定向移动。阳离子移向阴极，透过阳膜进入2、4、6、8室。阴离子移向阳极，透过阴膜进入2、4、6、8室。因此，从第1、3、5、7室流出来的水中，阴、阳离子都会减少，成为淡水。而进入第2、4、6、8室的水中离子也要定向移动。阳离子要移向阴极，但受阴膜的阻挡而留在室内，阴离子要移向阳极，受阳膜的阻挡也留在室内。且第1、3、5、7室中的阴阳离子都要穿过膜进入水中，所

8、以从第2、4、6、8室流出来的水中，阴阳离子数都比原水中的多，成为浓水。,14.1 水处理系统及设备,（2）电渗析器结构 电渗析器有立式和卧式两种。其基本部件均是由交换膜、隔板、电极、极框、压紧装置等组成（图14-4）离子交换膜是一种由具有离子交换性能的高分子材料制成的薄膜。按其透过性能分为阳离子交换膜和阴离子交换膜。能透过阳离子的叫阳离子交换膜，能透过阴离子的叫阴离子交换膜。目前常用的阳离子交换膜为磺酸基型，带负电荷，吸收水中的阳离子，并让其通过该膜，而阻止负离子的通过。,14.1 水处理系统及设备,图14-4 立式电渗析器装置,1阳级室；2导水板；3压紧框；4膜堆；5阴级室；6压滤机式销紧

9、装置,14.1 水处理系统及设备,（3）电渗析器的组装形式电渗析器的组装方式取决于进水的水质和对出水的要求。一般说，要增加出水量，可将各组膜堆并联；要求提高出水水质，应将各组膜堆串联。在组装中，通常用“对”、“极”和“段”表示。电渗析器的组装形式有一级一段、一级多段、多级一段、多级多段4种，图14-5，图14-6分别为多级一段和多级多段的组合方式。,14.1 水处理系统及设备,图14-5 电渗析器多级一段并联组合,14.1 水处理系统及设备,图14-6 电渗析器多级多段串联组,14.1 水处理系统及设备,14.1.3 水的杀菌 水的杀菌方法很多，目前常用氯、臭氧及紫外线杀菌。1氯杀菌氯气进入水

10、中可生成次氯酸，次氯酸具有强烈的氧化作用，可以破坏细胞内酶和细菌的生理机能使细菌死亡。我国水质标准规定，在管网末端自由性余氯保持在0.10.2mg/L之间。常采用的氯杀菌试剂还有活性二氧化氯、漂白粉和次氯酸钠，其中前者具有杀菌能力强，水纯净，不增加水的硬度，杀菌效果好，使用方便等优点，但制备成本较高,14.1 水处理系统及设备,2臭氧杀菌 臭氧是一种强氧化剂，它能氧化水中的有机物，破坏微生物原生质，杀死微生物，亦能破坏微生物孢子和病毒，同时用作除去水臭、铁和锰及脱色，杀菌性能优于氯。在欧洲，臭氧已广泛用于水的杀菌，臭氧杀菌系统包括空气净化设备，臭氧发生器和臭氧加注设备。臭氧在水中溶解度极小，为

11、使臭氧与水充分混合，一般用喷射法加注臭氧，以增加与水的接触时间，另外水池应保持一定高度。图14-7所示为臭氧杀菌流程。,14.1 水处理系统及设备,1空气净化降温干燥塔；2臭氧发生器；3变压器；4喷射器；5消毒水池；,图14-7 臭氧杀菌流程,14.1 水处理系统及设备,3紫外线杀菌 波长为200295nm的紫外线有杀菌能力，能用来对水进行杀菌。图14-8所示为隔水套管式紫外灯杀菌装置。使用时，紫外灯悬挂在水面上，待杀菌的水以200厚的薄层缓慢通过照射区。也可将紫外灯沉浸在水中，水慢慢流过以灭菌。一般水上灭菌多采用低压汞灯，沉浸于水中采用高压汞灯，后者的杀菌效果高于前者。杀菌率可达97%以上。

12、表14-3列出了部分紫外灯使用参数。,14.1 水处理系统及设备,图14-8 隔水套管式紫外灯杀菌装置,14.1 水处理系统及设备,表14-3 紫外高压汞灯使用参数,水流量(,最大照射半径/,最短照射时间/,返回,14.2 制冷系统及设备,14.2.1 压缩式制冷循环 压缩式制冷循环实质上是一种逆向卡诺循环，制冷过程包括压缩、冷凝、膨胀、蒸发四个阶段，其制冷流程如图14-9所示。系统中的制冷剂饱和蒸汽被压缩机吸入压缩，成为液体放出热量。液体制冷剂经膨胀阀，压力降低，部分液体吸热汽化，使制冷剂温度降低，低温液体进入蒸发器吸收周围介质热量而汽化，气体再进入压缩机被压缩，完成一个循环过程。为了使整个

13、系统稳定循环，设置油分离器、贮存罐、液氨分离器等附属设备。,14.2 制冷系统及设备,图14-9 单级压缩制冷循环,14.2 制冷系统及设备,当所需温度较低时，压缩机在高压缩比（压缩机出口压力与进口压力的比值）的条件下工作。此时若采用单级压缩制冷，压缩气体的温度较高，会引起运行上的困难。此时可采用双级压缩制冷（如图14-10所示）。一般当压缩比8时，采用双级压缩较为经济合理。对于氨压缩机，当蒸发温度在-25C以下或冷凝压力大于时，宜采用双级压缩制冷。,14.2 制冷系统及设备,图14-10 双级压缩制冷循环图,14.2 制冷系统及设备,压缩式制冷循环中，制冷量(制冷剂在蒸发器中吸收的热量)与压

14、缩机所消耗的机械功L的比值称为制冷效率，可由下式计算：式中 制冷效率；制冷量，；压缩机所消耗的功，；制冷剂在蒸发器内的蒸发温度，；制冷剂在冷凝器内的冷凝温度，；,14.2 制冷系统及设备,制冷机的制冷量可用下式计算：式中 每1制冷剂的制冷量，；制冷剂在制冷机中的循环量，。则制冷机的理论功率（KW）为:,14.2 制冷系统及设备,14.2.2 制冷剂及载冷剂1制冷剂 制冷剂是制冷系统中用来吸取被冷却物质热量的介质。对制冷剂的要求是：沸点低，在蒸发器内的蒸发压力应大于外界大气压；冷凝压力不超过1.21.5；单位体积产冷量应尽可能大；密度和粘度应尽可能小；导热和散热系数高；蒸发比容小，蒸发潜热大。制

15、冷剂能与水互溶，对金属无腐蚀作用，化学性能稳定高温下不分解。无毒性、无窒息性及刺激作用，易于取得，价格低廉。,14.2 制冷系统及设备,目前常用的制冷剂有氨和氟利昂。氨主要用于冷冻厂、制药厂、酵母厂及其他发酵工厂的制冷系统。F-12及F-22多用于冰箱、空调机、双级压缩系统及冷库，氨是中温制冷剂，有毒性，并能燃烧和爆炸。但价格低廉，压力适中，单位体积制冷量大，在管道中流动阻力小，因此被广泛应用。氟利昂制冷剂是饱和碳氢化合物的卤素衍生物的总称，不易燃烧；绝热性能小，因而排气温度低；分子量大，适用于离心式压缩机，但价格昂贵，放热系数低，单位体积制冷量小，因而制冷剂的循环量大。,14.2 制冷系统及

16、设备,2载冷剂 采用间接冷却方法进行制冷时，所用的低温介质称为载冷剂。载冷剂在制冷系统的蒸发器中被冷却，然后被泵送至冷却设备内，吸收热量后，返回蒸发器中。载冷剂必须冰点低，热容量大，对设备的腐蚀性小，且价格低廉。常采用的载冷剂有氯化钠、氯化钙水溶液，酒精和乙二醇等。氯化钠价格便宜，但对金属的腐蚀性较大。氯化钙溶液对金属的腐蚀性小。采用乙醇、乙二醇作为载冷剂可以避免腐蚀现象。,14.2 制冷系统及设备,14.2.3 制冷系统设备1制冷压缩机 体积型制冷压缩机有活塞式、滑片式和螺杆式。其中以活塞式制冷压缩机较多见，图14-11是活塞式压缩机工作原理图。压缩机的进气活门装在活塞的顶部，利用曲轴连杆使

17、活塞上下运动。当活塞向下运动时，装在安全板上的排气活门关闭，汽缸内的压力减小，其压力较吸器管中的压力为低，则吸气阀门被打开，低压管中的氨气进入汽缸中。,14.2 制冷系统及设备,图14-11 活塞式压缩机工作原理图,1上盖；2排气阀门；3样盖；4水套；5吸气阀门；6活塞环；7活塞；8连杆,14.2 制冷系统及设备,压缩机在运行中，由于汽缸内存有余隙；吸气、排气时存在气阀阻力；汽缸壁与制冷剂之间发生热交换；压缩机运动部件发生摩擦；吸气阀，排气阀泄漏等都会使压缩机的实际吸气体积小于理论体积，从而影响压缩机的产冷量，二者的比值称吸气系数，用“”表示，即：,14.2 制冷系统及设备,对于大型立式氨压缩

18、机，=0.810.92，冷凝温度越低，越大；蒸发温度越低，则越小。高速（720）多缸制冷压缩机的可用以下经验公式计算：式中 冷凝压力，蒸发压力，多变压缩指数，对于氨=1.28；F-12，=1.13；F-22，=1.18。,14.2 制冷系统及设备,2冷凝器 冷凝器的作用是使高温高压过热气体冷却，冷凝成高压氨液，并将热量传递给周围介质。冷凝器有卧式冷凝器、立式冷凝器、套管冷凝器、外喷淋蛇管冷凝器等。喷淋蛇管冷凝器由盘管组成，盘管上装设V形配水槽，常安装在露天或屋顶上，传热系数K=600800C），单位热负荷=30003500，用水量=0.81.0，这种冷凝器的优点是结构简单，用水量少，但占地面积

19、大，较少使用。,14.2 制冷系统及设备,氨卧式冷凝器常分为双程列管式换热器。传热系数=700900W/m2），单位热负荷qF=35004100，单位面积冷却水用量WF=0.50.9，最高工作压力20105，冷却水用量少，可以装在室内，操作方便，但水管清洗不方便，只适用于水质较好地区。氨立式壳管冷凝器应用较广，系一钢板圆柱壳体，两端焊有管板各一块；壳体内部有5mm3mm或3mm3mm的无缝钢管与管板固定。,14.2 制冷系统及设备,冷却水自顶部进入贮水箱，经分水器沿管子内壁顺流而下，形成膜状分布在管内表面；可用河水冷却而不易堵塞。氨气则自壳体下部引出。冷凝器上有氨气进口、氨液出口、安全阀、放空

20、阀、放油阀、压力表、均压管和混合气体出口等。传质系数K、单位热负荷qF与卧式冷凝器相近。冷却水用量WF=1.01.7m2/(m3 h)，最高工作压力20105，立式冷凝器占地面积小，清洗列管方便，可安装在室外，但用水量较大。常用的立式冷凝器有LN-20、35、50、75、100、125、150、250m2传热面积，LNA-35LNA-300m2传热面积等。,14.2 制冷系统及设备,3膨胀阀与蒸发器 膨胀阀又称节流阀，高压液氨通过膨胀阀，压力急剧下降，体积迅速膨胀，汽化吸热，使其本身的温度降低到需要的低温，再送入蒸发器。常用的手动阀有针形阀（公称直径较小）和V形缺口阀（公称直径较大）两种，罗纹

21、有细牙，阀门开启度较小，阀孔有一定形状和结构，一般开启为周，不超过一周。手动膨胀阀按公称直径的大小选用。,14.2 制冷系统及设备,立管式蒸发器如图14-12所示，分别由28个单位蒸发器组成，每个单位蒸发器由上下两支水平总管、中间焊接许多直立短管制成，有10、15、20m2及40m2等几种蒸发面积。立式蒸发器的型号有LZ-20LZ-300型，其蒸发面积有20、30、40、60、90、120、200、240、320m2等。整个蒸发器有输液总管、回气总管、氨液分离器、集油器及远距离液面指示器等接头。蒸发器里装有搅拌器以维持流速，使载冷剂在箱内循环。水箱下部有排水管，底及四周有绝热层。传热系数K=5

22、00600W/m2)，单位热负荷qF=23002900W/m2.,14.2 制冷系统及设备,图14-12 立管式蒸发器,1上总管；2木板盖；3搅拌器；4下总管；5直立短管；6氨液分离器；7软木；8集油箱,14.2 制冷系统及设备,立管中氨的循环路线如图14-13。氨液自上部通过导液管进入蒸发器，导液管插入直立粗管中，保证液体先进入下总管、再进入立管，立管中液位几乎达到上总管。由于细管的相对传热面大，保证了制冷剂的循环，从而提高了蒸发器的传热效果。卧式壳管式蒸发器的结构与卧式壳管式冷凝器相似。,14.2 制冷系统及设备,图14-13 立管中制冷剂循环路线,1上总管；2液面；3直立细管；4导液管；

23、5直立粗管；6下总管,14.2 制冷系统及设备,4油氨分离器 油氨分离器的作用是除去压缩后氨气中携带的油雾。油雾分离器有洗涤式、填料式等。洗涤式是惯性型分离器，如图14-14所示。其原理是利用油氨的密度不同，在突然改变流速和方向时，由于油的密度较氨大而下降聚集在底部。,14.2 制冷系统及设备,图14-14 油分离器,14.2 制冷系统及设备,通常在压缩机和油氨分离器之间的管路内，氨气流速为1220m/s。而进入油氨分离器后的流速为0.81.0m/s。一般油氨分离器的直径比高压进气管径大45倍。这种分离器有YF-40、50、70、80、100、125、150、200等。型号数字表示氨气进口管径

24、。为了提高分离效果，在油氨分离器内设有伞形挡板，并保持一定的氨液液位，压缩后的氨气通入油氨分离器的氨液内，进行洗涤降温，分离效率可达95%。,14.2 制冷系统及设备,5贮氨罐 贮氨罐的作用是贮存和供应制冷系统的液氨，使系统各设备内有均衡的氨液量，以保证压缩机的正常运转。高压贮氨罐与冷凝器的排液管、均压管连接，常用的卧式贮氨罐是一个由圆柱形钢板壳体及封头焊接而成的容器，装有液氨出口管、放空气管、安全阀、放油阀、排污阀、液位镜、压力表等。容器的容纳量，一般为每小时制冷循环量的1/3-1/2，氨液装入量不应超过容量的80%。,14.2 制冷系统及设备,6气液分离器 气液分离器的作用是维持压缩机的干

25、冲程，同时将送入冷却排管（蒸发器）液体内的气体分出，以提高制冷效率。一般气液分离器安装在较高位置，高出冷却排管0.52m，最好高出12m，这样液体的压力可以克服管路阻力而流入冷却管内，气体在冷却排管至气液分离器的运动速度为812m/s，而在气液分离器的运动速度为0.50.8m/s。气液分离器有立式和卧式两种（图14-15、图14-16），高径比H/D=34。,14.2 制冷系统及设备,图14-15 立式氨液分离器,14.2 制冷系统及设备,图14-16 卧式氨液分离器,1、6均压管；2排液回汽管；3接压力表；4放油管；5排液管（氨液出口）,14.2 制冷系统及设备,7中间冷却器 中间冷却器如图

26、14-17所示，容器内设有盘管，利用低温的氨液冷却来自高压贮罐内的氨液，以提高单位重量制冷量。用浮球阀控制，使液面比蒸汽管高150200mm。平衡孔使容器内的压力与进气管内的压力平衡，防止氨液倒流至低压压缩机的排气管。氨气进入管上焊有闪型挡板，用以分离进入高压压缩机氨气中夹带的氨液和润滑油。,14.2 制冷系统及设备,图14-17 中间冷却器,1低压机来的进汽口；去高压机的出汽口；3汽体均压管；4液体均压管；5氨液进口；6排液管接头；7放油管接头；8平衡孔；9压力表接头；10液面指示器；11伞形多孔挡板；12远距离液面指示器接头；13高压氨液进、出口接头,14.2 制冷系统及设备,8水冷却装置 水冷却装置的作用是冷却由氨冷凝器排出的循环水。水冷却装置有三种类型：喷水池、自然通风冷却塔、机械通风冷却塔。图14-18为点波式机械通风填料冷却塔。塔中部放置斜波填料，上部安装旋转式布水器。塔顶有轴流风机，风机的轴、尾部和接线盒用环氧树脂密封，避免电机受潮。,14.2 制冷系统及设备,图14-18 点波式填料冷却塔,