水處理與制冷系統(tǒng)及設(shè)備課件

生物工程設(shè)備第十四章水處理與制冷系統(tǒng)及設(shè)備

水處理與制冷系統(tǒng)及設(shè)備

14.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備14.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備14.1.1水的過濾過濾是一系列過程的綜合效應(yīng)，包括篩濾，深層效應(yīng)和靜電吸附等。水中粒子直徑大于過濾層的孔徑時(shí)，離子被阻擋在過濾層的表面，稱為表面過濾。而小于過濾層孔徑的離子進(jìn)入濾層深處，由于濾層孔隙彎曲，形狀大小不斷變化，最終使小粒子被截留，這種作用屬深層過濾。水的過濾實(shí)際包含兩個(gè)過程，即過濾和沖洗，過濾為水的凈化過程，沖洗是從過濾介質(zhì)上沖洗掉污物，使之恢復(fù)過濾能力的過程。14.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備表14-1國(guó)產(chǎn)砂濾棒過濾器規(guī)格規(guī)格高×直徑×厚/壓強(qiáng)為196時(shí)的流量/（型號(hào)每臺(tái)砂濾棒根數(shù)/（根/臺(tái)））101型鋁合金濾水器106型鋁合金濾水器112型鋁合金濾水器108型鋁合金濾水器單支壓力濾水器800×500×20450×320×10400×300×10320×260×10280×70×50101型濾棒19106型濾棒12112型濾棒6108型濾棒7109型濾棒115008005002503014.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備

2．活性炭過濾器用于水處理的活性炭微孔徑為2～5nm，常用于離子交換法和電滲析法的前處理，可有效地保護(hù)離子交換樹脂，防止樹脂污染?；钚蕴窟^濾器結(jié)構(gòu)與一般機(jī)械過濾器相似（圖14-1），過濾器底部裝填0.2～0.3m厚，粒徑為1～4nm的石英砂層作為支持層。石英砂上面鋪裝1.0～2.0m厚活性炭層，操作時(shí)，水由頂部自然順流下降過濾，由底部排出。表14-2列出了部分活性炭過濾器規(guī)格。14.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備圖14-1活性炭過濾器14.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備活性炭過濾器運(yùn)行一段時(shí)間后，因截污量過多，暫時(shí)失去活性，需反洗再生，其步驟為：①反洗。清水以8～10l/(m2s)的反洗強(qiáng)度從底部進(jìn)入，反洗時(shí)間15～20min。②蒸汽吹洗。從底部通入0.3MPa飽和蒸汽吹洗15～20min。③淋洗。用6%～8%NaOH溶液（40℃）從頂部通入洗滌。洗滌量為活性炭體積的1.2～1.5倍。④正洗。原水至頂部通入，沖洗至出水符合規(guī)定水質(zhì)要求。14.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備14.1.2水的軟化

1．離子交換裝置（1）固定床離子交換裝置水處理中最簡(jiǎn)單的方法是采用固定床，即將離子交換樹脂裝填于管柱式容器中，形成固定的樹脂層。操作時(shí)，交換、反洗、再生、清洗四個(gè)過程間歇反復(fù)地在同一裝置中進(jìn)行，而離子交換樹脂本身不移動(dòng)，也不流動(dòng)。14.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備單床是固定床中最簡(jiǎn)單的一種方式。常用的鈉型陽離子交換裝置即屬這一方式。多床是同一種離子交換劑，兩個(gè)單床的串聯(lián)方式。當(dāng)單床處理水質(zhì)達(dá)不到要求時(shí)可采用多床。復(fù)床是兩種不同離子交換劑的交換器的組合，即一個(gè)陽離子交換樹脂單床與一個(gè)陰離子交換樹脂單床串聯(lián)?；旌洗彩菍㈥庩栯x子交換樹脂置于同一柱內(nèi)，相當(dāng)于多級(jí)陰陽離子柱串聯(lián)起來。處理水質(zhì)較高。多層床是在一個(gè)交換柱中裝有兩種樹脂，上下分層不混合。14.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備移動(dòng)床裝置如圖14-2所示，離子交換樹脂裝于交換塔中，原水從下部流入，軟水從塔上部流出。交換一定時(shí)間（一般45～60min）后停止交換，將交換塔中失效樹脂送至再生塔還原，同時(shí)從清洗塔向交換塔上部補(bǔ)充相同量的已還原清洗的樹脂。出水水質(zhì)穩(wěn)定，交換樹脂及還原液的利用率比固定床高，其缺點(diǎn)是交換樹脂磨損較大，耗電量較多。

14.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備圖14-2移動(dòng)床離子交換裝置1－交換塔；2－清洗塔；3－再生塔14.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備（1）工作原理電滲析裝置是利用陰、陽離子交換膜對(duì)水中離子具有選擇性和透過性的特點(diǎn)，在外加直流電場(chǎng)的作用下，使原水中陰、陽離子分別通過陰離子交換膜和陽離子交換膜遷移，從而達(dá)到除鹽的目的。電滲析工作原理如圖14-3所示。14.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)入1、3、5、7室的離子，在電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)。陽離子移向陰極，透過陽膜進(jìn)入2、4、6、8室。陰離子移向陽極，透過陰膜進(jìn)入2、4、6、8室。因此，從第1、3、5、7室流出來的水中，陰、陽離子都會(huì)減少，成為淡水。而進(jìn)入第2、4、6、8室的水中離子也要定向移動(dòng)。陽離子要移向陰極，但受陰膜的阻擋而留在室內(nèi)，陰離子要移向陽極，受陽膜的阻擋也留在室內(nèi)。且第1、3、5、7室中的陰陽離子都要穿過膜進(jìn)入水中，所以從第2、4、6、8室流出來的水中，陰陽離子數(shù)都比原水中的多，成為濃水。

14.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備（2）電滲析器結(jié)構(gòu)電滲析器有立式和臥式兩種。其基本部件均是由交換膜、隔板、電極、極框、壓緊裝置等組成（圖14-4）離子交換膜是一種由具有離子交換性能的高分子材料制成的薄膜。按其透過性能分為陽離子交換膜和陰離子交換膜。能透過陽離子的叫陽離子交換膜，能透過陰離子的叫陰離子交換膜。目前常用的陽離子交換膜為磺酸基型，帶負(fù)電荷，吸收水中的陽離子，并讓其通過該膜，而阻止負(fù)離子的通過。14.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備圖14-4立式電滲析器裝置

1－陽級(jí)室；2－導(dǎo)水板；3－壓緊框；4－膜堆；5－陰級(jí)室；6－壓濾機(jī)式銷緊裝置14.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備圖14-5電滲析器多級(jí)一段并聯(lián)組合14.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備圖14-6電滲析器多級(jí)多段串聯(lián)組

14.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備14.1.3水的殺菌水的殺菌方法很多，目前常用氯、臭氧及紫外線殺菌。

1．氯殺菌氯氣進(jìn)入水中可生成次氯酸，次氯酸具有強(qiáng)烈的氧化作用，可以破壞細(xì)胞內(nèi)酶和細(xì)菌的生理機(jī)能使細(xì)菌死亡。我國(guó)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在管網(wǎng)末端自由性余氯保持在0.1～0.2mg/L之間。常采用的氯殺菌試劑還有活性二氧化氯、漂白粉和次氯酸鈉，其中前者具有殺菌能力強(qiáng)，水純凈，不增加水的硬度，殺菌效果好，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但制備成本較高．14.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備1－空氣凈化降溫干燥塔；2－臭氧發(fā)生器；3－變壓器；4－噴射器；5－消毒水池；

圖14-7臭氧殺菌流程14.1水處理系統(tǒng)及設(shè)備

3．紫外線殺菌波長(zhǎng)為200～295nm的紫外線有殺菌能力，能用來對(duì)水進(jìn)行殺菌。圖14-8所示為隔水套管式紫外燈殺菌裝置。使用時(shí)，紫外燈懸掛在水面上，待殺菌的水以200厚的薄層緩慢通過照射區(qū)。也可將紫外燈沉浸在水中，水慢慢流過以滅菌。一般水上滅菌多采用低壓汞燈，沉浸于水中采用高壓汞燈，后者的殺菌效果高于前者。殺菌率可達(dá)97%以上。表14-3列出了部分紫外燈使用參數(shù)。

14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

14.2.1壓縮式制冷循環(huán)壓縮式制冷循環(huán)實(shí)質(zhì)上是一種逆向卡諾循環(huán)，制冷過程包括壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)四個(gè)階段，其制冷流程如圖14-9所示。系統(tǒng)中的制冷劑飽和蒸汽被壓縮機(jī)吸入壓縮，成為液體放出熱量。液體制冷劑經(jīng)膨脹閥，壓力降低，部分液體吸熱汽化，使制冷劑溫度降低，低溫液體進(jìn)入蒸發(fā)器吸收周圍介質(zhì)熱量而汽化，氣體再進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮，完成一個(gè)循環(huán)過程。為了使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定循環(huán)，設(shè)置油分離器、貯存罐、液氨分離器等附屬設(shè)備。14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

圖14-9單級(jí)壓縮制冷循環(huán)14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

當(dāng)所需溫度較低時(shí)，壓縮機(jī)在高壓縮比（壓縮機(jī)出口壓力與進(jìn)口壓力的比值）的條件下工作。此時(shí)若采用單級(jí)壓縮制冷，壓縮氣體的溫度較高，會(huì)引起運(yùn)行上的困難。此時(shí)可采用雙級(jí)壓縮制冷（如圖14-10所示）。一般當(dāng)壓縮比>8時(shí)，采用雙級(jí)壓縮較為經(jīng)濟(jì)合理。對(duì)于氨壓縮機(jī)，當(dāng)蒸發(fā)溫度在-25°C以下或冷凝壓力大于時(shí)，宜采用雙級(jí)壓縮制冷。

14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

圖14-10雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)圖14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

壓縮式制冷循環(huán)中，制冷量(制冷劑在蒸發(fā)器中吸收的熱量)與壓縮機(jī)所消耗的機(jī)械功L的比值稱為制冷效率，可由下式計(jì)算：

式中 ——制冷效率；

——制冷量，；

——壓縮機(jī)所消耗的功，；

——制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)溫度，；

——制冷劑在冷凝器內(nèi)的冷凝溫度，；14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

制冷機(jī)的制冷量可用下式計(jì)算：式中——每1制冷劑的制冷量，； ——制冷劑在制冷機(jī)中的循環(huán)量，。則制冷機(jī)的理論功率（KW）為:

14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

14.2.2制冷劑及載冷劑

1．制冷劑制冷劑是制冷系統(tǒng)中用來吸取被冷卻物質(zhì)熱量的介質(zhì)。對(duì)制冷劑的要求是：沸點(diǎn)低，在蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)壓力應(yīng)大于外界大氣壓；冷凝壓力不超過1.2～1.5；單位體積產(chǎn)冷量應(yīng)盡可能大；密度和粘度應(yīng)盡可能小；導(dǎo)熱和散熱系數(shù)高；蒸發(fā)比容小，蒸發(fā)潛熱大。制冷劑能與水互溶，對(duì)金屬無腐蝕作用，化學(xué)性能穩(wěn)定高溫下不分解。無毒性、無窒息性及刺激作用，易于取得，價(jià)格低廉。14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

目前常用的制冷劑有氨和氟利昂。氨主要用于冷凍廠、制藥廠、酵母廠及其他發(fā)酵工廠的制冷系統(tǒng)。F-12及F-22多用于冰箱、空調(diào)機(jī)、雙級(jí)壓縮系統(tǒng)及冷庫(kù)，氨是中溫制冷劑，有毒性，并能燃燒和爆炸。但價(jià)格低廉，壓力適中，單位體積制冷量大，在管道中流動(dòng)阻力小，因此被廣泛應(yīng)用。氟利昂制冷劑是飽和碳?xì)浠衔锏柠u素衍生物的總稱，不易燃燒；絕熱性能小，因而排氣溫度低；分子量大，適用于離心式壓縮機(jī)，但價(jià)格昂貴，放熱系數(shù)低，單位體積制冷量小，因而制冷劑的循環(huán)量大。14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

2．載冷劑采用間接冷卻方法進(jìn)行制冷時(shí)，所用的低溫介質(zhì)稱為載冷劑。載冷劑在制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器中被冷卻，然后被泵送至冷卻設(shè)備內(nèi)，吸收熱量后，返回蒸發(fā)器中。載冷劑必須冰點(diǎn)低，熱容量大，對(duì)設(shè)備的腐蝕性小，且價(jià)格低廉。常采用的載冷劑有氯化鈉、氯化鈣水溶液，酒精和乙二醇等。氯化鈉價(jià)格便宜，但對(duì)金屬的腐蝕性較大。氯化鈣溶液對(duì)金屬的腐蝕性小。采用乙醇、乙二醇作為載冷劑可以避免腐蝕現(xiàn)象。14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

14.2.3制冷系統(tǒng)設(shè)備

1．制冷壓縮機(jī)體積型制冷壓縮機(jī)有活塞式、滑片式和螺桿式。其中以活塞式制冷壓縮機(jī)較多見，圖14-11是活塞式壓縮機(jī)工作原理圖。壓縮機(jī)的進(jìn)氣活門裝在活塞的頂部，利用曲軸連桿使活塞上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，裝在安全板上的排氣活門關(guān)閉，汽缸內(nèi)的壓力減小，其壓力較吸器管中的壓力為低，則吸氣閥門被打開，低壓管中的氨氣進(jìn)入汽缸中。14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

圖14-11活塞式壓縮機(jī)工作原理圖1－上蓋；2－排氣閥門；3－樣蓋；4－水套；5－吸氣閥門；6－活塞環(huán)；7－活塞；8連桿14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

壓縮機(jī)在運(yùn)行中，由于汽缸內(nèi)存有余隙；吸氣、排氣時(shí)存在氣閥阻力；汽缸壁與制冷劑之間發(fā)生熱交換；壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件發(fā)生摩擦；吸氣閥，排氣閥泄漏等都會(huì)使壓縮機(jī)的實(shí)際吸氣體積小于理論體積，從而影響壓縮機(jī)的產(chǎn)冷量，二者的比值稱吸氣系數(shù)，用“”表示，即：14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

對(duì)于大型立式氨壓縮機(jī)，λ=0.81～0.92，冷凝溫度越低，λ越大；蒸發(fā)溫度越低，則λ越小。高速（720）多缸制冷壓縮機(jī)的λ可用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：式中——冷凝壓力， ——蒸發(fā)壓力， ——多變壓縮指數(shù)，對(duì)于氨=1.28；F-12，=1.13；F-22，=1.18。14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

2．冷凝器冷凝器的作用是使高溫高壓過熱氣體冷卻，冷凝成高壓氨液，并將熱量傳遞給周圍介質(zhì)。冷凝器有臥式冷凝器、立式冷凝器、套管冷凝器、外噴淋蛇管冷凝器等。噴淋蛇管冷凝器由盤管組成，盤管上裝設(shè)V形配水槽，常安裝在露天或屋頂上，傳熱系數(shù)K=600～800°C），單位熱負(fù)荷=3000～3500，用水量=0.8～1.0，這種冷凝器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用水量少，但占地面積大，較少使用。14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

氨臥式冷凝器常分為雙程列管式換熱器。傳熱系數(shù)=700～900W/m2℃），單位熱負(fù)荷qF=3500～4100，單位面積冷卻水用量WF=0.5～0.9，最高工作壓力20×105，冷卻水用量少，可以裝在室內(nèi)，操作方便，但水管清洗不方便，只適用于水質(zhì)較好地區(qū)。氨立式殼管冷凝器應(yīng)用較廣，系一鋼板圓柱殼體，兩端焊有管板各一塊；殼體內(nèi)部有φ5mm×3mm或φ3mm×3mm的無縫鋼管與管板固定。14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

冷卻水自頂部進(jìn)入貯水箱，經(jīng)分水器沿管子內(nèi)壁順流而下，形成膜狀分布在管內(nèi)表面；可用河水冷卻而不易堵塞。氨氣則自殼體下部引出。冷凝器上有氨氣進(jìn)口、氨液出口、安全閥、放空閥、放油閥、壓力表、均壓管和混合氣體出口等。傳質(zhì)系數(shù)K、單位熱負(fù)荷qF與臥式冷凝器相近。冷卻水用量WF=1.0～1.7m2/(m3h)，最高工作壓力20×105，立式冷凝器占地面積小，清洗列管方便，可安裝在室外，但用水量較大。常用的立式冷凝器有LN-20、35、50、75、100、125、150、250m2傳熱面積，LNA-35～LNA-300m2傳熱面積等。14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

3．膨脹閥與蒸發(fā)器膨脹閥又稱節(jié)流閥，高壓液氨通過膨脹閥，壓力急劇下降，體積迅速膨脹，汽化吸熱，使其本身的溫度降低到需要的低溫，再送入蒸發(fā)器。常用的手動(dòng)閥有針形閥（公稱直徑較?。┖蚔形缺口閥（公稱直徑較大）兩種，羅紋有細(xì)牙，閥門開啟度較小，閥孔有一定形狀和結(jié)構(gòu)，一般開啟為～周，不超過一周。手動(dòng)膨脹閥按公稱直徑的大小選用。14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

立管式蒸發(fā)器如圖14-12所示，分別由2～8個(gè)單位蒸發(fā)器組成，每個(gè)單位蒸發(fā)器由上下兩支水平總管、中間焊接許多直立短管制成，有10、15、20m2及40m2等幾種蒸發(fā)面積。立式蒸發(fā)器的型號(hào)有LZ-20－LZ-300型，其蒸發(fā)面積有20、30、40、60、90、120、200、240、320m2等。整個(gè)蒸發(fā)器有輸液總管、回氣總管、氨液分離器、集油器及遠(yuǎn)距離液面指示器等接頭。蒸發(fā)器里裝有攪拌器以維持流速，使載冷劑在箱內(nèi)循環(huán)。水箱下部有排水管，底及四周有絕熱層。傳熱系數(shù)K=500～600W/m2℃)，單位熱負(fù)荷qF=2300～2900W/m2.14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

圖14-12立管式蒸發(fā)器1－上總管；2－木板蓋；3－攪拌器；4－下總管；5－直立短管；6－氨液分離器；7－軟木；8－集油箱

14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

立管中氨的循環(huán)路線如圖14-13。氨液自上部通過導(dǎo)液管進(jìn)入蒸發(fā)器，導(dǎo)液管插入直立粗管中，保證液體先進(jìn)入下總管、再進(jìn)入立管，立管中液位幾乎達(dá)到上總管。由于細(xì)管的相對(duì)傳熱面大，保證了制冷劑的循環(huán)，從而提高了蒸發(fā)器的傳熱效果。臥式殼管式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)與臥式殼管式冷凝器相似。14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

圖14-13立管中制冷劑循環(huán)路線1上總管；2液面；3直立細(xì)管；4導(dǎo)液管；5直立粗管；6下總管14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

4．油氨分離器油氨分離器的作用是除去壓縮后氨氣中攜帶的油霧。油霧分離器有洗滌式、填料式等。洗滌式是慣性型分離器，如圖14-14所示。其原理是利用油氨的密度不同，在突然改變流速和方向時(shí)，由于油的密度較氨大而下降聚集在底部。14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

圖14-14油分離器14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

通常在壓縮機(jī)和油氨分離器之間的管路內(nèi)，氨氣流速為12～20m/s。而進(jìn)入油氨分離器后的流速為0.8～1.0m/s。一般油氨分離器的直徑比高壓進(jìn)氣管徑大4～5倍。這種分離器有YF-40、50、70、80、100、125、150、200等。型號(hào)數(shù)字表示氨氣進(jìn)口管徑。為了提高分離效果，在油氨分離器內(nèi)設(shè)有傘形擋板，并保持一定的氨液液位，壓縮后的氨氣通入油氨分離器的氨液內(nèi)，進(jìn)行洗滌降溫，分離效率可達(dá)95%。14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

5．貯氨罐貯氨罐的作用是貯存和供應(yīng)制冷系統(tǒng)的液氨，使系統(tǒng)各設(shè)備內(nèi)有均衡的氨液量，以保證壓縮機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。高壓貯氨罐與冷凝器的排液管、均壓管連接，常用的臥式貯氨罐是一個(gè)由圓柱形鋼板殼體及封頭焊接而成的容器，裝有液氨出口管、放空氣管、安全閥、放油閥、排污閥、液位鏡、壓力表等。容器的容納量，一般為每小時(shí)制冷循環(huán)量的1/3-1/2，氨液裝入量不應(yīng)超過容量的80%。14.2制冷系統(tǒng)及設(shè)備

6．氣液分離器氣液分離器的作用是維持壓縮機(jī)的干沖程，同時(shí)將送入冷卻排管（蒸發(fā)器）液體內(nèi)的氣體分出，以提高制冷效率。一般氣液分離器安裝在較高