第34章-空调及制冷系统

• 制冷循环
• 开式循环冷却水问题
• 空气垫圈
• 封闭供水系统
• 控制水平衡
• 一般考虑

一个多世纪以来，工业空调一直被用于干燥、湿度控制和减少灰尘和烟雾。它最常见的功能是提供一个舒适的工作环境，增加办公室、商业建筑和工业工厂人员的舒适度和生产力。

空调是对空气进行处理和分配，以控制选定区域的温度、湿度和空气质量的过程。对于温度和湿度控制，空气通过冷冻或加热的盘管和/或在控制温度下喷水。直接喷水也可以去除灰尘和气味。其他空气净化系统可能包括机械分离、粘附、筛分、过滤或静态吸引，视乎所遇到的空气污染物的种类和所需的空气质量(图34-1）.

制冷是将一种物质的温度降低到其周围环境温度以下的过程，包括生产用于空调或工艺应用的冷冻水。用于注塑等工艺的冷冻水可以与用于空调的冷冻水处于相同的温度范围内。制冷系统也用于提供温度低于水凝固点的冷冻防冻液(盐水)。除了各种化学过程的应用外，卤水还用于制冰和冷库。

冷冻水可用于空气清洗机，或封闭盘管或作为喷雾水。冷冻水也可用于封闭系统和单独的喷雾水系统。

生产和分配冷冻空气的方法有很多。在中央空调系统中，空气通过经水、盐水或挥发性制冷剂直接膨胀冷冻的盘管。然后，冷冻空气通过管道系统进行分配。

与空调相关的水系统可以分为三大类:开式循环冷却、空气冲洗器和闭式或开式冷冻水系统。在水处理应用中，开式循环冷却系统类似于开式冷冻水系统。

基本的机械空调系统的组成部分是空气和水分配系统，制冷机和散热系统。空调的制冷通常通过吸收或压缩循环提供。

吸收式制冷采用低压蒸汽或高温热水为能源，水为制冷剂，溴化锂或氯化锂为吸附剂。

压缩式制冷系统通常使用卤碳化合物或氨作为制冷剂。内燃机、涡轮或电动机提供动力驱动离心或正排量压缩机。

当液体制冷剂通过蒸发吸收热量时，通常在较低的温度和压力下进行制冷或冷却。当制冷剂冷凝时，它向任何可用的冷却介质释放热量，通常是水或空气。

单级制冷循环

的基本制冷循环采用单级蒸汽压缩在系统中有四个组成部分。它们是压缩机、冷凝器、计量装置和蒸发器。蒸发器中的低压液体制冷剂从被冷却的液体中提取热量并蒸发。然后将低压蒸气压缩到制冷剂蒸气可以被可用的冷却介质冷凝的压力。然后蒸汽流向冷凝器，在那里被冷却和凝结。液体制冷剂从冷凝器流向一个计量装置，在那里它的压力降低到蒸发器的压力。这样循环就完成了。

在工业或商业空调系统中，热量通常被水拒掉。可以使用一次冷却，但市政限制和水成本一般要求再循环和蒸发冷却过程。

蒸发冷却通常采用蒸发冷凝器或冷却塔。喷雾池可以作为一种替代方案。冷却系统中的水的再循环将补水需求降低到一次冷却所需水的3%以下。

制冷量是以吨为单位的。一吨制冷量的定义是蒸发器或冷水机以12,000 Btu/小时的速率排出热量的能力。

吸收式制冷系统去除12000 Btu/小时(1吨空调)需要大约18000 Btu/小时的热能输入来驱动吸收过程。这意味着冷却塔的排热量约为每吨制冷3万Btu/小时。由于塔楼的温度下降了15°F(8°C)，吸收系统的散热需要每吨空调循环约4 gpm的水。循环水的蒸发速度约为每吨3.7加仑。

除溶液和制冷剂泵外，吸收系统中没有活动部件。虽然这是一种经济的设计优势，但必须考虑生产所需的低压蒸汽或高温热水的成本。

压缩系统也施加额外的热负荷。这是由于从蒸发器压缩低压、低温制冷剂气体并以更高的压力将其输送到冷凝器所需要的能量。压缩机能量输入约为每吨制冷3000 Btu/小时。因此，压缩系统的正常排热约为每吨制冷15,000 Btu/小时，需要蒸发约2加仑/小时的冷却水。

压缩式制冷系统要求冷却水循环速率约为每吨制冷3 gpm，整个冷却塔的温度下降为10°F。

压缩式制冷系统的主要能源消耗者是压缩机，它被设计成在给定负荷下以一定的水头压力运行。该压力等于冷凝器中的制冷剂压力。术语“高水头压力”是指在特定负载条件下冷凝器压力高于其应值。

过高的水头压力有两方面的代价。首先，它呈现了系统关闭的危险;当压缩机超过安全的最大水头压力时，安全控制装置将停止压缩机电机。其次，当压缩机在大于设计水头压力的情况下运行时，会导致功耗的增加。

冷凝器管污染是共同的原因吗高水头压力．污垢增加了从制冷剂到冷却水的热传递阻力。为了保持相同的传热速率，必须提高制冷剂的温度。压缩机通过增加制冷剂冷凝时的压力来满足这一需求。对于离心式冷水机，冷凝温度每升高1°F，压缩机能耗约增加1.7%。

吸附系统中的污垢和水垢的形成也会降低操作效率。因为冷凝器中存在最高的水温，沉积首先发生在这个装置中。在极端条件下，垢也会在吸收塔内形成。

冷凝器中的沉积对发电机施加了更高的背压，因此需要增加的蒸汽或HTHW来将制冷剂从吸收剂中释放出来。其结果是制冷剂蒸气压的增加和冷凝水蒸汽和冷却水之间更大的温差。虽然这补偿了对热流的阻力，但需要更多的能量来提供增加的热输入。

如果水条件严重到在吸收塔内造成沉积，吸收塔去除的制冷剂就会减少，冷却能力就会降低。制冷剂循环的减少降低了设备满足冷却要求的能力。

如果吸收剂在发生器中加热到高于常温时，吸收器内的吸收率降低，卤溶液过度浓缩的危险也存在。这种过高的浓度会导致盐水结晶，导致系统关闭。

结垢和结垢会浪费能源，最终可能导致系统意外关闭。有效的水处理可以将凝汽器沉积引起的水头压力过高和蒸汽消耗过高的可能性降到最低。

腐蚀会在开放式循环或冷冻水回路中造成问题。当腐蚀没有得到适当的控制时，所产生的腐蚀产物会抑制热传递，增加能源消耗，其方式与污垢和结垢形成的方式相同。未经检查的腐蚀会导致热交换器泄漏和灾难性的系统故障。

在任何冷却应用中，注意冷却塔的运行是很重要的。适当的冷却塔维护可以使冷却效率最大化，或者说是排斥热量的能力最大化。这对于在满负荷条件下连续运行的制冷机械是至关重要的。

为了获得最佳性能，冷却塔填料应保持清洁，防止变质。水分配系统必须为填充物提供均匀的润湿，以达到最佳的空气-水接触。

其他部件，如漂移消除器、填充支架、调节阀、配电平台和塔式风扇，应保持清洁，以保持有效的排热。无效的冷却或排热会增加冷却塔水池中的水的温度，因此，送到冷凝器的水的温度也会升高。这就需要在更高的温度(吸收)或更高的温度和压力(压缩)下冷凝制冷剂，以相同的速率将热量排到较暖的水中。这增加了运行系统所需的能量(蒸汽、热水、电力)。

开放式循环冷却水问题

开放式冷却系统中的水容易出现水垢、腐蚀、黏液和藻类等问题。

规模

当水在冷却塔或蒸发式冷凝器中蒸发时，纯蒸汽消失，溶解的固体集中在剩余的水中。如果允许这个浓缩循环继续下去，各种固体的溶解度最终将被超过。固体随后会以水垢的形式沉积在更热的表面上，如冷凝器管。沉积物通常是碳酸钙。也可能发生硫酸钙、二氧化硅和铁沉积，这取决于水中所含的矿物质。沉积抑制热传递，降低能源效率。

通过增加溶解矿物的表观溶解度的阈值抑制剂防止沉积。因此，它们不会沉淀，而是通过排污去除。排出的水自动被淡水取代。

循环水中溶解的固体与补充水中溶解的固体的比率称为“浓度循环”。通过正确的处理，可以增加浓度循环，从而减少补妆水，从而减少所需的化学物质(表34-1)。

	每日需水量(加仑)		年度水费
塔的大小 大量的制冷设备	2个周期	5个周期	2个周期	5个周期
250	10800年	6750年	972美元	608美元
600	25920年	16200年	2333美元	1458美元
3000	129600年	81000年	11664美元	7290美元

塔的冷却能力取决于水雾化成水滴的细微程度。更小的液滴向大气损失更多的热量;然而，更多的小水滴被吸入塔的空气带走。这种“风阻损失”或“漂移损失”成为系统总排放的一部分。风阻损失约为水循环速率的0.1 ~ 0.3%。

起风会产生不良的影响，例如建筑物的污迹，汽车表面的斑点和恶化。这些问题是由循环水中溶解的固体引起的，当水滴落在表面时，这些固体蒸发干燥。由于水处理化学品只会轻微增加水中溶解的固体含量，它们通常对发现问题没有显著作用。

在某些冷却系统中，连续的排液或漏液足以控制水垢。连续排污的重要性，相对于周期性的完全排水，怎么强调都不过分。在大多数冷却系统中，水的体积与蒸发的水量相比是很小的。因此，过量的固体浓度可以在短时间内形成。连续排污可防止塔水中产生过多的固体浓度。

为了保持溶液中的固体，高碱性和高硬度的水除了排出外，可能还需要添加硫酸或酸性盐。酸性饲料需要小心处理和控制，只应使用在排污率过高的地方。

沸石钠软化化妆水也是一种有效的控制水垢的方法。然而，这一过程并不能降低塔水的碱度。由于由此产生的低硬度、高碱度、高ph值的水对铜合金特别有害，除了软化外可能还需要酸的补充。此外，碳钢的腐蚀控制在软化水比硬水更困难。

聚磷酸盐对控制水垢有一定价值，但必须谨慎使用，因为聚磷酸盐的水解会导致正磷酸盐离子的形成。如果这个过程没有得到适当的控制，就会产生磷酸钙沉积。现在有化学物质抑制水垢形成没有这种不良的副作用。因此，聚磷酸盐现在主要用于缓蚀。

控制碳酸钙颗粒生长和防止沉积的处理方法可以获得合理的排液速率，并且不需要用酸降低pH值。膦酸盐作为结垢的阈值抑制剂和氧化铁分散剂特别有用。某些低分子量聚合物还具有控制碳酸钙结垢的能力。

悬浮固体(通过冷却塔的空气中的灰尘和碎片)会造成一般的污垢，并会加剧水垢的形成。沉积物还可能引起局部的沉积物下腐蚀。

传热表面的污垢具有绝缘效果，降低了过程的能源效率。不能控制结垢也会降低传热速率。因此，合理设计的处理方案必须包括聚合分散剂和防垢剂，以减少一般的污垢和抑制垢的形成。

腐蚀

开放式循环冷却系统中的水具有腐蚀性，因为它被氧饱和了。城市地区的系统经常从空气中吸收酸性气体，这有利于缩小规模。然而，过多的气体吸收会导致严重的腐蚀性水。

基于色素的缓蚀剂非常有效，但现在在舒适的冷却塔中被禁止使用。最常用的缓蚀剂有磷酸盐、钼酸盐、锌、聚磷酸盐、硅酸盐和有机基处理。这些抑制剂可应用于低或碱性pH值处理范围。

在低pH值下，使用高磷酸盐水平来促进钢的钝化。在高pH值时，使用各种缓蚀剂和沉积控制剂的组合。这些方案使用有机抑制剂与锌、磷酸盐或钼酸盐相结合。在环境不可接受的情况下，可以在碱性ph值下使用硅酸盐。这种类型的抑制剂方案还包括沉积控制剂。然而，必须控制二氧化硅浓度，以防止硅酸盐沉积，形成坚硬和持久的水垢。

氮唑作为铜的缓蚀剂，在大多数方案中用于提高铜的防腐蚀能力和减少黑色金属的点蚀。

由于许多冷却塔系统的热负荷随着天气条件的变化而变化，水的蒸发率往往是不规则的。因此，在负荷波动较大的情况下，冷却系统保护可能低于预期或预期。自动化水处理控制设备大大提高了在这些条件下运行的系统的处理效果。

黏液和藻类

多种抗菌素可用于控制开放式冷却系统中的藻类和生物黏液。非氧化有机材料(如季铵盐、其他有机氮化合物和有机硫化合物)经常被使用。有些抗菌素在排放到环境中之前可以进行解毒。微生物程序通常使用非氧化性和氧化性化学物质的组合。氧化性化学物质包括氯、次氯酸盐、有机氯供体和溴化合物。氯气需要氯化设备和控制，这对大多数空调系统来说是不实用的。氯和次氯酸盐必须小心使用，因为过多的氯会增加腐蚀，可能导致冷却塔的木材和热传导效率降低．有关冷却系统中微生物问题和抗菌素使用的更多信息，请参见26章．

空气垫圈

空气垫圈空气直接与水接触调节的喷雾室。冷冻水包含在开放的系统，或从封闭的系统．

空气清洗机清除空气中的灰尘、烟雾和气味。此外，从制造过程返回的空气可能含有独特的污染物，必须清除。工艺污染物包括纺织厂的纤维和油，烟草厂的烟草粉尘，布织厂的浆料。

过滤器会在空气中的颗粒物通过喷雾段之前将其过滤掉。消除叶片防止雾或水滴与空气一起离开机组。除了清洁，空气清洗机通常还有其他功能。通过调节喷淋水温度，可控制空气温度和湿度。

当空气在冬天必须加湿时，一些水分被蒸发了。这增加了剩余液体中的固体浓度。一般不会形成水垢，因为水的温度比较低。如果喷水温度低于进入空气的露点，则对空气进行除湿处理。在夏季，除湿包括冷凝空气中的水蒸气，稀释循环水中的固体，使水从空气清洗机的底部集水池或盘溢出。

腐蚀可以在空气冲洗器中发展，就像在循环冷却水系统中一样。喷雾水被大气中的氧饱和，当存在时，酸性空气污染物降低pH值，并有助于其腐蚀性。因此，在空气冲洗器处理中使用缓蚀剂是很重要的。

空气清洗机的清洁度有助于防止空气中令人反感的气味。空气洗涤器中的空气体积与水循环速率的关系比冷却塔中的要大得多。因此，堆积污泥的倾向更大。污泥会引起局部腐蚀或促进产生异味的生物活性。因此，分散剂和/或表面活性剂是空气清洗机水处理程序中不可分割的一部分。

被清洗的空气中也含有大量的微生物和物质，这些微生物和物质会滋养细菌。因此，生物黏液是空气洗涤器中的一个重要问题。非氧化化学品用于微生物控制。然而，这种处理可能会产生不良气味。

如果必须对空气清洗机进行灭菌，则停止空气流动，并在清洗机中循环氧化或非氧化抗菌素溶液。然后必须用软管冲洗该装置，直到因处理而松动的材料从空气清洗机底部彻底冲洗干净。

封闭供水系统

除非必须使用硬补水，否则封闭系统不会形成水垢。许多封闭系统使用沸石软化水或凝结水作为弥补，以防止水垢问题。

在密闭系统中，氧浓度比曝气系统低。因此，腐蚀的可能性要低得多。然而，有些腐蚀是存在的，松散的腐蚀产物会导致管道、自动阀门和通风口的污染。

理论上，封闭的水系统不需要缓蚀剂。与初始补水一起引入的任何氧气都应很快被系统金属氧化殆尽，之后就不再发生腐蚀。然而，封闭系统通常损失足够多的水和泄漏足够多的空气，需要防腐保护。

最常用的抑制剂是钼酸盐、硅酸盐或亚硝酸盐基。铬酸盐的使用可能受到限制，因为法规将其归类为致癌物。阻垢剂的用量取决于系统水温及其冶金性能。封闭系统在初次充电后通常不需要什么额外处理。因此，可以使用相对较高的处理水平，以相对较低的成本提供更大的安全边际。

基于亚硫酸盐的程序也用于控制腐蚀。与其他缓蚀剂不同的是，不建立腐蚀缓蚀剂膜;亚硫酸盐通过与溶解氧发生反应并去除溶解氧来防止氧腐蚀。维持碱性pH值以防止酸性腐蚀。在空气泄漏的情况下，亚硫酸盐的需求与水分损失不成正比，可能非常高。亚硫酸盐的大量消耗增加了循环水中的溶解固体含量，增加了处理成本。因此，应尽量减少漏气。

绝缘联轴器用于封闭系统以控制电偶腐蚀。这些偶联物大多是酚醛树脂，在高pH值下可能会被破坏。

控制水平衡

天气变化会引起开放式冷却水系统固体浓度的变化，特别是在空气洗涤器中。空调系统设计并不总是能妥善解决水处理的需要。通常，在冷却塔设计中，水池容积被减少，以最小化系统重量。这导致体积与循环速率的比值较低，从而导致固水浓度随负荷变化而变化较快。此外，低容量的水盘用于蒸发冷凝器和空气清洗器，以减少空间和重量。

水处理程序可能因下列任何因素而复杂化:

• 靠近烟囱的冷却塔会吸收空气中的污垢和酸性气体
• 冷却塔的安装和运行方式经常使大量水在关闭时从系统溢出
• 在炎热的天气可能需要额外的补充水来降低水温

对于开放式系统，有效和高效的处理方案包括持续排污，持续注入缓蚀剂和分散剂，以及每日水测试。系统不应该仅仅在每周测试的基础上处理和控制。可能需要额外的化学处理以确保充分的保护。

一般考虑

立即开始化学处理的重要性怎么强调都不过分。新的设备将在金属表面产生磨屑，并包含石油、管道化合物、钎焊和焊接垢以及建筑碎片。以前运行的系统没有水处理(或水处理无效)含有腐蚀产物，在启动保护处理时可能脱落。这些材料会阻碍水流，造成污垢，并增加电偶腐蚀电位。悬浮固体可能会导致自动阀门和控制器故障，并缩短泵上机械密封的寿命。

这样的系统应该彻底清洗(机械和化学)，排水和冲洗。常用的清洗剂有有机磷酸盐、聚磷酸盐、合成洗涤剂、分散剂和这些材料的组合。永久性保护处理应在清洗后立即开始，因为系统中的清洁金属表面特别容易受到腐蚀。

非全年运行的空调系统应在空转期间得到妥善保护。开放式冷却水系统应完全排水。在每个空调季节结束时，应该打开并检查冷凝器。冷却塔或空气清洗机的盆应彻底清洗和冲洗。

如果系统是干燥储存，则应在冷凝器完全干燥后严密关闭。理想情况下，它应该充满氮气并密封。如果水没有从闲置的系统中除去，则需要额外的保护措施来抵消增加的腐蚀潜力。必须使用适合长期储存的高浓度缓蚀剂。

如果封闭系统的水温将达到或低于冰点，必须添加防冻剂进行保护。当使用乙二醇防冻剂时，由于这些材料不兼容，必须将经染色质处理的水从系统中排放出去。然而，铬酸盐与甲醇、氯化钙和氯化钠卤水兼容。钼酸盐、亚硝酸盐和硅酸盐类抑制剂可以与这些防冻液一起使用。

冷却塔的除盐器部分会因部分或间歇性润湿而收集盐沉积物。由于在运行过程中没有足够数量的处理水到达除菌器部分，因此向水中添加的处理化学品不能预期提供保护。盐、污垢和碎片也会积聚在空气洗涤器和蒸发冷凝器的消除器和屏幕上。这些地方应该定期用水管冲洗。

有明显污垢的地方需要机械清洗。在工业厂房环境中，在一个空调季节可能需要多次机械清洗。