供水与制冷系统设备.ppt

第十三章 供水与制冷系统设备,第一节 用水质量分级与要求,一、用水质量分级 1、普通水 2、自来水 3、脱盐软化水 4、蒸馏水,二、用水质量要求 根据加工生产的产品不同，对水质量有不同的要求,第二节 水处理系统及设备,生物工业用水处理的三个阶段 过滤沉淀 软化 杀菌,一、水的过滤,表面过滤：水中粒子大于过滤层孔径时，粒子被阻挡在过滤层的表面的过滤。 深层过滤：水中粒子小于过滤层孔径时，粒子进入滤层深处，由于滤层弯曲且形状变化使小粒子被截留的过滤。 水过滤过程：过滤与冲洗 对过滤介质的要求：化学性能稳定，无害无毒；有足够的强度；含污能力大，产水能力高；有适宜的粒度分布和孔隙率。,砂滤棒过滤器,1、结构 主要部件： 砂滤棒：由硅藻土在高温下熔制而成或由硬质玻璃烧结而成。 过滤器外壳：铝合金铸成消毒锅形的密闭容器 2、操作过程 操作时，水由泵打入容器内，在外力的作用下， 水通过砂滤棒的微小孔隙进入棒筒体内，水中粒 子则被截留在砂滤棒的表面。 3、滤出水质量 基本无菌。,活性炭过滤器,1、结构 主体为一密闭圆柱体，过滤器底部装填0.2-0.3m厚石 英砂层作为支撑层，石英砂上面装1-2m厚的活性炭层 筒体上有进出水管接口。 2、操作 过滤：水由顶部导入，顺流自然下降过滤，由底部排出。 反洗： 1）水洗，水从底部进，反洗15-20min， 2）吹洗，再用蒸汽吹洗15-20min 3）淋洗，用NaOH溶液从顶部通入洗涤 4）正洗，清水从顶部通入洗至出水达到要求。,二、水的软化及脱盐,软化：除去水中钙镁离子的过程。 脱盐：除去水中所有阴、阳杂质离子的过程。 软化及脱盐方法：离子交换法、电渗析法、反渗透法,（一）离子交换装置,1、离子交换树脂 是一种具有网状结构、且不溶于酸、碱和有机溶剂的固体离分子化合物。 单元结构分为两部分：一是不可移动且具有立体结构的网络骨架，二是可移动的活性离子。 强酸性阳离子交换树脂：离子本身带有强酸性交换基团 例：RSO3H+NaCl RSO3Na+HCl 弱酸性阳离子交换树脂：离子本身带有弱酸性交换基团 如羧基 COOH，酚羟基 OH 强碱性阴离子交换树脂：离子本身带有强碱性交换基团 例：RN（CH3）3Cl+NaOH RN（CH3）3OH+NaCl 弱碱性阴离子交换树脂：离子本身带有弱碱性交换基团 如：伯胺基团 NH2等,2、离子交换法 是用离子交换剂和水中溶解的某些阴阳离子发生交换反应，来除去水中的有害物质。 3、固定床离子交换装置 结构：将离子交换树脂装填于管柱式容器中，形成固定的树脂层。可组合成单床、多床、复床、混合床、多层床等（P460）。 操作：交换、反洗、再生、清洗4个过程全在一个装置中分别进行。 优点：操作简单、设备少、水质稳定。 缺点：树脂用量多，利用率低，操作不连续。 4、连续床离子交换装置,（二）电渗析装置,1、工作原理 通过具有选择透过性和良好导电性的离子交换膜，在外加直流电场的作用下，使原水中的阴阳离子分别通过阴离子交换膜和阳离子交换膜迁移达到除盐的目的。,2、操作过程 进入第1、3、5、7室的水中离子，在直流电场的作用下要作定向移动。阳离子要向阴极移动，透过阳膜进入极室以及2、4、6室；阴离子要向阳极移动，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，阴阳离子数会减少，成为含盐量降低的淡水。 进入第2、4、6、8室的水中离子，在直流电场作用下也要做定向移动。阳离子要移向阴极，但受阴膜的阻挡而留在室内；阴离子要向阳极移动，受阳膜阻挡也留在室内。第2、4、6、8室内原来的阴阳离子均出不去，而第1、3、5、7室中的阴阳离子都要穿过膜进入其中，所以从第2、4、6、8室出来的水中阴阳离子数都会比原水中的多成为浓水。,3、结构：电渗析器有立式和卧式两种 基本部件：离子交换膜、隔板、电极、极框、压紧装置等 离子交换膜：由具有离子交换性能的高分子材料制成的薄膜 隔板：隔开阴阳两膜，作为水流通道 电极：通电后形成外电场，使水层中的离子定向迁移 极框：保持电极与离子交换膜间的距离 压紧装置：压紧交替排列的膜堆和极区,三、水的杀菌,常用的方法 氯杀菌、臭氧杀菌及紫外线杀菌 原理 氯杀菌氯进入水中可生成次氯酸（HOCl），次氯酸具有强烈的氧化作用，可以穿过细菌的细胞膜进入细胞内部，由于氧化作用而破坏细胞内酶和细菌的生理机能使细菌死亡。 加氯量 0.5-2mg/L，15min 常用的氯杀菌试剂 活性二氧化氯、漂白粉、 次氯酸钠,（二）臭氧杀菌,水中：0.11g，1015min 臭氧（O3）是一种强烈的氧化剂，能氧化水中的有机物，破坏微生物的原生质，杀死微生物。杀菌作用优于氯。杀菌速度比氯快1530倍。 臭氧因在水中的溶解度小，所以在水中加臭氧的方法以喷射法加注，目的是增加与水的接触时间,（三）紫外线杀菌,原理 微生物受紫外线照射后，微生物的蛋白质和核酸吸收紫外光谱的能量，使蛋白质和核酸的结构破坏，引起微生物死亡 波长 200-295nm紫外线具有杀菌能力。 水面上灭菌：用低压汞灯 水中灭菌：用高压汞灯 杀菌效果：水中水面，杀菌率达97%以上。,第三节 供水系统及设备,供水系统： 选择水源、供水方式、水泵选用,1、地下水 无压水（浅水） 地面以下，第一层不透水层构造以上所含的水 承压水（深井水） 地面以下两个不透水层之间所含有的水，有一定的压力 2、自来水,一、水源的选择,1、地下水 无压水（浅水） 地面以下，第一层不透水层构造以上所含的水 承压水（深井水） 地面以下两个不透水层之间所含有的水，有一定的压力 2、自来水,二、地下水取水方式,取无压水：大口井1000以上，井深20m 取承压水：大口井150500，井深30150m或更深,三、供水系统装置,（一）供水方式 1、直流供水：生产与非生产用水直接由水源得到 2、循环用水：用过的水经处理后再循环使用 3、连续供水：污染不严重时，不经处理直接供给其他车间再次使用,（二）自来水供水 自来水已进行过简单的沉淀和消毒处理但水压水量不稳定，应设置加压和贮存装置 （三）地下水供应系统 地下水井泵抽曝气除铁锰清水水泵水塔车间 加氯或 沉砂 抽出后加氯,第四节 制冷系统设备,通常温度高于 -100时为一般冷冻，低于 -100时为深度冷冻。发酵工业所用的冷冻温度多在 15左右，多采用压缩式单级制冷系统。,1制冷过程 压缩式制冷四个过程：压缩、冷凝、膨胀、蒸发,制冷过程简图 制冷过程：系统中的制冷剂饱和蒸汽被压缩机吸入压缩，在冷凝器内被冷凝为液体而放出热量。液体制冷剂经过膨胀阀后，压力降低，低压液体吸收周围介质的热量而汽化为气体，气体又被压缩，压力升高，气体的热量传递给冷却水而冷凝为液体，形成一个反复循环过程，使周围介质的温度降低。,制冷机工作原理被冷却的物质为供热体，温度为T0，较周围介质的温度T低，制冷机从被冷却的物体中取出的热量为Q0，完成循环所消耗的功为L，传递给周围介质的热量为Q,T周围介质 Q 制冷剂 机械功L Q0 T0 被冷却物体 制冷机工作原理图,逆向卡诺循环的温熵图,T Th 3 2 L Tc 4 1,T-S图,Sb Sa,制冷机的制冷量 Q0 =Gq0 式中 G制冷剂在制冷机中的循环量，kg/h q0每1kg制冷剂的制冷量，kJ/kg,3、制冷量与制冷系数,2、提高效率的方法,降低冷凝温度T，用较低温度的水； 把冷凝后的制冷剂进行再冷却 气体 冷凝 高温液体 冷却 低温液体 维持干冲程，即气体状态入压缩机，增加气液分离器 系统要排油，增加排油装置 系统要排不凝性气体，增加空气分离器 设保温层，减少冷量损失。,实际制冷循环氨T-S,T 等压线 2 液相线 气相线 冷凝温 3 21 过冷线 31 L 等温线 41 4 1 Q0 等焓线 5 6 7,1-2压缩 221等压冷却 213 等温冷凝 331 过冷 41 蒸发 消耗功L： 1-2-21-3-31-41-1 制冷量Q0： 1-4-41-5-6-7-1 设过冷膨胀从 3-4时， 冷量减少 4-1-7-6-4，,二、一般制冷方法,常用的有以下方法： 1空气压缩制冷 这种制冷方法是利用大气中的空气作制冷剂,1空气压缩制冷,空气首先在压缩机中绝热压缩至0506 MPa，然后在等压下以冷水冷却至可能的温度；冷却后的空气于膨胀问中绝热膨胀，空气温度继续降低；然后温度降低的空气再通过制冷器，在等压下吸取热量，使之回升至原来的温度，再回到压缩机中，进行另一循环。 制冷循环是以两等压过程代替逆卡诺循环中的两等温过程。,特点: 制冷系数较小，故经济性较差； 由于在制冷过程中物质不发生集态变化，无潜热可利用，故单位制冷量也较小； 为了获得足够的制冷量，则需要比较庞大的设备，必造成动力消耗大、成本高； 同时当冷却温度降到0时，由于冰霜生成，致使操作困难。,2蒸汽压缩式制冷,是用常温及普通低温下可以液化的物质作为工质，工质在循环过程中将不断发生集态改变。,在蒸发器中产生的低压制冷剂蒸汽（状态1），在压缩机中被压缩到冷凝压力pc，消耗了机械功L，此时为绝热压缩，同时温度不断升高；然后压缩后的蒸汽在过饱和状态下（点2）进人冷凝器中，因受到冷却介质（水或空气）的冷却而凝结成饱和液体（点3），并放出热量，其冷凝过程为一等温等压过程；由冷凝器出来的制冷剂液体，经膨胀阀（又称节流阀）进行绝热膨胀到蒸发压力PO，温度降到与之相对应的饱和温度TO（状态点4），此时已成为两相状态的汽液混合物；然后进人蒸发器A，进行等温等压的蒸发过程，以制取冷量Q0。,特点,蒸汽压缩式制冷循环的蒸发过程和冷凝过程是在等温情况下进行的，不可逆性小，故循环的制冷系数大。它是利用液体的蒸发过程来制冷，故单位制冷量大. 在蒸发器和冷凝器中都是有集态改变的传热过程，传热系数较大，因而设备不是很庞大。 理想的蒸汽压缩式制冷循环是一个与逆卡诺循环相同的矩形封闭体。,3吸收式制冷,吸收式制冷循环由消耗热能（蒸汽、热水等）来工作 在吸收式制冷机中，使用两种工质：制冷剂与吸收剂,吸收式制冷,特点: 吸收式制冷循环是由消耗热能（蒸汽、热水等）来工作的。 在吸收式制冷机中，使用两种工质：制冷剂与吸收剂。 与压缩式制冷的区别: 由热能代替机械能,工质由二种组成,工作原理： 浓度高的制冷剂送人发生器1内吸热蒸发成蒸汽气体 发生器中出来的蒸汽进人冷凝器2，使蒸汽冷凝成液体。冷凝后的制冷剂经过节流阀3减压进人蒸发器4吸热。 制冷剂的蒸汽从蒸发器出来后，进人吸收器5，被经过节流阀7而来的稀制冷剂吸收，吸收时放出热量传给冷却水。稀制冷剂又变成浓的制冷剂，经过溶液泵送人发生器，形成了制冷循环。,4蒸汽喷射式制冷,蒸发喷射式制冷：以热能来代替机械能。 制冷剂（工质）：水 喷射泵：由喷嘴、混合室、扩压器组成，起着压缩机的作用。,蒸汽喷射式制冷,工作原理:锅炉的高压蒸汽进人喷射器中，工作蒸汽在喷嘴中膨胀，获得很大的汽流速度（8001000ms或更高些）。由于这时位能变为动能，产生真空，使蒸发器中的水蒸发成蒸汽，当蒸发器中的水蒸发时，就从周围的水中吸取热量，使其成为低温水，供降温使用。工作蒸汽与低温低压蒸汽在喷射器的混合室内混合后即进人扩压器，在扩压器中速度下降，动能又变为位能，压力升高。然后混合蒸汽就进人冷凝器中冷凝成水，一部分送回锅炉，另一部分送人蒸发器，提供所须的冷量。 可逆循环:高压蒸汽经喷射器后，温度由点1位置降至点2位置，使蒸发器压力降低，温度降低，23为等温过程，34热熔增加，4至45为降温等温过程，578为升温过程，81为等温过程，69为等温过程。,三、制冷剂和载冷剂,制冷剂（常用的有10种左右） 1）分类： 无机类：NH3、SO2、CO2 氟里昂：F-12、F-11、F-22等 C-H化合物：甲烷、乙烷、丙烷等,2）制冷剂性质比较（选NH3和F-12）,2、载冷剂（冷媒）,在间接蒸发式制冷系统中传递冷效应的介质 载冷剂在蒸发器中被制冷剂冷却然后再去冷却物料,（1）对载冷剂的要求,冰点低； 热容量大； 腐蚀性小； 便宜。,（2）常用的载冷剂,空气，缺点热容量小 水，热容量大，用于0以上 盐水（常用），CaCl2盐水，,四、制冷工艺流程 1、单级压缩制冷循环 压缩式制冷循环：是一种逆向卡诺 制冷过程：压缩、冷凝、膨胀、 蒸发。 理论循环的假设条件是： 压缩机吸入的汽体是饱和汽体，在节流阀前是饱和液体。蒸发和冷凝的压力和温度稳定；制冷压缩机气缸没有摩擦、节流等损耗；气缸阀与外界没有热交换，也没有余隙容积；管道中没有任何损失，压力降低仅在膨胀阀中进行。,制冷流程：氨的低压饱和蒸气，在压缩机气缸内压缩成高压的过热蒸气（1-2等熵过程），经过油水分离器后，进入冷凝器冷却、冷凝成氨液，把热量传给水（2-3等压过程），高压氨液从贮氨器经调节站，通过膨胀阀节流降压（3-4等焓过程），在氨液分离器分离后，氨液进入冷排（蒸发器），发生冷效应（4 -1等压等温过程），使被冷物料降温。从蒸发器来的低温低压蒸气，经过氨液分离器分离后，再进入压缩机压缩。,制冷机理论功率的计算： 应根据冷冻剂循环时各过程的各参数来确定，如压力P。温度T、比体积V、焓h1、熵S等，计算时常用的图表是温熵（TS）图或压焓lgph图,3,（1）单级压缩制冷循环,1 - 2 压缩：工质首先沿等熵线作绝热压缩 压力由 P1升至 P2，温度T上升，S不变 2- 2 ：在冷凝器中冷却（等压过程） 2 - 3 等温等压冷凝 绝热压缩后的工质，再沿等温线23作等温压缩。 3 - 4 膨胀， 等温压缩后的工质再沿等熵线34作绝热膨胀。 高压液体膨胀低压液体，等焓过程，此时压力下降，温度降至Tc； 4 - 1等温蒸发， 沿等温线41作等温膨胀 低压液体 蒸发吸收热量Q0 低压气体，压力不变、T不变,双级压缩制冷循环图,（1）工作过程：,在蒸发器中所形成的低压低温制冷剂蒸气（1点），被低压压缩机吸入，经压缩到中间压力的过热蒸气（点2），进入同一压力的中间冷却器，被冷却到干饱和蒸气（点3）。 高压压缩机吸入的干饱和蒸气有： 来自低压压缩机的已被冷却的干饱和蒸气（点3）； 经膨胀阀2节流降压的制冷剂，在降压降温和吸热过程中所形成的干饱和蒸气（点3） 中压干饱和蒸气在高压压缩机中被压缩到冷凝压力的过热蒸气（点4）在冷凝器中冷却到干饱和蒸气（点5），进一步冷凝成制冷剂液体（点6） 然后分两路： 流经中间冷却器盘管（6-7）过冷，过冷后的制冷剂（点7），再经过（7-8）膨胀阀1节流降压（点8），进入蒸发器； 经膨胀阀2节流到中间压力（点9），进入中间冷却器,（2）与其他系统的区别：在于制冷剂液体的节流及冷却方式。 冷凝后的制冷剂液体分为两路：主要的一路流经中间冷却器盘管，为容器内的制冷剂液体所冷却，然后经膨胀阀2进入蒸发器；另一路经膨胀阀1节流到中间压力P中，进入中间冷却器，这一路液体蒸发吸热，使低压机的排汽和盘管中高压制冷剂液体冷却。,（3）双级压缩制冷循环的特点：压缩过程分两个阶段进行，在高级与低级之间装设中间冷却器。 由于节流级数和中间冷却的程度不同，制冷循环也有不同，分完全中间冷却及不完全中间冷却双级压缩制冷循环。 通常多使用一级节流的完全中间冷却的双级压缩制冷循环。,（4）优点 压缩机气缸容积效率提高 压缩机的功耗减少 （5）缺点：设备投资大，操作复杂,四、制冷设备,1、制冷压缩机的类型 1）容积型 用机械方法使密闭容器的容积缩小，容器内单位容积的气体分子数增加，撞击器壁的次数和强度增加，气体压力增加。这种提高气体压力的机械称为容积式压缩机。以活塞式制冷压缩机为多。 2）速度型 用机械方法使气体获得高流速，然后再急剧减速，在减速过程中气体分子彼此靠近，压力得以增高。这种型式的有离心式制冷压缩机 活塞压缩式制冷机组是国内外主要的冷 源制作装置。,（一）活塞制冷机的主要设备,1主要分类方式 （1）按活塞的运动方式 往复式压缩机：其活塞在气缸里作往复的直线运动， 回转式压缩机：其活塞在气缸内作旋转运动 （2）按一台压缩机中蒸汽被压缩的次数分为单级和双级。 （3）按蒸汽在气缸内的流向分为顺流式与逆流式。 （4）按压缩机的冷量可分为小型、中型和大型 小型： 中型： 大型：,2立式压缩机,（l）工作原理 吸气阀门5装在活塞7顶部，当活塞向下运动时，吸气阀门5被打开，气缸进行吸气。当活塞向上运动时，气缸内蒸气压力逐渐增大，吸气阀门5自行关闭，随着活塞上移，气体压力大于冷凝压力时，即顶开样盖3（安全板）上的排气阀门2，并将气体压高压管路中。,(2)立式压缩机的构造 曲轴箱：装曲轴用，是立式（V式）压缩机的机架，承受机件所产生的力，用铸铁制成。 气缸：在这里进行制冷剂的吸人，压缩与排出等过程。 注意：如果气缸内吸人氨液，产生较大的压力,样盖就能向上升起，将氨液放人排气腔内，压缩机发出响声，称为敲缸。 活塞与气阀： 活塞： 吸气阀：， 排气阀： 活塞环：装在活塞表面上的槽内。 上活塞环：为封环 下活塞环：为油环 水套：气缸上部周围有夹套为水套,曲轴连杆机构：由曲轴、连杆、活塞组成的传动机构 使曲轴的旋转运动改变为活塞的上下往复运动。, 润滑装置： 压缩机的润滑油循环是依靠齿轮油泵进行的。齿轮油泵的作用是将曲轴箱内的润滑油输送到压缩机的各运动部件。齿轮油泵吸排油压力差，应在006O15MPa范围内。,（3）特点 立式压缩机的特点是机器灵巧、轻便、转速快。 占地面积小、磨损小。直流式气缸受热情况良好。,2、卧式压缩机 工作原理 当活塞向左运动时，左边气缸气体被压缩，压力增大，排气阀打开排气，右边气缸吸气； 当活塞向左运动时，右边气缸气体被压缩，右边气缸排气，左边气缸吸气,4、压缩机吸气系数,=实际吸气体积/理论吸气体积 即气缸容积的利用率，吸入低压蒸气占气缸容积的百分率,影响压缩机吸气系数的主要因素 气缸内有余隙 压缩比 吸气和排气阀中有阻力和泄露 吸排气阀的阻力扩大了气缸内吸排气压力的差距，而且由于余隙的存在，使吸气量有所减少。 小量高压气体会从活塞环与气缸壁之间不密封处泄漏，吸排气阀关闭不严和关闭滞后，也会造成泄漏，使压缩机吸气量减少。 气缸壁与制冷剂之间有热交换 运动部件产生摩擦 所以，压缩机有吸气系数 对于大型立式氨压缩机 =0.81-0.92，冷凝温度越低，越大，蒸发温度越低，越小。 吸入气体被加热的影响,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。 分类：有立式（列管）、卧式（列管）、套管式、和外喷啉蛇管式等,淋水式冷凝器,6、膨胀阀,膨胀阀:又称为节流阀，高压液氨通过膨胀阀节流而降压，使液氨由冷凝压力降低到所要求的蒸发压力，液氨气化吸热，使其本身的温度降低到需要的温度，再送到蒸发器。 膨胀阀作用：节流 膨胀阀分类：手动、自动,热力膨胀阀 由感应元件（感温包）、膜片、阀体、阀座等组成。在制冷机组正常运转条件下，感应元件灌注剂压力等于膜片下气体压力与弹簧压力之和，处于平衡状态。如供制冷剂不足，引起蒸发器出口处回汽；过热度增大，感温包温度升高，使膜片下移，阀口的开启度增大，直至供液量与蒸发量相当时，再得到平衡。故热力膨胀间能自动调节阀的开启度，供液量随负荷大小自动增减，可保证蒸发器的传热面积得到充 分利用，使压缩机正常安全地运行。,7、蒸发器,（1）蒸发器作用：制冷剂在蒸发器内吸收大量热量，使被冷却介质冷却。 （2）蒸发器分类：冷却水或盐水或酒精液的蒸发器 （3）立式蒸发器结构 由2-8个单位蒸发器组成，每