中央空调冷却水系统生成的污垢

中央空调冷却水系统在日常运行过程中 ，会生成以下 一些污 垢。

1. 沉积物

中央空调的冷却水系统在运行过程中 ，会有各种物质沉积在 换热器的表面 ，这些物质统称为沉积物 。

(l） 沉积物的分类  不同的文献对沉积物的分类也不完 全 一致 ，有的将沉积物统称为 污垢 ，污垢也包括水垢 。有的将沉积 物分为污垢和水垢两大类 ，污垢中不包括水垢。这里我们选择后 一种分类方法 。

实际上 ，沉积物是各类垢的混合物 ，习惯上常将其称为 污垢。例如 ，沉积物的取样分析就是通常所说的污垢分析 ；垢样分 析或污垢成分 、污垢密度 、污垢热导率及污垢沉积速  率中的 “ 污垢” 实际上都是指包括水垢在内的沉积物 c 一般认为 ，英语 fouling 是不包括水垢的软垢 ，但习惯上又将其译为 “ 污垢” ，与 上述又有矛盾 。本书采用了某些文献的译法 ，将水垢以外的软垢 译为 “ 污泥” ，以与污垢区别。

沉积物通称为污垢 ，分为水垢和污泥两大类 。污泥中又包括 淤泥 、季占泥和腐蚀产物。各类沉积物的大致组成见表 3-1。

污垢----相对水垢而言较疏松 ，又称软垢。常含有泥渣 、粉尘 、沙粒、腐蚀产物 、 污泥   天然有饥物 、微生物菌落和分泌物 、氧化铝 、磷酸铝、磷酸铁及 一般碎渣

等

淤泥 ----以泥沙为主的软垢

新泥----又称生物沉积物 。由微生物及其分泌物和1残骸组成 ，为具有滑腻感的胶状教泥或裂i液

腐蚀产物 ｜----它们主要由水垢 、淤泥、腐蚀产物和生物沉积物构成。通常人们把淤 泥、腐蚀产物和生物沉积物 三者称为污垢

( 2 ） 沉积物的来源 中央空调冷却水系统沉积物的来源有 以下几个方面。

1 ） 来自补充水 。未经预处理或预处理不良的补充水会将泥 沙 、悬浮物 、微生物带入中央空调水系 统 ，即使渥清 、过滤 、消 毒良好的补充水也会有 一定的浑浊度并带有少量的微生物 。澄清 过程中还可能将混合凝剂的水解产物 、铝或铁离子留在补充水 中。另外 ，不管是否经过预处理 ，补充水中的溶解盐都会带入循 环水系统 。

2 ） 来自空气 。泥沙 、粉尘 、微生物及其抱子会随着空气带 入循环系统 ，有时昆虫 （ 如甲壳虫） 也会大量带人系统 ，引起

换热器堵 塞。当冷却塔周围环境受到污 染时‘ 硫化氢 、 二 氧化 硫 、氨等腐蚀性气体有可能随空气进入循环水中发生反应而问接 造成沉积。

3 ） 来自工艺介质泄漏 。水冷器泄漏 ．特别是漏油或某些有 机物会导致污泥沉积 。

4 ） 来自化学处理药剂 。如在循环水中加辞盐或聚合磷酸盐 缓蚀剂 ，贝lj有结辟垢或磷酸盐垢的可能性 。

5 ）  来自系统腐蚀所形成的腐蚀产物 。

( 3 ） 沉积物的危害 不管是硬垢 （ 水垢） 还是软垢 （ 污 泥） 沉积在换热器上都会影响传热 ，使得换热器效率下降 。严 重时甚至使换热器堵塞 ，系统阻力增大 ，水泵和冷却塔效率下 降，能耗增加。此外 ，软垢还会促进垢下腐蚀 。这种局部性的腐 蚀比全面腐蚀的危害性更大 ，能够导致换热器腐蚀穿孔 ，特别是 微生物黠泥引起的垢下腐蚀 ，能在短时间内使换热器泄漏 ，甚至 造成非正常停产 。

2. 7.1< 垢

水垢一般都由具有反常溶解度的难溶或微溶的元机盐 组成 ， 又称为硬垢 、水生垢 、碱垢或矿物垢 c

在中央空调循环冷却水系统中 ，最常见的难溶及微熔盐类有 碳酸钙 、磷酸钙 、硫酸钙 、硅酸臻 、磷酸辞等 。当这些盐类呈过 饱和状态时 ，在一定条件下 ，可能在换热器的表面 以水垢的形态 析出。水垢是具有固定品格的无机盐类 ，以垂直于换热器表面的 方向定向生长 ，与金属表面牢固结合 ，单一的水垢一般比较硬 、 厚且致密。

在直流冷却水或不加阻垢剂的循环冷却水系统中 ，当补充水 中的钙硬度大时 ，常产生这种硬垢 。水垢使换热器效率下降 、系 统阻力增加 ．严重时甚至使换热器堵塞 ，水垢对冷水机组性能的 影响参见表 3-2 。

从表 3-2 中可看出 ：水垢热阻对制冷机性能影响很大 ，特别 是对澳化程吸收式冷水机组影响更大 。

表 3-2  7)(垢对冷水机组性能的影响

水垢层 厚度 Simm	水垢热阻 R/ ( m 2  •  K/W )	换热器｛专 热系数／ [ i.r; ( m 2  • K ) ]	陕热量增 减情况 （% ）	漠化慢冷水机组	压缩式冷水机组
冷却水 侧增减 制冷量 （% ）	冷冻水 侧增减 制冷量 ( % )	机组总 增减制 冷量 （ %）	冷却水 侧增减 制冷量 （ % ）	冷冻水 侧增减 制冷量 （ % ）	机组总 增减制 冷量 （ %）
0. 075	。 。	3880	129	108	106	1 14	102. 9	104. 7	107. 6
0. 000043	3326	1 14	104	103	107	I OI. 4	102. 2	103. 6
0 . 15	0. 000086	29 15	100	100	100	100	100	100	100
0 . 30	0. 000172	2331	80	92	94 . 5	86. 5	98	96. 8	94. 8
0. 45   0. 60	。0. 仪)0258 α)0344	1942   1664	66 . 6   57. 1	86.5   8 1. 5	90   86. 5	76. 5   68	96. 7   95. 7	94. 6   93 . I	91  3   88. 8

一般冷水机组额定制冷量是按 8 = 0. 15mm , Rr = 0. 000086m 2

· KIW 标定 ，出厂的新机组由 于换热管一般均经过钝 化处理 ， 所以新 机器的 水垢 热阻 Rr 并 0 ，近 似 为 8  = 0. 075mm , Rr =

0. 000043ni2 · K/ W a 因此，出厂的新机组制冷量应 比额定值大， 对澳化理机组应大 7 % ，对压缩式冷 水机组应大 3. 6% 左右c 所 以选用的新机组 ，不仅要达到额定值 ，而且应该大于额定值 。出 厂的 LiBr 机组比额定制冷 量要大 7 % 。

水垢不易发生垢下腐蚀 ，一般不会使换热器造成腐蚀泄漏 。 换热器经酸洗除垢后 ，可以完全正常使用并恢复正常传热效率 。 通常水垢在沉积过程中 ，常与淤泥 、黠泥 、腐蚀产物混合在 一起 成为污垢 ，并不是单一的水垢。水垢的致垢离子基本上来自天然

水 ，如 Ca2 ＋ 、Mg2 ＋ 、so ·、Sio ·、HC03·等离子均由 补充水带

人。也有一部分致垢离子是由循环水带人的 ，如 PO    、Zn2 ＋ 等 离子。其中正磷酸根 PO！多由聚合磷酸盐 （ 六偏磷酸铀或 三聚 磷酸铀） 水解而来 。

(1 ） 难溶或微溶盐的溶度积  在一定温度下 ，饱和溶液中

第 3 章 中央空调系统污垢的成因及危害 

所含某些盐类的量称为该温度下该盐的溶解度 。一般在室温下 ( 20 ℃） ，每 l OOg 水中该盐类的溶解度小于 0.  l g 的为难榕盐 ，在 0. 1    1. Og 的为微溶盐。水垢的组成多为难溶盐或微榕盐 。难溶 盐或微榕盐的溶解度都很小 ，常用溶度积来表示其溶解平衡状 况 。表 3-3  中为部分难 （ 微） 溶盐的溶度积。

表 3-3  部分难 （ 微） 溶盐的溶度积 （ 25 ℃气温条件下）

分子式	溶度积 K,	分子式	溶度积 K,	分子式	溶度和、K,
CaC03	4. S x lo -9	fe( OH ) 2	l × 10 -15	Mn ( OH ) 2	I. l × 10  13
Ca( OH ) 2	5. 5 x l0 -6	fe( OH ) 3	3. 2 ×IO -JR	ZnC03	I   5 x  10 - 11
CaSO,	2. 5 x l 0 -5	MgC03	I x 10 - 5	Zn ( OH ) 2	7. I x IO - is
Cu( OH ) 2	5. 0 ×IO - JO	Mg ( 01-1 ) 2	I  8 ×IO - II	Ca3 ( P04 ) 3	5 x 10 -J0 (30℃）
feC03	5. 7 X  10   II	MnC03	3. 8 ×IO - II

难溶或微溶盐的饱和溶液中 ，当温度一定时，其离子的物质 的量浓度乘积为一个常数 ，称为榕度积或溶解平衡常数 。多离子 的溶解平衡通式为

M ,A r 苦xM )"   + yA '

式中 A 、M一一阴、阳离子的物质的量浓度 （ moVL )  ( M = xS ,

A = y S ) ;

x , J一一阴 、阳离子的价数；

5一一溶解度 （ moVL ） 。

当水中某些盐类离子的物质 的量浓度乘积等于溶度积时 ，为 饱和溶液 ；小于溶度积时 ，为不饱和溶液 ；大于洛度积时 ，为过 饱和海液 。过饱和时 ，可能发生水垢沉淀 。

( 2 ） 难溶或微溶盐的过饱和 应该说是中央空调循环冷却 水系统的条件使难溶或微溶盐类可能达到过饱和 。其原因主要有 以下方面。

1） 由于浓缩倍数的提高 ，使补充水带人的大部分离子都成 倍增长 ，也就是使一些难溶或微溶盐类在水中的含量提高了数

倍 ．但应说明 ，碳酸氢根 （ HC03 ） 在水中的含量不是成倍增长 的，如果用酸调节 pH 值 ，HC03  甚至还可能下降 。

2 ） 由于系统水温的升高 ，使部分海解度盐类的溶解度降低 了c 碳酸钙及磷酸钙就是这种反常溶解度盐类 ，其溶解度随温度 的升高而降低。以碳酸钙的溶度积为例 ，20℃时为 5. 22  x 10 -9

25℃时为 4. 8 ×10 -9 、40 ℃时为 3. 03 × 10 -9 0 因而水温升高后碳 酸钙更容易过饱和。

3 ） 由于碳酸氢盐是很不稳定的盐类 ，其在换热器表面上受 热分解为碳酸盐和二氧化碳 。而碳酸钙的洛解度很低 ，因而很容 易在换热器表面形成碳酸钙垢 ，其反应式如下 。

Ca ( HC03 ) 2    二CaC03 ↓＋ H2 0 + C02  ↑

冷却水通过冷却塔相当于一个曝气过程 ，、洛解在水中的 co2 会溢出 ，因此，水的 pH  值会升高 。此时 ，重碳酸盐在碱性条件 下会发生如下反应。

Ca ( HC03 ) 2  + 20H     二CaC03 ↓＋ 2H2 0 + C02  ↑＋ 02

当水中溶有氯化钙时  ，会产生下列置换反应 。

CaCl2  + CO;   =CaC03  l  + 2Cl

如水中有适量的磷酸盐时 ，磷酸根将与钙离 子产生磷酸钙 ， 其反应为

2PO     + 3Ca2 + =Ca 3 ( P04 ) 2

上述一系列反应产生的 CaC03 和 Ca3 ( PO.i ) 2  均属微溶性盐 ， 它们的溶解度比 CaCl 3 和 Ca3 ( P04 ) 2  要小得多。此外 ，CaC03 和 Ca3 ( P04 ） ，是随着温度的升高而降低 。因此 ，在冷凝器的传热表

面上 ，这些微溶性盐很容 易达到过饱和状态而从水中结晶析出 。 当水流速度比较小或传热面比较粗糙时 ，这些结晶沉积物就容 易 沉积在传热表面上形成水垢e

这些水垢都是 由元机盐组成 ，其结晶致密 ，比较坚硬 ，故又 称无机垢或硬垢 。它们通常牢固地附着在换热器表面或 管道壁 ， 不易被水冲洗掉。

大多数情况下 ，中央空调水系统中形成的垢是以碳酸钙为主 的，这是因为硫酸钙的榕解度远大于碳酸钙 。例如在 0℃时，硫 酸钙的榕解度是 1800mg/ L ，比碳酸钙大 90 倍 ，所以碳酸钙比硫 酸钙更容易析出 。同时，天然水中溶解的磷酸盐较少 ，因此，除 非向水中投入过量的磷酸盐 ，否则磷酸钙水垢将较少出现 。

中央空调冷冻水系统一般为封闭式 。冷冻水在封闭系统中循 环 ，水分不蒸发 ，不浓缩 ，不存在溶解盐的过饱和问题 ，水温也 很低。因此，冷冻水系统中的水垢可以说 是很少的。

3.  污垢

污垢一般是由颗粒细小的泥沙 、尘土 、不溶性盐类的泥状 物 、胶状氢氧化物 、杂质碎屑 、油污 、细菌和藻类的尸体及勤性 分泌物等组成 。这些物质本身不会形成污垢 ，但它们在冷却水中 起到了 CaC03 微结晶的晶核作用 ，这就加速了 CaC03 结晶析出 的过程。当含有这些物质的水流经换热器 内表面时 ，容易形成污 垢沉积物 ，特别是流速较慢的部分污垢沉积物更多 。这种沉积物 一般体积较大 ，质地疏松稀 软 ，故称为软垢 。它们是引起垢下腐 蚀的主要原因 ，也是某些细菌生存和繁殖的温床 。

当防腐措施不当时，换热器的换热表面经常会有锈瘤 状腐蚀 产物形成的沉积物 ，此类沉积物除了影响传热外 ，更严重的是助 长了某些细菌的繁 殖 ，最终导致换热表面腐蚀穿孔而泄漏 。

4. 微生物垢

中央空调循环冷却水的工作温度下 ，微生物生长旺盛 ，许多 阻垢剂常常是微生物的营养源 ，因此，微生物黠泥的生长和污垢 堵塞是冷却水及低温换热器的危害之 一。

( I ） 微生物的类型 微生物是 低等生物的统称 ，中央空调 冷却水系统中常见 的微生物有真菌 、藻类 、铁细菌 、硫酸盐还原 菌、硝化细菌和原生动物 。它们繁殖速度快 ，在一段时 间内可形 成很大的群体c

( 2 ） 微生物的来源  冷却水中微生物的来源有以下几个方 面 ：

I） 空气及携带的灰尘等杂物 。冷却水和空气在冷却塔 中充 分接触 ，把空气中的尘粒杂物洗涤进了水中 。一座较大 的冷却塔 每天进入水中的灰尘可能为几十到上百千 克 ，在有风或干燥时可 能会更多。灰尘 中带附着大量的微生物及其抱子 ，l g 普通的土 壤可能含有 5 × 102     l  ×103 个 . l g 肥沃的土壤可能含有 l  × 109 个以上的微生物及其袍子 。

2 ） 补充水 。补充水中或 多或少地都会含 有微生物 ，较清洁 的水中细菌总数为 102 103 个／ml 。这些微生物也随着补充水进 入冷却水系统。

3 ） 工业污染和泄 漏。工厂的 泄漏也会使微生 物进入 冷却 水 ，雨水和其他冷却水也会带进微生物 。

( 3 ） 微生物的生存条件 不同种类的细菌对生存条件的要 求差别很大 ，微生物 的生存一般需具备以 F几个条件。

I） 营养。细菌由蛋白质 、碳水化合物 、脂肪及微量元素组 成 ，故需要碳 、氢 、氧 、氮 、硫 、磷及微量元素为营养 。根据营 养来源不同 ，可分为两类 ：

①自养菌 。能直接利用空气中的二氧化碳及元机盐类作为营 养来源 ，为无机营养型 。

②异养菌c 其营养来自于有机物质 。 一般认为中央空调循环冷却水中 COD 大于 !Omg/ L ，就容易

引起异养菌繁殖 。

2 ） 氧气。细菌体内也有 氧化还原的呼吸作用 ，在呼吸过 程 中吸收营养 ，排放废物 。按其呼吸方式可分为好氧菌和厌氧菌 。

①好氧菌 。好氧菌呼吸时必须有分子态氧存在 ，以便将有机 物氧化成二氧化碳和水。

②厌氧菌。厌氧菌呼吸时不利用分子态 氧 ，而是利用含氧的 有机物或无机物  ，其呼吸产物不是二氧化碳和水 。

此外 ，有一类细菌 ，在有无分子态氧的环境下 都能生存。 在中央空调循环冷却水系统中 ，水在冷却塔里的喷淋 、曝气

过程为好氧微 生物的生长提供了充足的溶解氧 ，好氧菌成为优

第 3 j在  中央空调系统污垢的成因及危害  99

势，占总菌数的 90% 。

3 ） 温度。每种细菌都有一个最佳的繁殖温度 ，大部分细菌 适合于 30 45℃下生存繁殖c 有的细菌嗜冷 ，在 O 25 ℃下容易 生长繁殖 ；有的则嗜热 ，在 45      75℃下容易生长繁殖 。

4 ） 湿度。微生物细胞中含水 739毛～859毛 ，其生存及繁殖需 要水分 ，干燥时生长能力减弱 ，甚至停止生 长。不同微生物对干 燥的抵抗力也不同 。

5 ） 酸碱性 。大部分细菌适合于 pH 值 6 9 的中性或弱碱性 条件下生存繁殖 ，丝状菌易在酸性条件下生存繁殖 。

6 ） 光线。一般微生物不需要光线就可以生存 ．况且光线 中 的紫外线对某些微生物 （ 如霉菌） 有杀灭作用 ；而光能自养微 生物需依赖光线起光合作用才能生存 ，如藻类含叶绿素即能利用 阳光将二氧化碳合成有机碳营养物。

7 ） 其他。微生物对电磁波 、X 射线 、放射线都很敏感 。超 声波 也能造成微生物细胞破裂而死 亡。微生物对许多化学药 剂也 很敏感 ，许多药剂可用作对微生物的杀生剂 。