海水板式換熱器微生物污垢特性的實(shí)驗(yàn)研究

楊 帥，梅 寧，袁 瀚

（中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100）

在各種海洋能源中，海洋熱能[1]具有熱源儲量大、熱源品質(zhì)穩(wěn)定的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，然而在實(shí)際應(yīng)用中，低速海流及海洋生物附著等因素會帶來海水換熱器換熱效果不佳的缺點(diǎn)，因此海水換熱設(shè)備污垢清除以及傳熱強(qiáng)化是研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。污垢[2]是在換熱器表面上和流體中所發(fā)生的質(zhì)量傳遞、動量傳遞以及換熱現(xiàn)象相互作用的后果。通常，污垢會導(dǎo)致?lián)Q熱器傳熱性能降低、壓降增大，甚至加劇腐蝕，最終導(dǎo)致一些換熱器完全失效[3]。換熱器在天然海水中會受到大量微生物附著，換熱過程中會迅速形成一層微生物生物膜，導(dǎo)致各種微生物的集聚，形成微生物污垢，嚴(yán)重影響著換熱器的換熱效率。

目前對于微生物污垢特性，國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了大量的研究。Kern等[4]首次提出了沉積率與剝蝕率之差這一污垢特性的數(shù)學(xué)描述模型，奠定了污垢研究和發(fā)展的里程碑；Swee等[5]實(shí)驗(yàn)證明生物污垢層是多糖和生物粒子形成黏性附著物；Zubair和Sheikh等[6-7]總結(jié)了不同時間內(nèi)污垢熱阻的變化規(guī)律，提出了線性、降冪、冪律、漸進(jìn)4種污垢增長模型，為污垢熱阻預(yù)測提供了理論模型。近幾十年來，國內(nèi)的污垢研究才剛剛發(fā)展，起步較晚，1990年楊善讓等[8]在國內(nèi)外首次提出了管殼式換熱器污垢熱阻檢測原理，并開發(fā)了智能監(jiān)測裝置；曹生現(xiàn)等[9]為研究微生物污垢的形成過程，建立了微生物污垢形成的傳熱傳質(zhì)模型，并且對不銹鋼換熱器中典型微生物結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了研究[10]。

這些研究都是針對污水源或者淡水河流等，未對海水中換熱設(shè)備的污垢進(jìn)行研究。為了得到海水中換熱設(shè)備的污垢特性以及垢層對傳熱的影響，利用對設(shè)備影響較大的硫酸鹽還原菌（SRB）細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，通過掃描電子顯微鏡對不同時間段污垢的生長狀況進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的觀察[11]，在污垢形成的穩(wěn)定期對垢層作了能譜分析，并且建立邊界層重構(gòu)加強(qiáng)換熱裝置，實(shí)現(xiàn)了污垢熱阻的實(shí)時測量，對比驗(yàn)證污垢實(shí)際生長曲線和漸進(jìn)預(yù)測模型，研究和測量污垢的熱物性和物理特性是為了后續(xù)進(jìn)行除垢加強(qiáng)換熱作準(zhǔn)備。

1 微生物污垢的形成過程以及培養(yǎng)

1.1 污垢生長過程

微生物污垢在板式換熱器中形成的連續(xù)性過程包括開始、運(yùn)輸、附著、移動、老化，這些過程決定著整個污垢的形成過程，也最終決定著污垢對換熱器性能的影響。污垢的開始是污垢過程的第一步，在此之前存在一個延遲時間，或稱為誘導(dǎo)期，影響誘導(dǎo)期的因素有溫度、流速、污垢的成分、換熱器表面的特性和條件。板式換熱器在海水中運(yùn)行時，迅速地形成一層很薄的生物膜，膜中大部分是水分，也含有細(xì)菌、腐蝕產(chǎn)物、懸浮固體物、藻類等。運(yùn)輸是指污垢物自身從主流流體中運(yùn)動到壁面的傳輸過程，微生物污垢在換熱器的附著既包含物理過程，又包含化學(xué)過程。生物膜的存在使細(xì)菌、藻類、小型浮游生物開始附著于上不銹鋼管材，開始大量微生物群的滋生。由于剪切力、湍流脈動已經(jīng)侵蝕，會使污垢脫離換熱表面，到最后附著和脫離產(chǎn)生一個平衡，污垢達(dá)到穩(wěn)定期。

1.2 SRB的制備

SRB是一種厭氧的微生物，廣泛存在于土壤、海水、河水、地下管道以及油氣井等缺氧環(huán)境中，是海水中換熱設(shè)備主要的微生物附著菌種。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)是從浸泡在自然海水中6個月的鐵板表面富集培養(yǎng)出所需SRB菌種，富集培養(yǎng)采用修正的PGC培養(yǎng)基，成分如下：1.0 g Na2SO4，0.5 gK2HPO4，1.0 gNH4Cl，0.1 g CaCl2·6H2O，2.0 gMgSO4·7H2O，6 mL70%乳酸鈉，1 g酵母膏，0.3 g檸檬酸鈉。然后把菌種接種在液體培養(yǎng)基上，對換熱設(shè)備進(jìn)行附著和腐蝕。圖1為換熱表面被污垢附著后的情況。

SRB液體培養(yǎng)基成分[12]：磷酸氫二鉀0.5 g/L，氯化銨1.0 g/L，硫酸鈉0.5 g/L，氯化鈣0.1 g/L，硫酸鎂2.0 g/L。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和原理

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計

如圖2和圖3所示，板式換熱器表面邊界層重構(gòu)換熱模型，此實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計思路：一是模擬板式換熱器的換熱；二是要能實(shí)時測量換熱板面的污垢熱阻；三是中間換熱板面可以方便拆卸；四是要能進(jìn)行后續(xù)研究去除污垢，重構(gòu)邊界層加強(qiáng)換熱。整個裝置外側(cè)是有機(jī)玻璃體，中間是不銹鋼板，兩頭是打上鉆眼的有機(jī)玻璃管?？紤]一般測量換熱器的換熱都是測量其充分發(fā)展段的溫度，為了使測量穩(wěn)定準(zhǔn)確，外側(cè)和中間不銹鋼板的間距是5 mm， 長度為300 mm，高度100 mm，在兩頭加上蓄水段和入口眼，并且在入口段裝上均流網(wǎng)，保證換熱段溫度均勻、流速均勻，把溫度測點(diǎn)放在充分發(fā)展段，可以準(zhǔn)確地測量不銹鋼板的換熱量。并且在實(shí)驗(yàn)開始前，對裝置和所有管路都進(jìn)行了保溫處理，減少實(shí)驗(yàn)過程中裝置向空氣的散熱。

圖1 鐵板掛片污垢附著圖

圖2 豎直不銹鋼流道換熱裝置圖

圖3 豎直不銹鋼流道換熱裝置實(shí)物圖

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是模擬板式換熱器在海水中受到單一菌種微生物（本實(shí)驗(yàn)用SRB）腐蝕時的實(shí)驗(yàn)情況，系統(tǒng)如圖4所示，包括流量控制部分、溫度控制部分、豎直不銹鋼流道換熱部分、機(jī)械清除污垢部分和數(shù)據(jù)采集部分。以天然海水滅菌處理后為基質(zhì)加入營養(yǎng)液調(diào)配到一定的濃度和成分，把配制好的SRB菌種再接種其上，作為實(shí)驗(yàn)的換熱熱流體（在恒溫水浴中加熱到28 ℃），采用自來水滅菌處理作為實(shí)驗(yàn)的換熱冷流體（恒溫水浴中加熱到10 ℃），實(shí)驗(yàn)采用逆流換熱，換熱溫差 18 ℃，低溫介質(zhì)經(jīng)循環(huán)水泵送入換熱器換熱后，其熱量通過冷卻水箱散掉。高溫介質(zhì)換熱后的熱損失通過恒溫水浴進(jìn)行補(bǔ)回，循環(huán)持續(xù)進(jìn)行至污垢熱阻穩(wěn)定。在高溫介質(zhì)側(cè)放置掃描電鏡掛片，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，定期對掛片進(jìn)行電鏡掃描，觀察附著形貌。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)用鋼為304不銹鋼，試樣表面用砂紙逐級磨光，再經(jīng)丙酮除油和滅菌處理。

2.3 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器

2.4 熱阻測量原理

換熱器的總熱阻包含熱量從熱流體到冷流體傳遞的一系列熱阻。在相同的工況下，潔凈狀態(tài)下和污損情況的熱阻的差值就是污垢熱阻，如式（1）。

式中，Rf為污染狀態(tài)下的污垢熱阻，m2·K/W；Uf為污染狀態(tài)下的總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Uc為潔凈狀態(tài)下的總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

通過公式可以計算出污垢熱阻，測量不同時間的熱阻可以得到熱阻隨時間的變化規(guī)律，得到污垢從誘導(dǎo)期到穩(wěn)定期污垢熱阻的曲線圖，并記錄達(dá)到穩(wěn)定期所需時間。根據(jù)Zubair和 Sheikh等[6-7]提出的漸進(jìn)污垢模型，見式（2）。

式中，θ為污垢熱阻增長時間，h；Rf為污垢熱阻穩(wěn)定值，m2·K/W；θc為污垢熱阻達(dá)到穩(wěn)定值的時間，h。

3 結(jié)果與分析

圖5所示為不銹鋼換熱表面受污垢附著的情況圖，可以看出換熱表面污垢層較薄，分布不均，由于流場的原因，換熱點(diǎn)的部位厚度明顯大于其它地方，符合板式換熱器的特性。

3.1 實(shí)驗(yàn)與理論對比

圖5 不銹鋼換熱表面污垢附著圖

圖6 實(shí)驗(yàn)和理論的污垢熱阻變化曲線對比圖

從圖6中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，一開始壁面熱阻并沒有減小，由于所用海水和中介水都已經(jīng)滅菌，剛開始微生物的濃度不高，并且是單一菌種，通過誘導(dǎo)期的繁殖后才大量繁殖。因此實(shí)驗(yàn)過程中有誘導(dǎo)期的存在，不銹鋼表面并沒有馬上產(chǎn)生污垢，而是在24 h后，換熱熱阻有所下降，說明誘導(dǎo)期內(nèi)，微生物的生長是增大了換熱壁面的粗糙度，實(shí)際上增大了換熱面積，還加強(qiáng)了換熱。誘導(dǎo)期后，污垢開始產(chǎn)生，污垢熱阻迅速增大，一段時間后，換熱表面污垢已經(jīng)有一定厚度，沉積和剝蝕達(dá)到平衡，污垢熱阻穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)與Zubair和Sheikh等[6-7]提出的理論模型趨勢基本上是吻合的，但是漸進(jìn)污垢模型沒有涵蓋誘導(dǎo)期的影響，誘導(dǎo)期過后的趨勢和變化是符合實(shí)際實(shí)驗(yàn)的，漸進(jìn)污垢模型可以用來預(yù)測微生物污垢生長中后期以后熱阻變化。

3.2 變流速下的污垢熱阻特性

圖7是0.8 m/s、0.9 m/s、1.0 m/s三種流速下的污垢熱阻變化。從結(jié)果可以看出，三種流速下污垢熱阻的趨勢都是一樣的，都有著誘導(dǎo)期的存在，污垢熱阻先是減小，然后隨著污垢的大量繁殖才開始換熱熱阻增大，最終達(dá)到平衡。從圖7中還可以看出，流速從0.8 m/s增加到1.0 m/s，污垢熱阻不但未減小，反而隨著流速的增大而增大，這是由于流速的增大對于生物膜厚度有兩面性：一方面流速增加使微生物養(yǎng)分的傳遞速率及廢物的移出速率增大，使污垢層增厚；另一方面，較高流速可以產(chǎn)生較大的剪切力，使剝蝕率增大，減小污垢厚度。在低于1.0 m/s的流速內(nèi)，污垢的厚度隨流速的增大而增大，這一結(jié)果是設(shè)計中常引用的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則——換熱器中冷卻水流速應(yīng)大于1.0 m/s的根據(jù)。

3.3 掃描電鏡對污垢微觀結(jié)構(gòu)的觀察

定期把放在裝置中的掃描電鏡掛片取出然后進(jìn)行 SEM 觀察，對換熱表面污垢生長情況進(jìn)行微觀層次的觀察。本實(shí)驗(yàn)室采用S-4800型掃描電子顯微鏡，得到不同時期微生物污垢的生長過程電鏡圖，如圖8所示。誘導(dǎo)期過后污垢形成的開始是換熱表面形成生物膜，此階段污垢層開始增長，運(yùn)輸和移動時微生物繼續(xù)生長，快速繁殖，污垢在換熱表面開始呈現(xiàn)一定的表面結(jié)構(gòu)。附著過程中污垢層成長的過程不是均勻生長的，會在容易積聚的地方大量堆積，此階段壁面的微生物代謝會產(chǎn)生大量有機(jī)物，污垢層厚度開始增加，老化過程中垢層的沉積和剝蝕達(dá)到一種動態(tài)平衡，污垢層逐漸形成一定空間結(jié)構(gòu)。

圖7 不同流速下的污垢熱阻變化曲線

圖8 不同時期換熱表面污垢生長放大500倍掃描電鏡圖

3.4 垢層的能譜分析

為分析垢層的元素組成，利用S-4800掃描電子顯微鏡污垢層進(jìn)行了穩(wěn)定期的能譜分析實(shí)驗(yàn)，分析結(jié)果如表2與圖9所示。從中可以看出，污垢層含有大量的C、H、O、Ca元素，還有少量的Si、Fe、S等元素，分析可知污垢層可能是由各種有機(jī)物和水里的懸浮顆粒組成的，這些元素構(gòu)成的污垢層的導(dǎo)熱率很差，對換熱表面的影響非常大，污垢層的存在使壁面的換熱效果大大降低，并且對換熱設(shè)備有很強(qiáng)的破壞腐蝕作用。

4 結(jié) 論

本文對微生物污垢的特性進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究，包括SRB的制備和培養(yǎng)、板式換熱器換熱實(shí)驗(yàn)臺的搭建、不同流速下的污垢熱阻曲線，與漸進(jìn)污垢模型進(jìn)行了對比，而且對換熱表面進(jìn)行了SEM觀察和能譜分析，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論。

（1）板式換熱器受單一菌種附著時存在著誘導(dǎo)期，污垢熱阻先減小再隨著微生物的繁殖而迅速增大，一段時間后隨著污垢達(dá)到老化過程，污垢熱阻開始穩(wěn)定。

表2 垢層元素組成

圖9 能譜分析樣本圖

（2）不同流速下污垢熱阻是不同的，在1 m/s以內(nèi)的低流速范圍內(nèi)，污垢熱阻隨著流速的增大而增大，此時流速使微生物養(yǎng)分量的控制占了主導(dǎo)作用，從而增大了垢層厚度。

（3）掃描電子顯微鏡清楚地顯示出了微生物5個過程中垢層的變化，能譜分析顯示了垢層是由有機(jī)物和懸浮顆粒組成的，說明微生物污垢是由多種因素共同影響的，是一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程的集合。

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