海水板式換熱器微生物污垢特性的實驗研究

楊 帥，梅 寧，袁 瀚

（中國海洋大學工程學院，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、熱源品質穩定的獨特優點，然而在實際應用中，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，因此海水換熱設備污垢清除以及傳熱強化是研究領域的熱點課題。污垢[2]是在換熱器表面上和流體中所發生的質量傳遞、動量傳遞以及換熱現象相互作用的后果。通常，污垢會導致換熱器傳熱性能降低、壓降增大，甚至加劇腐蝕，最終導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，導致各種微生物的集聚，形成微生物污垢，嚴重影響著換熱器的換熱效率。

目前對于微生物污垢特性，國內外學者都進行了大量的研究。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學描述模型，奠定了污垢研究和發展的里程碑；Swee等[5]實驗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]總結了不同時間內污垢熱阻的變化規律，提出了線性、降冪、冪律、漸進4種污垢增長模型，為污垢熱阻預測提供了理論模型。近幾十年來，國內的污垢研究才剛剛發展，起步較晚，1990年楊善讓等[8]在國內外首次提出了管殼式換熱器污垢熱阻檢測原理，并開發了智能監測裝置；曹生現等[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模型，并且對不銹鋼換熱器中典型微生物結構特性進行了研究[10]。

這些研究都是針對污水源或者淡水河流等，未對海水中換熱設備的污垢進行研究。為了得到海水中換熱設備的污垢特性以及垢層對傳熱的影響，利用對設備影響較大的硫酸鹽還原菌（SRB）細菌進行培養實驗，通過掃描電子顯微鏡對不同時間段污垢的生長狀況進行微觀結構的觀察[11]，在污垢形成的穩定期對垢層作了能譜分析，并且建立邊界層重構加強換熱裝置，實現了污垢熱阻的實時測量，對比驗證污垢實際生長曲線和漸進預測模型，研究和測量污垢的熱物性和物理特性是為了后續進行除垢加強換熱作準備。

1 微生物污垢的形成過程以及培養

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性過程包括開始、運輸、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，或稱為誘導期，影響誘導期的因素有溫度、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，也含有細菌、腐蝕產物、懸浮固體物、藻類等。運輸是指污垢物自身從主流流體中運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，又包含化學過程。生物膜的存在使細菌、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、湍流脈動已經侵蝕，會使污垢脫離換熱表面，到最后附著和脫離產生一個平衡，污垢達到穩定期。

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境中，是海水中換熱設備主要的微生物附著菌種。培養實驗是從浸泡在自然海水中6個月的鐵板表面富集培養出所需SRB菌種，富集培養采用修正的PGC培養基，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基上，對換熱設備進行附著和腐蝕。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 實驗系統和原理

2.1 實驗裝置設計

如圖2和圖3所示，板式換熱器表面邊界層重構換熱模型，此實驗裝置的設計思路：一是模擬板式換熱器的換熱；二是要能實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；四是要能進行后續研究去除污垢，重構邊界層加強換熱。整個裝置外側是有機玻璃體，中間是不銹鋼板，兩頭是打上鉆眼的有機玻璃管。考慮一般測量換熱器的換熱都是測量其充分發展段的溫度，為了使測量穩定準確，外側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，保證換熱段溫度均勻、流速均勻，把溫度測點放在充分發展段，可以準確地測量不銹鋼板的換熱量。并且在實驗開始前，對裝置和所有管路都進行了保溫處理，減少實驗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物圖

2.2 實驗系統圖

實驗系統是模擬板式換熱器在海水中受到單一菌種微生物（本實驗用SRB）腐蝕時的實驗情況，系統如圖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、機械清除污垢部分和數據采集部分。以天然海水滅菌處理后為基質加入營養液調配到一定的濃度和成分，把配制好的SRB菌種再接種其上，作為實驗的換熱熱流體（在恒溫水浴中加熱到28 ℃），采用自來水滅菌處理作為實驗的換熱冷流體（恒溫水浴中加熱到10 ℃），實驗采用逆流換熱，換熱溫差 18 ℃，低溫介質經循環水泵送入換熱器換熱后，其熱量通過冷卻水箱散掉。高溫介質換熱后的熱損失通過恒溫水浴進行補回，循環持續進行至污垢熱阻穩定。在高溫介質側放置掃描電鏡掛片，實驗進行過程中，定期對掛片進行電鏡掃描，觀察附著形貌。

圖4 實驗裝置圖

實驗用鋼為304不銹鋼，試樣表面用砂紙逐級磨光，再經丙酮除油和滅菌處理。

2.3 實驗儀器

實驗儀器見表1。

表1 實驗儀器

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為污染狀態下的污垢熱阻，m2·K/W；Uf為污染狀態下的總傳熱系數，W/(m2·K)；Uc為潔凈狀態下的總傳熱系數，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律，得到污垢從誘導期到穩定期污垢熱阻的曲線圖，并記錄達到穩定期所需時間。根據Zubair和 Sheikh等[6-7]提出的漸進污垢模型，見式（2）。

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

3 結果與分析

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 實驗與理論對比

圖5 不銹鋼換熱表面污垢附著圖

圖6 實驗和理論的污垢熱阻變化曲線對比圖

從圖6中實驗結果可以看出，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滅菌，剛開始微生物的濃度不高，并且是單一菌種，通過誘導期的繁殖后才大量繁殖。因此實驗過程中有誘導期的存在，不銹鋼表面并沒有馬上產生污垢，而是在24 h后，換熱熱阻有所下降，說明誘導期內，微生物的生長是增大了換熱壁面的粗糙度，實際上增大了換熱面積，還加強了換熱。誘導期后，污垢開始產生，污垢熱阻迅速增大，一段時間后，換熱表面污垢已經有一定厚度，沉積和剝蝕達到平衡，污垢熱阻穩定。實驗測得的數據與Zubair和Sheikh等[6-7]提出的理論模型趨勢基本上是吻合的，但是漸進污垢模型沒有涵蓋誘導期的影響，誘導期過后的趨勢和變化是符合實際實驗的，漸進污垢模型可以用來預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，污垢的厚度隨流速的增大而增大，這一結果是設計中常引用的經驗規則——換熱器中冷卻水流速應大于1.0 m/s的根據。

3.3 掃描電鏡對污垢微觀結構的觀察

定期把放在裝置中的掃描電鏡掛片取出然后進行 SEM 觀察，對換熱表面污垢生長情況進行微觀層次的觀察。本實驗室采用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，運輸和移動時微生物繼續生長，快速繁殖，污垢在換熱表面開始呈現一定的表面結構。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生大量有機物，污垢層厚度開始增加，老化過程中垢層的沉積和剝蝕達到一種動態平衡，污垢層逐漸形成一定空間結構。

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行了穩定期的能譜分析實驗，分析結果如表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物和水里的懸浮顆粒組成的，這些元素構成的污垢層的導熱率很差，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，并且對換熱設備有很強的破壞腐蝕作用。

4 結 論

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

（1）板式換熱器受單一菌種附著時存在著誘導期，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到老化過程，污垢熱阻開始穩定。

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以內的低流速范圍內，污垢熱阻隨著流速的增大而增大，此時流速使微生物養分量的控制占了主導作用，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，是一系列復雜的物理化學變化過程的集合。

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