海水管式熱交換器中藻類污垢生長特性實驗研究

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(北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 北京 100029)

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，管道、設(shè)備結(jié)垢是一個嚴(yán)重問題，特別是換熱設(shè)備，其在實際生活和工程領(lǐng)域應(yīng)用中都存在不同程度的結(jié)垢問題。在以海水、河水等自然水體作為冷卻水的工業(yè)循環(huán)系統(tǒng)中，熱交換器污垢中生物型污垢所占比重較大，介質(zhì)中存在大量的微生物，包括藻類、細(xì)菌及真菌等[1]。條件適宜時致垢微生物會附著于換熱管內(nèi)壁并不斷繁殖，結(jié)垢后使熱阻增大，極大降低熱交換器的傳熱效率[2]，增加設(shè)備的運行、維修等成本。結(jié)垢還會促進(jìn)金屬壁面的電化學(xué)腐蝕，同時不斷生長積聚的污垢會阻礙流體流動[3]，增加流動阻力，造成能源和材料的極大浪費[4]。

于大禹等[5]總結(jié)了微生物污垢形成過程的特征及其主要影響因素，利用實驗方法研究了一些典型微生物污垢的特性及污垢形成的影響因素，認(rèn)為污垢的形成涉及多個學(xué)科，是十分復(fù)雜的過程，影響生物型污垢形成的因素有很多，如水體組分、溫度、水流與壁面的溫度梯度及水流速度等。Melo[6]研究了微生物在換熱設(shè)備表面形成生物膜的機(jī)理以及流速、溫度等外界條件對微生物污垢的影響，同時探究了管壁材質(zhì)以及管內(nèi)工質(zhì)流速等對于微生物污垢生長的影響，對微生物污垢生長規(guī)律提供了參考。昝成等[7]研究了城鎮(zhèn)二級出水中溫度及流速對板式熱交換器內(nèi)結(jié)垢特性的影響，得到了溫度對于以微生物污垢為主的混合污垢形成的影響呈單調(diào)性的結(jié)論。楊善讓等[8]認(rèn)為流速對微生物型污垢的影響可歸結(jié)為兩點，一是在剝蝕不明顯時，流速通過影響對流傳質(zhì)進(jìn)而影響沉積速率。二是流速對剝蝕的影響最宜用壁面剪切應(yīng)力和污垢強(qiáng)度來表征。劉潭[9]對污水源熱泵換熱管的污垢進(jìn)行了研究，并利用XSJ/HS型顯微圖象分析顯示該污垢是含有藻類、細(xì)菌及后生動物的微生物群落。Khor等[10]驗證了微生物型污垢生長初期主要依靠1層有機(jī)黏膜，主要成分為多糖，可使蛋白質(zhì)等大分子顆粒物產(chǎn)生黏附效果。武霖等[11]通過靜置實驗探討了通過Ni-P化學(xué)鍍層改進(jìn)后，換熱管壁面上微生物污垢的生長特性。Turner等[12]通過實驗證明了污垢黏膜會加重顆粒污垢的積聚效果，在一定程度上促進(jìn)污垢的生長。Grant等[13]發(fā)現(xiàn)當(dāng)致垢微生物黏附在金屬上時，會使金屬外壁的電荷分布發(fā)生改變，造成電離效應(yīng)，加快金屬表面的致垢速度。

換熱設(shè)備內(nèi)壁結(jié)垢嚴(yán)重影響工業(yè)生產(chǎn)[14]，目前國內(nèi)外關(guān)于微生物污垢的研究中，對于鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌等細(xì)菌型污垢研究較多，對藻類污垢研究較少。本文以海水中的藻類微生物為研究對象，通過實驗利用控制變量法分別探討了流速、溫度、循環(huán)工質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)對海水管式熱交換器中藻類污垢生長的影響及其相應(yīng)變化規(guī)律，為除垢、抑垢技術(shù)提供一定的理論依據(jù)。

1 藻類污垢生長特性實驗內(nèi)容

1.1 實驗裝置

藻類污垢生長特性實驗臺示意圖和實物圖分別見圖1和圖2。結(jié)垢性能監(jiān)測段為自制的套管，由有機(jī)玻璃圓管和水浴加熱套管構(gòu)成，用于模擬換熱管路熱交換過程，以便對管壁結(jié)垢情況進(jìn)行觀察。

圖1 藻類污垢生長特性實驗臺示圖

圖2 藻類污垢生長特性實驗臺實物

1.2 實驗工況

藻類污垢是海水源熱交換器的主要結(jié)垢成分，選擇復(fù)合藻種作為實驗對象。在以人造海水為介質(zhì)的實驗系統(tǒng)中加入復(fù)合藻種培養(yǎng)液，模擬海水源熱泵的工作狀態(tài)。實驗介質(zhì)在實驗系統(tǒng)中循環(huán)流動使管路結(jié)垢，通過改變水浴溫度、流速、介質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)等不同工況參數(shù)來研究藻類污垢的生長特性。根據(jù)實驗條件和致垢微生物相關(guān)特性，在流速0.1～0.4 m/s、水浴溫度30～60 ℃、藻種體積分?jǐn)?shù)20%～50%內(nèi)進(jìn)行試驗，每種工況循環(huán)運行10 d。

1.3 循環(huán)介質(zhì)

為專業(yè)模擬海水主要成分及藻類污垢的相關(guān)生長環(huán)境，實驗循環(huán)介質(zhì)采用由北京化工大學(xué)生命技術(shù)與科學(xué)學(xué)院微生物研究室所制備的人造海水。人造海水不含懸浮物、有機(jī)物和生物物質(zhì)，是模擬常量組分的質(zhì)量濃度，用無機(jī)鹽類準(zhǔn)確配制的，近似于海水的離子組成、滲透壓和pH值，其具體成分見表1。

表1 循環(huán)介質(zhì)(人造海水)成分

1.4 實驗材料

實驗所用復(fù)合藻種提取自山東青島某海域，經(jīng)實驗室富集分離培養(yǎng)后待用。復(fù)合藻種中各藻類質(zhì)量分?jǐn)?shù)為小球藻50%、硅藻20%、藍(lán)藻20%、卵囊藻10%。藻種培養(yǎng)基選擇經(jīng)改良后的BG11培養(yǎng)基，1 L的BG11培養(yǎng)基中含10 mL的A5溶液，其他成分見表2。

表2 1 L的BG11培養(yǎng)基中主要物質(zhì)成分

1.5 污垢載體

銅是換熱管常用材料，又具有較高的表面能值，可加快污垢生長速率，縮短實驗時間，提高效率，所以選取厚度為0.1 mm的紫銅片作為污垢載體進(jìn)行實驗。紫銅片置于水管中，安裝時需使其與管內(nèi)壁緊密貼合，見圖3。

圖3 紫銅片安裝示圖

使用污垢面密度，即單位面積銅片上污垢的沉積量來表征污垢的生長效果，可減少尺寸誤差，經(jīng)推導(dǎo)后可知：

式中，ρ′為污垢面密度，g/m2；m1為取樣片結(jié)垢時質(zhì)量，m2為取樣片清除污垢后再次烘干稱重的質(zhì)量，g；ρ為取樣片密度，銅片密度8.9 g/cm3；δ為取樣片厚度，取0.1 mm。

1.6 實驗步驟

實驗過程中，每天固定時間剪下一部分銅片作為取樣片，計算污垢面密度，并繪制污垢生長曲線。循環(huán)介質(zhì)入口溫度25 ℃、水浴溫度40 ℃、介質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)30%、介質(zhì)流速0.1 m/s時，取樣片結(jié)垢情況見圖4，污垢生長情況見圖5。

圖4 取樣片污垢情況

圖5 藻種在銅片上結(jié)垢及污垢生長情況

2 藻類污垢生長特性實驗結(jié)果與分析

2.1 流速影響

在循環(huán)介質(zhì)入口溫度25 ℃、水浴溫度45 ℃、介質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)30%時，通過改變介質(zhì)流速(0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s)得到管壁內(nèi)污垢面密度變化曲線，見圖6。

圖6 不同介質(zhì)流速下管壁內(nèi)污垢面密度變化曲線

從圖6可以看出，0.2 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s 這3組流速下污垢面密度的變化趨勢大致相同，實驗前期污垢面密度增長速率較快，隨著時間的延長，面密度增長趨勢逐漸變緩，最終達(dá)到一個相對穩(wěn)定的漸進(jìn)值。在實驗后期，污垢面密度圍繞這一數(shù)值上下波動，變化不大，表明管壁內(nèi)污垢總量達(dá)到了一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，污垢不再累積生長。隨著流速增大，污垢面密度漸進(jìn)值減小。污垢面密度代表污垢載體單位面積上污垢的質(zhì)量，可表征系統(tǒng)內(nèi)的結(jié)垢情況。當(dāng)污垢載體確定時，面密度越小，則污垢的沉積量越小。污垢面密度的增長速率也間接反映了污垢的生長速率，當(dāng)流速增加時，污垢面密度的增長速率并不是始終增加，其中流速為0.2 m/s時實驗前期污垢面密度的增長速率最大，污垢生長最為迅速，達(dá)到漸近值所需的時間最短。

分析認(rèn)為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為介質(zhì)流速對于微生物污垢的生長作用是相對的，會起到正反兩方面的作用。較高的流速會加快介質(zhì)循環(huán)，讓污垢接觸到更多的氧氣及營養(yǎng)物質(zhì)，增加了養(yǎng)分和氧的供給[15]，在一定程度上促進(jìn)了藻類污垢的生長。同時較高的流速也會帶來更大的剪切力，加速管壁附著的藻類生物膜以及污垢沉積物的剝蝕效應(yīng)。

從實驗結(jié)果看，在其他工況一定的條件下，污垢面密度的漸近值隨流速的增大而減小，即污垢總量隨流速的增大而減小。但污垢的生長速率與流速并不是絕對關(guān)系，較低流速下，增大流速對于藻類污垢生長的促進(jìn)效應(yīng)會高于剝蝕效應(yīng)，增大流速會使污垢生長速率變大；高流速下，增大流速對于藻類污垢生長的促進(jìn)效應(yīng)要低于剝蝕效應(yīng)，增大流速會減小污垢生長速率。

2.2 溫度影響

在循環(huán)介質(zhì)入口溫度25 ℃、介質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)30%、介質(zhì)流速0.3 m/s時，通過改變套管中水浴溫度(30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃)得到管壁內(nèi)污垢面密度變化曲線，見圖7。

圖7 不同水浴溫度下管壁內(nèi)污垢面密度變化曲線

從圖7可以看出，污垢的沉積量和污垢面密度增長速率均隨著水浴溫度的升高而增大，污垢面密度增長趨勢都是呈階梯狀，即污垢生長速率在實驗中期某一時刻明顯增長，后期又回歸平穩(wěn)。

分析認(rèn)為，出現(xiàn)以上現(xiàn)象是微生物污垢附壁及生長的4個階段造成。第1個階段是起始階段，介質(zhì)中的藻類細(xì)胞逐漸覆蓋壁面，形成一層很薄的調(diào)節(jié)膜，便于后期污垢的吸附和生長。第2個階段是藻類細(xì)胞的吸附與沉積階段，介質(zhì)中的藻類細(xì)胞通過調(diào)節(jié)膜不斷吸附到壁面上生長繁殖，同時分泌出大量的胞外聚合物。胞外聚合物的主要成分是核酸、多糖和蛋白質(zhì)等，黏度較高，可將介質(zhì)中的營養(yǎng)物質(zhì)富集起來供藻類細(xì)胞生長，對于污垢的吸附與沉積具有促進(jìn)作用。第3個階段是藻類生物膜的形成階段，藻類細(xì)胞、營養(yǎng)物質(zhì)等大分子有機(jī)物在壁面不斷沉積形成生物膜，成為藻類污垢的主要組成部分，污垢在這一時期迅速生長。第4個階段是污垢的老化剝蝕階段，隨著污垢不斷沉積增長，一部分污垢開始老化，介質(zhì)流體對于污垢的剝蝕效應(yīng)也逐漸增大，外層污垢會不斷溶解、剝離進(jìn)入介質(zhì)，而介質(zhì)中的營養(yǎng)物質(zhì)會促進(jìn)壁面藻類細(xì)胞的生長，形成新的污垢，最終污垢的剝蝕與生長形成動態(tài)平衡，污垢總量不再增加。

通過圖7可以看出，第1天～第2天污垢面密度增長較慢，污垢生長較為緩慢，這一時期是污垢的起始及運輸階段，藻類細(xì)胞開始吸附到壁面上形成調(diào)節(jié)膜，為之后藻類細(xì)胞在壁面上的生長繁殖建立有利條件。第2天～第6天污垢面密度急劇增加，說明生物膜已經(jīng)初步形成，這一時期藻類細(xì)胞不斷吸附到壁面上，污垢迅速增長并沉積。第6天～第9天污垢面密度接近漸近值，污垢生長緩慢，說明管壁中污垢的生長與剝蝕效應(yīng)已經(jīng)形成了動態(tài)平衡，污垢總量圍繞一固定值上下波動，不再增加。

從實驗結(jié)果看，其他工況一定時，在30～60 ℃內(nèi)，隨著溫度升高，污垢生長速率加快，污垢總量增多，說明溫度升高刺激了藻類細(xì)胞內(nèi)部酶的活性，加快了藻類細(xì)胞的新陳代謝，促進(jìn)了污垢的生長。但污垢生長趨勢基本相同，均為階梯狀增長，最終達(dá)到一個漸近值趨于穩(wěn)定。

2.3 介質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)影響

實驗介質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)為復(fù)合藻種培養(yǎng)液與人造海水的體積比，可對復(fù)合藻種培養(yǎng)液中的光密度值進(jìn)行控制，因此按比例加入人造海水即可改變藻液體積分?jǐn)?shù)。在循環(huán)介質(zhì)入口溫度25 ℃、水浴溫度40 ℃、介質(zhì)流速為0.3 m/s時，通過改變介質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)(20%、30%、40%、50%)得到管壁內(nèi)污垢面密度的變化曲線，見圖8。

圖8 不同藻種體積分?jǐn)?shù)下管壁內(nèi)污垢面密度變化曲線

從圖8可以看出，隨著介質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)的增大，污垢前期生長速率變小，污垢沉積總量增加，但并不明顯。

藻類污垢是由藻類細(xì)胞的聚集生長及其附壁效應(yīng)生成的胞外聚合物粘附介質(zhì)中有機(jī)大分子物質(zhì)而形成，在封閉循環(huán)系統(tǒng)中，介質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)越高，其中的藻類細(xì)胞越多，在壁面富集生長及所分泌的胞外聚合物也越旺盛，所產(chǎn)生的污垢總量越多。但藻類細(xì)胞的生長存在競爭生長關(guān)系，在封閉空間內(nèi)，循環(huán)系統(tǒng)介質(zhì)中的營養(yǎng)物質(zhì)是一定的。在初始介質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)較高的情況下，藻類細(xì)胞生長會相互抑制，污垢的生長速率也會變緩。在初始介質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)較低的情況下，藻類細(xì)胞生長的相互抑制作用較弱，藻類可以充分繁殖，污垢的生長速率也會增大。

4種介質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)下管壁內(nèi)污垢面密度的漸近值很接近，即最終產(chǎn)生的污垢總量基本相同，說明在封閉條件下，雖然不同介質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)下污垢的生長速率不同，但對于營養(yǎng)物質(zhì)的利用效果、污垢的生長效果是接近的，因此最終的污垢總量也基本相同。

3 結(jié)論

(1)在低流速范圍內(nèi)，流速的增大會加快藻類污垢生長速率；較高流速下，流速的增大會減緩藻類污垢生長速率。

(2)實驗溫度30～60 ℃內(nèi)，隨著溫度的提高，藻類污垢生長速率加快，污垢總量增加。

(3)在閉式循環(huán)中，隨著介質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)的增大，藻類污垢沉積量基本相同。初始介質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)較高時，污垢生長速率會變緩；初始介質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)較低時，污垢生長速率會加快。

(4)實驗條件下，分別改變流速、溫度和介質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)，藻類污垢生長趨勢基本相同，都是成階梯狀增長最終達(dá)到一個漸近值趨于穩(wěn)定。