船舶壓載水系統(tǒng)UV模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

胡 明

· （海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室，浙江 杭州 310000）

船舶壓載水系統(tǒng)UV模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

胡 明

· （海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室，浙江 杭州 310000）

壓載水系統(tǒng)利用紫外線進(jìn)行殺菌處理的方法，已經(jīng)是一套很成熟的技術(shù)。本文通過增加導(dǎo)流板來改進(jìn)原有的UV腔體，并通過數(shù)值模擬和生物實(shí)驗(yàn)的方法來解決實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，如輻射劑量不達(dá)標(biāo)，消耗的功率太大等。

壓載水；UV；導(dǎo)流板；生物實(shí)驗(yàn)

0 引言

為了控制控制和防止船舶壓載水船舶有害水生物和病原體，國際海事組織（IMO）于2004年2月9日至13日在英國倫敦IMO總部召開了船舶壓載水管理國際大會(huì)。大會(huì)決議通過了《船舶壓載水及沉積物控制和管理國際公約》，簡稱為2004壓載水管理公約[1]。

一些國家為保護(hù)本國水域環(huán)境，已經(jīng)采取單邊行動(dòng)通過國家立法控制船舶壓載水的排放，就船舶壓載水置換問題開始進(jìn)行控制。就如美國在2012和2013年推出的紐約標(biāo)準(zhǔn)和USCG標(biāo)準(zhǔn)，在部分要求方面分別比IMO標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格百倍和千倍[2]。因此各國對(duì)壓載水處理系統(tǒng)的要求也越來越高。本文通過對(duì)紫外線殺菌器（簡稱UV）進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)以提高UV對(duì)壓載水的處理能力，并通過仿真模擬，生物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 UV裝置改進(jìn)方法

影響紫外線壓載水處理效果的因素有壓載水水質(zhì)，過濾設(shè)備的處理效率，壓載水溫度，紫外線劑量，燈管性能，燈管的排布等幾種因素。可以UV中對(duì)紫外線劑量和燈管的排布進(jìn)行優(yōu)化。

微生物在流行過程中受到的輻照劑量方程為：

式中：I（ui）—在t時(shí)刻時(shí)某特定點(diǎn)處的輻射光強(qiáng)度；

T—微生物在消毒器內(nèi)的總停留時(shí)間。

從式中可以看出輻照劑量由輻照強(qiáng)度和停滯時(shí)間兩因素共同影響，輻照強(qiáng)度由燈管的功率和燈管的分布決定，而停滯時(shí)間則由UV腔體的結(jié)構(gòu)決定。本文從減少停滯時(shí)間方面進(jìn)行分析，通過在腔體中增加導(dǎo)流板，對(duì)入口的壓載水進(jìn)行分流，來影響壓載水在腔體中的停滯時(shí)間。腔體裝置的改變?nèi)鐖D1和圖2所示：

圖1 改造前的UV腔體

圖2 改造后的UV腔體

優(yōu)化過的腔體是在進(jìn)水口及出水口都裝上三角形導(dǎo)流板，其三角頂端正對(duì)入水口和出水口。另外，在腔體的上下兩端，安裝了兩塊薄板,作用 是對(duì)分流的壓載水進(jìn)行阻擋，使壓載水的停滯時(shí)間增加。

從兩張圖的對(duì)比可以看出，圖1中常規(guī)的UV進(jìn)出水口之間，除了燈管外，無任何物體阻擋。但本文改進(jìn)的壓載水處理系統(tǒng)的處理量為300 m3/h，經(jīng)濟(jì)算筒內(nèi)水流平均速度能達(dá)到2.43 m/s，使壓載水接受光照的時(shí)間約只有0.5 s左右。流速較快，會(huì)造成兩個(gè)問題，首先是壓載水的停滯時(shí)間少，使得整體的輻射劑量偏低；其次，水速過快，會(huì)使腔體兩端出現(xiàn)死水區(qū)。圖2中，壓載水水從進(jìn)水口就會(huì)被三角板分流，然后沿腔體曲面前進(jìn)的水流流速會(huì)比三角板后水流的流速快。而腔體兩端的擋板就會(huì)擋住沿著腔體前進(jìn)的壓載水，降低流速，使得整個(gè)腔體內(nèi)壓載水流速趨于平衡，也就使壓載水在腔體內(nèi)的停滯時(shí)間增加。

2 仿真模擬

2.1 仿真前處理

數(shù)值模擬對(duì)象為設(shè)計(jì)的UV殺菌器，該殺菌器內(nèi)設(shè)置有十?dāng)?shù)根額定功率為3000 w以上的中壓高強(qiáng)紫外燈管，外面套有純石英套管，不含TiO2[3]。運(yùn)用solidworks軟件建立UV的三維實(shí)體模型：X軸正向?yàn)檫M(jìn)水方向，腔體的軸線即紫外燈的軸線與Y軸垂直，與Z軸平行。然后導(dǎo)入gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將整個(gè)UV分成入流區(qū)，輻射區(qū)，出流區(qū)3部分。因?yàn)槿肓鲄^(qū)和出流區(qū)兩區(qū)域采用的是TGrid型的Tet/Hybrid網(wǎng)格進(jìn)行劃分；而計(jì)算精度更為復(fù)雜的輻射區(qū)則用六面體網(wǎng)格，并在燈管周圍劃分邊界層。

假設(shè)所處理的壓載水為不可壓縮單相均質(zhì)流體，作定常流動(dòng)，20℃時(shí)的密度為1.03×103 kg/m3，海水運(yùn)動(dòng)粘度為1.1×10-6m2/s[4]。數(shù)值模擬采用3d求解器，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，動(dòng)量、湍流動(dòng)能、湍流耗散率均采用一階迎風(fēng)差分格式。壁面為無滑移邊界條件，且法向和切向的速度均為零，對(duì)近壁區(qū)域的流體采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。為更嚴(yán)格計(jì)算輻照劑量，不考慮壁面對(duì)紫外光的反射。

2.1 仿真結(jié)果分析

為了解反應(yīng)器內(nèi)流速及紫外輻照強(qiáng)度的分布情況，分別取了豎直面、水平面作為研究對(duì)象。

2.2.1 反應(yīng)器內(nèi)流場特征

圖3 豎直面流速分布圖

圖4 水平面流速分布圖

模擬結(jié)果表明，紫外消毒反應(yīng)器內(nèi)最大流速為 3.48 m/s，僅出現(xiàn)在腔體出口的局部區(qū)域；最小流速約為0.0046 m/s，主要位于導(dǎo)流板一側(cè)及消毒器壁面附近。豎直面上的流速分布圖可知，反應(yīng)器中的最大流速位于腔室進(jìn)出口導(dǎo)流板的兩側(cè)，約為2.7 m/s；導(dǎo)流板后側(cè)區(qū)域及腔室內(nèi)靠近進(jìn)口區(qū)域的一側(cè)流速較小。根據(jù)水平流速圖，在導(dǎo)流板后側(cè)存在渦流，使得腔體中心流速較為均衡，可得腔體內(nèi)的平均流速約為1.8 m/s。通過在進(jìn)出口及反應(yīng)腔體內(nèi)增加導(dǎo)流板，對(duì)腔體內(nèi)的水流產(chǎn)生了擾動(dòng)作用，有利于提高水流在腔體內(nèi)的有效停留時(shí)間；同時(shí)，有利于水流在腔體內(nèi)的有效分布，提高紫外輻照劑量分布的合理性。

而在圖1所示的處理器中，水流平均流速約為2.4 m/s，使得水流在腔體的停滯時(shí)間較少，約為0.177 s。而在改進(jìn)后的腔體中，水流停滯時(shí)間約為0.228 s。由此可見，改進(jìn)后的腔體使得壓載水在腔體中得到較多的停滯時(shí)間。

2.2.2 反應(yīng)器內(nèi)紫外輻照強(qiáng)度分布特征

圖5 豎直面輻照強(qiáng)度分布圖

圖6 車間分段舾裝

計(jì)算表明，石英套管表面紫外輻照發(fā)射強(qiáng)度為10486.52 W/m2[5]。模擬結(jié)果表明，反應(yīng)器內(nèi)紫外輻照強(qiáng)度的最大值為19036.90 W/m2，最小值約為0.37 W/m2，平均輻照強(qiáng)度約為11038.25 W/m2。從豎直面上的輻照強(qiáng)度分布情況可以看出，反應(yīng)腔室徑向紫外強(qiáng)度分布相對(duì)較均勻。從水平面上輻照強(qiáng)度的分布情況可以看出，反應(yīng)腔室兩端紫外輻照強(qiáng)度較小，因而流經(jīng)該區(qū)域的水流接收到的紫外輻照劑量也相對(duì)較小。

將停滯時(shí)間與輻照強(qiáng)度綜合考慮，可得壓載水流過腔體時(shí)，其中顆粒所接收的輻射劑量約為251.3 mJ/cm2。而未改進(jìn)的處理器中，使用燈管根數(shù)為18根，平均輻射強(qiáng)度較高，達(dá)到 12135.19 mJ/cm2。而壓載水中大部分微生物被殺滅所需輻射劑量在3-240mJ/cm2[7]。由此可見，改進(jìn)后的UV處理器不僅提升了輻射劑量，也達(dá)到了殺滅壓載水中微生物的要求。

3 結(jié)論

通過fluent模擬，改進(jìn)的300 m3/h的UV殺菌器達(dá)到殺滅大部分微生物的要求。而且通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使得UV所需的燈管減少，即在提高處理效果的同時(shí)減少成本。所以，隨著IMO標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，以及更加嚴(yán)格的紐約標(biāo)準(zhǔn)的頒布，壓載水處理系統(tǒng)將隨著這些標(biāo)準(zhǔn)不斷地優(yōu)化，提高。若要繼續(xù)提高改進(jìn)該套處理系統(tǒng)，必須遵循G8導(dǎo)則，即在處理過程中不產(chǎn)生活性物質(zhì)為要求，并可以在UV模塊前加上過濾與超聲波預(yù)處理，這樣可以破壞微生物的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，有利于UV對(duì)微生物的殺滅。

[1]王雪峰.船舶壓載水對(duì)海洋的污染及處理方法[J].中國水運(yùn),2009,09(1):3-4.

[2]胥苗苗.美國壓載水新規(guī)設(shè)備難題[J].中國船檢,2012(2):7-8.

[3]Ba1pure T W.BallastWaterTreatmentSystem.2011

[4]劉飛.船舶壓載水紫外線滅菌系統(tǒng)研究[D].大連海事大學(xué)，2008:36-37.

[5]王東勝;張麗;范春華等.基于低壓紫外技術(shù)的船舶壓載水處理裝置設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師,2012(04):2-3.

[6]劉明杰;李志勝;于健等.應(yīng)對(duì)《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》實(shí)施 完善船舶壓載水的控制與管理[J].中國國境衛(wèi)生檢疫雜志,2007(2):112-114.

[7]張曼霞.MPCF&UV法處理船舶壓載水技術(shù)可行性研究[D].大連海事大學(xué)碩士論文,2009.

UV ballast water system optimal design and experimental verification

HU Ming
(Naval Representative Office in Hangzhou Area,Hangzhou 310000,China)

Ballast water system using the method of UV sterilization,is already a very mature technology.By adding baffles,this article is to improve the original UV chamber,and through numerical simulation and the experimental of biological approaches to solve the problems in practical application,such as the radiation dose not reaching the standard and consuming too much power.

modular outfitting; on-block outfit; process optimization; shipbuilding

U662

A

胡明（1969-），男，高級(jí)工程師，主要從事艦船設(shè)備監(jiān)造。