海水管式熱交換器中藻類污垢生長(zhǎng)特性實(shí)驗(yàn)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(guò)程中，管道、設(shè)備結(jié)垢是一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，特別是換熱設(shè)備，其在實(shí)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(wèn)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(shí)致垢微生物會(huì)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(yùn)行、維修等成本。結(jié)垢還會(huì)促進(jìn)金屬壁面的電化學(xué)腐蝕，同時(shí)不斷生長(zhǎng)積聚的污垢會(huì)阻礙流體流動(dòng)[3]，增加流動(dòng)阻力，造成能源和材料的極大浪費(fèi)[4]。

于大禹等[5]總結(jié)了微生物污垢形成過(guò)程的特征及其主要影響因素，利用實(shí)驗(yàn)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(gè)學(xué)科，是十分復(fù)雜的過(guò)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(duì)微生物污垢的影響，同時(shí)探究了管壁材質(zhì)以及管內(nèi)工質(zhì)流速等對(duì)于微生物污垢生長(zhǎng)的影響，對(duì)微生物污垢生長(zhǎng)規(guī)律提供了參考。昝成等[7]研究了城鎮(zhèn)二級(jí)出水中溫度及流速對(duì)板式熱交換器內(nèi)結(jié)垢特性的影響，得到了溫度對(duì)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(duì)微生物型污垢的影響可歸結(jié)為兩點(diǎn)，一是在剝蝕不明顯時(shí)，流速通過(guò)影響對(duì)流傳質(zhì)進(jìn)而影響沉積速率。二是流速對(duì)剝蝕的影響最宜用壁面剪切應(yīng)力和污垢強(qiáng)度來(lái)表征。劉潭[9]對(duì)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(dòng)物的微生物群落。Khor等[10]驗(yàn)證了微生物型污垢生長(zhǎng)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(guò)靜置實(shí)驗(yàn)探討了通過(guò)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(zhǎng)特性。Turner等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了污垢黏膜會(huì)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(zhǎng)。Grant等[13]發(fā)現(xiàn)當(dāng)致垢微生物黏附在金屬上時(shí)，會(huì)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(guó)內(nèi)外關(guān)于微生物污垢的研究中，對(duì)于鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌等細(xì)菌型污垢研究較多，對(duì)藻類污垢研究較少。本文以海水中的藻類微生物為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(duì)海水管式熱交換器中藻類污垢生長(zhǎng)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(zhǎng)特性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

藻類污垢生長(zhǎng)特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖和實(shí)物圖分別見(jiàn)圖1和圖2。結(jié)垢性能監(jiān)測(cè)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(guò)程，以便對(duì)管壁結(jié)垢情況進(jìn)行觀察。

圖1 藻類污垢生長(zhǎng)特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)示圖

圖2 藻類污垢生長(zhǎng)特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物

1.2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)對(duì)象。在以人造海水為介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)介質(zhì)在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)使管路結(jié)垢，通過(guò)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(lái)研究藻類污垢的生長(zhǎng)特性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(yàn)，每種工況循環(huán)運(yùn)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(zhǎng)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)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(wú)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(jiàn)表1。

表1 循環(huán)介質(zhì)(人造海水)成分

1.4 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用復(fù)合藻種提取自山東青島某海域，經(jīng)實(shí)驗(yàn)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(jiàn)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(zhǎng)速率，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)驗(yàn)。紫銅片置于水管中，安裝時(shí)需使其與管內(nèi)壁緊密貼合，見(jiàn)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(lái)表征污垢的生長(zhǎng)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(shí)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(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每天固定時(shí)間剪下一部分銅片作為取樣片，計(jì)算污垢面密度，并繪制污垢生長(zhǎng)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(shí)，取樣片結(jié)垢情況見(jiàn)圖4，污垢生長(zhǎng)情況見(jiàn)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(zhǎng)情況

2 藻類污垢生長(zhǎng)特性實(shí)驗(yàn)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(shí)，通過(guò)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(jiàn)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(shì)大致相同，實(shí)驗(yàn)前期污垢面密度增長(zhǎng)速率較快，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，面密度增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩，最終達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的漸進(jìn)值。在實(shí)驗(yàn)后期，污垢面密度圍繞這一數(shù)值上下波動(dòng)，變化不大，表明管壁內(nèi)污垢總量達(dá)到了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，污垢不再累積生長(zhǎng)。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(shí)，面密度越小，則污垢的沉積量越小。污垢面密度的增長(zhǎng)速率也間接反映了污垢的生長(zhǎng)速率，當(dāng)流速增加時(shí)，污垢面密度的增長(zhǎng)速率并不是始終增加，其中流速為0.2 m/s時(shí)實(shí)驗(yàn)前期污垢面密度的增長(zhǎng)速率最大，污垢生長(zhǎng)最為迅速，達(dá)到漸近值所需的時(shí)間最短。

分析認(rèn)為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)榻橘|(zhì)流速對(duì)于微生物污垢的生長(zhǎng)作用是相對(duì)的，會(huì)起到正反兩方面的作用。較高的流速會(huì)加快介質(zhì)循環(huán)，讓污垢接觸到更多的氧氣及營(yíng)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(zhǎng)。同時(shí)較高的流速也會(huì)帶來(lái)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)速率與流速并不是絕對(duì)關(guān)系，較低流速下，增大流速對(duì)于藻類污垢生長(zhǎng)的促進(jìn)效應(yīng)會(huì)高于剝蝕效應(yīng)，增大流速會(huì)使污垢生長(zhǎng)速率變大；高流速下，增大流速對(duì)于藻類污垢生長(zhǎng)的促進(jìn)效應(yīng)要低于剝蝕效應(yīng)，增大流速會(huì)減小污垢生長(zhǎng)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(shí)，通過(guò)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(jiàn)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(zhǎng)速率均隨著水浴溫度的升高而增大，污垢面密度增長(zhǎng)趨勢(shì)都是呈階梯狀，即污垢生長(zhǎng)速率在實(shí)驗(yàn)中期某一時(shí)刻明顯增長(zhǎng)，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(zhǎng)的4個(gè)階段造成。第1個(gè)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(zhǎng)。第2個(gè)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(guò)調(diào)節(jié)膜不斷吸附到壁面上生長(zhǎng)繁殖，同時(shí)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)富集起來(lái)供藻類細(xì)胞生長(zhǎng)，對(duì)于污垢的吸附與沉積具有促進(jìn)作用。第3個(gè)階段是藻類生物膜的形成階段，藻類細(xì)胞、營(yíng)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(shí)期迅速生長(zhǎng)。第4個(gè)階段是污垢的老化剝蝕階段，隨著污垢不斷沉積增長(zhǎng)，一部分污垢開(kāi)始老化，介質(zhì)流體對(duì)于污垢的剝蝕效應(yīng)也逐漸增大，外層污垢會(huì)不斷溶解、剝離進(jìn)入介質(zhì)，而介質(zhì)中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)促進(jìn)壁面藻類細(xì)胞的生長(zhǎng)，形成新的污垢，最終污垢的剝蝕與生長(zhǎng)形成動(dòng)態(tài)平衡，污垢總量不再增加。

通過(guò)圖7可以看出，第1天～第2天污垢面密度增長(zhǎng)較慢，污垢生長(zhǎng)較為緩慢，這一時(shí)期是污垢的起始及運(yùn)輸階段，藻類細(xì)胞開(kāi)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(zhǎng)繁殖建立有利條件。第2天～第6天污垢面密度急劇增加，說(shuō)明生物膜已經(jīng)初步形成，這一時(shí)期藻類細(xì)胞不斷吸附到壁面上，污垢迅速增長(zhǎng)并沉積。第6天～第9天污垢面密度接近漸近值，污垢生長(zhǎng)緩慢，說(shuō)明管壁中污垢的生長(zhǎng)與剝蝕效應(yīng)已經(jīng)形成了動(dòng)態(tài)平衡，污垢總量圍繞一固定值上下波動(dòng)，不再增加。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，其他工況一定時(shí)，在30～60 ℃內(nèi)，隨著溫度升高，污垢生長(zhǎng)速率加快，污垢總量增多，說(shuō)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(zhǎng)。但污垢生長(zhǎng)趨勢(shì)基本相同，均為階梯狀增長(zhǎng)，最終達(dá)到一個(gè)漸近值趨于穩(wěn)定。

2.3 介質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)影響

實(shí)驗(yàn)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(duì)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?cè)逡后w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(shí)，通過(guò)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(jiàn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)存在競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)關(guān)系，在封閉空間內(nèi)，循環(huán)系統(tǒng)介質(zhì)中的營(yíng)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(zhǎng)會(huì)相互抑制，污垢的生長(zhǎng)速率也會(huì)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(zhǎng)的相互抑制作用較弱，藻類可以充分繁殖，污垢的生長(zhǎng)速率也會(huì)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(shuō)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(zhǎng)速率不同，但對(duì)于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用效果、污垢的生長(zhǎng)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(huì)加快藻類污垢生長(zhǎng)速率；較高流速下，流速的增大會(huì)減緩藻類污垢生長(zhǎng)速率。

(2)實(shí)驗(yàn)溫度30～60 ℃內(nèi)，隨著溫度的提高，藻類污垢生長(zhǎng)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(shí)，污垢生長(zhǎng)速率會(huì)變緩；初始介質(zhì)中藻種體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，污垢生長(zhǎng)速率會(huì)加快。

(4)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)趨勢(shì)基本相同，都是成階梯狀增長(zhǎng)最終達(dá)到一個(gè)漸近值趨于穩(wěn)定。