楊 帥，梅 寧，袁 瀚

（中國(guó)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(chǔ)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(huì)帶來(lái)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(dòng)量傳遞以及換熱現(xiàn)象相互作用的后果。通常，污垢會(huì)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(huì)受到大量微生物附著，換熱過(guò)程中會(huì)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(duì)于微生物污垢特性，國(guó)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(shí)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(zhǎng)模型，為污垢熱阻預(yù)測(cè)提供了理論模型。近幾十年來(lái)，國(guó)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(guó)內(nèi)外首次提出了管殼式換熱器污垢熱阻檢測(cè)原理，并開(kāi)發(fā)了智能監(jiān)測(cè)裝置；曹生現(xiàn)等[9]為研究微生物污垢的形成過(guò)程，建立了微生物污垢形成的傳熱傳質(zhì)模型，并且對(duì)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(duì)污水源或者淡水河流等，未對(duì)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(duì)傳熱的影響，利用對(duì)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(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)不同時(shí)間段污垢的生長(zhǎng)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(duì)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(shí)測(cè)量，對(duì)比驗(yàn)證污垢實(shí)際生長(zhǎng)曲線和漸進(jìn)預(yù)測(cè)模型，研究和測(cè)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(guò)程以及培養(yǎng)

1.1 污垢生長(zhǎng)過(guò)程

微生物污垢在板式換熱器中形成的連續(xù)性過(guò)程包括開(kāi)始、運(yùn)輸、附著、移動(dòng)、老化，這些過(guò)程決定著整個(gè)污垢的形成過(guò)程，也最終決定著污垢對(duì)換熱器性能的影響。污垢的開(kāi)始是污垢過(guò)程的第一步，在此之前存在一個(gè)延遲時(shí)間，或稱(chēng)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(shí)，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(lèi)等。運(yùn)輸是指污垢物自身從主流流體中運(yùn)動(dòng)到壁面的傳輸過(guò)程，微生物污垢在換熱器的附著既包含物理過(guò)程，又包含化學(xué)過(guò)程。生物膜的存在使細(xì)菌、藻類(lèi)、小型浮游生物開(kāi)始附著于上不銹鋼管材，開(kāi)始大量微生物群的滋生。由于剪切力、湍流脈動(dòng)已經(jīng)侵蝕，會(huì)使污垢脫離換熱表面，到最后附著和脫離產(chǎn)生一個(gè)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(gè)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(duì)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(jì)

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(jì)思路：一是模擬板式換熱器的換熱；二是要能實(shí)時(shí)測(cè)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(gè)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(cè)量換熱器的換熱都是測(cè)量其充分發(fā)展段的溫度，為了使測(cè)量穩(wěn)定準(zhǔn)確，外側(cè)和中間不銹鋼板的間距是5 mm， 長(zhǎng)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(cè)點(diǎn)放在充分發(fā)展段，可以準(zhǔn)確地測(cè)量不銹鋼板的換熱量。并且在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)裝置和所有管路都進(jìn)行了保溫處理，減少實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)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(yíng)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(lái)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(guò)冷卻水箱散掉。高溫介質(zhì)換熱后的熱損失通過(guò)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(guò)程中，定期對(duì)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(jí)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(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器

2.4 熱阻測(cè)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(guò)公式可以計(jì)算出污垢熱阻，測(cè)量不同時(shí)間的熱阻可以得到熱阻隨時(shí)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(shí)間。根據(jù)Zubair和 Sheikh等[6-7]提出的漸進(jìn)污垢模型，見(jiàn)式（2）。

式中，θ為污垢熱阻增長(zhǎng)時(shí)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(shí)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(chǎng)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(duì)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(duì)比圖

從圖6中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，一開(kāi)始壁面熱阻并沒(méi)有減小，由于所用海水和中介水都已經(jīng)滅菌，剛開(kāi)始微生物的濃度不高，并且是單一菌種，通過(guò)誘導(dǎo)期的繁殖后才大量繁殖。因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有誘導(dǎo)期的存在，不銹鋼表面并沒(méi)有馬上產(chǎn)生污垢，而是在24 h后，換熱熱阻有所下降，說(shuō)明誘導(dǎo)期內(nèi)，微生物的生長(zhǎng)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(kāi)始產(chǎn)生，污垢熱阻迅速增大，一段時(shí)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(cè)得的數(shù)據(jù)與Zubair和Sheikh等[6-7]提出的理論模型趨勢(shì)基本上是吻合的，但是漸進(jìn)污垢模型沒(méi)有涵蓋誘導(dǎo)期的影響，誘導(dǎo)期過(guò)后的趨勢(shì)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(lái)預(yù)測(cè)微生物污垢生長(zhǎng)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(shì)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(kāi)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?gòu)?.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(duì)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(jì)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(duì)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(duì)換熱表面污垢生長(zhǎng)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(shí)期微生物污垢的生長(zhǎng)過(guò)程電鏡圖，如圖8所示。誘導(dǎo)期過(guò)后污垢形成的開(kāi)始是換熱表面形成生物膜，此階段污垢層開(kāi)始增長(zhǎng)，運(yùn)輸和移動(dòng)時(shí)微生物繼續(xù)生長(zhǎng)，快速繁殖，污垢在換熱表面開(kāi)始呈現(xiàn)一定的表面結(jié)構(gòu)。附著過(guò)程中污垢層成長(zhǎng)的過(guò)程不是均勻生長(zhǎng)的，會(huì)在容易積聚的地方大量堆積，此階段壁面的微生物代謝會(huì)產(chǎn)生大量有機(jī)物，污垢層厚度開(kāi)始增加，老化過(guò)程中垢層的沉積和剝蝕達(dá)到一種動(dòng)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(shí)期換熱表面污垢生長(zhǎng)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(duì)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(duì)換熱設(shè)備有很強(qiáng)的破壞腐蝕作用。

4 結(jié) 論

本文對(duì)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(tái)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(duì)比，而且對(duì)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(shí)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(shí)間后隨著污垢達(dá)到老化過(guò)程，污垢熱阻開(kāi)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?xún)?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(shí)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(gè)過(guò)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(shuō)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(guò)程的集合。

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