胡 明

· （海军驻杭州地区军事代表室，浙江 杭州 310000）

船舶压载水系统UV模块的优化设计及实验验证

胡 明

· （海军驻杭州地区军事代表室，浙江 杭州 310000）

压载水系统利用紫外线进行杀菌处理的方法，已经是一套很成熟的技术。本文通过增加导流板来改进原有的UV腔体，并通过数值模拟和生物实验的方法来解决实际应用中出现的问题，如辐射剂量不达标，消耗的功率太大等。

压载水；UV；导流板；生物实验

0 引言

为了控制控制和防止船舶压载水船舶有害水生物和病原体，国际海事组织（IMO）于2004年2月9日至13日在英国伦敦IMO总部召开了船舶压载水管理国际大会。大会决议通过了《船舶压载水及沉积物控制和管理国际公约》，简称为2004压载水管理公约[1]。

一些国家为保护本国水域环境，已经采取单边行动通过国家立法控制船舶压载水的排放，就船舶压载水置换问题开始进行控制。就如美国在2012和2013年推出的纽约标准和USCG标准，在部分要求方面分别比IMO标准严格百倍和千倍[2]。因此各国对压载水处理系统的要求也越来越高。本文通过对紫外线杀菌器（简称UV）进行结构上的改进以提高UV对压载水的处理能力，并通过仿真模拟，生物实验进行验证。

1 UV装置改进方法

影响紫外线压载水处理效果的因素有压载水水质，过滤设备的处理效率，压载水温度，紫外线剂量，灯管性能，灯管的排布等几种因素。可以UV中对紫外线剂量和灯管的排布进行优化。

微生物在流行过程中受到的辐照剂量方程为：

式中：I（ui）—在t时刻时某特定点处的辐射光强度；

T—微生物在消毒器内的总停留时间。

从式中可以看出辐照剂量由辐照强度和停滞时间两因素共同影响，辐照强度由灯管的功率和灯管的分布决定，而停滞时间则由UV腔体的结构决定。本文从减少停滞时间方面进行分析，通过在腔体中增加导流板，对入口的压载水进行分流，来影响压载水在腔体中的停滞时间。腔体装置的改变如图1和图2所示：

图1 改造前的UV腔体

图2 改造后的UV腔体

优化过的腔体是在进水口及出水口都装上三角形导流板，其三角顶端正对入水口和出水口。另外，在腔体的上下两端，安装了两块薄板,作用 是对分流的压载水进行阻挡，使压载水的停滞时间增加。

从两张图的对比可以看出，图1中常规的UV进出水口之间，除了灯管外，无任何物体阻挡。但本文改进的压载水处理系统的处理量为300 m3/h，经济算筒内水流平均速度能达到2.43 m/s，使压载水接受光照的时间约只有0.5 s左右。流速较快，会造成两个问题，首先是压载水的停滞时间少，使得整体的辐射剂量偏低；其次，水速过快，会使腔体两端出现死水区。图2中，压载水水从进水口就会被三角板分流，然后沿腔体曲面前进的水流流速会比三角板后水流的流速快。而腔体两端的挡板就会挡住沿着腔体前进的压载水，降低流速，使得整个腔体内压载水流速趋于平衡，也就使压载水在腔体内的停滞时间增加。

2 仿真模拟

2.1 仿真前处理

数值模拟对象为设计的UV杀菌器，该杀菌器内设置有十数根额定功率为3000 w以上的中压高强紫外灯管，外面套有纯石英套管，不含TiO2[3]。运用solidworks软件建立UV的三维实体模型：X轴正向为进水方向，腔体的轴线即紫外灯的轴线与Y轴垂直，与Z轴平行。然后导入gambit进行网格划分，将整个UV分成入流区，辐射区，出流区3部分。因为入流区和出流区两区域采用的是TGrid型的Tet/Hybrid网格进行划分；而计算精度更为复杂的辐射区则用六面体网格，并在灯管周围划分边界层。

假设所处理的压载水为不可压缩单相均质流体，作定常流动，20℃时的密度为1.03×103 kg/m3，海水运动粘度为1.1×10-6m2/s[4]。数值模拟采用3d求解器，选择标准k-ε湍流模型，动量、湍流动能、湍流耗散率均采用一阶迎风差分格式。壁面为无滑移边界条件，且法向和切向的速度均为零，对近壁区域的流体采用标准壁面函数进行计算。为更严格计算辐照剂量，不考虑壁面对紫外光的反射。

2.1 仿真结果分析

为了解反应器内流速及紫外辐照强度的分布情况，分别取了竖直面、水平面作为研究对象。

2.2.1 反应器内流场特征

图3 竖直面流速分布图

图4 水平面流速分布图

模拟结果表明，紫外消毒反应器内最大流速为 3.48 m/s，仅出现在腔体出口的局部区域；最小流速约为0.0046 m/s，主要位于导流板一侧及消毒器壁面附近。竖直面上的流速分布图可知，反应器中的最大流速位于腔室进出口导流板的两侧，约为2.7 m/s；导流板后侧区域及腔室内靠近进口区域的一侧流速较小。根据水平流速图，在导流板后侧存在涡流，使得腔体中心流速较为均衡，可得腔体内的平均流速约为1.8 m/s。通过在进出口及反应腔体内增加导流板，对腔体内的水流产生了扰动作用，有利于提高水流在腔体内的有效停留时间；同时，有利于水流在腔体内的有效分布，提高紫外辐照剂量分布的合理性。

而在图1所示的处理器中，水流平均流速约为2.4 m/s，使得水流在腔体的停滞时间较少，约为0.177 s。而在改进后的腔体中，水流停滞时间约为0.228 s。由此可见，改进后的腔体使得压载水在腔体中得到较多的停滞时间。

2.2.2 反应器内紫外辐照强度分布特征

图5 竖直面辐照强度分布图

图6 车间分段舾装

计算表明，石英套管表面紫外辐照发射强度为10486.52 W/m2[5]。模拟结果表明，反应器内紫外辐照强度的最大值为19036.90 W/m2，最小值约为0.37 W/m2，平均辐照强度约为11038.25 W/m2。从竖直面上的辐照强度分布情况可以看出，反应腔室径向紫外强度分布相对较均匀。从水平面上辐照强度的分布情况可以看出，反应腔室两端紫外辐照强度较小，因而流经该区域的水流接收到的紫外辐照剂量也相对较小。

将停滞时间与辐照强度综合考虑，可得压载水流过腔体时，其中颗粒所接收的辐射剂量约为251.3 mJ/cm2。而未改进的处理器中，使用灯管根数为18根，平均辐射强度较高，达到 12135.19 mJ/cm2。而压载水中大部分微生物被杀灭所需辐射剂量在3-240mJ/cm2[7]。由此可见，改进后的UV处理器不仅提升了辐射剂量，也达到了杀灭压载水中微生物的要求。

3 结论

通过fluent模拟，改进的300 m3/h的UV杀菌器达到杀灭大部分微生物的要求。而且通过结构的改进，使得UV所需的灯管减少，即在提高处理效果的同时减少成本。所以，随着IMO标准的实施，以及更加严格的纽约标准的颁布，压载水处理系统将随着这些标准不断地优化，提高。若要继续提高改进该套处理系统，必须遵循G8导则，即在处理过程中不产生活性物质为要求，并可以在UV模块前加上过滤与超声波预处理，这样可以破坏微生物的细胞膜结构，有利于UV对微生物的杀灭。

[1]王雪峰.船舶压载水对海洋的污染及处理方法[J].中国水运,2009,09(1):3-4.

[2]胥苗苗.美国压载水新规设备难题[J].中国船检,2012(2):7-8.

[3]Ba1pure T W.BallastWaterTreatmentSystem.2011

[4]刘飞.船舶压载水紫外线灭菌系统研究[D].大连海事大学，2008:36-37.

[5]王东胜;张丽;范春华等.基于低压紫外技术的船舶压载水处理装置设计[J].机械工程师,2012(04):2-3.

[6]刘明杰;李志胜;于健等.应对《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》实施 完善船舶压载水的控制与管理[J].中国国境卫生检疫杂志,2007(2):112-114.

[7]张曼霞.MPCF&UV法处理船舶压载水技术可行性研究[D].大连海事大学硕士论文,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，高级工程师，主要从事舰船设备监造。