板式換熱器混合微生物污垢特性的實(shí)驗(yàn)研究

徐志明， 王景濤，賈玉婷，韓志敏

（1東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124）

板式換熱器混合微生物污垢特性的實(shí)驗(yàn)研究

徐志明1， 王景濤1，賈玉婷2，韓志敏1

（1東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124）

為探討鐵細(xì)菌與黏液形成菌混合微生物污垢的結(jié)垢特性，進(jìn)而為微生物污垢阻垢和抑垢的研究打下基礎(chǔ)。本文以微生物污垢中最常見的鐵細(xì)菌和黏液形成菌為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)研究了板式換熱器中兩種細(xì)菌在形成混合微生物污垢時(shí)相互協(xié)同抑制的關(guān)系以及不同工況下的結(jié)垢特性。結(jié)果表明，微生物污垢存在明顯誘導(dǎo)期，鐵細(xì)菌的污垢熱阻漸近值約為2×10-4m2·K/W，黏液形成菌的污垢熱阻漸近值約為1.2×10-4m2·K/W，鐵細(xì)菌相比黏液形成菌有較強(qiáng)的致垢能力，1∶1比例混合菌的熱阻值介于二者之間；無論哪種細(xì)菌量占據(jù)主導(dǎo)時(shí)，它們之間的互相協(xié)同作用會(huì)促使混合污垢的致垢能力增強(qiáng)。30℃時(shí)混合菌的熱阻漸近值低于35℃時(shí)的情況，達(dá)到漸近值的時(shí)間約為35℃時(shí)的2倍；流速對(duì)混合菌污垢特性的影響明顯，流速為0.1m/s時(shí)的污垢熱阻漸近值約為0.15m/s時(shí)的2倍，達(dá)到漸近值的時(shí)間約為0.15m/s時(shí)的2.7倍。

鐵細(xì)菌；黏液形成菌；混合物；板式換熱器；結(jié)垢；生物膜

生物污垢是EPSTEIN［1］按照污垢形成的物理、化學(xué)過程進(jìn)行分類中的一種。在換熱器中，微生物污垢的存在增加了流動(dòng)阻力并會(huì)導(dǎo)致傳熱惡化。另外，有些微生物還會(huì)對(duì)換熱表面造成腐蝕，影響換熱器的安全。在實(shí)際的工業(yè)水中，微生物不是單獨(dú)存在的，而是由多種細(xì)菌、藻類等微生物共同組成。在污垢形成的過程中，細(xì)菌之間可能出現(xiàn)相互促進(jìn)或者相互抑制的作用，這也就增加了對(duì)混合微生物污垢研究的難度，微生物污垢的形成機(jī)理也與其他污垢不同［2］，對(duì)于生物污垢的研究已經(jīng)成為學(xué)者廣泛關(guān)注的問題。MELO等［3］以水系統(tǒng)中多種微生物為研究對(duì)象，研究了它們?cè)趽Q熱設(shè)備表面形成生物膜的機(jī)理與形成機(jī)制，并且分析了速度、溫度和顆粒等因素對(duì)生物膜生長(zhǎng)的影響。FROTA等［4］開發(fā)了一種在線評(píng)價(jià)減輕板式換熱器微生物污垢清潔技術(shù)的方法，這種清潔技術(shù)主要是通過冷卻水管道加以磁場(chǎng)，來阻止微生物污垢在換熱器表面的形成。楊倩鵬等［5-7］實(shí)驗(yàn)以再生水系統(tǒng)中主要的芽孢肝菌和氣單胞菌屬為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)研究了兩種單菌的生長(zhǎng)規(guī)律和混合生長(zhǎng)規(guī)律，并總結(jié)了他們之間相互協(xié)同和抑制的規(guī)律。除此之外，還通過鍍銀處理的表面改性工藝對(duì)微生物污垢的影響，得出了鍍銀對(duì)抑制微生物污垢有良好的效果的結(jié)論。徐志明等［8-9］實(shí)驗(yàn)研究了鐵細(xì)菌和黏液形成菌在板式換熱器中的結(jié)垢特性，并以速度、濃度和溫度等因素為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)分析了兩種細(xì)菌在板式換熱器內(nèi)的污垢特性。

板式換熱器因具有高效、節(jié)能、緊湊性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。GENIC等［10］實(shí)驗(yàn)研究了影響城市供熱系統(tǒng)中的8種板式換熱器的結(jié)垢因素，并為以后在區(qū)域供熱系統(tǒng)中的板式換熱器設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。AINSLIE等［11］通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)板式換熱器中的污垢問題提出了一種效果明顯、利用率高、適合廣泛推廣和利用的除垢方法：冰漿除垢法。李蔚等［12-13］實(shí)驗(yàn)研究了4種板式換熱器在混合污垢下的結(jié)垢特性，分析了流速、濃度等因素對(duì)其的影響，并通過數(shù)值模擬的方法對(duì)不同幾何參數(shù)的板式換熱器進(jìn)行研究，模擬結(jié)果評(píng)價(jià)了板式換熱器的性能并可對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

目前的研究中，微生物污垢的研究多只局限于對(duì)單一菌種污垢的研究，對(duì)于多種微生物混合污垢的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。本文以微生物污垢中最常見的鐵細(xì)菌和黏液形成菌的混合菌為研究對(duì)象，分析了它們?cè)诎迨綋Q熱器污垢形成過程中的相互關(guān)系以及結(jié)垢過程的影響因素。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、原理及實(shí)驗(yàn)過程

1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

板式換熱器冷卻水動(dòng)態(tài)污垢模擬系統(tǒng)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由3個(gè)循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成。其中低溫循環(huán)系統(tǒng)由冷水箱、低溫介質(zhì)循環(huán)泵、電磁流量計(jì)、壓差變送器及Pt100熱電阻組成；高溫水浴循環(huán)系統(tǒng)是由高溫水箱、電加熱器、高溫介質(zhì)循環(huán)泵、渦輪流量計(jì)、壓差變送器及熱電阻組成；冷卻系統(tǒng)包括空冷水箱、風(fēng)冷卻器、空冷循環(huán)水泵以及散熱器。電磁流量計(jì)、溫度傳感器以及壓差變送器采集的信號(hào)通過Eastfer測(cè)控前端以電壓的形式采集并儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中所選用的板式換熱器為吉林四平某廠生產(chǎn)，型號(hào)為BR0.015F，具體尺寸參數(shù)詳見表1。

1.2實(shí)驗(yàn)原理及誤差

1.2.1實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)介

由污垢熱阻Rf的定義如式（1）。

式中，k0、k分別為清潔狀態(tài)下和有污垢狀態(tài)下板式換熱器的總傳熱系數(shù)，W/（m2·K）。總傳熱系數(shù)k如式（2）。

圖1　板式換熱器冷卻水動(dòng)態(tài)污垢系統(tǒng)

表1　板式換熱器的尺寸參數(shù)

板式換熱器的換熱原理是熱流體的放熱量Ф1等于冷流體的吸熱量Ф2，見式（3）。

式中，A為換熱面積，m2；ψ為溫差修正系數(shù)；Δtm為對(duì)數(shù)平均溫差；K；cp為定壓比熱容，kJ/（kg·K）；qm1、qm2分別為高溫、低溫工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；分別為高溫工質(zhì)的進(jìn)出口溫度和低溫工質(zhì)的進(jìn)口溫度，K。

1.2.2系統(tǒng)誤差

本文中通過間接測(cè)量的方式表達(dá)污垢熱阻值，是間接測(cè)量值，通過待定的函數(shù)關(guān)系由直接測(cè)量值求得的。直接測(cè)量值包括溫度、流量等。實(shí)驗(yàn)中涉及到的儀器以及它們各自的最大測(cè)量誤差如表2所示。

表2　測(cè)量?jī)x器誤差

按照相對(duì)誤差的計(jì)算公式，可以計(jì)算出溫度測(cè)量誤差如式（4）。

流量測(cè)量誤差如式（5）。

對(duì)數(shù)平均溫差誤差如式（6）。

將實(shí)驗(yàn)中冷熱水進(jìn)出口最大對(duì)數(shù)溫差代入上式，可得冷熱流體的最大對(duì)數(shù)平均溫差的誤差如式（7）。

總傳熱系數(shù)誤差由換熱面積測(cè)量誤差、換熱量誤差及對(duì)數(shù)平均溫差誤差決定。并且認(rèn)為數(shù)據(jù)回歸時(shí)最大相對(duì)誤差為5%［14］。換熱面積誤差εA=0.05%，εΦ為換熱器的換熱量誤差，它由流體流量誤差εqv和其進(jìn)出口溫度誤差εΔt共同決定。

污垢熱阻的相對(duì)誤差計(jì)算公式如式（10）。

式中，δk0為清潔狀態(tài)時(shí)總傳熱系數(shù)誤差；δk為結(jié)垢后總傳熱系數(shù)誤差。將實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的清潔狀態(tài)下和有污垢狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入上述公式中。計(jì)算結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)初期，污垢熱阻值波動(dòng)較大，一段時(shí)間后，污垢熱阻的最大相對(duì)誤差均小于10%。所以，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的溫度以及流量測(cè)量的相對(duì)誤差均滿足工程上小于±1%的規(guī)定，總傳熱系數(shù)的相對(duì)誤差小于±10%的要求。另外，污垢熱阻誤差也符合工程實(shí)際應(yīng)用的要求。

1.3實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)過程中所選用的鐵細(xì)菌和黏液形成菌是從國(guó)內(nèi)某電廠循環(huán)冷卻塔塔底黏泥中分離純化出來的。鐵細(xì)菌和黏液形成菌的具體培養(yǎng)過程如下，準(zhǔn)確稱取鐵細(xì)菌的培養(yǎng)基檸檬酸鐵銨（10.0g/L）、氯化鈣（0.2g/L）、硝酸鈉（0.5g/L）、硫酸鎂（0.5g/L）、硫酸銨（0.5g/L）、磷酸氫二鉀（0.5g/L）和黏液形成菌的培養(yǎng)基蛋白胨（10g/L）、氯化鈉（5g/L）、牛肉膏（3g/L）溶于一定量的除鹽水中，將鐵細(xì)菌的培養(yǎng)基pH調(diào)節(jié)在7.0～7.2，黏液形成菌的培養(yǎng)基pH調(diào)節(jié)在7.2。然后置于蒸汽壓力滅菌器內(nèi)，在121℃±1℃的條件下滅菌15min，自然冷卻后通過紫外線進(jìn)行消毒，并接種兩種細(xì)菌。最后將上述兩種細(xì)菌在29℃±1℃溫度條件下置于生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72h。

在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，首先要根據(jù)所做實(shí)驗(yàn)的工況將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)，其中冷、熱水流速的控制是由流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)并通過電磁流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)控的。熱水端的循環(huán)工質(zhì)為蒸餾水，溫度由溫控儀根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱器進(jìn)行控制。低溫介質(zhì)中為加入了細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，其溫度的穩(wěn)定是由空冷循環(huán)系統(tǒng)及變頻器所控制的。待實(shí)驗(yàn)工況達(dá)到設(shè)定的穩(wěn)定值后，將培養(yǎng)好的鐵細(xì)菌按照一定比例添加到低溫介質(zhì)水箱中。為了減小其他因素的干擾，在實(shí)驗(yàn)過程中，使低溫介質(zhì)水箱處于密封狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)過程中板式換熱器的冷熱端進(jìn)出口溫度以及流量和壓力等參數(shù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中并保存，待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1兩種單菌與1：1比例混合菌在板式換熱器中的結(jié)垢特性

為了研究鐵細(xì)菌與黏液形成菌的致垢能力，在其他運(yùn)行工況不變的條件下，在板式換熱器中進(jìn)行的3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。圖2為鐵細(xì)菌、黏液形成菌與二者按照1∶1比例混合時(shí)在板式換熱器中的結(jié)垢特性對(duì)比圖。具體的運(yùn)行工況為：流速v=0.1m/s，入口溫度t=30℃±0.5℃。兩種單菌和混合菌濃度均為循環(huán)工質(zhì)體積的1%。

圖2　兩種單菌與1∶1比例混合菌的結(jié)垢特性對(duì)比圖

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果均存在一定的誘導(dǎo)期，黏液形成菌的誘導(dǎo)期最長(zhǎng)，約為20h，鐵細(xì)菌的誘導(dǎo)期約為10h，而混合菌的誘導(dǎo)期最短，約為幾個(gè)小時(shí)。誘導(dǎo)期結(jié)束之后，污垢熱阻值進(jìn)入線性增長(zhǎng)階段，兩種單菌與混合菌的污垢熱阻增長(zhǎng)率基本相等，鐵細(xì)菌的污垢熱阻漸近值約為2×10-4m2·K/W，黏液形成菌的污垢熱阻漸近值約為1.2× 10-4m2·K/W，而混合菌的污垢熱阻漸近值處于二者之間，約為1.5×10-4m2·K/W。由此可以說明鐵細(xì)菌的致垢能力明顯強(qiáng)于黏液形成菌。

分析其原因，鐵細(xì)菌為好氧菌，能使亞鐵離子氧化為三價(jià)鐵，并沉淀于板式換熱器板片上，此外，細(xì)胞還分泌胞外聚合物（EPS），以黏泥的形式黏附在板片上，黏泥的形成可促使更多的微生物在吸附于板片上，為微生物的進(jìn)一步的吸附和污垢的累積提供基礎(chǔ)，所以這是鐵細(xì)菌誘導(dǎo)期較短，污垢熱阻漸近值最大的原因。而對(duì)于黏液形成菌來說，它可以分泌一種膠狀的、黏附性很強(qiáng)的黏泥狀物質(zhì)，一般在較短的時(shí)間就可形成這層“膜”，雖然厚度很薄，但是它卻能夠改變換熱面表面性質(zhì)，如換熱面的表面能和粗糙度等，使黏性層流底層發(fā)生改變，因此增加了傳熱面積和換熱系數(shù)，也就是改變了對(duì)流換熱熱阻，最終使總的污垢熱阻值出現(xiàn)負(fù)值，這也是黏液形成菌存在較長(zhǎng)時(shí)間誘導(dǎo)期的原因。對(duì)于污垢熱阻值來說，它可以生成胞外聚合物，但是卻不具有鐵細(xì)菌的氧化三價(jià)鐵的能力，所以相比鐵細(xì)菌具有較弱的致垢能力。

而對(duì)于混合菌來說，其污垢誘導(dǎo)期最短，污垢熱阻值介于兩種單菌之間。這主要是因?yàn)轲ひ盒纬删砂饩酆衔锏哪芰?qiáng)，形成的“調(diào)試膜”為鐵細(xì)菌的附著提供了便利條件，使得實(shí)驗(yàn)初期只有較短時(shí)間的誘導(dǎo)期。鐵細(xì)菌致垢能力強(qiáng)和黏液形成菌致垢能力弱，是混合菌熱阻漸近值介于兩種單菌之間的原因。

為了更好地從微觀角度解釋上述現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過型號(hào)為INCA-250能譜分析儀，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中所獲得的生物污垢進(jìn)行了元素分析。所有垢樣的獲得和制作過程均相同。3種垢樣分別為鐵細(xì)菌（SFB）、黏液形成菌（IB）和1∶1混合菌的生物黏泥。表3列出了3種垢樣所含的元素類型和它們各自所占的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。從能譜分析的結(jié)果可以看出，3種垢樣所含元素的種類基本一致，其中C、O、Fe 3種元素占主體，還有其他微量元素。其中鐵細(xì)菌垢樣中鐵元素所占的比重最大，達(dá)到了57.29%，黏液形成菌中碳元素所占的比重最大，達(dá)到了55.16%，而混合菌則介于二者之間。從元素分析的對(duì)比可以看出，細(xì)菌所含元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同也是導(dǎo)致其致垢能力不同的原因之一。

2.23種不同比例混合菌在板式換熱器中的結(jié)垢特性

為了進(jìn)一步研究鐵細(xì)菌與黏液形成菌的相互協(xié)同抑制作用，保持加入菌液總量不變（均為循環(huán)工質(zhì)體積的1%）的條件下，分別按不同配比（分別為1∶1，3∶1，1∶3）加入兩種菌液的混合菌，以進(jìn)一步觀察兩種細(xì)菌在污垢形成過程中的相互影響。在實(shí)驗(yàn)過程中保持其它運(yùn)行工況不變，具體運(yùn)行工況為：流速v=0.1m/s，入口溫度T=30℃±0.5℃。

表3　兩種單菌與1∶1比例混合菌主要元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

圖3為不同比例混合菌在板式換熱器中的結(jié)垢特性對(duì)比圖。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)IB∶SFB=3∶1時(shí)，污垢熱阻漸近值約為2.2×10-4m2·K/W，當(dāng)IB∶SFB=1∶3時(shí)，污垢熱阻漸近值約為1.8× 10-4m2·K/W，等比例混合情況的熱阻漸近值約為1.5 ×10-4m2·K/W，也就是說，混合菌液中無論哪種菌占主要部分，它們的污垢熱阻值都會(huì)增大，這兩種菌之間存在相互協(xié)同促進(jìn)的作用。

圖3　不同比例混合菌的結(jié)垢特性對(duì)比圖

分析其原因，從前面的分析得知，鐵細(xì)菌有較強(qiáng)的致垢能力，并且具有細(xì)胞分裂快，適應(yīng)貧養(yǎng)環(huán)境能力強(qiáng)的特點(diǎn)，而黏液形成菌相對(duì)致垢能力較弱，但是它具有較強(qiáng)并快速分泌胞外聚合物的能力。由于這兩種細(xì)菌的這些特點(diǎn)使它們具有了相互協(xié)同生長(zhǎng)的能力。當(dāng)鐵細(xì)菌與黏液形成菌按照3∶1比例混合時(shí)，混合污垢的熱阻漸近值最高，甚至超過了單獨(dú)鐵細(xì)菌的污垢熱阻漸近值。這是因?yàn)轲ひ盒纬删軌蚩焖俜置诖罅康陌饩酆衔镄纬伞罢{(diào)試膜”，這層膠狀的黏泥可以幫助其自身和鐵細(xì)菌的初期附著；而鐵細(xì)菌一旦能夠良好的黏附在換熱設(shè)備的表面，就可以快速生長(zhǎng)，并且將二價(jià)鐵氧化形成具有較大熱阻值的Fe（OH）3沉淀，所以從這個(gè)角度來說，黏液形成菌所生成的大量胞外聚合物雖然熱阻值不大，但是卻使得鐵細(xì)菌生成的Fe（OH）3沉淀大量黏附于換熱表面，也即兩種菌的這種協(xié)同生長(zhǎng)的關(guān)系使得這種情況的污垢熱阻漸近值最大當(dāng)。

鐵細(xì)菌與黏液形成菌按照1∶3比例混合時(shí)，混合污垢的結(jié)垢速率最快，污垢熱阻漸近值約為2×10-4m2·K/W，介于另外兩種情況之間。分析其原因，當(dāng)黏液形成菌占據(jù)主要時(shí)，較快的分泌胞外聚合物的能力使得兩種細(xì)菌在實(shí)驗(yàn)初期快速的黏附于板片，所以污垢的結(jié)垢速率最快，但是由前面的分析我們得知，黏性形成菌形成的胞外聚合物大量黏附于板片，并且鐵細(xì)菌大量的吸附，其相互協(xié)同作用較為明顯，使得其混合污垢的熱阻值大于1∶1等比例混合時(shí)的情況。但是相比于鐵細(xì)菌與黏液形成菌3∶1的情況來說，板片上的Fe（OH）3沉淀相對(duì)較少，二者混合時(shí)它們之間的相互協(xié)同作用也不能充分發(fā)揮。

2.3溫度對(duì)1：1混合菌在板式換熱器中結(jié)垢特性的影響

從文獻(xiàn)［8-9］中可知，鐵細(xì)菌和黏液形成菌對(duì)于溫度的影響有所不同，鐵細(xì)菌的污垢熱阻漸近值隨著溫度的升高呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。而黏液形成菌則在35℃時(shí)表現(xiàn)出了與鐵細(xì)菌不同的情況，其污垢熱阻值大于30℃時(shí)的污垢熱阻漸近值。由此可見溫度對(duì)于微生物污垢的影響較為復(fù)雜，而研究其混合微生物污垢的影響就顯得更為復(fù)雜。為了進(jìn)一步分析溫度對(duì)混合菌的影響，分別研究了1∶1比例混合菌在30℃和35℃時(shí)的結(jié)垢特性。在其他工況不變的條件下，保持循環(huán)工質(zhì)流速為v=0.1m/s，細(xì)菌總量為循環(huán)工質(zhì)的1%。

圖4為溫度對(duì)1∶1比例混合菌污垢特性的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：溫度對(duì)1∶1比例混合菌污垢熱阻達(dá)到漸近值的時(shí)間有明顯的影響，混合菌在30℃時(shí)達(dá)到漸近值的時(shí)間約為80h，而在35℃時(shí)達(dá)到漸近值的時(shí)間明顯縮短，大約為40h。35℃時(shí)混合菌的污垢熱阻漸近值約為1.7× 10-4m2·K/W，30℃時(shí)略小于35℃的情況，約為1.5 ×10-4m2·K/W。分析其原因，在細(xì)菌生長(zhǎng)的過程中，溫度主要影響酶的活性以及細(xì)胞的流動(dòng)性。對(duì)于每一種酶來說，都有一個(gè)能使之保持最高活性的最適宜溫度。超過此溫度，酶的活性就會(huì)受到影響，細(xì)胞的合成就會(huì)受阻。對(duì)于1∶1比例混合菌來說，綜合了鐵細(xì)菌與黏液形成菌對(duì)于溫度感應(yīng)的不同特點(diǎn)，35℃時(shí)混合菌達(dá)到漸近值的時(shí)間較短是因?yàn)榇藭r(shí)溫度較高，酶的活性強(qiáng)，細(xì)胞膜流動(dòng)性快，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能夠較快的輸運(yùn)，細(xì)菌繁殖和新陳代謝的速率加快。而最終的污垢熱阻漸近值略大于30℃時(shí)，主要是兩種菌對(duì)溫度的耐熱性不同所決定的，黏液形成菌在35℃時(shí)具有較好的耐熱性和活性，使得此時(shí)的熱阻值較大。

圖4　溫度對(duì)1∶1混合菌污垢特性的影響

2.4速度對(duì)1∶1混合菌在板式換熱器中結(jié)垢特性的影響

圖5為速度對(duì)1∶1混合菌污垢特性的影響，兩組實(shí)驗(yàn)的入口速度分別為0.1m/s和0.15m/s時(shí)，其他工況相同，入口溫度t=30℃±0.5℃，濃度為循環(huán)工質(zhì)的1%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，流速對(duì)混合菌污垢特性的影響顯著，當(dāng)流速為0.1m/s時(shí)，污垢熱阻的漸近值約為1.6× 10-4m2·K/W，達(dá)到漸近的時(shí)間約為80h，而當(dāng)流速增大為0.15m/s時(shí)，熱阻漸近值約為7.5× 10-5m2·K/W，達(dá)到漸近值的時(shí)間約為30h。混合菌的污垢熱阻值隨著流速的增大而減小，污垢熱阻達(dá)到漸近值的時(shí)間有所縮短。

圖5　速度對(duì)1∶1混合菌污垢特性的影響

分析其原因，在污垢生長(zhǎng)的過程中，速度的變化表現(xiàn)為兩個(gè)方面，一是較大的流速可以帶來較快的傳質(zhì)速度，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的輸送加快，并盡快帶走細(xì)菌的新陳代謝產(chǎn)物。所以隨著流速的增加，細(xì)菌生長(zhǎng)和衰亡的時(shí)間縮短，也就是其污垢熱阻值達(dá)到漸近的時(shí)間縮短。從另一方面來說，較大的流速所帶來的壁面剪切力較大，大流速不利于細(xì)菌以及其新陳代謝產(chǎn)物的附著，并且易使已經(jīng)附著在壁面上的垢層脫落，所以說污垢熱阻隨流速的增加而減小是剪切力占據(jù)主導(dǎo)地位所決定的。混合微生物污垢的結(jié)垢特性是上述兩方面共同作用的結(jié)果。

3　結(jié) 論

本工作研究了微生物污垢在板式換熱器中的結(jié)垢特性，進(jìn)而可為微生物污垢阻垢和抑垢的研究打下基礎(chǔ)。

（1）微生物污垢存在明顯的誘導(dǎo)期，鐵細(xì)菌的污垢熱阻漸近值約為2×10-4m2·K/W，黏液形成菌的污垢熱阻漸近值約為1.2×10-4m2·K/W，鐵細(xì)菌相比黏液形成菌有較強(qiáng)的致垢能力，鐵細(xì)菌較高的致垢能力和黏液形成菌較低的致垢能力綜合作用使得1∶1比例混合菌的熱阻值介于二者之間。

（2）當(dāng)IB∶SFB=3∶1與IB∶SFB=1∶3時(shí)，它們的污垢熱阻值都會(huì)大于等比例混合時(shí)的情況，鐵細(xì)菌致垢能力強(qiáng)和黏液形成菌分泌胞外聚合物能力強(qiáng)的特點(diǎn)使得二者可以協(xié)同生長(zhǎng)。

（3）混合污垢的熱阻值隨著溫度的升高略有增加，35℃時(shí)混合菌的污垢熱阻漸近值約為1.7×10-4m2·K/W，30℃時(shí)約為1.5×10-4m2·K/W，30℃時(shí)達(dá)到漸近值的時(shí)間約為35℃時(shí)的2倍。

（4）流速對(duì)混合污垢的結(jié)垢特性影響顯著，流速為0.1m/s時(shí)的污垢熱阻漸近值約為1.6×10-4m2·K/W，是流速為0.15m/s時(shí)污垢熱阻漸近值的2倍。低流速時(shí)達(dá)到漸近值的時(shí)間大約為高流速時(shí)的2.7倍。

［1］ EPSTEIN N. Fouling in heat exchangers［C］//Heat Transfer 1978-Proc 6th IHTC，1979：235-253.

［2］ CHARACKLIS W G. Fouling biofilm development：a process analysis［J］.Biotechnology and Bioengineering，1981，23：1923-1960.

［3］ MELO L F，BOTT T R. Biofouling in water systems ［J］. Experimental Thermal and Fluid Science，1997，14（4）：375-381.

［4］ FROTA M N，TICONA E M，NEVES A V，et al. On-line cleaning technique for mitigation of biofouling in heat exchangers： a case study of a hydroelectric power plant in Brazil［J］. ExperimentalThermal and Fluid Science，2014，53：197-206.

［5］ 楊倩鵬，陳曉東，田磊，等.不同營(yíng)養(yǎng)下混合菌種微生物污垢生長(zhǎng)機(jī)理與交互作用［J］.化工學(xué)報(bào)，2014，65（3）：1036-1041.

［6］ 楊倩鵬，田磊，常思遠(yuǎn)，等.換熱表面鍍銀抑制微生物污垢綜合分析［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2014，32（2）：354-357.

［7］ 楊倩鵬，常思遠(yuǎn)，史琳，等.換熱表面鍍銀對(duì)微生物污垢的生長(zhǎng)與形態(tài)的影響［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，53（4）：509-513.

［8］ 徐志明，賈玉婷，王丙林，等.板式換熱器鐵細(xì)菌生物污垢特性的實(shí)驗(yàn)分析［J］.化工學(xué)報(bào)，2014，65（8）：3178-3183.

［9］ 徐志明，王景濤，賈玉婷，等.板式換熱器黏液形成菌生物污垢特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.熱科學(xué)與技術(shù)，2015，14（1）：19-25.

［10］ GENIC S B，JACIMOVIC B M，PETROVJC D. Experimental determination of fouling factor on plate heat exchangers in district heating system［J］. Energy and Buildings，2012，50：204-211.

［11］ AINSLIE E A，QUARINI G L，ASH D G，et al. Heat exchanger cleaning using ice pigging［J］. Heat Exchanger Fouling and Cleaning，2009，4：14-19.

［12］ ZHANG G M，LI G Q，LI W，et al. Particulate fouling and composite fouling assessment in corrugated plate heat exchangers［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，60：263-273.

［13］ LI W，LI H X，LI G Q，et al. Numerical and experimental analysis of composite fouling in corrugated plate heat exchangers［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，63：351-360.

［14］ 張海泉.板式換熱器熱工與阻力性能測(cè)試及計(jì)算方法研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

Experimental study on composite microbial fouling characteristics of the plate heat exchanger

XU Zhiming1，WANG Jingtao1，JIA Yuting2，HAN Zhimin1
（1School of Energy and Power Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China；2College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

In order to study the characteristics of composite microbial fouling and the method of restraining fouling in the future，we chose iron bacteria （IB）and slime-forming bacteria（SFB）as the research objects which are the most common in microbial fouling. An experimental study was carried out on the plate heat exchanger for the relationship of the two bacteria in the composite microbial fouling formation and the fouling characteristics under different conditions. The results show that the microbial fouling has obvious induction period. The asymptotic value of fouling resistance of the iron bacteria is 2×10-4m2·K/W，and the asymptotic value of fouling resistance of the slime-forming bacteria is 1.2×10-4m2·K/W. The iron bacteria have strong ability of fouling formation than the slime-forming bacteria. The fouling resistance of mixed bacteria with the proportion 1∶1 is between the two above. No matter what kind of bacteria occupy the main volume，synergistic effects between the two kinds of bacteria prompt the ability of the fouling formation. The asymptotic values of fouling resistance of the mixed bacteria in 30℃ is lower than it in 35℃，and the time get to stabilization is twice that of 35℃. The velocity has obvious effect on the composite microbial fouling characteristics. The asymptotic values of fouling resistance of the mixed bacteria in 0.1m/s is twice that of 0.15m/s，and the time get to stabilization is 2.7 times that of 0.15m/s.

iron bacteria；slime-forming bacteria；mixtures；plate heat exchanger；fouling；biofilm

TK 124

A

1000-6613（2016）11-3447-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.009

2016-03-15；修改稿日期：2016-04-07。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51476025）。

徐志明（1959—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)能理論與技術(shù)、換熱設(shè)備的污垢與對(duì)策和強(qiáng)化換熱的研究。聯(lián)系人：王景濤，博士研究生，主要從事?lián)Q熱設(shè)備的污垢與對(duì)策和強(qiáng)化換熱的研究。E-mail wangjingtao@yeah.net。