板式換熱器黏液形成菌與CaCO3混合污垢實驗

徐志明，胡春陽，王景濤，劉坐東

（東北電力大學能源與動力工程學院，吉林省 吉林市 132012）

板式換熱器黏液形成菌與CaCO3混合污垢實驗

徐志明，胡春陽，王景濤，劉坐東

（東北電力大學能源與動力工程學院，吉林省 吉林市 132012）

為了探究黏液形成菌（SFB）與CaCO3混合污垢在板式換熱器（PHEs）中的成垢規律，對不同濃度的CaCO3與黏液形成菌混合進行了實驗研究。結果表明：混合污垢中，黏液形成菌微生物污垢占成垢的主要地位。微生物污垢的熱阻漸近值最大，混合污垢的熱阻漸近值介于微生物污垢的熱阻漸近值和 CaCO3污垢熱阻漸近值之間，CaCO3污垢熱阻漸近值最小。這不同于以往得到的混合污垢之間相互促進的結論，說明CaCO3對黏液形成菌存在抑制作用。維持其他條件不變，隨著CaCO3濃度的增大，混合污垢熱阻值隨之減小。反之，隨著黏液形成菌濃度的增大，混合污垢熱阻值隨之增大。

板式換熱器；傳熱；微生物污垢；析晶污垢；生物膜；沉積物

引 言

板式換熱器是由一定數量的波形金屬板疊加而成的換熱設備，具有緊湊高效的特點[1]，是一種重要的強化換熱手段。由于板式換熱器的流道比較狹窄，更容易沉積污垢，影響換熱效率和經濟性，所以其污垢問題受到人們的廣泛關注。微生物污垢和析晶污垢是板式換熱器中常見的兩種污垢種類。

微生物污垢通常指由微生物及其排泄物附著于容器或者流道壁面并棲息、繁殖而形成的生物黏膜或者有機物膜[2]。它會降低換熱效率，腐蝕設備，帶來昂貴的維修費[3]。Melo等[4]對生物膜的形成、發展機理進行了描述，總結了流速、溫度、無機物等幾個因素對生物膜生長和穩定的影響。Rahmani等[5]對發電廠冷卻水系統生物污垢和腐蝕進行了研究，結果表明次氯酸鈉、羥基亞乙基二磷酸等抑制劑能夠有效減少腐蝕和生物污垢，并通過電化學測量研究了抑制劑對碳鋼的影響。Habimana等[6]研究了在反滲透膜上細胞初期細胞膜表面的相互作用，強調了微環境對細胞黏附機制的影響。Yang等[7]通過研究發現溫度對微生物污垢的形成有很大影響。曹生現等[8]綜合考慮微生物的傳質和吸附過程，基于微生物生長動力學原理，建立了微生物污垢形成的傳熱傳質模型。徐志明等[9]研究了鐵細菌在板式換熱器里的污垢規律。結果表明，鐵細菌的污垢熱阻漸近值隨著流速的增加而減小；而隨著濃度的增加而增大；隨著溫度的升高，污垢熱阻的漸近值而減小。

析晶污垢是指在流動條件下，呈過飽和的流動溶液中溶解的無機鹽淀析在換熱面上的結晶體[2]。CaCO3是一種常見的析晶污垢，它廣泛存在于工業生產和生活中，特別是冷卻水系統，海水淡化過程和飲用水系統等[10]。李素芳等[11]研究了CaCO3析晶污垢在不銹鋼光管內的結垢特性及其對傳熱的影響，結果表明在 Re=600～2600時，污垢熱阻在粗糙度誘導期隨著流速先減小后增大。污垢平均生長速率隨著 Reynolds數的增加而增大。P??kk?nen等[12]利用回歸分析來確定動力學參數從而表示質量沉積率，發現當用與流速有關的時間比例因子表示析晶污垢時，實驗值和理論值最接近。Mayer等[13]研究了微型換熱器析晶污垢的傳熱特性，對CaCO3析晶污垢進行了熱力學和流體動力學分析，結果表明微通道中的 CaCO3過飽和溶液會造成壓降明顯增長，換熱器傳熱性能下降，污垢在微通道中的污垢特性與宏觀通道類似。趙亮等[14]研究了溫度對碳酸鈣析晶污垢影響，結果表明溫度不但影響析出的碳酸鈣污垢的類型，也影響析出相的晶格常數和析出粒子尺寸。Lei等[15]對不同表面粗糙度和紋理的不銹鋼板式換熱器進行CaCO3污垢實驗，結果表明換熱器表面粗糙度和晶核數量存在明顯的相關性，并對此做了定性描述。

目前，國內外對單獨的微生物污垢或者析晶污垢有一定的深入研究，但是關于微生物污垢和析晶污垢混合的研究卻比較少。本文主要研究板式換熱器中，黏液形成菌和CaCO3混合污垢特性，探究兩者之間的相互影響，為今后換熱設備混合污垢研究做鋪墊。

1 實驗系統及原理

1.1 實驗系統

所使用的板式換熱器型號為BR0.015F，具體參數見表1。

表1 板式換熱器具體參數Table 1 Parameter of PHEs

實驗采用的動態污垢模擬系統如圖1所示。實驗系統包括4個部分：高溫介質循環系統、低溫介質循環系統、冷卻水循環系統和數據采集系統。其中高溫介質循環系統由恒溫水箱15、電加熱器16、高溫介質循環泵17、渦輪流量計18、熱水進出口壓力表21和22、熱水進出口測溫熱電偶20和23、熱側流量平衡閥 19構成。高溫介質為干凈的去離子水，高溫介質和板式換熱器中進行逆流換熱。低溫介質循環系統由低溫介質水箱 2、低溫介質循環泵3、低溫側流量平衡閥6、低溫側流量計5、冷水進出口測溫熱電偶7和10、冷水進出口壓力表8和9構成。低溫介質中含有人工配制的具有一定濃度的污垢物質。冷卻循環系統由散熱器11、空冷循環泵12、換熱扇13、空冷水箱14構成，用于保障低溫介質進口水溫恒定。數據采集系統使用Eastfer數據采集器，每隔15 s采集一次，將流量計、壓力計和熱電偶的信號傳輸到計算機預設程序中進行采集和處理。低溫水箱容積為200 L。

圖1 板式換熱器冷卻水動態污垢模擬裝置Fig.1 Dynamic simulation unit of PHEs

1.2 工質的制備

1.2.1 黏液形成菌的培養 實驗所采用的黏液形成菌的菌種是從國內某電廠冷卻塔塔底黏泥中分離純化得到的，它是冷卻水中數量最多的一類細菌。

細菌的培養基見表2。用NaOH溶液將培養基pH調節至7.2，pH的測量采用雷磁DZS-708型多參數分析儀。在蒸汽壓力滅菌鍋中維持 1.05 MPa滅菌15 min，待其冷卻后，在凈化工作臺內紫外線消毒20 min，隨后進行接種。最后在30℃的生化培養箱中培養72 h，得到黏液形成菌懸液。

表2 黏液形成菌培養基名稱及用量Table 2 Name and dosage of slime forming bacteria

1.2.2 CaCO3溶液的配制 CaCO3是一種具有反向溶解度的鹽類，隨著溫度的升高，其溶解度反而減小。實驗中，CaCO3在換熱表面主要進行的反應為

實驗采用Na2CO3法配制CaCO3溶液，化學藥品均為分析純，具體的化學反應方程式如下

根據摩爾質量比計算出所需 CaCl2和 Na2CO3的質量。

1.3 實驗過程

（1）清洗、安裝實驗臺。

（2）向高溫水箱、低溫水箱中注入去離子水，啟動電加熱器、循環水泵、冷卻裝置和數據采集系統。

（3）測試實驗臺。經驗證本實驗臺穩定性良好。

（4）調試實驗工況，使溫度、流速等工況達到預期范圍。

（5）待其穩定運行2 h后，加入配制好的CaCO3溶液和黏液形成菌懸液。開始進行數據采集并且每隔8 h測量一次冷水箱中工質的pH。

（6）實驗結束后導出計算機中實驗數據，并整理計算實驗結果。

1.4 實驗原理及誤差分析

1.4.1 實驗原理 理論上，在板式換熱器中高溫介質的放熱量Ф1等于低溫介質的吸熱量Ф2。即

考慮到換熱損失，取

則總的傳熱系數為

其中

式中，A為換熱面積，m2；qm1、qm2分別為高溫、低溫工質質量流量，kg·s?1；cp1、cp2為比定壓熱容，J·kg?1·K?1；t1′、t1″分別為高溫工質進、出口溫度，℃；t2′、t2″分別為低溫工質進、出口溫度，℃。

污垢熱阻的基本定義式可表達為

式中，Rf為污垢熱阻，m2·K·W?1；k0、k分別為清潔狀態下和有污垢狀態下板式換熱器的總傳熱系數，W·m?2·K?1。

1.4.2 誤差分析 實驗所采用的測量高、低溫水箱的Pt100鉑電阻的允許最大誤差為0.2%；測量板式換熱器高低溫流體的進出口的4組繞線電阻的允許最大誤差為0.05%；測量低溫側流體速度的渦輪流量計的允許最大誤差為0.5%；測量高溫側流體速度的電磁流量計的允許最大誤差為0.5%；A/D轉換器的允許最大誤差為0.01%。

對于用均方根求解的相對誤差為

代入相關數據，得到溫度測量的相對誤差為0.2064%，流量測量的相對誤差為0.5025%。

污垢熱阻的相對誤差為

其中

將式(9)～式(11)代入式(8)得

實驗臺的溫度、流量測量的相對誤差均滿足工程上小于±1%的要求。將實驗數據代入式(12)中，計算可知，污垢熱阻的最大相對誤差均小于5%。

2 實驗結果與討論

2.1 單種污垢和混合污垢熱阻值對比

在流速為0.1 m·s?1，低溫工質入口溫度為30℃，高溫工質入口溫度為50℃的條件下。分別在低溫水箱中加入體積分數為 1%黏液形成菌懸液，1 g·L?1的CaCO3溶液以及上述兩者的混合溶液。實驗運行120 h后得到的3組污垢熱阻曲線，如圖2所示。由圖2可以看出，黏液形成菌污垢熱阻值漸近值最大，CaCO3污垢熱阻漸近值最小，混合污垢的熱阻漸近值介于兩者之間。黏液形成菌占混合污垢的主導地位。CaCO3的存在抑制了黏液形成菌的生長。

圖2 單種污垢和混合污垢熱阻值Fig.2 Single and mixed fouling resistance versus time

進行上述3組實驗后，拍得了3種工況下板片的宏觀形貌對比照片，如圖3所示。從圖3中可以看出，CaCO3污垢為白色，黏液形成菌污垢為黃褐色，混合污垢中夾雜著白色和黃褐色。

圖3 板片宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of plate

為了進一步觀察混合污垢的組成，將板片上的污垢進行干燥。刮取垢屑，對其放大7000倍進行了SEM（掃描電鏡）觀察，掃描電鏡儀器型號為日本JEOL生產的JSM-6510LV，如圖4所示。Na2CO3法制得的CaCO3污垢為六面體晶型[16]，而黏液形成菌污垢為黃色黏稠狀物質，從SEM圖像可以看出，混合污垢的垢型并不規則，CaCO3晶體被黏稠狀物質所包裹，兩者交錯生長，聚成團狀。

圖4 混合污垢電鏡圖像Fig.4 SEM image of mixeded fouling

在兩種致垢物質中，由于微生物需要在材料表面進行修飾，形成適應生長的“條件膜”[17]，在換熱設備表面真正開始結垢需要更長的時間，CaCO3會比黏液形成菌更快沉積在換熱設備表面。對板片局部形貌進行放大觀察，如圖5所示。發現污垢外表面呈黃褐色，緊貼板片的一面呈現白色，說明混合污垢中CaCO3會更快附著在板片上，垢層底層以CaCO3為主。文獻[18]中利用顯微攝像技術對CaCO3和其他種類微生物污垢進行觀察時，也得到了CaCO3比微生物率先黏附這一結論。由于Na2CO3法得到的污垢比較松軟[14]，垢層更容易脫落，會連帶吸附其上的黏液形成菌一起脫落，如此反復，細菌需要不斷對其吸附的表面進行修飾，所以混合污垢達到漸近值的時間要比單獨的黏液形成菌污垢長，污垢熱阻漸近值也會減小。此外，黏液形成菌分泌出的黏泥使得CaCO3粒子之間更容易黏結，從而形成更大的晶核，由于受到流道中流體剪切力的作用，加劇了混合污垢的脫落。

圖5 混合污垢局部形貌Fig.5 Local morphology of mixed fouling

另外，CaCO3的加入會使工質的pH發生改變。實驗進行時，每隔8 h取低溫工質的水樣測得的工質pH的實驗結果如圖6所示。實驗數據表明，混合污垢的pH要大于黏液形成菌污垢的pH。說明當混合污垢中加入CaCO3時，工質的pH會有所上升，這會造成黏液形成菌數量減小，從而使得總的污垢熱阻減小。

圖6 單種污垢和混合污垢工質pH隨時間的變化Fig.6 Single and mixed fouling on pH versus time

為了探究上述pH對微生物的影響的正確性，進行了一組靜置實驗：取兩個燒杯，分別向其中注入1%濃度的菌懸液1000 ml。參考圖6測得的工質pH。將兩個燒杯中溶液的pH分別調節至8.4（模擬混合污垢工質pH）和7.8（模擬黏液形成菌污垢工質pH），并將其放入恒溫培養箱中，每隔12 h使用上海菁華科技儀器有限公司生產的721-100型分光光度計測定溶液的OD值，OD值的大小可以間接反映溶液中細菌的數量，OD值越高，代表溶液中黏液形成菌數量越多。得到的OD值變化曲線如圖7所示。從圖7可見曲線B比曲線A上升更快，達到的峰值更大，而且趨于平緩的時間更長。說明當 pH=7.8時，黏液形成菌的生長繁殖更快，數量更多，并且生命周期也更長。從而驗證了上述結論的正確性。

圖7 OD值隨時間的變化Fig.7 OD values versus time

2.2 改變CaCO3濃度對污垢熱阻的影響

在流速為0.1 m·s?1，低溫工質入口溫度為30℃，高溫工質入口溫度為50℃的條件下，在低溫水箱中加入CaCO3溶液與1%濃度的黏液形成菌懸液的混合溶液。CaCO3溶液濃度分別為 0.5、1、1.5 g·L?1。實驗進行120 h后得到的3組污垢熱阻曲線如圖8所示。由圖8可以看出，污垢熱阻的漸近值隨著CaCO3溶液濃度的增大而減小。

一方面，由于工質的溶解度有限，當 CaCO3濃度達到一定值時，混合工質中會存在大量的CaCO3顆粒，這些顆粒會直接在換熱設備表面結成污垢。另外，生物所需的營養物質也易于吸附在顆粒表面上，當顆粒被生物膜包裹時，更有利于微生物吸收營養物質，所以顆粒也會對微生物膜的生長起到促進作用[19]，使污垢總量增加，污垢熱阻值增大，阻礙了換熱。

圖8 不同CaCO3濃度混合污垢熱阻隨時間的變化Fig.8 Mixed fouling resistance of different CaCO3concentrations

另一方面，如前所述，由于CaCO3的加入會使混合工質的pH提高，加入量越多，工質的pH越大，對黏液形成菌的生長繁殖影響也就越明顯，造成細菌數量減少。由于微生物污垢占混合污垢的主導地位，所以混合污垢熱阻值隨CaCO3濃度的增加而減小。其次，無機顆粒的熱導率要大于微生物的熱導率[20]，當顆粒濃度升高時，壁面上黏附的顆粒增多，混合物的熱導率要小于純微生物污垢的熱導率，從而使導熱熱阻減小。另外，壁面粗糙度增大會使近壁面的擾動增強，工質中的顆粒也會在一定程度上強化對流換熱。

2.3 改變黏液形成菌濃度對污垢熱阻的影響

在流速為0.1 m·s?1，低溫工質入口溫度為30℃，高溫工質入口溫度為50℃的條件下。在低溫水箱中加入濃度分別為 0.5%、1%、1.5%的黏液形成菌懸液與1 g·L?1的CaCO3溶液的混合溶液。當實驗進行120 h后得到的3組污垢熱阻曲線，如圖9所示。結果表明，污垢熱阻的漸近值隨著黏液形成菌濃度的增大而增大。

由于混合污垢成垢過程比較復雜，其污垢熱阻曲線在前期并沒有固定的規律。當黏液形成菌濃度偏小時，污垢熱阻的曲線形狀偏向CaCO3污垢熱阻的曲線形狀。隨著黏液形成菌濃度的增加，細菌的增長繁殖加速，細菌的黏附和分泌的產物增多，不僅更容易吸附和捕捉工質中的不潔凈物質，還會使結垢表面凸凹不平，從而更易形成核址，使晶核數量增加，從而污垢熱阻增大。由于微生物的生長繁殖需要消耗營養物質，而工質中的營養物質有限，微生物達到一定數量時，營養物質供應不足，所以當微生物濃度升高時，污垢熱阻并沒有呈倍數增加。

圖9 不同SFB濃度混合污垢熱阻隨時間的變化Fig.9 Mixed fouling resistance of different SFB concentrations

3 結 論

（1）黏液形成菌和CaCO3混合污垢中，CaCO3的結垢速率要快于黏液形成菌，兩者形成的污垢互相包裹黏附。

（2）黏液形成菌和CaCO3的混合污垢熱阻漸近值比單獨的CaCO3污垢熱阻的漸近值要大，但是小于單獨的黏液形成菌污垢熱阻的漸近值。

（3）CaCO3的加入一方面使工質的pH增大，從而微生物數量降低，污垢熱阻減小。另一方面，由于CaCO3更快形成污垢且垢層更容易脫落，所以會連帶吸附其上的黏液形成菌一起脫落，因此混合污垢的污垢熱阻漸近值小于單獨的黏液形成菌污垢熱阻漸近值。

（4）隨著CaCO3濃度的增加，混合污垢熱阻值減小。隨著黏液形成菌濃度的增加，混合污垢熱阻值增大。

符 號 說 明

A——換熱面積，m2

cp——比定壓熱容，J·kg?1·K?1

k——總換熱系數，W·m?2·K?1

Rf——污垢熱阻，m2·K·W?1

t——溫度，℃

Δtm——對數平均溫差，℃

ε——相對誤差，%

Φ——熱流量，W

上角標

'——流體進口

"——流體出口

下角標

f ——污染狀態或污垢物質

1 ——高溫介質

2 ——低溫介質

0 ——清潔狀態

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Mixed fouling characteristics of CaCO3and slime forming bacteria in plate heat exchanger

XU Zhiming, HU Chunyang, WANG Jingtao, LIU Zuodong
(School of Energy and Power Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin, China)

An experimental study on the mixed fouling characteristics of CaCO3and slime forming bacteria (SFB) in plate heat exchangers (PHEs) was carried out. The influence of concentration of CaCO3and slime forming bacteria on the mixed fouling was investigated. CaCO3had a inhibitory effect on slime forming bacteria，which was different from previous studies about mixed fouling. The results showed that the slime forming bacteria fouling played an important role in the mixed fouling. Under the same working conditions, the asymptotic thermal resistance of the mixed fouling was between the asymptotic thermal resistance of the slime forming bacteria fouling and CaCO3fouling. With the increase of the concentration of CaCO3, the mixed fouling thermal resistance decreases. Conversely, with the increase of the concentration of slime forming bacteria, the mixed fouling thermal resistance increases.

plate heat exchanger; heat transfer; biofouling; crystallization fouling; biofilm; deposition

Prof. XU Zhiming, xuzm@mail.nedu.edu.cn

TK 124

：A

：0438—1157（2017）01—0072—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20160878

2016-06-27收到初稿，2016-09-19收到修改稿。

聯系人及第一作者：徐志明（1959—），男，教授。

國家自然科學基金項目（51476025）。

Received date: 2016-06-27.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51476025).