板式换热器黏液形成菌与CaCO3混合污垢实验

徐志明，胡春阳，王景涛，刘坐东

（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林省 吉林市 132012）

板式换热器黏液形成菌与CaCO3混合污垢实验

徐志明，胡春阳，王景涛，刘坐东

（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林省 吉林市 132012）

为了探究黏液形成菌（SFB）与CaCO3混合污垢在板式换热器（PHEs）中的成垢规律，对不同浓度的CaCO3与黏液形成菌混合进行了实验研究。结果表明：混合污垢中，黏液形成菌微生物污垢占成垢的主要地位。微生物污垢的热阻渐近值最大，混合污垢的热阻渐近值介于微生物污垢的热阻渐近值和 CaCO3污垢热阻渐近值之间，CaCO3污垢热阻渐近值最小。这不同于以往得到的混合污垢之间相互促进的结论，说明CaCO3对黏液形成菌存在抑制作用。维持其他条件不变，随着CaCO3浓度的增大，混合污垢热阻值随之减小。反之，随着黏液形成菌浓度的增大，混合污垢热阻值随之增大。

板式换热器；传热；微生物污垢；析晶污垢；生物膜；沉积物

引 言

板式换热器是由一定数量的波形金属板叠加而成的换热设备，具有紧凑高效的特点[1]，是一种重要的强化换热手段。由于板式换热器的流道比较狭窄，更容易沉积污垢，影响换热效率和经济性，所以其污垢问题受到人们的广泛关注。微生物污垢和析晶污垢是板式换热器中常见的两种污垢种类。

微生物污垢通常指由微生物及其排泄物附着于容器或者流道壁面并栖息、繁殖而形成的生物黏膜或者有机物膜[2]。它会降低换热效率，腐蚀设备，带来昂贵的维修费[3]。Melo等[4]对生物膜的形成、发展机理进行了描述，总结了流速、温度、无机物等几个因素对生物膜生长和稳定的影响。Rahmani等[5]对发电厂冷却水系统生物污垢和腐蚀进行了研究，结果表明次氯酸钠、羟基亚乙基二磷酸等抑制剂能够有效减少腐蚀和生物污垢，并通过电化学测量研究了抑制剂对碳钢的影响。Habimana等[6]研究了在反渗透膜上细胞初期细胞膜表面的相互作用，强调了微环境对细胞黏附机制的影响。Yang等[7]通过研究发现温度对微生物污垢的形成有很大影响。曹生现等[8]综合考虑微生物的传质和吸附过程，基于微生物生长动力学原理，建立了微生物污垢形成的传热传质模型。徐志明等[9]研究了铁细菌在板式换热器里的污垢规律。结果表明，铁细菌的污垢热阻渐近值随着流速的增加而减小；而随着浓度的增加而增大；随着温度的升高，污垢热阻的渐近值而减小。

析晶污垢是指在流动条件下，呈过饱和的流动溶液中溶解的无机盐淀析在换热面上的结晶体[2]。CaCO3是一种常见的析晶污垢，它广泛存在于工业生产和生活中，特别是冷却水系统，海水淡化过程和饮用水系统等[10]。李素芳等[11]研究了CaCO3析晶污垢在不锈钢光管内的结垢特性及其对传热的影响，结果表明在 Re=600～2600时，污垢热阻在粗糙度诱导期随着流速先减小后增大。污垢平均生长速率随着 Reynolds数的增加而增大。Pääkkönen等[12]利用回归分析来确定动力学参数从而表示质量沉积率，发现当用与流速有关的时间比例因子表示析晶污垢时，实验值和理论值最接近。Mayer等[13]研究了微型换热器析晶污垢的传热特性，对CaCO3析晶污垢进行了热力学和流体动力学分析，结果表明微通道中的 CaCO3过饱和溶液会造成压降明显增长，换热器传热性能下降，污垢在微通道中的污垢特性与宏观通道类似。赵亮等[14]研究了温度对碳酸钙析晶污垢影响，结果表明温度不但影响析出的碳酸钙污垢的类型，也影响析出相的晶格常数和析出粒子尺寸。Lei等[15]对不同表面粗糙度和纹理的不锈钢板式换热器进行CaCO3污垢实验，结果表明换热器表面粗糙度和晶核数量存在明显的相关性，并对此做了定性描述。

目前，国内外对单独的微生物污垢或者析晶污垢有一定的深入研究，但是关于微生物污垢和析晶污垢混合的研究却比较少。本文主要研究板式换热器中，黏液形成菌和CaCO3混合污垢特性，探究两者之间的相互影响，为今后换热设备混合污垢研究做铺垫。

1 实验系统及原理

1.1 实验系统

所使用的板式换热器型号为BR0.015F，具体参数见表1。

表1 板式换热器具体参数Table 1 Parameter of PHEs

实验采用的动态污垢模拟系统如图1所示。实验系统包括4个部分：高温介质循环系统、低温介质循环系统、冷却水循环系统和数据采集系统。其中高温介质循环系统由恒温水箱15、电加热器16、高温介质循环泵17、涡轮流量计18、热水进出口压力表21和22、热水进出口测温热电偶20和23、热侧流量平衡阀 19构成。高温介质为干净的去离子水，高温介质和板式换热器中进行逆流换热。低温介质循环系统由低温介质水箱 2、低温介质循环泵3、低温侧流量平衡阀6、低温侧流量计5、冷水进出口测温热电偶7和10、冷水进出口压力表8和9构成。低温介质中含有人工配制的具有一定浓度的污垢物质。冷却循环系统由散热器11、空冷循环泵12、换热扇13、空冷水箱14构成，用于保障低温介质进口水温恒定。数据采集系统使用Eastfer数据采集器，每隔15 s采集一次，将流量计、压力计和热电偶的信号传输到计算机预设程序中进行采集和处理。低温水箱容积为200 L。

图1 板式换热器冷却水动态污垢模拟装置Fig.1 Dynamic simulation unit of PHEs

1.2 工质的制备

1.2.1 黏液形成菌的培养 实验所采用的黏液形成菌的菌种是从国内某电厂冷却塔塔底黏泥中分离纯化得到的，它是冷却水中数量最多的一类细菌。

细菌的培养基见表2。用NaOH溶液将培养基pH调节至7.2，pH的测量采用雷磁DZS-708型多参数分析仪。在蒸汽压力灭菌锅中维持 1.05 MPa灭菌15 min，待其冷却后，在净化工作台内紫外线消毒20 min，随后进行接种。最后在30℃的生化培养箱中培养72 h，得到黏液形成菌悬液。

表2 黏液形成菌培养基名称及用量Table 2 Name and dosage of slime forming bacteria

1.2.2 CaCO3溶液的配制 CaCO3是一种具有反向溶解度的盐类，随着温度的升高，其溶解度反而减小。实验中，CaCO3在换热表面主要进行的反应为

实验采用Na2CO3法配制CaCO3溶液，化学药品均为分析纯，具体的化学反应方程式如下

根据摩尔质量比计算出所需 CaCl2和 Na2CO3的质量。

1.3 实验过程

（1）清洗、安装实验台。

（2）向高温水箱、低温水箱中注入去离子水，启动电加热器、循环水泵、冷却装置和数据采集系统。

（3）测试实验台。经验证本实验台稳定性良好。

（4）调试实验工况，使温度、流速等工况达到预期范围。

（5）待其稳定运行2 h后，加入配制好的CaCO3溶液和黏液形成菌悬液。开始进行数据采集并且每隔8 h测量一次冷水箱中工质的pH。

（6）实验结束后导出计算机中实验数据，并整理计算实验结果。

1.4 实验原理及误差分析

1.4.1 实验原理 理论上，在板式换热器中高温介质的放热量Ф1等于低温介质的吸热量Ф2。即

考虑到换热损失，取

则总的传热系数为

其中

式中，A为换热面积，m2；qm1、qm2分别为高温、低温工质质量流量，kg·s−1；cp1、cp2为比定压热容，J·kg−1·K−1；t1′、t1″分别为高温工质进、出口温度，℃；t2′、t2″分别为低温工质进、出口温度，℃。

污垢热阻的基本定义式可表达为

式中，Rf为污垢热阻，m2·K·W−1；k0、k分别为清洁状态下和有污垢状态下板式换热器的总传热系数，W·m−2·K−1。

1.4.2 误差分析 实验所采用的测量高、低温水箱的Pt100铂电阻的允许最大误差为0.2%；测量板式换热器高低温流体的进出口的4组绕线电阻的允许最大误差为0.05%；测量低温侧流体速度的涡轮流量计的允许最大误差为0.5%；测量高温侧流体速度的电磁流量计的允许最大误差为0.5%；A/D转换器的允许最大误差为0.01%。

对于用均方根求解的相对误差为

代入相关数据，得到温度测量的相对误差为0.2064%，流量测量的相对误差为0.5025%。

污垢热阻的相对误差为

其中

将式(9)～式(11)代入式(8)得

实验台的温度、流量测量的相对误差均满足工程上小于±1%的要求。将实验数据代入式(12)中，计算可知，污垢热阻的最大相对误差均小于5%。

2 实验结果与讨论

2.1 单种污垢和混合污垢热阻值对比

在流速为0.1 m·s−1，低温工质入口温度为30℃，高温工质入口温度为50℃的条件下。分别在低温水箱中加入体积分数为 1%黏液形成菌悬液，1 g·L−1的CaCO3溶液以及上述两者的混合溶液。实验运行120 h后得到的3组污垢热阻曲线，如图2所示。由图2可以看出，黏液形成菌污垢热阻值渐近值最大，CaCO3污垢热阻渐近值最小，混合污垢的热阻渐近值介于两者之间。黏液形成菌占混合污垢的主导地位。CaCO3的存在抑制了黏液形成菌的生长。

图2 单种污垢和混合污垢热阻值Fig.2 Single and mixed fouling resistance versus time

进行上述3组实验后，拍得了3种工况下板片的宏观形貌对比照片，如图3所示。从图3中可以看出，CaCO3污垢为白色，黏液形成菌污垢为黄褐色，混合污垢中夹杂着白色和黄褐色。

图3 板片宏观形貌Fig.3 Macro morphology of plate

为了进一步观察混合污垢的组成，将板片上的污垢进行干燥。刮取垢屑，对其放大7000倍进行了SEM（扫描电镜）观察，扫描电镜仪器型号为日本JEOL生产的JSM-6510LV，如图4所示。Na2CO3法制得的CaCO3污垢为六面体晶型[16]，而黏液形成菌污垢为黄色黏稠状物质，从SEM图像可以看出，混合污垢的垢型并不规则，CaCO3晶体被黏稠状物质所包裹，两者交错生长，聚成团状。

图4 混合污垢电镜图像Fig.4 SEM image of mixeded fouling

在两种致垢物质中，由于微生物需要在材料表面进行修饰，形成适应生长的“条件膜”[17]，在换热设备表面真正开始结垢需要更长的时间，CaCO3会比黏液形成菌更快沉积在换热设备表面。对板片局部形貌进行放大观察，如图5所示。发现污垢外表面呈黄褐色，紧贴板片的一面呈现白色，说明混合污垢中CaCO3会更快附着在板片上，垢层底层以CaCO3为主。文献[18]中利用显微摄像技术对CaCO3和其他种类微生物污垢进行观察时，也得到了CaCO3比微生物率先黏附这一结论。由于Na2CO3法得到的污垢比较松软[14]，垢层更容易脱落，会连带吸附其上的黏液形成菌一起脱落，如此反复，细菌需要不断对其吸附的表面进行修饰，所以混合污垢达到渐近值的时间要比单独的黏液形成菌污垢长，污垢热阻渐近值也会减小。此外，黏液形成菌分泌出的黏泥使得CaCO3粒子之间更容易黏结，从而形成更大的晶核，由于受到流道中流体剪切力的作用，加剧了混合污垢的脱落。

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

另外，CaCO3的加入会使工质的pH发生改变。实验进行时，每隔8 h取低温工质的水样测得的工质pH的实验结果如图6所示。实验数据表明，混合污垢的pH要大于黏液形成菌污垢的pH。说明当混合污垢中加入CaCO3时，工质的pH会有所上升，这会造成黏液形成菌数量减小，从而使得总的污垢热阻减小。

图6 单种污垢和混合污垢工质pH随时间的变化Fig.6 Single and mixed fouling on pH versus time

为了探究上述pH对微生物的影响的正确性，进行了一组静置实验：取两个烧杯，分别向其中注入1%浓度的菌悬液1000 ml。参考图6测得的工质pH。将两个烧杯中溶液的pH分别调节至8.4（模拟混合污垢工质pH）和7.8（模拟黏液形成菌污垢工质pH），并将其放入恒温培养箱中，每隔12 h使用上海菁华科技仪器有限公司生产的721-100型分光光度计测定溶液的OD值，OD值的大小可以间接反映溶液中细菌的数量，OD值越高，代表溶液中黏液形成菌数量越多。得到的OD值变化曲线如图7所示。从图7可见曲线B比曲线A上升更快，达到的峰值更大，而且趋于平缓的时间更长。说明当 pH=7.8时，黏液形成菌的生长繁殖更快，数量更多，并且生命周期也更长。从而验证了上述结论的正确性。

图7 OD值随时间的变化Fig.7 OD values versus time

2.2 改变CaCO3浓度对污垢热阻的影响

在流速为0.1 m·s−1，低温工质入口温度为30℃，高温工质入口温度为50℃的条件下，在低温水箱中加入CaCO3溶液与1%浓度的黏液形成菌悬液的混合溶液。CaCO3溶液浓度分别为 0.5、1、1.5 g·L−1。实验进行120 h后得到的3组污垢热阻曲线如图8所示。由图8可以看出，污垢热阻的渐近值随着CaCO3溶液浓度的增大而减小。

一方面，由于工质的溶解度有限，当 CaCO3浓度达到一定值时，混合工质中会存在大量的CaCO3颗粒，这些颗粒会直接在换热设备表面结成污垢。另外，生物所需的营养物质也易于吸附在颗粒表面上，当颗粒被生物膜包裹时，更有利于微生物吸收营养物质，所以颗粒也会对微生物膜的生长起到促进作用[19]，使污垢总量增加，污垢热阻值增大，阻碍了换热。

图8 不同CaCO3浓度混合污垢热阻随时间的变化Fig.8 Mixed fouling resistance of different CaCO3concentrations

另一方面，如前所述，由于CaCO3的加入会使混合工质的pH提高，加入量越多，工质的pH越大，对黏液形成菌的生长繁殖影响也就越明显，造成细菌数量减少。由于微生物污垢占混合污垢的主导地位，所以混合污垢热阻值随CaCO3浓度的增加而减小。其次，无机颗粒的热导率要大于微生物的热导率[20]，当颗粒浓度升高时，壁面上黏附的颗粒增多，混合物的热导率要小于纯微生物污垢的热导率，从而使导热热阻减小。另外，壁面粗糙度增大会使近壁面的扰动增强，工质中的颗粒也会在一定程度上强化对流换热。

2.3 改变黏液形成菌浓度对污垢热阻的影响

在流速为0.1 m·s−1，低温工质入口温度为30℃，高温工质入口温度为50℃的条件下。在低温水箱中加入浓度分别为 0.5%、1%、1.5%的黏液形成菌悬液与1 g·L−1的CaCO3溶液的混合溶液。当实验进行120 h后得到的3组污垢热阻曲线，如图9所示。结果表明，污垢热阻的渐近值随着黏液形成菌浓度的增大而增大。

由于混合污垢成垢过程比较复杂，其污垢热阻曲线在前期并没有固定的规律。当黏液形成菌浓度偏小时，污垢热阻的曲线形状偏向CaCO3污垢热阻的曲线形状。随着黏液形成菌浓度的增加，细菌的增长繁殖加速，细菌的黏附和分泌的产物增多，不仅更容易吸附和捕捉工质中的不洁净物质，还会使结垢表面凸凹不平，从而更易形成核址，使晶核数量增加，从而污垢热阻增大。由于微生物的生长繁殖需要消耗营养物质，而工质中的营养物质有限，微生物达到一定数量时，营养物质供应不足，所以当微生物浓度升高时，污垢热阻并没有呈倍数增加。

图9 不同SFB浓度混合污垢热阻随时间的变化Fig.9 Mixed fouling resistance of different SFB concentrations

3 结 论

（1）黏液形成菌和CaCO3混合污垢中，CaCO3的结垢速率要快于黏液形成菌，两者形成的污垢互相包裹黏附。

（2）黏液形成菌和CaCO3的混合污垢热阻渐近值比单独的CaCO3污垢热阻的渐近值要大，但是小于单独的黏液形成菌污垢热阻的渐近值。

（3）CaCO3的加入一方面使工质的pH增大，从而微生物数量降低，污垢热阻减小。另一方面，由于CaCO3更快形成污垢且垢层更容易脱落，所以会连带吸附其上的黏液形成菌一起脱落，因此混合污垢的污垢热阻渐近值小于单独的黏液形成菌污垢热阻渐近值。

（4）随着CaCO3浓度的增加，混合污垢热阻值减小。随着黏液形成菌浓度的增加，混合污垢热阻值增大。

符 号 说 明

A——换热面积，m2

cp——比定压热容，J·kg−1·K−1

k——总换热系数，W·m−2·K−1

Rf——污垢热阻，m2·K·W−1

t——温度，℃

Δtm——对数平均温差，℃

ε——相对误差，%

Φ——热流量，W

上角标

'——流体进口

"——流体出口

下角标

f ——污染状态或污垢物质

1 ——高温介质

2 ——低温介质

0 ——清洁状态

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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。

联系人及第一作者：徐志明（1959—），男，教授。

国家自然科学基金项目（51476025）。

Received date: 2016-06-27.

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