徐志明，付 亮，王景濤，胡春陽

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程，吉林 吉林 132012)

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板式換熱器鐵細(xì)菌與氧化鎂混合污垢特性的實驗研究

徐志明，付 亮，王景濤，胡春陽

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程，吉林 吉林 132012)

為探索微生物與顆粒混合污垢特性，實驗研究了板式換熱器中鐵細(xì)菌、氧化鎂混合污垢的生長規(guī)律?？疾榱藴囟?、流速和濃度對混合污垢熱阻的影響。結(jié)果表明：混合污垢熱阻漸近值大于鐵細(xì)菌，氧化鎂污垢單一污垢熱阻漸近值；混合污垢熱阻漸近值在溫度為30℃時達(dá)到最大；隨著流速的升高，混合污垢熱阻漸近值呈減少的趨勢，降低鐵細(xì)菌或氧化鎂濃度會導(dǎo)致混合污垢熱阻漸近值下降，且降低氧化鎂濃度對混合污垢熱阻漸近值影響較大。

板式換熱器；混合污垢；污垢熱阻；鐵細(xì)菌；氧化鎂

污垢是指在與流體相接觸的固體表面上逐漸積聚起來的那層固態(tài)或軟泥狀物質(zhì)。污垢會降低換熱器效率，提高維護(hù)費(fèi)用且危害設(shè)備運(yùn)行安全。

污垢按其形成過程可分為析晶污垢、顆粒污垢、化學(xué)反應(yīng)污垢、腐蝕污垢、生物污垢、凝固污垢和混合污垢?；旌衔酃甘侵干鲜隽N污垢形成的機(jī)制中一種以上機(jī)制同時發(fā)生而形成的污垢。

實際工業(yè)中循環(huán)冷卻水成分復(fù)雜，形成的污垢多為混合污垢。史琳、昝成[1，2]等對某城鎮(zhèn)出水口中的致垢成分進(jìn)行分析。實驗結(jié)果表明二級出水形成的污垢是以微生物污垢為主的混合污垢。祁譽(yù)[3]等選取了北方地區(qū)電廠再生水進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測，結(jié)果表明水中含有碳酸鈣、磷酸鈣等無機(jī)鹽同時也含有鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌等微生物。混合污垢形成原因復(fù)雜，各形成機(jī)理之間具有相互協(xié)同作用，研究具有一定難度。AmaliaHalim[4]文中闡述了硝酸鹽還原菌與硫酸鹽還原菌兩種微生物混合污垢由于生物競爭導(dǎo)致了減輕對碳鋼的腐蝕效果。Teychene[5]等通過研究顆粒和有機(jī)物混合污垢發(fā)現(xiàn)顆粒和有機(jī)物之間具有協(xié)同效應(yīng)，導(dǎo)致在串聯(lián)模型中比預(yù)測中電阻電流下降更大。Palencia[6]等通過基于顏色的數(shù)字影像分析研究污垢、表面等變化。田磊[7]研究表明微生物與顆粒污垢之間存在多重性交互作用，導(dǎo)致隨顆粒濃度升高污垢質(zhì)量呈增長趨勢。王大成[8]等研究了硫酸鹽還原菌以及鐵細(xì)菌存在時循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的結(jié)垢特性。實驗表明硫酸鹽還原菌和鐵細(xì)菌是導(dǎo)致污垢熱阻增加的直接因素。徐志明[9，10]等研究了析晶與顆粒混合污垢在板式換熱器里的污垢規(guī)律，并且結(jié)合修正的Gompertz微生物生長動力學(xué)模型將三種顆粒污垢模型應(yīng)用于圓管及交叉縮放橢圓管內(nèi)的鐵細(xì)菌污垢。賈玉婷[11]研究了鐵細(xì)菌與粘液形成菌混合污垢在板式換熱器污垢特性。綜上人們對于混合污垢的特性已經(jīng)有了一定研究，但對于鐵細(xì)菌與氧化鎂顆?；旌衔酃傅难芯窟€未見報道。

板式換熱器由于其換熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊和易拆洗等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)和生活當(dāng)中。但是由于其結(jié)構(gòu)緊湊液體流道較窄，也導(dǎo)致容易產(chǎn)生污垢問題。本文研究了循環(huán)冷卻水常見鐵細(xì)菌微生物和顆粒所形成的混合污垢。

1 實驗系統(tǒng)，原理及實驗過程

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗采用冷卻水動態(tài)污垢模擬系統(tǒng)，如圖1。實驗系統(tǒng)主要包括低溫介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、高溫介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。低溫介質(zhì)循環(huán)主要包括冷水箱、低溫介質(zhì)循環(huán)泵(型號PW-175EA)、電磁流量計(LDBE-15S-1)、壓產(chǎn)變送器(型號為EJA-110A)及Pt100熱電偶組成。高溫介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)由高溫水箱、電加熱器、高溫介質(zhì)循環(huán)泵(型號為PB-H169EA)、渦輪流量計(LEGY-10c/N)及熱電偶。冷卻系統(tǒng)主要包括散熱器，空冷水箱，空冷循環(huán)泵(PUN-600E)及換熱扇。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括Agilent數(shù)據(jù)采集儀和計算機(jī)。

1-板式換熱器；2-高溫介質(zhì)水箱；3-電加熱器；4-高溫側(cè)流量平衡閥；5-高溫側(cè)流量計；6-高溫介質(zhì)進(jìn)口壓力表；7-高溫介質(zhì)進(jìn)口溫度熱電偶；8-高溫介質(zhì)出口溫度熱電偶；9-高溫介質(zhì)出口壓力表；10-高溫介質(zhì)循環(huán)泵；11-低溫側(cè)流量計；12-低溫側(cè)流量平衡閥；13-低溫介質(zhì)水箱；14-散熱器；15-低溫介質(zhì)循環(huán)泵；16-低溫介質(zhì)出口壓力表；17-低溫介質(zhì)出口溫度熱電偶；18-低溫介質(zhì)進(jìn)口溫度熱電偶；19-低溫介質(zhì)進(jìn)口壓力表；20-空冷水桶；21-空冷循環(huán)泵；22-風(fēng)機(jī)圖1 板式換熱器冷卻水動態(tài)污垢模擬系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)中采用吉林四平某廠生產(chǎn)的型號為BR0.015F板式換熱器，具體參數(shù)見表1。

表1 板式換熱器具體參數(shù)

1.2 實驗原理

板式換熱器換熱量理論上等于高溫介質(zhì)放熱量φ1等于低溫介質(zhì)吸熱量φ2，即

(1)

考慮到換熱損失，取

(2)

總傳熱系數(shù)為

(3)

污垢熱阻為

(4)

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)。

1.3 細(xì)菌的培養(yǎng)和納米氧化鎂簡介

實驗中采用的鐵細(xì)菌從國內(nèi)某電廠冷卻塔塔底黏泥中分離提純所得。鐵細(xì)菌的培養(yǎng)基成分如表2所示。將配置完成的鐵細(xì)菌培養(yǎng)基用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至6.6～6.9范圍內(nèi)，然后將培養(yǎng)基封口在蒸汽壓力滅菌器(121±1)℃中滅菌15 min。將冷卻后的培養(yǎng)基紫外線消毒15 min，之后進(jìn)行接種。將接種后的培養(yǎng)基放入生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h。

表2 鐵細(xì)菌的培養(yǎng)基及用量

文中選取顆粒直徑為50 nm的納米氧化鎂顆粒來形成顆粒污垢。納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍，或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。納米氧化鎂是指顆粒粒度介于1 nm-100 nm的氧化鎂。納米氧化鎂是一種新型高功能精細(xì)無機(jī)材料。納米氧化鎂產(chǎn)品為白色粉末、無味、無毒，產(chǎn)品粒徑小、比表面積大。具有不同于本體材料的光、電、磁、化學(xué)特性，具有高硬度、高純度和高熔點(diǎn)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 混合污垢熱阻與鐵細(xì)菌、氧化鎂熱阻的對比

在相同板式換熱器低溫介質(zhì)入口溫度T=(330.5)℃，流速為v=0.1 m/s的條件下，在板式換熱器上進(jìn)行三組實驗。a組實驗中低溫介質(zhì)中鐵細(xì)菌濃度為10 ml/L氧化鎂濃度為100 mg/L、b組低溫介質(zhì)中氧化鎂濃度為100 mg/L和c組低溫介質(zhì)中鐵細(xì)菌濃度為10 ml/L。

圖2 混合污垢，鐵細(xì)菌和氧化鎂污垢熱阻曲線

圖3 板片污垢實物圖

圖4 低溫介質(zhì)入口溫度對板式換熱器混合污垢熱阻的影響

圖5 流速對板式換熱器混合污垢熱阻的影響

三個工況的污垢特性如圖2所示。從圖2實驗結(jié)果可以看出：鐵細(xì)菌與氧化鎂組成的混合污垢熱阻曲線的熱阻漸近值、遠(yuǎn)大于鐵細(xì)菌，氧化鎂污垢熱阻漸近值。實驗開始初期細(xì)菌由于湍流擴(kuò)散、慣性力等作用接觸并吸附于壁面形成菌落后生長形成生物膜，同時由于氧化鎂顆粒粒徑小，表面能較大也會由于同樣的作用力與壁面接觸吸附于壁面。鐵細(xì)菌與氧化鎂初期會同時壁面在壁面形成一層混合成分的污垢層，當(dāng)吸附于壁面的鐵細(xì)菌與氧化鎂數(shù)量逐漸增多鐵細(xì)菌產(chǎn)生的生物膜會與氧化鎂顆粒發(fā)生接觸并最終被生物膜所包裹。同時鐵細(xì)菌生長繁殖會產(chǎn)生多糖及粘性物質(zhì)，使形成于換熱表面由鐵細(xì)菌與氧化鎂混合污垢層的表面產(chǎn)生粘性。溶液中的氧化鎂顆粒接觸污垢表面后會被捕捉并最終被氧化鎂、鐵細(xì)菌細(xì)胞膜和代謝產(chǎn)物所包裹。吸附于微生物膜表面的氧化鎂顆粒被這些物質(zhì)包裹不易被低溫介質(zhì)流動剪切力所帶走，最終形成氧化鎂和鐵細(xì)菌混合污垢。同時由于氧化鎂顆粒表面能較高也會使水中營養(yǎng)物質(zhì)吸附在氧化鎂表面，當(dāng)氧化鎂被微生物膜包裹后會為鐵細(xì)菌生長繁殖提供營養(yǎng)物質(zhì)，有利于吸附在換熱表面的微生物繼續(xù)生長。兩者相互促進(jìn)使混合污垢結(jié)垢速率提高最終混合污垢結(jié)垢量較大，熱阻漸近值較高。

如板片結(jié)垢的實物圖3可知：混合污垢板片上可以觀察到氧化鎂顆粒包裹在鐵細(xì)菌形成的生物黏泥當(dāng)中。混合污垢相對于鐵細(xì)菌，氧化鎂污垢結(jié)垢量有明顯增加，污垢結(jié)構(gòu)也更加致密。

2.2 溫度對混合污垢影響

在相同板式換熱器低溫介質(zhì)入口流速v=0.1 m/s，鐵細(xì)菌濃度為10 ml/L，氧化鎂濃度為100 mg/L的條件下，改變低溫介質(zhì)溫度。分別取三組低溫介質(zhì)入口溫度為27 ℃，30 ℃和33 ℃進(jìn)行實驗。獲得低溫介質(zhì)入口溫度對板式換熱器混合污垢熱阻影響如圖4。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)：混合污垢熱阻漸進(jìn)在30 ℃最高，而在27 ℃和33 ℃熱阻漸近值相對較小。這主要是由于鐵細(xì)菌適宜生長溫度為30 ℃。溫度越高細(xì)胞膜的流動性與通透性越好，有利于微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。但是較高的溫度會導(dǎo)致酶活性下降，也會導(dǎo)致蛋白質(zhì)變質(zhì)導(dǎo)致微生物的死亡。在較高溫和較低溫度下鐵細(xì)菌的生長繁殖都有影響。隨著溫度的升高，鐵細(xì)菌污垢熱阻的漸近值隨著溫度的升高有所減少[12]。而低溫介質(zhì)溫度對顆粒污垢熱阻的影響不大[13]，所以造成熱阻明顯下降的主要原因在于溫度對于鐵細(xì)菌生長繁殖的影響。適宜的溫度有利于鐵細(xì)菌在壁面的生長繁殖，鐵細(xì)菌在壁面的大量繁殖會形成更多的微生物膜也會產(chǎn)生粘性物質(zhì)有利于氧化鎂的吸附，從而促進(jìn)混合污垢的形成。所以當(dāng)溫度在30 ℃時最適宜鐵細(xì)菌的生長繁殖，污垢熱阻漸近值最大。

2.3 流速對混合污垢的影響

在相同板式換熱器低溫介質(zhì)入口溫度T=(300.5)℃，鐵細(xì)菌濃度10 ml/L，氧化鎂濃度100 mg/L條件下，改變低溫介質(zhì)流速分別為0.1 m/s，0.15 m/s，0.2 m/s進(jìn)行實驗。

通過實驗獲得流速對板式換熱器污垢熱阻的影響如圖5。實驗結(jié)果表明：隨著流速的增大，污垢結(jié)垢速率變緩，熱阻曲線達(dá)到漸近值的時間縮短，污垢熱阻漸近值減少。產(chǎn)生這樣的結(jié)果原因：一方面由于隨著流速增大，增大了氧化鎂顆粒與鐵細(xì)菌膜發(fā)生碰撞被微生物膜所俘獲的概率。另一方面較高的流速促進(jìn)了介質(zhì)中營養(yǎng)物質(zhì)的輸運(yùn)并為微生物提供充足的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，同時鐵細(xì)菌的生長繁殖會產(chǎn)生有害的代謝產(chǎn)物。這些代謝產(chǎn)物會抑制鐵細(xì)菌的生長，較高的流速帶來營養(yǎng)物質(zhì)的同時也將產(chǎn)生的有害代謝產(chǎn)物帶走，從而促進(jìn)了鐵細(xì)菌的生長與繁殖。鐵細(xì)菌的繁殖也有利于氧化鎂顆粒附著于壁面。較高的流速會促進(jìn)混合污垢的形成，增大結(jié)垢速率。導(dǎo)致隨著流速的增加污垢熱阻達(dá)到漸近值的時間相應(yīng)縮短。但是較大的流速產(chǎn)生的較大的剪切應(yīng)力。溶液中較大剪切應(yīng)力會將附著于鐵細(xì)菌微生物膜表面的氧化鎂顆粒帶走，不利于氧化鎂顆粒附著于微生物膜表面。當(dāng)混合污垢附著量達(dá)到一定值后由于較大流速導(dǎo)致剪切力較大從而表面產(chǎn)生更大的剝蝕，將污垢層表面的附著物帶走，當(dāng)附著與剝蝕達(dá)到平衡狀態(tài)下結(jié)垢量保持不變。所以雖然較高的流速有利于混合污垢的形成，但是由于剝蝕作用在后期起主要作用。污垢熱阻漸近值隨著流速的增加相應(yīng)減少。

2.4 濃度變化對混合污垢熱阻的影響

在相同板式換熱器低溫介質(zhì)入口溫度T=(300.5)℃，=0.1 m/s下分別進(jìn)行三組實驗。a組實驗鐵細(xì)菌10 ml/L，氧化鎂50 mg/L。b組鐵細(xì)菌5 ml/L，氧化鎂100 mg/L。c組鐵細(xì)菌10 ml/L，氧化鎂100 mg/L。

圖6 濃度變化對板式換熱器混合污垢熱阻影響

混合污垢濃度變化對污垢熱阻影響，如圖6所示。實驗結(jié)果表明：鐵細(xì)菌和氧化鎂濃度的下降都會導(dǎo)致混合污垢熱阻漸近值明顯下降，且氧化鎂濃度的下降，熱阻漸近值的下降較多。減少混合污垢中氧化鎂濃度時，由于溶液體積不變顆粒間的距離增大，顆粒間相互吸引力減弱即范德華力減弱，不利于氧化鎂顆粒碰撞聚合。濃度越小，顆粒之間的團(tuán)聚效應(yīng)越減弱[14]聚集成團(tuán)的氧化鎂顆粒會減少而聚集成團(tuán)的顆粒會由于質(zhì)量較大由于湍流作用易于吸附于壁面。氧化鎂聚合減弱會使由于聚合作用吸附于壁面的氧化鎂減少。同時氧化鎂濃度的下降，使得溶液與壁面濃度梯度，使得由于濃度梯度被趨向壁面的氧化鎂顆粒減少。所以濃度的下降影響氧化鎂附著于鐵細(xì)菌微生物膜表面，所以a曲線熱阻漸近值小于c組。鐵細(xì)菌濃度的下降會影響鐵細(xì)菌吸附于壁面的細(xì)菌數(shù)量。當(dāng)細(xì)菌濃度較高時由于氧化鎂帶來的營養(yǎng)物質(zhì)會產(chǎn)生更多氫氧化鐵等微生物污垢組成成分。同時較高的細(xì)菌量在壁面生長繁殖有利于氧化鎂的吸附，促進(jìn)混合污垢的形成。根據(jù)田磊研究中在顆粒濃度較高情況下，混合污垢質(zhì)量的主要成分為顆粒[8]。這也說明氧化鎂顆粒是影響混合污垢結(jié)垢量的主要原因。所以氧化鎂濃度較高的混合污垢熱阻漸近值較大。

3 結(jié) 論

(1)混合污垢相對于鐵細(xì)菌，氧化鎂污垢熱阻漸近值較大。鐵細(xì)菌與氧化鎂具有一定協(xié)同作用，互相促進(jìn)加速結(jié)垢導(dǎo)致結(jié)垢量增加。

(2)隨著溫度的升高，混合污垢的熱阻漸近值在溫度為30℃漸近值達(dá)到最大。

(3)隨著流速提高，混合污垢的熱阻漸近值呈減少的趨勢，混合污垢熱阻增長速率增大，到達(dá)漸近值的時間縮短。

(4)降低鐵細(xì)菌或氧化鎂濃度會導(dǎo)致熱阻漸近值下降，降低氧化鎂濃度對污垢熱阻漸近值影響較大。

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Plate Heat Exchanger Fouling Characteristics of Composite Fouling of Iron Bacteria and Magnesium Oxide

Xu Zhiming，F(xiàn)u Liang，Wang Jingtao，Hu Chunyang

(Energy Resources and Power Engineering College,Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

In order to explore the microbial and particulate composite fouling characteristics.The experiment investigates the growth law of the composite fouling characteristics on the plate heat exchanger.The experiment investigates the effects of temperature，flow rate and concentration on the thermal resistance of composite fouling.The results show that the composite fouling asymptotic values greater than the bacterial iron and magnesium oxide.Composite asymptotic fouling asymptotic fouling resistance value at a temperature of 30℃ reaches the maximum；With increasing velocity of mixed asymptotic fouling resistance values showed a decreasing trend and reduce iron bacteria or magnesium oxide concentration will lead to composite fouling asymptotic value decrease，and reduce concentration of magnesium oxide of composite fouling asymptotic value has a great influence.

Plate heat exchanger；Composite fouling：Fouling resistance；Iron bacteria；Magnesium oxde

2017-03-12

國家自然科學(xué)基金項目(51476025)

徐志明(1959-)，男，博士，教授，主要研究方向：節(jié)能理論、換熱設(shè)備污垢機(jī)理與對策研究.

1005-2992(2017)03-0047-06

TK124

A

電子郵箱： xuzm@neepu.edu.cn(徐志明)；54793012@qq.com(付亮)；wangjingtao@yeah.net(王景濤)；865786312@qq.com(胡春陽)