徐志明 陈 洋 刘坐东 张一龙 王景涛

(1.东北电力大学能源与动力工程学院；2.华北电力大学能源机械与动力工程学院)

板式换热器是工业生产中经常使用的换热器之一，其污垢问题是至今未解决的工业难题。微生物污垢是换热设备中常见的污垢，主要是由细菌及藻类等微生物及其排泄物沉积于固体表面生长、繁殖而形成的一种生物粘膜或有机膜[1]。微生物污垢对换热器的传热有着严重影响，能够使流动阻力增大。

微生物污垢受多种金属阳离子制约，其中Ca2+尤为突出。Lee E等对典型析晶污垢硫酸钙在板式换热器中的结垢规律进行了分析，发现污垢热阻达到渐近值前污垢的沉积速率远大于剥蚀速率，而污垢热阻达到稳定时污垢的沉积速率与剥蚀速率达到动态平衡[2]。Lei T等研究了北京奥运村污水中Ca2+对枯草芽孢杆菌污垢形成的影响，并将Ca2+对生物黏泥的影响分为起始期、迅速增长期和延长生长期3个阶段，指出在迅速增长期Ca2+对生物黏泥的影响最大[3]。安洋等采用极化曲线和交流阻抗的方法研究了模拟循环冷却水中Ca2+对碳钢腐蚀的影响，发现当Ca2+质量浓度较低时，Ca2+的加入会促进碳钢的腐蚀[4]。Guérin R等研究了板式换热器中不同Ca2+浓度对乳清蛋白浓缩液结垢规律的影响，发现增加Ca2+浓度会增加乳清蛋白的结垢量[5]。张晓等利用海洋细菌设计实验，研究环境因素及基底材料等对细菌生物膜形成的影响，发现盐度及温度等环境因素对海洋细菌附着形成生物膜的影响显著[6]。刘芳等针对循环冷却水补充水的水质特点，采用单因素实验方法考察了矿物质Ca2+等因素对生物黏泥胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)成分的影响，发现Ca2+对EPS的影响规律[7]。郦和生和王岽通过实验对循环冷却水中不同浓度的Ca2+及Mg2+等金属离子对铁细菌的生长及其杀菌性能的影响进行了分析，证明Ca2+对铁细菌生长具有促进作用，且Cl-在一定范围内对铁细菌的生长没有影响[8]。许萍对市政再生水补水电厂中循环冷却水系统的微生物进行分析，发现微生物在金属表面的生长繁殖与钙镁离子结垢等过程相互促进，根据调查得出循环冷却水系统运行中因微生物引起的问题约占一半[9]。史琳等对城镇二级出水换热器表面污垢的成分进行了研究，发现该污垢是以微生物污垢为主的混合污垢，混合污垢中微生物和胞外聚合物与二级出水中的无机悬浮物充分掺混，同时无机悬浮物构成了微生物生长繁殖的节点和骨架[10]。

目前研究学者们对静态非换热条件下Ca2+对微生物的影响规律研究颇多，而对Ca2+环境下换热器中的微生物结垢规律研究甚少。因此，笔者以CaCl2和循环冷却水中典型微生物铁细菌为研究对象，对板式换热器污垢特性进行实验研究。

1 实验研究

1.1实验系统

实验系统包括高温循环系统、低温循环系统、冷却循环系统和数据采集系统(图1)。高温循环系统包括高温水箱、电加热器、高温水泵、涡轮流量计和热电偶。低温循环系统包括低温水箱、低温水泵、电磁流量计和热电偶。冷却循环系统可以保证低温循环系统入口温度的恒定，其主要由空冷换热扇、空冷水泵、散热器和PID控制器组成。数据采集系统由Eastfar数据采集仪构成，实验中采集信号以电压信号的形式通过导线传输到计算机预设程序进行处理。实验系统中所使用的板式换热器为吉林四平巨元瀚阳板式换热器有限公司生产，具体参数如下：

材料 304不锈钢

板片尺寸 258mm×100mm

换热面积 0.15m2

波纹形式 人字形

波纹深度 2mm

当量直径 4mm

单流道截面积 1.67cm2

角孔直径 20mm

图1 板式换热器冷却水动态污垢实验系统

板片厚度 0.6mm

波纹夹角 120°

1.2实验原理

板式换热器中冷流体的吸热量φ1等于热流体的散热量φ2，由于实验过程中存在散热损失，所以取：

(1)

φ1=qm1cp1(t1′-t1″)

(2)

φ2=qm2cp2(t2″-t2′)

(3)

(4)

式中A——换热器换热面积，m2；

cp——定压比热容，kJ/(kg·K)；

qm——流体质量流量，kg/s；

t′、t″——流体的进、出口温度，℃；

Δtm——对数平均温差，℃；

下标1、2——冷、热流体。

只需求出qm1、qm2、t1′、t1″、t2′和t2″，即可求出k值。

采用污垢热阻法原理计算污垢热阻Rf为：

(5)

式中k、k0——清洁状态和结垢后的传热系数，W/(m2·K)。

1.3铁细菌的培养

铁细菌为好氧菌，菌落大部分为灰白、红褐或深褐色絮状或粘胶状聚集物[11]。实验所用为松花江水中分离纯化并经过多次纯化转代接种培养得到的铁细菌。分离纯化所用的铁细菌培养基见表1。

表1 铁细菌培养基名称和用量

将上述培养基的pH值调节在6.8～7.0范围内，用蒸汽压力灭菌锅在高于大气压0.1MPa、121℃条件下灭菌15min，冷却后通过紫外线消毒，进行接种并在30℃恒温培养箱中培养至体积分数为1%、OD值为0.5后进行实验。

1.4实验过程

由于文献[12]指出，增大Ca2+浓度对铁细菌无太大影响，且在实验浓度范围内Cl-对铁细菌无影响，所以为探究循环冷却水在Ca2+环境下对铁细菌的影响，笔者选取300mg/L的CaCl2对各运行工况进行实验研究。

实验开始时，调节各系统控制器和流量平衡阀使之达到所要求的工况，向低温水箱内的200L去离子水中加入60g的CaCl2以达到300mg/L，然后加入培养好的铁细菌，循环水通过板式换热器进行换热并通过低温水泵打回低温水箱中，反复循环；同理，高温水箱的循环水通过板式换热器进行换热并通过高温水泵打回高温水箱中，反复循环。高温水箱温度由加热器和温控仪控制，低温水箱温度由变频器和冷却循环系统控制；速度由流量调节阀和流量计进行控制。

2 实验结果与分析

2.1Ca2+环境下铁细菌的污垢热阻曲线

在其他工况相同(铁细菌浓度c=10mL/L，流体流速v=0.1m/s)的情况下，一组为在铁细菌体积浓度为1%的条件下加入300mg/L的CaCl2，另一组为空白实验作为参照。加入CaCl2后的铁细菌与纯铁细菌的污垢热阻曲线如图2所示，可以看出两组曲线均存在诱导期，但Ca2+对诱导期的影响不大，加入CaCl2的铁细菌的污垢热阻渐近值明显高于纯铁细菌，这是由两方面原因造成的：一方面Ca2+控制细胞的生理状态，如降低细胞质膜透性及调节酸度等，并对蛋白酶及淀粉酶等胞外酶活性的稳定性有较大影响，Ca2+可促进细菌的生长，EPS含量也快速增加[13]，从而使污垢热阻增加；另一方面Ca2+与EPS中带负电的基团结合，在EPS之间或EPS与微生物之间起到架桥作用，有助于生物黏泥的形成，从而使EPS增加[14]，导致污垢热阻增加。

图2 不同温度下加入CaCl2后的铁细菌与纯铁细菌的污垢热阻曲线

2.2温度对生物污垢的影响

在流体流速v=0.1m/s、细菌体积浓度为1%(即10mL/L)的条件下加入300mg/L的CaCl2，改变低温循环水进口温度，分别在30、35、40℃条件下对板式换热器的铁细菌污垢热阻进行实验。图3所示为3种不同温度下Ca2+环境中板式换热器的污垢热阻曲线，可以看出，当温度升高时诱导期缩短，污垢热阻达到平衡的时间缩短，污垢热阻渐近值减小。原因主要有3方面：温度越高游离的Ca2+与铁细菌的布朗运动越剧烈，一方面使Ca2+与铁细菌相互碰撞提供更大可能，从而促进细菌的生长，另一方面使铁细菌在换热器表面附着的几率增大，所以随着温度的升高诱导期缩短；温度影响细胞膜的流动性和细胞新陈代谢反应的酶活性，温度越高细胞膜的流动性越好，越有益于营养物质的输运和细胞代谢废物的移出，从而加快铁细菌的繁殖速率，进而使污垢热阻达到平衡的时间缩短；持续的高温会使酶变性失活，使微生物的死亡率加快，生成的氢氧化铁随之减少，所以随着温度的升高，铁细菌的污垢热阻渐近值降低。

图3 3种不同温度下Ca2+环境中板式换热器的污垢热阻曲线

2.3速度对生物污垢的影响

在温度T=35℃、细菌体积浓度为1%(c=10mL/L)的条件下加入300mg/L的CaCl2，改变低温循环水进口速度，分别在0.10、0.15、0.20m/s的条件下对板式换热器的铁细菌污垢热阻进行实验。图4所示为Ca2+环境下不同流速的板式换热器铁细菌污垢热阻曲线，可以看出3组曲线均存在诱导期，且速度对诱导期的影响不大，流速越大污垢热阻达到平衡的时间越短，污垢热阻渐近值越小。

图4 Ca2+环境下不同流速的板式换热器铁细菌污垢热阻曲线

速度对污垢热阻有正反两个方面的影响，一方面流体的流速决定生物黏泥的生长范围和厚度，流体在流动状态下可以供给微生物生长所必需的营养成分，并移走代谢废物；流速增加，雷诺数增加，粘性层流底层变薄，提供铁细菌生存必需的营养物质和氧气的传递速率以及代谢废物的移出速度增大，使铁细菌在近壁面处的生长和死亡速率加快，所以随着流速的增加污垢热阻达到平衡的时间缩短。但是另一方面，当流体流速增大时，较高的流速也可能产生较大的剪切力，从而使生物污垢脱落，不利于微生物的生长，并且增加了流体的压力。此外，流速增加使工质中的Ca2+在铁细菌的表面停留时间变短，不利于Ca2+对铁细菌的促进作用，此时剪切力起主导作用，所以流速越大平衡时污垢热阻反而越小。

2.4铁细菌浓度对生物污垢的影响

在流体流速v=0.1m/s、低温循环系统进口温度T=35℃的条件下加入300mg/L的CaCl2，对板式换热器在不同铁细菌浓度下的污垢特性进行对比实验(图5)，可以看出3组曲线均存在诱导期，且不同铁细菌浓度对诱导期并无太大影响，随着铁细菌浓度的升高污垢热阻渐近值增大。

图5 板式换热器在不同铁细菌浓度下的污垢特性曲线

生物污垢主要由细胞膜和EPS构成，细菌浓度的增加势必导致EPS的增加。EPS可以改变微生物群的表面电荷、疏水性及聚合物属性等物理化学特性，所以在生物污垢形成的起始阶段的大分子物质在润湿表面上的吸附以及微生物在润湿表面上的迁移过程中，EPS有助于细菌对固体表面的吸附进而使污垢热阻增加。再者，随着细菌浓度的增加，细菌通过新陈代谢所产生的氧化产物(氢氧化铁)的含量也随之增加，所以污垢热阻渐近值增加。

3 结论

3.1在Ca2+环境下的铁细菌诱导期相对纯铁细菌的诱导期变化不大，且污垢热阻渐近值大于纯铁细菌污垢热阻渐近值。

3.2随着低温循环冷却水进口温度的增加，Ca2+环境下的铁细菌诱导期缩短但对结垢速率没有明显影响，污垢热阻渐近值有所降低。

3.3随着流体速度的增加，Ca2+环境下的铁细菌诱导期与结垢速率均无明显影响，污垢热阻渐近值有所减小。

3.4随着铁细菌浓度的增加，Ca2+环境下的铁细菌诱导期与结垢速率均无明显影响，污垢热阻渐近值有所增大。

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