板式换热器铁细菌与氧化镁混合污垢特性的实验研究

徐志明，付 亮，王景涛，胡春阳

(东北电力大学 能源与动力工程，吉林 吉林 132012)



板式换热器铁细菌与氧化镁混合污垢特性的实验研究

徐志明，付 亮，王景涛，胡春阳

(东北电力大学 能源与动力工程，吉林 吉林 132012)

为探索微生物与颗粒混合污垢特性，实验研究了板式换热器中铁细菌、氧化镁混合污垢的生长规律。考查了温度、流速和浓度对混合污垢热阻的影响。结果表明：混合污垢热阻渐近值大于铁细菌，氧化镁污垢单一污垢热阻渐近值；混合污垢热阻渐近值在温度为30℃时达到最大；随着流速的升高，混合污垢热阻渐近值呈减少的趋势，降低铁细菌或氧化镁浓度会导致混合污垢热阻渐近值下降，且降低氧化镁浓度对混合污垢热阻渐近值影响较大。

板式换热器；混合污垢；污垢热阻；铁细菌；氧化镁

污垢是指在与流体相接触的固体表面上逐渐积聚起来的那层固态或软泥状物质。污垢会降低换热器效率，提高维护费用且危害设备运行安全。

污垢按其形成过程可分为析晶污垢、颗粒污垢、化学反应污垢、腐蚀污垢、生物污垢、凝固污垢和混合污垢。混合污垢是指上述六种污垢形成的机制中一种以上机制同时发生而形成的污垢。

实际工业中循环冷却水成分复杂，形成的污垢多为混合污垢。史琳、昝成[1，2]等对某城镇出水口中的致垢成分进行分析。实验结果表明二级出水形成的污垢是以微生物污垢为主的混合污垢。祁誉[3]等选取了北方地区电厂再生水进行水质监测，结果表明水中含有碳酸钙、磷酸钙等无机盐同时也含有铁细菌、硫酸盐还原菌等微生物。混合污垢形成原因复杂，各形成机理之间具有相互协同作用，研究具有一定难度。AmaliaHalim[4]文中阐述了硝酸盐还原菌与硫酸盐还原菌两种微生物混合污垢由于生物竞争导致了减轻对碳钢的腐蚀效果。Teychene[5]等通过研究颗粒和有机物混合污垢发现颗粒和有机物之间具有协同效应，导致在串联模型中比预测中电阻电流下降更大。Palencia[6]等通过基于颜色的数字影像分析研究污垢、表面等变化。田磊[7]研究表明微生物与颗粒污垢之间存在多重性交互作用，导致随颗粒浓度升高污垢质量呈增长趋势。王大成[8]等研究了硫酸盐还原菌以及铁细菌存在时循环冷却水系统的结垢特性。实验表明硫酸盐还原菌和铁细菌是导致污垢热阻增加的直接因素。徐志明[9，10]等研究了析晶与颗粒混合污垢在板式换热器里的污垢规律，并且结合修正的Gompertz微生物生长动力学模型将三种颗粒污垢模型应用于圆管及交叉缩放椭圆管内的铁细菌污垢。贾玉婷[11]研究了铁细菌与粘液形成菌混合污垢在板式换热器污垢特性。综上人们对于混合污垢的特性已经有了一定研究，但对于铁细菌与氧化镁颗粒混合污垢的研究还未见报道。

板式换热器由于其换热效率高，结构紧凑和易拆洗等优点广泛应用于人们的生产和生活当中。但是由于其结构紧凑液体流道较窄，也导致容易产生污垢问题。本文研究了循环冷却水常见铁细菌微生物和颗粒所形成的混合污垢。

1 实验系统，原理及实验过程

1.1 实验系统

实验采用冷却水动态污垢模拟系统，如图1。实验系统主要包括低温介质循环系统、高温介质循环系统、冷却系统和数据采集系统。低温介质循环主要包括冷水箱、低温介质循环泵(型号PW-175EA)、电磁流量计(LDBE-15S-1)、压产变送器(型号为EJA-110A)及Pt100热电偶组成。高温介质循环系统由高温水箱、电加热器、高温介质循环泵(型号为PB-H169EA)、涡轮流量计(LEGY-10c/N)及热电偶。冷却系统主要包括散热器，空冷水箱，空冷循环泵(PUN-600E)及换热扇。数据采集系统包括Agilent数据采集仪和计算机。

1-板式换热器；2-高温介质水箱；3-电加热器；4-高温侧流量平衡阀；5-高温侧流量计；6-高温介质进口压力表；7-高温介质进口温度热电偶；8-高温介质出口温度热电偶；9-高温介质出口压力表；10-高温介质循环泵；11-低温侧流量计；12-低温侧流量平衡阀；13-低温介质水箱；14-散热器；15-低温介质循环泵；16-低温介质出口压力表；17-低温介质出口温度热电偶；18-低温介质进口温度热电偶；19-低温介质进口压力表；20-空冷水桶；21-空冷循环泵；22-风机图1 板式换热器冷却水动态污垢模拟系统

实验系统中采用吉林四平某厂生产的型号为BR0.015F板式换热器，具体参数见表1。

表1 板式换热器具体参数

1.2 实验原理

板式换热器换热量理论上等于高温介质放热量φ1等于低温介质吸热量φ2，即

(1)

考虑到换热损失，取

(2)

总传热系数为

(3)

污垢热阻为

(4)

式中：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/(m2·K)。

1.3 细菌的培养和纳米氧化镁简介

实验中采用的铁细菌从国内某电厂冷却塔塔底黏泥中分离提纯所得。铁细菌的培养基成分如表2所示。将配置完成的铁细菌培养基用氢氧化钠调节pH至6.6～6.9范围内，然后将培养基封口在蒸汽压力灭菌器(121±1)℃中灭菌15 min。将冷却后的培养基紫外线消毒15 min，之后进行接种。将接种后的培养基放入生化培养箱中培养72 h。

表2 铁细菌的培养基及用量

文中选取颗粒直径为50 nm的纳米氧化镁颗粒来形成颗粒污垢。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围，或由它们作为基本单元构成的材料。纳米氧化镁是指颗粒粒度介于1 nm-100 nm的氧化镁。纳米氧化镁是一种新型高功能精细无机材料。纳米氧化镁产品为白色粉末、无味、无毒，产品粒径小、比表面积大。具有不同于本体材料的光、电、磁、化学特性，具有高硬度、高纯度和高熔点。

2 实验结果与分析

2.1 混合污垢热阻与铁细菌、氧化镁热阻的对比

在相同板式换热器低温介质入口温度T=(330.5)℃，流速为v=0.1 m/s的条件下，在板式换热器上进行三组实验。a组实验中低温介质中铁细菌浓度为10 ml/L氧化镁浓度为100 mg/L、b组低温介质中氧化镁浓度为100 mg/L和c组低温介质中铁细菌浓度为10 ml/L。

图2 混合污垢，铁细菌和氧化镁污垢热阻曲线

图3 板片污垢实物图

图4 低温介质入口温度对板式换热器混合污垢热阻的影响

图5 流速对板式换热器混合污垢热阻的影响

三个工况的污垢特性如图2所示。从图2实验结果可以看出：铁细菌与氧化镁组成的混合污垢热阻曲线的热阻渐近值、远大于铁细菌，氧化镁污垢热阻渐近值。实验开始初期细菌由于湍流扩散、惯性力等作用接触并吸附于壁面形成菌落后生长形成生物膜，同时由于氧化镁颗粒粒径小，表面能较大也会由于同样的作用力与壁面接触吸附于壁面。铁细菌与氧化镁初期会同时壁面在壁面形成一层混合成分的污垢层，当吸附于壁面的铁细菌与氧化镁数量逐渐增多铁细菌产生的生物膜会与氧化镁颗粒发生接触并最终被生物膜所包裹。同时铁细菌生长繁殖会产生多糖及粘性物质，使形成于换热表面由铁细菌与氧化镁混合污垢层的表面产生粘性。溶液中的氧化镁颗粒接触污垢表面后会被捕捉并最终被氧化镁、铁细菌细胞膜和代谢产物所包裹。吸附于微生物膜表面的氧化镁颗粒被这些物质包裹不易被低温介质流动剪切力所带走，最终形成氧化镁和铁细菌混合污垢。同时由于氧化镁颗粒表面能较高也会使水中营养物质吸附在氧化镁表面，当氧化镁被微生物膜包裹后会为铁细菌生长繁殖提供营养物质，有利于吸附在换热表面的微生物继续生长。两者相互促进使混合污垢结垢速率提高最终混合污垢结垢量较大，热阻渐近值较高。

如板片结垢的实物图3可知：混合污垢板片上可以观察到氧化镁颗粒包裹在铁细菌形成的生物黏泥当中。混合污垢相对于铁细菌，氧化镁污垢结垢量有明显增加，污垢结构也更加致密。

2.2 温度对混合污垢影响

在相同板式换热器低温介质入口流速v=0.1 m/s，铁细菌浓度为10 ml/L，氧化镁浓度为100 mg/L的条件下，改变低温介质温度。分别取三组低温介质入口温度为27 ℃，30 ℃和33 ℃进行实验。获得低温介质入口温度对板式换热器混合污垢热阻影响如图4。

由图4可以发现：混合污垢热阻渐进在30 ℃最高，而在27 ℃和33 ℃热阻渐近值相对较小。这主要是由于铁细菌适宜生长温度为30 ℃。温度越高细胞膜的流动性与通透性越好，有利于微生物对营养物质的吸收。但是较高的温度会导致酶活性下降，也会导致蛋白质变质导致微生物的死亡。在较高温和较低温度下铁细菌的生长繁殖都有影响。随着温度的升高，铁细菌污垢热阻的渐近值随着温度的升高有所减少[12]。而低温介质温度对颗粒污垢热阻的影响不大[13]，所以造成热阻明显下降的主要原因在于温度对于铁细菌生长繁殖的影响。适宜的温度有利于铁细菌在壁面的生长繁殖，铁细菌在壁面的大量繁殖会形成更多的微生物膜也会产生粘性物质有利于氧化镁的吸附，从而促进混合污垢的形成。所以当温度在30 ℃时最适宜铁细菌的生长繁殖，污垢热阻渐近值最大。

2.3 流速对混合污垢的影响

在相同板式换热器低温介质入口温度T=(300.5)℃，铁细菌浓度10 ml/L，氧化镁浓度100 mg/L条件下，改变低温介质流速分别为0.1 m/s，0.15 m/s，0.2 m/s进行实验。

通过实验获得流速对板式换热器污垢热阻的影响如图5。实验结果表明：随着流速的增大，污垢结垢速率变缓，热阻曲线达到渐近值的时间缩短，污垢热阻渐近值减少。产生这样的结果原因：一方面由于随着流速增大，增大了氧化镁颗粒与铁细菌膜发生碰撞被微生物膜所俘获的概率。另一方面较高的流速促进了介质中营养物质的输运并为微生物提供充足的氧气和营养物质，同时铁细菌的生长繁殖会产生有害的代谢产物。这些代谢产物会抑制铁细菌的生长，较高的流速带来营养物质的同时也将产生的有害代谢产物带走，从而促进了铁细菌的生长与繁殖。铁细菌的繁殖也有利于氧化镁颗粒附着于壁面。较高的流速会促进混合污垢的形成，增大结垢速率。导致随着流速的增加污垢热阻达到渐近值的时间相应缩短。但是较大的流速产生的较大的剪切应力。溶液中较大剪切应力会将附着于铁细菌微生物膜表面的氧化镁颗粒带走，不利于氧化镁颗粒附着于微生物膜表面。当混合污垢附着量达到一定值后由于较大流速导致剪切力较大从而表面产生更大的剥蚀，将污垢层表面的附着物带走，当附着与剥蚀达到平衡状态下结垢量保持不变。所以虽然较高的流速有利于混合污垢的形成，但是由于剥蚀作用在后期起主要作用。污垢热阻渐近值随着流速的增加相应减少。

2.4 浓度变化对混合污垢热阻的影响

在相同板式换热器低温介质入口温度T=(300.5)℃，=0.1 m/s下分别进行三组实验。a组实验铁细菌10 ml/L，氧化镁50 mg/L。b组铁细菌5 ml/L，氧化镁100 mg/L。c组铁细菌10 ml/L，氧化镁100 mg/L。

图6 浓度变化对板式换热器混合污垢热阻影响

混合污垢浓度变化对污垢热阻影响，如图6所示。实验结果表明：铁细菌和氧化镁浓度的下降都会导致混合污垢热阻渐近值明显下降，且氧化镁浓度的下降，热阻渐近值的下降较多。减少混合污垢中氧化镁浓度时，由于溶液体积不变颗粒间的距离增大，颗粒间相互吸引力减弱即范德华力减弱，不利于氧化镁颗粒碰撞聚合。浓度越小，颗粒之间的团聚效应越减弱[14]聚集成团的氧化镁颗粒会减少而聚集成团的颗粒会由于质量较大由于湍流作用易于吸附于壁面。氧化镁聚合减弱会使由于聚合作用吸附于壁面的氧化镁减少。同时氧化镁浓度的下降，使得溶液与壁面浓度梯度，使得由于浓度梯度被趋向壁面的氧化镁颗粒减少。所以浓度的下降影响氧化镁附着于铁细菌微生物膜表面，所以a曲线热阻渐近值小于c组。铁细菌浓度的下降会影响铁细菌吸附于壁面的细菌数量。当细菌浓度较高时由于氧化镁带来的营养物质会产生更多氢氧化铁等微生物污垢组成成分。同时较高的细菌量在壁面生长繁殖有利于氧化镁的吸附，促进混合污垢的形成。根据田磊研究中在颗粒浓度较高情况下，混合污垢质量的主要成分为颗粒[8]。这也说明氧化镁颗粒是影响混合污垢结垢量的主要原因。所以氧化镁浓度较高的混合污垢热阻渐近值较大。

3 结 论

(1)混合污垢相对于铁细菌，氧化镁污垢热阻渐近值较大。铁细菌与氧化镁具有一定协同作用，互相促进加速结垢导致结垢量增加。

(2)随着温度的升高，混合污垢的热阻渐近值在温度为30℃渐近值达到最大。

(3)随着流速提高，混合污垢的热阻渐近值呈减少的趋势，混合污垢热阻增长速率增大，到达渐近值的时间缩短。

(4)降低铁细菌或氧化镁浓度会导致热阻渐近值下降，降低氧化镁浓度对污垢热阻渐近值影响较大。

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

Xu Zhiming，Fu 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

国家自然科学基金项目(51476025)

徐志明(1959-)，男，博士，教授，主要研究方向：节能理论、换热设备污垢机理与对策研究.

1005-2992(2017)03-0047-06

TK124

A

电子邮箱： xuzm@neepu.edu.cn(徐志明)；54793012@qq.com(付亮)；wangjingtao@yeah.net(王景涛)；865786312@qq.com(胡春阳)