熱泵站換熱器污垢研究

劉子奇，趙 軒，王 洋，王子瑜，李興洋

（1.吉林省厚普環(huán)境能源有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000；2.東北師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130117）

1 相關(guān)概述

1.1 污垢分類及成因

按照污垢形成的主要物理化學(xué)過(guò)程，污垢可分為析晶污垢、顆粒污垢、腐蝕污垢以及生物污垢等[1]。其中，生物污垢是本文研究的重點(diǎn)，通常是指由真菌、細(xì)菌、藻類等微生物及其排泄物附著于容器或流道壁面并棲息、繁殖而形成的生物黏膜或有機(jī)物膜。管網(wǎng)系統(tǒng)中的微生物通常來(lái)源于源水，水中的某些微生物經(jīng)水處理過(guò)程后幸存下來(lái)進(jìn)入管網(wǎng)系統(tǒng)，水中的溶解性痕量有機(jī)物可使這部分微生物在管網(wǎng)中修復(fù)、重新生長(zhǎng)，并在管壁形成生物膜。此外，由于事故原因，如管道破裂、倒虹吸負(fù)壓等，也會(huì)使外界微生物進(jìn)入管網(wǎng)系統(tǒng)中并增殖。進(jìn)入管網(wǎng)中的部分微生物受范德華力、靜電、氫鍵等作用力與管壁接觸并黏附。生物膜的形成速率與界面處的物理、化學(xué)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供給、附著微生物的生理要素等有關(guān)，其脫落的主要原因則是水力沖刷、消毒劑對(duì)EPS的影響以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的缺乏等。由于大分子物質(zhì)在管網(wǎng)內(nèi)壁固、液界面上富集以及EPS對(duì)微生物的保護(hù)作用，黏附于縫隙、微孔以及管壁表面的微生物相對(duì)于水流中懸浮生長(zhǎng)的微生物而言，具有更優(yōu)越的生長(zhǎng)環(huán)境，從而迅速繁殖，形成穩(wěn)定的生物膜[2]。生物膜的形成過(guò)程可分為5個(gè)階段：可逆接觸階段、不可逆接觸階段、菌落形成階段、生物膜成熟階段及生物膜老化脫落階段。

1.2 影響污垢形成的因素

污垢的形成是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，受眾多因素的影響，如流體性質(zhì)、壁溫、流體與壁面的溫度梯度、壁面材料、表面粗糙度、流體流速、湍流強(qiáng)度、流體與壁面的剪切力、污穢物質(zhì)粒子的形狀、組成、濃度、粒徑分布、作用域粒子的熱、電磁和引力等[3-4]。對(duì)熱交換器來(lái)說(shuō)，污垢主要受換熱設(shè)備參數(shù)和流動(dòng)介質(zhì)性質(zhì)兩個(gè)方面的影響，另外，對(duì)于特殊的生物污垢來(lái)講，還受環(huán)境因素的影響。

對(duì)于生物污垢而言，影響生物膜形成的因素一是需要一定的物質(zhì)載體（載體界面的靜電作用、親疏水性、界面粗糙度及形態(tài)特征等），這種載體界面性質(zhì)會(huì)對(duì)細(xì)胞黏附和生物膜形成造成影響。另一種是受細(xì)胞表面物化性質(zhì)影響的，胞外多糖、胞外蛋白、胞外DNA等。

2 生物污垢生長(zhǎng)特性的全周期檢測(cè)

微生物污垢在換熱器中形成的連續(xù)性過(guò)程包括開始、運(yùn)輸、附著、移動(dòng)、老化，這些過(guò)程決定著整個(gè)污垢的形成過(guò)程，也最終決定著污垢對(duì)換熱器性能的影響[5]。污垢的開始是污垢過(guò)程的第一步，在此之前存在一個(gè)誘導(dǎo)期，影響誘導(dǎo)期的因素有溫度、流速、污垢的成分、換熱器表面的特性和條件。生物膜的存在使細(xì)菌、藻類、小型浮游生物開始附著于上不銹鋼管材，開始大量微生物群的滋生。由于剪切力、湍流脈動(dòng)已經(jīng)侵蝕，會(huì)使污垢脫離換熱表面，到最后附著和脫離產(chǎn)生一個(gè)平衡，污垢達(dá)到穩(wěn)定期。

3 污垢生長(zhǎng)及抑制機(jī)制分析

3.1 污垢生長(zhǎng)的影響因素

3.1.1 流體速度

流體的流速可通過(guò)對(duì)傳熱介質(zhì)的影響和機(jī)械作用力使結(jié)垢受到影響，該影響過(guò)程非常復(fù)雜。遵循艾伯特污垢形成方程：

污垢形成的速度與流體速度的平方成反比、與液膜溫度成正比，只是對(duì)于不同流體，這種變化的速度會(huì)有所不同而已。

3.1.2 溫度和溫差的影響

流體和污物之間的界面溫度是影響結(jié)垢程度的關(guān)鍵參數(shù)，流體溫度（平均溫度）及其傳熱系數(shù)決定該界面溫度。對(duì)于化學(xué)反應(yīng)污垢，溫度對(duì)其的影響主要體現(xiàn)在對(duì)主要化學(xué)反應(yīng)的影響上。一般情況下，溫度越高，污垢的增長(zhǎng)率越大。

3.1.3 熱交換器結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

污垢與熱交換器的結(jié)構(gòu)、熱交換器內(nèi)流體流速、湍流度以及換熱面光滑度等因素有關(guān)，這些因素直接影響熱交換器內(nèi)的結(jié)垢情況。不同污垢的誘導(dǎo)期都隨換熱面粗糙度的增加而減小，這是由于凸出部分有利于成核、吸收和表面化學(xué)活性的增加，而凹下部分則為沉積物提供了避開流體沖刷的場(chǎng)所，這兩個(gè)方面都使污垢便于沉積。表面粗糙度的增加有利于剝蝕的進(jìn)行，可作為對(duì)污垢沉積率和剝蝕率的影響因素之一。因此，一般板式熱交換器和螺旋管熱交換器的抗垢性能要優(yōu)于管殼式熱交換器。

3.1.4 流動(dòng)介質(zhì)性質(zhì)對(duì)污垢的影響

流體性質(zhì)對(duì)污垢的影響包括流體本身的性質(zhì)和不溶于流體或被流體夾帶的各種物質(zhì)的特性對(duì)污垢的影響。在冷卻水系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生器水側(cè)，水質(zhì)特性對(duì)污垢沉積起關(guān)鍵作用。若流體中含有鹽或其他物質(zhì)，可能會(huì)因溫度或濃度的變化而結(jié)晶等。流體中固態(tài)物質(zhì)的粒子直徑不僅影響粒子運(yùn)輸，還影響粒子的附著過(guò)程和剝蝕過(guò)程。粒子直徑的增大會(huì)導(dǎo)致粒子附著力減小，剝蝕力增大。粒徑大的粒子形成的污垢層比較疏松，易于被剝蝕。

3.1.5 生物因素的影響

除了上述的影響因素外，水中的微生物表面物化性質(zhì)對(duì)生物污垢也有影響。早期研究發(fā)現(xiàn)，胞外多糖普遍存在于各種環(huán)境下形成的生物膜中，是大多數(shù)細(xì)菌形成成熟生物膜結(jié)構(gòu)不可或缺的組成部分。Sutherland[6]研究混合菌屬生物膜結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，只要存在能合成胞外多糖的微生物菌屬, 就能形成成熟穩(wěn)定的生物膜，且該生物膜結(jié)構(gòu)中還包含大量不能合成胞外多糖的微生物菌株。生物膜EPS中胞外蛋白的含量遠(yuǎn)比胞外多糖多，在廢水生物處理系統(tǒng)內(nèi)，研究者發(fā)現(xiàn)EPS作為污泥絮體、生物膜、顆粒污泥等生物聚集體的重要組分，在生物聚集體的形成與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定過(guò)程中起到關(guān)鍵作用。胞外DNA（eDNA）濃度在不同菌屬生物膜中差異較大，但在廢水處理系統(tǒng)生物膜中eDNA量則較多。目前有關(guān)eDNA的研究基本集中于純菌生物膜的研究，認(rèn)為eDNA不僅是誘導(dǎo)生物膜形成的關(guān)鍵因素，也是維持生物膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要組分。

3.2 除垢、抑垢策略

綜上所述，可以采用如下方法制定除垢、抑垢策略。

（1）水沖洗：用大流量的水盡可能沖洗掉管道中的灰塵、泥沙、脫落的藻類及腐蝕物等疏松的污垢，同時(shí)檢查系統(tǒng)的泄漏情況。（2）殺菌滅藻粘泥剝離清洗：殺死系統(tǒng)內(nèi)的微生物，并使管道表面附著的生物粘泥剝落脫離。（3）除垢劑除垢清洗：利用除垢劑把管道內(nèi)的水垢、氧化物分解后溶于水沖洗掉。（4）清洗后的漂洗：此次水沖洗是為了沖洗掉清洗時(shí)殘留的清洗液以及清洗掉的雜質(zhì)，沖洗時(shí)要不斷開起導(dǎo)淋以使沉積在短管內(nèi)的雜質(zhì)、殘液沖洗掉。（5）預(yù)膜：預(yù)膜的目的是讓清洗后處于活化狀態(tài)下的金屬表面或保護(hù)膜受到傷害的金屬表面形成一層完整耐蝕的保護(hù)膜。