板式換熱器Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層微生物污垢特性

劉坐東，李斯琪，邢維維，徐志明

（東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林省吉林市132012）

引 言

微生物污垢是指微生物或黏液或代謝排泄物在固體表面形成薄膜狀或?qū)訝钴浤喑练e物[1-2]。工業(yè)換熱設(shè)備多采用開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，細(xì)菌、藻類(lèi)等生物很容易侵入循環(huán)水系統(tǒng)生長(zhǎng)繁殖，導(dǎo)致工業(yè)換熱設(shè)備存在不同程度的微生物污垢問(wèn)題[3-4]。微生物污垢的生長(zhǎng)繁殖會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)變壞，流動(dòng)阻力和傳熱熱阻增加，如果不加以控制，還會(huì)誘發(fā)垢下腐蝕[5-6]，甚至造成換熱設(shè)備永久報(bào)廢，引發(fā)重大的安全事故。一些學(xué)者對(duì)換熱設(shè)備微生物污垢問(wèn)題進(jìn)行了研究。常思遠(yuǎn)等[7]研究了流動(dòng)條件下，不同濃度的Ca2＋對(duì)微生物污垢的影響及其作用機(jī)理，結(jié)果表明：Ca2＋濃度上升會(huì)提高微生物污垢的空間多孔化程度，促進(jìn)游離水含量及污垢總質(zhì)量的上升。楊帥[8]研究了海水板式換熱器微生物污垢特性。馬東[9]應(yīng)用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了再生水微生物污垢的生長(zhǎng)規(guī)律和寬流道板式換熱器的傳熱特性。王蓉[10]對(duì)微生物污垢的生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行了研究，分析微生物結(jié)垢過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)機(jī)理并總結(jié)微生物污垢熱阻的影響因素。王晶[11]應(yīng)用自主搭建的污垢實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置研究幾種蛋白質(zhì)污垢在換熱表面的生長(zhǎng)和清洗過(guò)程，主要研究了熱通量、換熱器表面溫度、進(jìn)口溫度、老化時(shí)間等因素對(duì)污垢生長(zhǎng)的影響。Chen 等[12]研究了換熱器中的鐵細(xì)菌（IB）和硫酸鹽還原細(xì)菌（SRB）的結(jié)垢生長(zhǎng)特性，并通過(guò)設(shè)計(jì)流道模型模擬了污水熱交換器管道的流道狀態(tài)。Chandra 等[13]對(duì)熱交換器的70/30 白銅管內(nèi)的硫氧化酸硫硫桿菌影響進(jìn)行研究，目的是找到避免局部變薄和針孔泄漏的辦法。Li等[14]在不同的工況條件下，通過(guò)熱阻法研究了細(xì)菌和顆粒的特性，以及顆粒污垢與微生物污垢的協(xié)同作用，并通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）分析了混合污垢的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。Zouaghi 等[15]通過(guò)測(cè)量沉積物在基材與流體界面的附著力，研究不銹鋼表面形態(tài)和表面自由能對(duì)乳制品溶液結(jié)垢的影響。這些研究在一定程度上促進(jìn)了人們對(duì)微生物污垢沉積機(jī)理的理解，卻沒(méi)有對(duì)抑制微生物污垢提出有效的解決方法。

目前微生物污垢問(wèn)題仍然缺乏有效的應(yīng)對(duì)手段。傳統(tǒng)抑垢方法如通氯氣、添加緩蝕劑和殺生劑等因容易引發(fā)環(huán)境問(wèn)題[16-18]而逐步受到限制甚至淘汰。表面改性技術(shù)的發(fā)展為清潔高效應(yīng)對(duì)換熱表面微生物污垢問(wèn)題提供了新的思路。一些學(xué)者研究表明改性表面可以顯著抑制污垢或細(xì)菌的附著。Powell[19]研究了幾種不同的材料表面性能對(duì)微生物污垢的影響，結(jié)果顯示銅合金材料表面不易被附著海水微生物。程延海等[20-21]研究發(fā)現(xiàn)換熱面化學(xué)鍍Ni-P 非晶結(jié)構(gòu)鍍層具有較低的表面能，且可以顯著減少CaCO3析晶污垢的附著。楊倩鵬等[22]發(fā)現(xiàn)，在熱交換表面上進(jìn)行化學(xué)鍍銀可以顯著降低微生物污垢的附著量。Huang 等[23]發(fā)現(xiàn)，Ni-PTFE(聚四氟乙烯)復(fù)合納米表面顯著降低了乳制品的結(jié)垢沉積和表面上的污垢黏附強(qiáng)度。Zhao等[24]采用化學(xué)鍍技術(shù)在不銹鋼316L 上制備了Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層，發(fā)現(xiàn)其降低了三種菌株（熒光假單胞菌、Cobetia（鹽單胞菌科）和Vibrio（弧菌））的黏附性。Jindal等[25]在不間斷的17 h 內(nèi)，對(duì)生牛乳進(jìn)行巴氏滅菌過(guò)程中天然不銹鋼和改性表面PHE 上的生物污垢程度的比較。Oldani 等[26]在不銹鋼基材表面制備了全氟聚醚和納米陶瓷氧化物粉末涂層低表面能表面，在為期5 個(gè)月的抗垢性能實(shí)驗(yàn)中，氟化涂層污垢熱阻僅為不銹鋼表面的三分之一。Balasubramanian等[27]以牛奶或果汁為研究對(duì)象，對(duì)材料為不銹鋼316 的板式換熱器表面涂層進(jìn)行傳熱實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，涂層為Ni-P-PTFE 的換熱效果比沒(méi)有涂層時(shí)的板式換熱器強(qiáng)兩倍多。Lukas 等[28]介紹了改性表面對(duì)工業(yè)設(shè)備中結(jié)垢和清潔的影響的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)是不同表面的抑垢特性及其與污垢的相互作用。

本文開(kāi)展Ni-P-TiO2復(fù)合鍍層抑制換熱表面微生物污垢研究。首先采用化學(xué)鍍法在板式換熱器的不銹鋼316 板片上制備N(xiāo)i-P-TiO2復(fù)合納米表面，作為對(duì)照，Ni-P 鍍層同樣給出，基于改性表面微生物污垢實(shí)驗(yàn)，探討復(fù)合改性表面的傳熱特性和抑垢性能，以期為今后換熱器防污型改性表面的研究和開(kāi)發(fā)提供參考。

1 復(fù)合納米表面制備與形貌分析

1.1 復(fù)合納米表面制備

本文選用板式換熱器的不銹鋼316板片為基材表面，板片具體尺寸見(jiàn)表1。施鍍前需要對(duì)板片進(jìn)行水洗—酸洗除銹—水洗—活化—水洗等一系列預(yù)處理，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，采用化學(xué)復(fù)合鍍的方法在基材表面鍍覆復(fù)合納米表面，施鍍時(shí)間為2 h，Ni-P-TiO2復(fù)合納米表面的工藝配比及施鍍條件如下：NiSO4·6H2O 20～30 g/L，NaH2PO2·H2O 20～30 g/L，CH3COONa 10～20 g/L，Na3C6H5O710～20 g/L，C3H6O315～30 ml/L，表面活性劑少量，粒徑25 nm 的TiO20.2～2 g/L，溫度(88±2)℃，pH4.8±0.2。作為對(duì)照的Ni-P 表面的工藝配比如下：NiSO4·6H2O 20～25 g/L，NaH2PO2·H2O 25～30 g/L，CH3COONa 12 g/L，Na3C6H5O720 g/L，C3H6O35 ml/L，C2H5NO28 g/L，少量穩(wěn)定劑。

表1 待測(cè)板式換熱器的尺寸參數(shù)Table 1 Dimension parameters of the test plate heat exchanger

1.2 復(fù)合納米微觀(guān)形貌分析

施鍍之后兩種表面的微觀(guān)形貌如圖1所示。由圖1(a)可以看出Ni-P鍍層表面呈現(xiàn)晶胞狀且均勻致密，沒(méi)有明顯的孔隙和凹陷；由圖1(b)可以看出小的白色球狀顆粒為T(mén)iO2顆粒均勻分布于復(fù)合納米表面；表明化學(xué)復(fù)合鍍工藝具有較好的可靠性。

圖1 表面的微觀(guān)形貌Fig.1 Surface micromorphology

1.3 復(fù)合納米表面的表面能測(cè)試

本文使用SDC-200S接觸角/界面張力測(cè)量?jī)x通過(guò)固定懸滴法測(cè)量接觸角[29]，精度為±0.5°。所用探針液體為蒸餾水、乙二醇和二碘甲烷。測(cè)試液的表面能見(jiàn)表2。所有測(cè)量均在25℃下進(jìn)行，每種液體測(cè)量8 次，取平均值。此外，基于van Oss 酸堿極性方法[30]計(jì)算了Ni-P 鍍層和Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層的表面自由能，結(jié)果如表3所示。

表2 測(cè)試液體的表面能Table 2 Surface energy of the test liquid

表3 各表面的接觸角以及表面能Table 3 Contact angle and surface energy of each surface

2 鍍覆表面微生物污垢特性實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

板式換熱器冷卻水動(dòng)態(tài)污垢模擬系統(tǒng)如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)由四個(gè)循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成：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)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定一定時(shí)間后，將事先培養(yǎng)好的細(xì)菌加入冷卻水介質(zhì)水箱中，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是否正常工作。待計(jì)算機(jī)顯示污垢熱阻值保持平穩(wěn)不波動(dòng)后，停止實(shí)驗(yàn)。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Experimental system

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

換熱器的換熱量Φ 等于高溫介質(zhì)的失熱量Φ1，也等于低溫介質(zhì)的得熱量Φ2：

式中，k0和k 分別為結(jié)垢前和結(jié)垢后換熱器總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

因此通過(guò)測(cè)量高溫介質(zhì)和低溫介質(zhì)的流量及進(jìn)出口溫度，便可計(jì)算出結(jié)垢前后的傳熱系數(shù)，根據(jù)式（4）即可得出污垢熱阻Rf。

2.3 實(shí)驗(yàn)不確定度分析

本研究中使用的測(cè)量設(shè)備已按照NIST 可追溯標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了校準(zhǔn)。表4列出了與使用中的傳感器相關(guān)的所有實(shí)驗(yàn)不確定性和所考慮的計(jì)算參數(shù)。參數(shù)的不確定性可通過(guò)以下計(jì)算獲得。假設(shè)y 是一個(gè)間接測(cè)得的函數(shù)，可以由式（5）中的幾個(gè)直接測(cè)得的函數(shù)計(jì)算得出，y的偏差如式（6）所示。

表4 測(cè)量與計(jì)算的不確定度估計(jì)Table 4 Uncertainty estimates for measurement and calculation

本文研究的污垢熱阻，屬于間接測(cè)量值，它是通過(guò)已知計(jì)算式以及直接測(cè)量值計(jì)算得出。直接測(cè)量值包括溫度、壓力、流量等。測(cè)量這些參數(shù)所用儀器及其不確定度值在表5中給出。

表5 儀器的不確定度Table 5 Instrument uncertainty

總傳熱系數(shù)不確定度包括兩部分：一是儀表精度的不確定度，二是數(shù)據(jù)回歸帶來(lái)的不確定度，認(rèn)為數(shù)據(jù)回歸時(shí)最大不確定度為5%[31]。σA為換熱面積的不確定度，并假定σA=0.05%，σΦ為換熱器的換熱量的不確定度，它由流體流量不確定度σqv和其進(jìn)出口溫度不確定度σΔt共同決定。

總傳熱系數(shù)不確定度

2.4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性驗(yàn)證

在確保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以正常運(yùn)行之后，還需要對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行校正。為了證明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集在誤差允許的范圍內(nèi)，做了兩次改變冷介質(zhì)入口流速的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，通過(guò)改變流速，清水實(shí)驗(yàn)的總傳熱系數(shù)以及污垢實(shí)驗(yàn)的換熱熱阻結(jié)果基本一致，總傳熱系數(shù)及污垢實(shí)驗(yàn)的換熱熱阻的波動(dòng)誤差小于1%，符合實(shí)驗(yàn)誤差要求，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以進(jìn)行下面的研究。

3 結(jié)果與討論

3.1 傳熱和阻力特性分析

在清潔狀態(tài)下測(cè)試未鍍層的不銹鋼316 板片、Ni-P 板片和Ni-P-TiO2復(fù)合納米板片的壓降和傳熱性能，設(shè)置微生物污垢實(shí)驗(yàn)，通過(guò)f、Nu與Re的關(guān)系，分析未鍍覆板式換熱器，鍍覆Ni-P 和Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層的板式換熱器的傳熱特性和污垢特性。Nu 可以通過(guò)式（18）擬合與Re 相關(guān)的方程式，f 由式（16）給出，并且可以通過(guò)式（17）擬合與Re 相關(guān)的方程式。

其中，μf和μw分別是平均流體溫度和壁溫下流體的動(dòng)態(tài)黏度；C 為擬合系數(shù)；對(duì)于被加熱狀態(tài)，m=0.4，對(duì)于被冷卻狀態(tài)，m=0.3。

如圖4、圖5 所示，在清潔狀態(tài)下測(cè)試了f、Nu 與Re 的關(guān)系，相比未鍍覆板式換熱器，鍍覆Ni-P 鍍層壓 降 增 加 了2.06%～6.43%，Nu 增 加 了1.40%～5.98%；鍍覆Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層壓降增加了8.42%～20.69%，Nu 增加了5.93%～15.37%。經(jīng)過(guò)微生物污垢實(shí)驗(yàn)后，當(dāng)實(shí)驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定期時(shí)，相比未鍍覆板式換熱器，鍍覆Ni-P 鍍層壓降降低4.23%～6.66%，Nu 增加了3.65%～14.90%；鍍覆Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層壓降降低了6.95%～13.68%，Nu 增加了8.13%～25.82%。在相同微生物污垢實(shí)驗(yàn)工況下，鍍覆Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層的板式換熱器的f 相比Ni-P 鍍層的低2.54%～11.82%，但Nu 卻明顯高于Ni-P 鍍層達(dá)8.47%～9.45%。測(cè)試結(jié)果表明，鍍覆Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層的板片壓降最小，這是由于板間流通通道面積大，在初始通道間距相同的情況下，可以證明鍍覆Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層的板片污垢層厚度更薄，結(jié)垢更少，傳熱性能相比于其他表面更好。表6 中給出了不同表面的f 與Nu 相關(guān)性。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性驗(yàn)證Fig.3 Stability verification of experimental system

圖4 不同狀態(tài)下f與Re的關(guān)系Fig.4 Relationship between f and Re in different states

圖5 不同狀態(tài)下Nu與Re的關(guān)系Fig.5 Relationship between Nu and Re in different states

3.2 復(fù)合改性表面抑垢特性分析

在相同低溫介質(zhì)溫度t=(32±1)℃，菌懸液濃度為實(shí)驗(yàn)用水的1%的條件下，改變工質(zhì)流速，對(duì)不銹鋼、Ni-P 鍍層、Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層的微生物污垢熱阻進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。取三組實(shí)驗(yàn)的流速為0.1、0.2 和0.3 m/s。圖6 為不同冷介質(zhì)入口流速下的污垢熱阻對(duì)比，其波動(dòng)范圍在表7 中給出，這與文獻(xiàn)[32]中實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定后未鍍覆板式換熱器的微生物污垢熱阻波動(dòng)幅度基本相同，本文在獲取板式換熱器微生物污垢特性數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)復(fù)合鍍層的抑垢性能進(jìn)行分析。

由圖6可以看出，不同流速下Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層污垢熱阻漸近值均小于不銹鋼和Ni-P 鍍層的污垢熱阻漸近值；隨著冷介質(zhì)入口流速的增加，污垢熱阻漸近值減小。高流速在一定程度上促進(jìn)了微生物向壁面的傳質(zhì)過(guò)程，給微生物的生長(zhǎng)提供充足的氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但高流速下同時(shí)也產(chǎn)生了更大的剪切力，加劇了附著污垢的剝蝕和脫落，變得不利于微生物的附著。相比不銹鋼和Ni-P鍍層，Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層的污垢熱阻分別減小16.6%～30.96%和10.66%～18.18%。結(jié)合表3對(duì)表面能測(cè)試和計(jì)算可知，不銹鋼的表面能最大，鍍覆Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層后表面能最小，故本實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)微生物污垢熱阻隨著表面能增加而增大的規(guī)律。雖然實(shí)驗(yàn)初期，鍍覆鍍層后板式換熱器的傳熱系數(shù)有所減小，但是隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層有效抑制了污垢熱阻的增長(zhǎng)，其優(yōu)良的抑垢性得以體現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)鍍覆復(fù)合納米鍍層的換熱面表面微生物污垢附著強(qiáng)度降低，極易受流體沖刷回到循環(huán)冷卻水中。為衡量流體對(duì)壁面污垢沖刷的作用，本文采用文獻(xiàn)[33]中的公式進(jìn)一步計(jì)算了壁面剪切力：

表6 不同表面的f及Nu相關(guān)性Table 6 Correlation between friction factors and Nu on different surfaces

表7 不同流速下各表面污垢熱阻的波動(dòng)范圍Table 7 Fluctuation range of fouling resistance on different surfaces at different flow rates

圖6 不同流速下不銹鋼316板片、Ni-P鍍層和Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層表面的污垢熱阻Fig.6 Fouling resistance on stainless steel 316 plates,Ni-P coating and Ni-P-TiO2 composite coating at different flow ratesA—不銹鋼；B—Ni-P鍍層；C—Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層

圖7 為鍍覆兩種鍍層的板式換熱器在不同流速下的壁面剪切力變化，作為對(duì)照，未鍍覆板片的剪切力對(duì)應(yīng)給出?？梢钥闯觯S著流速的增加，三個(gè)表面的剪切力均呈增加的趨勢(shì)，在流速較低時(shí)，三種表面的剪切力基本相同，而對(duì)照?qǐng)D6(a)中低流速下三種表面污垢熱阻變化可以看出，鍍覆Ni-PTiO2復(fù)合納米鍍層的板式換熱器污垢熱阻較低，一方面，這可能由于Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層的表面能較低，低表面能表面在流動(dòng)換熱過(guò)程中有效抑制和減輕了微生物污垢的附著和沉積；另一方面，Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層微生物污垢的附著強(qiáng)度相對(duì)較低，在剪切力相差不多的情況下，附著在Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層表面的微生物污垢更容易剝離。

圖7 流速對(duì)剪切力的影響Fig.7 Effect of flow velocity on shear force

圖8為三種表面微生物污垢實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定后污垢熱阻漸近值的平均值隨流速的變化。在流速較低時(shí)，三種表面剪切力大致相等，而鍍覆Ni-P 鍍層和Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層的兩種表面污垢熱阻漸近值相比較未鍍覆板片分別降低了12.07%和21.45%；隨著流速的增加，三個(gè)表面的剪切力均呈增加的趨勢(shì)，當(dāng)流速達(dá)到實(shí)驗(yàn)最大設(shè)定時(shí)，鍍覆兩種表面的污垢熱阻漸近值相比未鍍覆板片分別降低了10.56%和19.37%，高流速下兩種表面的抑垢效果出現(xiàn)了下降。這表明，在低流速下，表面特性是影響污垢沉積的主要因素，在本文中主要采用表面能來(lái)衡量改性表面的表面特性。而隨著流速的增加，換熱表面受到的剪切力顯著增大，高流速下表面的微生物污垢沉積受表面特性和壁面剪切力的雙重影響，壁面剪切力也隨著流速增加逐漸成為控制表面微生物污垢沉積的主要因素。

圖8 流速對(duì)污垢熱阻漸近值的影響Fig.8 Effect of flow rate on asymptotic value of fouling resistance

4 結(jié) 論

本文針對(duì)鐵細(xì)菌微生物污垢特性以及板式換熱器的傳熱特性進(jìn)行研究，探究復(fù)合納米材料表面對(duì)微生物污垢抑垢性能，結(jié)論如下。

（1）相比較未鍍覆板式換熱器，清潔狀態(tài)下鍍覆Ni-P 鍍層的Nu 增加了1.40%～5.98%，壓降增加了2.06%～6.43%，而Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層Nu 增加了5.93%～15.37%，壓降增加了8.42%～20.69%；經(jīng)過(guò)微生物污垢實(shí)驗(yàn)后，鍍覆Ni-P鍍層壓降相應(yīng)降低4.23%～6.66%，Nu 增加了3.65%～14.90%，而Ni-PTiO2復(fù)合納米鍍層壓降則降低了6.95%～13.68%，Nu增加了8.13%～25.82%。清潔狀態(tài)和存在微生物污垢的情形下鍍覆Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層的板式換熱器綜合強(qiáng)化換熱性能均有所提升。

（2）隨著冷介質(zhì)入口流速的增加，三種表面污垢熱阻漸近值均逐漸減小，而鍍覆Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層的換熱表面污垢熱阻漸近值在每個(gè)流速下均小于其他兩個(gè)表面的值。相比于不銹鋼316板片，Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層的污垢熱阻減小了16.6%～30.96%，相比較Ni-P鍍層，Ni-P-TiO2復(fù)合納米鍍層污垢熱阻減小了10.66%～18.18%。

（3）在低流速下，三種表面的壁面剪切力近乎相等，表面特性是影響微生物污垢沉積的主要因素；高流速下微生物污垢沉積受表面特性和壁面剪切力的雙重影響，壁面剪切力逐漸成為控制表面微生物污垢沉積的主要因素，表面特性對(duì)微生物污垢沉積的影響程度較低流速工況下有所降低。

符 號(hào) 說(shuō) 明

A——換熱面積，m2

c——溶液濃度，mg/L

cp——比定壓熱容，J/(kg·K)

de——當(dāng)量直徑，m

f——范寧摩擦系數(shù)

h——對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

k——傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

L——長(zhǎng)度，m

Nu——Nusselt數(shù)

Pr——Prandtl數(shù)

p——壓降，Pa

qm——質(zhì)量流量，kg/s

qv——體積流量，m3/h

Re——Reynolds數(shù)

Rf——污垢熱阻，m2·K/W

t——工質(zhì)溫度,℃

Δtm——對(duì)數(shù)平均溫差,℃

u——流速，m/s

γ——表面能，mJ/m2

γTOT,γLW,γ+,γ-——分別為總表面能，LW 非極性組分、Lewis 酸性組分、Lewis堿性組分的表面能，mJ/m2

η——熱平衡相對(duì)誤差,%

θ——接觸角，(°)

θDi,θEG,θw——分別為二碘甲烷、乙二醇、水的接觸角，(°)

ρ——密度，kg/m3

σ——不確定度

τs——壁面剪切力，N

Φ——單位時(shí)間換熱量，W

ψ——溫差修正系數(shù)

上角標(biāo)

in——流體進(jìn)口

out——流體出口

下角標(biāo)

1——高溫介質(zhì)

2——低溫介質(zhì)