微生物污垢的生长机理与传热特性的实验与模拟研究

发布时间：2017-04-30 11:08

  本文关键词：微生物污垢的生长机理与传热特性的实验与模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：以再生水源热泵系统为代表的非清洁水源余热回收技术,近年发展迅速。非清洁水源换热器中形成的微生物污垢,是影响换热效率和系统安全的关键因素。本研究围绕微生物污垢的生长机理和传热特性主题,以实验和模拟结合的方法,探究了生长机理、悬浮物交互作用、传热耦合以及新型抑垢技术等四部分内容。本文建立了人工模拟再生水中混合菌种、营养物质、悬浮物的配制方法,搭建了可进行传热特性实验的新型可视化流道系统,引入了CLSM和活性染色剂等先进观测手段,用于进行微生物污垢的生长机理和传热特性实验。生长机理实验采用了枯草杆菌和气单胞菌的混合菌种,从重量角度分析了不同比例混合菌种的抑制和共生关系。实验探究了营养物质对生长机理和抑制共生强度的影响,发现并揭示了贫营养条件下枯草杆菌成垢能力较强的现象和原因。悬浮物交互作用实验发现,流速和粒径较大时交互作用有助于除垢抑垢,而含量对交互作用起线性放大效果。本文拟合的经验关系式可以快速预测交互作用强度和成垢量。人工PA絮状物实验发现并揭示了絮状物独特的微观粘附机理。本文测定了两种菌种的最佳生长温度,建立了比生长速率方程。本文分析了污垢的双层多孔结构,利用在线测量的热阻和厚度,拟合了污垢导热系数。在此基础上,传热特性实验重点围绕污垢热阻展开。实验发现了温度场与污垢之间的耦合交互作用,并分析了不同温度场下的最优换热布置。针对换热表面,提出、分析和评价了三种新型表面改性抑垢技术。镀银对细胞活性和EPS结构抑制作用较强,以接触热阻为主的附加热阻较小,清洗磨损较为缓慢。石蜡涂层具有在线生成和清洗优势,附加热阻可控。包埋苯扎氯铵的石蜡涂层,抑垢作用得到强化并集中在污垢底部,减少了药剂消耗和二次污染。基于机理实验结果,建立了多物理场耦合三维全生命周期细胞自动机模型。模型模拟了混合菌种交互作用,验证了枯草杆菌成垢能力强的特点。模型模拟、验证和分析了温度场和污垢的耦合作用,以及颗粒物与污垢的交互作用。本研究对于深入认识微生物污垢生长机理和传热特性的科学问题具有重要指导作用,对于解决换热表面微生物污垢问题具有良好应用价值。
【关键词】：微生物污垢 生长机理 传热特性 实验研究 模型模拟
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q93;TK124
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 主要符号对照表10-13
• 第1章 引言13-41
• 1.1 研究背景13-15
• 1.1.1 再生水源热泵系统13-14
• 1.1.2 换热器微生物污垢问题14-15
• 1.2 微生物污垢研究现状综述15-39
• 1.2.1 早期经典研究15-17
• 1.2.2 生长机理研究17-18
• 1.2.3 影响因素研究18-19
• 1.2.4 传热特性研究19-21
• 1.2.5 除垢抑垢研究21-30
• 1.2.6 实验装置与检测技术30-34
• 1.2.7 模型模拟研究34-38
• 1.2.8 现有研究小结38-39
• 1.3 本研究主要内容39-41
• 第2章 机理实验总体设计41-52
• 2.1 微生物学基础实验方案41-42
• 2.1.1 微生物实验条件41-42
• 2.1.2 混合菌种特点与培养42
• 2.2 人工再生水配制方法42-43
• 2.2.1 再生水指标量化42-43
• 2.2.2 微生物配制43
• 2.2.3 营养物质与无机离子配制43
• 2.3 微生物污垢机理实验装置与方法43-50
• 2.3.1 核心机理流道设计43-45
• 2.3.2 机理流道CFD验证45-46
• 2.3.3 系统管路与维护清洁46-47
• 2.3.4 常用测量仪器与计算方法47-49
• 2.3.5 大型显微观测仪器与分析方法49
• 2.3.6 挂片仪辅助系统49-50
• 2.4 本章小结50-52
• 第3章 混合菌种污垢生长机理及营养物质影响实验52-59
• 3.1 实验方案52-53
• 3.1.1 实验设置与实验周期52
• 3.1.2 实验结果分析方案52-53
• 3.2 生长机理实验结果53-56
• 3.2.1 量化曲线53-54
• 3.2.2 显微观察54-56
• 3.3 混合菌种与营养物质机理分析56-58
• 3.3.1 混合菌种相互作用56-57
• 3.3.2 营养物质影响规律57
• 3.3.3 混合菌种与营养物质交叉影响57-58
• 3.4 本章小结58-59
• 第4章 悬浮物与污垢交互作用分析59-70
• 4.1 实验方案59-62
• 4.1.1 再生水悬浮物特点与设置59
• 4.1.2 颗粒物特点与设置59-60
• 4.1.3 絮状物特点与设置60-62
• 4.1.4 实验系统与设置62
• 4.2 颗粒物影响分析62-67
• 4.2.1 空白组流速影响分析62-63
• 4.2.2 流速对交互作用影响分析63-64
• 4.2.3 粒径对交互作用影响分析64-65
• 4.2.4 含量对交互作用影响分析65
• 4.2.5 量化经验公式65-67
• 4.3 絮状物影响分析67-69
• 4.3.1 流速和含量对交互作用影响分析67-68
• 4.3.2 絮状物交互作用显微观察68-69
• 4.4 本章小结69-70
• 第5章 温度场耦合条件下污垢的传热特性实验70-79
• 5.1 实验方案70-71
• 5.1.1 浮游微生物温度影响实验方案70
• 5.1.2 温度场耦合实验方案70-71
• 5.2 均一温度影响分析71-73
• 5.2.1 浮游状态与污垢状态温度影响对比71-72
• 5.2.2 无量纲比生长速率及温度关系式72-73
• 5.3 温度场耦合条件下传热特性分析73-78
• 5.3.1 污垢热阻与污垢厚度73-74
• 5.3.2 污垢特性与传热过程分析74-75
• 5.3.3 温度场对污垢作用75-76
• 5.3.4 污垢对温度场反作用76-77
• 5.3.5 换热布置对污垢影响77-78
• 5.4 本章小结78-79
• 第6章 表面改性抑垢实验79-100
• 6.1 镀银抑垢实验方法79-81
• 6.1.1 镀银抑垢层加工与分析79-81
• 6.1.2 镀银抑垢实验方案81
• 6.2 镀银抑垢分析81-87
• 6.2.1 换热实验与附加热阻分析81-83
• 6.2.2 生长实验与污垢重量分析83
• 6.2.3 显微观察分析83-86
• 6.2.4 镀层磨损与经济性分析86-87
• 6.3 石蜡涂层实验方法87-92
• 6.3.1 石蜡涂层制备与性质87-92
• 6.3.2 石蜡涂层实验方案92
• 6.4 石蜡涂层分析92-94
• 6.4.1 热阻曲线分析92-94
• 6.4.2 附加热阻分析94
• 6.5 抑垢剂强化石蜡涂层实验方法94-96
• 6.5.1 抑垢剂与石蜡涂层强化方法94-96
• 6.5.2 强化石蜡涂层实验方案96
• 6.6 抑垢剂强化石蜡涂层分析96-98
• 6.6.1 重量曲线分析96-98
• 6.6.2 热阻计算98
• 6.7 本章小结98-100
• 第7章 污垢细胞自动机模型模拟100-110
• 7.1 模型模拟方法100-101
• 7.1.1 模型选取与组分关系100-101
• 7.1.2 模型参数与技术方法101
• 7.2 混合菌种模型101-103
• 7.2.1 混合菌种参数101
• 7.2.2 混合菌种相互作用分析101-103
• 7.3 传热特性模型103-106
• 7.3.1 传热模型参数设定103-104
• 7.3.2 模型模拟结果与耦合分析104-106
• 7.4 颗粒物交互作用模型106-108
• 7.4.1 颗粒物模拟设置106
• 7.4.2 交互作用模拟及分析106-108
• 7.5 本章小结108-110
• 第8章 结论110-112
• 参考文献112-134
• 致谢134-136
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果136-137

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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  本文关键词：微生物污垢的生长机理与传热特性的实验与模拟研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：336736