微生物污垢的生长机理与传热特性的实验与模拟研究

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1、微生物污垢的生长机理与传热特性的实验与模拟研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：热能工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：杨倩鹏指导教师：史琳教授二○一五年四月ExperimentalandModellingResearchonBiofoulingGrowthMechanismsandHeatTransferCharacteristicsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhiloso

2、phyinPowerEngineeringandEngineeringThermophysicsbyYangQianpengDissertationSupervisor:ProfessorShiLinApril,2015摘要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

3、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

4、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

5、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IAbstractAbstractNon-cleanwatersourceheatrecoverytechnologiessuchastreatedsewagesourceheatpumpsystemssawarapidde

6、velopmentinrecentyears.However,thebiofoulingformedinsidethenon-cleanwaterheatexchangersremainasacrucialissueofheattransferefficiencyandsystemsecurity.Thisstudyfocusonthethemeofbiofoulinggrowthmechanismsandheattransfercharacteristics.Combinationsofexperimentalandmodelingapproachesw

7、ereemployedtoexplorethegrowthmechanisms,suspendedmatterinteractions,heattransfercouplingandinnovativefoulinginhibitiontechnologiesinbiofoulingarea.Theassociatestrains,nutrientandsuspendedmatterscompositionsinmodelfluidwereestablishedinthisstudy.Anewvisualizedchannelsystemwithheatt

8、ransferexperimentfunctionsweredes