圓管內(nèi)微生物與顆?；旌衔酃柑匦缘膶嶒炑芯?/h1>

2017-10-17 09:11:24徐志明鄭偉超王景濤王宇航

東北電力大學(xué)學(xué)報訂閱 2017年5期 收藏

關(guān)鍵詞：實驗

徐志明，鄭偉超，王景濤，王宇航

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

圓管內(nèi)微生物與顆?；旌衔酃柑匦缘膶嶒炑芯?/p>

徐志明，鄭偉超，王景濤，王宇航

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

為了探討納米氧化鎂顆粒與鐵細(xì)菌混合物在圓管中的污垢特性，對混合污垢與單一污垢、不同納米氧化鎂濃度、鐵細(xì)菌濃度、流速下不銹鋼圓管中的污垢特性進行了實驗研究，采用熱阻實時監(jiān)測、微觀結(jié)構(gòu)觀察、靜置實驗等檢測手段研究了影響污垢形成的因素。結(jié)果表明：混合污垢的污垢熱阻漸近值最大，其次為單一納米氧化鎂污垢，鐵細(xì)菌形成的污垢漸近值最小且污垢熱阻經(jīng)歷最長時間才達到穩(wěn)定；混合污垢熱阻漸近值隨顆粒濃度、鐵細(xì)菌濃度的增加而增加，并且增加幅度呈現(xiàn)變緩的趨勢；結(jié)垢速率與流速有關(guān)，流速大結(jié)垢速率小，熱阻小，達到穩(wěn)定時間長。

混合污垢；納米氧化鎂；鐵細(xì)菌；污垢特性

凡是使用熱源和化工熱交換的地方大多都使用換熱器，其污垢問題不容忽視。污垢通常為混合物，是表面從干凈到玷污的過程[1]。徐志明等[2]研究了三角翼渦流發(fā)生器中納米氧化鎂顆粒的結(jié)垢特性，結(jié)果表明：三角翼的抑垢效果與水浴槽中的溫度、工質(zhì)的濃度，及循環(huán)工質(zhì)的流速有關(guān)。張冠敏等[3]研究了板式換熱器內(nèi)顆粒污垢，完善了污垢預(yù)測模型，得到的預(yù)測關(guān)聯(lián)式與實驗對比具有較好的預(yù)測精度。李紅霞等[4]實驗與模擬相結(jié)合研究了管內(nèi)顆粒污垢的特性。Yiantsios[5]實驗研究了平坦表面上微米顆粒的沉積，結(jié)果表明：在一個水平通道內(nèi)，如果重力存在，它以低壁面剪切應(yīng)力控制顆粒的沉積。Bennett[6]詳述了一種理論來預(yù)測換熱管內(nèi)水平流動下顆粒物沉降的閾值，理論上得出了流速和管壁剪應(yīng)力值以保持顆粒物懸浮。

Swee[7]研究表明：多糖的吸附形成生物凝膠，然后誘導(dǎo)多糖、蛋白質(zhì)和生物顆粒的黏附用以形成沉積層，最后進而形成生物污垢。曹生現(xiàn)[8]實驗研究了微生物污垢對典型換熱器傳熱的影響研究，在由鐵細(xì)菌引發(fā)的污垢垢樣中Fe元素與C元素含量較多，且Fe元素含量比C元素含量多。王大成[9]做了有關(guān)硫酸鹽還原菌及鐵細(xì)菌下工質(zhì)的污垢形成過程，結(jié)果表明：硫酸鹽還原菌及鐵細(xì)菌存在協(xié)同作用，使得污垢更容易、更快形成。曹生現(xiàn)等[10]綜合研究了微生物污垢的形成過程，張一龍[11]實驗探究了強化管內(nèi)水質(zhì)參數(shù)與生物污垢熱阻的聯(lián)系，得出了：實驗中循環(huán)工質(zhì)的電導(dǎo)率、pH值均隨生物污垢熱阻值先升高后趨于平緩。楊帥[12]實驗研究了板式換熱器生物污垢，研究結(jié)果表明：污垢層樣貌隨時間會有所變化。沈藝雯等[13]將Capdeville生物膜增長體系導(dǎo)入到Kern-Seaton模型，建立了一個新的微生物污垢模型。

Lei Tian[14]研究了二氧化硅粒子與生物污垢演變過程的關(guān)系，得出了：顆粒粒子對生物膜的發(fā)展有影響，并導(dǎo)致傳熱量下降。Guan-min Zhang[15]不但實驗研究了板式換熱器內(nèi)顆粒與混合污垢，而且做了理論分析，結(jié)果表明：最大水力直徑及高度螺距比有最好的抑垢特性。Kazi[16]做了換熱器表面礦物結(jié)垢緩解的研究，得出了污垢熱阻的發(fā)展是表面熱導(dǎo)率、表面溫度和溶液濃度的函數(shù)。Arsenyeva[17]計算并校核了板式換熱器的污垢熱阻，提出了污垢熱阻變化的方程式?；旌衔酃感纬蓮?fù)雜，影響因素較多，特點有別于單一污垢[18]。王建國[19]研究了電磁作用下污垢的抑制機理，并闡述了電磁抑垢的研究進展，分析了其存在的問題和今后發(fā)展的趨勢。王九令[20]介紹了顆粒進入細(xì)胞的路徑，闡述了影響顆粒/細(xì)胞交互作用的關(guān)鍵因素，表明納米顆粒吸附在細(xì)胞膜表面，并通過不同方式被細(xì)胞所攝取。王宇航[21]研究了實驗室條件下的管式換熱器中粘液形成菌與溫度的關(guān)系，入口溫度和水浴溫度對污垢熱阻和誘導(dǎo)期有影響。鄭建祥[22]研究了聲波對超細(xì)顆粒團聚效率的影響，聲頻率對顆粒的團聚呈現(xiàn)非線性關(guān)系，但存在最佳頻率。

實際工業(yè)冷卻水系統(tǒng)中的污垢多為混合污垢，而對于混合污垢的研究還甚少。本實驗以鐵細(xì)菌與納米氧化鎂混合物為研究對象，來研究其在不銹鋼圓管中的污垢特性。

1 實驗內(nèi)容

1.1 實驗系統(tǒng)及裝置

圖1為操作系統(tǒng)實驗圖，由如下敘述的三部分組成。(1)工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)：高位水箱里的循環(huán)工質(zhì)由于溢流管的作用保持一定水位，從而使工質(zhì)以一定流速流經(jīng)實驗管路，流入低位水箱中，低位水箱中的工質(zhì)由循環(huán)水泵送入高位水箱，這樣就完成了循環(huán)。(2)冷卻系統(tǒng)：冷卻系統(tǒng)由冷卻水箱和制冷機組成，共同實現(xiàn)對循環(huán)工質(zhì)的冷卻，從而確保循環(huán)工質(zhì)的溫度保持相對恒定。(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：實驗系統(tǒng)測量溫度的裝置和計算機連接，實時把測量的溫度輸送到計算機，并由計算機儲存。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

1.2 實驗原理

工質(zhì)單位時間內(nèi)吸收的熱量Φ為

Φ=ρπd2vcp(tfo-tfi)/4，

(1)

系統(tǒng)的總傳熱系數(shù)為

k=Φ/(πdlΔtm)，

(2)

其中：cp為定壓比熱容，kJ/(kg·K)；tfo、tfi為循環(huán)工質(zhì)的出入口溫度；Δtm為對數(shù)平均溫差；d為管內(nèi)徑用，m；l為實驗管長，m；v為管內(nèi)工質(zhì)流速，m/s。

聯(lián)立公式(1)、公式(2)中可得：

(3)

對數(shù)平均溫差Δtm定義為

(4)

式中：tsy為水域溫度，K。

由污垢熱阻的定義式：

(5)

式中：Rf為污垢熱阻，m2·KW；k0、k為實驗剛開始(潔凈換熱面)和實驗結(jié)束后(有污垢的換熱面)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

1.3 誤差分析

由溫度傳感器廠家提供的數(shù)據(jù)，Pt100型熱電阻，級別為A級，測量誤差為±0.15%，而T型熱電偶誤差范圍為±0.4%。

實際工質(zhì)流速是用人工稱重法稱量工質(zhì)質(zhì)量換算而來，所得誤差范圍小于±0.3%。

相對誤差公式為

(6)

其中：

(7)

(8)

(9)

聯(lián)立公式(6)、公式(7)、公式(8)、公式(9)得：

(10)

由公式(3)可計算出總傳熱系數(shù)k，k的傳遞誤差為

(11)

式中：

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

由實驗數(shù)據(jù)可得公式(11)的總傳熱系數(shù)的誤差得知，剛開始結(jié)垢時污垢熱阻變化較大，之后變化較小，相對誤差較為穩(wěn)定，且不大于10%，滿足工程允許要求，由此知實驗臺符合要求，可進行實驗研究。

表2 鐵細(xì)菌的培養(yǎng)基及用量

圖2 鐵細(xì)菌實物圖

表3 納米氧化鎂顆粒參數(shù)

圖3 納米氧化鎂粒徑分布

1.4 細(xì)菌的培養(yǎng)

實驗所用微生物為鐵細(xì)菌，是由某電廠循環(huán)冷卻塔的底部黏泥經(jīng)分離并提純得到的，圖2為鐵細(xì)菌培養(yǎng)的一組實物圖片。鐵細(xì)菌培養(yǎng)基，如表2所示。培養(yǎng)基用堿或酸調(diào)節(jié)使pH值為6.8±0.2，用蒸汽壓力滅菌鍋(型號為YXQ-SG46-280S)滅菌20 min，滅菌環(huán)境要求高于大氣壓0.1 MPa、(121±1)℃，然后將滅菌的培養(yǎng)基冷卻放入凈化工作臺(型號為SW-CJ-2FD)內(nèi)經(jīng)紫外線消毒并接種。最后在生化培養(yǎng)箱中(溫度保持為(29±1)℃)培養(yǎng)3天～4天。

1.5 納米氧化鎂顆粒

實驗中使用的顆粒污垢為納米氧化鎂，相關(guān)參數(shù)見表3；其平均粒徑為50 nm，其粒徑分布圖由廠家提供，如圖3所示。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 混合污垢與單一污垢的比較

圖4為混合污垢與單一納米氧化鎂污垢、單一鐵細(xì)菌污垢的對比圖，實驗條件為50 ℃的水浴溫度，流速為0.4 m/s，(300.5) ℃的入口溫度。單一納米氧化鎂污垢其濃度為200 mg/L。單一鐵細(xì)菌實驗中鐵細(xì)菌濃度為實驗用水的0.5%(體積比0.5∶100)?；旌衔酃钢蓄w粒氧化鎂的濃度為200 mg/L、生物鐵細(xì)菌濃度為0.5%。

圖4 混合污垢與單一污垢比較圖5 靜置實驗所得到的“粘膠狀混合物”

由所得實驗結(jié)果圖可以得出：混合污垢的污垢熱阻漸近值(RC)最大，其次為單一納米氧化鎂污垢，鐵細(xì)菌形成的污垢漸近值最小且污垢熱阻經(jīng)歷最長時間才達到穩(wěn)定。

文獻[23-24]已經(jīng)對單一納米氧化鎂污垢與單一鐵細(xì)菌污垢做了充分的研究，單一鐵細(xì)菌存在明顯的誘導(dǎo)期，納米氧化鎂的結(jié)垢速率較快，對于混合污垢，納米氧化鎂粒徑較小，具有很大的比表面積和高的表面能，容易吸附生物污垢形成的粘泥形成“粘膠狀混合物”增強了粘著性，圖5所示為靜止實驗得到的“粘膠狀混合物”。一部分“粘膠狀混合物”之間相互聚集形成更大的“粘膠狀混合物”，這時重力的影響較為顯著，一方面使“粘膠狀混合物”的聚沉增加，進而使得流經(jīng)實驗管段的工質(zhì)量減少，污垢熱阻值降低；另一方面由于這時重力的影響較為顯著，流經(jīng)實驗管段的工質(zhì)更容易附著在換熱器表面，使附著概率增加，并且微生物所需要的營養(yǎng)物質(zhì)容易吸附在顆粒物的表面[25]，“粘膠狀混合物”被吸附的同時有利于微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，所形成的混合污垢也較單一污垢更均勻致密，從而使得污垢熱阻值增加，由于這兩方面的作用，對于混合污垢來說，污垢熱阻漸近值大于單一污垢，但又小于兩者之和，即RC>RA；RC>RB且RC

圖6 納米氧化鎂濃度對混合污垢熱阻的影響

2.2 濃度變化對熱阻的影響

混合污垢中改變納米氧化鎂濃度的實驗結(jié)果，如圖6所示。實驗工況流速為0.4 m/s，50℃左右的水浴溫度，入口溫度為(30±0.5)℃，三組實驗的鐵細(xì)菌濃度均為實驗用水的0.5%(體積比0.5∶100)，納米氧化鎂濃度分別為100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L。由圖6的實驗結(jié)果可以看出：混合污垢熱阻漸近值隨顆粒濃度的增加而增加，并且增加幅度呈現(xiàn)變緩的趨勢，同時結(jié)垢速率加快，污垢熱阻趨于穩(wěn)定的時間縮短。

文獻[26]中指出結(jié)垢速率的快慢與污垢熱阻值的大小很大程度上由物質(zhì)的輸運、污穢物質(zhì)的附著和污穢物質(zhì)的剝蝕決定。對于混合污垢來說，納米氧化鎂濃度對混合污垢的影響主要體現(xiàn)在三個方面：一是輸運，濃度的增加，濃度差增大，所產(chǎn)生的驅(qū)動力增加，會有更多的污穢物質(zhì)輸運到表面；二是附著，輸運到換熱器表面的污穢物質(zhì)，開始時會對表面進行調(diào)試和改良，為污垢的附著提供條件，污穢物質(zhì)有的附著在圓管表面形成污垢，有的會從圓管表面進入到循環(huán)工質(zhì)中，隨著納米氧化鎂濃度的增加，驅(qū)動力增加，會有更多的污穢物質(zhì)附著；三是剝蝕，隨著污垢的附著，一旦在換熱器表面形成污垢，此時的污垢應(yīng)是零星點狀地分布在換熱器的表面，這些零星點狀污垢，更容易污穢物質(zhì)的聚集、附著，進而使點狀污垢延伸、擴大、連成更為致密的片狀污垢。濃度的增加，剛開始形成的點狀污垢增加，進而會更快的形成更大的片狀污垢，結(jié)垢速率加快，而更大的片狀污垢會使剝蝕率增加，由于濃度的增加引起的附著概率增加和剝蝕率的增加，會使隨著納米氧化鎂濃度等幅度的增加，污垢熱阻漸近值增加，且這一趨勢逐漸變緩。

圖7 鐵細(xì)菌濃度對熱阻的影響

在其他工況不變的情況下，通過改變混合物中鐵細(xì)菌的濃度，進行了三組不同鐵細(xì)菌濃度下的混合污垢熱阻對比實驗，鐵細(xì)菌濃度分別為0.5%，1.0%，1.5%，實驗結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出：隨著鐵細(xì)菌濃度的增加，污垢熱阻漸近值增大，但增加幅度是逐漸減小的，同時結(jié)垢速率也稍有加快。

對于納米氧化鎂與鐵細(xì)菌形成的混合污垢，由于鐵細(xì)菌會形成生物膜，其對圓管表面進行調(diào)試，這種調(diào)試膜對換熱表面進行調(diào)試和改良，使換熱器表面具有一定的黏性，有利于隨后生物細(xì)胞、氧化鎂顆粒吸附到大分子前體。隨著鐵細(xì)菌濃度的增加，工質(zhì)的黏性提高，經(jīng)調(diào)試和改良的換熱器表面的面積增大且黏性提高，這樣更有利于生物細(xì)胞、氧化鎂的吸附，但這種作用的影響對換熱器形成污垢的初始階段有影響，一旦完成生物細(xì)胞、氧化鎂的吸附，接下來污垢的形成主要是這些混合污垢之間的吸附，所以，鐵細(xì)菌濃度的增加，形成污垢的速率也加快。

2.3 流速對熱阻的影響

在其他工況相同條件下，改變實驗的流速，流速分別為0.2 m/s，0.4 m/s，0.6 m/s，結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，結(jié)垢速率與流速有關(guān)，流速大速率小，熱阻小，達到穩(wěn)定時間長。

圖8 流速對熱阻的影響

同樣可以從污垢的輸運(傳遞)、污垢的附著、污穢物質(zhì)的剝蝕來分析流速對混合污垢的作用，流速增加，物質(zhì)輸運(微生物可簡單認(rèn)為是很小的物質(zhì)粒子)和養(yǎng)分輸運量增加，可為微生物提供養(yǎng)分和氧，同時帶走微生物生長、繁殖、衰亡所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，有助于微生物的生長和繁衍后代，同時污穢物質(zhì)會更加頻繁的接觸換熱表面，有利于附著，污垢熱阻值增加，另一方面，流速增加，不利于污穢物質(zhì)的附著，因為流速的增加，使得剝蝕率的增加，工質(zhì)的擾動性增強，會有更多的小粒徑物質(zhì)粒子結(jié)合成較大顆粒的物質(zhì)，此時重力的影響較為明顯，顆粒易于沉積到換熱表面。由實驗結(jié)果及實驗操作中仔細(xì)的觀察流速增加結(jié)垢速率減小，這是因為隨著流速的增加，雖然輸運量增加，污穢物質(zhì)有更多的機會附著在換熱器表面，但因為流速的增加不利于剛開始時污穢物質(zhì)的附著，同時流速增加，剝蝕率也會增加，這就會使得粘附在換熱表面的污垢量減小；同樣，流速增大切應(yīng)力增大，剝蝕率隨之增大，由于污垢隨流速的增大不斷附著和剝蝕，使得污垢的強度增強，污垢表面更光滑，不利于隨后污垢的附著。

流速的增加使得剝蝕率增加，工質(zhì)的附著、脫落加劇，工質(zhì)的附著使得循環(huán)工質(zhì)隨著時間的進行濃度降低，而工質(zhì)的脫落、再溶解反過來會使得流體中工質(zhì)的濃度增加，進而又會引起污穢物質(zhì)的附著、剝蝕，即流速增大，附著和剝蝕作用會更強，熱阻達到穩(wěn)定時間增長。

3 結(jié) 論

(1)混合污垢的污垢熱阻漸近值最大，其次為單一納米氧化鎂污垢，鐵細(xì)菌形成的污垢漸近值最小且污垢熱阻經(jīng)歷最長時間才達到穩(wěn)定。

(2)混合污垢熱阻漸近值隨顆粒濃度的增加而增加，并且增加幅度呈現(xiàn)變緩的趨勢，同時結(jié)垢速率加快，污垢熱阻趨于穩(wěn)定的時間縮短。

(3)隨著鐵細(xì)菌濃度的增加，污垢熱阻漸近值增大，但增加幅度是逐漸減小的，同時結(jié)垢速率也稍有加快。

(4)結(jié)垢速率與流速有關(guān)，流速大速率小，熱阻小，達到穩(wěn)定時間長。

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Abstract：In order to study the mixed fouling characteristics of Nano Magnesium Oxide and iron bacteria in a tube，experimental study was carried out on the characteristics of fouling in stainless steel tubes with mixed fouling and single fouling，different concentrations of Nano Magnesium Oxide，iron bacteria concentration and flow rate.By means of real-time monitoring of thermal resistance，micro structure observation，static test and so on to study the factors that affect the formation of fouling.The results show that：the asymptotic value of fouling resistance of mixed fouling is the largest，following by the single Nano Magnesium Oxide fouling，however the asymptotic value of fouling resistance of iron bacteria is the minimum also it has the longest time to reach stability；The asymptotic value of fouling resistance of mixed fouling increased with the increase of the particle concentration and the concentration of iron bacteria，and there is a slowing down trend of this phenomenon；The fouling rate is related to the flow rate，the flow rate is small，the thermal resistance is small，and the stable time is long.

Keywords：Mixed fouling；Nano magnesium oxide；Iron bacteria；Fouling characteristic

ExperimentalStudyontheMixedFoulingCharacteristicsofMicroorganismsandParticlesinaTube

XuZhiming，ZhengWeichao，WangJingtao，WangYuhang

(Energy Resources and Power Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

TK124

A

2017-05-12

國家自然科學(xué)基金項目(51476025)

徐志明(1959-)，男，博士，教授，主要研究方向：節(jié)能理論、換熱設(shè)備污垢機理與對策研究.

電子郵箱：xuzm@nedu.edu.cn(徐志明)；386656669@qq.com；(鄭偉超)；wangjingtao@yeah.net(王景濤)；262554842@qq.com(王宇航)

1005-2992(2017)05-0044-07

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