Ca^(2+)环境下水质参数变化对板式换热器铁细菌微生物污垢的影响

换热设备微生物污垢形成机制和影响因素复杂,污垢数据和规律的获取难度较大。本文采用搭建的板式换热器循环冷却水实验系统,获得了加入Ca2+后板式换热器冷却水铁细菌微生物污垢热阻数据,研究了加入Ca2+后不同运行工况下冷却水水质参数(OD、p H、电导率)的变化,进一步分析了水质参数变化对微生物污垢生长带来的影响。结果表明,加入Ca2+后微生物污垢热阻渐变化明显。随着低温循环冷水进口温度增加,含有Ca2+和铁细菌的循环冷却水OD逐渐降低,p H则逐渐升高,电导率减小,微生物污垢热阻逐渐降低;随着流体速度的增加,循环冷却水OD则升高,p H降低,电导率增大,但流速的增大同样加剧了冷却水对通道壁面的剥蚀作用,导致微生物污垢热阻随流速增逐渐下降。

板式换热器Ni-P-TiO2复合纳米镀层微生物污垢特性

换热器微生物污垢问题普遍存在于能源化工领域,污垢的聚集会导致设备的流动阻力、燃料消耗和维护成本支出大幅度增加。本文采用复合纳米镀层来抑制和减轻换热表面的微生物污垢的附着和沉积。首先采用化学镀的方式,在板式换热器的不锈钢316板上镀覆Ni-P-TiO2复合纳米镀层和对照性的Ni-P镀层。基于板式换热器的微生物污垢在线监测实验系统,研究了镀覆Ni-P-TiO2复合纳米镀层的板式换热器微生物污垢特性。结果表明,清洁状态下,镀覆两种镀层的板式换热器其摩擦系数(f)和Nusselt数(Nu)相较未镀覆板式换热器均略有增加;微生物污垢实验后,相比较未镀覆的板式换热器,镀覆Ni-P镀层的板式换热器污垢热阻减少了8.36%~23.07%,而镀覆Ni-P-TiO2复合纳米镀层的板式换热器污垢热阻减少了16.6%~30.96%;在相同微生物污垢实验工况下,镀覆Ni-P-TiO2复合纳米镀层的板式换热器的摩擦系数(f)相比Ni-P镀层的低2.54%~11.82%,但Nu却明显高于Ni-P镀层达8.47%~9.45%,并且污垢热阻明显小于Ni-P镀层达10.66%~18.18%,镀覆Ni-P-TiO2复合纳米镀层的板式换热器展现了优异的强化传热性能和抑垢性能。

复合改性表面抑制颗粒污垢积聚特性分析

换热设备颗粒污垢一般指悬浮在流体中的固体颗粒在换热面上的积聚。开发了一种Ni-P-TiO_(2)防垢型复合改性表面,并将之用于板式换热器抑制纳米MgO颗粒污垢在换热表面的积聚。基于搭建的板式换热器颗粒污垢热阻动态监测实验系统,研究了不同冷却水流速(0.1~0.3 m/s)、入口温度(30~40℃)及纳米MgO浓度(100~400 mg/L)对Ni-P-TiO_(2)复合改性换热表面抑垢特性的影响。结果表明,随着流速的增加,污垢热阻渐近值减小了27.85%~34.41%;随着冷却水入口温度的升高,污垢热阻渐近值减小了25.15%~39.14%;随着MgO颗粒浓度的增加,热阻渐近值减小了26.15%~45.36%。结合Ni-P-TiO_(2)复合改性表面的表面能分析了其表面的抑垢性能,发现制备的Ni-P-TiO_(2)复合改性表面的表面能与纳米MgO颗粒污垢层的表面能相接近,符合Zhao提出的“最优表面能”抑垢理论。与常规板式换热器不锈钢表面相比,Ni-P-TiO_(2)复合改性表面不仅抑制了颗粒污垢的积聚,还降低了颗粒污垢的固着强度,使得积聚其上的颗粒污垢更容易被剥离换热表面,实现了换热表面持久高效抑垢。

改性表面在微生物介质中耐蚀性研究

利用化学镀Ni-P的方法对换热设备常见的碳钢进行表面改性。通过调整镀液工艺制备出不同的改性表面并计算了试样的表面能,然后对普通碳钢表面和改性表面试样进行了微生物腐蚀静置实验。结果表明:所制备改性表面耐蚀性明显,微生物污垢附着及引发的垢下腐蚀程度均较碳钢表面小;镀液工艺对改性表面的耐腐蚀性能有直接影响,进一步分析发现改性表面的表面能和试样的腐蚀失重量有明显关联,试样的表面能和表面腐蚀失重量均随着氨基乙酸和主盐浓度的增加而增大,但表面腐蚀失重量变化较小。

交叉缩放椭圆管颗粒污垢特性的实验分析

为探讨纳米氧化镁颗粒在交叉缩放椭圆管内部的污垢规律,本文选用纳米氧化镁颗粒配置纯胶体溶液为研究对象,对不同颗粒直径、颗粒浓度、工质流速和温度工况下交叉缩放椭圆管的污垢特性进行了实验研究,并通过扫描电镜观察其结垢表面。结果表明:交叉缩放椭圆管纳米颗粒污垢下无明显诱导期;在相同的工况下,颗粒粒径越小,结垢速率越快,污垢热阻渐近值越大;随着颗粒浓度的增加,结垢速率加快,污垢热阻渐近值明显增大;随着流速的增加,污垢热阻渐近值和结垢速率都有所降低;污垢热阻渐近值随着实验管段入口温度的升高而降低。

板式换热器铁细菌生物污垢特性的实验分析

为探讨铁细菌在板式换热器里的污垢规律,对不同流速、温度及浓度下铁细菌在板式换热器内的污垢特性进行了实验研究。结果表明:随着流速的增加,铁细菌的污垢热阻渐近值逐渐减小;随着温度的升高,铁细菌的结垢诱导期明显缩短,结垢速率加快,污垢热阻的渐近值呈减小的趋势;而随着浓度的增加,污垢热阻值呈现明显的增长。

翼型涡发生器的布置对换热及污垢特性的影响

为了探究换热面上不同布置形式的翼型涡发生器对换热、流动阻力和污垢特性的影响,本文以矩形翼涡发生器为研究对象,在相同工况下对4种布置形式进行了实验研究。结果表明:在换热面上安装翼型涡发生器不仅能够强化换热同时还能抑制颗粒垢的生成;后排列布置不仅在强化换热和减少流动阻力上都优于前排列布置,而且在污垢条件下其也具有良好的抑垢性;结垢前后进出口压差的变化大小在一定程度上也反映了结垢量的大小。

纳米与微米颗粒污垢沉积的表面特性及等效关系

目前对颗粒污垢的研究主要局限于实验研究,通过实验和模拟的手段分别对微米和纳米颗粒污垢沉积的内在关系研究较少。为了研究静止流体中纳米级颗粒污垢与微米颗粒污垢出现相似沉积特点的原因,分别在不同工况下进行纳米颗粒污垢和微米颗粒污垢的沉积实验,并应用扫描电镜对试片表面进行观测。通过模拟方式得出不同粒径微米颗粒污垢的沉积质量,由实验得出颗粒污垢沉积质量呈现出渐进增长趋势。随着浓度的增大其渐进沉积质量越来越大,达到渐进污垢沉积量的时间越来越短。由于颗粒间的团聚效应,使纳米颗粒污垢出现与微米颗粒污垢相似的沉积规律。基于这种规律,提出纳米颗粒污垢等效直径的概念。将实验结果与不同直径微米级颗粒沉积模拟结果相结合,得出浓度0.4g/L的纳米悬浮液团聚后的等效直径约为9.2μm;浓度0.6g/L的纳米颗粒悬浮液团聚后的等效直径约为11.2μm。

三角翼涡流发生器纳米氧化镁颗粒污垢特性

为了探究三角翼涡流发生器的纳米氧化镁颗粒污垢特性,选用粒径为50 nm的氧化镁颗粒配制的胶体溶液为研究对象,研究了在不同水浴温度、颗粒浓度、流速、三角翼间距以及不同布置等工况下三角翼涡流发生器的污垢特性。结果表明:三角翼涡流发生器具有抑垢特性,水浴温度、浓度、流速对其抑垢能力及结垢速率均有影响,水浴温度升高、颗粒浓度降低以及工质流速升高都会导致三角翼的抑垢能力增强。三角翼不同列间距的抑垢能力随着布置方式的改变而改变,采用均匀分布布置形式时40 mm列间距的抑垢能力最强,而采用同列数布置时80 mm列间距的抑垢能力最强。

几种翼型涡流发生器对CaCO_3污垢特性影响的数值模拟

为研究翼型涡流发生器结构以及布置对换热面污垢的影响,对矩形通道内布置翼型涡流发生器后壁面CaCO3析晶污垢的沉积进行了模拟。计算并分析了在温度为50℃,流速为0.2m·s-1,浓度为1000mg·L-1的CaCO3过饱和溶液下,翼形涡流发生器的翼型、攻角和纵向间距等几何因素对表面污垢沉积的影响。结果表明:表面单位面积结垢量随着翼型涡流发生器攻角的增大而减小,随着涡流发生器列间距的增大而增大,当间距为60mm时达到最大,超过60mm后表面单位面积结垢量呈现下降趋势。

两种柱形涡流发生器CaSO_4析晶污垢特性实验研究

为得到涡流发生器污垢规律,采用质量浓度为2 100mg/L的硫酸钙过饱和溶液进行了传热过程中的污垢生成实验,并通过离线称重法得到了装有涡流发生器试片表面单位面积污垢沉积量生长曲线.结果表明:涡流发生器直径和排列间距对壁面污垢沉积量有显著影响.当涡流发生器直径(4mm)一定时,试片表面单位面积污垢沉积量均随着涡流发生器排列间距的增大而增加;在排列间距(10mm)一定时,污垢沉积量随着涡流发生器尺寸的增大而减少.

两种阴离子对析晶污垢沉积的影响

为研究循环水中离子对析晶污垢沉积特性的影响,实验研究了循环水中不同阴离子对换热管内污垢特性的影响。考察了工质流速、入口温度、工质浓度以及溶液内阴离子浓度对污垢沉积的影响。结果表明含有硝酸根离子循环水的污垢热阻高于氯离子的污垢热阻,并且两种循环水形成污垢热阻的差距随入口温度、管内流速和Ca SO4浓度发生变化。伴随阴离子浓度升高,污垢热阻渐近值逐渐变大。硝酸根对热阻提升的影响大于氯离子对热阻的影响。

水质工况对硫酸钙污垢特性的影响

实验研究了水质工况对硫酸钙污垢特性的影响,在管内流速、入口温度、工质浓度、化学方程式和阴离子浓度5个方面分别研究氯离子和硝酸根离子对硫酸钙结垢特性的影响。结果表明,阴离子对硫酸钙污垢的形成有一定的促进作用,但这种促进作用受实验管段流速的影响,流速越大,促进作用越小,与管段入口温度和工质浓度没有明显关系。电镜观察结果显示,含有大量硝酸根离子的硫酸钙溶液在不锈钢圆管内结垢致密且厚重,工质溶液以条状和块状混晶析出硫酸钙晶体,晶体紧密的聚集。含有大量氯离子的硫酸钙溶液在不锈钢圆管内结垢疏松且均匀,工质溶液以条状析出硫酸钙晶体,晶体间没有明显的聚集现象。

结构对圆形楞涡流发生器CaSO_4污垢特性和综合换热特性的影响

为研究圆形楞涡流发生器结构对换热面污垢和综合换热的影响,分别选取CaSO_4过饱和溶液和去离子水作为流动工质,采用数值模拟方法对布置有圆形楞涡流发生器矩形通道内壁面CaSO_4析晶污垢的沉积特性和综合换热特性进行了研究。分析了在两种不同工质下,圆形楞涡流发生器的楞长、间距和半径分别对矩形通道的污垢热阻Rf值和综合特性R值的影响。研究结果表明,当流动工质为CaSO_4过饱和溶液时,圆形楞涡流发生器的污垢热阻Rf值随着楞长的增加先减小后增大,且在4/8H楞长处出现最小值;而当流动工质为去离子水时,圆形楞涡流发生器的综合特性R值随着楞长的增加先增大后减小,且在4/8H楞长处出现最大值;无论流动工质是CaSO_4过饱和溶液还是去离子水时,污垢热阻Rf值和综合特性R值均随着间距的增大而增大,随着半径的增大而减小。最终,通过综合对比可以认为,当楞长为4/8H、间距在35~50mm、半径在4~5mm时,圆形楞涡流发生器都能保持一个较好的抑垢和综合换热效果。

水质参数对交叉缩放椭圆管污垢的影响

采用对比的实验方法对交叉缩放椭圆管与光管的污垢热阻进行了分析,并重点研究了冷却水(松花江水)水质参数对污垢产生的影响。实验结果表明:在低流速时,交叉缩放椭圆管的污垢热阻渐近值比光管低,且没有明显的诱导期;实验中冷却水水质参数的变化对污垢影响明显。并深度分析了水质参数随时间的变化及水质参数变化对强化换热表面污垢特性的影响,为换热器提高换热效率提供了参考。

板式换热器黏液形成菌与CaCO_3混合污垢实验

为了探究黏液形成菌(SFB)与CaCO_3混合污垢在板式换热器(PHEs)中的成垢规律,对不同浓度的CaCO_3与黏液形成菌混合进行了实验研究。结果表明:混合污垢中,黏液形成菌微生物污垢占成垢的主要地位。微生物污垢的热阻渐近值最大,混合污垢的热阻渐近值介于微生物污垢的热阻渐近值和CaCO_3污垢热阻渐近值之间,CaCO_3污垢热阻渐近值最小。这不同于以往得到的混合污垢之间相互促进的结论,说明CaCO_3对黏液形成菌存在抑制作用。维持其他条件不变,随着CaCO_3浓度的增大,混合污垢热阻值随之减小。反之,随着黏液形成菌浓度的增大,混合污垢热阻值随之增大。

基于Kern-Seaton模型结合Capdeville生物膜增长体系建立的微生物污垢模型

为研究换热设备生物污垢的形成过程,将Capdeville生物膜增长体系引入Kern-Seaton模型,建立了一个新的微生物污垢模型。采用铁细菌和管式换热装置对模型进行了实验验证。结果表明:除诱导期外,新建的微生物污垢热阻模型的计算数据和实验数据的相对误差小于20%。

松花江水质参数与换热管内污垢热阻的关联分析

研究松花江水在换热过程中,主要水质参数对表面污垢热阻的影响程度,分别测定3种管型在换热过程中水质参数的变化情况,所选管型分别是光管、交叉缩放椭圆管和不连续双斜向内肋管,水质参数为p H、碱度、电导率、溶解氧、钙离子浓度和亚铁离子浓度。应用灰色关联方法,将水质数据和污垢热阻数据进行关联分析得出,两种强化管的水质参数关联顺序相同。其中的两种参数与污垢热阻呈现同向变化趋势,其余参数与污垢热阻呈现反向变化的趋势。强化换热管不但对水质参数的变化产生影响,而且对关联程度也有影响。

过冷流动沸腾状态下纳米氧化镁颗粒的污垢特性

为研究过冷流动沸腾状态下的颗粒污垢特性,在竖直向上的环形流动通道内,以纳米氧化镁颗粒悬浮液作为实验工质,通过改变工质浓度、热流密度和质量流量等得到不同工况下的颗粒污垢特性,并利用契尔顿-柯尔本类比建立了不同工况下的污垢分析模型。结果表明:由于壁面温度较高,过冷流动沸腾状态下颗粒污垢结垢迅速;工质浓度增加增大了流体与壁面间的浓度差,污垢热阻渐近值和结垢速率随着工质浓度增大显著增加;随着热流密度的增加,传质增强,污垢热阻渐近值增大;增加质量流量使壁面剪切力变大,污垢热阻渐近值出现轻微的下降;随着工质入口温度的提高,增强了气泡的剥蚀作用,污垢热阻渐近值与结垢速率下降明显。

Ni-Cu-P化学镀层表面铁细菌污垢特性

利用化学镀Ni-Cu-P工艺对换热器常用材料低碳钢进行改性,研究Ni-Cu-P镀层表面铁细菌污垢特性。将试样置于铁细菌悬液中进行为期5天的污垢沉积实验,记录Ni-Cu-P镀层表面铁细菌污垢沉积量、腐蚀失重量以及铁细菌生长变化情况,分析铁细菌污垢实验前后镀层表面微观形貌。测试不同时间的极化曲线和电化学阻抗谱,定性分析极化曲线和阻抗谱的变化规律,采用Zsimp Win拟合出最佳等效电路模型。研究结果表明,Ni-Cu-P镀层可以有效抑制微生物污垢生长,与未施镀的碳钢试样对比,Ni-Cu-P改性表面污垢沉积量减少89.1%,表面失重量减少80.2%。Ni-Cu-P镀层自腐蚀电位高于碳钢,自腐蚀电流密度比碳钢小,且容抗弧半径大于碳钢,展现了较好的耐蚀性。铁细菌对Ni-Cu-P镀层的腐蚀速度先减小后增大,在12h腐蚀速度最小。