【摘要】 在餐廚垃圾生化處理的過程中,加熱的方式以及設(shè)備內(nèi)部溫度場的分布狀況,對生化處理的效率以及能源的有效利用具有重要影響。由于傳統(tǒng)的加熱方式多是單純的依靠電能加熱而且缺乏對內(nèi)部溫度梯度分布的研究,普遍存在著能源的浪費(fèi)現(xiàn)象。因此,本文以北京瑞杰靈通環(huán)境技術(shù)有限公司現(xiàn)有餐廚垃圾生化處理設(shè)備為研究對象,分析了熱管與太陽能結(jié)合應(yīng)用作為加熱熱源得可行性,利用計(jì)算流體力學(xué)CFD方法仿真研究了設(shè)備內(nèi)部溫度場分布。在當(dāng)今資源短缺的形式下,本研究對于餐廚垃圾資源化處理的節(jié)能減排具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本論文主要做了以下研究工作：對餐廚垃圾生化處理設(shè)備的加熱方式進(jìn)行研究,研究了采用太陽能、熱管和其它技術(shù)相結(jié)合的新型加熱技術(shù)作為熱源的可行性,以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電能加熱方式；分別設(shè)計(jì)了四周外置熱源、四周外置熱源加中間軸內(nèi)置熱源和四周外置熱源加中間軸加攪拌槳內(nèi)置熱源三種不同熱源布置方案,并建立了三維模型,采用Fluent有限元分析軟件分別對反應(yīng)設(shè)備溫度場進(jìn)行仿真,獲得了三種方案下的溫度場分布狀態(tài)；將設(shè)備內(nèi)溫度從環(huán)境溫度(300K)上升到穩(wěn)定溫度(341K)取了六個溫度監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測,通過對三種方案達(dá)到各溫度監(jiān)測點(diǎn)所用的加熱時間進(jìn)行了對比；對原有設(shè)備采用電加熱與采用太陽能和熱管加熱的新型設(shè)備的耗能進(jìn)行了分析對比。研究結(jié)果表明：設(shè)備內(nèi)部溫度的上升過程大致可分為三個階段：加熱初期(0-50s),溫度上升較快,由初期的室溫快速地增長到305K；加熱中期(50-800s),溫度上升速度較初期有所減緩,但是整體上仍呈上升趨勢；加熱后期(800s以后),溫度逐漸趨于穩(wěn)定(341K)。通過對三種方案達(dá)到各溫度監(jiān)測點(diǎn)所用的時間進(jìn)行對比,分析可得方案三的加熱時間相對方案二可以縮短23%,相對方案一可縮短34%,更能縮短微生物發(fā)酵時間,從而節(jié)約能耗。通過對比計(jì)算可知新型加熱方式可以節(jié)約85%的能耗,可滿足餐廚垃圾生化反應(yīng)所需要的溫度能量要求。盡管方案三相對方案一而言成本略有增加,但是通過模擬結(jié)果獲知,方案三可以更快的縮短加熱初期的時間,即減小其微生物生長延滯期和指數(shù)期,快速達(dá)到微生物生長的穩(wěn)定期。從節(jié)約能源的長期以及大型設(shè)備的加熱考慮,采用方案三的熱源布置以及新型的熱源仍然具有經(jīng)濟(jì)可行性。 

1 緒論

1.1課題的研究背景和意義

在人民生活水平提高的同時，餐廚垃圾的常產(chǎn)量也在不斷地增加，僅從餐飲業(yè)看，一般大城市每天產(chǎn)生的餐廚垃圾等有機(jī)廢棄物達(dá)1500噸左右，中型城市達(dá)500~800噸左右，小城市也將有100-200噸左右。中國有13億人口，每天產(chǎn)出的餐廚垃圾等有機(jī)廢棄物至少達(dá)上萬噸，是一個巨大的產(chǎn)量。在當(dāng)今國家基礎(chǔ)資源有限，環(huán)境污染嚴(yán)重的情況下，對垃圾資源進(jìn)行充分的回收利用，將餐廚垃圾減量化、無害化、資源化處理己成為各相關(guān)部門必須要抓，而且必須要完成的重要任務(wù)，也是一個迫在眉睫的研究課題。

目前國內(nèi)餐廚垃圾處理方法多種多樣，主要有：填埋、堆肥、焚燒三種方法，另外還有熱解、分選回收、綜合處理方法。和傳統(tǒng)垃圾處理方式相比，生化處理方法無論在垃圾的資源化還是減量化方面都占有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，因此，生化處理方法正逐漸取代傳統(tǒng)處理方式餐廚垃圾其本身是一種固、液、氣的三相混合物，在餐廚垃圾的生化處理過程中，加熱和攪拌是兩個并行不可或缺的重要要素，而無論是加熱還是攬拌，都離不開能量的需要。傳統(tǒng)的方法是單純的依靠電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和熱能來實(shí)現(xiàn)這兩個要素。目前我國政府也在大力提倡生化處理、節(jié)能環(huán)保，然而目前國內(nèi)的一些餐廚垃圾生化處理設(shè)備耗能高，效率低，此外由于對設(shè)備的加熱方式研究欠缺，大多是單純的依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，同時更缺少對設(shè)備內(nèi)部溫度場分布的客觀指導(dǎo)和理論模擬分析，由于溫度分布的不均而導(dǎo)致整個生化處理過程時間長，熱量利用不充分，因此造成設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)成本過高、效率低且浪費(fèi)能源。

此外，在礦物資源益枯竭的今天，一個迫切的課題就是發(fā)掘新的清潔替代能源，其中太陽能是普遍被認(rèn)為最具吸引力的替代者。電能的節(jié)約、能源和環(huán)境已經(jīng)成為當(dāng)今突出的社會問題。在利用太陽能方面，作為一種高效傳熱元件一熱管，具有優(yōu)良的特性，并已廣泛應(yīng)用到多個領(lǐng)域。熱管一般是被用來當(dāng)作傳熱元件，它既可以用到太陽能集熱器當(dāng)中為生活提供熱水，又可以當(dāng)作太陽能用發(fā)電、取暖等的傳熱元件。熱管是通過相變來進(jìn)行熱的傳遞，具有非常高的傳熱效率以及極高的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，相對招、銅、銀等優(yōu)良金屬熱導(dǎo)體而言要高出好幾個數(shù)量級，導(dǎo)熱性非常優(yōu)良。目前，許多研究機(jī)構(gòu)對熱管在機(jī)械傳熱方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并取得了良好的效果。但是在利用太陽能進(jìn)行餐廚垃圾廢棄物處理方面的研究則較為少見�；诖朔矫娴目紤]，利用熱管結(jié)合太陽能技術(shù)來輔助純粹的電能加熱來進(jìn)行餐廚垃圾的處理新方式成為了一種新的研究挑戰(zhàn)。通過對設(shè)備熱源加熱效率的研究，開發(fā)高效優(yōu)能的餐廚垃圾生化處理設(shè)備，既有適應(yīng)我國節(jié)能減排保護(hù)環(huán)境的意義，也具有適應(yīng)我國國情的必然趨勢的社會意義。

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1國內(nèi)餐廚垃圾生化處理現(xiàn)狀

在我國最早期出現(xiàn)的餐廚垃圾處理機(jī)是來自于國外的Emerson和GE公司。但是其產(chǎn)品主要是以機(jī)械式破碎為主「。在餐廚垃圾生化處理加熱方式研究方面，國內(nèi)的規(guī)�；貌艅倓偲鸩�，技術(shù)和工藝還不成熟，普遍存在著能耗大，設(shè)計(jì)缺乏理論依據(jù)，沒有應(yīng)用現(xiàn)代分析仿真工具進(jìn)行相應(yīng)的傳熱以及溫度場模擬分析等問題，反應(yīng)設(shè)備內(nèi)的溫度是否分布均勾，傳熱的速率是否適當(dāng)都對整個處理過程及最終生成物質(zhì)量有著重大的影響。因此，研究設(shè)備的加熱方式以及設(shè)備內(nèi)溫度的分布具有重要意義，而國內(nèi)有關(guān)溫度場的研究多是集中在研究攪拌對溫度的影響，而且大多是采用熱電偶的方式來測量溫度的分布，研究并不充分。

在科學(xué)研究方面，主要是一些大學(xué)高校和研究所單位，例如北京化工大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)以及上海交通大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)，由于在餐廚垃圾的生化處理中，加熱和攪拌是兩個重要的影響因素，因此在科研方面的研究也多是集中在攪拌傳熱這方面，比較成功的如：浙江大學(xué)的唐福瑞等對非牛頓流體和牛頓流體在掠拌槽內(nèi)的傳熱進(jìn)行了研究，并獲得了各種槳型的攪拌槽壁側(cè)給熱系數(shù)的統(tǒng)一關(guān)聯(lián)公式。上海交通大學(xué)的金大祥等對螺帶式攪拌器在假塑液中得傳熱特性進(jìn)行了研究，為進(jìn)一步研究高點(diǎn)性傳熱效果提供了參考。北京化工大學(xué)的壬志鋒等應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行了垂直列管加熱的攪拌槽中溫度場的測量與數(shù)值模擬，研究了槽中攪拌轉(zhuǎn)速以及時間對溫度的影響。在相似的研究方面還有同濟(jì)大學(xué)的畢峻偉等對沼氣池?cái)嚢璧哪M及溫度場驗(yàn)證，對攬拌對發(fā)酵的影響進(jìn)行了驗(yàn)證。這些研究都為餐廚垃圾生化處理中得溫度場研究提供了理論依據(jù)以及應(yīng)用借鑒。

在熱管的應(yīng)用研究方面，比較多的研究多是集中在生化反應(yīng)器方面，如：南京化工大學(xué)熱管技術(shù)研究所的張紅對熱管式攪拌軸在氧化反應(yīng)爸上的應(yīng)用行了研究，南京工業(yè)大學(xué)的印彩霞等進(jìn)行了用于生物反應(yīng)器的旋轉(zhuǎn)熱管傳熱性能的研究為選取傳熱性能最佳的旋轉(zhuǎn)熱管提供了依據(jù)。

這些對熱管在生化反應(yīng)上的研究，為熱管應(yīng)用于餐廚垃圾生化處理加熱提供了可行性。雖然這些研究具有很大參考意義與理論指導(dǎo)，但是在實(shí)際加熱設(shè)備的應(yīng)用方面卻相對缺少，大多的是應(yīng)用在了微生物生化反應(yīng)的方面。在實(shí)際大型設(shè)備的應(yīng)用上并不多見，而且這些研究多是集中在熱管加熱與溫度場的定性分析模擬方面。在生化處理設(shè)備的加熱原理、熱源布置、傳熱效率、新能源應(yīng)用以及內(nèi)部溫度場均勻性分布和能耗方面缺少相應(yīng)的研究。

2餐廚垃圾生化處理的理論及技術(shù)

2.1相關(guān)基礎(chǔ)理論

2.1.1熱力學(xué)相關(guān)理論

由于在餐廚垃圾的生化處理過程中，熱是一個非常重要的因素。對餐廚垃圾的生化處理必然涉及著熱力學(xué)技術(shù)，設(shè)備內(nèi)部溫度由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳導(dǎo)，以及熱量通過壁面熱源向外的傳遞，單位時間內(nèi)熱源向外所傳輸?shù)臒崃繕?gòu)成了設(shè)備內(nèi)部的熱流。這直接影響著溫度傳遞的效率以及溫度場的均勻性。而且設(shè)備內(nèi)溫度是隨著時間而變化的，其內(nèi)部溫度場是時間和空間的函數(shù)，其溫度場用公式可表述為：

又因?yàn)樯幚碓O(shè)備內(nèi)溫度場中溫度的分布時隨時間而變化的，因此又屬于非穩(wěn)態(tài)溫度場。通過模擬可以用等溫面和等溫線表示。由于加熱熱源布置的不均，內(nèi)外溫度的變化比較大，這體現(xiàn)在溫度梯度上，即等溫面法線方向上的溫度增量與法向距離比值的極限，溫度梯度用公式表示如下：

溫度梯度的正向?yàn)闇囟仍黾拥姆较�，這正符合熱力學(xué)第二定律。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，系統(tǒng)內(nèi)能的增加等于外界向其傳遞的熱量與做功即：

其中，E為系統(tǒng)的內(nèi)能，在餐廚垃圾的生化處理設(shè)備中，則是指整個設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)部的熱能；W為外界對系統(tǒng)做的功，在餐廚垃圾的生化處理設(shè)備中則是指由于機(jī)械攪拌結(jié)構(gòu)以及攪拌的摩擦所產(chǎn)生的熱能；Q為系統(tǒng)從外界吸收的能量，在餐廚垃圾的生化處理設(shè)備中，則是指由于外部熱源對其加熱，而導(dǎo)致的其系統(tǒng)熱能的增加。此外，還有少許部分是由于微生物的發(fā)酵而產(chǎn)生的熱。熱與功通過熱功當(dāng)量關(guān)系而符合這一定律。

從熱力學(xué)的第二定律上考慮，熱量只能從溫度高的地方向溫度低的地方擴(kuò)散，而不能逆向。在餐廚垃圾的生化處理設(shè)備中，此定律表現(xiàn)為溫度由加熱源向遠(yuǎn)離熱源的餐廚垃圾擴(kuò)散，而且通過攪拌來帶動熱量的流動。

2.2生化處理過程的熱量來源與傳散形式

2.2.1熱量來源

在整個生化處理過程中，熱量的來源有以下幾個方面：

1.通過加熱裝置加熱所產(chǎn)生的熱量

該熱量為整個生化處理過程所需要熱量的主要熱量來源，所消耗的功率主要取決于所采用的加熱設(shè)備功率。

2.由于設(shè)備攪拌而產(chǎn)生的摩擦熱

在好氧性的發(fā)酵設(shè)備內(nèi)部一般發(fā)生著功率比較高的攪拌，發(fā)酵流體因攪拌裝置的而做機(jī)械運(yùn)動，勢必造成內(nèi)部流體與設(shè)備部件以及流體自身之間的相互摩擦，這種方式也產(chǎn)生一定量的熱量，此外，通過攪拌混合使得對由兩種或兩種以上不同的組分所組成的混合物，通過外力的作用使其在攪拌混合設(shè)備內(nèi)最終達(dá)到整體混合均勻的狀態(tài)。

只有撹拌充分，才能達(dá)到生化處理設(shè)備內(nèi)部餐廚垃圾的混合充分，均勻攪拌，在傳遞物質(zhì)的同時進(jìn)行傳遞熱量，從而進(jìn)一步使得整個處理設(shè)備內(nèi)溫度場達(dá)到均勻的狀態(tài)。本課題生化處理設(shè)備外形圖2-4及攪拌槳和處理產(chǎn)物圖2-5如下所示：

此外，在餐廚垃圾的攪拌過程中，內(nèi)部所發(fā)生的流體流動現(xiàn)象，本身是一種湍流，而湍流強(qiáng)度的產(chǎn)生又必然消耗一定的能量，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換定律，這部分能量來自于攪拌的機(jī)械能，流體的運(yùn)動產(chǎn)生湍流傳導(dǎo)換熱，合理的湍流強(qiáng)度可以加快流體內(nèi)溫度的均勻性，而過高的湍流強(qiáng)度則會導(dǎo)致熱能的擴(kuò)散損失。

3餐廚垃圾處理設(shè)備的CFD數(shù)值計(jì)算研究與模擬........30

3.1生化處理設(shè)備的CFD模型概述......31

3.1.1生化處理設(shè)備的形狀規(guī)格與邊界設(shè)定.....32

3.1.2生化處理設(shè)備熱源的布置........32

3.1.3 CFD基本控制方程.........33

3.1.4湍流模型......34

4 模擬結(jié)果分析.........49

4.1模擬方案設(shè)計(jì).........49

4.2收斂情況計(jì)算......50

4.3數(shù)值模擬結(jié)果及分析.....52

4.3.1生化處理設(shè)備不同熱源布置下的宏觀溫度分析....54

4.3.2生化處理設(shè)備的宏觀熱傳散速度分布.......55

4.3.3不同坐標(biāo)下的溫度時間曲線監(jiān)測.........56

4.4應(yīng)用研究......57

4.5本章小結(jié).......57

5結(jié)論與展望.....61

5.1結(jié)論......61

5.2展望......62

4.模擬結(jié)果分析

4.1模擬方案設(shè)計(jì)

在對餐廚垃圾生化處理設(shè)備完成網(wǎng)格的劃分以及模擬參數(shù)、方法的設(shè)置后，則可以進(jìn)行相應(yīng)的模擬計(jì)算。由于餐廚垃圾生化處理設(shè)備一般存在于周圍環(huán)境空氣的對流換熱，在不同的季節(jié)，周圍大氣環(huán)境的溫度是不確定的，在本論文的研究分析中，不失一般性，選取了春秋節(jié)季的平均溫度27°C作為環(huán)境溫度。將熱源對腔體導(dǎo)熱后的溫度直接作為溫度載荷，論文中不考慮系統(tǒng)及其他因素所造成的溫度小波動影響。

本課題研究的主要目的是研究溫度對加熱攪拌生化處理效果的影響，為區(qū)分影響因素，對模型的各壁面（進(jìn)行了如下定義，如圖3-14所示：

從效果的影響方面考慮，擬采用三種模擬方案來分析，通過分別模擬分析，對比三種模擬方案的溫度場狀況及時均曲線。三種模擬方案分別如下：

模擬方案一：模擬外置式熱源裝置，即只從四周面對設(shè)備進(jìn)行加熱，從1、2、3、4(前、后、左、右及底部半圓面）進(jìn)行對餐廚垃圾流體物料攪拌加熱。如下圖4-2所示：

5結(jié)論與展望

5.1結(jié)論

本文利用流體力學(xué)分析軟件，以北京瑞杰靈通環(huán)境有限公司的現(xiàn)有餐廚垃圾生化處理設(shè)備為研究對象，釆用基于壓力的分離求解器，應(yīng)用低雷諾數(shù)的湍流模型、非穩(wěn)態(tài)的混合模型以及多重坐標(biāo)系下的模型法來對設(shè)備的攪拌和加熱系統(tǒng)進(jìn)行了模型的建立和模擬計(jì)算分析，考察了設(shè)備內(nèi)部溫度場分布狀態(tài)。

(1)通過三種模擬方案獲得了各方案對應(yīng)的設(shè)備內(nèi)部溫度曲線，設(shè)備內(nèi)部溫度的上升過程大致可分為三個階段：①為加熱的初期，此期間溫度上升較快，由初期的室溫快速地增長到②為加熱中期，此階段溫度上升速度較初期有所減緩，但是整體上仍呈上升趨勢；③以后為加熱后期，此階段溫度逐漸趨于穩(wěn)定（應(yīng)根據(jù)微生物的實(shí)際生需要對溫度加以控制。

(2)由對比分析可知，內(nèi)外同置熱源的方案三的溫度增長曲線斜率最大，可知方案三相對單一外置熱源的方案一和部分內(nèi)置熱源的方案二而言，可以更快地達(dá)到所需要的微生物生長最活躍溫度，從能量的節(jié)約考慮，達(dá)到微生物生長所需要的最活躍時間越短越能節(jié)約能耗，因此，方案三更能縮短微生物發(fā)酵時間，從而節(jié)約能耗。

(3)將設(shè)備內(nèi)的溫度從環(huán)境溫度（上升到穩(wěn)定溫度取六個溫度監(jiān)測點(diǎn)，通過對三種方案達(dá)到各溫度監(jiān)測點(diǎn)所用的加熱時間進(jìn)行對比，分析可得方案三的加熱時間相對方案二可以縮短的加熱時間，相對方案一可縮短的加熱時間。

(4)盡管方案三相對方案一而言成本略有增加，但是通過模擬結(jié)果獲知，方案三可以更快的縮短加熱初期的時間，即減小其微生物生長延滯期和指數(shù)期，快速達(dá)到微生物生長的穩(wěn)定期。

(5)通過對原有設(shè)備采用電加熱與采用太陽能和熱管加熱的新型設(shè)備的耗能分析對比，可知新型加熱方式可以節(jié)約的能耗，可滿足餐廚垃圾生化反應(yīng)所需要的溫度能量要求。
 

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