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基于CFD的餐廚垃圾生化處理設(shè)備溫度場(chǎng)仿真研究

發(fā)布時(shí)間:2014-10-02 19:03

【摘要】 在餐廚垃圾生化處理的過(guò)程中,加熱的方式以及設(shè)備內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布狀況,對(duì)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(duì)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(duì)象,分析了熱管與太陽(yáng)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(chǎng)分布。在當(dāng)今資源短缺的形式下,本研究對(duì)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(duì)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(yáng)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(duì)反應(yīng)設(shè)備溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真,獲得了三種方案下的溫度場(chǎng)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(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過(guò)對(duì)三種方案達(dá)到各溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)所用的加熱時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比;對(duì)原有設(shè)備采用電加熱與采用太陽(yáng)能和熱管加熱的新型設(shè)備的耗能進(jìn)行了分析對(duì)比。研究結(jié)果表明:設(shè)備內(nèi)部溫度的上升過(guò)程大致可分為三個(gè)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(zhǎng)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(shì);加熱后期(800s以后),溫度逐漸趨于穩(wěn)定(341K)。通過(guò)對(duì)三種方案達(dá)到各溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)所用的時(shí)間進(jìn)行對(duì)比,分析可得方案三的加熱時(shí)間相對(duì)方案二可以縮短23%,相對(duì)方案一可縮短34%,更能縮短微生物發(fā)酵時(shí)間,從而節(jié)約能耗。通過(guò)對(duì)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(duì)方案一而言成本略有增加,但是通過(guò)模擬結(jié)果獲知,方案三可以更快的縮短加熱初期的時(shí)間,即減小其微生物生長(zhǎng)延滯期和指數(shù)期,快速達(dá)到微生物生長(zhǎng)的穩(wěn)定期。從節(jié)約能源的長(zhǎng)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。 

【關(guān)鍵詞】 餐廚垃圾; 生化處理; 熱管; 溫度場(chǎng); Fluent; 


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(shí),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(guó)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(wàn)噸,是一個(gè)巨大的產(chǎn)量。在當(dāng)今國(guó)家基礎(chǔ)資源有限,環(huán)境污染嚴(yán)重的情況下,對(duì)垃圾資源進(jìn)行充分的回收利用,將餐廚垃圾減量化、無(wú)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(gè)迫在眉睫的研究課題。

目前國(guó)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(wú)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(shì),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(guò)程中,加熱和攪拌是兩個(gè)并行不可或缺的重要要素,而無(wú)論是加熱還是攬拌,都離不開(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)要素。目前我國(guó)政府也在大力提倡生化處理、節(jié)能環(huán)保,然而目前國(guó)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(duì)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(shí)更缺少對(duì)設(shè)備內(nèi)部溫度場(chǎng)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(gè)生化處理過(guò)程時(shí)間長(zhǎng),熱量利用不充分,因此造成設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)成本過(guò)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(gè)迫切的課題就是發(fā)掘新的清潔替代能源,其中太陽(yáng)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(huì)問(wèn)題。在利用太陽(yáng)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(gè)領(lǐng)域。熱管一般是被用來(lái)當(dāng)作傳熱元件,它既可以用到太陽(yáng)能集熱器當(dāng)中為生活提供熱水,又可以當(dāng)作太陽(yáng)能用發(fā)電、取暖等的傳熱元件。熱管是通過(guò)相變來(lái)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(duì)招、銅、銀等優(yōu)良金屬熱導(dǎo)體而言要高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí),導(dǎo)熱性非常優(yōu)良。目前,許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)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(yáng)能進(jìn)行餐廚垃圾廢棄物處理方面的研究則較為少見(jiàn);诖朔矫娴目紤],利用熱管結(jié)合太陽(yáng)能技術(shù)來(lái)輔助純粹的電能加熱來(lái)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(guò)對(duì)設(shè)備熱源加熱效率的研究,開(kāi)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(guó)節(jié)能減排保護(hù)環(huán)境的意義,也具有適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的必然趨勢(shì)的社會(huì)意義。

 

1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1國(guó)內(nèi)餐廚垃圾生化處理現(xiàn)狀

在我國(guó)最早期出現(xiàn)的餐廚垃圾處理機(jī)是來(lái)自于國(guó)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(guó)內(nèi)的規(guī);貌艅倓偲鸩剑夹g(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(méi)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(chǎng)模擬分析等問(wèn)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(duì)整個(gè)處理過(guò)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(guó)內(nèi)有關(guān)溫度場(chǎng)的研究多是集中在研究攪拌對(duì)溫度的影響,而且大多是采用熱電偶的方式來(lái)測(cè)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(guó)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(gè)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(duì)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(duì)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(chǎng)的測(cè)量與數(shù)值模擬,研究了槽中攪拌轉(zhuǎn)速以及時(shí)間對(duì)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(duì)沼氣池?cái)嚢璧哪M及溫度場(chǎng)驗(yàn)證,對(duì)攬拌對(duì)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(jiàn),而且這些研究多是集中在熱管加熱與溫度場(chǎng)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(chǎng)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(guò)程中,熱是一個(gè)非常重要的因素。對(duì)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(guò)壁面熱源向外的傳遞,單位時(shí)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(chǎng)的均勻性。而且設(shè)備內(nèi)溫度是隨著時(shí)間而變化的,其內(nèi)部溫度場(chǎng)是時(shí)間和空間的函數(shù),其溫度場(chǎng)用公式可表述為:

又因?yàn)樯幚碓O(shè)備內(nèi)溫度場(chǎng)中溫度的分布時(shí)隨時(shí)間而變化的,因此又屬于非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。通過(guò)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(gè)設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)部的熱能;W為外界對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)攪拌來(lái)帶動(dòng)熱量的流動(dòng)。

 

2.2生化處理過(guò)程的熱量來(lái)源與傳散形式

2.2.1熱量來(lái)源

在整個(gè)生化處理過(guò)程中,熱量的來(lái)源有以下幾個(gè)方面:

1.通過(guò)加熱裝置加熱所產(chǎn)生的熱量

該熱量為整個(gè)生化處理過(guò)程所需要熱量的主要熱量來(lái)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(dòng),勢(shì)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(guò)攪拌混合使得對(duì)由兩種或兩種以上不同的組分所組成的混合物,通過(guò)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(shí)進(jìn)行傳遞熱量,從而進(jìn)一步使得整個(gè)處理設(shè)備內(nèi)溫度場(chǎng)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(guò)程中,內(nèi)部所發(fā)生的流體流動(dòng)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(lái)自于攪拌的機(jī)械能,流體的運(yùn)動(dòng)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(guò)高的湍流強(qiáng)度則會(huì)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(shí)間曲線監(jiān)測(cè).........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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)影響。

本課題研究的主要目的是研究溫度對(duì)加熱攪拌生化處理效果的影響,為區(qū)分影響因素,對(duì)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(lái)分析,通過(guò)分別模擬分析,對(duì)比三種模擬方案的溫度場(chǎng)狀況及時(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(lái)對(duì)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(chǎng)分布狀態(tài)。

(1)通過(guò)三種模擬方案獲得了各方案對(duì)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(guò)程大致可分為三個(gè)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(zhǎng)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(shì);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(duì)溫度加以控制。

(2)由對(duì)比分析可知,內(nèi)外同置熱源的方案三的溫度增長(zhǎng)曲線斜率最大,可知方案三相對(duì)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(zhǎng)最活躍溫度,從能量的節(jié)約考慮,達(dá)到微生物生長(zhǎng)所需要的最活躍時(shí)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(shí)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(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn),通過(guò)對(duì)三種方案達(dá)到各溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)所用的加熱時(shí)間進(jìn)行對(duì)比,分析可得方案三的加熱時(shí)間相對(duì)方案二可以縮短的加熱時(shí)間,相對(duì)方案一可縮短的加熱時(shí)間。

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

(5)通過(guò)對(duì)原有設(shè)備采用電加熱與采用太陽(yáng)能和熱管加熱的新型設(shè)備的耗能分析對(duì)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。
 

參考文獻(xiàn):



本文編號(hào):9422

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