基于CFD的餐厨垃圾生化处理设备温度场仿真研究

【摘要】 在餐厨垃圾生化处理的过程中,加热的方式以及设备内部温度场的分布状况,对生化处理的效率以及能源的有效利用具有重要影响。由于传统的加热方式多是单纯的依靠电能加热而且缺乏对内部温度梯度分布的研究,普遍存在着能源的浪费现象。因此,本文以北京瑞杰灵通环境技术有限公司现有餐厨垃圾生化处理设备为研究对象,分析了热管与太阳能结合应用作为加热热源得可行性,利用计算流体力学CFD方法仿真研究了设备内部温度场分布。在当今资源短缺的形式下,本研究对于餐厨垃圾资源化处理的节能减排具有重要的实际应用价值。本论文主要做了以下研究工作：对餐厨垃圾生化处理设备的加热方式进行研究,研究了采用太阳能、热管和其它技术相结合的新型加热技术作为热源的可行性,以代替传统的电能加热方式；分别设计了四周外置热源、四周外置热源加中间轴内置热源和四周外置热源加中间轴加搅拌桨内置热源三种不同热源布置方案,并建立了三维模型,采用Fluent有限元分析软件分别对反应设备温度场进行仿真,获得了三种方案下的温度场分布状态；将设备内温度从环境温度(300K)上升到稳定温度(341K)取了六个温度监测点进行监测,通过对三种方案达到各温度监测点所用的加热时间进行了对比；对原有设备采用电加热与采用太阳能和热管加热的新型设备的耗能进行了分析对比。研究结果表明：设备内部温度的上升过程大致可分为三个阶段：加热初期(0-50s),温度上升较快,由初期的室温快速地增长到305K；加热中期(50-800s),温度上升速度较初期有所减缓,但是整体上仍呈上升趋势；加热后期(800s以后),温度逐渐趋于稳定(341K)。通过对三种方案达到各温度监测点所用的时间进行对比,分析可得方案三的加热时间相对方案二可以缩短23%,相对方案一可缩短34%,更能缩短微生物发酵时间,从而节约能耗。通过对比计算可知新型加热方式可以节约85%的能耗,可满足餐厨垃圾生化反应所需要的温度能量要求。尽管方案三相对方案一而言成本略有增加,但是通过模拟结果获知,方案三可以更快的缩短加热初期的时间,即减小其微生物生长延滞期和指数期,快速达到微生物生长的稳定期。从节约能源的长期以及大型设备的加热考虑,采用方案三的热源布置以及新型的热源仍然具有经济可行性。 

1 绪论

1.1课题的研究背景和意义

在人民生活水平提高的同时，餐厨垃圾的常产量也在不断地增加，仅从餐饮业看，一般大城市每天产生的餐厨垃圾等有机废弃物达1500吨左右，中型城市达500~800吨左右，小城市也将有100-200吨左右。中国有13亿人口，每天产出的餐厨垃圾等有机废弃物至少达上万吨，是一个巨大的产量。在当今国家基础资源有限，环境污染严重的情况下，对垃圾资源进行充分的回收利用，将餐厨垃圾减量化、无害化、资源化处理己成为各相关部门必须要抓，而且必须要完成的重要任务，也是一个迫在眉睫的研究课题。

目前国内餐厨垃圾处理方法多种多样，主要有：填埋、堆肥、焚烧三种方法，另外还有热解、分选回收、综合处理方法。和传统垃圾处理方式相比，生化处理方法无论在垃圾的资源化还是减量化方面都占有相当的优势，因此，生化处理方法正逐渐取代传统处理方式餐厨垃圾其本身是一种固、液、气的三相混合物，在餐厨垃圾的生化处理过程中，加热和搅拌是两个并行不可或缺的重要要素，而无论是加热还是揽拌，都离不开能量的需要。传统的方法是单纯的依靠电能转化为机械能和热能來实现这两个要素。目前我国政府也在大力提倡生化处理、节能环保，然而目前国内的一些餐厨垃圾生化处理设备耗能高，效率低，此外由于对设备的加热方式研究欠缺，大多是单纯的依靠经验设计，同时更缺少对设备内部温度场分布的客观指导和理论模拟分析，由于温度分布的不均而导致整个生化处理过程时间长，热量利用不充分，因此造成设备运转成本过高、效率低且浪费能源。

此外，在矿物资源益枯竭的今天，一个迫切的课题就是发掘新的清洁替代能源，其中太阳能是普遍被认为最具吸引力的替代者。电能的节约、能源和环境已经成为当今突出的社会问题。在利用太阳能方面，作为一种高效传热元件一热管，具有优良的特性，并已广泛应用到多个领域。热管一般是被用来当作传热元件，它既可以用到太阳能集热器当中为生活提供热水，又可以当作太阳能用发电、取暖等的传热元件。热管是通过相变來进行热的传递，具有非常高的传热效率以及极高的当量导热系数，相对招、铜、银等优良金属热导体而言要高出好几个数量级，导热性非常优良。目前，许多研究机构对热管在机械传热方面的应用进行了研究，并取得了良好的效果。但是在利用太阳能进行餐厨垃圾废弃物处理方面的研究则较为少见。基于此方面的考虑，利用热管结合太阳能技术来辅助纯粹的电能加热来进行餐厨垃圾的处理新方式成为了一种新的研究挑战。通过对设备热源加热效率的研究，开发高效优能的餐厨垃圾生化处理设备，既有适应我国节能减排保护环境的意义，也具有适应我国国情的必然趋势的社会意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内餐厨垃圾生化处理现状

在我国最早期出现的餐厨垃圾处理机是来自于国外的Emerson和GE公司。但是其产品主要是以机械式破碎为主「。在餐厨垃圾生化处理加热方式研究方面，国内的规模化利用才刚刚起步，技术和工艺还不成熟，普遍存在着能耗大，设计缺乏理论依据，没有应用现代分析仿真工具进行相应的传热以及温度场模拟分析等问题，反应设备内的温度是否分布均勾，传热的速率是否适当都对整个处理过程及最终生成物质量有着重大的影响。因此，研究设备的加热方式以及设备内温度的分布具有重要意义，而国内有关温度场的研究多是集中在研究搅拌对温度的影响，而且大多是采用热电偶的方式来测量温度的分布，研究并不充分。

在科学研究方面，主要是一些大学高校和研究所单位，例如北京化工大学、中国农业大学以及上海交通大学和同济大学，由于在餐厨垃圾的生化处理中，加热和搅拌是两个重要的影响因素，因此在科研方面的研究也多是集中在搅拌传热这方面，比较成功的如：浙江大学的唐福瑞等对非牛顿流体和牛顿流体在掠拌槽内的传热进行了研究，并获得了各种桨型的搅拌槽壁侧给热系数的统一关联公式。上海交通大学的金大祥等对螺带式搅拌器在假塑液中得传热特性进行了研究，为进一步研究高點性传热效果提供了参考。北京化工大学的壬志锋等应用计算流体力学软件进行了垂直列管加热的搅拌槽中温度场的测量与数值模拟，研究了槽中搅拌转速以及时间对温度的影响。在相似的研究方面还有同济大学的毕峻伟等对沼气池搅拌的模拟及温度场验证，对揽拌对发酵的影响进行了验证。这些研究都为餐厨垃圾生化处理中得温度场研究提供了理论依据以及应用借鉴。

在热管的应用研究方面，比较多的研究多是集中在生化反应器方面，如：南京化工大学热管技术研究所的张红对热管式搅拌轴在氧化反应爸上的应用行了研究，南京工业大学的印彩霞等进行了用于生物反应器的旋转热管传热性能的研究为选取传热性能最佳的旋转热管提供了依据。

这些对热管在生化反应上的研究，为热管应用于餐厨垃圾生化处理加热提供了可行性。虽然这些研究具有很大参考意义与理论指导，但是在实际加热设备的应用方面却相对缺少，大多的是应用在了微生物生化反应的方面。在实际大型设备的应用上并不多见，而且这些研究多是集中在热管加热与温度场的定性分析模拟方面。在生化处理设备的加热原理、热源布置、传热效率、新能源应用以及内部温度场均匀性分布和能耗方面缺少相应的研究。

2餐厨垃圾生化处理的理论及技术

2.1相关基础理论

2.1.1热力学相关理论

由于在餐厨垃圾的生化处理过程中，热是一个非常重要的因素。对餐厨垃圾的生化处理必然涉及着热力学技术，设备内部温度由高温区向低温区的传导，以及热量通过壁面热源向外的传递，单位时间内热源向外所传输的热量构成了设备内部的热流。这直接影响着温度传递的效率以及温度场的均匀性。而且设备内温度是随着时间而变化的，其内部温度场是时间和空间的函数，其温度场用公式可表述为：

又因为生化处理设备内温度场中温度的分布时随时间而变化的，因此又属于非稳态温度场。通过模拟可以用等温面和等温线表示。由于加热热源布置的不均，内外温度的变化比较大，这体现在温度梯度上，即等温面法线方向上的温度增量与法向距离比值的极限，温度梯度用公式表示如下：

温度梯度的正向为温度增加的方向，这正符合热力学第二定律。

根据热力学第一定律，系统内能的增加等于外界向其传递的热量与做功即：

其中，E为系统的内能，在餐厨垃圾的生化处理设备中，则是指整个设备系统内部的热能；W为外界对系统做的功，在餐厨垃圾的生化处理设备中则是指由于机械搅拌结构以及搅拌的摩擦所产生的热能；Q为系统从外界吸收的能量，在餐厨垃圾的生化处理设备中，则是指由于外部热源对其加热，而导致的其系统热能的增加。此外，还有少许部分是由于微生物的发酵而产生的热。热与功通过热功当量关系而符合这一定律。

从热力学的第二定律上考虑，热量只能从温度高的地方向温度低的地方扩散，而不能逆向。在餐厨垃圾的生化处理设备中，此定律表现为温度由加热源向远离热源的餐厨垃圾扩散，而且通过搅拌来带动热量的流动。

2.2生化处理过程的热量来源与传散形式

2.2.1热量来源

在整个生化处理过程中，热量的来源有以下几个方面：

1.通过加热装置加热所产生的热量

该热量为整个生化处理过程所需要热量的主要热量来源，所消耗的功率主要取决于所采用的加热设备功率。

2.由于设备搅拌而产生的摩擦热

在好氧性的发酵设备内部一般发生着功率比较高的搅拌，发酵流体因搅拌装置的而做机械运动，势必造成内部流体与设备部件以及流体自身之间的相互摩擦，这种方式也产生一定量的热量，此外，通过搅拌混合使得对由两种或两种以上不同的组分所组成的混合物，通过外力的作用使其在搅拌混合设备内最终达到整体混合均匀的状态。

只有撹拌充分，才能达到生化处理设备内部餐厨垃圾的混合充分，均匀搅拌，在传递物质的同时进行传递热量，从而进一步使得整个处理设备内温度场达到均匀的状态。本课题生化处理设备外形图2-4及搅拌桨和处理产物图2-5如下所示：

此外，在餐厨垃圾的搅拌过程中，内部所发生的流体流动现象，本身是一种湍流，而湍流强度的产生又必然消耗一定的能量，根据能量转换定律，这部分能量来自于搅拌的机械能，流体的运动产生湍流传导换热，合理的湍流强度可以加快流体内温度的均匀性，而过高的湍流强度则会导致热能的扩散损失。

3餐厨垃圾处理设备的CFD数值计算研究与模拟........30

3.1生化处理设备的CFD模型概述......31

3.1.1生化处理设备的形状规格与边界设定.....32

3.1.2生化处理设备热源的布置........32

3.1.3 CFD基本控制方程.........33

3.1.4湍流模型......34

4 模拟结果分析.........49

4.1模拟方案设计.........49

4.2收敛情况计算......50

4.3数值模拟结果及分析.....52

4.3.1生化处理设备不同热源布置下的宏观温度分析....54

4.3.2生化处理设备的宏观热传散速度分布.......55

4.3.3不同坐标下的温度时间曲线监测.........56

4.4应用研究......57

4.5本章小结.......57

5结论与展望.....61

5.1结论......61

5.2展望......62

4.模拟结果分析

4.1模拟方案设计

在对餐厨垃圾生化处理设备完成网格的划分以及模拟参数、方法的设置后，则可以进行相应的模拟计算。由于餐厨垃圾生化处理设备一般存在于周围环境空气的对流换热，在不同的季节，周围大气环境的温度是不确定的，在本论文的研究分析中，不失一般性，选取了春秋节季的平均温度27°C作为环境温度。将热源对腔体导热后的温度直接作为温度载荷，论文中不考虑系统及其他因素所造成的温度小波动影响。

本课题研究的主要目的是研究温度对加热搅拌生化处理效果的影响，为区分影响因素，对模型的各壁面（进行了如下定义，如图3-14所示：

从效果的影响方面考虑，拟采用三种模拟方案来分析，通过分别模拟分析，对比三种模拟方案的温度场状况及时均曲线。三种模拟方案分别如下：

模拟方案一：模拟外置式热源装置，即只从四周面对设备进行加热，从1、2、3、4(前、后、左、右及底部半圆面）进行对餐厨垃圾流体物料搅拌加热。如下图4-2所示：

5结论与展望

5.1结论

本文利用流体力学分析软件，以北京瑞杰灵通环境有限公司的现有餐厨垃圾生化处理设备为研究对象，釆用基于压力的分离求解器，应用低雷诺数的湍流模型、非稳态的混合模型以及多重坐标系下的模型法来对设备的搅拌和加热系统进行了模型的建立和模拟计算分析，考察了设备内部温度场分布状态。

(1)通过三种模拟方案获得了各方案对应的设备内部温度曲线，设备内部温度的上升过程大致可分为三个阶段：①为加热的初期，此期间温度上升较快，由初期的室温快速地增长到②为加热中期，此阶段温度上升速度较初期有所减缓，但是整体上仍呈上升趋势；③以后为加热后期，此阶段温度逐渐趋于稳定（应根据微生物的实际生需要对温度加以控制。

(2)由对比分析可知，内外同置热源的方案三的温度增长曲线斜率最大，可知方案三相对单一外置热源的方案一和部分内置热源的方案二而言，可以更快地达到所需要的微生物生长最活跃温度，从能量的节约考虑，达到微生物生长所需要的最活跃时间越短越能节约能耗，因此，方案三更能缩短微生物发酵时间，从而节约能耗。

(3)将设备内的温度从环境温度（上升到稳定温度取六个温度监测点，通过对三种方案达到各温度监测点所用的加热时间进行对比，分析可得方案三的加热时间相对方案二可以缩短的加热时间，相对方案一可缩短的加热时间。

(4)尽管方案三相对方案一而言成本略有增加，但是通过模拟结果获知，方案三可以更快的缩短加热初期的时间，即减小其微生物生长延滞期和指数期，快速达到微生物生长的稳定期。

(5)通过对原有设备采用电加热与采用太阳能和热管加热的新型设备的耗能分析对比，可知新型加热方式可以节约的能耗，可满足餐厨垃圾生化反应所需要的温度能量要求。
 

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