【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)合應用作為加熱熱源得可行性,利用計算流體力學CFD方法仿真研究了設(shè)備內(nèi)部溫度場分布。在當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際應用價值。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設(shè)備溫度場進行仿真,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)測點進行監(jiān)測,通過對三種方案達到各溫度監(jiān)測點所用的加熱時間進行了對比；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)。通過對三種方案達到各溫度監(jiān)測點所用的時間進行對比,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廢棄物達1500噸左右，中型城市達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廢棄物至少達上萬噸，是一個巨大的產(chǎn)量。在當今國家基礎(chǔ)資源有限，環(huán)境污染嚴重的情況下，對垃圾資源進行充分的回收利用，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?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)化為機械能和熱能來實現(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)驗設(shè)計，同時更缺少對設(shè)備內(nèi)部溫度場分布的客觀指導和理論模擬分析，由于溫度分布的不均而導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)備運轉(zhuǎn)成本過高、效率低且浪費能源。

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，并已廣泛應用到多個領(lǐng)域。熱管一般是被用來當作傳熱元件，它既可以用到太陽能集熱器當中為生活提供熱水，又可以當作太陽能用發(fā)電、取暖等的傳熱元件。熱管是通過相變來進行熱的傳遞，具有非常高的傳熱效率以及極高的當量導熱系數(shù)，相對招、銅、銀等優(yōu)良金屬熱導體而言要高出好幾個數(shù)量級，導熱性非常優(yōu)良。目前，許多研究機構(gòu)對熱管在機械傳熱方面的應用進行了研究，并取得了良好的效果。但是在利用太陽能進行餐廚垃圾廢棄物處理方面的研究則較為少見。基于此方面的考慮，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，既有適應我國節(jié)能減排保護環(huán)境的意義，也具有適應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)的餐廚垃圾處理機是來自于國外的Emerson和GE公司。但是其產(chǎn)品主要是以機械式破碎為主「。在餐廚垃圾生化處理加熱方式研究方面，國內(nèi)的規(guī)�；貌艅倓偲鸩剑夹g(shù)和工藝還不成熟，普遍存在著能耗大，設(shè)計缺乏理論依據(jù)，沒有應用現(xiàn)代分析仿真工具進行相應的傳熱以及溫度場模擬分析等問題，反應設(shè)備內(nèi)的溫度是否分布均勾，傳熱的速率是否適當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。

在科學研究方面，主要是一些大學高校和研究所單位，例如北京化工大學、中國農(nóng)業(yè)大學以及上海交通大學和同濟大學，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。上海交通大學的金大祥等對螺帶式攪拌器在假塑液中得傳熱特性進行了研究，為進一步研究高點性傳熱效果提供了參考。北京化工大學的壬志鋒等應用計算流體力學軟件進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大學的畢峻偉等對沼氣池攪拌的模擬及溫度場驗證，對攬拌對發(fā)酵的影響進行了驗證。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)以及應用借鑒。

在熱管的應用研究方面，比較多的研究多是集中在生化反應器方面，如：南京化工大學熱管技術(shù)研究所的張紅對熱管式攪拌軸在氧化反應爸上的應用行了研究，南京工業(yè)大學的印彩霞等進行了用于生物反應器的旋轉(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上的研究，為熱管應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，但是在實際加熱設(shè)備的應用方面卻相對缺少，大多的是應用在了微生物生化反應的方面。在實際大型設(shè)備的應用上并不多見，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、新能源應用以及內(nèi)部溫度場均勻性分布和能耗方面缺少相應的研究。

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技術(shù)，設(shè)備內(nèi)部溫度由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳導，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：

又因為生化處理設(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：

溫度梯度的正向為溫度增加的方向，這正符合熱力學第二定律。

根據(jù)熱力學第一定律，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。熱與功通過熱功當量關(guān)系而符合這一定律。

從熱力學的第二定律上考慮，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離熱源的餐廚垃圾擴散，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械運動，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)最終達到整體混合均勻的狀態(tài)。

只有撹拌充分，才能達到生化處理設(shè)備內(nèi)部餐廚垃圾的混合充分，均勻攪拌，在傳遞物質(zhì)的同時進行傳遞熱量，從而進一步使得整個處理設(shè)備內(nèi)溫度場達到均勻的狀態(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械能，流體的運動產(chǎn)生湍流傳導換熱，合理的湍流強度可以加快流體內(nèi)溫度的均勻性，而過高的湍流強度則會導致熱能的擴散損失。

3餐廚垃圾處理設(shè)備的CFD數(shù)值計算研究與模擬........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.........49

4.2收斂情況計算......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不同坐標下的溫度時間曲線監(jiān)測.........56

4.4應用研究......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

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，則可以進行相應的模擬計算。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)備進行加熱，從1、2、3、4(前、后、左、右及底部半圓面）進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系下的模型法來對設(shè)備的攪拌和加熱系統(tǒng)進行了模型的建立和模擬計算分析，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（應根據(jù)微生物的實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，通過對三種方案達到各溫度監(jiān)測點所用的加熱時間進行對比，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所需要的溫度能量要求。
 

參考文獻：

• [1] 原一高,王欣欣,張肖肖.  餐廚垃圾微波干燥實驗裝置[J]. 實驗室研究與探索. 2012(07)
• [2] 陳芳,張紅,王中賢,印彩霞.  旋轉(zhuǎn)熱管生物反應器攪拌結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[J]. 南京工業(yè)大學學報(自然科學版). 2012(02)
• [3] 欒德玉,周慎杰,陳頌英,楚樹坡.  錯位六彎葉槳在假塑性流體中的混沌攪拌特性[J]. 化學工程. 2011(09)
• [4] 印彩霞,張紅,王中賢,陳芳.  用于生物反應器的旋轉(zhuǎn)熱管傳熱性能的研究[J]. 熱能動力工程. 2011(04)
• [5] 王殿奎,王志,陳文科,劉艷陽.  基于電磁加熱技術(shù)的餐廚垃圾處理設(shè)備[J]. 農(nóng)業(yè)機械. 2011(20)
• [6] 畢峻瑋,朱洪光,石惠嫻,李永明,榮凌,王韜.  沼氣池攪拌的CFD模擬及溫度場驗證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報. 2010(10)
• [7] 王俊玲,劉慧敏.  電磁式電加熱技術(shù)的研究及應用[J]. 科學之友. 2010(20)
• [8] 王丹陽,弓愛君,張振星,毛亞南,周陸軍.  北京市餐廚垃圾的處理現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程. 2010(01)
• [9] 彭珍珍,趙恒文,郭聰聰,汪文生,曾德全.  潛水攪拌機三維流場的數(shù)值模擬[J]. 給水排水. 2009(S2)
• [10] 張石.  攪拌器設(shè)計的一般程序[J]. 化學工業(yè)與工程. 2009(05)