新型農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵設(shè)備的設(shè)計(jì)及其內(nèi)部流動模擬

張盛平　徐偉辛　張博文

摘要 ? ?農(nóng)業(yè)廢棄物是富有價(jià)值的可回收資源，其資源化利用水平有待提高。本文順應(yīng)國家農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和生態(tài)文明建設(shè)中長期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，簡要設(shè)計(jì)了一套堆肥效率高、設(shè)備攪拌均勻的新型農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵設(shè)備，并且對設(shè)備內(nèi)部流動進(jìn)行了流場分析，以期推進(jìn)畜禽廢棄物與農(nóng)作物秸稈等原料資源利用。

關(guān)鍵詞 ? ?農(nóng)業(yè)廢棄物;發(fā)酵設(shè)備;攪拌器;流動數(shù)值模擬

中圖分類號 ? ?X71 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）19-0158-04

Design ?of ?a ?New ?Type ?of ?Agricultural ?Waste ?Fermentation ?Equipment ?and ?Its ?Internal ?Flow ?Simulation

ZHANG Shengping ? ?XU Weixin * ? ?ZHANG Bowen

（School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang Jiangsu 212013）

Abstract ? ?Agricultural waste is a valuable and recyclable resource， and its resource utilization level needs to be improved. This paper followed the national agricultural supply-side structural reform and the long-term development strategy plan for ecological civilization construction， and briefly designed a new type of agricultural waste fermentation equipment with high composting efficiency and uniform stirring. The flow field analysis of the internal flow of the equipment was carried out， in order to promote the use of raw material resources such as livestock and poultry waste and crop straw.

Keywords ? ?agricultural waste; fermentation equipment; agitator; numerical flow simulation

1 ? ?外殼與攪拌器的設(shè)計(jì)

1.1 ? ?新型農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵設(shè)備主體結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1.1 ? ?裝置的材質(zhì)選擇。新型農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵設(shè)備中的介質(zhì)稱為堆肥，通常為氣液兩相，故裝置內(nèi)壁必須滿足抗腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，裝置的筒體內(nèi)壁材料選用不銹鋼00Cr19Ni10。該材料耐晶間腐蝕性優(yōu)越，抗拉強(qiáng)度σb≥480 MPa，條件屈服強(qiáng)度σb≥177 MPa，伸長率δ5≥40%，斷面收縮率ψ≥60%，硬度則為≤187 HB、 ≤90 HRB或≤200 HV。筒體外涂有一層聚氨酯材料，其機(jī)械強(qiáng)度高，具有防潮、防水性能。聚氨酯屬于憎水性材料，不會因吸潮增大導(dǎo)熱系數(shù)，在高溫下不產(chǎn)生有害氣體，屬綠色環(huán)保產(chǎn)品，聚氨酯密度為30～40 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.018～0.024 W/（m·K），對金屬有良好的黏著力[1-2]。

1.1.2 ? ?裝置筒體、封頭尺寸的計(jì)算。預(yù)處理裝置主要由封頭和筒體組成。上封頭采用碟形封頭DHA，下封頭采用錐形封頭CHB，筒體設(shè)計(jì)成圓柱體，筒體與上封頭之間采用法蘭連接，筒體與下封頭之間焊接而成。

（1）筒體的基本尺寸。預(yù)處理裝置的容積與生產(chǎn)能力有關(guān)[3-4]，本裝置根據(jù)一般好氧堆肥處理裝置的容積大小，設(shè)計(jì)筒體容積V=1.5 m3。筒體內(nèi)徑按照下列公式估算：

D=

式中，V為筒體容積;Φ為填料系數(shù)，查《最新壓力容器設(shè)計(jì)手冊》為0.85;i為高徑比，i=H/D，根據(jù)物料類型為氣-液體系，選取為1。

經(jīng)計(jì)算得出，D=1.175 m，圓整后取D=1.1 m。

（2）裝置壁厚的計(jì)算。新型農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵設(shè)備在進(jìn)行好氧預(yù)處理過程中需要通入空氣以供微生物發(fā)酵，所以裝置內(nèi)氣壓等于大氣壓。當(dāng)進(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)，裝置內(nèi)會有氣體產(chǎn)生，最高設(shè)計(jì)壓力理論值為p=0.11 MPa，計(jì)算壓力pc=Kp，K為安全系數(shù)。當(dāng)容器內(nèi)的介質(zhì)為氣液兩相時(shí)，需要考慮液柱靜壓力的影響。因?yàn)轭A(yù)處理時(shí)，主要為固體介質(zhì)，固體含水率很低。當(dāng)筒體所承受的液柱靜壓力<5%設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可以不考慮液柱靜壓力的影響，此時(shí)計(jì)算壓力約等于設(shè)計(jì)壓力[5-6]。

查《最新壓力容器設(shè)計(jì)手冊》，在100 C°以下，壓力容器用高合金鋼00Cr19Ni10的許用應(yīng)力為118 MPa。為能安全承受計(jì)算壓力所需的最小厚度稱作計(jì)算厚度，用δ表示，采用以下簡化式計(jì)算筒體厚度：

δ=

式中，δ為筒體的理論計(jì)算厚度（mm）;pc為筒體的計(jì)算壓力（MPa）;Di為筒體內(nèi)徑（mm）;[σ]t為鋼板在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力（MPa）;Φ為焊接接頭系數(shù)，值為1.0。

計(jì)算得厚度δ=0.603 2 mm，查表得δmin=2 mm，為保證筒體具有足夠的剛度，取δ=2 mm。

（3）上封頭基本尺寸。查《最新壓力容器設(shè)計(jì)手冊》，采用碟形封頭DHA，其結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖1所示，碟形封頭的曲線由3段光滑曲線連接而成：半徑為Rci的大圓弧線OA、半徑為r的小圓弧線AB和與回轉(zhuǎn)軸線平行的短直線BC。以O(shè)ABC曲線為母線繞回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一圈所形成的曲面就是碟形封頭的中面。查《最新壓力容器設(shè)計(jì)手冊》，曲邊高度h1=0.25 m，直邊高度h0=0.025 m，半徑Rci=D=1.1 m，半徑r1=0.165 m，α=24°19′（圖1）。

封頭厚度的計(jì)算：封頭的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其材料采用的是00Cr19Ni10，pc為計(jì)算壓力，裝置的設(shè)計(jì)壓力P=0.11 MPa，pc=Kp，查《最新壓力容器設(shè)計(jì)手冊》，按t=100時(shí)，[σ]t=118 MPa和Φ=1.0計(jì)算得到K=1。

厚度的計(jì)算公式采用的是簡化式：

δ=

式中，M為無量綱數(shù)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得M=1.395;Di=D=1.1 m;[σ]t為00Cr19Ni10材料的許用應(yīng)力;Φ為接頭系數(shù)，Φ=1。

計(jì)算得厚度δ=0.603 2 mm，查表得δmin=2 mm，為保證封頭具有足夠的剛度，取δ=2 mm。

（4）下封頭基本尺寸。查《最新壓力容器設(shè)計(jì)手冊》，采用錐形封頭CHB，其結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖3所示，該封頭帶折邊，可以減小封頭與筒體連接處的邊界應(yīng)力，CHB類型封頭;其中查《最新壓力容器設(shè)計(jì)手冊》得容積，根據(jù)以下公式計(jì)算：

V=0.178 2D3+0.22D2

式中，D=DN=1.1 m。

計(jì)算得V=0.260 9 m3。d=2r=0.33 m，根據(jù)上封頭厚度與筒體壁厚封頭，下封頭厚度δ=2 mm。

1.1.3 ? ?電機(jī)的選擇。電機(jī)類型和結(jié)構(gòu)主要根據(jù)電源條件、載荷等要求選擇[7-8]。本論文重點(diǎn)在研究新型農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵設(shè)備內(nèi)部流場情況，故此處稍做簡略。本裝置的電機(jī)型號選為YB3-112M-4kW。該型號的電機(jī)參數(shù)為額定功率4 kW，額定轉(zhuǎn)速1 440 r/min，額定電流8.4 A，額定轉(zhuǎn)矩26.5 N·m。

1.2 ? ?攪拌器的設(shè)計(jì)與尺寸

1.2.1 ? ?攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖4為攪拌軸的結(jié)構(gòu)示意圖。典型的機(jī)械攪拌器種類很多，考慮到堆肥的黏稠性、流動性差，采用雙螺旋帶、螺桿、斜矩形葉片的組合，攪拌軸、斜矩形葉片內(nèi)制成空心結(jié)構(gòu)，聯(lián)通通氣系統(tǒng)，斜矩形葉片上附著如圖4中右側(cè)葉片斜截面示意圖所示的長方形通氣孔，適宜的通風(fēng)量參數(shù)為0.148～0.173 m3/s。攪拌軸材料選用45號鋼[9-10]。

1.2.2 ? ?攪拌器的基本尺寸。

（1）攪拌軸尺寸。選用45號鋼作為攪拌軸材料，其許用扭應(yīng)力[τ]=30～40 MPa，計(jì)算系數(shù)A=107～118，選用轉(zhuǎn)速n=40 r/min，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，軸強(qiáng)度可以滿足要求。攪拌軸的直徑利用下式進(jìn)行計(jì)算：

d=A

計(jì)算出d=60.69 mm，考慮到攪拌軸的結(jié)構(gòu)為空心結(jié)構(gòu)，取軸徑為90 mm。

（2）雙螺旋帶尺寸。查《化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》（HG/T ?3976.11—2005），螺帶攪拌槳結(jié)構(gòu)如圖5所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：DJ為900 mm，d為90 mm，b為90 mm，S為900 mm，h為1 800 mm，δ為10 mm。

（3）螺桿攪拌槳尺寸。查《化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》（HG/T 3976.10—2005），基本結(jié)構(gòu)如圖6所示，螺桿攪拌槳結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：DJ為900 mm，d為90 mm，δ為5 mm，S為350 mm，H為1 600 mm。

2 ? ?基于ICEM、Fluent的CFD數(shù)值模擬的罐體內(nèi)部流動分析

2.1 ? ?數(shù)學(xué)模型

2.1.1 ? ?質(zhì)量守恒方程。即連續(xù)性方程，質(zhì)量守恒在流體力學(xué)中的表達(dá)式，在連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的前提下，研究的流體經(jīng)過流場中某一控制體，若在某一段時(shí)間內(nèi)流入控制面的流體質(zhì)量和流出的流體質(zhì)量不相等，則這一控制體內(nèi)一定會有流體密度的變化，以使流體充滿整個(gè)控制體[11-12]。方程數(shù)學(xué)表述如下：

本裝置的堆肥視為不可壓縮流體，方程進(jìn)一步簡化為：

2.1.2 ? ?動量守恒方程。在本裝置中，堆肥所受質(zhì)量力為重力，方程如下：

2.1.3 ? ?能量方程。計(jì)算公式如下：

2.2 ? ?幾何模型與邊界條件

通過NX 12.0軟件建立裝置模型，將模型分成兩部分。由于模型過于復(fù)雜，直接導(dǎo)入ICEM CFD之后，存在尖角等不順滑的模型結(jié)構(gòu)，影響網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格質(zhì)量?？紤]到模型部分簡化對流場的影響很小，因而在NX 12.0中進(jìn)行模型部分簡化，不考慮斜矩形葉片支撐螺帶，簡化通氣系統(tǒng)和通氣孔結(jié)構(gòu)，接著將三維模型導(dǎo)入ICEM CFD。模型比較復(fù)雜，螺帶的曲率較大，為了保證計(jì)算精度，模型采用混合四面體網(wǎng)格劃分，如圖7所示。為保證軟件模擬的精度和更準(zhǔn)確地考察螺帶、螺桿附近的流場，對螺帶、螺桿和斜矩形葉片模型進(jìn)行網(wǎng)格加密[13-14]。

為保證軟件模擬的精度，網(wǎng)格劃分后需要檢驗(yàn)網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格質(zhì)量如圖8所示。網(wǎng)格總數(shù)為516 486。

反應(yīng)器壁面為無滑移邊界條件，上端液面為自由液面，定義為對稱的邊界;通氣孔通風(fēng)量為2 m3/s;雙螺旋帶、螺桿和斜矩形葉片區(qū)域旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)具有相同的角速度，轉(zhuǎn)速為20～100 r/min，設(shè)計(jì)本反應(yīng)裝置的螺桿轉(zhuǎn)速分別為40、100 r/min，方向?yàn)轫槙r(shí)針，螺旋葉片相對于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系靜止。

2.3 ? ?數(shù)值求解

2.3.1 ? ?堆肥物性參數(shù)。一般設(shè)置堆肥物性參數(shù)：含水率為15%，ρ=1 720.3 kg/m3，黏度為32.5 Pa/s。為簡化模擬，將堆肥設(shè)置成液相，屬性為牛頓流體。

2.3.2 ? ?結(jié)果和討論。

（1）流速分布。為充分考察罐體內(nèi)部流動情況，分別截取y=0平面，n=40 r/min與y=0平面，n=100 r/min流場分布。

y=0截面上的速度場分布如圖9所示?？梢钥闯觯p螺旋帶處的速度比較大，且速度場從內(nèi)到外逐漸增加，在雙螺旋帶處達(dá)最大值，接著逐漸降低，近筒壁面處的速度幾乎為0。對比圖9（a）和圖9（b）可以發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)動速度的增加，流場速度也越來越大。

由圖10可知，當(dāng)截取y=0平面，n=40 r/min時(shí)，速度沿x軸分布;由此可知，在雙螺旋帶處的速度最大。因此，雙螺帶結(jié)構(gòu)對黏稠堆肥的攪拌起主要作用。

（2）壓力分布。壓力分布圖可以反映出流場的壓力分布情況。為了反映罐體內(nèi)壓力分布的整體狀況，截取了y=0，x=0與葉片上的壓力云圖并合并在一起。從圖11可以看出，由內(nèi)到外逐漸變色，說明流場的攪拌作用從內(nèi)到外逐漸增大。隨著轉(zhuǎn)速的增加，壓力也逐漸增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速由40 r/min上升至100 r/min時(shí)，壓力分布呈現(xiàn)出從下至上、從里到外逐漸遞增的趨勢，由此得出結(jié)論。

（3）當(dāng)軸轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，罐內(nèi)流體跡線分布。如圖12所示，由流體跡線分布可得，在攪拌器的攪拌下，靠近壁面的堆肥往上流動，堆肥在雙螺旋帶周圍呈現(xiàn)出繞流特點(diǎn)，在螺桿攪拌槳葉片周圍呈現(xiàn)出與雙螺帶處相反方向的繞流特點(diǎn)。可以得出結(jié)論，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)強(qiáng)化了堆肥的流動，使之在罐內(nèi)循環(huán)流動，并且使堆肥與空氣充分混合，使堆肥之間充分混合，在一定程度上保證了溫度場的均勻。

3 ? ?結(jié)語

本文依靠國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)簡要設(shè)計(jì)了新型農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵設(shè)備，并且在攪拌器中創(chuàng)新布置了通氣結(jié)構(gòu)。通過CFD數(shù)值模擬分析了罐體內(nèi)部流動情況。結(jié)果表明，雙螺旋帶、螺桿與斜矩形葉片的組合進(jìn)一步強(qiáng)化了軸向流動和循環(huán)，使堆肥充分混合，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物良好的發(fā)酵。

本研究可以為堆肥、空氣兩相流動情況提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，為設(shè)備熱平衡額計(jì)算提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。本文的流場分析可作為進(jìn)一步優(yōu)化攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

4 ? ?參考文獻(xiàn)

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