新型农业废弃物发酵设备的设计及其内部流动模拟

    张盛平　徐伟辛　张博文

    

    

    

    摘要 ? ?农业废弃物是富有价值的可回收资源，其资源化利用水平有待提高。本文顺应国家农业供给侧结构性改革和生态文明建设中长期发展战略规划，简要设计了一套堆肥效率高、设备搅拌均匀的新型农业废弃物发酵设备，并且对设备内部流动进行了流场分析，以期推进畜禽废弃物与农作物秸秆等原料资源利用。

    关键词 ? ?农业废弃物;发酵设备;搅拌器;流动数值模拟

    中图分类号 ? ?X71 ? ? ? ?文献标识码 ? ?A

    文章编号 ? 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 ? ?外殼与搅拌器的设计

    1.1 ? ?新型农业废弃物发酵设备主体结构及尺寸设计计算

    1.1.1 ? ?装置的材质选择。新型农业废弃物发酵设备中的介质称为堆肥，通常为气液两相，故装置内壁必须满足抗腐蚀性强的特点，装置的筒体内壁材料选用不锈钢00Cr19Ni10。该材料耐晶间腐蚀性优越，抗拉强度σb≥480 MPa，条件屈服强度σb≥177 MPa，伸长率δ5≥40%，断面收缩率ψ≥60%，硬度则为≤187 HB、 ≤90 HRB或≤200 HV。筒体外涂有一层聚氨酯材料，其机械强度高，具有防潮、防水性能。聚氨酯属于憎水性材料，不会因吸潮增大导热系数，在高温下不产生有害气体，属绿色环保产品，聚氨酯密度为30～40 kg/m3，导热系数为0.018～0.024 W/（m·K），对金属有良好的黏着力[1-2]。

    1.1.2 ? ?装置筒体、封头尺寸的计算。预处理装置主要由封头和筒体组成。上封头采用碟形封头DHA，下封头采用锥形封头CHB，筒体设计成圆柱体，筒体与上封头之间采用法兰连接，筒体与下封头之间焊接而成。

    （1）筒体的基本尺寸。预处理装置的容积与生产能力有关[3-4]，本装置根据一般好氧堆肥处理装置的容积大小，设计筒体容积V=1.5 m3。筒体内径按照下列公式估算：

    D=

    式中，V为筒体容积;Φ为填料系数，查《最新压力容器设计手册》为0.85;i为高径比，i=H/D，根据物料类型为气-液体系，选取为1。

    经计算得出，D=1.175 m，圆整后取D=1.1 m。

    （2）装置壁厚的计算。新型农业废弃物发酵设备在进行好氧预处理过程中需要通入空气以供微生物发酵，所以装置内气压等于大气压。当进行厌氧发酵时，装置内会有气体产生，最高设计压力理论值为p=0.11 MPa，计算压力pc=Kp，K为安全系数。当容器内的介质为气液两相时，需要考虑液柱静压力的影响。因为预处理时，主要为固体介质，固体含水率很低。当筒体所承受的液柱静压力<5%设计压力时，可以不考虑液柱静压力的影响，此时计算压力约等于设计压力[5-6]。

    查《最新压力容器设计手册》，在100 C°以下，压力容器用高合金钢00Cr19Ni10的许用应力为118 MPa。为能安全承受计算压力所需的最小厚度称作计算厚度，用δ表示，采用以下简化式计算筒体厚度：

    δ=

    式中，δ为筒体的理论计算厚度（mm）;pc为筒体的计算压力（MPa）;Di为筒体内径（mm）;[σ]t为钢板在设计温度下的许用应力（MPa）;Φ为焊接接头系数，值为1.0。

    计算得厚度δ=0.603 2 mm，查表得δmin=2 mm，为保证筒体具有足够的刚度，取δ=2 mm。

    （3）上封头基本尺寸。查《最新压力容器设计手册》，采用碟形封头DHA，其结构尺寸示意图如图1所示，碟形封头的曲线由3段光滑曲线连接而成：半径为Rci的大圆弧线OA、半径为r的小圆弧线AB和与回转轴线平行的短直线BC。以OABC曲线为母线绕回转轴转一圈所形成的曲面就是碟形封头的中面。查《最新压力容器设计手册》，曲边高度h1=0.25 m，直边高度h0=0.025 m，半径Rci=D=1.1 m，半径r1=0.165 m，α=24°19′（图1）。

    封头厚度的计算：封头的具体结构如图2所示，其材料采用的是00Cr19Ni10，pc为计算压力，装置的设计压力P=0.11 MPa，pc=Kp，查《最新压力容器设计手册》，按t=100时，[σ]t=118 MPa和Φ=1.0计算得到K=1。

    厚度的计算公式采用的是简化式：

    δ=

    式中，M为无量纲数，相关标准得M=1.395;Di=D=1.1 m;[σ]t为00Cr19Ni10材料的许用应力;Φ为接头系数，Φ=1。

    计算得厚度δ=0.603 2 mm，查表得δmin=2 mm，为保证封头具有足够的刚度，取δ=2 mm。

    （4）下封头基本尺寸。查《最新压力容器设计手册》，采用锥形封头CHB，其结构尺寸示意图如图3所示，该封头带折边，可以减小封头与筒体连接处的边界应力，CHB类型封头;其中查《最新压力容器设计手册》得容积，根据以下公式计算：

    V=0.178 2D3+0.22D2

    式中，D=DN=1.1 m。

    计算得V=0.260 9 m3。d=2r=0.33 m，根据上封头厚度与筒体壁厚封头，下封头厚度δ=2 mm。

    1.1.3 ? ?电机的选择。电机类型和结构主要根据电源条件、载荷等要求选择[7-8]。本论文重点在研究新型农业废弃物发酵设备内部流场情况，故此处稍做简略。本装置的电机型号选为YB3-112M-4kW。该型号的电机参数为额定功率4 kW，额定转速1 440 r/min，额定电流8.4 A，额定转矩26.5 N·m。

    1.2 ? ?搅拌器的设计与尺寸

    1.2.1 ? ?搅拌器的结构设计。图4为搅拌轴的结构示意图。典型的机械搅拌器种类很多，考虑到堆肥的黏稠性、流动性差，采用双螺旋带、螺杆、斜矩形叶片的组合，搅拌轴、斜矩形叶片内制成空心结构，联通通气系统，斜矩形叶片上附着如图4中右侧叶片斜截面示意图所示的长方形通气孔，适宜的通风量参数为0.148～0.173 m3/s。搅拌轴材料选用45号钢[9-10]。

    1.2.2 ? ?攪拌器的基本尺寸。

    （1）搅拌轴尺寸。选用45号钢作为搅拌轴材料，其许用扭应力[τ]=30～40 MPa，计算系数A=107～118，选用转速n=40 r/min，当转速增加时，轴强度可以满足要求。搅拌轴的直径利用下式进行计算：

    d=A

    计算出d=60.69 mm，考虑到搅拌轴的结构为空心结构，取轴径为90 mm。

    （2）双螺旋带尺寸。查《化工行业标准》（HG/T ?3976.11—2005），螺带搅拌桨结构如图5所示，其结构参数如下：DJ为900 mm，d为90 mm，b为90 mm，S为900 mm，h为1 800 mm，δ为10 mm。

    （3）螺杆搅拌桨尺寸。查《化工行业标准》（HG/T 3976.10—2005），基本结构如图6所示，螺杆搅拌桨结构参数如下：DJ为900 mm，d为90 mm，δ为5 mm，S为350 mm，H为1 600 mm。

    2 ? ?基于ICEM、Fluent的CFD数值模拟的罐体内部流动分析

    2.1 ? ?数学模型

    2.1.1 ? ?质量守恒方程。即连续性方程，质量守恒在流体力学中的表达式，在连续介质假设的前提下，研究的流体经过流场中某一控制体，若在某一段时间内流入控制面的流体质量和流出的流体质量不相等，则这一控制体内一定会有流体密度的变化，以使流体充满整个控制体[11-12]。方程数学表述如下：

    本装置的堆肥视为不可压缩流体，方程进一步简化为：

    2.1.2 ? ?动量守恒方程。在本装置中，堆肥所受质量力为重力，方程如下：

    2.1.3 ? ?能量方程。计算公式如下：

    2.2 ? ?几何模型与边界条件

    通过NX 12.0软件建立装置模型，将模型分成两部分。由于模型过于复杂，直接导入ICEM CFD之后，存在尖角等不顺滑的模型结构，影响网格划分与网格质量。考虑到模型部分简化对流场的影响很小，因而在NX 12.0中进行模型部分简化，不考虑斜矩形叶片支撑螺带，简化通气系统和通气孔结构，接着将三维模型导入ICEM CFD。模型比较复杂，螺带的曲率较大，为了保证计算精度，模型采用混合四面体网格划分，如图7所示。为保证软件模拟的精度和更准确地考察螺带、螺杆附近的流场，对螺带、螺杆和斜矩形叶片模型进行网格加密[13-14]。

    为保证软件模拟的精度，网格划分后需要检验网格质量，网格质量如图8所示。网格总数为516 486。

    反应器壁面为无滑移边界条件，上端液面为自由液面，定义为对称的边界;通气孔通风量为2 m3/s;双螺旋带、螺杆和斜矩形叶片区域旋转坐标具有相同的角速度，转速为20～100 r/min，设计本反应装置的螺杆转速分别为40、100 r/min，方向为顺时针，螺旋叶片相对于旋转坐标系静止。

    2.3 ? ?数值求解

    2.3.1 ? ?堆肥物性参数。一般设置堆肥物性参数：含水率为15%，ρ=1 720.3 kg/m3，黏度为32.5 Pa/s。为简化模拟，将堆肥设置成液相，属性为牛顿流体。

    2.3.2 ? ?结果和讨论。

    （1）流速分布。为充分考察罐体内部流动情况，分别截取y=0平面，n=40 r/min与y=0平面，n=100 r/min流场分布。

    y=0截面上的速度场分布如图9所示。可以看出，双螺旋带处的速度比较大，且速度场从内到外逐渐增加，在双螺旋带处达最大值，接着逐渐降低，近筒壁面处的速度几乎为0。对比图9（a）和图9（b）可以发现，随着转动速度的增加，流场速度也越来越大。

    由图10可知，当截取y=0平面，n=40 r/min时，速度沿x轴分布;由此可知，在双螺旋带处的速度最大。因此，双螺带结构对黏稠堆肥的搅拌起主要作用。

    （2）压力分布。压力分布图可以反映出流场的压力分布情况。为了反映罐体内压力分布的整体状况，截取了y=0，x=0与叶片上的压力云图并合并在一起。从图11可以看出，由内到外逐渐变色，说明流场的搅拌作用从内到外逐渐增大。随着转速的增加，压力也逐渐增大，当转速由40 r/min上升至100 r/min时，压力分布呈现出从下至上、从里到外逐渐递增的趋势，由此得出结论。

    （3）当轴转速为100 r/min时，罐内流体迹线分布。如图12所示，由流体迹线分布可得，在搅拌器的搅拌下，靠近壁面的堆肥往上流动，堆肥在双螺旋带周围呈现出绕流特点，在螺杆搅拌桨叶片周围呈现出与双螺带处相反方向的绕流特点。可以得出结论，该结构的设计强化了堆肥的流动，使之在罐内循环流动，并且使堆肥与空气充分混合，使堆肥之间充分混合，在一定程度上保证了温度场的均匀。

    3 ? ?结语

    本文依靠国家行业标准简要设计了新型农业废弃物发酵设备，并且在搅拌器中创新布置了通气结构。通过CFD数值模拟分析了罐体内部流动情况。结果表明，双螺旋带、螺杆与斜矩形叶片的组合进一步强化了轴向流动和循环，使堆肥充分混合，可实现农业废弃物良好的发酵。

    本研究可以為堆肥、空气两相流动情况提供结构基础，为设备热平衡额计算提供结构基础。本文的流场分析可作为进一步优化搅拌器结构设计的依据。

    4 ? ?参考文献

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