新型農業廢棄物發酵設備的設計及其內部流動模擬

張盛平　徐偉辛　張博文

摘要 ? ?農業廢棄物是富有價值的可回收資源，其資源化利用水平有待提高。本文順應國家農業供給側結構性改革和生態文明建設中長期發展戰略規劃，簡要設計了一套堆肥效率高、設備攪拌均勻的新型農業廢棄物發酵設備，并且對設備內部流動進行了流場分析，以期推進畜禽廢棄物與農作物秸稈等原料資源利用。

關鍵詞 ? ?農業廢棄物;發酵設備;攪拌器;流動數值模擬

中圖分類號 ? ?X71 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?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 ? ?外殼與攪拌器的設計

1.1 ? ?新型農業廢棄物發酵設備主體結構及尺寸設計計算

1.1.1 ? ?裝置的材質選擇。新型農業廢棄物發酵設備中的介質稱為堆肥，通常為氣液兩相，故裝置內壁必須滿足抗腐蝕性強的特點，裝置的筒體內壁材料選用不銹鋼00Cr19Ni10。該材料耐晶間腐蝕性優越，抗拉強度σb≥480 MPa，條件屈服強度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，其機械強度高，具有防潮、防水性能。聚氨酯屬于憎水性材料，不會因吸潮增大導熱系數，在高溫下不產生有害氣體，屬綠色環保產品，聚氨酯密度為30～40 kg/m3，導熱系數為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、封頭尺寸的計算。預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，筒體設計成圓柱體，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。預處理裝置的容積與生產能力有關[3-4]，本裝置根據一般好氧堆肥處理裝置的容積大小，設計筒體容積V=1.5 m3。筒體內徑按照下列公式估算：

D=

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

經計算得出，D=1.175 m，圓整后取D=1.1 m。

（2）裝置壁厚的計算。新型農業廢棄物發酵設備在進行好氧預處理過程中需要通入空氣以供微生物發酵，所以裝置內氣壓等于大氣壓。當進行厭氧發酵時，裝置內會有氣體產生，最高設計壓力理論值為p=0.11 MPa，計算壓力pc=Kp，K為安全系數。當容器內的介質為氣液兩相時，需要考慮液柱靜壓力的影響。因為預處理時，主要為固體介質，固體含水率很低。當筒體所承受的液柱靜壓力<5%設計壓力時，可以不考慮液柱靜壓力的影響，此時計算壓力約等于設計壓力[5-6]。

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

δ=

式中，δ為筒體的理論計算厚度（mm）;pc為筒體的計算壓力（MPa）;Di為筒體內徑（mm）;[σ]t為鋼板在設計溫度下的許用應力（MPa）;Φ為焊接接頭系數，值為1.0。

計算得厚度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《最新壓力容器設計手冊》，采用碟形封頭DHA，其結構尺寸示意圖如圖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和與回轉軸線平行的短直線BC。以OABC曲線為母線繞回轉軸轉一圈所形成的曲面就是碟形封頭的中面。查《最新壓力容器設計手冊》，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）。

封頭厚度的計算：封頭的具體結構如圖2所示，其材料采用的是00Cr19Ni10，pc為計算壓力，裝置的設計壓力P=0.11 MPa，pc=Kp，查《最新壓力容器設計手冊》，按t=100時，[σ]t=118 MPa和Φ=1.0計算得到K=1。

厚度的計算公式采用的是簡化式：

δ=

式中，M為無量綱數，相關標準得M=1.395;Di=D=1.1 m;[σ]t為00Cr19Ni10材料的許用應力;Φ為接頭系數，Φ=1。

計算得厚度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《最新壓力容器設計手冊》，采用錐形封頭CHB，其結構尺寸示意圖如圖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力，CHB類型封頭;其中查《最新壓力容器設計手冊》得容積，根據以下公式計算：

V=0.178 2D3+0.22D2

式中，D=DN=1.1 m。

計算得V=0.260 9 m3。d=2r=0.33 m，根據上封頭厚度與筒體壁厚封頭，下封頭厚度δ=2 mm。

1.1.3 ? ?電機的選擇。電機類型和結構主要根據電源條件、載荷等要求選擇[7-8]。本論文重點在研究新型農業廢棄物發酵設備內部流場情況，故此處稍做簡略。本裝置的電機型號選為YB3-112M-4kW。該型號的電機參數為額定功率4 kW，額定轉速1 440 r/min，額定電流8.4 A，額定轉矩26.5 N·m。

1.2 ? ?攪拌器的設計與尺寸

1.2.1 ? ?攪拌器的結構設計。圖4為攪拌軸的結構示意圖。典型的機械攪拌器種類很多，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、斜矩形葉片內制成空心結構，聯通通氣系統，斜矩形葉片上附著如圖4中右側葉片斜截面示意圖所示的長方形通氣孔，適宜的通風量參數為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，其許用扭應力[τ]=30～40 MPa，計算系數A=107～118，選用轉速n=40 r/min，當轉速增加時，軸強度可以滿足要求。攪拌軸的直徑利用下式進行計算：

d=A

計算出d=60.69 mm，考慮到攪拌軸的結構為空心結構，取軸徑為90 mm。

（2）雙螺旋帶尺寸。查《化工行業標準》（HG/T ?3976.11—2005），螺帶攪拌槳結構如圖5所示，其結構參數如下：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《化工行業標準》（HG/T 3976.10—2005），基本結構如圖6所示，螺桿攪拌槳結構參數如下：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數值模擬的罐體內部流動分析

2.1 ? ?數學模型

2.1.1 ? ?質量守恒方程。即連續性方程，質量守恒在流體力學中的表達式，在連續介質假設的前提下，研究的流體經過流場中某一控制體，若在某一段時間內流入控制面的流體質量和流出的流體質量不相等，則這一控制體內一定會有流體密度的變化，以使流體充滿整個控制體[11-12]。方程數學表述如下：

本裝置的堆肥視為不可壓縮流體，方程進一步簡化為：

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

2.1.3 ? ?能量方程。計算公式如下：

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。由于模型過于復雜，直接導入ICEM CFD之后，存在尖角等不順滑的模型結構，影響網格劃分與網格質量。考慮到模型部分簡化對流場的影響很小，因而在NX 12.0中進行模型部分簡化，不考慮斜矩形葉片支撐螺帶，簡化通氣系統和通氣孔結構，接著將三維模型導入ICEM CFD。模型比較復雜，螺帶的曲率較大，為了保證計算精度，模型采用混合四面體網格劃分，如圖7所示。為保證軟件模擬的精度和更準確地考察螺帶、螺桿附近的流場，對螺帶、螺桿和斜矩形葉片模型進行網格加密[13-14]。

為保證軟件模擬的精度，網格劃分后需要檢驗網格質量，網格質量如圖8所示。網格總數為516 486。

反應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;通氣孔通風量為2 m3/s;雙螺旋帶、螺桿和斜矩形葉片區域旋轉坐標具有相同的角速度，轉速為20～100 r/min，設計本反應裝置的螺桿轉速分別為40、100 r/min，方向為順時針，螺旋葉片相對于旋轉坐標系靜止。

2.3 ? ?數值求解

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

2.3.2 ? ?結果和討論。

（1）流速分布。為充分考察罐體內部流動情況，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。可以看出，雙螺旋帶處的速度比較大，且速度場從內到外逐漸增加，在雙螺旋帶處達最大值，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）可以發現，隨著轉動速度的增加，流場速度也越來越大。

由圖10可知，當截取y=0平面，n=40 r/min時，速度沿x軸分布;由此可知，在雙螺旋帶處的速度最大。因此，雙螺帶結構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，由內到外逐漸變色，說明流場的攪拌作用從內到外逐漸增大。隨著轉速的增加，壓力也逐漸增大，當轉速由40 r/min上升至100 r/min時，壓力分布呈現出從下至上、從里到外逐漸遞增的趨勢，由此得出結論。

（3）當軸轉速為100 r/min時，罐內流體跡線分布。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出繞流特點，在螺桿攪拌槳葉片周圍呈現出與雙螺帶處相反方向的繞流特點。可以得出結論，該結構的設計強化了堆肥的流動，使之在罐內循環流動，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 ? ?結語

本文依靠國家行業標準簡要設計了新型農業廢棄物發酵設備，并且在攪拌器中創新布置了通氣結構。通過CFD數值模擬分析了罐體內部流動情況。結果表明，雙螺旋帶、螺桿與斜矩形葉片的組合進一步強化了軸向流動和循環，使堆肥充分混合，可實現農業廢棄物良好的發酵。

本研究可以為堆肥、空氣兩相流動情況提供結構基礎，為設備熱平衡額計算提供結構基礎。本文的流場分析可作為進一步優化攪拌器結構設計的依據。

4 ? ?參考文獻

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