基于ANSYS的廚余垃圾桶保溫箱溫度場數值模擬

倪 洲 陸付港 徐 偉 成 江

(三江學院機械與電氣工程學院，江蘇 南京 210012)

0 引言

目前，國家正在大力發展可循環利用資源，生活垃圾中蘊含著大量的可二次利用資源，特別是廚余垃圾可以用于做綠植肥料、生物燃料等，但由于人們沒有可以合理放置和處理廚余垃圾的設備，這就導致了我國廚余垃圾回收利用率極低[1-2]。廚余垃圾減量化可以通過干燥、自然氧化、微生物分解3個途徑實現，當今社會人們生活節奏快，時間緊湊，家用廚余垃圾桶的功能顯得尤為重要。本文利用有限元對廚余垃圾桶保溫層建立計算機模型并進行數值分析，最終根據計算機仿真結果與實際試驗數據對比，對廚余垃圾桶保溫箱進行簡單的結構優化。

1 廚余垃圾桶保溫箱結構設計

廚余垃圾桶的保溫箱主要用于存放廚余垃圾和微生物，并保證微生物在廚余垃圾桶保溫箱內分解廚余垃圾，因此將廚余垃圾桶保溫箱設計分為4層，分別為：內膽、加熱層、保溫層和外殼，分解處理后的有機物等殘渣需要取出，因此在保溫箱下面保留兩個出料口。保溫箱底部厚度為5 mm，廚余垃圾桶保溫箱總高度為240 mm，兩個出料口為兩個扇形口，內圓尺寸為97.5 mm，外圓尺寸為126.5 mm，夾角角度均為66°，保溫箱的內膽、外殼與底部均為不銹鋼材質，保溫層為聚丙烯材料，且不銹鋼導熱系數為17.5 W/(m·K)，密度為7750 kg/m3。

2 廚余垃圾桶保溫箱的數值模擬

2.1 數字模型

按照設計，廚余垃圾桶保溫箱在進行加熱保溫時，垃圾桶箱蓋應處于關閉狀態，因此在將三維模型導入ANSYS前對三維模型進行加蓋，如圖1所示，垃圾蓋的材質為透明亞克力[3]，密度為1.2 g/cm3，導熱系數為0.18 W/(m·K)。確定加熱層工作時溫度恒定為65 ℃，外部環境取為0 ℃，要求廚余垃圾桶保溫箱內部溫度保持在30 ℃～60 ℃，以確保微生物能維持活性，持續分解。

圖1 保溫箱三維模型(加蓋)

為計算簡易，進行以下假設：

(1)保溫箱和蓋子材料分布均勻，視為各向同性；

(2)忽略蓋子與保溫箱之間的縫隙；

(3)箱內空氣不壓縮不流動，依據設計，保溫箱內為空氣、菌種、廚余垃圾，為簡化計算，將內部假定為只有空氣的狀態，并建立三維模型；

(4)內膽與外殼初始溫度為22 ℃。

整個實驗過程中，由于外部環境的溫度變化幅度在很小的范圍內，因此所用材料和內部空氣的各項參數是不變的。對三維模型進行進一步完善得到最終的三維模型。將修改后的維模型導入ANSYS Workbench進行網格劃分。

在直角坐標系下，溫度場可表示為：T=f(x，y，z，t)

式中：T為材料內部溫度場；x、y、z為物體所在空間坐標；t為材料的導熱時間。

根據物體的溫度場在時間坐標系的不同屬性，溫度場可以分為穩態溫度場和瞬態溫度場兩類[4-5]。傅里葉定律中，提出了具有揭示物體內部的導熱規律的基本表達式：

式中：Q為導熱率，單位為W；A為傳熱面積，單位為m2；x為傳熱厚度，單位為m；ΔT為材料兩側的溫度差，單位為K；K為導熱系數，單位為W/(m·K)；T1為材料外側溫度，單位為K；T2為材料內側溫度，單位為K。

2.2 數值模擬結果及分析

在ANSYS workbench中進行熱分析前，需要將模型劃分為若干個有限個單元，通過軟件分析，共分出14591個單元；設定加熱層為熱源，初始溫度為22 ℃；設定各部分與加熱層熱量交換，其余各部分初始溫度均為22 ℃；最終設定求解時間，總求解時間設定為10 h，加熱層從0～1500 s將溫度從22 ℃升至60 ℃，隨后將溫度維持在60 ℃。經過計算得到了廚余垃圾桶保溫箱在設定條件下10 h后的溫度場分布如圖2所示。

圖2 36000 s時保溫箱內部溫度場分布(剖切視圖)

對溫度場分布結果進行分析，對所得結果進行剖析。經過10 h后，廚余垃圾桶保溫箱內的溫度由中心向外遞增，且在垂直方向上底部與頂部溫度較低。溫度主要傳遞是由加熱層向內部傳導熱量，加熱層溫度較高，內膽與外殼為金屬材質，溫度底，熱量由加熱層傳至內膽，再由內膽傳到廚余垃圾桶保溫箱內部，因此整體呈現由內而外遞增分布，加熱層加熱的目的是為廚余垃圾桶保護保溫箱內部溫度滿足菌種分解廚余垃圾的溫度條件。因此，需要確定廚余垃圾桶保溫箱內部的最低溫度是否滿足菌群所需溫度(30 ℃～60 ℃)。

為更直觀地觀察保溫箱內溫度的分布，在底部一水平面上進行剖切分析溫度場分布，計算結果如圖3所示，依據圖示結果可以看出在水平面上溫度呈現波狀分布，溫度由中心向四周遞增，且中心最低溫度在38.227 ℃，達到了菌群降解廚余垃圾的溫度條件。

圖3 36000 s時保溫箱內部水平截面的溫度場分布

廚余垃圾桶保溫箱在加熱過程中內部溫度不會趨于一致，始終有高溫和低溫，因此熱傳遞始終在進行，采用測量平均值的形式來模擬廚余垃圾桶保溫箱的狀態，以廚余垃圾桶保溫箱內膽內側面為測量面，進行測溫。根據計算結果，在整個過程中，溫度在40 ℃～50 ℃之間，滿足所需條件。

3 實驗驗證

3.1 實驗材料和設備

實驗材料為廚余垃圾桶保溫箱、單控溫控器和溫度測量器。

3.2 實驗步驟

(1)將保溫箱放置室內，減少外界溫度變化；

(2)打開加熱層，將溫控器溫度調至65 ℃；

(3)將3個溫度檢測探頭分別懸空放置在保溫箱內部并固定好，如圖4所示，每隔15 min記錄一次溫度，共計40次，求其平均值。

圖4 溫度測量儀擺放位置

3.3 實驗結果及分析

廚余垃圾桶保溫箱內3個位置溫度與模擬結果見表1，由實驗數據可以看出，溫度在垂直方向以中心向上下兩個方向遞減，且下部溫度偏低。在測量過程中，中部位置最先達到最高溫度，其次是中上部，最后才是中下部，中部平均溫度為45.5 ℃，中上部平均溫度為43.5 ℃，中下部平均溫度為37.5 ℃。由于溫度測量器的分辨率為0.5 ℃，因此整體數據均呈現上升趨勢，但無論哪個位置的溫度平均值均在30 ℃～40 ℃之間，仍舊可以保證菌群正常分解廚余垃圾。根據表中試驗數據，試驗數值與模擬數值最大誤差為2.8 ℃，最小誤差為1.9 ℃，平均誤差為2.5 ℃，誤差在允許范圍內。

4 結語

(1)利用ANSYS Workbench對廚余垃圾桶保溫箱進行了溫度場仿真模擬分析，在外部環境為22 ℃時，加熱層加熱到65 ℃下10 h后的內部溫度場分布情況。

表1 不同測溫點數值

(2)結果表明，廚余垃圾桶保溫箱在加熱層加熱到65 ℃后，廚余垃圾桶保溫箱內部溫度平均在40 ℃～50 ℃，溫度由中部向水平方向遞增，向垂直方向遞減。

(3)按照模擬數據對廚余垃圾桶保溫層進行實驗驗證，結果表面，廚余垃圾桶保溫箱的內部溫度符合所要求的溫度條件，實驗誤差處于可接受范圍內。