基于ANSYS的廚余垃圾桶保溫箱溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

倪 洲 陸付港 徐 偉 成 江

(三江學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210012)

0 引言

目前，國(guó)家正在大力發(fā)展可循環(huán)利用資源，生活垃圾中蘊(yùn)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(shè)備，這就導(dǎo)致了我國(guó)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(gè)途徑實(shí)現(xiàn)，當(dāng)今社會(huì)人們生活節(jié)奏快，時(shí)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(duì)廚余垃圾桶保溫層建立計(jì)算機(jī)模型并進(jìn)行數(shù)值分析，最終根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)廚余垃圾桶保溫箱進(jìn)行簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 廚余垃圾桶保溫箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(nèi)分解廚余垃圾，因此將廚余垃圾桶保溫箱設(shè)計(jì)分為4層，分別為：內(nèi)膽、加熱層、保溫層和外殼，分解處理后的有機(jī)物等殘?jiān)枰〕?，因此在保溫箱下面保留兩個(gè)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(gè)出料口為兩個(gè)扇形口，內(nèi)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(nèi)膽、外殼與底部均為不銹鋼材質(zhì)，保溫層為聚丙烯材料，且不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)為17.5 W/(m·K)，密度為7750 kg/m3。

2 廚余垃圾桶保溫箱的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)字模型

按照設(shè)計(jì)，廚余垃圾桶保溫箱在進(jìn)行加熱保溫時(shí)，垃圾桶箱蓋應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，因此在將三維模型導(dǎo)入ANSYS前對(duì)三維模型進(jìn)行加蓋，如圖1所示，垃圾蓋的材質(zhì)為透明亞克力[3]，密度為1.2 g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.18 W/(m·K)。確定加熱層工作時(shí)溫度恒定為65 ℃，外部環(huán)境取為0 ℃，要求廚余垃圾桶保溫箱內(nèi)部溫度保持在30 ℃～60 ℃，以確保微生物能維持活性，持續(xù)分解。

圖1 保溫箱三維模型(加蓋)

為計(jì)算簡(jiǎn)易，進(jìn)行以下假設(shè)：

(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(nèi)空氣不壓縮不流動(dòng)，依據(jù)設(shè)計(jì)，保溫箱內(nèi)為空氣、菌種、廚余垃圾，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將內(nèi)部假定為只有空氣的狀態(tài)，并建立三維模型；

(4)內(nèi)膽與外殼初始溫度為22 ℃。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，由于外部環(huán)境的溫度變化幅度在很小的范圍內(nèi)，因此所用材料和內(nèi)部空氣的各項(xiàng)參數(shù)是不變的。對(duì)三維模型進(jìn)行進(jìn)一步完善得到最終的三維模型。將修改后的維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

在直角坐標(biāo)系下，溫度場(chǎng)可表示為：T=f(x，y，z，t)

式中：T為材料內(nèi)部溫度場(chǎng)；x、y、z為物體所在空間坐標(biāo)；t為材料的導(dǎo)熱時(shí)間。

根據(jù)物體的溫度場(chǎng)在時(shí)間坐標(biāo)系的不同屬性，溫度場(chǎng)可以分為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和瞬態(tài)溫度場(chǎng)兩類[4-5]。傅里葉定律中，提出了具有揭示物體內(nèi)部的導(dǎo)熱規(guī)律的基本表達(dá)式：

式中：Q為導(dǎo)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(cè)的溫度差，單位為K；K為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m·K)；T1為材料外側(cè)溫度，單位為K；T2為材料內(nèi)側(cè)溫度，單位為K。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

在ANSYS workbench中進(jìn)行熱分析前，需要將模型劃分為若干個(gè)有限個(gè)單元，通過軟件分析，共分出14591個(gè)單元；設(shè)定加熱層為熱源，初始溫度為22 ℃；設(shè)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(shè)定求解時(shí)間，總求解時(shí)間設(shè)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(jīng)過計(jì)算得到了廚余垃圾桶保溫箱在設(shè)定條件下10 h后的溫度場(chǎng)分布如圖2所示。

圖2 36000 s時(shí)保溫箱內(nèi)部溫度場(chǎng)分布(剖切視圖)

對(duì)溫度場(chǎng)分布結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行剖析。經(jīng)過10 h后，廚余垃圾桶保溫箱內(nèi)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(nèi)部傳導(dǎo)熱量，加熱層溫度較高，內(nèi)膽與外殼為金屬材質(zhì)，溫度底，熱量由加熱層傳至內(nèi)膽，再由內(nèi)膽傳到廚余垃圾桶保溫箱內(nèi)部，因此整體呈現(xiàn)由內(nèi)而外遞增分布，加熱層加熱的目的是為廚余垃圾桶保護(hù)保溫箱內(nèi)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(nèi)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(nèi)溫度的分布，在底部一水平面上進(jìn)行剖切分析溫度場(chǎng)分布，計(jì)算結(jié)果如圖3所示，依據(jù)圖示結(jié)果可以看出在水平面上溫度呈現(xiàn)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(dá)到了菌群降解廚余垃圾的溫度條件。

圖3 36000 s時(shí)保溫箱內(nèi)部水平截面的溫度場(chǎng)分布

廚余垃圾桶保溫箱在加熱過程中內(nèi)部溫度不會(huì)趨于一致，始終有高溫和低溫，因此熱傳遞始終在進(jìn)行，采用測(cè)量平均值的形式來(lái)模擬廚余垃圾桶保溫箱的狀態(tài)，以廚余垃圾桶保溫箱內(nèi)膽內(nèi)側(cè)面為測(cè)量面，進(jìn)行測(cè)溫。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在整個(gè)過程中，溫度在40 ℃～50 ℃之間，滿足所需條件。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料為廚余垃圾桶保溫箱、單控溫控器和溫度測(cè)量器。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)將保溫箱放置室內(nèi)，減少外界溫度變化；

(2)打開加熱層，將溫控器溫度調(diào)至65 ℃；

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

圖4 溫度測(cè)量?jī)x擺放位置

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

廚余垃圾桶保溫箱內(nèi)3個(gè)位置溫度與模擬結(jié)果見表1，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，溫度在垂直方向以中心向上下兩個(gè)方向遞減，且下部溫度偏低。在測(cè)量過程中，中部位置最先達(dá)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(cè)量器的分辨率為0.5 ℃，因此整體數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但無(wú)論哪個(gè)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(jù)表中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)值與模擬數(shù)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(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)利用ANSYS Workbench對(duì)廚余垃圾桶保溫箱進(jìn)行了溫度場(chǎng)仿真模擬分析，在外部環(huán)境為22 ℃時(shí)，加熱層加熱到65 ℃下10 h后的內(nèi)部溫度場(chǎng)分布情況。

表1 不同測(cè)溫點(diǎn)數(shù)值

(2)結(jié)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(nèi)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(shù)據(jù)對(duì)廚余垃圾桶保溫層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表面，廚余垃圾桶保溫箱的內(nèi)部溫度符合所要求的溫度條件，實(shí)驗(yàn)誤差處于可接受范圍內(nèi)。