基于ANSYS的厨余垃圾桶保温箱温度场数值模拟

倪 洲 陆付港 徐 伟 成 江

(三江学院机械与电气工程学院，江苏 南京 210012)

0 引言

目前，国家正在大力发展可循环利用资源，生活垃圾中蕴含着大量的可二次利用资源，特别是厨余垃圾可以用于做绿植肥料、生物燃料等，但由于人们没有可以合理放置和处理厨余垃圾的设备，这就导致了我国厨余垃圾回收利用率极低[1-2]。厨余垃圾减量化可以通过干燥、自然氧化、微生物分解3个途径实现，当今社会人们生活节奏快，时间紧凑，家用厨余垃圾桶的功能显得尤为重要。本文利用有限元对厨余垃圾桶保温层建立计算机模型并进行数值分析，最终根据计算机仿真结果与实际试验数据对比，对厨余垃圾桶保温箱进行简单的结构优化。

1 厨余垃圾桶保温箱结构设计

厨余垃圾桶的保温箱主要用于存放厨余垃圾和微生物，并保证微生物在厨余垃圾桶保温箱内分解厨余垃圾，因此将厨余垃圾桶保温箱设计分为4层，分别为：内胆、加热层、保温层和外壳，分解处理后的有机物等残渣需要取出，因此在保温箱下面保留两个出料口。保温箱底部厚度为5 mm，厨余垃圾桶保温箱总高度为240 mm，两个出料口为两个扇形口，内圆尺寸为97.5 mm，外圆尺寸为126.5 mm，夹角角度均为66°，保温箱的内胆、外壳与底部均为不锈钢材质，保温层为聚丙烯材料，且不锈钢导热系数为17.5 W/(m·K)，密度为7750 kg/m3。

2 厨余垃圾桶保温箱的数值模拟

2.1 数字模型

按照设计，厨余垃圾桶保温箱在进行加热保温时，垃圾桶箱盖应处于关闭状态，因此在将三维模型导入ANSYS前对三维模型进行加盖，如图1所示，垃圾盖的材质为透明亚克力[3]，密度为1.2 g/cm3，导热系数为0.18 W/(m·K)。确定加热层工作时温度恒定为65 ℃，外部环境取为0 ℃，要求厨余垃圾桶保温箱内部温度保持在30 ℃～60 ℃，以确保微生物能维持活性，持续分解。

图1 保温箱三维模型(加盖)

为计算简易，进行以下假设：

(1)保温箱和盖子材料分布均匀，视为各向同性；

(2)忽略盖子与保温箱之间的缝隙；

(3)箱内空气不压缩不流动，依据设计，保温箱内为空气、菌种、厨余垃圾，为简化计算，将内部假定为只有空气的状态，并建立三维模型；

(4)内胆与外壳初始温度为22 ℃。

整个实验过程中，由于外部环境的温度变化幅度在很小的范围内，因此所用材料和内部空气的各项参数是不变的。对三维模型进行进一步完善得到最终的三维模型。将修改后的维模型导入ANSYS Workbench进行网格划分。

在直角坐标系下，温度场可表示为：T=f(x，y，z，t)

式中：T为材料内部温度场；x、y、z为物体所在空间坐标；t为材料的导热时间。

根据物体的温度场在时间坐标系的不同属性，温度场可以分为稳态温度场和瞬态温度场两类[4-5]。傅里叶定律中，提出了具有揭示物体内部的导热规律的基本表达式：

式中：Q为导热率，单位为W；A为传热面积，单位为m2；x为传热厚度，单位为m；ΔT为材料两侧的温度差，单位为K；K为导热系数，单位为W/(m·K)；T1为材料外侧温度，单位为K；T2为材料内侧温度，单位为K。

2.2 数值模拟结果及分析

在ANSYS workbench中进行热分析前，需要将模型划分为若干个有限个单元，通过软件分析，共分出14591个单元；设定加热层为热源，初始温度为22 ℃；设定各部分与加热层热量交换，其余各部分初始温度均为22 ℃；最终设定求解时间，总求解时间设定为10 h，加热层从0～1500 s将温度从22 ℃升至60 ℃，随后将温度维持在60 ℃。经过计算得到了厨余垃圾桶保温箱在设定条件下10 h后的温度场分布如图2所示。

图2 36000 s时保温箱内部温度场分布(剖切视图)

对温度场分布结果进行分析，对所得结果进行剖析。经过10 h后，厨余垃圾桶保温箱内的温度由中心向外递增，且在垂直方向上底部与顶部温度较低。温度主要传递是由加热层向内部传导热量，加热层温度较高，内胆与外壳为金属材质，温度底，热量由加热层传至内胆，再由内胆传到厨余垃圾桶保温箱内部，因此整体呈现由内而外递增分布，加热层加热的目的是为厨余垃圾桶保护保温箱内部温度满足菌种分解厨余垃圾的温度条件。因此，需要确定厨余垃圾桶保温箱内部的最低温度是否满足菌群所需温度(30 ℃～60 ℃)。

为更直观地观察保温箱内温度的分布，在底部一水平面上进行剖切分析温度场分布，计算结果如图3所示，依据图示结果可以看出在水平面上温度呈现波状分布，温度由中心向四周递增，且中心最低温度在38.227 ℃，达到了菌群降解厨余垃圾的温度条件。

图3 36000 s时保温箱内部水平截面的温度场分布

厨余垃圾桶保温箱在加热过程中内部温度不会趋于一致，始终有高温和低温，因此热传递始终在进行，采用测量平均值的形式来模拟厨余垃圾桶保温箱的状态，以厨余垃圾桶保温箱内胆内侧面为测量面，进行测温。根据计算结果，在整个过程中，温度在40 ℃～50 ℃之间，满足所需条件。

3 实验验证

3.1 实验材料和设备

实验材料为厨余垃圾桶保温箱、单控温控器和温度测量器。

3.2 实验步骤

(1)将保温箱放置室内，减少外界温度变化；

(2)打开加热层，将温控器温度调至65 ℃；

(3)将3个温度检测探头分别悬空放置在保温箱内部并固定好，如图4所示，每隔15 min记录一次温度，共计40次，求其平均值。

图4 温度测量仪摆放位置

3.3 实验结果及分析

厨余垃圾桶保温箱内3个位置温度与模拟结果见表1，由实验数据可以看出，温度在垂直方向以中心向上下两个方向递减，且下部温度偏低。在测量过程中，中部位置最先达到最高温度，其次是中上部，最后才是中下部，中部平均温度为45.5 ℃，中上部平均温度为43.5 ℃，中下部平均温度为37.5 ℃。由于温度测量器的分辨率为0.5 ℃，因此整体数据均呈现上升趋势，但无论哪个位置的温度平均值均在30 ℃～40 ℃之间，仍旧可以保证菌群正常分解厨余垃圾。根据表中试验数据，试验数值与模拟数值最大误差为2.8 ℃，最小误差为1.9 ℃，平均误差为2.5 ℃，误差在允许范围内。

4 结语

(1)利用ANSYS Workbench对厨余垃圾桶保温箱进行了温度场仿真模拟分析，在外部环境为22 ℃时，加热层加热到65 ℃下10 h后的内部温度场分布情况。

表1 不同测温点数值

(2)结果表明，厨余垃圾桶保温箱在加热层加热到65 ℃后，厨余垃圾桶保温箱内部温度平均在40 ℃～50 ℃，温度由中部向水平方向递增，向垂直方向递减。

(3)按照模拟数据对厨余垃圾桶保温层进行实验验证，结果表面，厨余垃圾桶保温箱的内部温度符合所要求的温度条件，实验误差处于可接受范围内。