CN209764640U

CN209764640U - 一种堆体阻力测定装置

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Publication number: CN209764640U
Application number: CN201920186297.3U
Authority: CN
Inventors: 程琼仪; 孟海波; 沈玉君; 程红胜
Original assignee: Chinese Academy of Agricultural Engineering CAAE
Current assignee: Chinese Academy of Agricultural Engineering CAAE
Priority date: 2019-02-02
Filing date: 2019-02-02
Publication date: 2019-12-10
Anticipated expiration: 2029-02-02

Abstract

本实用新型涉及一种堆体阻力测定装置，其包括风洞主体、通风量采集系统、金属孔板容器、通风系统、进风气流温控调节系统和气流静压差测量系统；风洞主体由出口段、第一风洞收缩段、第一风洞稳定段、风洞试验段、第二风洞稳定段、第二风洞收缩段和进口段构成；出口段依次与第一风洞收缩段、第一风洞稳定段、风洞试验段、第二风洞稳定段、进口段和第二风洞收缩段连接；位于出口段处设置有通风量采集系统，并在风洞试验段内设置有金属孔板容器，通风系统与金属孔板容器连接，进风气流温控调节系统和气流静压差测量系统都与风洞试验段连接。本实用新型可得到整个堆肥阶段堆体的阻力及阻力系数，为堆体内部环境条件进行CFD模拟奠定了基础。

Description

一种堆体阻力测定装置

技术领域

本实用新型涉及一种堆肥测试领域，特别是关于一种堆体阻力测定装置。

背景技术

影响堆肥效果的过程参数包括堆体内部温度及氧气浓度等，而通风是影响温度、氧气浓度及其分布的重要因素之一。现阶段主要通过现场测试或理论计算探究堆体内部温度值、氧气浓度及其分布，从而评估通风系统的效果。但现场测试存在着测点有限、试验时间长、实验变量难以控制和成本高的缺陷；理论计算适用范围有限，无法计算较复杂的非线性流动现象。在通风系统研究方面，除以上研究方法，CFD(近代流体力学)亦得到广泛应用。

CFD是使用数值方法通过计算机对流体力学的控制方程进行求解，以此来分析流场流动。其能克服测点有限的问题，输出的结果更为全面，可对气流模式进行定量和定性分析。CFD具有省时、省力、经济及高效的特点，在广泛应用于工民建内通风系统的研究上。但在堆肥通风系统中的研究较为少见。在进行CFD模拟之前，为了减少网格数量，降低计算时间，需要对堆体模型进行合理简化。对于疏松多孔的堆肥底物而言，可行的模型简化方式之一为将其简化为多孔介质。而为将多孔介质模型运用到堆体环境模拟中，需要计算出多孔介质的阻力系数。阻力系数通过回归气流进风速度及气流通过堆体后的静压降得出。由于堆体在整个堆肥过程中孔隙度会发生变化，所以需要在不同堆肥阶段对堆体的气流阻力进行测量。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种堆体阻力测定装置，其能得到整个堆肥阶段堆体的阻力及阻力系数，操作简单，实用性强，且对堆肥过程影响较小。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种堆体阻力测定装置，其包括风洞主体、通风量采集系统、金属孔板容器、通风系统、进风气流温控调节系统和气流静压差测量系统；所述风洞主体由出口段、第一风洞收缩段、第一风洞稳定段、风洞试验段、第二风洞稳定段、第二风洞收缩段和进口段构成；所述出口段依次与所述第一风洞收缩段、所述第一风洞稳定段、所述风洞试验段、所述第二风洞稳定段、所述进口段和所述第二风洞收缩段连接；位于所述出口段处设置有所述通风量采集系统，并在所述风洞试验段内设置有所述金属孔板容器，所述通风系统与所述金属孔板容器连接，所述进风气流温控调节系统和所述气流静压差测量系统都与所述风洞试验段连接。

进一步，所述通风量采集系统包括负压风洞风机、风洞风机变频器、风洞流量计和流量数据采集仪；所述负压风洞风机设置在所述出口段的出口处，所述负压风洞风机的控制端与所述风洞风机变频器连接；位于所述出口段侧壁上设置有所述风洞流量计，所述风洞流量计将采集到的所述出口段内风量数据传输至所述流量数据采集仪。

进一步，所述通风系统包括堆肥系统通风管道、堆肥通风正压风机、通风变频器和PLC；所述堆肥系统通风管道一端位于所述金属孔板容器的底部，所述金属孔板容器内装满堆肥；所述堆肥系统通风管道另一端与所述堆肥通风正压风机的出口连接，所述堆肥通风正压风机的控制端经所述通风变频器与所述PLC连接。

进一步，位于所述金属孔板容器底部的所述堆肥系统通风管道上设置有若干小孔。

进一步，所述进风气流温控调节系统包括进风气流加热器、加热变频器、进风温度探头、堆体温度探头、显示器和所述PLC；所述风气流加热器设置在所述进口段的前端，所述风气流加热器的控制端经所述加热变频器与所述PLC连接；位于所述风洞试验段内，在所述金属孔板容器外部靠近所述进口段侧设置有所述进风温度探头；位于所述金属孔板容器的堆肥内，设置有若干所述堆体温度探头；所述进风温度探头和所述堆体温度探头将采集到的温度信息传输至所述PLC，所述PLC根据接收到的信息控制所述加热变频器工作；所述进风温度探头和所述堆体温度探头采集到的温度信息还传输至所述显示器。

进一步，所述气流静压差测量系统包括压力探头、压差计和数据采集器；位于所述第二风洞稳定段内，靠近所述风洞试验段处设置有所述压力探头，在所述风洞试验段内所述金属孔板容器外部靠近所述第一风洞稳定段处也设置有所述压力探头；所述压力探头将检测到的压力信号经所述压差计传输至所述数据采集器。

进一步，所述进口段的进风口处设置有蜂窝器。

进一步，位于所述进口段的所述蜂窝器内侧设置有两块阻尼网。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型采用正压送风，堆体通风量根据堆体内部温度调节，与实际堆肥情况一致。2、本实用新型的风洞进风温度根据堆体内部温度进行调节，避免风洞通风带走堆体热量，影响堆肥过程。3、本实用新型可对整个堆肥过程堆体阻力进行测定，获得阻力系数，操作简单，实用性强。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型的蜂窝器结构示意图；

图3是本实用新型的阻尼网结构示意图；

图4是本实用新型的堆肥通风系统风管平面示意图。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

如图1～图4所示，本实用新型提供一种堆体阻力测定装置，其包括风洞主体、通风量采集系统、金属孔板容器1、通风系统、进风气流温控调节系统和气流静压差测量系统。风洞主体由出口段2、第一风洞收缩段3、第一风洞稳定段4、风洞试验段5、第二风洞稳定段6、第二风洞收缩段7和进口段8构成；出口段2依次与第一风洞收缩段3、第一风洞稳定段4、风洞试验段5、第二风洞稳定段6、进口段8和第二风洞收缩段7连接。位于出口段2处设置有通风量采集系统，并在风洞试验段5内设置有金属孔板容器1，通风系统与金属孔板容器1连接。进风气流温控调节系统和气流静压差测量系统都与风洞试验段5连接。

在一个优选的实施例中，通风量采集系统包括负压风洞风机9、风洞风机变频器10、风洞流量计11和流量数据采集仪12。负压风洞风机9设置在出口段2的出口处，负压风洞风机9的控制端与风洞风机变频器10连接，由风洞风机变频器10调节负压风洞风机9的通风量；位于出口段2侧壁上设置有风洞流量计11，风洞流量计11将采集到的出口段2内风量数据传输至流量数据采集仪12，由流量数据采集仪12得到风洞主体的通风量。

在一个优选的实施例中，通风系统包括堆肥系统通风管道13、堆肥通风正压风机14、通风变频器15和PLC 16。堆肥系统通风管道13一端位于金属孔板容器1的底部，金属孔板容器1内装满堆肥；堆肥系统通风管道13另一端与堆肥通风正压风机14的出口连接，堆肥通风正压风机14的控制端经通风变频器15与PLC 16连接。使用时，PLC 16控制通风变频器15工作，由通风变频器15控制堆肥通风正压风机14的通风量；通过PLC 16控制，堆肥通风正压风机14除在堆体气流阻力测定过程中关闭外，其余时间正常开启。

上述实施例中，位于金属孔板容器1底部的堆肥系统通风管道13上设置有若干小孔。气流由堆肥通风正压风机14送入堆肥系统通风管道13内，气流在堆肥系统通风管道13中流动方向如图4所示，气流通过若干小孔进入堆肥。

在一个优选的实施例中，进风气流温控调节系统包括进风气流加热器17、加热变频器18、进风温度探头19、堆体温度探头20、显示器21和PLC 16。风气流加热器17设置在进口段8的前端，以确保风洞进风温度与堆体内部温度一致；风气流加热器17的控制端经加热变频器18与PLC 16连接，加热变频器18在PLC 16控制下实现对风气流加热器17功率的调节。位于风洞试验段5内，在金属孔板容器1外部靠近进口段8侧设置有进风温度探头19；位于金属孔板容器1的堆肥内，设置有若干堆体温度探头20。进风温度探头19和堆体温度探头20将采集到的温度信息传输至PLC 16，由PLC 16根据接收到的信息控制加热变频器18工作。其中，进风温度探头19和堆体温度探头20采集到的温度信息还传输至显示器21内进行数据实时显示。

在一个优选的实施例中，气流静压差测量系统包括压力探头22、压差计23和数据采集器24。位于第二风洞稳定段6内，靠近风洞试验段5处设置有压力探头22，在风洞试验段5内金属孔板容器1外部靠近第一风洞稳定段4处也设置有压力探头22；压力探头22将检测到的压力信号经压差计23传输至数据采集器24内，进而得到在堆肥通风正压风机14输送的通风量下气流经过风洞试验段5的气流阻力。

上述各实施例中，位于进口段8的进风口处设置有蜂窝器25(如图2所示)，该蜂窝器25由若干六角形截面的蜂洞构成，用于降低气流湍流度。

上述各实施例中，位于进口段8的蜂窝器25内侧设置有两块阻尼网26。为确保阻尼网26的湍流降低效果，应保证阻尼网26的网孔面积与总面积之比大于0.57，两块阻尼网26之间的距离应大于30倍的网孔宽度(如图3所示)。

上述各实施例中，风洞试验段5的宽大于1m，高大于1m，长大于1m，可容纳最小1m×1m×1m的金属孔板容器1，确保堆肥活动正常进行。

上述各实施例中，第二风洞收缩段7的表面光滑，厚度大于0.5m，最大长和宽大于2.8m，以保证降低进风气流湍流度的效果。

上述各实施例中，第二风洞稳定段6长度不小于2m，第一风洞稳定段4长度不小于3.5m；第一风洞收缩段3的收缩角(全角)大于10°，收缩比小于3，以确保气流进入风洞试验段5后处于稳定状态，在风洞出口处无回流，该收缩段洞壁无气流分离。

基于上述装置，本实用新型还提供一种堆体阻力系数获取方法，其包括以下步骤：

1)在金属孔板容器1为空置状态时，在至少5个等级的风洞通风量情况下分别测量与之对应的风洞试验段气流阻力；

具体为：将堆肥通风正压风机14、通风变频器15、堆肥系统通风管道13及风洞进风气流加热器17关闭；打开负压风洞风机9，通过风洞风机变频器10调节风洞主体进风量，通过风洞流量计11和流量数据采集仪12得到风洞主体的通风量，通过压差计23和数据采集器24得到不同通风量下气流经过风洞试验段5的气流阻力。

2)将金属孔板容器1内装满堆肥，在与步骤1)相同的风洞通风量情况下分别测量在此风速下风洞试验段气流阻力；

其中，为保证堆肥过程正常进行，堆肥正压风机10的通风量根据堆体温度探头20测得的温度由通风变频器15进行调节；

通过PLC 16控制，堆肥正压风机10正压送风除在堆体气流阻力测定过程中关闭外，其余时间正常开启。

3)在堆体阻力测量过程中，为防止进风气流温度与堆体温度存在过大温差，使得风洞通风带走堆体热量，影响堆肥过程进行。根据堆体温度探头20与进风温度探头19所测得温度，通过PLC 16调控加热变频器18运行，从而调节进风气流加热器17的功率，使得进风温度与堆体温度无差异。通过风洞风机变频器10，调节负压风洞风机风量7，与步骤1)、步骤2)中通风量相同。重复步骤1)，得到不同通风量下在某一堆肥阶段气流经过风洞试验段的阻力。

4)将金属孔板容器1分别为空置及装满堆体时，在相同通风量情况下得到的气流阻力相减，取绝对值，可得到在不同通风量情况下堆体的气流阻力。

5)根据风洞气流流量与风洞进风速度的关系式，可得到不同通风量对应的进风速度。根据式(2)，将不同进风速度及相应情况下的堆体阻力进行一元二次回归，且设置常数项为零，可得到在某一堆肥阶段堆体的阻力系数；

风洞气流流量与风洞进风速度的关系式为：

Q＝VS (1)

式中，Q为风洞气流流量，单位为m³s^-1；V为风洞试验段气流速度，单位为m s^-1；S为风洞试验段截面积，单位为m²；

对于多孔介质的CFD模拟，是在纳维斯托克斯方程右边加入一项源项，此源项包括两部分：粘性损失项和惯性损失项。

式中，ΔP_i为气流通过堆体后的压降，单位为Pa；Δx_i为沿气流方向堆体长度，单位为m；|v|是速度值，单位为m s^-1；D_i和C_i是材料在i(x,y或z)方向既定的粘性和惯性阻力系数,单位分别为m^-2和m^-1；v_i是在i(x,y或z)方向的进风速度，单位为m s^-1；μ是空气的动力粘度，单位为N s m^-2；ρ是气体密度，单位为kg m^-3。对于多孔介质中的层流，粘性损失项占主导地位，而当进风气流速度较大时，惯性损失项处于主导地位。

6)为得到不同的堆肥阶段，堆体的阻力系数，在堆体产热量变化幅度为10％时，或1天/次时，两者中选取小值，开启负压风洞风机9，重复步骤1)至步骤5)，可得到堆肥整个阶段堆体的阻力系数。

上述各实施例仅用于说明本实用新型，各部件的结构、尺寸、设置位置及步骤都是可以有所变化的，在本实用新型技术方案的基础上，凡根据本实用新型原理对个别部件及步骤进行的改进和等同变换，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims

1.一种堆体阻力测定装置，其特征在于：包括风洞主体、通风量采集系统、金属孔板容器、通风系统、进风气流温控调节系统和气流静压差测量系统；所述风洞主体由出口段、第一风洞收缩段、第一风洞稳定段、风洞试验段、第二风洞稳定段、第二风洞收缩段和进口段构成；所述出口段依次与所述第一风洞收缩段、所述第一风洞稳定段、所述风洞试验段、所述第二风洞稳定段、所述进口段和所述第二风洞收缩段连接；位于所述出口段处设置有所述通风量采集系统，并在所述风洞试验段内设置有所述金属孔板容器，所述通风系统与所述金属孔板容器连接，所述进风气流温控调节系统和所述气流静压差测量系统都与所述风洞试验段连接。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述通风量采集系统包括负压风洞风机、风洞风机变频器、风洞流量计和流量数据采集仪；所述负压风洞风机设置在所述出口段的出口处，所述负压风洞风机的控制端与所述风洞风机变频器连接；位于所述出口段侧壁上设置有所述风洞流量计，所述风洞流量计将采集到的所述出口段内风量数据传输至所述流量数据采集仪。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述通风系统包括堆肥系统通风管道、堆肥通风正压风机、通风变频器和PLC；所述堆肥系统通风管道一端位于所述金属孔板容器的底部，所述金属孔板容器内装满堆肥；所述堆肥系统通风管道另一端与所述堆肥通风正压风机的出口连接，所述堆肥通风正压风机的控制端经所述通风变频器与所述PLC连接。

4.如权利要求3所述装置，其特征在于：位于所述金属孔板容器底部的所述堆肥系统通风管道上设置有若干小孔。

5.如权利要求3所述装置，其特征在于：所述进风气流温控调节系统包括进风气流加热器、加热变频器、进风温度探头、堆体温度探头、显示器和所述PLC；所述风气流加热器设置在所述进口段的前端，所述风气流加热器的控制端经所述加热变频器与所述PLC连接；位于所述风洞试验段内，在所述金属孔板容器外部靠近所述进口段侧设置有所述进风温度探头；位于所述金属孔板容器的堆肥内，设置有若干所述堆体温度探头；所述进风温度探头和所述堆体温度探头将采集到的温度信息传输至所述PLC，所述PLC根据接收到的信息控制所述加热变频器工作；所述进风温度探头和所述堆体温度探头采集到的温度信息还传输至所述显示器。

6.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述气流静压差测量系统包括压力探头、压差计和数据采集器；位于所述第二风洞稳定段内，靠近所述风洞试验段处设置有所述压力探头，在所述风洞试验段内所述金属孔板容器外部靠近所述第一风洞稳定段处也设置有所述压力探头；所述压力探头将检测到的压力信号经所述压差计传输至所述数据采集器。

7.如权利要求1至6任一项所述装置，其特征在于：所述进口段的进风口处设置有蜂窝器。

8.如权利要求7所述装置，其特征在于：位于所述进口段的所述蜂窝器内侧设置有两块阻尼网。