【正文】 sinbiF ???徑 向 (21) 徑向動(dòng)量的增長同被圓盤帶著轉(zhuǎn)動(dòng)的流體的離心力相平衡， 2Fr????離 (22) 臨沂師范學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 13 ? 為被帶著轉(zhuǎn)動(dòng)的流體層的厚度的量度 ,? 為圓盤旋轉(zhuǎn)的角速度， r 為圓盤半徑 ， 故切應(yīng)力的徑向分量與 ???2 r 成比例，即： 2sinbi r? ? ?? ?? (23) 即： 2 sinbi r? ?? ? ?? 應(yīng)力的周向分量 cosbiF ???切 周 (24) ? ?0F ?? ??? ? ??切 周 按其量級(jí)可表示為 cosbi v? ? ? ?? (25) 圓盤的旋轉(zhuǎn)速度等于旋轉(zhuǎn)角速度乘以圓盤的半 徑 vr??? 所以 cosbi r? ? ?? ?? (26) 將式 (23)代入 式 (26)得： 2 c os si nrr?? ? ? ? ?? ?? 由實(shí)驗(yàn)可知 ： ? 與半徑無關(guān)，為一個(gè)常量 ，則化簡 上式得 ： 2? ? ??? (27) 根據(jù)運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)定義： ???? (28) ? 為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)， ? 為粘性系數(shù)， ? 為密度 將式 (28)代入 式 (27)得 ： 2???? ? ?12???? (29) 將式 (29)代入 式 (23)得 ： 21 sinb r? ? ?? ?? 由于 ? 為常量，所以 ? ?122bi r? ?? ??? ? ?12bi r? ? ? ??? 轉(zhuǎn)矩 ? 與 1b?? 面積 ? 力臂成 比例 ? ?124r?? ? ?? ? ? 對于半徑為 r 和周向速度為 V 的圓盤，其系數(shù)為 ， 且 vr?? ， 故阻力矩為 ? ?1243 .8 7 2 r? ? ?? ? ? ? ? ? 7 1 2r v r vr?? ? ? 依據(jù)食物垃圾迅速變?yōu)?3 5mm? 顆粒的設(shè)計(jì)結(jié)果要求。這樣，經(jīng)過一個(gè)短暫的起始階段后，便建立了一個(gè)定常流動(dòng)，它對圓盤的旋轉(zhuǎn)施加了相當(dāng)大的阻力。 (1) 流體旋轉(zhuǎn)阻力矩 設(shè)一個(gè)半徑為 R 的圓盤，在本來靜止的流體中旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸通過圓盤的中心且與圓盤垂直。 粉碎刀盤的力學(xué)分析及材料的選擇 １ .粉碎刀盤工作的載荷： 組合刀盤工作時(shí)需克服阻力，為確保刀盤有足夠的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)刀盤時(shí)首先應(yīng)對刀盤所承受的載荷進(jìn)行分析。 接口及刀盤尺寸的確定是參考我國廚房洗滌盆下水口的結(jié)構(gòu)尺寸及食物垃圾多、硬、雜、粗等特點(diǎn) ， 目前我國廚房洗滌盆下水口的結(jié)構(gòu)尺寸基本上是統(tǒng)一的，直徑為114mm ， 只是在輪廓上有大小、深淺之分。其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)和粉碎刀盤為垃圾處理器的關(guān)鍵部分，它們的好壞直接影響食物垃圾處理器的使用效果。 粉碎室內(nèi)壁四周嵌有套裝成一體的由內(nèi)齒環(huán)和端齒圈組成 ， 作為臨沂師范學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 12 固定刀組的齒形碾磨環(huán) ， 它與轉(zhuǎn)盤之間有一間隙 ， 轉(zhuǎn)盤由永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速旋轉(zhuǎn) ，通過固定刀組與旋轉(zhuǎn)刀組實(shí)現(xiàn)多重多向粉碎功能。 圖 4 食物垃圾處理器工作原理圖 粉碎室下部側(cè)壁設(shè) 有排污管 (出水彎管 )， 室內(nèi)裝有多重多向粉碎功能的固定刀組和旋轉(zhuǎn)刀組 ， 旋轉(zhuǎn)刀組由安裝在帶孔轉(zhuǎn)盤上下兩面的粉碎刀組成。這種垃圾處理方式不會(huì)阻塞化糞池 ， 使食物殘?jiān)菀浊謇?， 廚房環(huán)境更加清潔 [23]。 圖 2 帶旋轉(zhuǎn)刀組的轉(zhuǎn)盤 圖 3 固定刀組 轉(zhuǎn)盤由下部高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速旋轉(zhuǎn) ， 依靠內(nèi)齒環(huán)和端齒環(huán)及高速旋轉(zhuǎn)的刀共同對被處理物進(jìn)行破碎，撕拉等作用，通過固定刀組與旋轉(zhuǎn)刀組實(shí)現(xiàn)多重多向粉碎功能。粉碎室內(nèi)壁四周嵌有套裝成一體的 ， 由內(nèi)齒環(huán)和端齒圈組成 ，作為固定 刀組的齒型碾磨環(huán) ， 它與轉(zhuǎn)盤之間有一定間隙 。前部 短片呈齒爪狀 ， 位于垂直方向有夾角的多個(gè)平面內(nèi)。 廚房食物垃圾處理器的工作原理及組成 廚房食物垃圾處理器的工作原理 廚房食物垃圾處理器就是把廢棄食物倒入水池 ， 隨水流下 ， 落入粉碎室內(nèi)腔的轉(zhuǎn)盤1 上。在產(chǎn)甲烷菌群的作用下，生成甲烷和二氧化碳，完成對廚房垃圾有機(jī)廢物顆粒的消化過程。脂肪水解后形成甘油和脂肪酸，并進(jìn)一步 降解形成各種低級(jí)的有機(jī)酸。一般可分為酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵兩個(gè)階段。 廚房食物垃圾破碎后的顆粒在隨水流動(dòng)的過程中，有可能被管道上的淤泥所阻擋而滯留，這時(shí)有機(jī)顆粒依靠厭氧菌群和兼性菌群進(jìn)行厭氧發(fā)酵。 圖 1 食物垃圾處理器的工藝流程圖 荷蘭有研究人員在荷蘭選取一些老城區(qū)做的研究表明：在設(shè)計(jì)的城市管道容量下，不會(huì)堵塞排水管道，而且我國現(xiàn)在正在增加城建管道的容量，廣泛使用塑料管道，增加管道的抗腐蝕性，加大污水廠的處理能力等各項(xiàng)措施，都有利于食物垃圾處理器進(jìn)入千家萬戶 [22]。被粉碎到一定粒度的顆粒進(jìn)入下水道后，在此流速下完全可隨水流沿城建管道送入生活污水處理廠進(jìn)行處理 [21]。由于在進(jìn)行污 水管道的水力學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，其原則是：不沖刷、不淤積、不溢流、要通風(fēng)。據(jù)上 海市環(huán)境研究所和美國賓夕法尼亞的環(huán)境工程研究院最近聯(lián)合調(diào)查顯示， 經(jīng)美國摯通公司的 U系列食物垃圾處理器處理過的食物垃圾在單位體積內(nèi)的分子數(shù)平均低于水分子的含量，食物垃圾的沉淀量少。本文所要設(shè)計(jì)的廚房食物垃圾處理器就是利用粉碎、剪切等方法把廚房食物垃圾快速粉碎成 3 5mm? 的顆粒狀，通過下水裝置排入污水管道系統(tǒng)。因此，我們決定采用第三個(gè)方案。垃圾處理器由投入口、粉碎室、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和排污口四部分組，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為處理器提供動(dòng)力來源，粉碎室內(nèi)裝有多重多向粉碎功能的粉碎刀盤，是食物垃圾進(jìn)行粉碎的場所，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和粉碎刀盤是垃圾處理器 的關(guān)鍵部分，直接影響垃圾處理器的使用效果， 這種機(jī)器 更加適合我國的食物結(jié)構(gòu)和住宅特點(diǎn)。 但是這種機(jī)器由于有風(fēng)機(jī)，所以不能粉碎剛從水池中流下的食 物垃圾，并且此種方案設(shè)計(jì)的機(jī)器噪音大、占地面積大，不能滿足家庭的使用要求。被粉碎的物料隨氣流進(jìn)入分級(jí)室，由于分級(jí)轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，粒子既受到分級(jí)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力作用，又受到氣流粘性作用產(chǎn)生向心力作用，當(dāng)粒子受到的離心力大于向心力時(shí)，既分級(jí)徑上的粗粒子 返回粉碎室繼續(xù)粉碎分級(jí)徑以下的細(xì)粒子隨氣流進(jìn)入集粉器收集 。機(jī)殼內(nèi)壁全部經(jīng)機(jī)加工達(dá)到表面平整光滑，改變了老機(jī)型內(nèi)壁粗糙、 粉 塵堆積 的現(xiàn)象， 但是作為食物垃圾處理器我們需要的是占地面積小，便于連接，同時(shí)耗電量能被一般家庭所接受。 方案論證 方案一：設(shè)計(jì)的機(jī)器利用活動(dòng)齒盤和固定齒盤間的高速相對運(yùn)動(dòng)，使被粉碎 物經(jīng)齒沖擊、磨擦及物料彼此間沖擊等綜合作用獲得粉碎。加上政府在政策和輿論大力宣傳引導(dǎo)，實(shí)行鼓勵(lì)政策，一方面提高了百姓的環(huán)境參與意識(shí)，充分調(diào)動(dòng)社會(huì)力量保護(hù)環(huán)境。 3 有經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益 臨沂師范學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 7 由于我國經(jīng)濟(jì)與科技水平還不十分發(fā)達(dá)，高額投入垃圾處理有較大困難， 許多固體垃圾處理廠在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)后，由于缺乏科學(xué)的管理和資金的支持，處于半停產(chǎn)狀態(tài) ； 一些小區(qū)雖然引進(jìn)廚房垃圾的生化處理機(jī)，但其使用成本太高，己經(jīng)超出百姓的支付能力范圍。 2 于垃圾的再處理 由于廚房垃圾含有大量的水分，給垃圾的焚燒帶來很大的困難，上海浦東垃圾焚燒廠現(xiàn)在就是依靠添加輔助燃料如油進(jìn)行垃圾焚燒，這樣一方面增加垃圾成本，另一方面在能源緊缺的中國還造成能源的大量浪費(fèi)。而減量化位居第一位，可見其重要性。 研究的意義 國外成功的應(yīng)用食物垃圾處理器來減少食物垃圾的經(jīng)驗(yàn)，為我們處理日益增加的食物垃圾開辟了一條新途徑，從而呼喚適合我國的食物垃圾處理器。 課題目的和研究意義 課題目的 依據(jù)我國的實(shí)際情況，研制適合本國的廚房食物垃圾預(yù)處理裝置 —— 廚房食物垃圾處理器，使居民在家中可以直接對廚房垃圾進(jìn)行初 步處理，處理掉的食物垃圾通過下水管路排到陰井中。像 美國摯通公司生產(chǎn)的 U308 型食物垃圾處理器價(jià)格為 1580 元，而 insinkerator 公司生產(chǎn)的同規(guī)格產(chǎn)品價(jià)格竟為 2500 多元，如此高的價(jià)格為食物垃圾處理器在中國的廣泛推廣設(shè)置了障礙。同時(shí)，機(jī)器使用中產(chǎn)生的大噪音 也是不容忽視的因素。由于直接照搬國外產(chǎn)品，它不適合中國的住房特點(diǎn)和飲食結(jié)構(gòu)。 在上世紀(jì)九十年代末，食物垃圾處理器進(jìn)入中國。這種食物垃圾處理器目前在美國的家庭中使用率已很高，并由此波及至其他國家 [25]。由于固體垃圾的處理費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于廢水的處理費(fèi)用，所以綜合全面因素進(jìn)行核算，應(yīng)用食物垃圾處理器可以為國家節(jié)約成本 [2026]。 只有一臺(tái)用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾刀式粉碎機(jī)。海墨的設(shè)計(jì)師在自己的地下室設(shè)計(jì)出了世界上第一臺(tái)食物垃圾處理器，這一富于想象力的設(shè)計(jì)目的是為了減輕自己妻子廚房事務(wù)的負(fù)擔(dān)，并且使廚房環(huán)境更干凈一些。食物垃圾處理器起源于美國。 食物垃圾處理器的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀 目前，世界各國尋 求的方法各不相同 ， 在加拿大，政府向居民免費(fèi)或低價(jià)提供堆肥桶，鼓勵(lì)居民將廚房垃圾在自己家進(jìn)行處理，而美國則鼓勵(lì)居民采用食物垃圾處理器，一種可以安裝在水槽下面的小型機(jī)器。在我國，北京、上海等地也都先后明令禁止運(yùn)用此類垃圾喂牲畜 [16][20]。另外，泔水在運(yùn)輸途中容易變質(zhì)，嚴(yán)重的影響著人們以及牲畜的身體健康。另外，由于化臨沂師范學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 5 肥的低廉價(jià)格及廣泛應(yīng)用，使堆肥的前景并不樂觀。資料表明， 1 顆紐扣電池可以污染 60 萬升的水 [16]， 1 節(jié)一號(hào)電池可以使 21m 的土地失去其使用價(jià)值 [20]。 堆肥 堆肥適合于食物垃圾，我國常采用傳統(tǒng)的厭氧堆肥，但其周期長，常為 36 個(gè)月，并受季節(jié)性影響。在各種垃圾組分中，廚 房殘 余垃圾的含水率最高，而且它的組分含量也最大，所以，影響生活垃圾焚燒效果的主要因素為廚 房殘 余垃圾。另外，我國的垃圾結(jié)構(gòu)也不 適合焚燒，表 2 和表 3 為長春市主城區(qū)生活垃圾的三 種 成分和垃圾各組分的含水率 調(diào)查統(tǒng)計(jì) 。其缺點(diǎn)是產(chǎn)生煙塵污染，投資大。 焚燒 焚燒是在高溫下燃燒垃圾 ,達(dá)到大量削減固體的目的，能迅速實(shí)現(xiàn)垃圾的“減量化”，焚燒后的體積僅為原來的 5%15%[16]，同時(shí)焚燒產(chǎn)生的余熱還可以發(fā)電和供熱，對于土地面積比較小的國家，此種方法受到青睞。食物垃圾中含有更加豐富的有機(jī)物質(zhì)，可回收再利用的成分很高，卻被直接的丟棄，造成能源的浪費(fèi) [1314]。垃圾填埋后，會(huì)釋放大量甲烷等溫室臨沂師范學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 4 氣體，污染空氣產(chǎn)生溫室效應(yīng)的同時(shí)也易引起爆炸，威脅著周圍居民的安全。另外，由于衛(wèi)生填埋產(chǎn)生的滲濾液能使周圍的地下水及土壤受到污染 (美國就曾發(fā)生過花費(fèi)數(shù)百億美元治理被垃圾填埋場滲漏液污染的地下水事件 )，故國外一些國家規(guī)定填埋的垃圾中有機(jī)質(zhì)含量不能超過 5%。 衛(wèi)生填埋 此特點(diǎn)是操作簡單，可處理多種類型的垃圾，但投資大，占地多，垃圾處理沒有減量化和資源化。再者，我國有把餐廚垃圾作為牲畜飼料的習(xí)慣，一些垃圾的細(xì)菌、重金屬 會(huì)通過牲畜的內(nèi)臟危害人體的健康，更有甚者，有一些不法之徒為了謀求 暴利，降低成本，甚至用“浴水油”提煉色拉油來加工食品，毒害百姓 [1820]。由于食物垃圾易腐爛，產(chǎn)生臭氣污染大氣的同時(shí)還使蒼蠅，嶂螂等害蟲橫行，傳播疾病。 廚房食物垃圾的危害 廚房食物垃圾中含有大量易腐物質(zhì)，而我國垃圾收集容器和運(yùn)輸車輛對其并不適宜，從而帶來在垃圾收集和運(yùn)輸過程中的二次污染。 養(yǎng)元素高，可實(shí)施資源化 食物垃圾中營養(yǎng)元素含量高，干物料中粗脂肪約為 29%， 是大豆的 倍；粗蛋白約占 20%， 是玉米的 2 倍，有實(shí)驗(yàn)表明粗脂肪消化率為 %，粗蛋白消化率為 %，其消化率與常規(guī)飼料相近，是生產(chǎn)綠色飼料最理想的原料。 發(fā)熱值又稱發(fā)熱量，是指 1kg 的垃圾完全燃燒后 所釋放出的熱量，人們常用發(fā)熱值臨沂師范學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 3 來衡量或表示垃圾作為燃料的價(jià)值和能力。 食物垃圾的來源比較集中，主要是城鎮(zhèn)菜場垃圾、餐館飲食 垃圾、家庭廚房垃圾及各種市場的瓜果皮等城鎮(zhèn)垃圾。與其他垃圾相比，具有含水量、有機(jī)物含 量、油脂含量及鹽分含量高，營養(yǎng)元素豐富等特點(diǎn)，具有很大的回收利用價(jià)值。 表 1 19882021年上海市生活垃圾成分調(diào)查統(tǒng)計(jì)及 20212021年預(yù)測值 年份 產(chǎn)生量 有機(jī)垃圾（％） 無機(jī)垃圾（％） 紙類 塑料 竹木 布類 廚余 果類 金屬 玻璃 渣石 1988 240