文本模板-食物垃圾處理器設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 垃圾處理器卻仍為空白，相關資料很少。由于直接照搬國外產品，它不適合中國的住房特點和飲食結構。首先，國外機器采用交流電動機，交流電動機的特點是結構簡單，轉速范圍廣，維護方便，但它噪音大，體積大且笨重，歐美國家廚房的水槽偏厚，可以承受住大壓力，可中國水槽薄，食物垃圾處理器很容易把水槽壓 壞。同時，機器使用中產生的大噪音 也是不容忽視的因素。另外，國外機器價格太高，一般百姓難以承擔。像 美國摯通公司生產的 U308 型食物垃圾處理器價格為 1580 元，而 insinkerator 公司生產的同規格產品價格竟為 2500 多元，如此高的價格為食物垃圾處理器在中國的廣泛推廣設置了障礙。 鑒于以上因素，研制一款適合我國國情的食物垃圾處理器十分必要。 課題目的和研究意義 課題目的 依據我國的實際情況，研制適合本國的廚房食物垃圾預處理裝置 —— 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行初 步處理，處理掉的食物垃圾通過下水管路排到陰井中。這樣就在源頭上避免了食物垃圾造成的污染，同時實現了城市生活垃圾的減量化之目的。 研究的意義 國外成功的應用食物垃圾處理器來減少食物垃圾的經驗，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。另外，從源頭解決處理廚房食物垃圾污染的研究還是有很多優點： 1 減少易腐垃圾數量，提高環境質量 目前，國家對生活垃圾的處理原則是垃圾的減量化、無害化和資源化。而減量化位居第一位，可見其重要性。廚房垃圾處理器為食物垃圾的 破碎預處理裝 置，可對廚房垃圾進行初步處理，不但減少垃圾的堆放量， 同時確保人們有一個健康、整潔的生活環境，進而減少疾病的傳染。 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在就是依靠添加輔助燃料如油進行垃圾焚燒，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。但是若把廚房垃圾在源頭切斷，則可大大的提高生活垃圾的焚燒熱值，同時對垃圾填埋產生的滲漏問題也可大大改觀。 3 有經濟、社會效益 臨沂師范學院 2021 屆本科畢業 設計說明書 7 由于我國經濟與科技水平還不十分發達，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國外先進技術后，由于缺乏科學的管理和資金的支持，處于半停產狀態 ； 一些小區雖然引進廚房垃圾的生化處理機，但其使用成本太高，己經超出百姓的支付能力范圍。擬研制的食物垃圾處理器作為一種面向家庭、賓館及飯店的小型機器，突有體積小，成本底，經濟耐用的特點，可以被人們所接受。加上政府在政策和輿論大力宣傳引導，實行鼓勵政策，一方面提高了百姓的環境參與意識，充分調動社會力量保護環境。另一方面，政府還可把節省下來的大量開支 (例：二次污染治理費、城市生活垃圾運輸費 )用來研制、開發垃圾處理的新項目。 方案論證 方案一：設計的機器利用活動齒盤和固定齒盤間的高速相對運動，使被粉碎 物經齒沖擊、磨擦及物料彼此間沖擊等綜合作用獲得粉碎。 這種機器 結構簡單、堅固、運轉平穩、粉碎效率良好，被粉碎物可直接由主機磨腔中排出，粒度大小通過更換不同孔徑的篩網獲得 。機殼內壁全部經機加工達到表面平整光滑，改變了老機型內壁粗糙、 粉 塵堆積 的現象， 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，同時耗電量能被一般家庭所接受。 方案二：設計的機器 采用刀片切割和高速氣流沖擊，碰撞雙重粉碎功能于一體，在刀片切割粉碎過程中，轉子產生 高速氣流隨刀片切割方向旋轉，物料在氣流中加速，并反復沖擊使物料同時受到雙重粉碎，加速物料的粉碎率。被粉碎的物料隨氣流進入分級室，由于分級轉子的高速旋轉，粒子既受到分級轉子產生的離心力作用，又受到氣流粘性作用產生向心力作用，當粒子受到的離心力大于向心力時，既分級徑上的粗粒子 返回粉碎室繼續粉碎分級徑以下的細粒子隨氣流進入集粉器收集 。這種機器 具有能耗低，工藝流程短 ， 占地面積小，無粉塵污染，產生熱量小，成品粒度細，粉碎范圍廣，物料含水量不限，進料粒度不限等特點。 但是這種機器由于有風機，所以不能粉碎剛從水池中流下的食 物垃圾，并且此種方案設計的機器噪音大、占地面積大，不能滿足家庭的使用要求。 方案三：設計的機器工作原理 在刀盤高速旋轉時，被處理物不會與刀盤同步旋轉，從而產生一個速度差，加上離心力對被處理物的作用，使被處理物與刀盤的運動又不同向，這樣，依靠內齒環和端齒環及高速旋轉刀共同對被處理物的破碎，撕拉等作用，使食物垃圾迅速變為 35mm 顆粒。垃圾處理器由投入口、粉碎室、驅動電機和排污口四部分組，驅動電機為處理器提供動力來源，粉碎室內裝有多重多向粉碎功能的粉碎刀盤，是食物垃圾進行粉碎的場所，驅動電機和粉碎刀盤是垃圾處理器 的關鍵部分，直接影響垃圾處理器的使用效果， 這種機器 更加適合我國的食物結構和住宅特點。避免了目前同臨沂師范學院 2021 屆本科畢業 設計說明書 8 類產品完全采用交流電機、國外進口電機、選用昂貴材料的做法，使機器的制造和使用成本降低 ，滿足一般家庭的使用需要。因此，我們決定采用第三個方案。 臨沂師范學院 2021 屆本科畢業 設計說明書 9 2 廚房食物垃圾處理器的設計 廚房食物垃圾處理器的可行性分析 固體垃圾的破碎裝置有碾磨、剪切、粉碎等多種方式，這是固體垃圾處理的預處理階段。本文所要設計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。 排入污水管道的垃圾，其顆粒越小或密度越接近于水的密度，則顆粒不會沉淀。據上 海市環境研究所和美國賓夕法尼亞的環境工程研究院最近聯合調查顯示， 經美國摯通公司的 U系列食物垃圾處理器處理過的食物垃圾在單位體積內的分子數平均低于水分子的含量，食物垃圾的沉淀量少。廢水由高處依靠重力作用以一定的流速流入污水管道系統。由于在進行污 水管道的水力學設計時，其原則是：不沖刷、不淤積、不溢流、要通風。 所以在我國規定，污水溝道的最小流速為 。被粉碎到一定粒度的顆粒進入下水道后，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行處理 [21]。食物垃圾處理器的工藝流程圖 如圖 1 所示。 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做的研究表明：在設計的城市管道容量下，不會堵塞排水管道，而且我國現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措施，都有利于食物垃圾處理器進入千家萬戶 [22]。但是，由于國外情況與我國并不完全相同而且食物垃圾處理器對人們來說還是一個新事物，所以它能否被人們所接受，大量使用后的狀況如何等問題還需要進一步去驗證。 廚房食物垃圾破碎后的顆粒在隨水流動的過程中，有可能被管道上的淤泥所阻擋而滯留，這時有機顆粒依靠厭氧菌群和兼性菌群進行厭氧發酵。由于參加反應的微生物種類多，這一過程很復雜。一般可分為酸性發酵和堿性發酵兩個階段。在酸性發酵的過程220V 交流電源 水 旋轉電機 食物垃 圾 食物垃圾處理器粉碎室 粉碎刀 組 ≤ 5 ㎜的 顆粒流入 下水道 污水處理廠 臨沂師范學院 2021 屆本科畢業 設計說明書 10 中，纖維素、淀粉等碳水化合物水解成單糖，蛋白質水解成氨基酸，再經脫氨基作用形成有機酸和氨。脂肪水解后形成甘油和脂肪酸，并進一步 降解形成各種低級的有機酸。產氫和產乙酸菌群把上述水解發酵產物進一步分解為乙酸、氫和二氧化碳。在產甲烷菌群的作用下，生成甲烷和二氧化碳，完成對廚房垃圾有機廢物顆粒的消化過程。流入生活污水處理廠的有機顆粒可作為營養元為污泥提供營養，也可提取作為肥料再利用，這里不加以詳細論述。 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 ， 落入粉碎室內腔的轉盤1 上。 盤中短柱軸 2 上裝有兩只可動破碎角爪 3， 盤下有條狀粉碎刀 4， 其根部相連。前部 短片呈齒爪狀 ， 位于垂直方向有夾角的多個平面內。盤上可動破碎角爪與盤下粉碎刀組成旋轉刀組如圖 2 所示。粉碎室內壁四周嵌有套裝成一體的 ， 由內齒環和端齒圈組成 ，作為固定 刀組的齒型碾磨環 ， 它與轉盤之間有一定間隙 。 固定刀組如圖 3 所示。 圖 2 帶旋轉刀組的轉盤 圖 3 固定刀組 轉盤由下部高啟動轉矩永磁電機驅動高速旋轉 ， 依靠內齒環和端齒環及高速旋轉的刀共同對被處理物進行破碎，撕拉等作用，通過固定刀組與旋轉刀組實現多重多向粉碎功能。落入粉碎室的水果 皮、魚肉碎骨、果殼、蛋殼、剩飯、剩菜、蔬菜皮、咖啡渣、茶葉等廢棄物通過切、敲、磨、搗、撕等多重機械粉碎迅速變成微小顆粒 ,與水混合成糊狀漿液 ， 使食物垃圾迅速變為 3 5mm? 顆粒，隨水流沖入下水道。這種垃圾處理方式不會阻塞化糞池 ， 使食物殘渣容易清理 ， 廚房環境更加清潔 [23]。 臨沂師范學院 2021 屆本科畢業 設計說明書 11 廚房食物垃圾處理器的組成 設計的廚房食物垃圾處理器主要有入口部分、粉碎室、驅動電機和排污管組成 ， 食物垃圾處理器工作原理 如圖 4 所示。 圖 4 食物垃圾處理器工作原理圖 粉碎室下部側壁設 有排污管 (出水彎管 )， 室內裝有多重多向粉碎功能的固定刀組和旋轉刀組 ， 旋轉刀組由安裝在帶孔轉盤上下兩面的粉碎刀組成。 當水池內的食物垃圾 ， 經入口進入粉碎室 ， 隨水流下 ，便落入粉碎室內腔的轉盤上盤中短軸上裝有兩只可動錐形破碎角爪 ， 盤上有菱形粉碎刀 ，盤上可動破碎角爪與固定粉碎刀組成旋轉刀組。 粉碎室內壁四周嵌有套裝成一體的由內齒環和端齒圈組成 ， 作為臨沂師范學院 2021 屆本科畢業 設計說明書 12 固定刀組的齒形碾磨環 ， 它與轉盤之間有一間隙 ， 轉盤由永磁電機驅動高速旋轉 ，通過固定刀組與旋轉刀組實現多重多向粉碎功能。 落入粉碎室的水果皮、魚刺、碎骨、蛋殼、剩飯菜等廢物通過 切、撕、磨等多種刀具粉碎迅速變成小于 5mm 的微小顆粒 ， 隨水流沖入下水管 ， 這樣就避免了下水管的堵塞。其中驅動電機和粉碎刀盤為垃圾處理器的關鍵部分，它們的好壞直接影響食物垃圾處理器的使用效果。 粉碎刀盤組合刀具結構設計 刀具基本尺寸的確定 食物垃圾研磨機的最關鍵部件是粉碎刀盤的結構設計 ， 由于它獨特的位置和功能 ,在設計時必須保證它既耐腐蝕、不容易生銹 ， 又要滿足一定的強度和剛度 ， 根據這些特點 ， 我們選取 1Cr13 不銹鋼材料，其材料參數為： 彈性模量 200GΡaE? ， 泊松比 ?? ，密度 m?? 。 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構尺寸及食物垃圾多、硬、雜、粗等特點 ， 目前我國廚房洗滌盆下水口的結構尺寸基本上是統一的，直徑為114mm ， 只是在輪廓上有大小、深淺之分。經計算確定了刀盤的直徑 ： 114mmd? ， 厚度： 3mmt? [23]。 粉碎刀盤的力學分析及材料的選擇 １ .粉碎刀盤工作的載荷： 組合刀盤工作時需克服阻力，為確保刀盤有足夠的強度，設計刀盤時首先應對刀盤所承受的載荷進行分析。我們把刀盤理想為一個繞中心軸旋轉的一塊薄板，在它上面作用流體旋轉阻力矩以及破碎食物垃圾 (削、撕、磨 )時的阻力。 (1) 流體旋轉阻力矩 設一個半徑為 R 的圓盤，在本來靜止的流體中旋轉，轉軸通過圓盤的中心且與圓盤垂直。由于圓盤旋轉時，緊靠圓盤的流體層被圓盤上的摩擦阻力帶動作圓周運動，受慣性力的作用流體層往 外流，并在圓盤的外緣處離開圓盤 ； 而新的流體層則逼近圓盤，并依次外拋。這樣，經過一個短暫的起始階段后，便建立了一個定常流動，它對圓盤的旋轉施加了相當大的阻力。 設：圓盤上單位體積的流體，切應力 bi? 的方向與圓盤成 ? 角。 切應力的徑向分量 sinbiF ???徑 向 (21) 徑向動量的增長同被圓盤帶著轉動的流體的離心力相平衡， 2Fr????離 (22) 臨沂師范學院 2021 屆本科畢業 設計說明書 13 ? 為被帶著轉動的流體層的厚度的量度 ,? 為圓盤旋轉的角速度， r 為圓盤半徑 ， 故切應力的徑向分量與 ???2 r 成比例，即： 2sinbi r? ? ?? ?? (23) 即： 2 sinbi r? ?? ? ?? 應力的周向分量 cosbiF ???切 周 (24) ? ?0F ?? ??? ? ??切 周 按其量級可表示為 cosbi v? ? ? ?? (25)