The optimization of heat extraction from compost

Composting is an exothermic process that results in the degradation of organic matter into a useful material that can be used as a soil amendment in agricultural applications. Since it is exothermic, useful energy from the process can be captured in the form of electricity or heat for air and water. A pilot scale experiment was developed to observe the effects of flow rate in a heat exchanger energy extraction system where copper tubes are inserted in composted filled barrels. Results showed that greater energy was extracted with higher flow rates. The compost temperatures were most affected during heat extraction at the thermophilic stage of composting with comparatively higher flow rates (500 mL min-1 to 1000 mL min-1) being optimal. At later composting stages it is more useful to ramp down the flow rate to below 500 mL min-1.A 3D finite element model was built based on previously published models (Courvoisier & Clark, 2012) that represent composting through changes in process variables (temperature, humidity, oxygen concentration, etc.) in the solid, liquid and gas phases of the compost. In this study an updated model was created using COMSOL™ Multiphysics to simulate mass and energy balances in a cylindrical composter. The model was then validated against the empirical data from the barrel composters. Results showed an agreement between the temperature values from the beginning of the composting till peak thermophilic temperatures at which point they diverged due to a lack of adequate heat transfer boundary conditions in themodel. This work would serve as the first step towards designing optimal compost heat extraction systems based on simulation and empirical data.Le compostage est un procès exothermique dans lequel la matière organique est dégradée pour en obtenir un produit utile qui peut être utilisé comme amendement agriculturale. Du au faite que le procès est exothermique, de l'énergie qui s'y échappe peut être capturé dans la forme d'électricité ou la chaleur pour l'air et l'eau. Une étude pilote a été développer au but d'observer l'effet du débit dans un système d'échangeur de chaleur ou des tuyaux en cuivre sont placé dans des tonneaux rempli de compost. Les résultats ont montré qu'une plus grande quantité d'énergie a été obtenu avec les débits les plus élevés. Les températures du compost ont été les plus affectés par l'extraction d'énergie durant l'étape thermophilique. Pendant cette étape les débits les plus hauts (500 ml min-1 à 1000 ml min-1) sont optimaux. Dans les étapes ultérieures, c'est plus avantageux de diminuer le débit au-dessous 500 ml min-1.La méthode des éléments finis a été utilisée pour construire un modèle mathématique 3D basé sur des modèles précédemment publié (Courvoisier & Clark, 2012). Ce modèle imite le compostage dans ses phases solide, liquide et gazeuse par rapport aux changements dans des variables comme la température, l'humidité et la concentration d'oxygène. Dans cette étude, un modèle actualisé a été construit en utilisant le logiciel COMSOL™ Multiphysics pour simuler les transferts de masse et les bilans énergétiques dans un réacteur en forme de cylindre. Le modèle a ensuite été validé contre des données empiriques qui ont été obtenu de l'étude pilote. Les résultats ont montré une similarité dans les températures du début du compostage jusqu'au début de la phase thermophilique. A partir de ce point, les valeurs empirique et simulé ont divergé du a une manque de conditions aux limites adéquates dans le modèle mathématiques. Cette étude pourra servir à une première étape au but de conceptualiser des systèmes d'extraction d'énergie optimaux basé sur des données simulés et empiriques