CC BY
43
УДК 631.338.92: 631.861
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
СОЛОМОНАВОЗНЫХ СМЕСЕЙ ПРИ КОМПОСТИРОВАНИИ
М.С.Колдин
На основании экспериментаотных данных и теоретических исследований выявлены качественные закономерности переноса теплоты в капиллярно-пористых телах и дисперсных средах.
Ключевые слова: органическое удобрение, навоз, компостируемая смесь, теплота.
В сельском хозяйстве одним из основных источников производства органических удобрений является навоз, образующийся на животноводческих предприятиях. С учетом необходимости его переработки с точки зрения более эффективного протекания процессов компостирования наиболее предпочтительными являются технологии на основе использования стационарных компостирующих установок [1], которые могут обеспечить поточность и непрерывность производства [2].
Установки данной конструкции позволяют значительно сократить сроки переработки, снизить общие затраты на производство, а также обеспечить высокие агрохимические и товарные качества получаемого удобрения. В них процесс биоферментации компостной смеси влажностью 60...70 % протекает в искусственно создаваемых условиях путем ее аэрации. Это, как правило, указывает на необходимость обоснования конструктивных параметров: высота перерабатываемого слоя; наличие устройств разуплотнения материала; толщина теплоизолирующего слоя и т.д. Наряду с этим, именно теплофизические свойства компостируемых смесей являются определяющими факторами в выборе технологических приемов и технических средств при производстве органических удобрений. Даже простое перечисление всех видов процессов тепло- и массопе-реноса при компостировании соломонавозной смеси делает очевидным тот факт, что эффективная теплопроводность такой системы является сложнейшей функцией многих параметров: температуры, давления газа, химического состава материала и газа, пористости, размеров частиц и пор, степени черноты и температуры граничных поверхностей, коэффициента аккомодации поверхности частиц по отношению к газу наполнителю и других факторов.
Составление, анализ и решение уравнений, учитывающих все виды переноса тепла и все указанные выше факторы процесса биоферментации, является затруднительным. Поэтому все полученные к настоящему времени расчётные соотношения выведены на основе некоторых принципиальных и частных допущений, на основе упрощения физической картины рассматриваемого процесса и идеализированного представления о структуре материала.
Одним из основных допущений, общепринятых при рассмотрении процессов переноса теплоты и массы в дисперсионных средах при определенных условиях, является предположение о совокупности различных механизмов переноса теплоты в таких средах и в связи с этим о возможности пренебрежения тем или иным видом переноса теплоты в определенных условиях. В общем случае анализ многочисленных экспериментальных данных и теоретических исследований позволяет выявить следующие качественные закономерности переноса теплоты в капиллярно-пористых телах и дисперсных средах [3]:
1. Теплопроводность материала частиц капиллярно-пористых тел не оказывает решающего влияния на эффективную теплопроводность.
2. Эффективная теплопроводность капиллярно-пористых тел зависит от влажности смеси.
3. Значительное влияние на эффективную теплопроводность материала оказывает теплопроводность газового микрозазора между частицами дисперсионного материала.
Согласно [3] изменения теплопроводности задав краевые условия и текущие значения координат смеси х; у; 2, параметров времени т, влажности Ж при решении ряда уравнений получим функцию в виде:
Г=/(х;у;2; Ж;т;Пу;ув),
где Пу - пористость смеси;
ув - средняя скорость воздуха, проходящего через смесь.
Определить данную функцию в явной форме аналитическим путём не представляется возможным.
Поэтому, приняв во внимание, что в процессе компостирования соломо-навозных смесей критической фазой является период разогрева до температуры обеззараживания (55оС), необходимо рассмотреть данный процесс на основе уравнения теплового баланса.
Выделившаяся в процессе компостирования теплота @об за период т будет расходоваться непосредственно на нагрев соломонавозной смеси от температуры Тсм1 до температуры Тсм2, теплообмен с окружающей средой Qmеn, на нагрев проходящего через смесь воздуха Qвоз, а также на испарение влаги Qucn. Баланс разогрева будет положительным (процесс саморазогрева) в том случае, если выделение теплоты при разложении органического вещества будет превышать её потери во внешнюю среду. Математически это запишется в виде следующего выражения, которое будет являться уравнением теплового баланса компостируемой соломонавозной смеси:
Qoб Qa+Qmеп + Qвоз+Qucn, С1)
где Qoб - общее тепловыделение соломонавозной смеси, Дж/с;
Qa - активное тепловыделение в соломонавозной смеси, Дж/с;
Qmm - потери теплоты на теплообмен с окружающей средой, Дж/с;
Qвоз - потери теплоты на нагрев воздуха, нагнетаемого в компостируемую смесь Дж/с;
Лоигпа! оГ УШТ^Н №4(8)-2012
49
Qucn - потери теплоты на парообразование.
Активное тепловыделение в соломонавозной смеси определяется по выражению:
Qa тем'сем' (Тсм2 Тсм^з (2)
где тсм - масса компостируемой соломонавозной смеси, кг; есм - удельная теплоёмкость соломонавозной смеси, Дж/(кг-°С); Тсм2 - конечная температура солонавозной смеси, °С; Тем1 - начальная температура соломонавозной смеси, °С. Общее количество теплоты, выделенное в процессе компостирования соломонавозной смеси, определяется из выражения:
Qоб тем Цем (3)
где цем - удельное тепловыделение соломонавозной смеси, Дж/(кг-с); т - период компостирования, с.
Потери теплоты на теплообмен с окружающей средой составят:
Qmеп 1 (Твн-Тн), (4)
где I - коэффициент теплообмена термоизоляционного слоя, Вт/(мЧ); Твн и Тн - температура внутренней и наружной поверхности термоизоляционного слоя соответственно, °С.
Количество теплоты, которое израсходовано на нагрев поступающего в компостируемую соломонавозную смесь воздуха, определится по выражению:
Qвоз ево.зтво.з(Тво.з2 Твоз1'), (5)
где ееоз - удельная теплоёмкость воздуха, Дж/(кг-°С); твоз - количество воздуха, прошедшего через соломонавозную смесь за время компостирования, кг;
Твоз2 - конечная температура воздуха, °С; Твоз1 - начальная температура воздуха, °С.
Количество теплоты, поглощенного при испарении воды, определится из выражения:
Qиеп тем км> ги, (6)
где к^, - отношение количества испарившейся воды к массе смеси, кг/кг; ги - удельная теплота парообразования, Дж/кг.
Подставив в уравнение теплового баланса (1) выражения (2), (3), (4), (5) и (6), получим:
темЦемТ=темеем(Тем2 Тсм1) + 1 (Твн~Тц) +
+ евозтвоз(Твоз2 Твоз1)+тем км> ги (7)
Если принять следующие допущения Т(М2=Т^=Т^2 и Тем1=Тн=Твоз1, то выражение (7) запишется как:
темЦемт=темеем(Тем2 Тсм1) + 1 (Тем2 Тсм1) +
+ евоз твоз (Тем2 Тсм1)+тем км> ги (8)
После математических преобразований уравнение теплового баланса примет вид:
гр , тсм ' Чсм ' ^ тсм ' kW ' rU /Q\
Тсм2 Т см1 , 1 , (9)
m„„ ■ с , +l + m„„„ ■ c„
см см воз воз
Из выражения (8) можно также найти значения параметров удельного тепловыделения qсм и коэффициента теплообмена термоизоляционного слоя ^ при которых будет происходить процесс саморазогрева соломонавозной смеси:
Л ^ (Тсм2 - Т см\) • (тсм ■ ссм +1 + твоз • Со) + тсм • К • ^ пт
Чем ^ (10)
тсм ^
l << тсм 'Чсм 'Т m° 'kw 'Ги -m ■ с -m ■ с (11)
гр гр см см воз воз (1J")
см 2 см1
В выражения (9), (10) и (11) входят теплофизические характеристики со-ломонавозных смесей (удельная теплоёмкость и удельное тепловыделение), которые необходимо определить опытным путём.
Литература:
1. Пат. 71116 Российская Федерация. Установка для компостирования / А.И.Завражнов, В.П.Капустин, В.В.Миронов. - №2007125749/22; Заявл. 06.07.2007; Опубл. 27.02.2008, Бюл.№6. - 7с.
2. Завражнов, А.И. Обоснование поточной технологии ускоренного компостирования отходов на фермах КРС / А.И. Завражнов, В.В. Миронов, М.С. Колдин, П.С. Никитин // Вестник Мичуринского ГАУ. - 2006. - Вып. 9. - С. 162-170.
3. Лыков, А.В. Тепломассообмен. - М.: Энергия, 1978. - 479с.
Колдин Михаил Сергеевич, кандидат технических наук, заместитель декана Мичуринский государственный аграрный университет Тел. (847545) 5-34-71 E-mail: mgau@mich.ru
Based on eksperimentaotnyh data and theoretical studies, you will manifestgualita-tiveregularities heat transfer in capillary-porous bodies and disperse media. Keywords: organic fertilizer, manure, compjstedmixture heat.
Journal of VNIIMZH №4(8)-2012
51
