АНАЭРОБНЫЙ ФИЛЬТР С ЦИКЛИЧЕСКИМ ВОЗМУЩЕНИЕМ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

24

Ежеквартальный

научно-практический

журнал

В

естник ЛПК

Ставрополья

УДК 628.16.098.4:624.131.67

Васильева А. С., Евтеев В. К., Васильев Ф. А.

Vasilyeva A. S., Evteev V. K., Vasiliev F. A.

АНАЭРОБНЫЙ ФИЛЬТР С ЦИКЛИЧЕСКИМ ВОЗМУЩЕНИЕМ ANAEROBIC FILTER WITH CYCLIC PERTURBATION

В статье приведены результаты теоретического и экспериментального исследований анаэробного фильтра. Определена функциональная зависимость скорости движения свободной поверхности, выявлены основные воздействующие факторы на процесс анаэробного сбраживания. Для подтверждения теоретических исследований проведены эксперименты на демонстрационной установке в соответствие с требованиями планирования многофакторного эксперимента. Результаты обработаны с помощью программы БТАПвТЮА 6.0, получены математические модели оценочных параметров. Графическая интерпретация уравнений регрессии представлена в виде поверхностей.

Ключевые слова: анаэробный фильтр, циклическое возмущение, биогаз, сифон, демонстрационная установка, планирование эксперимента, математическая модель.

Results of theoretical and experimental researches of the anaerobic filter are given in article. Functional dependence of speed of the movement of a free surface is defined, the major influencing factors on process of an anaerobic digestion are revealed. For confirmation of theoretical researches experiments on demonstration installation in compliance with requirements of planning of multiple-factor experiment are made. Results are processed by means of the STATISTICA 6.0 program, mathematical models of estimated parameters are received. Graphic interpretation of the equations of regression is presented in the form of surfaces.

Key words: anaerobic filter, cyclic disturbance, biogas, siphon, demonstration plant, design of experiments, mathematical model.

Васильева Аяна Сергеевна -

аспирант кафедры «Техническое обеспечение АПК» Иркутский государственный аграрный университет имени А. А. Ежевского г. Иркутск

Тел.: 8-924-602-50-04 E-mail: fvasiljiev@yandex.ru

Евтеев Виктор Константинович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Техническое обеспечение АПК» Иркутский государственный аграрный университет имени А. А. Ежевского г. Иркутск

Тел.: 8-964-749-97-44 E-mail: fvasiljiev@yandex.ru

Васильев Филипп Александрович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Техническое обеспечение АПК» Иркутский государственный аграрный университет имени А. А. Ежевского г. Иркутск

Тел.: 8-924-621-55-15 E-mail: fvasiljiev@yandex.ru

Vasilieva Ayana Sergeevna -

graduate student «Technical support of agriculture» Irkutsk State Agrarian University the A. A. Ezhevsky Irkutsk

Tel.: 8-924-602-50-04 E-mail: fvasiljiev@yandex.ru

Evteev Victor Konstantinovich -

Ph.D. in Engineering, Docent of department «Technical support of agriculture» Irkutsk State Agrarian University the A. A. Ezhevsky, Irkutsk

Tel.: 8-964-749-97-44 E-mail: fvasiljiev@yandex.ru

Vasilyev Philip Aleksandrovich -

Ph.D. in Engineering, Docent of department of «Technical support of agriculture» Irkutsk State Agrarian University the A. A. Ezhevsky Irkutsk

Tel.: 8-924-621-55-15 E-mail: fvasiljiev@yandex.ru

Введение. На промышленных свиноводческих комплексах и предприятиях применяют бесподстилочное содержание животных и гидравлические системы удаления навоза. Применение данной системы удаления навоза обеспечивает значительное сокращение затрат труда на уборку навоза, она менее метало- и энергоемка, отвечает зоогигиеническим требованиям, предъявляемым к животноводческим помещениям [6]. Но при использовании гидравлической системы удаления навоза получаются большие массы жидкого навоза и навозных стоков, влажностью до 99 %, следовательно, возникают трудности при их переработке.

Наиболее перспективным и рациональным с точки зрения ресурсосбережения является применение технологии анаэробной переработки животноводческих стоков. Применение данной технологии позволит снизить затраты энергии на переработку за счет получения альтернативного энергоносителя - биогаза, а также соблюдение требований экологической безопасности.

Целью исследования является определение величины влияния факторов на оценочные параметры демонстрационной установки анаэробного фильтра.

Объектом исследования является циклические возмущения демонстрационной установки анаэробного фильтра.

в

естник АПК

Ставрополья

№ 4(20), 2015

V,

где

Агроинженерия

25

Условия и методы исследования. Исследования проводились на демонстрационной установке анаэробного фильтра с циклическим возмущением. Методом исследования является активный эксперимент.

Результаты теоретических исследований и их обсуждение. В работах [2, 5] приведены теоретические исследования основ работы анаэробного фильтра. В результате проведенного исследования выявлено, что для повышения эффективности разложения органического вещества необходима интенсификация процесса анаэробного сбраживания. Интенсифицировать данный процесс возможно созданием гидродинамического возмущения за счет изменения давления и скорости. Для оценки возмущений принимается параметр - скорость движения свободной поверхности стоков в фильтре (уф) и определена его функциональная зависимость:

/ [ Д з^ф^б^ф^И^^^Хй: ;Я; ^

Дз - доза загрузки, %; 1ф - длина рабочей части фильтра, м; - диаметр бака сифона, м; ёф - диаметр фильтра, м; Т - температура стоков, 0С; Ж - влажность стоков, %; Ж - химический состав стоков; 1С - длина

сифонного трубопровода, м; - диаметр сифонного трубопровода, м; Х - коэффициент местных сопротивлений системы; Н - напор; V - средняя скорость движения жидкости в сифонном трубопроводе, м/с.

Для подтверждения полученных теоретических разработок были проведены экспериментальные исследования на демонстрационной установке анаэробного фильтра.

Методика проведения экспериментальных исследований

Исследования проводились в два этапа: проведение эксперимента на демонстрационной установке и математическая обработка результатов.

С целью изучения и наблюдения возмущающего воздействия, поиска конструктивных и технологических факторов, оказывающих влияние на величину гидродинамических возмущений, был проведен эксперимент на демонстрационной установке анаэробного фильтра в соответствие с разработанной методикой планирования многофакторного эксперимента [1, 3].

В соответствии с поставленной целью были определены измеряемые параметры, представленные в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристика измеряемых параметров демонстрационной установки

Номер параметра Обозначение и название параметра Область определения Точность

1 гоп - время фазы опорожнения, с 0-500 0,01с

2 гзап - время фазы заполнения, с 0-2500 0,01 с

3 Ар - изменение давления на свободную поверхность, Па 0-5000 10 Па

4 Аксв^ - изменение высоты свободной поверхности жидкости в фильтре, 10-3 м 0-300 0,5 мм

Оценочные параметры, определяющие величину и характер циклических возмущений сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Характеристика основных оценочных параметров демонстрационной установки

анаэробного фильтра

Номер параметра Название параметра Обозначение

1 Ар - изменение давления в газовом объеме фильтра, Па ^

2 V - скорость движения свободной поверхности жидкости, м/с Y2

3 141кла - продолжительность цикла возмущения в анаэробном фильтре, с. Yз

4 п - частота протекания циклов, циклов/сутки Y4

В результате проведения теоретических ис- формации принято варьировать следующими следований [2, 3, 5], изучения априорной ин- факторами (таблица 3).

Таблица 3 - Характеристика факторов включенных в эксперимент

Номер фактора Название Область определения Обозначение

1 Н3 - высота погружения трубки в гидравлическом затворе, 10-3 м 0-200 Х1

2 Ак - уровень колебания жидкости в баке сифона, 10-3 м 0-300 Х2

3 шф/шб.с - отношение площади сечения фильтра к площади сечения бака сифона 0-1 Х3

4 Qж - подача жидкости в анаэробный фильтр, 10-9 м3/сек 0-1 Х4

5 кс - напор сифона, 10-3 м. 0-500 Х5

26

,,„ „„„,„,„,„„,„„. Ставрополья

научно-практическии журнал

Экспериментальные исследования проводились на двух уровнях - максимальном (+1) и минимальном (-1) с использованием дробного факторного эксперимента -25-2. Составлена ма-

трица планирования эксперимента (таблица 4) из восьми опытов, в натуральных и кодированных величинах, опыты рандомизированы во времени с помощью таблицы случайных чисел [1, 4].

Таблица 4 - Матрица планирования демонстрационного эксперимента

№ опыта Х1 Х2 Хз Х, Х5 Порядок случайной реализации

код натур код натур код натур код натур код натур

1 - 5 - 14 - 1:1 + 0,7 + 25 2

2 + 10 - 14 - 1:1 - 0,5 - 15 8

3 - 5 + 20 - 1:1 - 0,5 + 25 1

4 + 10 + 20 - 1:1 + 0,7 - 15 4

5 - 5 - 14 + 1:5 + 0,7 - 15 3

6 + 10 - 14 + 1:5 - 0,5 + 25 7

7 - 5 + 20 + 1:5 - 0,5 - 15 6

8 + 10 + 20 + 1:5 + 0,7 + 25 5

В соответствии с составленным планированием и методикой проведения эксперимента была изготовлена опытная демонстрационная установка, которая позволила провести визуальное наблюдение процесса опорожнения бака сифона с имитацией подачи субстрата и выделения биогаза. Повторность опытов не менее 5.

Результаты экспериментальных исследований

В результате математической обработки с применением ЭВМ и программы ЭТАТ^ТЮА 6.0 [7], получены математические модели оценочных параметров с переменными, представленными в натуральной форме:

- изменение давления в газовом объеме фильтр, Па:

Ар = 105,8 +79,33АК, (1)

- скорость движения свободной поверхности жидкости в фильтре, м/с:

V = 0,0182+0,00195 Нз + 0,0806 шф/шб. , (2)

- продолжительность цикла возмущения в анаэробном фильтре, с:

/цикла = 2761,85 - 1737,87 ыф/щ. , (3)

- частота протекания циклов, циклов/сутки:

п = -38,18 + 268,886 Шф/щ.с (4)

Знак «+» стоящий перед коэффициентом показывает, что с увеличением значения фактора оценочный параметр увеличивается, соответственно знак «-» - с увеличением значения фактора параметр уменьшается [1]. Из полученных регрессионных уравнений видно, что наибольшее влияние на параметры оказывают факторы Н, АН, Ыф/шбс : высота погружения трубки в гидравлическом затворе, уровень колебания жидкости в баке сифона и отношение площади сечения фильтра к площади сечения бака сифона. Анализ влияния коэффициентов регрессии представлен в табличном виде (таблица 5). Таблица содержит веса, которые стандартизованы. Они вычисляются по стандартизованным данным, имеющим среднее значение равное 0 и область определения ±1. Поэтому вес показывает долю вклада того или иного фактора в определение оценочного параметра [7]. Это важный показатель, с помощью которого определяется сила зависимости параметра от фактора, что не может быть определено значением коэффициента регрессии в уравнениях 1-4. Проверка статистической значимости коэффициентов регрессии выполнялась программой ЭТАТ^ТЮА 6.0 по /-критерию Стьюдента с 95 % долей вероятности. Коэффициенты регрессии считаются значимыми при уровне значимости (р-уровне) менее 0,05.

Таблица 5 - Результаты регрессионного анализа

Номер уравнения Фактор

К АН о>ф/ыб. с К

Вес р-уровень Вес р-уровень Вес р-уровень Вес р-уровень Вес р-уровень

1 -0,007 0,954761 0,986 0,012802 0,002 0,986607 0,013 0,917999 -0,035 0,784501

2 0,15 0,022563 -0,078 0,074439 0,98 0,000534 -0,05 0,150790 0,032 0,296178

3 -0,12 0,117288 0,12 0,111061 -0,96 0,002264 -0,15 0,081219 -0,094 0,177743

4 0,002 0,993678 -0,21 0,385085 0,91 0,042809 0,22 0,359678 0,032 0,883002

Графическая интерпретация уравнений математической модели представлена в виде поверхностей (рисунок 1).

в

естник ЛПК

______Агроинженерия

. № 4(20), 2015 r г

Выводы

1. Экспериментальные исследования на демонстрационной установке подтвердили разработанную математическую модель работы анаэробного фильтра.

2. В соответствии с гидравлической моделью, скорость движения жидкости в анаэробном фильтре зависит от физико-механических свойств субстрата и параметров процесса анаэробного сбраживания. Наиболее технологичными факторами для управления скоростью являются: доза загрузки; диаметр

Литература

1. Адлер Ю. П. Планирование экспериментов - путь лабораторных исследований (часть 2) // Современная лабораторная практика. 2009. № 1 (5). С. 17-24.

2. Васильева А. С. Гидравлические основы работы анаэробного фильтра с циклическим возмущением // Научные исследования и разработки к внедрению в АПК. 2013. Ч. 2. С. 216-221.

3. Васильева А. С. Планирование и методика проведения экспериментальных исследований на демонстрационной установ-

анаэробного фильтра; диаметр бака сифона; диаметр сифонного трубопровода и напор. Причем увеличение диаметра сифонного трубопровода и напора будут способствовать повышению скорости, а увеличение дозы загрузки, диаметра анаэробного фильтра и диаметра бака сифона будут снижать её.

3. Полученные результаты экспериментальных исследований могут быть использованы при проектировании конструкций анаэробных фильтров.

References

1. Adler YU. P. Planirovaniye eksperimentov -put' laboratornykh issledovaniy (chast' 2) // Sovremennaya laboratornaya praktika. 2009. № 1 (5). P. 17-24.

2. Vasil'yeva A. S. Gidravlicheskiye osnovy raboty anaerobnogo fil'tra s tsiklicheskim vozmushcheniyem // Nauchnyye issledovaniya i razrabotki k vnedreniyu v APK. 2013 g. CH.2. P. 216-221.

3. Vasil'yeva A. S. Planirovaniye i metodika provedeniya eksperimental'nykh issledovaniy na demonstratsionnoy ustanovke //Nauchno-

28

,,„ „„„,„,„,„„,„„. Ставрополья

научно-практическии журнал

ке // Научно-практический журнал «Актуальные вопросы аграрной науки». 2014. Вып. 11. С. 35-39.

4. Васильева А. С. Результаты экспериментальных исследований на демонстрационной установке анаэробного фильтра // Экологическая безопасность и перспективы развития аграрного производства Евразии. 2013. Ч. I. С. 12-17.

5. Евтеев В. К. Создание циклических возмущений в анаэробном фильтре за счет изменения скорости // Актуальные проблемы АПК. 2001. Ч. 3. С. 14.

6. Федоренко И. Я. Ресурсосберегающие технологии и оборудование в животноводстве : учеб. пособие. СПб. : Изд-во «Лань», 2012. 304 с.

7. Халафян А. А. ЭТАТ1ЭТ1СА 6. Статистический анализ данных. 3-е изд. М.: Бином-Пресс, 2007. 512 с.

ргаМюИеэ^у 2Иигпа! «АМиаГпууе уоргоэу адгагпоу паикЬ>, уур. 11. 2014. Р. 35-39.

4. УаэП'уеуа А. Э. Яе2и1^у екэрепте^аГпукИ ¡вв^оуатупа demonstratsionnoyustanovke апаегоЬподо fi!'tra // Ekologicheskaya bezopasnost' i регереМ^ razvitiya адгагподо proizvodstva Yevrazii. 2013 д. СН.1. Р. 12-17.

5. Yevteyev V. К. Sozdaniye tsik!icheskikh vozmushcheniy v anaerobnom А!Чге za schet izmeneniya skorosti // АМиаГпууе prob!emy АРК. 2001. СН. 3. Р. 14.

6. Fedorenko I. YA. Resursosberegayushchiye tekhno!ogii i oborudovaniye vzhivotnovodstve: uchebnoye posobiye. ЭРЬ.: Izd-vo <^ап'». 2012. Р. 304.

7. КЬ|а^уап А. А. ЭТАТ1ЭТ1СА 6. Statisticheskiy ana!iz dannykh. 3-уе izd. М.: ООО «Binom -Р^». 2007. Р. 512.