CC BY
14
УДК 631.862.1
АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОДНОРОДНОЙ МАССЫ ЖИДКИХ СТОКОВ
А.В. Мачкарин, кандидат технических наук А.В. Рыжков, кандидат технических наук ФГБОУ ВО Белгородский ГАУ Е-mail: machkarin@mail. ru
Аннотация. Представлены значения и закономерности изменения энергетических характеристик процесса получения однородной массы жидких стоков. На сегодняшний день широкое распространение для хранения и переработки навозных стоков получили пленочные навозохранилища (лагуны), основным недостатком которых является заиливание лагуны при выдерживании жидкого неразделенного навоза в процессе его расслаивания. Опыт эксплуатации погружных мешалок выявил ряд недостатков, определяющих недолговечность функционирования лагун при хранении жидкого неразделенного навоза вследствие образования донного осадка, приводящего к заиливанию. К жидким стокам предъявляют требования по содержанию влаги, сухого вещества и основных питательных элементов. Считается оптимальным, когда содержание влаги 94%, сухого вещества - 6%, азота - 0,28%, фосфора - 0,14%, калия - 0,14%. В 1 м3 жидких стоков - 60 кг сухого вещества, 2,8 кг азота, 1,4 кг фосфора, 1,4 кг калия. На 1 га можно вносить 40 м3 жидких стоков, эта норма считается безопасной для окружающей среды. Чтобы обеспечить требуемое качество внесения жидкого навоза в почву, его структура должна быть однородной, поэтому перед внесением его перемешивают, для чего используют гидродинамические установки. Исследования показали, что с понижением угловой скорости навоза циркуляция затуханий более интенсивна, что обусловлено проявлением внешних и внутренних сил трения при малых скоростях сдвига. Ключевые слова: жидкий навоз, лагуна, жидкие стоки, влажность навоза, однородность массы.
Введение. При развитии животноводства на промышленной основе возникают серьезные проблемы, связанные с утилизацией жидких стоков. В Белгородской области годовой выход жидких стоков составляет около 12 млн м . Навоз, находящийся в лагуне, в общем случае имеет три состояния: первое -когда достигнута нужная степень однородности под действием гидродинамической установки; второе - когда твердые частицы оседают (свиной навоз) или всплывают (навоз от крупного рогатого скота); третье - слои твердой и жидкой фракции разделились [1]. Нужная степень однородности навоза достигается подведенной извне энергией, которая во время разгона расходуется на увеличение кинетической энергии.
Воспользуемся первым законом термодинамики [2]:
dQa = dQш + dQн, (1)
где Qп - полная энергия навозной массы, Дж; Qпт - потенциальная энергия, Дж; Qкн -подведенная кинетическая энергия, Дж.
Можно предположить, что если подведенная кинетическая энергия превышает энергию, расходуемую на трение, навоз будет двигаться с ускорением. При выключении гидродинамической установки движение навоза замедляется. Время 4ц затухания циркуляции зависит от Qкн и момента сопротивления вращению массы, который обусловлен внешним и внутренним трением. При этом величина Qп снижается до значения, соответствующего равновесному состоянию. Время и осаждения твердых частиц зависит от их гидравлической крупности, плотности и динамической вязкости навоза. К навозу, находящемуся в лагуне, можно применить основные положения механики сплошных сред: при перемещении потери кинетической энергии на турбулизацию отсутствуют; вяз-копластические свойства навоза описываются урав нениями Шведова-Бингама при 92% < Ж < 97% и Ньютона при Ж > 97% (Ж - относительная влажность навоза). Тогда
Q = 103 Nt ,
ÜXE с с '
(2)
где N - мощность гидродинамической установки, кВт.
Мощность, необходимую для перемешивания, определяют с учетом параметров лагуны, кинетических режимов движения навоза и его реологических свойств:
Nс = 10-3 руд^п Яхр ) =
= лЯ н
хр-
Коэффициент сопротивления трению
C =
стр
0,33(2рн«п R2J^)
0,25
(5)
где ^эк - эквивалентная кажущаяся вязкость потока жидкого навоза при ламинарном течении, Пас.
Подставив (5) и (4) в (3), находим
N =
0,33
рРи^п R2p
Рн (а„Кхр У J
'Пэ,
2
25яОхр Н хр
+ ^с^Кр Нхр^п
(6)
Время, за которое средняя частота вращения навоза становится больше критической и осаждения частиц не наблюдается,
Юкр
можно определить из основной теоремы об изменении кинетической энергии вращающегося тела:
'п = 1z (®п "®о вр - Мтр )
где Л - момент инерции вращающегося навоза относительно вертикальной оси Z, кг-м2; шо - средняя начальная частота вращения навоза, с-1 (скорость жидкости принимаем равной скорости частиц); Мвр и Мтр - моменты вращения и торможения, Нм.
При Jz Ф const и Мвр = const, т.е. во время выгрузки навоза из хранилищ с одновременным перемешиванием (общий случай):
j z=К - ^п К,/ dt)ipH R2J 2)
где Ухр - объем хранилища.
Тогда
(3)
где Руд - удельное давление навоза на стенки лагуны, Па; Гтр - площадь трения о поверхность лагуны, м2; шп - средняя частота вращения навоза в лагуне, с-1; Яхр - радиус лагуны, м; тс - напряжение сдвига массы навоза, Па; ]п - интенсивность перемешивания навоза, кВт/(м3/с); Нхр - высота лагуны, м.
Удельное давление
Руд = Стр Рн к Яхр ^/2, (4)
где Сф - коэффициент сопротивления трению, отнесенный к единице поверхности лагуны; рн - плотность навоза, кг/м .
'п =
хр - 'с (^хр/ dtl^ -®0 )]
"2M
вр - Мтр I
Так как для каждого типа насоса можно считать dV^/dt = const = Q (0н - подача
насоса), то SVxp jdt = const = Q , и после подстановки и преобразований получим V p R (а - а )
хрА-н ^р V п о/
^ __хр ~ н хр V п о /
п = 2(мвр -M)+ pHR2PQH(ап -ао)'
(7)
Момент вращения
Мвр = Ятр Яр С0За (8)
где Рстр - средняя сила удара струи, воспринимаемая навозом в хранилище и приводящая его во вращение, Н; а - угол между направлением действия струи и уровнем навоз а в лагуне, рад.
Если допустить, что количество движения струи, истекающей из насадки перемешивающего устройства, равно импульсу силы удара, то
Ъ К^ = КРъ ^стр (% / я К
где К - коэффициент пропорциональности; Устр - средняя скорость струи; ястр - объемный расход массы навоза через насадки.
Т огда
^р = КРн Ястр (%/ё)
Заменив Устр = Ястр//стр (/стр - площадь сечения струи, равная площади отверстия насадки), получим
Яр = КРн Йр/(/ср Я). (9)
Момент вращения
Мвр = Рн¿рСОа//щ£. (10)
Момент торможения
Мр = /р руд Яхр + ^/хр. (11)
Подставив (11) и (10) в (6) и решив совместно с (5), после преобразования определим
3
10
fu = Кхр К }
'¿ТА^
у Jстрg j
n„
l
2рн R¡p 2,5(^п RXp HХр
2
+ ^сКхр +
+ Аф0н(®п -^о)
(12)
где пи — число перемешивающих установок (насадок) с одинаковыми параметрами; /Ар - диаметр хранилища.
Если учесть момент трения, время затухания циркуляции навоза
t =V R (со -со,) -
зц хр хр V п О/
2РнсоХ 2,5(conRjxR,vHxv
1-1
+ tV
с хр
+ -о,)
Для определения времени повторного перемешивания в формулу (6) вместо соо подставляют сокр, так как предполагается, что повторно перемешивающую установку включают тогда, когда ©л —» сокр-
Аналитические исследования показали, что значения tn и 1.и возрастают с увеличением Fxp (рис. 1). Исследование мощности насосной установки (Nn=lVo)nr})K) показывает, что /V„ больше зависит от ©л, чем от ri3K. Это объясняется более значительным проявлением липкости навоза при малых скоростях сдвига (рис. 2). Установлено, что при влажности 93-98% хорошо перемешать навоз можно за 650-800 с (рис. 3). Следовательно, время tn зависит от требований к качеству перемешанного навоза [3].
Исследования на натурных образцах показали, что влажность навоза, поступающего из лагуны к перемешивающей установке, непостоянна и зависит от времени перемешивания и исходной влажности массы. В момент включения установки в ее заборное устройство поступает жидкая фракция навоза. Со временем твердая фракция из осадка переходит во взвешенное состояние, а влаж-
ность в зоне забора снижается. Затухание циркуляции навоза в лагуне подчиняется параболической зависимости. С понижением влажности навоза циркуляция затухает более интенсивно, что обусловлено проявлением внешних и внутренних сил трения при малых скоростях сдвига.
А с 1300\-г—-т —у-у^п--д L.c
1_ / / 3_ Sj
1100--/ \/ JT /I -1395
310
—Y~7U 5 /
700\-/ / -\—¡r -А Л225
170 85
1 3
/ 4 5
в \
/ \/
7
250 500 750 1000 1250 1500 V*." Рис. 1. Зависимость времени tn (1, 2, 6), tnn (4, 5, 7) и />ц (5) от объема Кхр при 0= 100 м3/ч (/, -/), Q= 200 м3/ч (2, 3, 5) и 0=300 м3/ч (6, 7)
0.03 0,06 0,09 0,12 0,15 ш»,1/с Рис. 2. Зависимость мощности Nc перемешивающей установке при (/хр=1500 м3 и г|эк=0,015 (/), 0,009 (2), 0,005 (3) и ti3K =0,0015 (4)
ко 1000
800 600 WO 200
1_
Ai
2,
250 500 750 1000 1250 ш„,1/с Рис. 3. Зависимость времени ^ при Кхр =1500 м3, а = 30° и исходной влажности навоза Ш0 = 93,6% (1), 95,3 (2) и 97,8% (5)
2
1
>
+
4
2
Ц
эк
Время затухания циркуляции навоза влажностью 95,7% до соКр=0,59-0,65 с-1 составляет 120-250 с. Значения и закономерности изменения энергетических характеристик процесса соответствуют расчетным.
Исследованиями установлено, что влажность навоза, поступающего из хранилища к перемешивающему устройству, непостоянна и зависит от времени перемешивания и исходной влажности навоза (рис. 4). В момент времени включения устройства в его заборное устройство поступает жидкая фракция навоза. Со временем твердая фракция навоза из осадка переходит во вращательное состояние, а влажность массы в зоне забора понижается. Увеличение времени перемешивания приводит к повышению однородности массы навоза по объему хранилища. Затухание циркуляции навоза в хранилище подчиняется параболической зависимости (рис. 5).
w.% 98
9Í
1
2
3
Ш /,г
Рис. 4. Зависимость влажности IV бесподстилочного навоза у заборной горловины перемешивающего устройства от времени ¿п при К =2500 м3 и 1Г= 98,8%(1), ^=95,1%(2), ^=93,2%(3)
ш щ1/с
0.8
ОЛ
3 \S ч 2_
ÍOO 800 Ь.с
Рис. 5. Зависимость угловой скорости (окр от времени t„ при Кхр=2500 м3 и W= 98,5%(1), W=95,l%(2), W=92,6%(3)
Вывод. С понижением угловой скорости навоза циркуляция затуханий более интенсивна, что обусловлено проявлением внешних и внутренних сил трения при малых скоростях сдвига. Время затухания циркуляции навоза влажностью 94,6% до юкр=0,42-0,47с"1 - 60-140 с, а до юкр=0,11-0,20с"1 - 130-600 с.
Литература:
1. Булавин С.А., Мачкарин А.В. Обоснование формы лагуны для получения однородной массы жидких стоков // Вестник Мичуринского ГАУ. 2014. № 2 С. 72.
2. Технологии и средства механизации уборки, переработки и утилизации навоза. Белгород, 2013. 334 с.
3. Технологии механизированных работ в животноводстве / О. А. Чехунов и др. Белгород, 2014. 292 с.
Literatura:
1. Bulavin S.A., Machkarin A.V. Obosnovanie formy la-gunv dlya polucheniya odnorodnoj massy zhidkih stokov // Vestnik Michurinskogo GAU. 2014. № 2 S. 72.
2. Teklinologii i sredstva mekhanizacii uborki, pererabot-ki i utilizacii navoza. Belgorod, 2013. 334 s.
3. Teklinologii mekhanizirovannyh rabot v zhivotnovod-stve / O.A. CHekhunov i dr. Belgorod, 2014. 292 s.
ANALYTICAL STUDIES OF EQUIPMENT FOR HOMOGENEOUS MASS OF LIQUID FLOWS' OBTAINING A.V. Mahchkarin, candidate of technical sciences A.V. Ryzhkov, candidate of technical sciences FGBOU VO of Belgorod GAU
Abstract. The liquid flows homogeneous mass obtaining process's energy characteristics changing's values and regularities are presented. To date, manure storage facilities (lagoons) are widespread for manure storage and processing, the main drawback of then is the lagoon's silting at liquid undivided manure's holding in the process of its delaminating. The experience of submersible agitators operation a number of shortcomings determining of the lagoons' short-lived functioning during liquid undivided manure storage due to bottom sediment formation, to silting lead, had revealed. Liquid flows for moisture content, dry matter and basic nutrients requirements are subjected. It is optimal considered when the moisture content is 94%, dry matter-6%, nitrogen-0,28%, phosphorus-0,14%, potas-sium-0,14%. In 1 m3 of liquid flows there are - 60 kg of dry matter; 2,8 kg of nitrogen, 1,4 kg of phosphorus, 1,4 kg of potassium. For 1 hectare it is possible 40 m3 of liquid drains to provide, this norm is considered for environment saving. To ensure the liquid manure required quality in the soil, its structure must be uniform, so before making it is mixed, with hydrodynamic installations using. Studies had shown that at manure angular velocity decreasing, the damping circulation is more intense, due to the of external and internal friction forces at low shear rates rising. Keywords: liquid manure, lagoon, liquid flows, manure moisture, homogeneity of mass.
