CC BY
34
УДК 631.338.92:631.861
КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ УСТРОЙСТВА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ УПЛОТНЕНИЯ В УСТАНОВКАХ УСКОРЕННОГО КОМПОСТИРОВАНИЯ
A.И. ЗАВРАЖНОВ, академик РАСХН
B.В. МИРОНОВ, кандидат технических наук, доцент П.С. НИКИТИН, аспирант Мичуринский ГАУ E-mail: nich@mgau.ru
Резюме. Одна из наиболее перспективных технологий по переработке органических отходов животноводческих ферм — поточно-непрерывная, основное звено которой установка ускоренного компостирования. Устройства для снижения уплотнения компостируемого материала относятся к числу основных элементов повышающих эффективность работы установки. Определение оптимальных конструктивных параметров устройства для снижения уплотнения — важная задача при проектировании установок ускоренного компостирования.
Ключевые слова: компостирование, пористость, гибкие тросы.
Несмотря на развитие переработки органических отходов сельского хозяйства, на сегодняшний день увеличение количества крупных хозяйств с поголовьем в несколько тысяч голов КРС привело к значительному обострению этой проблемы. Сложившаяся ситуация связана с ограниченным размером перерабатывающих установок, причем для повышения пропускной способности линии в целом необходимо увеличивать их число, усложнять систему загрузки и выгрузки, повышать энерговооруженность, что, в свою очередь, вызывает рост затрат на утилизацию отходов.
Цель наших исследований — увеличение производительности линий путем определения оптимальной конструкции перерабатывающих установок и обоснование конструктивных параметров работы их отдельных элементов.
Для реализации поточно-непрерывной технологии переработки органического сырья мы разработали установку ускоренного компостирования (рис. 1).
При помощи устройства загрузки 1 этой установки исходное сырье загружается в верхнюю часть закрытого теплоизолированного корпуса 2, где подвергается компостированию в течение 5...7 суток. Корпус установки разделен по высоте на «камеры биоферментации» при помощи устройств для снижения уплотнения, которые выполнены в виде двух синхронно вращающихся валов 3 с закрепленными на них тросами 4 [1]. В этом случае пористая структура материала поддерживается благодаря периодическому разрыхлению при пересыпании. В статическом состоянии тросы 4 воспринимают вес материала, при этом расстояния между ними подобраны так, чтобы материал не проваливался и образовывались статически устойчивые своды. Припосгупательно-колебатель-
Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема установки ускоренного компостирования: I — устройство загрузки; 2 — корпус; 3 — валы; 4 — тросы; 5 — устройство выгрузки, ном движении тросов за счет валов 3 при скользящем резании происходит разделение материала на части с последующим его обрушением.
Нижняя часть корпуса выполнена в виде конуса для группирования компостируемого материала на выходе. Здесь установлено устройство выгрузки 5.
Воздух подается снизу вверх (на схеме не показано) в противоток движению материала, в результате тепло от разогретых слоев передается вновь поступившему материалу, что снижает время его саморазогрева и ускоряет процесс компостирования.
В ходе аналитических исследований, используя выражения для определения ширины сводообразующего отверстия [2; 3], были получены зависимости, определяющие высоту камеры биоферментации и расстояние
между тросами А :
"" и ° .
=
Р так
(от„ -р„Уо +а
Апш =л0
. afr— -Р.)
-„.Т
-рЛ
g-fpm
•Л.
А -«Ч». •(!-/)
,(2)
<Р~,-Ре К
где ц — диаметр троса, мм; ор — напряжение резания компостируемого материала, Н/мм2; р^ и ро — соответственно плотность твердой фазы и насыпная плотность материала, кг/м3; а и Ь — опытные (поправочные) коэффициенты, учитывающие соломистость и фракционный состав соломы; Ио—высота свободно стоящей вертикальной стенки (свободной грани груза), м; я — ускорение
свободного падения, м/с2; <ра1 — угод внутреннего трения материала, град;/— коэффициент трения компостируемого материала о трос.
Соблюдение условий (1) и (2) позволит при незначительных перемещениях тросов скользящим резанием разрушить сводообразующий слой и вызвать свободное просыпание компостируемого материала.
Цель исследований заключается в определении численных значений конструктивных параметров устройства для снижения уплотнения. Для этого мы изучили изменения физико-механических свойств компостируемого материала при разной влажности и различном фракционном составе.
Материалы и методы. В качестве объекта исследования были взяты 2 образца смеси навоза КРС с соломой со средневзвешенным размером частиц 60 и 120 мм. Размер частиц принят исходя из рекомендаций на резку соломы для подстилки и приготовления компостных смесей (не более 10... 15 см) [4]. Оптимальная влажность для компостирования 60±5 %, но для получения более точных сведений область исследования была расширена до 50...70 %.
При изучении изменения объемной плотности в зависимости от высоты слоя использовали специальный прибор (рис. 2). Он состоит из короба, в котором на опре-
рого равен нулю (кромка лезвия имеет в сечении прямоугольную форму). Отношение усилия, действующего на нож, к площади кромки лезвия позволяет установить напряжение резания.
Рис. 2. Прибор для определения изменения объемной плотности соломонавозной смеси от высоты слоя: /,, 1;, /,, 15 — пере-
мещение пластин по высоте.
деленной высоте расположены пластины с закрепленными проволоками. В этот короб засыпали исследуемый материал и по истечении 2 суток по верхним концам проволок определяли перемещение пластин в вертикальной плоскости при естественном уплотнении материала. Такой срок выбран в связи с тем, что ориентировочное время компостирования в каждой из камер установки не будет превышать двух суток [1].
Для определения напряжения резания в специальный короб засыпали исследуемый материал и накрывали его пластиной с отверстием для ножа, угол заточки кото-
стина с грузом; 4 — динамометр.
Коэффициенты внутреннего и внешнего трения определяли с помощью трибометра (рис. 3) [5]. Для этого в короб 2 засыпали исследуемый материал, на него укладывали пластину 3 с грузом. При различных значениях массы груза динамометром 4 фиксировали усилие, при кагором короб начинал двигаться. Для определения коэффициентов внутреннего трения в желоб 1 засыпали исследуемый материал, а коэффициента трения по стали — стальную плиту.
Один из основных факторов, влияющих на сводооб-разование, — начальное сопротивление материала сдвигу то, которое характеризуется высотой Ио свободно стоящей вертикальной стенки (свободной грани груза). Для определения величины этого показателя в короб засыпали исследуемый материал до определенной высоты, далее одну из стенок открывали и материал высыпался. Опыты проводили до тех пор, пока обрушение не прекращалось.
Результаты. В ходе проведенных исследований была получена зависимость объемной плотности соломонавозной смеси от высоты слоя при различной влажности и средневзвешенном размере частиц соломы.
Результаты экспериментов аппроксимировались по гиперболическому закону вида п-п “ (Р™ -Ро)
Р Р тая ( V ь '
(о™. -РиК
значения коэффициентов а и Ь представлены в табл. 1. Четкой зависимости напряжения резания от влажности и средневзвешенного размера частиц не было установлено. Величина этих показателей колебалась в пределах 0,07...0,09 Н/мм2.
Согласно результатам исследований с увеличением влажности коэффициенты внешнего (рис. 4, а) и внутреннего (рис. 4, б) трения возрастают. Эго продолжается Таблица 1. Значения опытных коэффициентов а и Ь в условиях изменения объемной плотности по высоте слоя.
Средневзвешенный размер частиц соломы, мм Влажность соломонавозной смеси, %
52,3 61,5 68,2
60 а = 5,1 * 10"1; Ь = 0,95 а = 4,6- 10Л;Ь = 0,95 а = 2,5-10л; Ь = 0,95 120 а = 5,1 • 103; Ь = 0,81 а = 4,6-103; Ь = 0,81 а = 2,6-103; Ь = 0,81
Рис. 4. Влияние влажности У¥ (%) на величину коэффициента: а — трения соломонавозной смеси по стали; б — на величину внутреннего трения соломонавозной смеси;-----средневзвешенный размер частиц 60 мм;--------средневзвешенный раз-
мер частиц 120 мм.
до появления в материале жидкости в свободном состоянии, по мере дальнейшего повышения влажности их значения снижаются.
Высота свободно стоящей вертикальной стенки И0 во многом зависит от влажности соломонавозной смеси и меньше от средневзвешенного размера частиц (рис. 5).
Рис. 5. Зависимость высоты свободностоящей вертикальной стенки соломонавозной смеси от влажности:--средневзвешенный размер частиц 60 мм;------средневзвешенный раз-
мер частиц 120 мм.
нимизировать их количество по высоте корпуса установки, а также число тросов на них, что, в свою очередь, будет способствовать меньшему сопротивлению при пересыпании материала, вызванному посгупательно-колеба-тельным движением тросов.
Выводы. Теоретические и экспериментальные исследования конструктивных параметров устройства для снижения уплотнения позволили получить
Подставив экспериментальные результаты в теоретические уравнения (1) и (2) мы определили оптимальные конструктивные параметры устройства для снижения уплотнения (табл. 2).
Полученные величины носят рекомендательный характер. При оптимальной для компостирования влажности смеси не более 70 % [6] и размере частиц соломы от 60 до 120 мм высота биоферментационной камеры не должна превышать 0,95 м при расстоянии между тросами не более 180 мм. Проектирование устройств для снижения уплотнения в установке ускоренного компостирования со значением параметров в заданных приделах позволит ми-
Таблица 2. Конструктивные параметры устройства для снижения уплотнения
Показатель h0nm высота камеры биоферментации (компостируемого слоя), м Аопт расстояние между тросами устройства для снижения уплотнения, м
Средневзвешенный раз-
мер частиц соломы, мм 60 120 60 120
Влажность соломо- 50 0,73...0,94 0,75...0,96 0,10 0,14
навозной смеси, % 60 0,49...0,63 0,60...0,77 0,12 0,16
70 0,39...0,41 0,50...0,56 0,16 0,20
численные значения высоты камеры биоферментации и расстояния между тросами устройства при различной влажности и фракционном составе соломонавозной смеси. Их можно использовать при проектировании устройств для снижения уплотнения в установках ускоренного компостирования отходов ферм КРС.
Литература.
1. Пат. 71116 Российская Федерация, МПК7 С 05 F3/06. Установка для компостирования [Текст]/ Завражнов А.И., Капустин В.П., Миронов В.В., Колдин М.С., Никитин П.С.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет, ООО «Мичуринское плодородие». — N9 2007125749/22; заявл. 06.07.07; опубл. 27.02.08; Бюл. № 6. — 2 с.: ил.
2. Зенков, Р.Л. Механика насыпных грузов (основания расчета погрузочно-разгрузочных и транспортирующих устройств) [Текст] / Зенков Р.Л. — . М.: Машгиз, 1952. — 216с.
3. Цытович, Н.А. Механика грунтов (краткий курс) [Текст]/ Цытович Н.А. — 2-е изд. доп., учебн. для вузов. — М.: Высшая школа, 1973. — 280 с. с ил.
4. Ягодин, Б.А. Агрохимия [Текст]/ Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И.; Под ред. Б.А. Ягодина. — М.: Колос, 2002. — 584 с.: ил.
5. Ковалев, И. Г. Сельскохозяйственные материалы [Текст]: виды, состав, свойства/ Ковалев Н. Г., Хайлис Г.А., Ковалев М.М.— М.: ИК «Родник», журнал «Аграрная наука», 1998. — 208 с.
6. НТП 17-99* Нормы технологического проектирования систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета [Текст]: с изменением N 1, — Взамен ОНТП 17-86 и РНТП 4-93 (соответствующие разделы) ; введ. 31-05-1999 Минсельхоз РФ. — М.: ГУ НПЦ «Тип-ронисельхоз», 2001. — 11с.
CONSTRUCTIVE PARAMETERS OF ARRANGEMENT FOR COMPACTION DECREASING IN FASTER
COMPOSTING INSTALLATION A.I. Zavragnov, V.V. Mironov, P.S. Nikitin
Summary. One of the most perspective technologies on rehash of an organic waste of stock-rearing farms is the line continuous technology which basic part is installation of the sped up composting. Devices for decrease of inspissation’s of a composted material are one of basic elements raising an installation overall performance. Definition of optimum design data of the device for inspissations decrease is the important problem at designing of installations of the sped up composting.
Keywords: composting, porosity, flexible cables.
