CC BY
29
УДК 631.22.01
Обеспечение перемешивания жидкого свиного навоза в плёночном
навозохранилище
Трифанов Алексей Валериевич, кандидат технических наук, директор e-mail:[email protected]
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт аг-роинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства»
Ворожцов Олег Васильевич, старший преподаватель e-mail:[email protected]
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт аг-роинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства»
Аннотация. В статье приведены основные расчётные зависимости для обеспечения перемешивания донного осадка в плёночном навозохранилище, рассмотрены параметры донного осадка.
Ключевые слова: жидкий свиной навоз, навозохранилище, перемешивание, устройство, донный осадок.
Задача, связанная с гомогенизацией жидкого свиного навоза в плёночном навозохранилище (в дальнейшем - лагуна), является приоритетной для обеспечения длительного срока его эксплуатации. Срок эксплуатации лагуны определяется целостностью гидроизоляционной мембраны (плёнки), к которой предъявляются высокие требования по антикоррозионным свойствам, стойкостью к воздействию ультрафиолетовых лучей, высокой морозоустойчивостью. Применение современных материалов позволяет гарантировать срок службы лагуны не менее 25 лет [1].
При влажности навозной массы 92% и более происходит интенсивное расслоение жидкого навоза, при котором образуется донный осадок [2, 3]. В отсутствии перемешивания донный осадок уплотняется, что приводит к заиливанию лагуны и прекращению её функционирования. Механическая очистка лагуны от донного осадка неизбежно приведёт к повреждению плёночного покрытия [4]. Для обеспечения гомогенизации жидкого навоза в лагуне для сохранения её работоспособности авторами предложено перемешивающее устройство (патент № 127574) [5], [6]. Устройство представляет собой размещённый один в другом два раструба с установленным внутри миксером (рис. 1).
Особенностями применения устройства являются:
- непосредственное воздействие потока жидкости на донный осадок по всему периметру дна навозохранилища;
- значительно меньшее рассеивание кинетической энергии потока в радиальном направлении в сравнении с пропеллерной мешалкой, установленной на стой- исключение необходимости работы оператора по развороту мешалки;
- значительное сокращение расстояний при перемешивании за счёт установки устройства по центру дна навозохранилища [7].
Рисунок 1. Перемешивающее устройство
Гомогенизация жидкого неразделённого навоза заключается в обеспечении периодического перемешивания в течение срока хранения навозной массы по всему объёму и поддержания во взвешенном состоянии частиц донного осадка при опорожнении лагуны с целью минимизации остаточного слоя. Для решения поставленной задачи необходимо, чтобы кинетической энергии струи жидкости было достаточно для перемещения донного осадка по всей длине перемешивания. Ве-
личина кинетической энергии струи жидкости, истекающей из перемешивающего устройства, будет зависеть от физических и реологических свойств донного осадка, а также от длины перемешивания. На основании теоретических и опытных исследований была получена формула:
Уп=к„„ т
рд
т0х
^ г (1)
где V0 - средняя скорость истечения полуограниченной струи, м/с;
Кх - численный коэффициент, равный ;
т0 - начальное напряжение сдвига, Па;
р - плотность донного осадка, кг/м3;
Иотв- высота плоского отверстия при истечении полуограниченной струи, м;
X - длина линии перемешивания, м.
Выражение для определения скорости истечения (1) было получено на основе применения уравнения изменения количества движения к выделенному участку полуограниченной струи, уравнения Шведова - Бингама и полуэмпирической теории смешения Прандтля [8, 9].
Подбор миксера перемешивающего устройства осуществляется по величине его номинальной подачи:
Q„=VSc, (2)
где 5с - площадь сечения на входе или на выходе устройства.
Возможность уменьшения сечения на выходе устройства позволяет увеличить кинетическую энергию потока при тех же мощностных параметрах миксера.
Основным недостатком предложенного устройства является невозможность перемешивания до тех пор, пока уровень жидкости не превысит высоту самого устройства. В связи с этим физические и реологические характеристики донного осадка за время отсутствия перемешивания могут быть значительными.
В ходе проведения исследований донного осадка были получены следующие результаты:
- донный осадок образуется при достижении относительной влажности жидкого навоза Вн=92%;
- относительная влажность донного осадка находится в пределах 90-93% (Вос=90% при влажности жидкого навоза 92%, Вос=93% при влажности жидкого навоза 97%);
- плотность донного осадка при различной влажности жидкого навоза изменяется незначительно и составляет рос кг/м3.
Необходимо отметить, что эти данные были получены при заборе проб нижних слоёв донного осадка. Распределение по высоте параметров донного осадка, образующегося при расслоении жидкого навоза влажностью 92%, представлено на рисунке 2 (общая высота донного осадка составляла 790 мм).
Рисунок 2. Распределение показателей влажности и плотности по высоте донного осадка
Количество образующегося донного осадка зависит от исходной влажности жидкого навоза. В ходе опытных исследований при определении количества донного осадка, образующегося при расслоении 1 м3 жидкого навоза, были получены следующие результаты (таблица).
Влажность жидкого навоза , % Объём осадка в 1 м3 жидкого навоза , м3
92 0,55
93 0,51
94 0,45
95 0,38
96 0,31
97 0,23
Параметр получил название коэффициента осадка. Зная коэффициент , легко определить количество выпадающего донного осадка при любой влажности жидкого навоза, и его высоту при известных геометрических параметрах навозохранилища.
Высоты донного осадка в процентном отношении к общей высоте для исходного значения влажности жидкого навоза в соответствии с полученными значениями коэффициента осадка для каждого значения влажности отражено в диаграмме на рисунке 3.
Рисунок 3. Диаграмма образования донного осадка
Продолжительность работы миксера перемешивающего устройства должна соответствовать времени перемешивания, которое составит [10]:
ГГ„
-01
г=К<
о
к .и1
(3)
где - коэффициент высоты донного осадка, учитывающий количество высот придонного слоя при движении жидкости в общей высоте донного осадка; - объём жидкого навоза в лагуне, м3.
Коэффициент высоты равен:
Кх =
ЗЛЬяЬл{х0Т
С. 11
■Д.75
(4)
р ■ V- (Д5й,,) ■
где - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; - длина стороны основания навозохранилища, м.
Форма квадрата в основании плёночного навозохранилища является более продуктивной перед формой прямоугольника. В случае прямоугольной формы увеличивается нерациональность длин перемешивания по периметру дна, что в свою очередь приводит к неэффективному использованию мощности миксера и перерасходу электроэнергии.
Наиболее рациональной формой основания плёночного навозохранилища будет являться круг, что позволит свести к равенству все линии перемешивания по периметру дна и обеспечить отсутствие застойных зон, образующихся в углах лагуны прямоугольной формы. Форма круга в основании лагуны обеспечит наиболее рациональное использование мощностных характеристик миксера.
В ходе проведения экспериментальных исследований были подтверждены теоретические расчёты, связанные с определением величины кинетической энергии, достаточной для перемешивания донного осадка. В частности, был определён оптимум подачи, скорректирован коэффициент. По результатам проведённых экспе-
риментов получено уравнение регрессии, отражающее зависимость высоты остаточного слоя донного осадка от величины подачи (рис. 4).
h0, м
0,6 0,55 0:5 0,45 ОД 0,35 0:3 0,25 0:2 0:15 0:1 0.05 0
0,00167 0,00177 0,00187 0,00197 0,00207 0,00217 0,00227 0,00237 0,00247
QM м3/с
Рисунок 4. Зависимость высоты остаточного слоя донного осадка
от величины подачи
у=2Л1><106х2-1,956х1012х-3,68х1012
Необходимо отметить, что представленное уравнение регрессии было построено для максимальных значений линии перемешивания и высоты донного осадка на модели.
Подтверждённые экспериментально теоретические исследования позволяют обеспечить подбор миксера по величине подачи и рассчитать геометрические параметры самого устройства.
Список литературных источников:
1. Рекламный проспект: ООО «ПМ - Комплект» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://sdk-geo.ru/geomembrana.
2. Брюханов, А.Ю. Методы проектирования и критерии оценки технологий утилизации навоза, помёта, обеспечивающие экологическую безопасность: дис. ... д-а техн. наук / А.Ю. Брюханов. - Санкт-Петербург, 2016. - 440 с.
3. Утилизация навоза/помета на животноводческих фермах для обеспечения экологической безопасности территории, наземных и подземных водных объектов в Ленинградской области / В.И. Могилевцев [и др.] // Государственное научное учреждение Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии. - СПб, 2012. - 237 с.
4. Опыт хранения жидкого навоза в лагунах в Финляндии / Хеллстед М., Теему А.-К. // Экология и сельскохозяйственная техника: материалы 7-й международной научно-практической конференции в 3-х томах. Т. 3. - СПб: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2011. - С. 23-24.
5. Пат. РФ № 127574. МПК А01С 3/02 (2006.01). Устройство для перемешивания жидкого неразделённого навоза / Ворожцов О.В., Трифанов А.В.; заявитель и патентообладатель ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии (RU). - №2012138832; заявл. 10.09.2012; опубл. 10. 05. 2013, Б. И. № 13.
6. Ворожцов, О.В. Устройство для перемешивания жидкого свиного навоза в
навозохранилищах / O^. Ворожцов, А.В. Трифанов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2014. - №6. - С. 8-9.
7. Ворожцов, O^. Хранение и утилизация жидкого навоза в лагуне / O^. Ворожцов // Агропромышленный комплекс: состояние, проблемы, перспективы: материалы X международной научно-практической конференции. - Пенза: РИO ПГСХА, 2014. - 163 с. - С. 23-26.
8. Ворожцов, O^. Гомогенизация вязких жидкостей в резервуарах-отстойниках под воздействием затопленной полуограниченной струи, истекающей из плоского отверстия / O^. Ворожцов // Вестник ПсковГУ: Серия «Экономические и технические науки». - 2014. - №5. - С. 135-141.
9. Ворожцов, O^. Теоретические предпосылки расчёта устройства для перемешивания жидкого свиного навоза в навозохранилищах / А.В. Трифанов, O^. Ворожцов // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: Государственное научное учреждение Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук. - № 85. - Санкт-Петербург, Тярлево, 2014. - 165 с. - С. 127-136.
10. Ворожцов, O^. Гомогенизация вязких жидкостей в резервуарах - отстойниках под воздействием затопленной полуограниченной струи / O^. Ворожцов, А.В. Стрикунов. - Псков: Псковский государственный университет, 2016. - 54 с.
References:
1. Flyer: OOO 'PM - Komplekt'. Available at: http://sdk-geo.ru/geomembrana.
2. Bryukhanov, A. YU. Metody proyektirovaniya i kriterii otsenki tekhnologiy utilizatsii navoza, pomëta, obespechivayushchiye ekologicheskuyu bezopasnost'. Dokt, Diss. [Design methods and criteria for evaluating manure management ensuring environmental safety. Doct. Diss.]. St. Petersburg, 2016. 440 p.
3. Mogilevtsev, V. I. Utilization of manure on livestock farms for ensuring the environmental safety of the area, land and underground water bodies in the Leningrad Region. Gosudarstvennoye nauchnoye uchrezhdeniye Severo-Zapadnyy nauchno-issledovatel'skiy institut mekhanizatsii i elektrifikatsii sel'skogo kho-zyaystva Rossel'khozakademii [State Scientific Institution North-West Research Institute of Mechanization and Electrification of Agriculture of Russian Agricultural Academy]. St. Petersburg, 2012. 237 p.
4. Hellsted M., Teyemu A. - K. Experience of storing liquid manure in lagoons in Finland. Ekologiya i sel'skokhozyaystvennaya tekhnika: materialy 7-y mezhdunarodnoy nauchno - prakticheskoy konferentsii v 3-kh tomakh. T. 3. [Ecology and agricultural machinery: Proc. of the 7th International Research and Practice conference in 3 volumes. Vol. 3.]. St. Petersburg, 2011.
5. Vorozhtsov O. V., Trifanov A. V. Ustroistvo dlia peremeshivania zidkogo nerazdelennogo navoza [A device for mixing liquid undivided manure]. Patent RF, no. 127574, 2006.
6. Vorozhtsov O. V. The device for mixing liquid swine manure in manure storage. Mekhanizatsiya i elektrifikatsiya sel'skogo khozyaystva [Mechanization and electrification of agriculture]. 2014, no. 6, pp. 8-9 (In Russian).
7. Vorozhtsov O. V. Storage and disposal of liquid manure in the lagoon. Agropromyshlennyy kompleks: sostoyaniye, problemy, perspektivy: materialy X mezhdunarodnoy nauchno - prakticheskoy konferentsii. [Agroindustrial complex: state,
problems, perspectives: Proc. of the X International Scientific and Practical Conference]. Penza, 2014, pp. 23-26 (In Russian).
8. Vorozhtsov O. V. Homogenization of viscous liquids in tanks - settlers under the influence of a semi-infinite submerged jet flowing out of a flat hole. Vestnik PskovGU: Seriya 'Ekonomicheskiye i tekhnicheskiye nauki' [Bulletin of Pskov State University: Series 'Economic and Technical Sciences'], 2014, no. 5, pp. 135-141 (In Russian).
9. Vorozhtsov O. V., Trifanov A. V. Theoretical prerequisites for calculating the device for mixing liquid swine manure in manure storage. Tekhnologii i tekhnicheskiye sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rasteniyevodstva i zhivotnovodstva: Gosudarstvennoye nauchnoye uchrezhdeniye Severo - Zapadnyy nauchno - issledovatel'skiy institut mekhanizatsii i elektrifikatsii sel'skogo khozyaystva Rossiyskoy akademii sel'skokhozyaystvennykh nauk [Technologies and technical means of mechanized production of crop and livestock production: State Scientific Institution North - Western Scientific Research Institute of Mechanization and Electrification of Agriculture of the Russian Academy of Agricultural Sciences] , St. Petersburg, 2014, no. 85, pp. 127-136 (In Russian).
10. Vorozhtsov O. V., Strikunov A. V. Gomogenizatsiya vyazkikh zhidkostey v rezervuarakh - otstoynikakh pod vozdeystviyem zatoplennoy poluogranichennoy strui [Homogenization of viscous liquids in tanks-settlers under the action of a submerged semi-bound jet]. Pskov, 2016, 54 p.
Ensuring mixing of liquid swine manure in film manure
storage
Trifanov Alexey Valeryevich, Candidate of Science (Engineering), director
e-mail:[email protected]
The Institute of Agroengineering and Environmental Problems of Agricultural Production,
Vorozhtsov Oleg Vasilyevich, senior lecturer
e-mail:[email protected] The Institute of Agroengineering and Environmental Problems of Agricultural Production, St. Petersburg, Russia
Abstract. The article includes key calculated dependences, which ensure mixing the bottom residue in film manure storage. The parameters of bottom residue have been considered.
Keywords: liquid swine manure, manure storage, mixing, device, bottom residue.
