CC BY
44
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._
6. Брюханов А.Ю., Шалавина Е.В. Анализ образования и накопления животноводческих отходов в Ленинградской области // Экологические проблемы использования органических удобрений в земледелии - Сборник научных трудов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Владимир. ФГБНУ ВНИИОУ, 8-10 июля. 2015. С.310-317.
7. Васильев Э.В., Шалавина Е.В., Оглуздин А.С. Повышение эколого-экономической эффективности процесса использования жидкого органического удобрения в условиях Северо-Западного Региона // Кишоварз. 2014. Т.1. С.31-33.
8. Слободянюк П.А., Уваров Р.А. Использование компьютерного моделирования оптимизации распределения площадей для внесения органических удобрений // Проблемы механизации агрохимического обслуживания сельского хозяйства. 2014. № 6. С.139-142.
9. Вентдель Е.С. Исследование операции. М.: Советское радио, 1972. 552 с.
10. Валге А.М. Исследование систем EXCEL и Matead при проведении исследований по механизации сельскохозяйственного производства (методическое пособие). ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии. СПб.: 2013. 200 с.
11. Валге А.М. Обработка данных в Excel на примерах. ГНУ СЗНИИМЭСХ РАСХН. Санкт-Петербург, 2010. 100 с.
УДК 631.862
Е.В. ШАЛАВИНА, канд. техн. наук; А.Ю. БРЮХАНОВ, канд. техн. наук
ОБОСНОВАНИЕ РАЗМЕРОВ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПЕРВИЧНОГО ВЕРТИКАЛЬНОГО ОТСТОЙНИКА ЖИДКОЙ ФРАКЦИИ СВИНОГО НАВОЗА
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
В результате проведенной работы было определено, что объемная доля твердых частиц составляет 0,02, следовательно, можно говорить о свободном осаждении твердых частиц жидкой фракции свиного навоза. При этом форма стенок отстойника, в котором происходит этот процесс, на ход осаждения не влияет. Поэтому при проектировании промышленных отстойников их геометрическая форма выбирается с инженерной целесообразностью и условиями сельскохозяйственного предприятия. Была определена взаимосвязь между диаметром твердых частиц жидкой фракции свиного навоза и диаметром лабораторной установки. Размеры лабораторной модели первичного вертикального отстойника выбираются с учетом соблюдения следующих условий: происходит движение малого количества частиц в объемах, имеющих большое поперечное сечение; размеры лабораторной установки достаточны для удобства ее обслуживания (отбор проб, эксплуатация оборудования); отношение высоты установки к ее диаметру не менее 1,5:1. Были определены минимальные размеры лабораторной установки первичного вертикального отстойника: высота - 490 мм, ширина - 250 мм. Была собрана лабораторная установка первичного вертикального отстойника, на которой будут проводиться лабораторные исследования по седиментации жидкой фракции свиного навоза. Полученные для данных размеров значение коэффициента Д и, соответствующее ему определенное значение поправочного коэффициента k, учитывающего влияние стенок сосуда на осаждение твердых частиц, находятся в заданном для данного вида осаждения диапазоне.
Ключевые слова: экологическая безопасность; первичный вертикальный отстойник; обращение с навозом; седиментационный анализ.
E.V. SHALAVINA, Cand. Sc. (Engineering); A.Yu. BRIUKHANOV, Cand. Sc. (Engineering)
SUBSTANTIATION OF PHYSICAL MODEL DIMENSIONS OF A PRIMARY VERTICAL SEDIMENTATION TANK FOR LIQUID FRACTION OF PIG MANURE
As a result of this work, it was determined that the volume fraction of solids is 0.02, therefore, we can speak about free deposition of solid particles of the liquid fraction of pig manure. In this case, the form of sedimentation tank walls does not affect the course of sedimentation process. So, when designing the industrial-scale tanks their geometrical form is chosen from engineering point of view and with due regard to agricultural enterprise conditions. In the described work the relationship between the diameter of the solid particles of the liquid fraction of pig manure and the diameter of the laboratory installation was defined. The dimensions of the laboratory model of the primary vertical sedimentation tank were calculated with due regard to the following conditions: the movement of a small number of particles takes
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал.
_ИАЭП. 2016. Вып. 88._
place in the space with large cross-section; dimensions of the laboratory installation are big enough for its maintenance (sampling, equipment operation); the ratio of the installation height to its diameter is at least 1.5:1. The minimal dimensions of the laboratory model of the primary vertical sedimentation tank were defined as follows: height - 490 mm, width - 250 mm. Such an installation was manufactured and will be used to investigate sedimentation process of the liquid fraction of pig manure. The obtained coefficient в and corresponding correction factor k, which takes into account the effect of tank walls on the solid particles sedimentation, were found to be within the set range for this type of sedimentation.
Key words: environmental safety; primary vertical sedimentation tank; manure handling; sedimentation analysis.
ВВЕДЕНИЕ
Для проведения промышленных испытаний по первичной седиментации жидкой фракции свиного навоза необходимо предварительно провести лабораторные исследования с целью определения оптимальных режимов работы первичного вертикального отстойника. Для этого требуется определить размеры лабораторной модели первичного вертикального отстойника. Жидкая фракция свиного навоза состоит из воды, грубодисперсных частиц (совокупность которых образует взвешенные вещества), коллоиднорастворенных и истиннорастворенных примесей. Такую жидкость с взвесями принято называть суспензиями. Основная масса грубодисперсных примесей рассматриваемой суспензии имеет плотность, превышающую плотность среды, в которой они находятся; меньшая часть имеет плотность сравнимую и меньшую по сравнению с плотностью среды. Под действием сил гравитации тяжелые примеси оседают, а легкие всплывают. МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ
Оседание твердых частиц в жидкой среде теория рассматривает как свободное и стесненное. Расчет скорости стесненного осаждения твердых частиц суспензии относительно стенок отстойника (неподвижная система координат) осуществляется по формулам [1]: При е > 0,7
Wocc, = Woe • • Ю"1'82"^ (1)
При £ < 0,7
0,123-£3 _
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
где м/осст. - скорость стесненного осаждения частиц относительно стенок отстойника (относительно неподвижной системы координат), м/с; wос - скорость свободного осаждения наименьших частиц, м/с; 8 = Ик/(Уж + УГ) - объемная доля жидкости в суспензии (порозность) б/р; Уж - объем жидкости в суспензии, м ; УГ - объем твердых частиц в суспензии, м3.
Следовательно, скорость осаждения является функцией порозности. Необходимо определить, влияет значение порозности на скорость осаждения при седиментации жидкой фракции свиного навоза или нет.
Средняя влажность жидкой фракции свиного навоза по результатам экспериментальных данных составила 96,1% [2;3]. Следовательно, массовая доля жидкости в суспензии составляет 0,961, б/р. Обозначим ее через £м.
£ =
см
т
ж
тж+тГ
тж + тГ
-м
т
ж
ъ.
Уж
тГ
= 1 + 1
тж
^м 1)
= 1 +
Рж
Рт
Рг^Г Рж^Уж
£ =
Уж
Ут + Уж 1 = Ут + Уж = Ут
8 Уж Уж
1 = 1 + (±-Л.еЕ
£ =
м 1
Ч£м / Рт
1 +
Рт
= 0,98
(3)
(4)
где тж - масса жидкости в суспензии, кг; тГ - масса твердых частиц в суспензии, кг; рж - плотность жидкости, кг/м3; рГ - плотность твердых частиц, кг/м3.
Средняя плотность твердых частиц в жидкой фракции свиного
3
навоза составляет 2600кг/м [4].
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._
Свободное осаждение наблюдается при объемных долях твердых частиц в суспензии меньше 0,1 [5]. В нашем случае, объемная доля твердых частиц составляет 0,02, следовательно, можно говорить о свободном осаждении.
Все представленные критерии в условиях свободного осаждения зависят лишь от физических свойств жидкой фракции свиного навоза: вязкость, диаметр частиц, плотность жидкой фракции свиного навоза и плотность частицы. Следует также учитывать, что ускорение силы тяжести д одинаково для всех случаев, так как седиментация осуществляется в естественных условиях. Следовательно, при свободном осаждении жидкой фракции свиного навоза форма стенок отстойника, в котором происходит осаждение, на ход осаждения не влияет. Поэтому, при проектировании промышленных отстойников их геометрическая форма выбирается с инженерной целесообразностью и условиями сельскохозяйственного предприятия. Размеры лабораторной модели первичного вертикального отстойника выбираются с учетом соблюдения следующих условий:
1. Происходит движение малого количества частиц в объемах, имеющих большое поперечное сечение [4].
2. Размеры лабораторной установки достаточны для удобства ее обслуживания (отбор проб, эксплуатация оборудования).
3. Отношение высоты установки к ее диаметру не менее 1,5:1 [5]. Минимальный размер лабораторной модели первичного
отстойника определяется с учетом влияния стенок установки на
скорость осаждения.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Пусть разброс экспериментальных данных a (%). В нашем случае (проведенном эксперименте) а=3,2 %. Это значит, что истинное значение величины X находится в пределах:
X • (1 - —") < X < X • (1 + —") (5)
V 100/ V _ 100/ v 7
0,968-Х <Х< 1,032 •Х
Отношение диаметра частиц к диаметру отстойника определяется по формуле [4]:
где dч - диаметр твердых частиц жидкой фракции свиного навоза, мм
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
D - диаметр лабораторной модели первичного отстойника, мм.
При этом, каждому значению коэффициента Д соответствует определенное значение поправочного коэффициента, учитывающий влияние стенок сосуда на осаждение твердых частиц к [4].
Таблица 1
_Значение коэффициентов /вик_
в к в к в к
0,0 1,000 0,3 0,472 0,6 0,0945
0,1 0,792 0,4 0,279 0,7 0,0468
0,2 0,569 0,5 0,170 0,8 0,0205
Чтобы влиянием стенок лабораторной модели первичного отстойника на скорость осаждения твердых частиц жидкой фракции свиного навоза можно было пренебречь, значение поправочного коэффициента К должно находиться в пределах:
1- — <к<1 (7)
100 4 7
В данном случае мы используем тот факт, что стенки лабораторной модели первичного отстойника замедляют движение твердых частиц жидкой фракции свиного навоза. В этом случае, влияние стенок лабораторной модели первичного отстойника на скорость осаждения твердых частиц не превышает влияния других случайных факторов и, соответственно, этим влиянием можно пренебречь. Следовательно:
1 - 0,032 < к < 1 (8) 0,968 < к < 1
Пользуясь данными табл. 1 и линейной интерполяцией, получим:
0 < р < — (9)
^ 2,08 4 7
0,032
0 < в < --
"н 2,08
2,08
0,032 ч
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. ИАЭП. 2016. Вып. 88.
Проведенные исследования показали, что средний диаметр твердых частиц жидкой фракции свиного навоза составляет 0,125 мм [3]. Следовательно:
2,08
Я > ^^ • 0,125 = 8,125 мм 0,032 , ,
Даже при диаметре частиц 1,5 мм - диаметр отстойника должен быть не менее 100 мм, а высота отстойника - не менее 150 мм.
С учетом вышеизложенного, диаметр лабораторной установки первичного отстойника принят равным 250 мм (рис. 1). Высота лабораторной модели первичного отстойника выбрана 490 мм. Данные размеры достаточны для удобства обслуживания лабораторной модели [7, 8].
250
, 5 0 .
/ ^ \
о (Г)
а
CJS
Рис. 1. Лабораторная модель первичного вертикального отстойника: 1 - входное отверстие с крышкой для жидкой фракции, 2 - кран шаровый для спуска осадка
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
Для выбранных размеров:
0,125
Р = 150" = 0,0005 £ = 1-0-2,08 к = 1 - 0,0005 • 2,08 = 0,99
ВЫВОДЫ
В результате исследований было установлено, что объемная доля твердых частиц составляет 0,02, следовательно, можно говорить о свободном осаждении твердых частиц жидкой фракции свиного навоза. При свободном осаждении жидкой фракции свиного навоза форма стенок отстойника, в котором происходит осаждение, на ход осаждения не влияет. Поэтому при проектировании промышленных отстойников их геометрическую форму необходимо выбирать с инженерной целесообразностью и условиями сельскохозяйственного предприятия.
Была определена взаимосвязь между диаметром твердых частиц жидкой фракции свиного навоза и диаметром лабораторной установки. Установлены минимальные размеры лабораторной установки первичного вертикального отстойника: высота - 490 мм, ширина - 250 мм.
Была создана экспериментальная установка первичного вертикального отстойника, на которой будут проводиться лабораторные исследования по седиментации жидкой фракции свиного навоза.
Полученные для данных размеров значение коэффициента Д и, соответствующее ему определенное значение поправочного коэффициента к, учитывающего влияние стенок сосуда на осаждение твердых частиц, находятся в заданном для данного вида осаждения диапазоне.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Справочник химика. Второе издание. Том 5. 432 с.
2. Шалавина Е.В., Брюханов А.Ю. Результат лабораторных исследований технологии переработки свиного навоза в аэротенке с использованием циклических отстойников // Вестник Ульяновской
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._
государственной сельскохозяйственной академии. 2015. №3 (31). С. 116-121.
3. Афанасьев В.Н., Шалавина Е.В. Технологические и технические решения проблемы переработки навоза свиноводческих комплексов // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2013. № 4 (12). С.146-153.
4. Помытько П.П., Синдеев А.П. Удаление, обработка и использование навозных стоков крупных животноводческих комплексов. Сборник научных трудов «Механизация удаления, обработки и использования навоза». Подольск. 1983. С.9.
5. Корнеев С.Д. Гидрогазодинамика. Курс лекций. М.: 2011. 220с
6. Курганов А.М., Федоров Н.Ф. Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации. Л.: Стройиздат, 1973. 623с.
7. Шалавина Е.В., Брюханов А.Ю., Васильев Э.В., Субботин И.А. Устройство биологической очистки жидкой фракции свиного навоза и навозосодержащих стоков. Патент РФ 139469. 06.11.2013.
8. Волков А.Н., Брюханов А.Ю., Шалавина Е.В. Определение размеров первичного вертикального отстойника жидкой фракции свиного навоза // Техника в сельском хозяйстве. 2014. № 3. С. 31-32.
