CC BY
41
УДК 631.862.1
ПОЛУЧЕНИЕ ОДНОРОДНОЙ МАССЫ ЖИДКИХ СТОКОВ С ОБОСНОВАНИЕМ ФОРМЫ ЛАГУНЫ
А.В. Мачкарин, кандидат технических наук А.В. Рыжков, кандидат технических наук К.В. Казаков, кандидат технических наук ФГБОУ ВО Белгородский ГАУ E-mail: machkarin@mail.ru
Аннотация. Обоснованы формы лагуны при хранении жидкой фракции навоза. Лагуны не могут очищаться от осадка механическим способом, как навозохранилища с бетонным покрытием, поэтому необходимо перемешивание как неразделенного навоза, так и жидкой фракции после сепарирования. Только при хранении сепарированного навоза для этого может применяться меньшее количество техники и более простое и дешевое оборудование. Так, например, для крупных лагун при хранении неразделенного навоза применяются одновременно лагунная помпа и миксер, а для жидкой фракции достаточно миксера. Для перемешивания навоза целесообразно применение передвижного оборудования, работающего от вала отбора мощности трактора. Исследования показали, что влажность навоза 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 влажность в зоне забора снижается. С понижением влажности циркуляция затухает более быстро. Затухание циркуляции навоза в лагуне подчиняется параболической зависимости. 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 . Жидкие стоки, находящиеся в лагуне, имеют три состояния.
Первое - когда достигается нужная степень однородности под действием гидродинамической установки.
Второе - когда твердые частицы оседают (свиной навоз) или всплывают (навоз КРС, куриный помет).
Третье - слои твердой фракции разделились. Требуемая степень однородности навоза достигается подведенной извне энергией, которая во время разгона расходуется на увеличение кинетической энергии.
Воспользуемся первым законом термодинамики:
( = &пт рй(2кн> (!)
где (п - полная энергия навозной массы, Дж; (лг - потенциальная энергия, Дж; (ш -подведенная кинетическая энергия, Дж.
К навозу, находящемуся в лагуне, можно применить основное положение механики сплошных сред [1,2]. Тогда
(кн = 103 Мсгс, (2)
где . - мощность гидродинамической установки, кВт; ¿с - время работы для придания однородной массы, с.
Мощность, необходимую для перемешивания, определяют с учетом параметров лагуны, кинетических режимов движения навоза и его реологических свойств [2]:
. = 10"3 (ПуТнС* ) =
2
= jnnRxpHp >
xp xp ■
(3)
где w - давление навоза на стенки лагу-
ны, Па; ^ - площадь трения о поверхность
2
лагуны, м ; нП - средняя частота вращения навоза в лагуне, с-1; Ср - радиус лагуны, м; тс - напряжение сдвига массы навоза, Па; Н - высота лагуны, м; ул - интенсивность перемешивания навоза,
кВт/(м3/с).
Форма лагуны оказывает большое влияние на затраты энергии при получении однородной массы жидких стоков в лагуне. Изготавливаемые в хозяйствах Белгородской области лагуны имеют форму усеченной пирамиды. Такая форма лагуны увеличивает сопротивление на раскачивание навозной массы, создаются мертвые зоны, где не происходит движение навоза, и как следствие -снижение равномерности получения однородной массы жидких стоков. Поэтому отыскание оптимальной формы и конструкции лагуны является важной задачей, решение которой позволит снизить энергоемкость процесса получения однородной массы навоза. На наш взгляд, наиболее приемлемой формой лагуны является форма усеченного конуса или усеченной полусферы. Рассмотрим процесс вращения жидких стоков в лагуне в форме усеченного конуса. Жидкие стоки, заключенные в открытом сверху усеченном конусе, под действием приведенной
„ то2
кинетической энергии Е =-, вращаются
с постоянной угловой скоростью а (рис. 2). В этом случае на стоки действуют три массовые силы: сила тяжести, центробежная сила и сила трения навоза о стенки лагуны.
Выбираем подвижную прямоугольную систему координат с началом в точке пересечения свободной поверхности жидких стоков и оси конуса. На частицу стоков массой т = 1 действует сила тяжести О = —1 g и
центробежная сила Е = — = (аг) = а2 г
г г
(здесь о - окружная скорость). Сила тяжести направлена по вертикали вниз, параллельно оси 2, а центробежная сила направлена по радиусу в горизонтальной плоскости, параллельной плоскости хОу, т.е. нормально к оси 2 . Определим проекции на оси х, у и ъ составляющих равнодействующей массовых сил X, У и 2 .
X = О + Е = 0 + а2гсоъ(г,х) = а2г— = а2х;
У = О + Е = 0 + а2гсов(г,у) = а2г— = а2у;
2 = Ог + Е =— g + 0 = — g.
(4)
Подставим значение (4) в уравнение поверхности уровня, т.е. поверхности равного гидростатического давления или поверхности равного потенциала [2]:
Хйх + Уйу + 1й2 = — йр = 0 Р
и после интегрирования его получим:
2 2 2 2 ,а х а у р = р{—— + —--gz) + с или
со2 г2
р = р{—--gz) + с. (5)
Здесь х2 + у2 = 22 (рис. 2).
Рис. 2. Жидкие стоки, заключенные в сосуде усеченного конуса, вращаются с угловой скоростью а , об/мин.
Постоянную интегрирования с определяем из граничных условий: на свободной поверхности при х = у = 2 = 0, и следовательно, 2 = 0, давление Р = Ра, тогда С = Ра и уравнение (6) можно выразить следующим
У
образом (учитывая, что g = — ).
Р
Средняя плотность жидких стоков объе-
т/ - ^ МО мом V и массой М равна р = —; р =-.
V ^У
Удельный вес жидких стоков, плотность и ускорение силы тяжести связаны следующей зависимостью у = рg .
Значение плотности жидких стоков изменяется с изменением температуры.
Р = Р0 =Р-
2 2 а г
2
у2, откуда
г
Лоигпа! оГ УШТ^Н №4(32)-2018
151
Z =
н2г2 р-ра_ Нг2 Pм , ---= ---; (6)
2g у 2g у Для свободной поверхности, где избыточное (манометрическое) давление равно нулю, уравнение (6) примет вид
Z =
2 2 со r
2g
(7)
Уравнение (7) показывает, что в любой вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения, линия свободной поверхности имеет очертание параболы второго порядка. Следовательно, свободная поверхность в рассмотренном случае является параболоидом вращения. Положение любой точки свободной поверхности, например, точки М' (рис. 2) определяется ординатой [2]:
Z = h = CrM'
ZM' = h0 =
2g
(8)
pPl
Y
2 2 2 2 CO r CO r
--r =--+ a.
2g
2g
(9)
Согласно рисунку 2, это уравнение можно переписать так:
рРа
Y
= a + h0 = h .
(10)
Следовательно, пьезометрическое давление в любой точке вращающихся жидких стоков, в частности, в точке М , определяется глубиной погружения этой точки под свободную поверхность жидких стоков [3].
Удельное давление
р =C-CpHCnRxP H
1 уд
2
(11)
дящая его во вращение, Н; а - угол между направлением действия струи и уровнем навоза в хранилище, рад.
Момент торможения жидких стоков:
M =F РР +т¥
M тр 1 тр1 удРхр + LcV xp ,
(13)
гДе Fmp - площадь трения, м2; Руд - удельное давление, Па; р - радиус лагуны, м; тс - напряжение сдвига массы навоза, Па; V -
объем хранилища, м3.
Так как для каждого типа насоса можно dV„„
= const = Qn (Qn - подача
считать
dt
насоса, м /с), то получим время перемешивания стоков
КРиК (CH - Co)
tn =
2(Mвр -Mmp ) + РНPpQn Ch - Co)
плотность навоза, кг/м3; Р
(14)
Давление в произвольной точке М на глубине а под свободной поверхностью (с ординатой ^ = -а ) определяется по уравнению (8):
вр
где Рн
радиус лагуны, м; н - средняя частота
вращения навоза, с-1; н 0 - средняя начальная
частота вращения навоза, с-1. Момент вращения:
M = F Р cosa.
вр стр xp
(15)
где ^ - средняя сила удара струи воспринимаемая навозом в хранилище приводящая его во вращение, Н; а - угол между направлением действия струи и уровнем навоза в хранилище, рад.
Если учесть момент трения, время затухания циркуляции навоза
^ = VxpPxp (% - CO
2РнапРХр 2,5(сопРхр )2 кРрНр,
ътУр) + PxpQn(ccп -cO
(16)
где С^ - коэффициент сопротивления где Оп - пр°изв°дительн°сть перемеши-трению, отнесенный к единице поверхности вающей установки, м3/ч; - эквивалентная
о
лагуны, с /м; рн - плотность жидких стоков, кажущаяся вязкость потока жидкого навоза
при ламинарном движении, Па с.
Аналитические и экспериментальные исследования показали, что значения £п и Хз
кг/м3.
Момент вращения жидких стоков, Н-м:
M = F Р cosa,
вр стр xp
(12)
где Fcm - средняя сила удара струи, вос- возрастают с увеличением Vxp (рис. 3, 4).
принимаемая навозом в хранилище и приво-
эк
1500 2000 2500 3000 К.м3 Рис. 3. Зависимости (1,2,3) от Vx при Qn =100
3/ч (1), Q =200 м3/ч (2), Qn =300 м3/ч (3)
L,c 900 700 500 300
1
tm,C
500 Ш 300 200
1500 2000 2500 3000 ' Рис. 4. Зависимости (1,2,3) и 7 (4) от V при 100 м3/ч (1), 200 м3/ч (2), 300 м3/ч (3,4)
Выводы.
1. 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.
2. Проведя аналитические и экспериментальные исследования, можно сделать вывод, что форма лагуны должна быть усеченным конусом или усеченной полусферой, исключающей образование мертвых зон, где не происходит движения навозной массы. С экологической точки зрения лагуна должна быть закрытой, что предотвратит эмиссию азота в атмосферу и попадание диких животных в лагуну.
3. С понижением влажности навоза циркуляция затухает более интенсивно, что обусловлено проявлением внешних и внутренних сил трения при малых скоростях сдвига. Время затухания циркуляции навоза влажностью 95,7% до шкр=0,59...0,65с-1 составляет 120-250 с.
Литература:
1. Личман Г.И. Механика и технологические процессы применения органических удобрений. М., 2001.
2. Технологии и средства механизации уборки, переработки и утилизации навоза. Белгород, 2013.
3. Пат. 2460267 RU. Устройство для создания однородной массы навоза в лагуне / Булавин С.А. и др. За-яв. 24.02.11; Опубл. 10.09.12, Бюл. №25.
Literatura:
1. Lichman G.I. Mekhanika i tekhnolo-gicheskie processy primeneniya organicheskih udobrenij. M., 2001.
2. Tekhnologii i sredstva mekhanizacii uborki, pererabot-ki i utilizacii navoza. Belgorod, 2013.
3. Pat. 2460267 RU. Ustrojstvo dlya sozdaniya odnorod-noj massy navoza v lagune / Bulavin S.A. i dr. Zayav. 24.02.11; Opubl. 10.09.12, Byul. №25.
HOMOGENEOUS MASS OF LIQUID DRAIN WITH LAGOON'S FORM JUSTIFICATION OBTAINING A.V. Mascarin, candidate of technical sciences A.V. Ryzhkov, candidate of technical sciences K.V. Kazakov, candidate of technical sciences FGBOY VO Belgorod GAU
Abstract. The forms a lagoon for manure liquid fraction storage are justified. The lagoons cannot be purified from the precipitate by mechanical means, as manure storage facilities with concrete floors, so mixing is required both undivided manure and liquid fraction after separation. Only at separated manure storing it can the least amount of equipment and a more simple and cheap equipment be applied. For example, for big lagoon at unseparated manure storage the lagoon pump and mixer simultaneously are applied, and for the liquid fraction it is mixer enough. For manure mixing, it is advisable mobile equipment operating from the tractor's power take-off shaft to use. Studies have shown that the manure moisture content isn't permanent and depends on mixing time and mass's initial moisture content. At unit's switching on, in its intake device the manure liquid fraction is entered. Over time, the sediment's solid fraction goes into a suspended state, and the humidity in intake area is reduced. At humidity's lowering, the circulation decays more quickly. The lagoon manure circulation's decaying to parabolic curve base is subjected. Keywords: liquid manure, lagoon, liquid drains, manure moisture, mass's homogeneity.
Journal of VNIIMZH №4(32)-2018
153
