CC BY
17
УДК 631.363.285
В.Г. Игнатенков, М.А. Фомичев, В.В. Шлапаков, Д.А. Александров
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ШНЕКОВОГО ПРЕССА ДЛЯ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ САПРОПЕЛЯ
ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЛАЖНОСТИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВЕЛИКОЛУКСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ», ВЕЛИКИЕ ЛУКИ, РОССИЯ
V.G. Ignatenkov, M.A. Fomichev, V.V. Shlapakov, D.A. Aleksandrov RESULTS OF THE SCREW PRESS EXPERIMENTAL RESEARCHES FOR DEWATING
THE SAPROPEL NATURAL HUMIDITY FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «STATE AGRICULTURAL ACADEMY OF VELIKIE LUKI», VELIKIYE LUKI, RUSSIA
Валерий Геннадьевич Игнатенков
Valerii Gennadevich Ignatenkov кандидат технических наук, доцент [email protected]
Виктор Валерьевич Шлапаков
Viktor Valerevich Shlapakov [email protected]
Аннотация. Увеличение выпуска продукции животноводства всегда являлось одной из главных и актуальных задач в сельском хозяйстве. Для решения этой задачи ставится такая цель, как улучшение кормовой базы для выращивания животных. В качестве компонента кормовых добавок, вводимых в основной рацион поголовья, следует использовать местные органические ресурсы, одним из которых является сапропель, богатый витаминами и минеральными веществами. Сапропель содержит в доступных для усвоения формах окиси кремния, магния, железа, фосфора, натрия, различные микроэлементы, а также биологически активные вещества - витамины, стимуляторы роста, антибиотики. Однако сдерживающими факторами в использовании этого ценного сырья являются недостаточная изученность его физико-механических свойств, низкий уровень научных разработок, направленных на совершенствование технологий переработки сапропеля естественной влажности. Технологические операции по переработке сапропеля включают добычу различными гидромеханическими агрегатами и устройствами, транспортирование к месту переработки, обезвоживание до влажности 60-75%, доставку к месту дальнейшего использования или приготовления кормовых добавок. Для высокоэффективного применения сапропеля научно исследовали и обосновали процедуру его обезвоживания после добычи, учитывали, что влажность такого сапропеля варьируется в пределах 84...96%. Для этого на базе ФГБОУ ВО «Великолукская ГСХА» сконструировали, изготовили, протестировали шнековый пресс, а также провели экспериментальные исследования последнего. Предлагаемый нами пресс состоит из корпуса с перфорированной поверхностью, покрытой нетканым материалом, дозатором шлюзового действия, из привода, ёмкости для сбора отжатой прессом жидкости, конического шнека, запорной пластины с отверстиями и поддона. В результате эксперимента определили рациональные конструктивные параметры, такие как частота вращения вала шнека, длина шнека и толщина запорной пластины с отверстиями. Были проанализированы выходные параметры технологического процесса работы шнекового пресса, такие как влажность сапропеля (после выхода из шнекового пресса), затрачиваемая мощность на обезвоживание и удельная производительность. Предлагаемая конструкция шнекового пресса с коническим валом и запорной пластиной с отверстиями позволяет получить сапропель кондиционной влаж-
Максим Александрович Фомичев
Maksim Aleksandrovich Fomichev [email protected]
Дмитрий Александрович Александров
Dmitrii Aleksandrovich Aleksandrov [email protected]
ности для дальнейшего использования на кормовые добавки с минимальными энергозатратами и с высокой производительностью.
Ключевые слова: шнековый пресс, сапропель, влажность, производительность, мощность, шнек.
Abstract. Increasing livestock production has always been one of the main and urgent tasks in agriculture. To solve this problem the goal is to improve the feed base for growing animals. Local organic resources one of which is sapropel rich in vitamins and minerals, should be used as a component of feed additives introduced into the main diet of the livestock. Sapropel contains in accessible for assimilation forms of silicon oxide, magnesium, iron, phosphorus, sodium, various microelements, as well as biologically active substances vitamins, growth stimulants, antibiotics. However, limiting factors in the use of this valuable raw material are insufficient study of its physical and mechanical properties, the low level of scientific development aimed at improving the technology of processing sapropel natural moisture. Technological operations for sapropel processing include extraction of various hydro-mechanical units and devices, transportation to the place of processing, dehydration to 60-75% humidity, delivery to the place of further use or preparation of feed additives. For highly efficient application of sapropel the dewatering procedure was scientifically investigated and substantiated, after mining, taking into account that the humidity of such sapropel varies within 84 ... 96%. For this purpose at the base of FSBEI Velikolukskaya SAA they designed, manufactured, tested and conducted the experimental studies of a screw press. The offered press consists of a housing with a perforated surface coated with non-woven material, a sluice action dispenser, an actuator, a collecting tank for the pressed liquid, a conical screw, a locking plate with holes and a pallet. As a result of the experiment rational design parameters such as screw shaft speed, screw length and hole plate thickness were determined. Output parameters such as sapropel humidity (after leaving the screw press), dewatering capacity and specific capacity were analyzed. The offered design of the screw press with a conical shaft and a shut-off plate with holes allows to receive a sapropel of a conditioned humidity for the further use on feed additives with the minimum power inputs and high output rate.
Keywords: screw press, sapropel, humidity, performance, power, screw.
Вестник Курганской ГСХА № 2, 2020 Тезашческие аауш 63
Введение. Сапропель - донное отложение пресноводных водоёмов, образующееся в результате биохимического, микробиологического и физико-механического процессов из останков населяющих озёра животных и растительных организмов, а также приносимых в водоёмы с водой различных органических и минеральных примесей [1, 2, 3].
Естественная влажность отложений зависит от глубины залегания слоя и находится в пределах 84...96%, средняя статистическая влажность составляет 88,4% [4, 5]. При влажности выше 90% сапропель теряет всякую несущую способность и переходит в жидкое состояние, при влажности близкой к 40% он переходит в твёрдое состояние и способен выдерживать нагрузки до 125 кг/см2. Влажность сапропеля тесно связана с его зольностью. Органический сапропель обладает более высокой влажностью, чем минерализированный, что сказывается на процессе его обезвоживания [4, 5].
Сапропель содержит в доступных для животных формах окиси кремния, магния, железа, фосфора, натрия, различные микроэлементы, а также биологически активные вещества - витамины, стимуляторы роста, антибиотики. Кроме того он обладает хорошими водно-физическими свойствами, обильной микрофлорой и не засорен семенами сорных растений [6, 7].
Сапропель следует обезвоживать для дальнейшей переработки, что возможно различными механическими способами. К одним из самых эффективных относится снижение влаги шнековым прессом [8-12].
Методика. Для использования сапропеля в качестве компонента кормовой добавки его необходимого обезвоживать, для чего нами был изобретен и изготовлен шнековый пресс, общий вид и схема которого представлены на рисунках 1, 2.
Представленный шнековый пресс для обезвоживания сапропеля естественной влажности состоит из корпуса 3 с перфорированной поверхностью (мелкие отверстия), обтянутой нетканым материалом 5, который пропускает воду, но задерживает более крупные частицы сапропеля; давление прессования сапропеля создается с помощью конического шнека 6, такая форма шнека позволяет сжимать сапропель постепенно, что положительно влияет на общие энергозатраты технологического процесса. Окончательная плотность и влажность сапропеля задаётся запорной пластиной с отверстиями 7 (с переменной толщиной). Для предотвращения забивания
шнекового пресса в конструкции предусматривается дозатор 2 роторного типа, рабочий орган которого - лопатки для подачи материала в загрузочную горловину. Вода после отжима сапропеля собирается в ёмкости для сбора удалённой жидкости 4. Шнек пресса получает вращение от мотора редуктора 1. Вал дозатора вращается от электродвигателя 9 [8].
Новым в предлагаемой конструкции шнекового пресса является возможность контроля выходной плотности и влажности сапропеля за счёт запорной пластины переменной толщины с отверстиями, а также использования ротор-но-лопастного дозатора шлюзового действия, который подает сапропель в загрузочную горловину, только при вращении своего вала.
1 - Мотор редуктор; 2 - Дозатор роторно-лопастной; 3 - Перфорированный корпус; 4 - Ёмкость для сбора отжатой жидкости; 5 - Нетканый материал; 6 - Конический шнек; 7 - Запорная пластина с отверстиями; 8 - Поддон для сапропеля; 9 - Электродвигатель
Рисунок 1 - Схема шнекового пресса
Рисунок 2 (а) - Общий вид шнекового пресса
Поверхности отклика, построенные на основе регрессионного анализа, изображены на рисунках 3.
Рисунок 2 (б) - Общий вид шнекового пресса
Для повышения эффективности процесса обезвоживания сапропеля естественной влажности провели ряд экспериментальных исследований с изменением конструктивных параметров рабочих органов и режимов работы шнекового пресса.
Для этого были выбраны следующие факторы с определенным интервалом варьирования [11]:
Ь1 - Частота вращения шнека, мин-1 (20 мин-1; 40 мин-1; 60 мин-1);
Ь2 - Длина шнека, м (1 м; 2 м; 3 м);
Ь3 - Толщина запорной пластины, мм (10 мм; 20 мм;30 мм).
Для определения работоспособности и улучшения применения шнекового пресса были приняты следующие выходные параметры [9]:
^М— Влажность сапропеля (после выхода из шнекового пресса), %;
N - Затрачиваемая мощность, Вт;
Q - Производительность, кг/ч.
Результаты. После проведения повторного многофакторного регрессионного анализа было получено уравнение регрессии, описывающее влияние частоты вращения шнека, длины шнека и толщины запорной пластины на влажность сапропеля (после выхода из шнекового пресса):
М = 98,0 - 0,60625Ь + 7,875Ь2 - 0,675Ь3 - ,25Ь22 (1)
Рисунок 3 (а) - Зависимость влажности сапропеля от частоты вращения шнека и длины шнека
Принимая во внимание значение коэффициентов получаемой математической модели, анализируя поверхности отклика, рисунки 3, отметили: в большей степени на влажность сапропеля (после выхода из шнекового пресса) влияют длина шнека и частота вращения шнека, в меньшей - толщина пластины.
Рисунок 3 (б) - Зависимость влажности сапропеля от толщины запорной пластины и длины шнека
После проведения повторного многофакторного регрессионного анализа было получено уравнение регрессии, описывающее влияние частоты вращения шнека, длины шнека и толщины запорной пластины на затраты мощности для обезвоживания сапропеля:
N=715,918-6,4666^+17,4336 ^-1,32069 Ь+0,141796 Ь,2-0,903289 Ь22 (2)
Поверхности отклика, построенные на основе регрессионного анализа, изображены на рисунках 4.
Вестник Курганской ГСХА № 2, 2020 т^тжкш науш 65
Рисунок 4 (а) - Зависимость мощности от длины шнека и частоты вращения шнека
< 770 <720
< 670
Рисунок 4 (б) - Зависимость мощности от толщины запорной пластины и частоты вращения шнека
После проведения повторного многофакторного регрессионного анализа было получено уравнение регрессии, описывающее влияние частоты вращения шнека, длины шнека и толщины запорной пластины на производительность шне-кового пресса:
Q = -29,5 + 18,5125Ь1 - 11,5Ь2 + 0,9Ь3 -
0,375 Ь1Ь2 + 0,1Ь2Ь3+ 2,0Ь22 (3)
Поверхности отклика, построенные на основе регрессионного анализа, изображены на рисунках 5.
Принимая во внимание значение коэффициентов получаемой математической модели, анализируя поверхности отклика (рисунок 5), отметили: в большей степени на производительность шнекового пресса влияют частота вращения и толщина запорной пластины, в меньшей - длина шнека.
< 220
Рисунок 5 (а) - Зависимость производительности от частоты вращения шнека и длины шнека
■ <240
Рисунок 5 (б) - Зависимость производительности от толщины запорной пластины и частоты вращения шнека
Все модели информационно способны, т.к. коэффициент детерминации параметров достаточно велик, от 0,943 до 0.998. Обнаружены статистически достоверные (значимые) различия на уровне а=0,05. Заметной корреляции между опытными данными нет, так как статистика Durbin-Watson (DW) больше, чем 1,4. Таким образом, в ходе эксперимента были получены полные квадратичные модели, адекватно аппроксимирующие результаты эксперимента на уровне значимости а=0,05.
Выводы. В результате экспериментальных исследований процесса обезвоживания сапропеля естественной влажности были выявлены следующие рациональные конструктивные параметры шнекового пресса: частота вращения шнека - 40 мин-1; длина шнека - 3 м; толщина запорной пластины - 10 мм. При таких значениях влажность сапропеля (после выхода со шнекового пресса) W = 72 %, потребляемая мощность N=738 Вт и производительность Q=612 кг/час.
Использование шнекового пресса с коническим шнеком, перфорированным корпусом
с нетканым материалом и запорной пластиной с отверстиями даёт возможность повысить эффективность переработки такого ценного орга-но-минерального природного ресурса, как сапропель, при снижении энергозатрат и повышении качества конечного продукта.
Список литературы
1 Игнатенков В.Г., Волошин Ю.И., Морозов В.В., Игнатенков Г.И. Расчет параметров аппарата для приготовления сапропелевой смеси // Техника в сельском хозяйстве. 2005. № 5. С. 2.
2 Игнатенков В.Г., Лебедко А.М., Шлепетин-ский А.Ю. Определение зависимости насыпной плотности сапропеля от влажности // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного производства Псковской области: сборник научных трудов. Великие Луки, 2004. С. 3.
3 Лопотко М.З., Евдокимова Г.А. Сапропе-ли и продукты на их основе. Минск: Наука и техника, 1986. 190 с.
4 Морозов В.В., Игнатенков В.Г. Технология получения и использования витаминно-кор-мовой добавки на основе сапропеля. Российская школа по проблемам науки и технологий. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. С. 319-321.
5 Морозов В.В. Технология и комплекс машин для послойной разработки сапропеля на удобрения: дис. ... доктора техн. наук: 05.20.01. СПб., 1995. 287 с.
6 Игнатенков В.Г., Богданов К.А., Иванов Е.А, Иванов А.И., Александров Д.А., Исследование работы барабанного ячеистого дозатора универсального смесителя-измельчителя витаминно-кор-мовой добавки на основе сапропеля // Вестник Курганской ГСХА. 2020. № 1 (33). С. 62-65.
7 Штин С.М. Озерные сапропели и их комплексное освоение. М.: Изд-во МГГУ, 2005. 185 с.
8 Игнатенков В.Г., Лебедко А.М. Анализ функций шнекового смесителя // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного производства Псковской области: сборник научных трудов. Великие Луки, 2004. С. 4-5.
9 Мельников С.В., Алешкин В.Р., Ро-щин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. Л.: Колос, 1980. 168 с.
10 Морозов В.В., Милохин В.К. Механическое обезвоживаниесапропеля // Информационный листок ЦНТИ № 214-93. 1993. 2 с.
11 Хайлис Г.А., Ковалев М.М. Исследования сельскохозяйственной техники и обработка опытных данных. М.: Колос, 1994. 169 с.
12 Данилова А.К., Костюнина В.Ф., Холодная Н.И. Использование сапропеля в животно-
водстве и птицеводстве // Зоогигиенические мероприятия в обеспечении здоровья и продуктивности сельскохозяйственных животных и птиц: сборник научных трудов. М., 1989. с. 6-9.
List of references
1 Ignatenkov V.G., Voloshin Yu.I., Moro-zov V.V., Ignatenkov G.I. Calculation of the parameters of the apparatus for the preparation of sapropel mixture // Machinery in agriculture. 2005. № 5. P. 2.
2 Ignatenkov V.G., Lebedko A.M., Shlepetin-sky A.Yu. Determination of the dependence of the bulk density of sapropel on humidity // State and prospects for the development of agricultural production in the Pskov region: a collection of scientific works. Velikiye Luke, 2004. P. 3.
3 Lopotko M.Z., Evdokimova G.A. Sapropeli and products based on them. Minsk: Science and Technology, 1986. 190 p.
4 Morozov V.V., Ignatenkov V.G. Technology of production and use of vitamin-feed additive based on sapropel. Russian School on Science and Technology. Yekaterinburg: Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 2003. Рр. 319-321.
5 Morozov V.V. Technology and a complex of machines for layer-by-layer development of sapropel for fertilizers: dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences: 05.20.01. SPb., 1995. 287 p.
6 Ignatenkov V.G., Bogdanov K.A., Ivanov E.A., Ivanov A.I., Alexandrov D.A., Study of the operation of the drum cellular dispenser of the universal mixer-grinder of vitamin fodder additive based on sapropel // Vest-nik Kurganskoy GSKhA. 2020. № 1 (33). Рр. 62-65.
7 Shtin S.M. Lake sapropels and their integrated development. M.: Publishing House of Moscow State University, 2005. 185 p.
8 Ignatenkov V.G., Lebedko A.M. Analysis of the functions of a screw mixer // State and prospects for the development of agricultural production in the Pskov region: a collection of scientific works. Great Luke, 2004. Pр. 4-5.
9 Melnikov S.V., Aleshkin V.R., Roshchin P.M. Experiment planning in research of agricultural processes. L.: Kolos, 1980. 168 p.
10 Morozov V.V., Milokhin V.K. Mechanical dehydration of sapropel // Information sheet TsNTI №. 214-93. 1993. 2 p.
11 Hailis G.A., Kovalev M.M. Research of agricultural machinery and processing of experimental data. M.: Kolos, 1994. 169 p.
12 Danilova A.K., Kostyunina V.F., Holodnaya N.I. The use of sapropel in animal husbandry and poultry husbandry // Zoogenic measures in ensuring the health and productivity of farm animals, and birds: a collection of scientific works. M., 1989. Pр. 6-9.
