CC BY
33
Совершенствование методологии определения многокомпонентной среды отходов
продукции животноводства
М.Н. Московский, А.А. Гуляев, Хоанг Нгиа Дат, В.Н. Веснин ДГТУ, Ростов-на-Дону
Кроме основной продукции промышленного животноводства и птицеводства ежесуточно в достаточно больших количествах образуются так называемые отходы. Наиболее объемными являются птичий помет, свиной навоз, навоз КРС. Утилизация отходов требует отдельно специальной научной проработки. Данные продукты принято считать отходом производства, хотя следует рассматривать как потенциальный ресурс (сырье), который бы поддерживал экономическую эффективность предприятия [1].
Оптимальный выбор технологии и средств утилизации навоза определяется множеством факторов. Одними из основных являются технологические свойства исходной массы и определение структурных компонентов. Утилизация отходов требует отдельно специальной научной проработки. В практике промышленного животноводства для общей качественной оценки навоза используют, в основном, такие показатели как относительная влажность и насыпная масса. Их значения предопределяют фазовые состояния помета (жидкое, газообразное, вязкое, сыпучее).
Навоз (помет) представляет собой многокомпонентную среду, состоящую из следующих основных фракций: твердая фракция, жидкая фракция и газообразная (смеси газов).
Принимаем для начальных расчетов условия ньютоновской природы жидкости. Вязкость ньютоновских жидкостей при данной температуре и давлении не остается величиной постоянной, а изменяется в зависимости от скорости деформаций сдвига[2].
Распределение данных компонентов фракций (твердая фракция, жидкая фракция и газообразная), как правило носит случайный характер и является изменяющейся величиной во времени. В определенный момент времени t объем этой среды условно можно рассмотреть как объем занятый твердыми частицами Vs и объемами пор Viiö .
Полный объем среды: Vfig = Vöä + Vfiö , (1)
где V-. = V + V..... , (2)
т цб т аа? aiau ? V /
Vää5> VMäü - объем газа и воды, входящей в навозную массу [2].
Используя известное условие [3] примем единицу объема навоза:
m + n = 1 (3)
,где n- относительная доля пористости
V
n = (4)
V
полн
Vnop- объем пор;
V„„- объем навоза;
полн
V
т = —— - доля объема твердой фракции навоза. (5)
Vполн
Величина пористости п рассматриваемой среды:
п = п л + п (6)
воды газа \ ’
Доля объема жидкости определяется из соотношения:
Пводы = = п ■ , (7)
полн
где ^ - коэффициент влажности или коэффициент водонасыщенности [3]:
ж
—к = — (8) к ж
вл
—л - влагоемкость, величина соответствующая полному заполнению пор среды жидкостью.
—в. = — (9)
т0с
рв - плотность навозных стоков, кг/м3;
рс - плотность частиц твердой фракции, кг\м3;
Содержание газа в единице объема навоза определяется:
п = = п _ п „ (10)
газа тт тт тг воды V /
полн полн полн
Преобразуем формулу (6) с учетом зависимости (10):
пгаза = п _ пводы = п _ п ■ —к = Ч1 _ —к ) (11)
При определении отклонения объема газа к объему пор введем понятие «степень газосодер-жания» [4]:
__ —газа ____________ — пор _ — воды _ ^ — воды _ ^ — воды / ^
газа = V ~ V V ~ V ~ V
пор пор пор пор пор
Преобразуем соотношение (12) с учетом (7) и (8):
^ = 1 _Жк ^ +Жк = 1 (13)
пгаза = п Х Б газа (14)
Объем газа в единице объема рассматриваемой среды:
у =тгаз^= {тсв + твп) ^
0 газа 0 газа
Массу газа представим:
т =т +т (16)
газа св вп V /
тсв _ масса сухого воздуха, кг; тви _ масса водяного пара, кг;
V = ^св ХРсв + ^вп ХРвп = V ХР + V 0 (17)
газа св гот.с.в в.п Нот.в.п. V /
0 газа
где ротс в - относительная плотность сухого воздуха;
Рот в „-относительная плотность водяного пара;
Представим зависимость в виде суммы приведенных объемов смеси сухого воздуха и водяного пара:
V = V + V (18)
газа св. вп У ’
С учетом формул (17) и (18) получим:
(0 Л
V* + V,., = л(1 _ —к)^ 1-с. +1 = п(1 _—к) (19)
\ 01о .И.а у
К.е = п(1 _ —к ) Х Оотсв = п Х—к Х Рот.с.в (20)
Для водяного пара:
= п(1 _ —к )Ротв.п = п—кОотв.п (21)
Суммируя (19) и (21), получаем зависимость:
Бс. в + Бв. п Б газа(о'от.с. в + 0от в . п ) Б газа (22)
Учитывая (12) имеем:
Б газа + Бв . п + Жк = 1 (23)
Различают одиннадцать разновидностей жидкой составляющей среды [3]. Значимое влияние на формирование их свойств имеют структурные разновидности пористой среды. Наиболее значимое влияние имеет жидкость мономолекулярной адсорбции (— ), жидкость
полимолекулярной адсорбции (— ), жидкость диффузионная (—), жидкость капиллярная (—к ап ) и жидкость гравитационная (— )■
Общее содержание жидкой компоненты в исследуемой пометной среде составляет:
к = К + Жр + Жл + жк +
(24)
Представим объем жидкости в единице объема рассматриваемой пометной среды:
пв = пт + пр + пл + пк + пг = п хК
(25)
Отношение объемов всех составляющих разновидностей жидкого компонента получаем из соотношения
к Х00
п,
(26)
уа —0к Х0га
Подставляя зависимость (23) в равенство (22) можно выразить объем той или иной структурной разновидности пористой влажной, фракции помета:
п .
пи = п—кМ]й ^ п«
0 п
= КкМга , (і = т Р, Л, k, g)
(27)
Где для каждой структурной разновидности величина Мгв имеет вид:
Ж 0 /
М а = —— > О = т, р, d, к, 8),
Е—
г=т —а
8
ЕМ а = 1 ( = т p, ё, к, 8 )
1-т
8
=^к Ё М а, (г = т Р, Л, k, g)
(28)
(29)
(30)
Подставляя зависимость (28) в развернутом виде в равенство (25) для всех составляющих компонентов среды навоза имеем:
Бс . в + Бв . п + Жтк + Жрк + жл + Жкк + —8к = 1 (31)
Окончательно исходную зависимость для единицы объема среды представим в виде:
т + Уея + V . п + Ут. в + Ур. в + Ук.в + Уя. в = 1 (32)
Или
т + п$п. а + п^а. Ї + п^т. а + П^р.а + ^ а + П^к. а + П^& а =
(33)
т + п(Б,а + Б„_, + Бта + Бр.а + Б^.а + Б„ + Х,.а )= 1 Состав и свойства навоза зависят от условий содержания животных, кормовой базы и др. факторов.
В общем, виде составные компоненты в элементах пористой среды навоза будут иметь
следующею структуру (рис. 1) со следующими показателями (табл. 1)
г=т
г=т
Рис. 1. Объем составных компонентов навозной среды.
1- Уай^д - газообразная фракция; 2- К-^ - составляющая газообразной среды;
3- К^й 66 - жидкая фракция навоза; 4- К ; -составляющая жидкой среды; 5-
К - твердая фракция навоза;
Тип навоза (помета) '^бщ,% (влажность) Плотность кг/м3 Вязкость Па-с Газосодержание, %
СН4 СО2 NH3
КРС 85-90 1300-1100 0,600-0,400 45-65 25-41 17-21
Свиной 90-91 1100-900 0,400- 0,250 38-40 28-32 22-24
Птичий 75 1300 0,300 54 28 18
Таблица 1.
Сводная таблица основных показателей навоза и помета.
Масса составляющих элементов определится как:
1 aagod. = Vg 'Pg + VgX ‘ Pg (34)
Мжид.фр. = Vw • pw + Vwj • pw (35)
Мтв. фр. = Vs Ps (36)
Выводы
Данные расчеты позволяют нам более корректно рассмотреть общую структуру навоза и определить массовые соотношения его компонентов при поступлении его в навозохранилище от различных видов животных. Полученные зависимости будут использованы при проектировании линий, машин и рабочих органов применяемых для утилизации и переработки навоза.
Список литературы
1. Н.В. Климова Ресурсообеспеченность - снова экономической безопасности организации аграрной сферы «Инжерный Вестник Дона» №1 2012г.
http://ivdon.ru/magazine/archive/nly2012/665/
2. Матвеев А. Н. Механика и теория относительности. М.: ОНИКС 21 век: Мир и Образование, 2003. 432 с.
3. Теоретические основы инженерной геологии. Физико-механические основы. / Под редакцией академика Сергеева Е.М. М.: Недра, 1985. 354с.
4. Бэр Я., Заславски Д., Ирмей С. Физико-математические основы фильтрации воды. М.: Мир 1971. 451с.
5. Ибрагимов Ф.А., Тедеев Т.Р, Харебов. К.С. « К вопросу распределения структурных компонентов капиллярно-пористой среды., Владикавказский математический журнал. ТЗ., выпуск1. 2001г.
