CC BY
9
Алексей Евгеньевич Матущенко, ассистент. ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина». Россия, 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13, [email protected]
Ирина Васильевна Вульшинская, соискатель. ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина». Россия, 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13, ira/[email protected] Александр Александрович Полуэктов, соискатель. ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина». Россия, 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13, [email protected]
Лариса Дмитриевна Сарксян, соискатель. ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина». Россия, 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13, [email protected]
Alexey E. Matushchenko, assistant. Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilina. 13, Kalinina St., Krasnodar, 350044, Russia, [email protected]
Irina V. Vulshinskaya, research worker. Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilina. 13, Kalinina St., Krasnodar, 350044, Russia, ira/[email protected]
Aleksandr A. Poluektov, research worker. Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilina. 13, Kalinina St., Krasnodar, 350044, Russia, [email protected]
Larisa D. Sarksyan, research worker. Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilina. 13, Kalinina St.,
Krasnodar, 350044, Russia, [email protected]
-♦-
Научная статья УДК 631.862
Теоретические исследования процесса разделения жидкого свиного навоза на фракции мобильной установкой
Анатолий Михайлович Бондаренко1, Людмила Сергеевна Качанова2,
Алексей Владимирович Барышников2
1 Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ
2 Донской государственный технический университет
Аннотация. Одним из перспективных направлений переработки жидкого свиного навоза является разделение его на твёрдую и жидкую фракции мобильной установкой. Основным элементом мобильной установки является оборудование для разделения жидкого навоза на фракции. Из всего многообразия технических средств для разделения жидкого навоза разработан и апробирован на свиноводческих фермах щёточный шнек, представляющий собой шнек (винтовой конвейер) с закреплёнными по периферии витков щётками для регенерации фильтровальной сетки. Шнек установлен в перфорированном жёлобе. Устройство имеет загрузочную горловину для подачи жидкого навоза, выгрузные устройства для отвода жидкой и твёрдой фракций. Установлены три зоны процесса разделения, расположенные последовательно по длине шнека: фильтрования, обезвоживания осадка и дожима осадка для получения твёрдой фракции заданной влажности. Конструктивно мобильная установка представляет собой смонтированную на шасси двухосного прицепа установку для разделения на фракции в виде щёточного шнека с дожимным устройством. Теоретически обоснованы конструктивные, режимные и технологические параметры установки. Получены зависимости для определения объёмной производительности установки по фильтрату, осадку и твёрдой фракции и влияние на них конструктивных, режимных параметров установки и физико-механических свойств жидкого навоза и продуктов его переработки. Установлено, что эксплуатационная производительность агрегата зависит от сменной производительности установки для разделения навоза на фракции.
Ключевые слова: жидкий навоз, разделение навоза на фракции, мобильный агрегат, мобильная установка, функциональная схема, технологический процесс.
Для цитирования: Бондаренко А.М., Качанова Л.С., Барышников А.В. Теоретические исследования процесса разделения жидкого свиного навоза на фракции мобильной установкой// Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 4 (90). С. 113 - 117.
Original article
Theoretical studies of the separation process of liquid pig manure into fractions by means of a mobile unit
Anatoliy M. Bondarenko1, Lyudmila S. Kachanova2, Alexey V. Baryshnikov2
1 Azov Black Sea Engineering Institute of Don State Agricultural University
2 Don State Technical University
Abstract. One of the promising directions for processing liquid pig manure is its separation into solid and liquid fractions by a mobile unit. The main element of the mobile unit is the equipment for the separation of liquid manure into fractions. Of all the variety of technical means for separating liquid manure, a brush auger
has been developed and tested on pig farms, which is an auger (screw conveyor) with brushes fixed along the periphery of the turns for regenerating the filter mesh. The auger is installed in a perforated chute. The device has a loading mouth for feeding liquid manure, and unloading devices for removing liquid and solid fractions. Three zones of the separation process have been established, which are located sequentially along the length of the auger: filtration, sludge dewatering and sludge booster to obtain a solid fraction of a given moisture content. Structurally, the mobile unit is a unit for separation into fractions in the form of a brush auger with a booster device mounted on the chassis of a two-axle trailer. The design, operational and technological parameters of the unit have been theoretically justified. Dependencies have been obtained for determining the volumetric productivity of the unit for filtrate, sediment and solid fraction and the effect on them of the design, operating parameters of the unit and the physical and mechanical properties of liquid manure and its processing products. It has been established that the operational capacity of the unit depends on the replaceable capacity of the unit for the separation of manure into fractions.
Keywords: liquid manure, separation of manure into fractions, mobile unit, mobile installer, functional scheme, technological process.
For citation: Bondarenko A.M., Kachanova L.S., Baryshnikov A.V. Theoretical studies of the separation process of liquid pig manure into fractions by means of a mobile unit. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 90(4): 113 - 117. (In Russ.).
Проводимые ранее в России исследования были направлены в основном на решение проблемы рационального использования жидкого навоза, получаемого на крупных свиноводческих предприятиях [1 - 3]. Однако известно, что около 75% свинины производится на малых и средних фермах с поголовьем от 2000 до 10000 гол., представленных одним или несколькими производственными (технологическими) помещениями. В указанных предприятиях вопросы накопления, хранения и переработки жидкого навоза в органические удобрения, как показало обследование хозяйств ЮФО, решены, как правило, неудовлетворительно, что оказывает негативное воздействие на окружающую среду [4, 5].
Применение разработанных технологий и технических средств переработки навоза для крупных свиноводческих предприятий не эффективно на малых и средних фермах, поскольку разработанные машины и механизмы имеют высокую производительность, металлоёмкость, относительно большие габаритные размеры, требуют значительных затрат на обслуживание и т.д. [6, 7].
В связи с изложенным для малых и средних ферм целесообразна разработка технических средств, органично связанных с основным производством и являющихся естественным его продолжением. Во всех случаях это должны быть простые, компактные, надёжные в работе технические устройства, рассчитанные на относительно небольшой суточный выход навоза. Устройства должны обеспечивать последующее использование продуктов обработки навоза с максимальным применением существующих технических средств. Новизна исследования состоит в иной концептуальной основе, построенной на использовании мобильной установки для разделения жидкого навоза на фракции применительно к малым и средним свиноводческим фермам.
Материал и методы. Решение проблемы переработки жидкого навоза свиноводческих
ферм позволяет улучшить экологическую обстановку в местах его накопления и увеличить объёмы вносимых органических удобрений для восполнения почвенного плодородия. Для выбора конструкции установки для разделения навоза на фракции использован аналитический метод.
Анализ и синтез систем подготовки навоза к использованию основан на системном подходе к изучению рассматриваемого вопроса и определяется внутренними и внешними связями отраслей животноводства и растениеводства [3].
Анализ системы - процесс исследования, при котором по известным параметрам системы и внешней среды определяются параметры функционирования системы. Синтез системы позволяет по требуемым показателям функционирования системы и имеющимся ограничениям на ресурсы в известных условиях внешней среды определить параметры системы (технологию переработки навоза). Практические приёмы системного исследования основаны на анализе, синтезе и соблюдении их единства на всех этапах исследования.
Результаты исследования. На основе синтеза технологий разработана технологическая схема мобильной установки для разделения навоза на фракции, состоящая из энергосредства (трактора), транспортной тележки, установки для разделения навоза на фракции с возможностью поворота в вертикальной и горизонтальной плоскостях, вспомогательного оборудования (фекальный насос, соединительные шланги).
Базовым оборудованием мобильного агрегата является установка для разделения навоза на фракции - щёточный шнек [3, 8]. Конструктивно он представляет собой винтовой конвейер (шнек), установленный в перфорированном жёлобе. По периферии витков закреплены щётки для постоянной регенерации отверстий в жёлобе. Жидкий навоз подаётся в нижнюю часть установки и в процессе перемещения навозной массы производится фильтрование с образованием осадка. При этом жидкая фракция поступает в поддон,
а осадок транспортируется в верхнюю часть установки, постепенно теряя свою влажность. Для дальнейшего снижения влажности осадок подаётся в зону дожима, после чего готовая твёрдая фракция выгружается и транспортируется на дальнейшую переработку.
Технологический процесс происходит следующим образом. Жидкий навоз, попадая в зону воздействия шнека, подвергается обезвоживанию, в процессе чего свободная влага через перфорацию поступает в сборник фильтрата (зона фильтрования), а образуемый осадок повышенной влажности перемещается витками шнека, в результате часть свободной влаги проходит через перфорацию (зона обезвоживания). Для получения твёрдой фракции заданной влажности (< 72 %) осадок поступает в зону дожима и далее на переработку [9].
Схема работы щёточного шнека представлена на рисунке 1.
Согласно схеме (рис. 1) технологический процесс разделения жидкого навоза на фракции проходит три этапа: фильтрование (зона фильтрования) на участке длиной /ф, обезвоживание осадка (зона обезвоживания) на участке длиной /об и дожим осадка (зона дожима) на участке длиной /д.
Объёмная производительность щёточного шнека определяется по выражению:
бщ.ш.= вф + Qтф, (1)
где вф и йтф - объёмная производительность установки соответственно по фильтрату и твёрдой фракции, м3/с.
Объёмная производительность установки по фильтрату определяется по формуле:
вф = ^ (2) тф
где Уф - объём фильтрата, полученный за время фильтрования, м3; Тф - время фильтрования, с.
Объём фильтрата определяется из основного уравнения фильтрования:
dV„
ф _
АРф
F ■d тф
^ф
ГоотоЛ
(3)
+ r
фп
где - площадь участка перфорации, на которой производится фильтрование, м2; Рф = пЯ/ф; R - радиус витка шнека, м; /ф - длина участка фильтрования, м; АРф - давление фильтрования, Па; Цф - динамическая вязкость фильтрата, Пас; гос - удельное сопротивление осадка, 1/м; Гфп - удельное сопротивление фильтровальной перегородки, 1/м;
тос - масса абсолютно сухого вещества осадка, отлагаемая единицей объёма фильтрата, т.
т Сн -Ржф • (100 - Ю (4)
ос 100 • [100 - (Гос - О]'
где сн - массовая концентрация абсолютно сухого вещества в исходном продукте, т.; Ржф - плотность жидкой фракции, полученной в процессе фильтрования, т/м3; Гос - относительная влажность осадка, получаемого в процессе фильтрования, %. Экспериментально установлено, что скорость фильтрования в щёточном шнеке постоянна. Тогда, преобразовав выражение (3), получим:
V = F уф гф
АРФТФ
^ф m
+(■
'фп
2то
-)2 -
фп
2то
(5)
Входящее в выражение (5) давление фильтрования вызывается действием сил тяжести, которые изменяются при движении потока в процессе вращения витков шнека в связи с уменьшением его массы в процессе фильтрования.
Проинтегрировав уравнение (3) в пределах от 0 до Уф и от 0 до Тф, получим выражение для определения объёма фильтрата, используя
Зона обезвоживания осадка /о6
Зона дожима
1д
Зона фильтрования
осадок
ЖФ
Рис. 1 - Схема работы щёточного шнека
которое находим объёмную производительность щёточного шнека по фильтрату:
F
Q4, = F
Ф тф
2АР.Тф + ^
^ф^оо^оо
'фп
m r
\" 'оо оо /
'фп
. (6)
Объёмная производительность по осадку определяется по выражению:
с р
осг ос ф
2АРфтф
I LI ТП Г
г« ос ос
+
\2
фп
Ч^ос^осУ
'фп
7*™
(7)
Величина давления фильтрования в выражениях (6) и (7) определяется по формуле:
тф m,,v2
АРф = AP„ +АРИ =-ф g cos Фш + (8)
где ЛР^ - давление, вызываемое действиями сил тяжести, Па;
ЛРи - давление, вызываемое центробежными силами инерции, Па;
фш - угол трения осадка о фильтровальную перегородку, град.;
ук - скорость движения периферийных частиц осадка относительно фильтровальной перегородки, м/с.
5ю tg Р
vK = - ,
к 2п sin р tg а + tg Р
(9)
-1-
где - шаг винта, м;
ю - угловая скорость вращения винта, с~ а - угол подъёма винтовой линии по наружной кромке винта, град.;
а = агСг-,
пО
где О - диаметр винта, м;
в - угол подъёма винтовой линии, по которой движутся периферийные частицы обезвоживаемого осадка, град., определяется по выражению:
Хс2 sin р- c1 cos Р =
W+ V) D2 - 4l026 (1 -V)
, (10)
где X - соотношение диаметра винтовой линии, по которой приложена равнодействующая реактивных сил ленты винта (Оо, м) к диаметру винта (О, м), определяется:
Х = Оо,
О
с1=со8а0-/ш8ша0 с2 =8та0+/шсоза0 где ао - угол подъёма винтовой линии центров давления осадка на винтовую поверхность, град.
5
ао = -;
пОп
¡о - величина смещения центра тяжести осадка под воздействием винтовой поверхности, м.
'о=Яу81ПФш Яу - условный радиус, м. Принимается равным Яу ~ О/5 при у = 0,5; Яу ~ О/2 при у < 0,1. у - коэффициент наполнения винтового конвейера, составляет 0,1...0,5. то - масса обезвоженного осадка, т.
т0=^ф2-^2)р0С/0бУ|/,
(11)
где а - диаметр вала винта, м.
Решая совместно уравнения (8), (9) и (11), получим выражение для определения давления фильтрования:
АРоо =-М- (D2 - d2) х
gcosФш +-
2D
SV (
tg Р
(12)
п2Яу ^ tg а + ^ р
Исходя из того, что время дообезвоживания осадка рассчитывается как:
_ = 1об
фос
V
где - осевая скорость движения осадка в винтовом контейнере [10], м/с;
с*§(ао + ФШ)
V, =
получили:
60 tga + ctg(a0 + фш) 60/o6ctg(a0 + 9in) + tga
фос '
Бп с^(а0+<рш) где п - угловая частота вращения шнека, с-1.
Суммируя выражения (6) и (7), получаем формулу для определения производительности щёточного шнека:
F
Q =1* ТФ
2А^фТф
'фп
Y
+
¿осРос^ф
2ЛРфтф
+
II т г
~ ос ОС ОС
V
'фп
, m г .
V ос ос /
'фп Гфп
(14)
По выражению (14) видно, что производительность щёточного шнека зависит от физико-механических свойств обрабатываемого продукта (Мф, Мос, тос, Сос, Рос), расчётных параметров (тф, ЛРф, гос) и конструктивных параметров установки (^ф, Лфп, О, 5, Ьш), которые определяются экспериментальным путём.
С другой стороны, производительность мобильной установки определяется по формуле:
Ужн
QMу гж ,
(15)
^ц
где Ужя - объём перерабатываемого жидкого навоза на ферме, м3;
Тц - время цикла переработки жидкого навоза на ферме, час.
2
r
оо
2
х
Тц = Трн + Тподг + Тпер , (16)
где Трн - время, затраченное на разделение навоза на фракции, час.;
Тподг - время на подготовку оборудования к работе на конкретном объекте, час.; Тпер - время переезда агрегата к накопителю жидкого навоза, час.
Время, затраченное на разделение навоза на
фракции, Трн = /(вщш).
Время на подготовку оборудования к работе (Тподг) включает в себя соединение шлангов мобильной установки и приёмного резервуара, перемешивание жидкого навоза в приёмном резервуаре, а также расстановку шлангов после завершения операции, подготовку мобильной установки к переезду на следующий объект. Экспериментально установлено, что Тподг составляет от 4 до 6 мин.
На средних и крупных свиноводческих фермах расстояние между накопителями жидкого навоза составляет около 80 - 100 м. При средней скорости движения мобильного агрегата по территории фермы 10 км/ч Тпер составляет около 1 мин.
Тогда выражение (16) примет вид:
Тц = (Трн + 0,1) N, (17)
где N - количество навозоприёмников на ферме, шт.
Время цикла напрямую зависит от производительности щёточного шнека, которая определяется по формуле (14), а также от количества на-возоприёмников с накопленным жидким навозом.
Выводы. Теоретические исследования позволяют описать процессы в зонах фильтрования и обезвоживания осадка. Установлено, что производительность щёточного шнека зависит от физико-механических свойств жидкого свиного навоза и продуктов его переработки, режимных и конструктивных параметров установки, которые будут определены экспериментальным путём.
Эксплуатационная производительность мобильной установки зависит от объёмов перерабатываемого навоза, количества накопителей навоза на ферме, их расположения, а также от производительности щёточного шнека.
Литература
1. Ковалев Н.Г, Глазков И.К. Проектирование систем утилизации навоза на комплексах. М.: Агропромиздат, 1989. 160 с.
2. Лимаренко Н.В. Моделирование технологического процесса утилизации стоков животноводства // Современные проблемы математического моделирования, обработки изображений и параллельных вычислений 2017: сб. трудов междунар. науч. конф. Дивноморское, 2017. С. 158 - 166.
3. Бондаренко А.М., Качанова Л.С. Технологии и технические средства производства и применения органических удобрений: монография. Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ, 2016. 224 с.
4. Тюрин В.Г., Лопата Ф.Ф. Экологические и ветеринарно-санитарные требования при использовании жидкого навоза и стоков для орошения и удобрения пастбищ // Аграрный вестник Урала. 2007. № 4 (40). С. 22 - 24.
5. Инновационная техника для животноводства (по материалам Международной выставки «EuroTier-2012»): научно-аналитич. обзор / В.Ф. Федоренко, Д.С. Буклагин, Н.П. Мишуров [и др.]. М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2013. 208 с.
6. Инновационные технологии, процессы и оборудование для интенсивного разведения свиней: брошюра/ В.Ф. Федоренко, Н.П. Мишуров, Т.Н. Кузьмина [и др.]. М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2017. 128 с.
7. Богачев А.И., Полухина М.Г. Экологическая безопасность как фактор социально-экономического развития отрасли свиноводства // Агротехника и энергообеспечение. 2015. № 3 (7). С. 32 - 37.
8. Пат. RU 298904 С2, МПК А01С 3/00. Устройство для транспортирования и разделения навоза на фракции / Бондаренко А.М., Добровольская С.Г., Казанов Х.К.; заявит. и патентообл. ФГБОУ ВПО АЧГАА; заяв. № 2005125143/12 от 08.08.2005; опубл. 20.05.2007; Бюл. 14.
9. Данилкина В.С. Методические рекомендации по выбору типовых технологических решений подготовки и использования бесподстилочного навоза с применением мобильных средств на животноводческих предприятиях / В.С. Данилкина, Н.М. Марченко, В.В. Воропай [и др.]. М.: ВИМ, 1987. 58 с.
10. Янчин С.К. К исследованию производительности горизонтального шнека / С.К. Янчин, В.В. Петринский // Проектирование зерноуборочных машин. Ростов-на-Дону, 1982. С. 79 - 83.
Анатолий Михайлович Бондаренко, доктор технических наук, профессор. Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет». Россия, 347740, Ростовская область, г. Зерноград, ул. Ленина, 21, [email protected]
Людмила Сергеевна Качанова, доктор экономических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет». Россия, 344003, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, [email protected]
Алексей Владимирович Барышников, старший преподаватель. ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет». Россия, 344003, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, [email protected]
Anatoliy M. Bondarenko, Doctor of Technical Sciences, Professor. Azov Black Sea Engineering Institute of Don State Agricultural University. 21, Lenin St., Zernograd, Rostov region, 347740, Russia, [email protected]
Lyudmila S. Kachanova, Doctor of Economic Sciences, Associate Professor. Don State Technical University. 1, Gagarin square, Rostov-on-Don, 344000, Russia, [email protected]
Alexey V. Baryshnikov, senior lecturer. Don State Technical University. 1, Gagarin square, Rostov-on-Don, 344000, Russia, [email protected]
