Теоретические предпосылки расчета устройства для перемешивания жидкого свиного навоза в навозохранилищах Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ___________ГНУ СЗНИИМЭСХРосселъхозакадемии. 2014. Вып. 85.

УДК 631.22.01

А. В. ТРИФАНОВ, канд. техн. наук; О. В. ВОРОЖЦОВ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАСЧЕТА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКОГО СВИНОГО НАВОЗА В НАВОЗОХРАНИЛИЩАХ

В статье рассмотрены общие вопросы по применению плёночных навозохранилищ (лагун) для утилизации жидкого неразделённого навоза свиноводческих хозяйств. Рассмотрены проблемы, связанные с функционированием плёночных лагун, и методы их решения. Приведены расчётные формулы для обеспечения перемешивания донного осадка при использовании предложенного запатентованного перемешивающего устройства.

Ключевые слова, свиноводство, жидкий свиной навоз, перемешивающее устройство

A.V. TRIFANOV, Cand Sc (Eng); O.V.VOROZHTSOV

THEORETICAL ASSUMPTIONS FOR CALCULATION OF PARAMETERS OF THE DEVICE FOR LIQUID PIG MANURE MIXING IN MANURE STORAGES

The article describes the general application issues of plastic film manure storages (lagoons) for liquid untreated pig manure. The problems and solutions for lagoons operation are considered. The calculating formulas to provide the mixing of the bottom sediment with the designed and patented mixing device are presented.

Key words: pig production, liquid pig manure, mixing device

Основная задача любого навозонакопителя заключается не только в выдерживании навоза для обеззараживания и дегельминтизации, но также его накопление в течение определённого периода (не менее шести месяцев) перед внесением в почву в качестве удобрения. В настоящий момент получили распространение бетонные, металлические и плёночные навозонакопители открытого и закрытого типа.

Бетонные навозонакопители используют, как правило, для выдерживания неразделённого навоза, куда может заехать тяжёлая техника для очистки навозонакопителя от донных отложений.

144

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.______________________________________

Металлические навозонакопители больше распространены в Европе, чем в России, так как площади под сельское хозяйство там ограничены, и расположение фермы вблизи населённого пункта обязывает использовать навозохранилище закрытым. Бетонные навозохранилища составляют не более 8 % от всех строящихся в России, на металлические приходится не более 2 % [1].

В связи с широким распространением на свинофермах самосплавной системы удаления навоза [2] наиболее экономичным и самым распространённым навозонакопителем является плёночное навозохранилище «лагуна». Помимо основных своих достоинств -быстрота возведения, 100 % гидроизоляция и меньшая, чем для возведения бетонных и металлических навозонакопителей, стоимость, плёночные лагуны обладают одним значительным недостатком -возможность заиливания при хранении жидкого неразделённого навоза.

Донный осадок, образующийся в результате расслаивания при выдерживании жидкого неразделённого навоза, может значительно сократить срок эксплуатации плёночной лагуны. По причине высокой плотности донного осадка откачать его насосом невозможно. Очистка лагуны механическим способом может привести к повреждению плёночного покрытия. Поэтому основной задачей при эксплуатации плёночных лагун является своевременное и достаточное для гомогенизации жидкого навоза его перемешивание.

В настоящее время для предотвращения заиливания лагуны наибольшее применение получили стационарно установленные погружные мешалки с двухлопастным пропеллером. При применении таких мешалок возникает ряд проблем:

- рассеивание энергии скоростного напора, создаваемого пропеллером мешалки, в радиальном направлении, что значительно уменьшает энергию затопленной струи жидкости;

- перемешивание области, расположенной у стенки за мешалкой, практически невозможно;

- вибрация стойки при работе мешалки.

В 2010 году для обслуживания свиноводческого комплекса, расположенного в пос. Соловьи Псковской области (ООО «ПсковАгроИнвест»), были установлены два плёночных навозохранилища, каждый из которых имеет рабочий объём 3 тыс. м3. Для перемешивания жидкого навоза была установлена погружная мешалка (тип OMPGR160, мощность двигателя 15 кВт).

145

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

___________ГНУ СЗНИИМЭСХРосселъхозакадемии. 2014. Вып. 85.________

За время эксплуатации было отмечено значительное заиливание навозохранилищ. Заиливание было вызвано следующими причинами:

- ограничение угла разворота мешалки, обусловленное конструкцией стойки;

- необходимость присутствия оператора для разворота мешалки, что не исключает человеческого фактора в нормальном функционировании перемешивающего устройства;

- невозможность перемешивания донного осадка за мешалкой у стенки навозохранилища, что исключает перемешивание значительной части лагуны;

- недостаточная энергия затопленной струи, не обеспечивающая перемешивание у стенок лагуны.

Ограничение угла разворота мешалки привело к заиливанию части лагуны до высоты примерно 1,2 метра (рис. 1, дальний угол). У стенок лагуны, расположенных напротив мешалки, высота донного осадка составила примерно 0,6.. .0,7 метра (на переднем плане, рис. 1).

Рис. 1. Донный осадок, образовавшийся за три года эксплуатации лагуны

Для повышения эффективности функционирования плёночных навозохранилищ более рациональна установка перемешивающего устройства по центру дна лагуны с возможностью непосредственного воздействия на илистый осадок. Конструкция такого перемешивающего устройства [3] изображена на рис. 2.

146

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.______________________________________

Плавающая корка

Рис. 2. Перемешивающее устройство.

Скоростной напор жидкости, создаваемый устройством, будет воздействовать непосредственно на донный осадок, а при реверсе электродвигателя - на плавающую корку. Сущность предлагаемого устройства состоит в размещении пропеллерной мешалки в диффузоре, состоящем из верхнего и нижнего раструба. Винт мешалки будет находиться в горизонтальной плоскости. В верхней части устройства установлен направляющий элемент с возможностью вращения, угол наклона пластин которого определяет направление воздействия струи жидкости на плавающую корку.

Устройство для перемешивания жидкого навоза обладает следующими преимуществами:

- непосредственное воздействие потока жидкости на донный осадок по всему периметру дна навозохранилища;

- значительно меньшее рассеивание кинетической энергии потока в радиальном направлении в сравнении с пропеллерной мешалкой, установленной на стойке;

- исключение необходимости работы оператора по развороту мешалки;

- возможность попеременного воздействия на донный осадок и плавающую корку при реверсе электродвигателя;

- отсутствие застойных зон;

- значительное сокращение расстояний при перемешивании.

147

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

____________ГНУ СЗНИИМЭСХРосселъхозакадемии. 2014. Вып. 85.________

Основным расчётом для предложенного устройства является определение кинетической энергии потока, достаточной для перемещения частиц донного осадка на любом расстоянии от выходного отверстия мешалки.

С точки зрения гидравлики движение потока жидкости, образованное за счёт установки перемешивающего устройства, можно рассматривать как истечение полуограниченной затопленной струи из плоского отверстия (рис. 3).

Рис. 3. Схема истечения полуограниченной затопленной струи:

Иотв - высота затопленного отверстия при истечении; и0 - местная скорость при истечении из отверстия (скорость в ядре); 1нач - длина начального участка; х -расстояние по оси абсцисс; у - расстояние по сечению струи; b - высота плоской струи по сечению; 3 - толщина придонного слоя

Считая течение струи изобарическим (dp = const), плоским, при котором кинематические характеристики струи зависят от координат х и у, и квазиустановившемся, при котором движение жидкости можно рассматривать как медленно изменяющееся, выделим двумя сечениями часть пограничного слоя длиной Ах и шириной Az (рис. 4). В силу малости величину Az будем считать одинаковой для двух сечений и равной единице (Az = 1).

148

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.______________________________________

Рис. 4. Схема к выводу уравнения изменения количества движения для

элемента пограничного слоя

С помощью уравнения изменения количества движения определим приращение количества движения массы жидкости по оси ОХ на выделенном участке длиной Ах в единицу времени:

h — Ui + (m2 - mi) • ихтах] = р • J“ uxdy + р • Ах • ^ у uxdy -— Р' J0 uxdy р • Ах • ихтах • — J0 uxdy —

dx

р ■ А% ■ Jo uxdy — ихтах ■ — /о uxdy)

(1)

где Ii - количество движения, обусловленное массой жидкости mi, протекающей через сечение АВ в единицу времени;

I2 - количество движения, обусловленное массой жидкости m2, протекающей через сечение А'В в единицу времени;

(mx — mi) • йхтах - приращение количества движения массы жидкости, протекающей через сечение ВВ';

йХтах - осреднённая местная скорость течения жидкости на границе раздела свободной части затопленной струи и пограничного слоя по оси ОХ.

149

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2014. Вып. 85.

Рис. 5. Схема действия сил, приложенных к выделенному участку

пограничного слоя

Согласно теореме Эйлера для установившегося движения жидкости приращение количества движения в единицу времени должно равняться результирующей силе, действующей по оси ОХ на выделенный участок пограничного слоя. Результирующая сила будет складываться из разности осевых сил, приложенных к торцевым поверхностям сечений, и из разности сил трения, действующих на нижнюю и верхнюю стороны выделенного элемента (рис. 5):

Fx — (fx +

-^7 • Ах) — tw • Ах — ти • Ах, Az = 1.

(2)

Учтём, что:

dF-

х

дх

• Ах, dp = constvt^ = 0;

дх 5 ^ дх

- при турбулентном течении неньютоновской жидкости касательные напряжения представлены суммой вязкостных напряжений глам., соответствующих напряжениям при ламинарном течении, и касательных напряжений ттурб, проявляющихся вследствие турбулентных пульсаций [4]:

Тлам. + Ттурб..

Касательное напряжение тлам. при ламинарном течении для неньютоновской жидкости, которой и является жидкий навоз, согласно уравнению Шведова - Бингама зависит от динамической вязкости п, осреднённой скорости движения йх и предельного напряжения сдвига т0:

150

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.______________________________________

где

дих

ду

дих

Тлам. Т0 + Л Qy ,

0 - в силу малости приращения при ламинарном течении.

Касательные напряжения ттур$ определим в соответствии с теорией «пути смешения» Прандтля [5]:

Т — n dUx — л - /2 ■ (дих\2 п . /2 . J . v

Ттурб. Лт ау Р 1 \ду) 9 Лт Р 1 ду 9 1 С У

где л,„ - кажущаяся вязкость, определяемая видом течения;

l - длина пути перемешивания (или смешивания) Прандтля; с - константа турбулентности, единственная эмпирическая постоянная теории свободной турбулентности Прандтля (постоянная с зависит от турбулентной структуры пограничного слоя, определяется только опытным путём и, согласно опытам Прандтля и Никурадзе, с = 0,4 [6]).

С учётом преобразований уравнение (2) примет вид:

—Ах

tw + р • с2

У‘

(3)

Приравнивая секундное изменение количества движения (1) результирующей силе (3), вызывающей это приращение, поделив при этом все члены уравнения на р и Ах, получим уравнение изменения количества движения для элемента пограничного слоя:

d rS —2 j —

~d^Jo ^х®'У — ^хтах

d rS — ,

— L uxay

dxJ0 x s

_ 2

T0+TW 2 . v2 . f^ux\

p У \dy)

(4)

Уравнение (4) представляет собой интегральное соотношение Кармана для частного случая несжимаемой вязкой жидкости [7].

Закон распределения йх по сечению пограничного слоя

полуограниченной струи определяется соотношением:

у,п

Ux UXmax (^

(5)

151

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

____________ГНУ СЗНИИМЭСХРосселъхозакадемии. 2014. Вып. 85.________

причём, профили скоростей подобны. Это подобие установлено в результате многочисленных экспериментов [5], и получило название

«закона одной седьмой» (при расчётах принимают n = 1/у).

Подставив параметр йх (5) в уравнение (4), где после несложных математических преобразований, принимая при этом у = д, получим:

0,1 ■й2хтах8 = Т-Х+0-х. (6)

Толщину пограничного слоя д определим по формуле Шлихтинга [4]:

_i 1

5 = 0,37х (Н£ша£)“ = 0,37^5 • .

xmax

Касательное напряжение на стенке tw определим по формуле, предложенной Прандтлем [4, 7]:

7 1 9 1

Tw = 0,0225 • р • U*xmax • Q)4 = 0,0288 • Р • Uxmax • 4 .

х5

Подставив выражения для определения параметров д и tw в уравнение (6), получим уравнение, позволяющее определить минимальное значение йхтах в зависимости от координаты х:

Си ) ■ > 14 42 ■ 9/(—)5 ■ - (7)

\uxmaxJmin — -\l\pjv . (7)

Для определения средней скорости потока, достаточной для перемещения количества донного осадка плотностью р, вязкостью v и начальным напряжением сдвига т0 в зависимости от координаты х, необходимо определить соотношение толщин пристенного слоя д и

полуограниченной струи b. Если считать справедливым соотношение S =

0,1 [4], то средняя скорость жидкости, протекающей через живое сечение: - пограничного слоя струи

_ /0 uxdy _ /0 u-xmax^ydy

Упс = S = S

= 0,875 ■ и

хтах->

свободной части струи

i

Усе

г 3-1 2

/0 их rb _ J# uxmax dy

b-S b-S

роб _

К ихтах

y-S\2 (y—SN

!-2(S)2+(

Л08)

dy

9 S

152

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.______________________________________

Мгновенный расход струи Q^ будет равен сумме мгновенного расхода Qnc жидкости, протекающей через живое сечение пограничного слоя, и мгновенного расхода Qcв, протекающего через живое сечение свободной части струи:

Qrn = Qm + Qсв = ^пс 6 + Усв 96-

После определения интегралов, входящих в выражения для определения средних скоростей потока пограничного слоя и свободной части струи, средняя скорость жидкости, протекающей через живое сечение полуограниченной струи при Az = 1:

jr ____ дстр

*стр "7

^стр

= 0,54 • и

хтах ■

(8)

Скорость потока при истечении из устройства Uo = Uxmax при х = /нач, местную скорость uo можно принять за среднюю при истечении. С помощью уравнения расхода, принимая коэффициент сопротивления диффузора устройства за единицу, легко перейти от скорости при истечении потока жидкости из устройства к необходимому значению подачи жидкости, осуществляемой пропеллерной мешалкой.

Учитывая развитие свиноводства в России (за последние два года прирост поголовья свиней в хозяйствах всех категорий составил 9,5 %), применение плёночных лагун является важным фактором рентабельности при утилизации отходов свиноводства.

Предложенное перемешивающее устройство будет эффективнее существующих устройств при хранении жидкого неразделённого свиного навоза, обеспечивая достаточное перемешивание без образования донных осадков с одновременным насыщением навозной массы кислородом, способствуя качественному обеззараживанию. Разработанное на основе теоретических предпосылок перемешивающее устройство будет способствовать созданию новых конструкций навозохранилищ для жидкого неразделенного навоза.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Д. Харитонова. Вынужденное хранение / журнал «Агропрофи» №3 (18) / http://agro-profi.ru/cont

2. Трифанов А.В., В.К. Найденко, Ю.А. Брыков. Результаты исследований самотечно-сливной системы удаления навоза периодического действия. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ- СПб. 2007 Вып. 79.

153

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

____________ГНУ СЗНИИМЭСХРосселъхозакадемии. 2014. Вып. 85._________

3. Трифанов А.В., Ворожцов О.В. Устройство для перемешивания жидкого неразделенного навоза // Патент России на полезную модель № 127574, 10.09.2012.

4. Штеренлихт Д. В. Гидравлика. Учебник для вузов. Изд. 3-е, переработ. и доп. М.: Колос, 2006. 656 с.

5. Абрамович Г. Н. Теория турбулентных струй. Репринтное воспроизведение издания 1960 г. М.: Эколит, 2011. 720 с.

6. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: "Наука", 1974. 712 с.

7. Кочин Н. Е., Кибель И. А., Розе Н. В. Теоретическая гидромеханика. В 2 ч. Ч. 2. - 4-е изд., перераб. и доп. М.: Государственное издание физико- математической литературы, 1963. 728 с.

8. Прандтль Л. Гидроаэромеханика.: Перевод со второго немецкого издания Вольперта Г. А. Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотичная динамика", 2003. 576 стр.

УДК 631.22.018

А.Н. ТРОПИН, канд. техн. наук; А.В. ТРИФАНОВ, канд. техн. наук

ВЛИЯНИЕ РАСХОДА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ВОДЫ ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ САМОТЕЧНОЙ СИСТЕМЫ НАВОЗОУДАЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ВАННО-ТРУБНОГО ТИПА НА ОБЪЕМ ПОЛУЧАЕМОЙ НАВОЗНОЙ МАССЫ

В работе представлены результаты лабораторных и практических исследований свойств жидкого свиного навоза. Установлены зависимости влияния расхода технологической воды на количество получаемого жидкого свиного навоза; сформулированы выводы по оптимизации процесса удаления навоза из ванны самотечной системы навозоудаления периодического действия ванно-трубного типа.

Ключевые слова: свиноводство, система удаления навоза.

A.N. TROPIN, Cand Sc (Eng), A.V. TRIFANOV, Cand Sc (Eng)

RELEVANCE BETWEEN TECHNOLOGICAL WATER CONSUMPTION IN THE GRAVITY TANK-AND-PIPE MANURE REMOVAL SYSTEM

154