CC BY
9
УДК 631.333.92
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ВЫГРУЗКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ КОМПОСТИРУЮЩИХ УСТАНОВОК
М.С. Колдин, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВО «Мичуринский государственный аграрный университет» E-mail: [email protected] В.В. Миронов, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «Мичуринский государственный аграрный университет» E-mail: [email protected] К.А. Манаенков, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «Мичуринский государственный аграрный университет» E-mail: [email protected]
Аннотация. В статье представлены результаты исследований процесса выгрузки стационарных компостирующих установок. Установлены экспериментальные зависимости мощности и производительности разработанного устройства выгрузки, определены основные параметры для изготовления промышленного образца устройства.
Ключевые слова: органические удобрения, компостирующая установка, выгрузка продукта, параметры рабочих органов, энергоемкость процесса.
Abstract. Results of researches ofprocess of unloading of the stationary punching installations are presented in article. Experimental dependences of power and productivity of the developed unloading device are established, key parameters for production of an industrial sample of the device are determined.
Key words: organic fertilizers, the punching installation, unloading of a product, parameters of working bodies, power consumption of process.
Содержание питательных веществ в почве является одним из основных факторов, влияющих на урожайность сельскохозяйственных культур. Применение минеральных удобрений для повышения плодородия позволяет лишь в ограниченной степени компенсировать вынос азота, фосфора, калия и других макро- и микроэлементов из почвы, особенно на стадии роста растений, что приводит к замедлению процессов формирования благоприятных физико-химических свойств среды, ее водного, воздушного и теплового режимов; активизации микробиологической деятельности. Поэтому для улучшения обменных процессов активных веществ и устранения дефицита гумуса в почве существует необходимость применения органических удобрений в виде компостов.
Компосты могут быть получены в результате разложения различных органических веществ под влиянием деятельности микроорганизмов. При компостировании в органической массе повышается содержание доступных растениям элементов питания, обезвреживается патогенная микрофлора, уменьшается количество пектиновых веществ, удобрение становится сыпучим, что облегчает его внесение в почву.
Наиболее перспективным способом приготовления компостов с заданными свойствами является применение поточной технологии высокотемпературной аэробной биоферментации отходов животноводства в вертикальных компостирующих установках (ВКУ) с оптимальными режимно-технологическими параметрами [1, 2, 3] (рис. 1).
Процесс биоферментации компостируемой смеси влажностью 60...65 % в данных установках осуществляется путем ее аэрации в теплоизолированных условиях (температура разогрева массы 55.70°). Данные установки позволяют значительно сократить сроки переработки до 7-10 суток (рис. 2), получить готовый продукт высокого агрохимического качества, обеспечить поточность и непрерывность производства.
Однако, несмотря на то, что установки данной конструкции находят широкое применение, как у нас, так и за рубежом, при их эксплуатации возникает ряд проблем, связанных с выгрузкой компостируемого материала. Шнековые, лопастные и скребковые устройства не обеспечивают равномерную (дозированную) выгрузку и требуемую структуру продукта переработки, тем самым снижают эффективность процессов закрепления питательных веществ при дозревании в буртах, увеличивают сроки переработки и затраты при производстве компоста.
Смешивание компонентой и Процесс биоферметации Дозревание компоста раз огреб массы б 5у ртах компостируемой смеси при б буртах Н5.Ж Т=5-7сут. ¡=55Ж Т=5сит. Ы3035'. 7=21-28 сит.
I - процесс доставки компонентов; II - стадия разогрева компостируемой массы; III - стадия активной переработки (обеззараживание и дегельминтизация); IV - стадия дозревания компоста; V - хранение и использование готового продукта; 1,2-площадки для навоза КРС и соломы; 3- рыхлитель буртов РБП-1; 4,9-бурты; 5- транспортер; 6-корпус ВКУ; 7-устройство разгрузки; 8-машина для укладки буртов; 10-склад готового продукта; 11 - питомники, ягодники
Рисунок 1 - Схема приготовления компостов в вертикальных компостирующих установках
1.2 £10 £7 Н...21
Рисунок 2 - Стадии компостирования: I - фаза адаптации микроорганизмов; II - мезофильная фаза; III -
термофильная фаза; IV - фаза созревания компоста
Цель исследований - повышение эффективности работы вертикальной компостирующей установки путем совершенствования процесса ее разгрузки.
Материалы и методы исследований
При создании опытно-производственного образца вертикальной компостирующей установки была разработана конструкция устройства разгрузки [4, 5] (рис. 3), рабочие органы которого состоят из дисковых фрез 1, расположенных в нижней части корпуса установки и закрепленных на горизонтальных валах 3. Расстояние между фрезами обеспечивается за счет установки распорных втулок 2 постоянной длины 0,115 м.
Процесс выгрузки заключается в разрушении наиболее уплотненных нижних слоев компостируемого материала при определенной стадии его переработки за счет вращательного движения рабочих органов. Выгрузка материала сопровождается дополнительным его разрыхлением, что положительно отражается на дальнейшем созревании компоста.
С целью оценки эффективности разработанной конструкции устройства разгрузки критерием оптимизации был принят показатель энергоемкости процесса выгрузки [6, 7].
1-дисковые фрезы; 2-распорные втулки; 3-горизонтальные валы
Рисунок 3 - Общий вид устройства разгрузки
При проведении исследований, на основе теоретического анализа процесса работы устройства [8, 9], были выбраны наиболее значимые факторы и уровни их варьирования, представленные в таблице 1.
Дальнейший расчет был проведен в среде МаШСАЭ. При этом расчетное значение в-критерия Кохрена составило С=0,28, а критическое (табличное) значение критерия Кохрена Скр=0,5612.
Поскольку в ( С[ф. гипотезу следует принять, т.е. можно сделать вывод об однородности дисперсий и, следовательно, о достаточной достоверности (воспроизводимости) эксперимента.
о о
Для оценки распределений определялся критерий Пирсона, который составил =9,079. 2
Критическое значение - критерия Пирсона, соответствующее уровню доверительной вероятности 0,95 и числу степеней свободы 7 ^ =14 067
Таблица 1 - Уровни и интервалы варьирования факторов
Наименование фактора Обозначение фактора Уровни варьирования Интервалы варьирования
Нижний (-1) Верхний (1)
Влажность смеси, % Х1 50 70 20
Угловая скорость вращения фрез - тфр, с-1 Х2 10 50 40
Угол атаки ножей дисковых фрез - а,° Хз 15 45 30
параметрами нет значительных расхождений. Поэтому гипотеза об адекватности математической модели энергоемкости разгрузки установки реальному процессу была принята с доверительной вероятностью 0,95 [9].
Результаты исследований и их обсуждение
В результате числового эксперимента на адекватной математической модели процесса выгрузки соломонавозной смеси из вертикальной компостирующей установки получены данные потребляемой мощности, производительности и энергоемкости процесса в зависимости от параметров модели.
Анализ графической зависимости энергоемкости разгрузки от количества ножей (рис. 4) показал, что увеличение количества ножей фрезы, идущих по одному следу, от 1 до 3 приводит к значительному снижению энергоемкости процесса разгрузки от 81,2 до 55,6 Вт*с/кг, т.е. на 32%. Дальнейшее увеличение числа ножей с 3 до 5 приводит к снижению энергоемкости на 16%; увеличение количества ножей с 5 до 7 - на 11% и с 7 до 9 -на 8%. Таким образом, число ножей фрезы 3-5 является рациональным т.к. меньшее количество приводит к значительным энергозатратам, а большее не дает столь значительного снижения энергоемкости, при этом увеличивается трудоемкость изготовления фрез и повышается вероятность налипания соломонавозной смеси на поверхность фрезы за счет увеличения ее внутреннего радиуса.
Поэтому, следует принять количество ножей каждой фрезы равное четырем, как наиболее рациональное, из условий технологической надежности и энергоемкости процесса разгрузки установки.
84 78 72 66
Е2( из: 1)60 54 48 42 36 30
1
\
\
\
-
1
(1=15
Рисунок 4 - Зависимость энергоемкости разгрузки E (Вт*с/кг) от количества ножей N. одной фрезы ^=60%;
ю=32 с-1; а=0,5 рад))
Соломонавозная смесь - вязко-пластичная неоднородная среда, физико-механические свойства которой, существенным образом зависят от ее влажности. Следовательно, и энергетические и количественные показатели процесса разгрузки вязко-пластичной среды рабочими органами в виде фрез в сильной мере зависят от ее влажности. С увеличением влажности от 50 до 60 % идет снижение затрачиваемой мощности от 2,8 до 1,7 кВт, рисунок 5 (а), и снижение производительности с 47 до 36 кг/с, рисунок 5 (б), что связано с уменьшением насыпной плотности смеси.
а) б)
Рисунок 5 - Зависимость мощности N (Вт) (а) и производительности О (кг/с) (б) от влажности смеси \у
(%) при угловой скорости СО — 32с и
углу атаки ножа
а - 0,5 рад
Дальнейшее увеличение влажности до 80% ведет к значительному увеличению мощности 6,8 кВт при увеличении производительности вдвое (до 72 кг/с), что также связано с изменением насыпной плотности соломонавозной смеси в сторону ее увеличения.
Управляя такими независимыми факторами, как влажность смеси и угловая скорость вращения фрез в пределах 40...80% и 10...60 с-1 соответственно, в ходе эксперимента получены графики энергоемкости разгрузки установки (рис. 6 и 7).
а)
б)
Рисунок 6 - Зависимость энергоемкости разгрузки Е (Вт*с/кг) от угловой скорости фрез СО (с1) (а) при м? = 60% (а) и влажности смеси \у (%) при со = 32с (5)
Рисунок 7 - Линии равного выхода энергоемкости разгрузки Е (Вт*с/кг) от угловой скорости фрез ® и влажности смеси \у (угол атаки ножа а ~
Из анализа данных графических зависимостей можно установить оптимальные пределы регулируемых факторов по критерию минимальной энергоемкости процесса. Так, в интервале влажности смеси 55-63% и угловой скорости фрез 28-36 с-1 энергоемкость составляет 50,2 Вт*с/кг, что близко к минимальной. Минимальное значение энергоемкости Етш=46,9 Вт*с/кг достигается при следующих параметрах: влажность смеси \у=59%; угловая скорость фрез ¿У =32,3 с"1. При этом производительность устройства разгрузки составляет 37,2 кг/с.
Дальнейшие исследования были проведены при постоянной влажности 59%, при изменении угловой скорости фрез в пределах 6... 60 с"1 и угла атаки ножей фрез в пределах 10... 90".
Анализ графической зависимости мощности от угловой скорости фрез при фиксированном ^ — 0,5род , рисунок 8 (а) показывает, что увеличение угловой скорости от 6 до 30 с-1 ведет к снижению мощности с 3,91 до 1,65 кВт, а последующее увеличение угловой скорости ведет к плавному увеличению мощности до 10 кВт, при ¿У =60 с"1. Данное явление объясняется физико-механическими свойствами соломонавозной смеси, как вязко-пластичной среды, обладающей вязкостью, которая сначала резко падает, а затем стабилизируется, когда релаксация прекращается.
Производительность устройства разгрузки прямо пропорционально зависит от угловой скорости фрез, рисунок 8 (б).
Энергоемкость, как критерий оптимальности процесса разгрузки, также снижается при увеличении угловой скорости фрез и угла атаки ножей, а затем резко растет, что связано с непропорциональным увеличением потребляемой мощности к увеличению производительности устройства, рисунок 9.
д( и, 59)40
20
у
У
--
20
40
60
а)
б)
Рисунок 8 - Зависимость мощности N (Вт) (а) и производительности О (кг/с) (б) от угловой скорости фрез (О (с1) при " = 59%>а = 0,5рад
150
100
ЕЦа, ,32.307)
50
/ /
/
0.5 1
о,
а)
1.5
¡500
400
Е1(0.481,а)
200
/
\ / /
V /
О 20 40
80 100
б)
Рисунок 9 - Зависимость энергоемкости разгрузки Е (Вт*с/кг) от угла атаки ножей СХ (рад) при и' = 60%^ = 32с_1 (а) и угловой скорости фрез СО (с1) при и' = 60%'« = (б)
0.081 0.16 0.24 [1.32 0.4 0.48 0.56 0.64 0.72 0.81 0.89 0.9? 1.0.
Угол атаки, рад
Рисунок 10 - Линии равного выхода энергоемкости разгрузки Е (Вт*с/кг) от угловой скорости фрез и
угла атаки ножей (влажность смеси w — 60%)
Для практического использования полученных результатов следует установить значения факторов, обеспечивающих энергоемкость, близкую к минимальному значению, так диапазон значений угла атаки ножей 0,32-0,64 рад и диапазон значений угловой скорости фрез 28-36 с-1 обеспечивают энергоемкость процесса разгрузки Е=49,7 Вт*с/кг. Минимальное значение энергоемкости Етш=46,7 Вт*с/кг достигается при установке угла атаки ножей СХ =0,48 рад и угловой скорости фрез СО =32,3 с"1, при этом обеспечивается производительность устройства Р=37,2 кг/с.
Выводы
Проведенные исследования выявили, что для достижения минимальных энергозатрат и требуемого значения производительности параметры устройства разгрузки вертикальной компостирующей установки должны иметь следующие оптимальные значения, таблица 2.
Таблица 2 - Значения параметров устройства разгрузки
№ п/п Показатели Ед. изм. Значения
1 Шаг установки фрез м 0,115
2 Количество ножей одной фрезы шт 4
3 Угловая скорость вращения рабочих органов с-1 32,3
4 Угол атаки ножей фрез рад 0,48
5 Производительность устройства кг/с 37,2
6 Энергоемкость процесса выгрузки Вт*с/кг 46,7
Данные результаты позволят приступить к опытно-производственной проверке разработанного устройства разгрузки с выявленными параметрами, а также к экономической оценке его использования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Завражнов А.И., Миронов В.В., Колдин М.С. Обоснование поточной технологии ускоренного компостирования отходов на фермах КРС. // Вестник Мичуринского ГАУ. №1/2006., стр. 162-170.
2. Колдин М.С. Исследование теплофизических свойств соломонавозных смесей при компостировании. // Материалы 15-й международной научно-практической конференции «Система технологий и машин для животноводства на период до 2020г. - технологические, организационно-экономические требования и методология разработки». Вестник ГНУ ВНИИМЖ. Подольск, 2012. №4. с. 48-51.
3. Машина для приготовления компостов / Завражнов А.И., Бринтон В., Миронов В.В., Никитин П.С., Колдин М.С., Криволапов М.В., Абакумов Е.К. // Патент на изобретение РФ № 2352093. Приоритет от 06.07.2007.
4. Установка для компостирования / Завражнов А.И., Капустин В.П., Миронов В.В., Колдин М.С., Никитин П.С. // Патент на полезную модель РФ № 71116. Приоритет от 06.07.2007.
5. Колдин М.С. Пути совершенствования технологий компостирования органических отходов ферм КРС. // Материалы 14-й международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве - инновационные технологии и модернизация в отрасли» ГНУ ВНИИМЖ. Подольск. 2011. Том 22. Часть 3. С. 239-245.
6. Бойко, А.И. Кинетостатический расчет автокрана-манипулятора [Текст] / А.И.Бойко, А.Н.Савельев // Сб. науч. работ студентов Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А.Костычева. Материалы науч.-практ. конф. 2011 г. - Рязань: РГАТУ, 2011. - С. 281-283.
7. Бойко, А.И. Универсальный автопогрузчик с системой мультилифт [текст]/ А.И. Бойко, А.Д.Павлов, И.А.Малышев // Сб.: Инновационные подходы к развитию агропромышленного комплекса региона. Материалы 67-ой международной науч.-практ. конф. - Рязань: РГАТУ, 2016.-С.38-41.
8. Завражнов А.И., Миронов В.В., Колдин М.С. Исследование энергоемкости процесса разгрузки установки ускоренного компостирования органического сырья. // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2008. - Т. 2. - №1. - С. 16-23.
9. Завражнов А.И., Миронов В.В., Колдин М.С. Определение оптимальных конструктивно-режимных параметров устройства разгрузки установки для компостирования. // Достижения науки и техники АПК. - 2008. -№8. - С. 36-39.
