Теоретические предпосылки анализа работы самотечной системы удаления навоза периодического действия Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Literatura

1. Metodicheskie rekomendacii po tekhnologicheskomu proektirovaniyu ferm i kompleksov krupnogo rogatogo skota. RD-APK 1.10.01.01-18. - M., 2018. - 166 s.

2. Koval'chikova M., Koval'chik K. Adaptaciya i stress pri soderzhanii sel'skohozyajstvennyh zhivotnyh / Pod red. s predisl. E.N. Panova; Per. so slovac. G.N. Miroshnichenko. - M.: Kolos, 1978. - 271 s.

3. YUrkov V.M. Mikroklimat zhivotnovodcheskih ferm i kompleksov. - M.: Rossel'hozizdat, 1985.

- 223 s.

4. Vtoryj V.F., Gordeev V.V., Vtoryj S.V., Lancova E.O. Vliyanie pogodnyh uslovij na formirovanie temperaturno-vlazhnostnogo rezhima v korovnike // Vestnik VNIIMZH. - 2016. -№3(23).- S. 68-72.

5. Valerii Vtoryi, Sergei Vtoryi, Roman Ylyin. Investigations of temperature and humidity conditions in barn in winter. 17th International Scientific Coference. Engineering for rural development. Proceedings, Volume 17 May 23-25, 2018, Jelgava, S 265-269.

6. Valge A.M. Ispol'zovanie sistem Excel i Mathcad pri provedenii issledovanij po mekhanizacii sel'skohozyajstvennogo proizvodstva / GNU SZNIIMEHSKH Rossel'hozakademii. - SPb, 2013.

- 200 s.

7. Scientific report of EFSA prepared by the Animal Health and Animal Welfare Unit on the effects of farming systems on dairy cow welfare and disease. Annex to the EFSA Journal (2009) 1143, pp. 1-284.

УДК 631.22 DOI 10.24411/2078-1318-2019-11140

Канд. техн. наук А.В. ТРИФАНОВ (ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, [email protected]) Доктор техн. наук, проф. В.В. КАЛЮГА (ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected]) Соискатель В.И. БАЗЫКИН (ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, [email protected])

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ АНАЛИЗА РАБОТЫ САМОТЕЧНОЙ СИСТЕМЫ УДАЛЕНИЯ НАВОЗА ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Удаление навоза из навозоприёмной ванны самотечной системы навозоудаления ванно-трубного типа происходит в три этапа: накопление, опорожнение и образование остаточного слоя.

Накопление навозной массы в приёмной ванне осуществляется в объёме, равном эффективному объёму самой ванны. Время наполнения ванны будет зависеть от количества животных, условно разбитых по половозрастным группам, и суммированное со среднесуточным поступлением в ванну воды. Время накопления навозной массы в ваннах не должно превышать 14 суток, так как при более длительном хранении происходят процессы сбраживания навоза, сопровождающиеся выделением аммиака и сероводорода. В период накопления навозная масса обладает потенциальной энергией Еп.

При опорожнении ванны происходит выпуск навозной массы под действием силы тяжести и гидростатического напора в коллектор, расположенный под навозоприёмным каналом. При этом потенциальная энергия Еп переходит в кинетическую Ек.

Целью исследования является получение информационной модели движения навозной массы, обоснование модели ее движения под действием внешней силы - силы тяжести по навозоприёмной ванне и вывод уравнения минимальной высоты остаточного слоя навоза при условии установившегося стационарного потока навозной массы в навозоприёмной ванне.

Материалы, методы и объекты исследования. Сопротивление движению навозной массы по длине ванны происходит вследствие наличия силы вязкости которую согласно закону внутреннего трения Ньютона в общем виде определяют по формуле [1, 2]:

77т |

где Т| - коэффициент динамической вязкости, Пах;

Б - площадь соприкосновения слоев жидкости, м2; Аи

- градиент скорости (изменение скорости движения частиц жидкости в

направлении, нормальном к вектору самой скорости).

Так как слои жидкости находятся бесконечно близко друг к другу, то единичную силу трения - касательное напряжение Т - можно представить в виде дифференциального уравнения:

йи

т ^ (2)

Поскольку рассматривается изменение скорости движения частиц жидкости в направлении от ограничивающей поверхности, знак в выражении (2) будет положительным.

Навозная масса при движении по длине ванны по достижению определённого профиля свободной поверхности замедляет своё движение и в итоге перестаёт течь. Это объясняется наличием начального напряжения сдвига Т0, присущее неньютоновским жидкостям, к которым относят и жидкий навоз (Калюга В.В., Найденко В.К., Красехин И.Д. и др., 1971). Согласно уравнению Шведова - Бингама [3], касательное напряжение Т зависит

с1и

от динамическои вязкости Т|, начального напряжения сдвига Т0 и градиента скорости -у-:

йи

г = т„ (3)

Высота остаточного слоя Ьо после опорожнения ванны будет зависеть от физических и реологических параметров жидкого навоза, а также от конструктивных параметров самой ванны:

- плотности р, кг/м3;

- вязкости Т|, Пах;

- начального напряжения сдвига Т0, Па;

- гидравлического уклона ванны (коллектора) I;

- длине 1Б и ширине Ьв ванны, м;

- шероховатости дна и стенок навозоприёмной ванны Дэ, мм.

Под шероховатостью Дэ - эквивалентная шероховатость, понимают высоту выступов неровностей одинакового размера (условное понятие), при которой коэффициент гидравлического трения Я соответствует действительной шероховатости поверхности [2].

В общем виде эта зависимость примет вид:

Ко = / (рл, То, 1 в > ьв >А э ) (4)

Известно, что жидкий свиной навоз до определённой степени влажности представляет собой однофазную среду (Калюга В.В., 1972). При достижении относительной влажности Вн=92% происходит интенсивный переход однофазной системы в двухфазную, которая сопровождается образованием осадка и свободной жидкости (Верховский В.М., Нусаев А.Х.,

Шебалкин Л.Е. и др. 1974). Логично предположить, что образование осадка значительно увеличивает значения плотности, вязкости и начального напряжения сдвига, это затрудняет работу самотечной системы удаления навоза. При влажности жидкого навоза 85-86% значительно увеличиваются значения реологических показателей (р, Т], Т0), что также затрудняет работу самотечной системы [4]. Можно сделать вывод, что оптимальной для нормальной работы самотечной системы навозоудаления является влажность навозной массы в пределах 86-91%. Влиянием липкости на самотечное движение навозной массы можно пренебречь, так как при влажности 86-91% значение липкости минимально (Уилкинсон У.Л., 1964).

Примем следующие допущения:

- движение навозной массы является установившемся стационарным;

- рассматривается двумерное (плоское) движение навозной массы;

- движение изобарическое (<Яр = 0);

- по типу движение жидкости является ламинарным;

- навозная масса несжимаема (р = COnst)\

- поверхностный уклон постоянен (г = с071££);

- шероховатость дна и стенок ванны одинакова.

На основании вышеизложенного информационная модель процесса движения навозной массы, при которой достигается основная задача Н0 —'* 0, будет иметь вид, изображённый на рис. 1.

Основная задача

(i,lB,bB) optimum

/гП01 -4 min

-> 0

Ограничения: I. Движение стационарное;

2. р = const; t = const;

3. dp = 0; Дэ = const.

Рис. 1. Информационная модель движения навозной массы

Потери энергии по длине ванны кП0Т при ламинарном режиме движения жидкости определим в соответствии с основным уравнением установившегося равномерного движения

[5]:

I _

h

т

ПОТ

■х-

(5)

рхё я где К - гидравлический радиус;

1_х - расстояние по оси х в направлении, противоположном направлению оси X Гидравлический радиус равен отношению площади живого сечения О) к смоченному

со

периметру % ,R = — : X

ю = hH х bB

Х = bB + 2hH

где h н - высота жидкого навоза в ванне, м.

НПОТ = итах Х-~-7Т, (8)

Учтём, что при движении неньютоновской жидкости касательное напряжение определяют по формуле (2) как для ньютоновской жидкости, получим выражение для определения потерь напора:

йи /-х

нпот =п~тх п ;

ау рх g х к , йи / -/

кпот =П — Х—-^, (7)

ау рх g х к

где 1Е- длина ванны, м;

1Ж - любое расстояние по оси х в направлении, совпадающем с направлением оси.

После интегрирования уравнения (7) в пределах 0 ...итах получим:

НПОТ = и тах Х ^Т'

рх gх к ух(1в - 1х ) рх gх К

где V - коэффициент кинематической вязкости, м2/с (V = ^/р).

Среднюю скорость V движения жидкого навоза при ламинарном режиме течения примем как У=0,5итах [1, 2]:

К = у хУх(1е - К) _

КПОТ = у ^^-—. (9)

2g х К

При анализе полученной формулы (9) видно, что потери энергии при движении навозной массы будут являться функцией вязкости, средней скорости и геометрических параметров потока: КПОТ = /{у,¥, 1х, Ьв, Кн ) . При неизменных геометрических параметрах ванны и вязкости жидкого навоза основная функциональная зависимость потерь напора по длине потока - от средней скорости движения навозной массы: КПОТ = / (V).

Выделим в потоке навозной массы сечениями элементарный параллелепипед со сторонами Д/г, ДЬ и единичной длиной ДI (рис. 2). Рассмотрим приложенные к выделенному объёму силы:

- сила тяжести О = рх g х АЖ , где АШ = АН + АЬ + А/ ;

- равнодействующая сила гидростатического давления и Р2 (силами давления на боковые поверхности, параллельные боковым стенкам и дну канала, в силу их равности пренебрежём), равная произведению давления и площади торцевых поверхностей: Р = где - площадь торцевой поверхности;

- сила гидродинамического сопротивления (сила трения), отнесённая к боковым поверхностям выделенного параллелепипеда, равная произведению единичной силы трения - касательного напряжения, и площади боковых поверхностей: Т = Т0)2, где 0)2 - площадь боковой поверхности.

Высота выделенного элементарного параллелепипеда соизмерима с толщиной слоя жидкости, поэтому силами трения, действующими по боковым поверхностям, параллельным боковым стенкам ванны, в силу их малости пренебрежём.

Рис. 2. Схема действия сил на элементарный параллелепипед в слое навозной массы

Запишем уравнение сил, действующих на выделенный элемент в проекции на ось X

Ох - 2т хАЬх А/ - (р1 - р2)хАЬхАИ = 0

(10)

Сила тяжести в проекции на ось X, действующая на выделенный элемент:

Ох = G х $та = рх g хАЖ х ъта (11)

Параметр БШ а называют уклоном свободной поверхности потока. Это точное выражение уклона. В гидравлике при малых значениях уклона часто используют приближённое значение этой величины: БШЛ ^ = ¡. Объём элементарного

параллелепипеда ДИ^ = ДЬ ■ ДI ■ АН. Тогда выражение (11) примет вид:

Ох = рх g хАЬ х А/ хАИ х I (12)

Разница давлений, действующих на боковые поверхности, есть потери давления при равномерном движении [1]:

Р1-Р2=АР = РХ§ХИП0Т (13)

Подставим (12)и(13)в уравнение (10), поделив все его члены на Д Ь - ДI:

ДА

рх g хАИ х I = 2т + рх g х И

пот

х-

А/

(14)

Касательное напряжение Т для неньютоновской жидкости определяют по формуле (3). Перенесём Л^- в левУю часть, все остальные члены уравнения - в правую. С учётом единичной длины ДI получим:

du рх g хАИ х I рх g х ИПОТ АИ

п— =---х-

^у 2 2 А/

du рх g хАИ х I рх g хАИ х ИПОТ

dy 2п 2п

du g хАИ х I g хАИ х ИПОТ dy 2у 2У

п

п

йп х Ак йу 2у

йп =

х (г- кПОТ) —-;

п

g х кПОТ± хАкйу йу.

(15)

2У 77

Проинтегрируем уравнение (15) - (1у в пределах 0 ...у, (1и в пределах Получим:

п =

g х (г - кПОТ ) х У2 то х У

4у

п

При у = 0 местная скорость на стенке и = 0. При у = кн местная скорость на поверхности и = и.тах. Тогда:

пт_ =

g х (г

к

ПОТ

) х к

н

То х кн

4у

п

(16)

Подставим выражение для потерь /1П0Т (9) в полученное уравнение (16) и перейдём от местной максимальной скорости итах к средней V:

0,5 х V =

g х г х кН g х кН

6 н 6 н х к

4у

ПОТ

То х кн

кПОТ = V х

V =

g х г х к

V

V х

4у

Vх (К -1х ) 2 g х Я

кН х (¡в -1х)

4 Я

п

2 То х кн

п

(17)

Выразим среднюю скорость V из уравнения (17), предварительно поделив все члены уравнения на V. После математических преобразований получим:

V =

Г • 7 2 Л

g х г х кн 2у

2 То х кн

п

1 +

к2н х (1в -1х ) 4Я

При неизменных геометрических параметрах ванны и физико параметрах навозной массы функциональная зависимость будет иметь вид:

V = / (г)

(18)

реологических (19)

Расход навозной массы при течении по ванне (каналу) составит:

Q = V х 8В = V х Ьв х кн (2о)

Движение навозной массы в ванне (канале) осуществляется под действием силы тяжести при открытии пробки (заслонки), вследствие чего происходит истечение в приёмный продольный коллектор, расположенный под каналом. Следствием открытия пробки является течение жидкости, замедляющейся по мере удаления от сливного отверстия, то есть потери энергии при движении будут увеличиваться по мере удаления от сливного отверстия и приближения к противоположной от отверстия торцевой стенке ванны.

Результаты исследования. Установившееся стационарное движение навозной массы в навозоприёмном канале позволяет применить при принятых допущениях уравнение движения вязкой несжимаемой жидкости (уравнение Навье - Стокса), которое при условии движения в направлении оси X примет вид [ 1 ]:

г2.

d uy d2uz g x sin a

+-5

.2 r 2

(21)

dy dx v

где Ct - угол уклона поверхности канала; li - местная скорость в живом сечении потока.

Так как рассматривается плоское (двумерное) течение, уравнение (21) примет вид:

d 2uy g х sin а

=-- (22)

dy v

После интегрирования уравнение (22) в пределах 0 ... у предстанет в виде:

du g х sin а

, х У + Ci

dy V

Постоянную интегрирования С1 определим из граничных условий:

— ~с\ г- - gxsinQf u

на поверхности ПРИУ = i — Х н

Тогда с учётом sill (X = i:

du g х i g х i , - ° х y + --х hH ;

dy v v

du g x i

dy v

x (hH - У) . (23)

(¿и

Выразим градиент скорости ^— из уравнения (3) и подставим в уравнение (23) с

учётом стационарного состояния навозной массы. В этом случае можно утверждать, что Аи

. Получим:

То g х I п \

— = -—х (ИН - у) ;

П V

То =рх g х I х (Ин - у). (24)

Приняв hH — у = h0, получим:

То

о =______, (25)

h = 0

рх g х I

Выводы. Уравнение определения высоты остаточного слоя навоза можно получить из логических рассуждений, приравняв касательное напряжение Т0 и напряжение, создаваемое давлением р = рв отсутствии движения навозной массы. Так как Т0 противодействует смещению верхнего слоя навозной массы под действием проекции силы тяжести Ск, соответственно в уравнении необходимо ввести уклон поверхности £.

Литература

1. Штеренлихт Д.В. Гидравлика: учебник для вузов. - изд. 3-е, переработ. и доп. - М.: КолосС, 2006. - 656 с.

2. Ухин Б.В. Гидравлика: учебное пособие. - М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА - М, 2009. - 464 с.

3. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: учеб. для вузов. - 7-е изд., исп. - М.: Дрофа, 2003. - 840 с.

4. Коваленко В.П., Класнер Г.Г. Состав и свойства бесподстилочного свиного навоза: материалы всероссийской научно-практической конференции «Проблемы механизации и электрофикации сельского хозяйства» / Кубанский государственный аграрный университет. - Краснодар, 2014. - С. 105-108.

5. Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод: учебник. - Ч. 1: Основы механики жидкости и газа. - 6-е изд., стереотип. - М.: МГИУ, 2007. - 264 с.

Literatura

1. SHterenliht D.V. Gidravlika: uchebnik dlya vuzov. - izd. 3-e, pererabot. i dop. - M.: KolosS, 2006. - 656 s.

2. Uhin B.V. Gidravlika: uchebnoe posobie. - M.: ID «FORUM»: INFRA - M, 2009. - 464 s.

3. Lojcyanskij L.G. Mekhanika zhidkosti i gaza: ucheb. dlya vuzov. - 7-e izd., isp. - M.: Drofa, 2003. - 840 s.

4. Kovalenko V.P., Klasner G.G. Sostav i svojstva bespodstilochnogo svinogo navoza: materialy vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Problemy mekhanizacii i ehlektrofikacii sel'skogo hozyajstva» / Kubanskij gosudarstvennyj agrarnyj universitet. - Krasnodar, 2014. - S. 105-108.

5. SHejpak A.A. Gidravlika i gidropnevmoprivod: uchebnik. - CH. 1: Osnovy mekhaniki zhidkosti i gaza. - 6-e izd., stereotip. - M.: MGIU, 2007. - 264 s.

УДК 631.22 Б01 1о.24411/2о78-1318-2о19-11147

Науч. сотрудник Т.Ю. МИРОНОВА (ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, [email protected])

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА НАВОЗОСОДЕРЖАЩИХ СТОКОВ ДОИЛЬНЫХ ЗАЛОВ И ПЛОЩАДИ ТЕПЛИЦЫ ДЛЯ ИХ УТИЛИЗАЦИИ

Во всех странах мира отмечается увеличение количества и мощности животноводческих комплексов на промышленной основе, что приводит к значительному сосредоточению отходов в одном месте. Это касается и навозосодержащих стоков доильных залов, увеличению которых способствует переход современных сельхозпредприятий на беспривязный способ содержания с доением коров в автоматизированных доильных залах.

Вместе с тем на сегодняшний день одной из основных проблем крупных животноводческих комплексов является отсутствие достаточного количества земельных угодий сельскохозяйственного назначения для внесения всего получаемого органического удобрения [1]. При интенсивном, специализированном и концентрированном животноводстве наблюдается изменение баланса между растениеводством и животноводством и нарушается цикл оборота питательных веществ [2]. Решение этой проблемы следует искать в рациональном сочетании животноводства с интенсивным растениеводством, что позволит утилизировать отходы животноводства с наибольшим эффектом [3].

Цель исследования - определение суточного количества навозосодержащих стоков доильного зала и площади теплицы для их утилизации.

Материалы, методы и объекты исследования. Навозосодержащие стоки доильного зала (НСДЗ) характеризуются высокой влажностью - до 99,5% с концентрацией питательных