ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВНЕСЕНИЯ БИОДОБАВОК В ПОТОК ПОЛУЖИДКОГО НАВОЗА
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВНЕСЕНИЯ БИОДОБАВОК В ПОТОК ПОЛУЖИДКОГО НАВОЗА
Аннотация
Целью работы являлось обоснование конструктивных параметров и режимов работы устройства для внесения биодобавок в полужидкий навоз при транспортировке по трубопроводу поршневым насосом. Исследования выполнены аналитическими методами гидравлики и сопротивления материалов, а также 3D-моделированием в среде SolidWorks. В результате определены оптимальные параметры инжектора в виде двухопорного ножа каплевидного сечения: внутренний канал 5,2 мм, толщина стенки 5 мм (наружный диаметр 15 мм), длина хорды 65 мм. Двухопорное крепление снижает напряжение изгиба в 20 раз по сравнению с консольной схемой, загромождение сечения трубы составляет 6,4%. Обоснован режим дозирования — подача добавки в интервале 10–85% от длительности такта нагнетания, синхронизированная с сигналом датчика давления, что обеспечивает коэффициент вариации распределения ν < 10%.
1. Введение
Применение биодобавок является эффективным способом снижения эмиссии аммиака и парниковых газов при хранении и утилизации навоза крупного рогатого скота , , . Однако традиционное внесение биопрепаратов в уже сформированные объёмы (лагуны, бурты) не обеспечивает их равномерного распределения: для смешения 1–5 литров препарата на 100 м3 навозной массы требуются длительная работа миксеров и значительные энергозатраты, при этом сохраняется риск образования «мёртвых зон» и донных отложений , . Скорость микробиологической переработки навоза в значительной степени зависит от температуры субстрата. При температуре ниже 25 °C (психрофильный режим) процесс растягивается на месяцы, при 30–40 °C (мезофильный) идёт быстрее, но требует недель, а наиболее интенсивно — при 45–55 °C (термофильный), когда полная деструкция возможна за 10–15 суток , , . Однако поддержание таких температур в открытых лагунах или буртах технически сложно.
Альтернативным решением является внесение биодобавок в напорный трубопровод при транспортировке полужидкого навоза от животноводческого помещения до места хранения. Поток в трубе обеспечивает распределение препарата по всему объёму транспортируемой массы, а санитарный разрыв между коровником и навозохранилищем (не менее 60 м, сноска 1) создаёт достаточную длину для диффузии добавки , . Однако отсутствуют научно обоснованные конструктивные параметры устройств для введения биодобавок в трубопровод с учётом реологии полужидкого навоза (влажность 88–92%, вязкость 5–10 Па·с) и импульсного характера потока, создаваемого поршневым насосом.
Научная новизна. Впервые теоретически обоснованы форма, геометрические размеры и режим работы инжектора для внесения биодобавок в трубопровод полужидкого навоза КРС на основе анализа гидравлических, прочностных и реологических закономерностей. Определены условия синхронизации дозирования с фазой нагнетания поршневого насоса, обеспечивающие коэффициент вариации распределения добавки ν < 10%.
Цель и задачи исследования. Цель работы — обоснование конструктивных параметров и режимов работы устройства для внесения биодобавок в полужидкий навоз при транспортировке по трубопроводу поршневым насосом. Для достижения цели поставлены следующие задачи:
– определить оптимальное место внесения биодобавки относительно поршневого насоса;
– разработать форму и рассчитать геометрические параметры инжектора (диаметр канала, толщину стенки, хорду);
– оценить прочность и гидравлическое сопротивление предложенной конструкции;
– обосновать режим синхронизации дозатора с тактами нагнетания поршневого насоса.
Статус работы. Представленные в статье результаты являются расчётно-теоретическим подготовительным этапом в рамках выполнения государственного задания № FGUN-2025-0010 «Разработать энергоресурсосберегающие машинные технологии и цифровые системы мониторинга и управления для экологически безопасного производства сельскохозяйственной продукции» (этап 3.1). Экспериментальная проверка разработанного устройства на лабораторном стенде и в производственных условиях запланирована на третий квартал текущего года и станет предметом отдельной публикации.
2. Методы и принципы исследования
Исходными данными служили результаты аналитических исследований, нормативно-техническая документация и опубликованные данные по реологическим свойствам полужидкого навоза КРС (влажность 88–92%). Для достоверного моделирования гидродинамических и прочностных характеристик инжектора необходимо располагать физико-механическими свойствами полужидкого навоза, полученными как из нормативной документации, так и из независимых литературных источников. В таблице 1 представлены значения основных параметров согласно отраслевому нормативу РД-АПК 3.10.15.01-17* .
Физико-механические свойства полужидкого навоза КРС согласно данным РД-АПК 3.10.15.01-17*
Влажность, % | Плотность, кг/м3 | Вязкость, Па·с | Предельное напряжение сдвига, Па |
86 | 1034,2 | 1,3 | 75 |
87 | 1032,2 | 1,2 | 60 |
88 | 1029,6 | 1,2 | 50 |
89 | 1026,9 | 0,8 | 40 |
90 | 1024,4 | 0,6 | 37 |
91 | 1021,8 | 0,45 | 14 |
92 | 1019,1 | 0,3 | 5 |
Для уточнения диапазонов свойств и учёта разброса, характерного для реальных животноводческих ферм, проведён анализ публикаций , , , , . Обобщённые результаты сведены в таблицу 2.
Обобщенные физико-механические свойства полужидкого навоза КРС по литературным данным
Параметр | Диапазон значений | Источник информации |
Влажность, % | 88-92 | , |
Плотность, кг/м3 | 1010-1100 | , |
Вязкость, Па·с | 5-10 | , |
Предельное напряжение сдвига, Па | 25-40 | |
Средний размер волокон, мм | 10-50 |
Приведенные данные использованы в гидравлических и прочностных расчетах как базовые. Экспериментальная проверка запланирована в будущих работах.
Гидравлические параметры потока рассчитаны по методам трубопроводной гидравлики . Прочностной расчет инжектора выполнен для консольной и двухопорной схем , гидродинамический анализ обтекания — по справочным данным коэффициентов лобового сопротивления . Форма каплевидного сечения обоснована методами теории турбулентных струй . 3D-моделирование проведено в SolidWorks. Оценка эффективности внесения биодобавок базировалась на анализе типовых технологических схем навозоудаления , , .
3. Основные результаты
Ниже представлены результаты обоснования места внесения биодобавок, расчёта геометрических параметров инжектора и режима синхронизации, выполненные с использованием физико-механических свойств полужидкого навоза (табл. 1, 2).
3.1. Обоснование места внесения и времени гомогенизации
При традиционной схеме навоз удаляется механическими скребками или роботами, накапливается в поперечных каналах, затем загружается в тракторные прицепы-цистерны (ПТС, МЖТ) и выгружается в лагуну. Предлагаемая технология (рис. 1) исключает тракторную транспортировку: навоз от роботов-уборщиков поступает в загрузочный бункер поршневого насоса, который перекачивает его по подземному трубопроводу (диаметр 300 мм, длина не менее 60 м) в навозохранилище. В поток на расстоянии 10 диаметров (3 м) от насоса вводится биодобавка через инжектор , .
Технологическая схема процесса навозоудаления полужидкого навоза насосом с внесением биодобавок
t = 57 м / 0,03 м/с = 1900 с = 32 мин.
Этого времени достаточно для активации большинства биодобавок (согласно данным производителей , , активация занимает 15–30 мин). За счёт турбулентной диффузии и конвективного переноса коэффициент вариации распределения добавки по сечению трубы снижается до ν < 10%, что соответствует удовлетворительной гомогенности .
3.2. Конструктивные параметры инжектора
Максимальный расход добавки (при норме внесения 5 л/т навоза, производительности насоса 14 м3/ч и плотности навоза 1,1 т/м3):
Принимая скорость движения добавки в канале 1 м/с, минимальная площадь сечения канала:
что соответствует внутреннему диаметру:
Приняты: внутренний канал 5,2 мм, толщина стенки 5 мм, наружный диаметр инжектора 15 мм.
Длина хорды каплевидного профиля (отношение толщины к хорде 1:4…1:5 ):
с = 15 мм · 4,5 = 65 мм.
Коэффициент лобового сопротивления такого профиля Cx = 0,045 (в 10–12 раз меньше, чем у цилиндрической трубки ).
Степень загромождения сечения трубы инжектором:
что не превышает допустимых 15% для напорных систем .
3.3. Прочностный расчет
На рисунке 2 представлена схема основных сил, действующих на консольный инжектор при взаимодействии с потоком полужидкого навоза: давление насоса Pн, сила тяжести Fт, сила трения Fтр, сила инерции массы Fин, распределённая нагрузка q.
Схема основных сил, действующих на консольный инжектор при взаимодействии с потоком полужидкого навоза
Для консольной схемы (длина инжектора L = 150 мм — до середины трубы) изгибающий момент и напряжение:
σ
Для двухопорной схемы (инжектор закреплён на двух опорах, длина между опорами L = 300 мм):
σ
Таким образом, двухопорное крепление снижает изгибающий момент в 1,5 раза, а напряжение изгиба — в 20 раз по сравнению с консольной схемой . Материал инжектора — коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н10Т, сварные швы отсутствуют.
3.4. Режим синхронизации дозатора с поршневым насосом
При частоте работы поршневого насоса 2 мин-1 ход нагнетания длится 15 секунд. Поршневой насос простого действия работает следующим образом: на ходе всасывания навоз поступает в камеру, на ходе нагнетания вытесняется в трубопровод. Впрыск биодобавки должен инициироваться датчиком давления в момент начала фактического движения массы (исключая холостой ход). Добавку целесообразно подавать после завершения фазы ускорения поршня (через 1,5–2 с от старта такта) и прекращать за 2–3 с до окончания хода, чтобы добавка попадала в поток с установившейся скоростью . Подача полностью прекращается на ходе всасывания. Оптимальный режим — впрыск в интервале 10–85% от длительности хода нагнетания (активная фаза 2–13 с), синхронизированный с сигналом датчика давления. Такой режим исключает подачу добавки в неподвижную среду и локальное переобогащение, обеспечивая коэффициент вариации распределения ν < 10% .
3.5. Эксплуатационные характеристики
Инжектор выполнен в виде фланцевого узла, что позволяет его демонтировать для периодической очистки. Для предотвращения засорения внутреннего канала (диаметр 5,2 мм) рекомендуется устанавливать перед насосом-дозатором сетчатый фильтр с ячейкой 1 мм. В случае забивания волокнистыми включениями предусмотрена обратная промывка водой через штатные штуцеры. Каплевидный профиль минимизирует налипание волокнистых включений; при длительном простое системы (более 2 суток) рекомендуется после остановки насоса промывать инжектор водой в течение 2–3 мин. Двухопорное крепление исключает резонансные вибрации в рабочем диапазоне частот насоса (до 3 Гц) . Ресурс инжектора — не менее 8 лет при ежедневной эксплуатации.
Таким образом, определены и обоснованы все конструктивные параметры инжектора и режим его работы, достаточные для изготовления опытного образца.
4. Обсуждение
4.1. Сравнение с существующими техническими решениями
В промышленности для введения жидких добавок в трубопровод применяются инжекторы Вентури, шнековые дозаторы, игольчатые и форсуночные системы , , , . Каждый из этих типов имеет ограничения при работе с полужидким навозом крупного рогатого скота.
Инжекторы Вентури создают разрежение за счёт сужения потока , однако их эффективность резко падает при высокой вязкости среды (5–10 Па·с, табл. 2) и при наличии волокнистых включений (до 15–18% по массе ), которые забивают суженое сечение. Шнековые дозаторы обеспечивают точное объёмное дозирование, но они чувствительны к абразивным частицам и длинным волокнам (размер до 50 мм, табл. 2), что приводит к быстрому износу и заклиниванию . Игольчатые инжекторы просты конструктивно, однако при импульсной работе поршневого насоса (частота до 3 Гц) они испытывают знакопеременные изгибающие нагрузки и быстро выходят из строя из-за вибрационной усталости .
Предлагаемая конструкция двухопорного ножа каплевидного сечения сочетает достоинства игольчатого инжектора (простота, точечный впрыск) с повышенной прочностью и устойчивостью к засорению. Каплевидный профиль (коэффициент лобового сопротивления Cx = 0,045) в 10–12 раз снижает гидравлическое сопротивление по сравнению с цилиндрическим и предотвращает образование «соломенных мостов» (налипания волокон) благодаря плавному обтеканию и смыканию потока за ножом. Двухопорное крепление, как показано в разделе «Результаты», уменьшает напряжение изгиба в 20 раз относительно консольной схемы и исключает резонансные колебания (собственная частота ножа > 50 Гц, что значительно выше частоты возмущений от насоса).
4.2. Сопоставление расчётных параметров с требованиями
Полученные в разделе «Результаты» геометрические размеры инжектора (внутренний канал 5,2 мм, наружный диаметр 15 мм, хорда 65 мм) удовлетворяют двум ключевым критериям: пропускной способности (77 л/ч) и ограничению по загромождению сечения (6,4% при допустимых 15% для напорных систем ). Снижение напряжения изгиба в 20 раз гарантирует отсутствие пластических деформаций при рабочем давлении 3 бар и даже при кратковременных динамических пиках (до 5 бар) в моменты запуска насоса.
Время нахождения навоза в трубопроводе после точки впрыска (32 мин) рассчитано на основе средней скорости потока 0,03 м/с. Этот интервал соответствует периоду активации, указанному производителями биодобавок (15–30 мин для «Биосанвит-М» и «Навобакт» , ), что обеспечивает начало ферментативных процессов до поступления массы в хранилище. Таким образом, предлагаемая схема не только транспортирует навоз, но и выполняет функцию проточного биореактора начальной стадии.
4.3. Эксплуатационные аспекты и обслуживание
При проектировании устройства учтены реальные условия эксплуатации:
– Очистка и доступ: инжектор выполнен в виде фланцевого узла, что позволяет демонтировать его без разрезания трубы.
– Защита от засорения: перед насосом-дозатором рекомендуется устанавливать сетчатый фильтр с ячейкой 1 мм; внутренний канал инжектора (5,2 мм) проходим для частиц такого размера.
– Промывка: предусмотрена обратная промывка водой через штатные штуцеры; при длительном простое (> 2 суток) регламентирована промывка в течение 2–3 мин после остановки насоса.
– Вибрации и ресурс: двухопорное крепление жёстко фиксирует инжектор, отсутствие сварных швов и выбор коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т обеспечивают расчётный ресурс не менее 8 лет при ежедневной работе [3].
4.4. Ограничения и перспективы
Представленные в статье результаты являются расчётно-теоретическим обоснованием параметров инжектора. В работе не проводились натурные или лабораторные испытания, что является основным ограничением. Экспериментальная проверка на лабораторном стенде (прозрачный трубопровод, имитация потока навоза с использованием трассера для визуализации смешивания, измерение коэффициента вариации концентрации добавки) запланирована на следующий этап НИР в рамках государственного задания № FGUN-2025-0010. Натурные испытания на действующей ферме позволят:
– уточнить реальный коэффициент вариации распределения добавки при разных режимах работы насоса;
– оценить степень засорения фильтра и инжектора в длительной эксплуатации;
– разработать окончательный регламент технического обслуживания.
В настоящее время полученные геометрические и прочностные характеристики признаны достаточными для изготовления опытного образца инжектора и начала его стендовых испытаний. Предложенное устройство (двухопорный нож каплевидного сечения, рис. 3, 4) может быть рекомендовано для использования в системах трубопроводного транспорта полужидкого навоза как альтернатива существующим дозирующим устройствам, особенно в условиях высокой вязкости и засорённости среды.
Чертеж двухопорного ножа каплевидного сечения в разрезе
3D модель инжектора-ножа каплевидного сечения
5. Заключение
Для трубопровода диаметром 300 мм и длиной не менее 60 м оптимальным является внесение биодобавки после зоны стабилизации потока на расстоянии 10 диаметров (3 м) от поршневого насоса. Разработан двухопорный нож каплевидного сечения (внутренний канал 5,2 мм, толщина стенки 5 мм, хорда 65 мм), снижающий напряжение изгиба в 20 раз относительно консольной схемы при загромождении сечения 6,4%.
Дискретная подача добавки в интервале 10–85% от длительности такта нагнетания (активная фаза 2–13 с при частоте 2 мин-1), синхронизированная с сигналом датчика давления, обеспечивает равномерное распределение препарата (ν < 10%). Учтены эксплуатационные аспекты: фильтрация, обратная промывка, вибрационная стойкость и ресурс.
Представленные результаты являются расчётно-теоретическим обоснованием; экспериментальная проверка запланирована на следующих этапах НИР. Разработанное устройство может быть использовано при проектировании систем навозоудаления на фермах крупного рогатого скота.