Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса по обеспечению функционирования плёночных навозохранилищ при хранении и переработке жидкого неразделённого свиного навоза 10
1.1. Общий анализ типов навозохранилищ, определяющий его выбор для утилизации жидкого неразделённого навоза 10
1.2. Обзор применяемых перемешиваюших устройств 20
1.3. Физико – механические и реологические свойства навоза, получаемого на свиноводческих фермах и комплексах при использовании самотечной системы навозоудаления 30
1.4. Анализ технических решений перемешивающих устройств, применимых к решению вопроса гомогенизации бесподстилочного навоза в плёночных навозохранилищах 40
1.5. Инженерные методы расчёта перемешивающих устройств 48
1.6. Цель и задачи исследования 52
Глава 2. Теоретические предпосылки к анализу работы стационарно установленного перемешивающего устройства 55
2.1. Информационная модель процесса перемешивания 55
2.2. Обоснование модели движения выделенного элемента придонного слоя 58
2.3. Определение кинематических характеристик потока 66
2.4. Вывод уравнения к определению достаточной подачи количества жидкости пропеллерной мешалкой для обеспечения перемещения количества донного осадка на заданное расстояние 73
2.5. Вывод уравнения поверхности раструба перемешивающего устройства 77
2.6. Теоретические предпосылки к физическому моделированию процесса перемешивания донного осадка жидкого неразделённого навоза в плёночном навозохранилище 83
2.7. Технико – экономическое обоснование выбора физической модели навозохранилища (лагуны) 88
Глава 3. Программа и методика исследований работы перемешивающего устройства для обеспечения гомогенизации жидкого навоза в лагуне 108
3.1. Программа и методика исследований физических и реологических свойств донного осадка, образующегося при хранении жидкого неразделённого свиного навоза в плёночном навозохранилище 108
3.2. Программа и методика лабораторных исследований работы перемешивающего устройства в плёночном навозохранилище 113
3.3. Математическое моделирование процесса поведения исследуемых параметров 140
Глава 4. Результаты исследований перемешивания донного осадка жидкого неразделенного навоза в плёночном навозохранилище (лагуне) 146
4.1. Результаты экспериментальных исследований физико – механических и реологических свойств донного осадка, образующегося при расслоении жидкого неразделённого навоза 146
4.2. Результаты экспериментальных исследований перемешивания донного осадка на лабораторной установке исследования работы перемешивающего устройства 154
Глава 5. Реализация результатов исследований применения перемешивающего устройства и его технико – экономическая оценка 161
5.1. Методика инженерного расчёта перемешивающего устройства 161
5.2. Рекомендации по применению перемешивающего устройства 166
5.3. Технико – экономическая оценка работы перемешивающего устройства 168
Общие выводы 180
Условные обозначения 183
Список литературы 186
Приложения 195
- Обзор применяемых перемешиваюших устройств
- Определение кинематических характеристик потока
- Программа и методика лабораторных исследований работы перемешивающего устройства в плёночном навозохранилище
- Результаты экспериментальных исследований перемешивания донного осадка на лабораторной установке исследования работы перемешивающего устройства
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из основных проблем агропромышленного комплекса России является хранение и утилизация навоза. По действующим нормам выход навоза в сутки колеблется у свиней (в зависимости от пола и возраста) от 2,2 до 12 кг на голову. На конец 2015 года поголовье свиней в Российской Федерации составило 21506,5 тыс. голов, при этом выход навоза за год составил 57 600 тыс. тонн. Любое животноводческое хозяйство по объму является прежде всего производителем навоза, и только потом – мяса и молока.
На свиноводческих фермах и комплексах с промышленной технологией производства свинины применяют бесподстилочное содержание животных и гидравлические системы удаления навоза, что значительно увеличивает объм получаемого навоза. Учитывая, что свежий свиной навоз относится к 3 категории (умеренно опасные) опасных веществ, перед внесением на поля он должен быть обеззаражен.
На сегодняшний день широкое распространение для хранения и переработки жидкого навоза получили плночные навозохранилища (лагуны), основным недостатком которых является образование донного осадка при выдерживании жидкого неразделнного навоза в процессе его расслаивания. Для гомогенизации жидкого неразделнного навоза при его хранении в плночных навозохранилищах применяют стационарно установленные или передвижные мешалки. Опыт эксплуатации погружных мешалок выявил ряд недостатков, определяющих значительное уменьшение полезного объма лагун при хранении жидкого неразделнного навоза вследствие образования донного осадка, приводящего к заиливанию.
Особенно актуально использование плночных лагун небольшими свиноводческими фермерскими и крестьянскими хозяйствами для хранения и переработки жидкого неразделнного навоза. В этом случае преимущество плночных лагун заключается в меньшей стоимости, быстроте возведения, экологической безопасности.
В связи с этим применение перемешивающего устройства, обеспечивающего гомогенизацию жидкого навоза и полное опорожнение лагуны для максимального использования полезного объма навозохранилища при минимизации ручного труда оператора, связанного с обслуживанием устройства, является актуальной задачей.
Цель исследований – разработка перемешивающего устройства для гомогенизации жидкого свиного навоза, обеспечивающего эффективное функционирование и экологическую безопасность плночного навозохранилища в течение длительного срока эксплуатации при максимальном сохранении полезного объма.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:
1. Разработать принципиальную конструкцию перемешивающего устройства, обеспечивающего гомогенизацию жидкого навоза для предотвращения заиливания и обеспечения максимального опорожнения навозохранилища в процессе его функционирования.
-
Построить математическую модель зависимости эксплуатационных параметров перемешивающего устройства от физических и реологических свойств донного осадка.
-
Исследовать физические и реологические параметры донного осадка.
-
Разработать лабораторную установку и провести на ней экспериментальные исследования по определению оптимального значения подачи, обеспечивающей минимальный остаточный слой донного осадка.
-
Разработать методику инженерного расчта технологических и конструкционных параметров перемешивающего устройства.
-
Определить технико – экономическую эффективность предложенного перемешивающего устройства.
Научная новизна диссертационной работы состоит в теоретическом обосновании и экспериментальном определении параметров полуограниченной струи для обеспечения перемешивания донного осадка вязкой жидкости.
В частности:
разработана математическая модель движения донного осадка под воздействием полуограниченной струи, истекающей из плоского отверстия, учитывающая физические и реологические свойства осадка, длину перемешивания;
теоретически обоснованы конструктивные особенности оригинального перемешивающего устройства, позволяющие преобразовать вращательно – поступательное движение жидкости в поступательное для непосредственного воздействия на донный осадок по всему периметру с сокращением длины перемешивания;
предложена методика определения скорости потока струи жидкости, необходимой для перемешивания донного осадка вязкой жидкости.
Теоретическая и практическая значимость. Дано теоретическое обоснование достаточной кинетической энергии полуограниченной струи жидкости для обеспечения гомогенизации жидкого неразделнного навоза в плночном навозохранилище. Производству рекомендовано наиболее экономически эффективное перемешивающее устройство, обеспечивающее сохранение максимального полезного объма навозохранилища на всм сроке эксплуатации. Разработана методика инженерного расчта, которая может быть использована в проектных организациях и научных учреждениях при проектировании новых и реконструкции используемых плночных навозохранилищ для хранения жидкого неразделнного свиного навоза.
Методы исследований. Достижение поставленной цели и задач предусматривало проведение теоретических и экспериментальных исследований.
Теоретические исследования предусматривали получение зависимостей для определения кинематических характеристик истечения полуограниченной струи, воздействующей на донный осадок; вывода основных уравнений, лежащих в основе гидравлических расчтов процесса перемешивания; получения математических зависимостей для определения эксплуатационных характеристик перемешивающего устройства. В основу экспериментальных исследований положена математическая модель течения полуограниченной струи, которая была применена при создании лабораторной установки, изготовленной для подтверждения теоретических обоснований эксперимента.
Основные положения, выносимые на защиту:
теоретическое обоснование модели движения донного осадка под воздействием полуограниченной струи, истекающей из плоского отверстия;
конструктивно – технологическая схема перемешивающего устройства (патент №127574);
результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса перемешивания донного осадка жидкого неразделнного навоза;
методика инженерного расчта перемешивающего устройства;
- технико – экономическое обоснование эффективности применения
предлагаемого перемешивающего устройства.
Реализация результатов исследований. Управлением Росприроднадзо-ра по Псковской области были направлены предложения по внедрению перемешивающего устройства в свиноводческие предприятия Псковской области (ООО «ПсковАгроИнвест», ООО «Великолукский свиноводческий комплекс», ООО «ВСГЦ»). Некоторые результаты и методики диссертационной работы были внедрены в учебный процесс Псковского государственного университета. От ООО «ПсковАгроИнвест» было получено подтверждение об использовании результатов диссертационной работы при планируемом возведении новых пл-ночных навозохранилищ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы рассмотрены на научно – практических конференциях профессорско – преподавательского состава и аспирантов, проходивших в Пензенской Государственной сельхозакадемии в 2014 году, в Белорусском Государственном агротехническом университете в 2014 году, в ФГБНУ ИАЭП (г. Санкт – Петербург) в 2017 году.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент на полезную модель.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из пяти глав, общих выводов, списка литературы из 102 наименований и 4 приложений. Текстовая часть работы содержит 204 страницы машинописного текста, 32 таблицы и 70 рисунков.
Обзор применяемых перемешиваюших устройств
Обеспечение полноты очистки лагуны от донного осадка жидкого неразделённого навоза, образующегося в результате расслаивания, достигается его гомогенизацией, то есть перемешиванием. Перемешивание является неотъемлимым элементом технологии утилизации жидкого навоза. При отсутствии перемешивания плёночное навозохранилище заилится за 2 – 3 сезона и придёт в негодность [68]. Плёночный навозокопитель уже нельзя будет очистить механически.
Для предотвращения заиливания навозонакопителя применяют мешалки, гомогенизирующие навоз. Классифицировать применяемые мешалки можно по следующему ряду признаков (рис. 1.5) [45, с. 61 – 76]:
- по способу перемешивания (гидравлический, пневматический, механиче ский или комбинированный);
- по типу установки (стационарные погружные или мобильные);
- по типу привода (с электроприводом или с приводом от ВОМ трактора).
Пневматический способ применяется достаточно редко, так как эффективность его невелика, объём навозонакопителя не превышает в среднем 250 м3, к тому же для организации такого способа перемешивания необходимо компрессорное оборудование. При перемешивании жидкого навоза с помощью сжатого воздуха применяют специальное устройство – барботер или центральная циркуляционная труба. Барботер представляет собой размещённые по дну навозонако-пителя трубы с отверстиями, с помощью которых реализуется барботаж сжатого воздуха через донный слой жидкого навоза. Потребление энергии при пневматическом способе перемешивания жидкого навоза значительно превышает потребление энергии при механическом способе перемешивания такого же объёма жидкости, насыщение навоза кислородом ведёт к снижению уровня азота и большему выделению метана. Пневматический способ может применяться при значительной вязкости жидкого навоза, когда перемешивание с помощью механических мешалок неэффективно.
Пневматическое перемешивание получило широкое распространение для переработки навоза в метантенках с целью получения дополнительных сырьевых и энергетических ресурсов и отражено в работах Б. Эдер и Х. Шульца, Ю. Н. Си-дыганова, Д. Ю. Суслова, Д. В. Костромина [5], [46], [74], [79].
Основным недостатком пневматического способа перемешивания являются высокие эксплуатационные затраты, возможность засорения отверстий циркуляционной трубы, так как она размещена в донном осадке жидкого навоза [45, с.75].
К механическим мешалкам можно отнести целый ряд мешалок, рабочими элементами которых являются прямоугольные пластины (лопасти), рамы или решётки, шнек, винт (пропеллер). Наибольшее распространение получило перемешивание с помощью пропеллерных мешалок, анализ работы которых подробно рассматривался Рональдом Витманом, Эндрю Маком [98], [102].
Наибольшее распространение для перемешивания жидкого неразделённого навоза в лагунах получили миксеры погружные с электроприводом и миксеры с приводом от вала отбора мощности (ВОМ) трактора [64]. Миксеры от ВОМ трактора (рис. 1.6) предусматривают свободный подъезд техники по периметру навозохранилища и предназначены для перемешивания жидкого неразделённого навоза в открытых лагунах. Основным недостатком такого способа являются значительные энергозатраты, связанные с определённой периодичностью работ по перемешиванию донного осадка. Для свободного подъезда трактора по всему периметру края лагуны должны быть хорошо укреплены, чтобы исключить обрушение, а подъезд – забетонирован. К тому же, если перемешивание предполагается осуществлять с помощью мобильного миксера, лагуну выполняют заглублённой, то грунтовые воды должны располагаться достаточно низко. Миксер пропеллерного типа должен быть установлен в позицию, исключающую соприкосновение лопастей с профильтрационным покрытием лагуны.
Погружные миксеры (мешалки) устанавливают стационарно с возможностью перемещения по высоте и поворота для направления потока вихревой струи по периметру навозохранилища (рис. 1.7). Миксер 1 крепится к кронштейну 2, который имеет возможность скользить по направляющей стойке 3. Перемещение вдоль стойки кронштейна с миксером осуществляется с помощью кран – лебёдки 4. Поворот миксера для воздействия вихревого потока по периметру навозохранилища осуществляется за счёт поворота стойки с помощью рукоятки кран – лебёдки. Обслуживающая площадка 5 необходима для выполнения рабочим действий, направленных на поворот миксера, перемещение его по высоте, а также для технического обслуживания миксера и его замены в случае выхода рабочих элементов миксера из строя.
В настоящее время погружные стационарные мешалки производят такие компании, как CRI - MAN (Италия) [36], Amamix direct (Германия) [39], Grundfos (Дания) [38], EYS (Турция) [40], Faggiolati (Италия) [65].
В паспортных данных любой стационарно установленной погружной мешалки (миксера) указывают минимальную высоту hmin от оси пропеллера до дна навозохранилища для обеспечения зазора между вершинами лопастей и плоскостью дна лагуны, которая равна
Учитывая, что диаметр пропеллера имеет значительный размер, перемешивание в навозохранилище будет возможно только после того, как уровень жидкого навоза поднимется на высоту hmin + 0,5/)пр. Например, для мешалки серии ТВМ 5,5/4 мощностью 5,5 кВт диаметр пропеллера составляет 535 мм [36]. Работа миксера будет осуществляться при поднятии уровня жидкого навоза на высоту примерно 570 мм. До этой высоты перемешивание не происходит, что вызовет увеличение таких параметров, как плотность и вязкость, влияющих на процесс перемешивания.
Гидравлический способ перемешивания заключается в заборе жидкости с нижнего слоя и его подачу под напором в средний или в верхний слой. Рабочими элементами таких механизмов является центробежный или осевой гидродинамический насос. Ведущей в разработке оборудования для гидравлического перемешивания жидкого навоза является шведская компания «DeLaval», основанная в 1883 году [67].
Для перемешивания жидкого неразделённого навоза в открытых лагунах большого объёма используют мобильную лагунную помпу (рис. 1.8). Помпа имеет привод от ВОМ трактора и обеспечивает перемешивание жидкого навоза в лагуне, а также может обеспечивать откачку навоза в шланговую систему или в ёмкости мобильной сельхозтехники при дополнительном оснащении. Рабочим органом лагунной помпы является гидродинамический насос 3, который развивает напор и подаёт жидкость через сопло 5. Жидкий навоз, подаваемый через верхнее сопло, разбивает верхнюю корку. Жидкий навоз, подаваемый через нижнее сопло, обеспечивает перемешивание донного осадка и циркуляцию навоза в лагуне. В зависимости от модели и состояния навоза выброс струи может достигать 40 м. Лагунные помпы значительно дороже мобильных мешалок с приводом от ВОМ трактора.
Миксер с приводом от ВОМ и лагунная помпа агрегатируются с трактором мощностью не менее 160 л. с. Работа устройств осуществляется от ВОМ трактора с оборотами, зависящими от конструктивных параметров коробки отбора мощности трактора (как правило, 540 или 1000 об/мин) [68].
Представим анализ устройств для перемешивания жидкого неразделённого навоза в плёночных навозохранилищах (лагунах), получивших в настоящее время наибольшее распространение, в виде таблицы 1.2.
Определение кинематических характеристик потока
Для определения кинематических характеристик составим уравнение количества движения применительно к контуру OO N N (рис. 2.2):
й02Р отв " pSXQuxmaxyx(fQux(y)dy)dx = pfj?U x2(y)dy, (2.29)
где йх(у) - функция распределения местных осреднённых скоростей пограничного слоя на основном участке полуограниченной струи по оси у;
й х(у) - функция распределения местных осреднённых скоростей свободной части на основном участке полуограниченной струи по оси у;
йор/іотв - количество движения материальных точек на выходе из сечения 00 ;
9 uxmax x[rQux{y)dy)dx - количество движения материальных точек жидкости, поступающих через сечение ON;
р/„ u x(y)dy - количество движения материальных точек на выходе из сечения N N.
Функции распределения местных осреднённых скоростей пограничного слоя и свободной части на основном участке полуограниченной струи согласно теории турбулентных струй Абрамовича [1, с. 519]:
- пограничного слоя = ( у; (2.30)
- свободной части = 1 - (тЕ?Г при у S. (2.31)
Для дальнейших рассуждений необходимо установить соотношение толщины пограничного слоя S и высоты плоской струи по сечению Ъ (рис. 2.2). Соотношение "Д определим опытным путём. Для этого создадим плоскую полуограниченную струю подкрашенной жидкости с помощью установки, изображённой на рис. 2.6.
Установка работает следующим образом. Насос 1 по трубопроводу 2 подаёт подкрашенную жидкость из ёмкости 7 в прямоугольное сопло 4, откуда жидкость поступает в стеклянный бассейн 5 с параллельными стенками. С помощью крана 3 и крана 6 регулируется скорость жидкости, поступающей от насоса через сопло в бассейн. Для подкрашивания жидкости использовалась водная морилка (бейц) на торфяной основе, позволяющая подкрашивать жидкость без образования разнородных частиц.
В ходе проведения эксперимента при различных скоростях потока жидкости наблюдалась примерно одинаковая картина распространения полуограниченной струи, позволяющая определить соотношение Так как поток жидкости, протекающий в полуограниченной струе, не имеет ограничивающих поверхностей, и через верхнюю границу происходит постоянное проникновение частиц жидкости, речь может идти только о секундном (мгновенном) расходе. Мгновенный расход струи QCтр будет равен сумме мгновенного расхода Qnc жидкости, протекающей через живое сечение пограничного слоя, и мгновенного расхода QCB, протекающего через живое сечение свободной части струи
Уравнение (2.46) позволяет определить значение средней скорости потока на любом расстоянии х в зависимости от значения скорости йх тах. Расстояние (или координата) х - это длина линии перемешивания 1Х. Профиль местных осреднённых скоростей в поперечном сечении начального участка будем считать таким же, как и в пограничном слое струи, поэтому среднюю скорость на выходе перемешивающего устройства определим как
В силу неразрывности потока средняя скорость V0 равна средней скорости Voc, создаваемой пропеллером мешалки (V0 = Voc).
Программа и методика лабораторных исследований работы перемешивающего устройства в плёночном навозохранилище
Для повышения эффективности гомогенизации плёночного навозохранилища при хранении и переработке свиного бесподстилочного неразделённого навоза нами предложена запатентованная конструкция перемешивающего устройства. В соответствии с поставленными задачами необходимо выполнить следующие действия:
- разработать экспериментальную физическую модель перемешивающего устройства;
- разработать экспериментальную физическую модель лагуны;
- определить влияние геометрических и кинематических параметров перемешивающего устройства на степень перемешивания донного осадка.
Параметром оптимизации эффективности гомогенизации жидкого навоза примем среднюю высоту остаточного слоя донного осадка физической модели навозохранилища после её опорожнения В результате исследований предполагалось определить функциональность параметров перемешивающего устройства, влияющих на степень гомогенизации навозонакопителя. В частности, предполагалось подтвердить правильность теоретических выводов.
Особенности предложенного перемешиваемого устройства следующие:
- устройство не работает до тех пор, пока уровень жидкости в лагуне не достигнет высоты устройства. Значит, чем меньше высота устройства (параметр R, рис. 2.8), тем меньше будут значения плотности и вязкости;
- диаметр кольцевого насадка dHC по сечению 1 - 1 (рис. 2.8, рис. 2.9) зависит от внешнего диаметра пропеллера, который в свою очередь зависит от подачи и мощности миксера, выбираемого из стандартного ряда фирмы - производителя;
- площадь входного отверстия по сечению 1 - 1 и сумма площадей плоских отверстий по сечению 2 - 2 (рис. 2.9) равны между собой;
- сегмент входного отверстия (1/8 от всей площади) и плоский сегмент сечения 2 - 2 площадью 50ТВ = b0TBh0TB также равны между собой (рис. 2.10).
Факторы, подлежащие определению или подтверждению, следующие:
- физические и реологические параметры донного осадка (плотность р, коэффициент динамической вязкости л, начальное напряжение сдвига т0) в зависимости от высоты наполнения лагуны;
- высота донного осадка hoc в лагуне при достижении уровнем жидкости высоты перемешивающего устройства;
- необходимые мощность двигателя Ыдв и подача Q согласно полученным формулам (2.54) и (2.60).
В качестве изменяемого параметра была выбрана подача мешалки Q (Q = V0S2, где 52 - площадь сечения 2 - 2, рис. 2.8, рис. 2.9), различные численные значения которой должны привести к изменению значений высоты h0 остаточного слоя донного осадка, и высота донного осадка hoc. Варьирование временем перемешивания tn в ходе эксперимента не предусматривалось, так как в случае недостаточной кинетической энергии полуограниченной затопленной струи время подачи жидкости из перемешивающего устройства, превышающее расчётное, не обеспечит выполнение поставленной задачи, при которой h0 - 0.
Изменяемый параметр Q определяем по формуле (2.60). Теоретически подача Q, определённая по предложенной формуле, должна соответствовать подаче миксера, выбираемого из каталога фирмы - производителя в соответствии со значением мощности, определяемой по формуле (2.54). Возможное несоответствие подач можно объяснить визуальным с определённой долей погрешности соотношением /h (рис. 2.7), зависимостью подачи от геометрии лопастей пропеллера миксера, от скольжения пропеллера относительно геометрического шага, значением коэффициента сопротивления диффузора отличным от единицы. При ожидаемом несоответствии диапазон изменения подачи будет равен (Q_ ...Q+), где (QJ) - минимальное значение подачи, (Q+) - её максимальное значение.
Время tn, необходимое для перемешивания, определим на основе следующих рассуждений. Определение необходимой скорости движения жидкости для создания направленного движения частиц донного осадка основывалось на обосновании движения выделенного элемента придонного слоя, в котором значения местных скоростей наиболее близки к средней скорости. Будем считать, что перемешивание донного осадка обеспечивается при его высоте, равной высоте придонного слоя 8. То есть гомогенизация всего объёма жидкости, находящейся в навозонакопителе, будет обеспечена при прохождении всего объёма жидкости через перемешивающее устройство. В общем случае время перемешивания определим по формуле
Площадью основания перемешивающего устройства пренебрежём (она входит в состав как числителя формулы 3.6, так и знаменателя).
Определим интеграл, входящий в формулу (3.6). Для этого подставим в формулу (2.26) выражение для определения йхтах (2.28).
Изменение высоты донного осадка hос будет соответствовать высотам жидкости в лагуне при её минимальном заполнении до высоты перемешивающего устройства. Предполагаемая максимальная высота устройства - не более 1,5 м. Диапазон изменения высоты донного осадка будет равен (h1,5 ...hny), где h1,5 -высота донного осадка при достижении высоты жидкого навоза в навозохранилище 1,5 м, hny - высота донного осадка при достижении высоты жидкого навоза перемешивающего устройства.
Результаты экспериментальных исследований перемешивания донного осадка на лабораторной установке исследования работы перемешивающего устройства
Для проведения эксперимента выбрали донный осадок, образующийся при расслоении жидкого навоза с исходной влажностью н = 92 % (таб. 4.1). Значения переменных величин (факторов) для проведения эксперимента в масштабе построения физической модели 1:10 свели в таб. 4.5.
Примечания:
- коэффициент высоты донного осадка определяли по формуле (3.26) в соответствии с данными таб. 4.1;
- время перемешивания пм определяли в соответствии с данными таб. 3.8 по формуле (3.27).
Результаты по определению остаточного слоя донного осадка после опорожнения модели секции лагуны, полученные в ходе эксперимента, представлены в приложении 1.
На рис. 4.6 изображено проведение эксперимента при высоте h0CM = 62 мм и подаче 2,16 х 10-4 м3/с (опыт № 11). На фото хорошо видно, что кинетической энергии струи не хватает для перемешивания по всей необходимой площади дна.
На рис. 4.7 показан остаточный слой донного осадка после опорожнения секции модели лагуны при высоте h0CM = 62 мм и подаче 2,64 х 10-4 м3/с (опыт № 9).
Определим среднюю высоту остаточного слоя донного осадка /г0ср физической модели навозохранилища после её опорожнения в соответствии с (3.4) по линиям 1 - 5, 6 - 10, 11 - 15, 16 - 20 и 21 - 23 (рис. 3.14), используя данные таблицы приложения 1. Результаты занесём в таб. 4.6.
Величина h0CM в зависимости от изменения подачи представлена в приложении 2.
Для установления статистической связи между изменяемыми параметрами (высотой донного осадка h0CM и значением подачи QM) и выходным параметром (высотой остаточного слоя h0 донного осадка) используем регрессивный анализ, который позволяет получить такие оценки параметров, при которых сумма квадратов отклонений фактических значений результативного признака у от теоретических ух минимальна: (у — Ух)2 т -п .
Данному условию удовлетворяет нелинейная форма уравнения
Необходимо отметить, что уравнение регрессии в виде, представленном на рис. 4.8, отражает ситуацию при конкретных значениях высоты донного осадка hoc и расстояния перемешивания х.
По результатам эксперимента можно сделать следующие выводы:
- перемешивание при подаче QM(-io%) и QM.O не осуществлялось на всём протяжении линии перемешивания;
- образование вихревых зон в угловой части секции модели лагуны способствует образованию остаточного неперемешиваемого слоя донного осадка;
- пропеллерная мешалка ТВМ 3/4 была выбрана в соответствии с необходимой мощностью двигателя мешалки при перемешивании донного осадка по формуле (3.18), причём было выбрана мешалка с несколько меньшей мощностью, чем требовалось по расчётной формуле. К тому же численный коэффициент 3,59 в формуле (2.47) для дальнейшего расчёта необходимой мощности Nm был определён с учётом соотношения толщин полуограниченной струи « 0,28 (рис. 2.7).
Значение соотношения 0,28 было определено визуально, коэффициент сопротивления диффузора раструба перемешивающего устройства был принят равным единице ( = 1). Так как перемешивание в ходе эксперимента обеспечивалось при подаче 2м(+ю%), коэффициент 3.59 подлежит корректировке.
Поскольку главным параметром является кинетическая энергия струи (средняя скорость на выходе перемешивающего устройства V0), подбор мешалки логично определять по значению подачи (производительность мешалки QM). Так как в ходе эксперимента было получено значение оптимума подачи QM (4.5), это значение примем за расчётное:
- скорость истечения жидкости из отверстия секции модели перемешивающего устройства VMM = t%- = 0,992 м/с;
- скорость истечения из отверстия натурного перемешивающего устройства в соответствии с (2.80) VH = VMM X М 5 = 3,14 м/с;
- численный коэффициент 3.59 в формуле (2.47) примем за Кх.
Откуда при числовых значениях т0 = 5,7 Па, р = 1032 кг/м3,1Х = 4,166 м, h0TB = 0,031 м коэффициент Кх = 3,645.
Тогда значение необходимой подачи мешалки с учётом её рассчитанных геометрических параметров будет равно:
QM = VHS2 = VHX Sb0TBh0TB = 0,4236 м3/с.
При выборе мешалок из каталога насосного и перемешивающего оборудования CRI - MAN [36] необходимая мешалка с ближайшим бльшим значением производительности - ТВМ 4/4, подача QM = 0,550 м3/с, Ыдв = 4 кВт.