Повышение эффективности вертикальных компостирующих установок путем разработки устройства снижения уплотнения

Практическая реализация научной концепции использования органического сырья основана на том, что в нем содержится большое количество ценных питательных веществ в виде азота, фосфора, калия, белка, жира, углеводов и других соединений. Поэтому все исследования, направленные на их эффективное повторное использование в качестве удобрений, позволят создать безотходные ресурсосберегающие технологии в АПК и, соответственно, обеспечить дополнительную поставку продовольствия населению РФ [1, 2, 3, 4].

Внесение органических удобрений, произведенных традиционным способом компостирования в буртах на открытых площадках, нецелесообразно из-за потери питательных веществ и наличия личинок гельминтов и семян сорных растений, что в совокупности сводит к нулю положительный эффект их использования [4].

В настоящее время все большее распространение получают способы компостирования в камерных установках, которые имеют теплоизолированный корпус, благодаря чему, за счет лучшего сохранения тепла биотермической реакции (65.85°С), обеспечивается стерилизация конечного продукта. Данные способы позволяют получать органическое удобрение высокого качества в более сжатые сроки. Сокращение времени созревания компоста обеспечивается созданием оптимальных условий для протекания биотермического процесса, одним из которых является активная аэрация компостируемой массы. Эффективность аэрации, в основном, зависит от пористости материала. Поддержание пористости по всей высоте установки достигается различными способами: перемешиванием в медленно вращающихся установках барабанного типа, пересыпанием с этажа на этаж в установках вертикального типа и т. п. Эти операции значительно повышают энергоемкость процесса компостирования. Помимо этого, производительность установок поточно-непрерывного типа в значительной мере сдерживается их объемом, так как увеличение их поперечных размеров неизбежно приводит к значительному увеличению себестоимости конечного продукта.

В связи с этим, задача, заключающаяся в снижении удельных энергозатрат на производство органических удобрений за счет увеличения вертикальных размеров установки, без ухудшения аэрационного режима, является актуальной.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований «Разработать высокопроизводительную технику нового поколения для производства конкурентоспособной продукции животноводства и птицеводства, производства комбикормов в хозяйствах, уборки, переработки навоза и подготовки высококачественных органических удобрений» на 2006;2010 гг.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Повышение эффективности установки для компостирования путем разработки устройства снижения уплотнения. v>

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИИ. Технологический процесс перемещения компостируемого материала в корпусе установки вертикального типа.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИИ. Закономерность взаимодействия рабочих органов устройства снижения уплотнения с материалом в процессе его компостирования в установке вертикального типа.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ. Теоретические исследования базируются на теории сводообразования, рубящего и скользящего резания. Физико-механические свойства определяли в соответствии с действующими ГОСТ, ОСТ и частными методиками. Результаты теоретических исследований подтверждали экспериментальной проверкой на лабораторных и опытно-производственных установках. Адекватность теоретических положений проверяли по критериям согласия К. Пирсона и Р. Фишера.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Научную новизну составляют: закономерность изменения степени уплотнения материала от его слоя и времени слеживаниятеоретическая зависимость конструктивных параметров устройства снижения уплотнения от физико-механических свойств компостируемого материала;

— аналитическая модель взаимодействия рабочего органа устройства с компостируемым материалом в процессе его перемещения в установке.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается в разработке конструкции и обосновании оптимальных параметров устройства снижения уплотнения компостируемого материала, позволяющих повысить эффективность установки вертикального типа за счет увеличения высоты при сохранении пористости, что ведет к увеличению производительности и снижению удельных энергозатрат.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Разработанное устройство снижения уплотнения компостируемого материала в установке вертикального типа прошло опытно-производственную проверку при переработке соломонавозной смеси на ферме КРС ФГУП учхоз-племзавод «Комсомолец» ФГОУ ВПО Мичуринский ГАУ (Приложение К).

Предложенная конструкция разработанного устройства снижения уплотнения принята к внедрению в НТЦ «Агроферммашпроект» ГНУ ГОСНИТИ (Приложение М) и научно-производственной фирме ООО «Мичуринское плодородие» (Приложение Л) с целью повышения эффективности работы установок ускоренного компостирования.

Методические материалы по определению конструктивных параметров устройства снижения уплотнения компостируемого материала используются в учебном процессе Тамбовского ГТУ (Приложение Н) и Мичуринского ГАУ.

АПРОБАЦИЯ. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены: на Всероссийском конкурсе среди учащейся молодежи высших учебных заведений РФ ФГОУ ВПО Саратовский ГАУ (г. Саратов, 2004 г.) — на международной науч.-практич. конференции, посвященной 75-летию со дня рождения профессора В. Г. Кобы ФГОУ ВПО Саратовский ГАУ (г. Саратов, 2006 г.) — на международной науч.-практич. конференции «Современные проблемы технологий производства, хранения, переработки и экспертизы качества с/х продукции» ФГОУ ВПО Мичуринский ГАУ (г. Мичуринск, 2007 г.) — на международной науч.-практич. конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве — машинно-технологическая модернизация отрасли» ГНУ ВНИИМЖ (г. Подольск, 2007 г.) — на международной науч.-практич. конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве — ресурсосбережение на основе создания и применения инновационных технологий и техники» ГНУ ВНИИМЖ (г. Подольск, 2008 г.) — на всероссийском конкурсе на лучшую работу среди аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства Российской Федерации ФГОУ ВПО РГСХА (г. Рязань, 2008 г.).

Результаты научной работы использовались при создании оборудования технологической линии для производства высококачественного экологически безопасного органического удобрения, продукция которой отмечена золотой медалью на 3-й Всероссийской выставке «День садовода-2008» (Приложение П).

ПУБЛИКАЦИИ. Материалы диссертации отражены в 15 печатных работах, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Общий объем публикаций составляет 7,8 п.л., из которых 2,4 п.л. принадлежат лично соискателю. Техническая новизна работы подтверждена наличием 1 патента РФ на изобретение и 2 патентов РФ на полезную модель.

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА.

1.1 Роль навоза в повышении плодородия почв и улучшения экологической среды.

Господствовавшая в последнее время в нашей стране концепция интенсификации сельскохозяйственного производства, в практической ее реализации, слабо учитывала комплекс экологических проблем, возникших в результате резкого возрастания антропогенных нагрузок на природную среду. Начиная с 60-х годов прошлого столетия, земледелие в нашей стране развивалось за счет непрерывного наращивания средств химизации [5]. Огромные, зачастую неконтролируемые дозы минеральных удобрений и ядохимикатов в растениеводстве, позволившие на начальном этапе значительно повысить урожайность сельскохозяйственных культур, долгое время не изучались как антропогенный фактор воздействия на природу [6, 7]. Однако давно известно, что любые антропогенные воздействия на экосистемы неизбежно приводят к нарушению естественного биологического круговорота веществ в природе, и иногда такие нарушения могут стать необратимыми. К результатам такого вмешательства в естественные процессы круговорота веществ в природе можно отнести деградированние и разрушение структуры почвы, ее заражение в крайне опасных дозах нитратами, ядохимикатами и другими веществами, делающими непригодными для здорового питания выращиваемую продукцию [8].

За последние 20 лет площадь деградированных земель в России увеличилась в 1,6 раза, запасы гумуса уменьшились на 30−50%, а 88% пашни имеют содержание гумуса ниже оптимального, ежегодно его теряется более.

84 млн. т. Пахотных земель, отвечающих международным стандартам, у нас осталось около 8% [3, 5].

Проблема создания положительного баланса гумуса в почве — одна из наиболее актуальных в земледелии нашей страны. Только при оптимальном гумусовом состоянии почв возможна реализация интенсификации земледелия и получение высокого эффекта от внедрения новых высокоурожайных сортов и высокопродуктивных сельскохозяйственных культур. Высокое содержание гумуса в почве снижает поступление токсических веществ в сельскохозяйственные растения. Благодаря его высокой емкости поглощения, токсические вещества связываются и длительное время удерживаются в почве, не поступая в растения [1, 9, 10, 11].

Другой нерешенной проблемой сельского хозяйства является утилизация сельскохозяйственных отходов. Основным загрязняющим фактором признано считать органические отходы животноводческих ферм и птицефабрик. Увеличение количества крупных хозяйств с поголовьем в несколько тысяч голов, привело к значительной концентрации объемов органических отходов. Отходы животноводческих предприятий обладают высокой биологической активностью, содержат большое количество патогенных микроорганизмов и семян сорных растений, приводящих к возникновению серьезных проблем экологического характера [1,4, 14].

Практическая реализация научной концепции использования данного органического сырья основана на том, что в нем содержится большое количество ценных питательных веществ в виде азота, фосфора, калия, белка, жира, углеводов и других соединений. Поэтому все исследования, направленные на их эффективное повторное использование в качестве удобрений, позволят создать безотходные ресурсосберегающие технологии в АПК и, соответственно, обеспечить дополнительную поставку продовольствия населению РФ [4, 12, 13, 16, 24].

В настоящее время существует множество технологий и технических средств, реализующих переработку органических отходов. Производственная проблема заключается в ограниченности объемов перерабатывающих установок, а так же относительно высокой себестоимости конечного продукта, что делает не выгодным его использование в условиях сельскохозяйственного производства.

В связи с разнообразием территориальных, климатических, почвенных и других специфических условий и особенностей строительства животноводческих комплексов в России, проблема утилизации органических отходов в настоящее время до конца не решена. Сложность реализации инженерно-технических проблем утилизации сельскохозяйственных отходов и повышения плодородия почв выдвинули задачу создания эффективного способа переработки, способного удовлетворить потребности агропромышленного комплекса.

1.2 Анализ технологий и технических средств ускоренного компостирования.

В настоящее время одной из основных технологий биоконверсии сельскохозяйственных отходов является метановое сбраживание (анаэробное компостирование), при котором разложение органического субстрата происходит в закрытых емкостях без доступа кислорода, основным конечным продуктом является метан. Данный способ рекомендуется применять при переработке органических отходов высокой влажности (не менее 92%) [1, 4, 17, 18, 19]. По окончании процесса брожения остаток выносится на поля в качестве жидкого органического удобрения. Органические удобрения, полученные таким способом, обеззараживаются не полностью, имеют низкие питательные свойства. Основным недостатком данного способа является то, что процесс анаэробного сбраживания происходит при температуре минимум +33°С, т. е. необходимо постоянно поддерживать температуру смеси за счет внешнего источника тепла. Как правило, для этого используют теплоту сгорания полученных в результате брожения газов. Другим недостатком анаэробного разложения является высокая стоимость капитальных вложений при строительстве установок [1]. Совокупность недостатков данного способа переработки делает не выгодным его использование в природно-климатических условиях нашей страны, поэтому все больше в настоящее время предпочтение отдается аэробным способам компостирования.

Компостирование — это экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности [15]. Органическим субстратом служат отходы животноводческих ферм и птицеводческих фабрик (навоз, помет), растительные остатки сельскохозяйственных и пищевых перерабатывающих предприятий (солома, опилки, жом, жмых и т. д.) [22]. В процессе биодеградации органический субстрат претерпевает физические и химические превращения с образованием стабильного гумифицированного конечного продукта — компоста. Этот продукт представляет ценность для сельского хозяйства как органическое удобрение и как средство, улучшающее структуру почвы [4, 6, 7, 14, 23].

Способ аэробного компостирования в буртах на открытых площадках (рисунок 1.1) получил широкое распространение благодаря низкой трудоемкости и высокой производительности процесса. Данный способ реализуется технологией компостирования в валках и статичных буртах [4, 20,21,23,25,26, 27].

Компостирование без усиленной принудительной аэрации является аэробно-анаэробным процессом, поскольку в слое материала на глубине более 15 см недостаток кислорода лимитируется скоростью аэробного процесса, а в глубинных слоях идут анаэробные процессы. Для активной аэрации по всей глубине слоя при компостировании в валках используют мобильные агрегаты, которые перемешивают материал, обогащая его атмосферным кислородом. Периодичность ворошения зависит от степени разложения субстрата и его влажности [28, 29, 30, 31, 42]. Активная аэрация при компостировании в статичном бурте достигается путем укладки в его основание перфорированной трубы по всей длине. Труба подсоединяется к напорному вентилятору, а режим его работы определяется готовностью компоста [25].

Ускоренное компостиробанио органического сырья.

—-L—.

I по способу | б траншеях по принципу дейстдия цикличЕСкаго.

3 |.

1 1 L модульного 1 поточно-НЕпрерыЬного по mujyjcjnoHodKu }.

Вертикального барабанного.

Рисунок 1.1 — Схема классификации способов аэробного компостирования.

К недостаткам компостирования в буртах можно отнести: — потребность в больших площадяхзависимость от погодных условийконечный продукт — низкого качества, так как в нем после переработки сохраняется большое количество всхожих семян сорных растений и патогенная микрофлоранизкую концентрацию питательных веществ в компостной массе, что снижает ее ценность как удобрение, повышая тем самым транспортные расходы при его внесенииналичие резкого неприятного запахапри ненадлежащем улавливании стоков высока вероятность загрязнения грунтовых вод.

Поэтому компостирование в буртах на открытых площадках является малопригодными для производства органических удобрений.

Аэрацию при компостировании в траншеях проводят при помощи специальных агрегатов, которые движутся над траншеей по специальным направляющим, вороша материал таким образом, что он постепенно передвигается от одного края траншеи, где производится загрузка свежего сырья, к другому, где отбирается готовый продукт [32, 33]. Боковые стенки траншеи позволяют сохранять тепло биотермической реакции, благодаря чему биотермический процесс идет более интенсивно, но, вместе с тем, ухудшают условия пассивной аэрации, когда воздух проникает в материал за счет конвекции, как это происходит при компостировании в буртах на открытых площадках. Это увеличивает периодичность ворошения, следствием чего является высокая энергоемкость процесса. К недостаткам данного способа можно так же отнести высокие капительные вложения при строительстве траншей и относительно низкую производительность. В совокупности, недостатки компостирования в траншеях делают его использование не выгодным в условиях сельскохозяйственного производства.

В настоящее время предпочтение отдается способу компостирования в камерных установках, при котором сокращается время компостирования и обеспечивается полное обеззараживание компостируемой смеси [4, 21, 34, 35, 36, 37]. В результате чего получается конечный продукт более высокого качества, помимо этого, процесс компостирования происходит в закрытой емкости (цилиндрической или прямоугольной формы), что позволяет существенно снизить количество выбросов вредных веществ в атмосферу.

Наиболее распространенным камерным способом является компостирование в установке модульного типа (биоферментаторе) циклического действия (рисунок 1.2).

1 — ферментатор размером 5×10×4,5 м- 2 — ворота- 3 — компостная смесь- 4, 5.

— напорный и вытяжной вентиляторы- 6 — система напорных воздуховодов- 7.

— пульт управления- 8 — отверстия для замера температуры и содержания кислорода в смеси.

Рисунок ! .2 — Стационарный биоферментатор для приготовления компоста многоцелевого назначения ГНИУ ВНИИМЗ.

Данная установка разработана творческим коллективом ГНИУ ВНИИМЗ под руководством академика Россельхозакадемии Н. Г. Ковалева [4, 21, 38]. Установка модульного типа представляет собой закрытое помещение с системой аэрации, выполненной в виде перфорированных труб или решет [39]. Принципиально похожую схему имеет технология, разработанная компанией New England (рисунок 1.3) [40, 41]. Заполнение установки осуществляется при помощи фронтального погрузчика, прицепа навозоразбрасывателя или системы транспортеров (рисунок 1.4) [43], после чего материал компостируется в течение 8−12 суток, затем свежий компост полностью выгружают из помещения и закладывают новую партию. Недостатком данной технологии является цикличность, и, как следствие, длительность процесса компостирования. После загрузки необходимо некоторое время, за которое материал саморазогревается до «рабочей» температуры 50−60°С, обеспечивающей обеззараживание материала от личинок гельминтов и семян сорных растений. воздушная рециркуляционная петля, комьютёр-контроллер системы управления воздухо! поступление обогащенного воздуха-8ытяжн0й воздух к системе контроля" 4 бетонные тоннел.

АЭРДЦИОННЫЙ ПЛЕНУМ компостируемая смесь входная дверь.

Рисунок 1.3 — Установка модульного типа фирмы New England приемка транспортировка и подача сырья отгрузка трактором компрессор t D управление бункеры компостирования.

Рисунок 1.4 — Установка модульного типа фирмы Биокомплекс.

Более прогрессивной является технология, основанная на установках модульного типа поточно-непрерывного действия (рисунок 1.5) [44−49]. Порционная выгрузка свежего компоста осуществляется из донной части установки, при этом большая часть компостируемого материала остается внутри, благодаря чему загружаемый сверху свежий слой сырья подогревается уже разогретыми до «рабочей» температуры нижележащими слоями. Система аэрации располагается в нижней части модуля, благодаря чему горячий воздух движется снизу вверх, в противоток компостируемому материалу. Это позволяет снизить время компостирования до 7 суток [4, 32], при удельных энергозатратах 1,5−3 кВт-ч/т (УЭК-5) [4].

Рисунок 1.5 — Схема цеха компостирования на базе установок УЭК-5, разработанных НТЦ «Агроферммашпроект» ГНУ ГОСНИТИ.

Движение воздуха в материале обеспечивает поступление кислорода к микроорганизмам и отвод углекислого газа и других метаболитов, образующихся в процессе их жизнедеятельности. Основным недостатком компостирования в данных установках является то, что постепенное слеживание материала, значительно снижает его пористость, а следовательно, и эффективность аэрации.

Периодическое разрыхление компостируемого материала при пересыпании реализуется в технологии, включающей в себя установку барабанного типа (рисунок 1.6) [4, 32, 50−54]. Основным элементом данной технологии является вращающийся барабан с системой аэрации, распределенной по его цилиндрической поверхности. Данная технология так же является поточно-непрерывной, загрузка происходит с одного конца барабана, выгрузка — с другого. Снижение времени саморазогрева свежего сырья осуществляется за счет передачи ему тепла беотермической реакции при смешивании, во время вращения барабана. За счет периодического вращения барабана создается постоянная довольно высокая пористость компостируемого материала, что значительно повышает эффективность аэрации, а, следовательно, и интенсивность процесса разложения органического вещества. Время компостирования в установках барабанного типа составляет до 12-ти суток [4, 32, 50, 51].

Рисунок 1.6 — Установка барабанного типа поточно-непрерывного действия, разработанная ГНИУ СЗНИИМЭСХ.

Основным их недостатком является высокая металлоемкость конструкции и энергоемкость процесса, при относительно низкой производительности (удельные энергозатраты составляют до 3−4 кВт-ч/т).

Это объясняется тем, что до 25% мощности уходит на вращение корпуса установки.

Установки вертикального (или силосного) типа (рисунок 1.7) представляют собой закрытые емкости. Конструктивной особенностью данных установок является форма их корпуса, который разделен по вертикали на этажи, соответствующие отдельным стадиям процесса. ч ошхг 111.

D™ Q п>

CP гттт пш.

111 It j-i) i i).

Ш~П ^ тшз^.

Направление движения компостируемого материала. —- аэрирующего воздуха.

Рисунок 1.7 — Установка ускоренного компостирования Фертилья.

Подготовленная к компостированию смесь на верхнем этаже устройства попадает в условия, стимулирующие начало интенсивного процесса компостирования. На верхнем этаже компостируемый материал аэрируется воздухом, нагретым в нижележащих этажах. Возможность поэтажного регулирования влажностных, аэрационных, тепловых процессов и внесение на определенных этажах бактериальных заквасок, выгодно отличает этот метод от других. Пористость материала поддерживается постепенным его перемешиванием и пересыпанием с этажа на этаж в процессе компостирования. Данные установки имеют высокие удельные энергозатраты — до 4−6 кВт*ч/т (Фертилья Ирп-Томас), связанные с работой устройств поддерживающих пористость материала [55]. Срок компостирования в установках такого типа составляет не более 4.5 суток.

Основным недостатком таких установок является высокая энергоемкость процесса направленного на перемешивание компостируемого материала и пересыпание его с этажа на этаж.

Другим способом поддержания пористости по высоте установки вертикального типа является внесение в компостируемую массу специального разрыхлителя в виде крупных древесных отходов или синтетических материалов (например, резанных резиновых покрышек). Роль разрыхлителя в данном случая заключается в создании матрицы, своеобразного «скелета», опираясь на который компостируемый материал менее уплотняется [56]. Такой способ разрыхления в своих установках применяют компании The TEG Group pic (рисунок 1.8) и VCU Europe Ltd (рисунок 1.9) [57, 58]. a) 6) a) — технологическая схемаб) — общий вид цеха Рисунок 1.8 -Производство компоста с использованием вертикальных компостирующих установок (TEG Silo cage) компании The TEG Group pic.

Отличительной особенностью установок компании VCU Europe Ltd является применение пассивной аэрации, которая осуществляется за счет эффекта «дымохода». При площади основания установки около 2,5 м² и высоте около 5 м, за счет движения разогретого теплом биотермического процесса воздуха вверх создается тяга, благодаря которой засасывается свежий атмосферный воздух в нижнюю часть установки. В данном случае, помимо разрыхлителя, необходимым условием поддержания пористости на высоком уровне является контроль влажности исходного сырья, которая должна находиться в строгих пределах 50−60% [58]. а) б) а) — технологическая схемаб) — общий вид цеха.

Рисунок 1.9 — Производство компостов с использованием вертикальных компостирующих установок (VCU) фирмы VCU Europe Ltd Недостатком использования разрыхлителя является необходимость равномерного смешивания его с исходным сырьем и отделения его от готового компоста. Данные энергоемкие операции значительно повышают себестоимость конечного продукта [59].

В результате обзора технологий и технических средств, реализующих способ ускоренного аэробного компостирования органических отходов, установлено, что метод компостирования в буртах на открытых площадках не обеспечивает полного обеззараживания компостируемой смеси, поэтому не может быть использован в качестве самостоятельной технологии.

Преимуществом камерных установок, благодаря теплоизолированному корпусу, является гарантированное обеззараживание материала, но его основным недостатком является высокая энергоемкость процесса при малой производительности, которая ограничивается объемом установки. Поэтому полный цикл компостирования в камерной установке не является рациональным. Решением данной производственной задачи является использование технологии, которая включала бы в себя оба способа компостирования.

Процесс компостирования в естественных условиях принято разделять на четыре основные стадии: разогрев (мезофильная) — активное горение (термофильная) — остывание и созревание (гумификация) [1, 15].

Гумификация компоста очень сложный химико-микробиологический процесс, который может длиться годами. Данный процесс можно осуществлять в промышленных условиях при помощи вермикомпостирования [60]. Но данная технология, вследствие своей специфики, мало поддается механизации и автоматизации, и при низкой производительности процесса не оправдывает высоких затрат на ее реализацию для нужд сельского хозяйства. Поэтому промышленная переработка органических отходов в больших объемах включает в себя только три первые стадии компостирования, а гумификация компоста происходит уже после его внесения в почву за счет содержащейся в ней микрофлоры.

При компостировании в буртах в начале процесса подготовленная смесь имеет температуру окружающей среды. На стадии разогрева мезофильные микроорганизмы начинают быстро размножатся [15, 61], благодаря чему температура смеси поднимается до 40 °C (рисунок 1.10). Длительность первой стадии при правильном соотношении компонентов компостной смеси, ее влажности и гомогенности, как правило, не превышает 2 суток. При увеличении температуры выше 40 °C начинают гибнуть исходные мезофилы, и преобладает развитие термофилов. При этом температура поднимается до 60 °C. В течение термофильной фазы быстро потребляются наиболее легко разлагаемые субстраты, такие как сахара, крахмал, жиры, белки [15, 62]. Когда остаются более устойчивые субстраты, активность этих микроорганизмов начинает падать. При этом скорость тепловыделения становится равной скорости теплопотерь, что соответствует достижению температурного максимума. В этой точке материал практически достигает стабильного состояния, перестает привлекать насекомых и иметь неприятных запах. Ряд ученых считает, что спад температуры после достижения максимального значения (около 60°С) связан с гибелью термофилов (некая саморегуляция популяции). Стадия остывания характеризуется вторым пиком микробиологической активности, который проходит в мезофильном режиме, поэтому его температура не превышает 45−50°С. Считается, что при снижении температуры ниже 30 °C, процесс ускоренного компостирования можно считать завершенным, активную аэрацию и контроль за температурой прекращают. Длительность процесса при компостировании в буртах в зависимости от погодных условий составляет от 16 до 21 суток.

Средняя температура —————- окружающей среды.

————- компостной смеси при компостиродании д ffypmax на открытых площадках.

————-компостной сгеси при компостиродании д камерной устанобке,.

— -компостной смеси при комбиниробанном способе компостирования.

Рисунок 1.10 — Диаграмма изменения температур по стадиям в процессе компостирования различными способами.

При компостировании в камерных установках наблюдаются те же микробиологические процессы (два пика активности). За счет теплоизоляции температура смеси в установке на стадии активного горения может достигать более 80 °C (см. рисунок 1.10) [63, 64, 65]. Однако уже при 60 °C термофилы гибнут. Ряд исследователей объясняют это явление присутствием в процессе компостирования бактерий, которые занимают температурную нишу 65−82°С [56, 58, 66]. В результате этих исследований было сделано предположение, что эти гипертеплолюбивые популяции микроорганизмов, которые были так же найдены в геотермальных источниках, играют важную роль в деградации органической материи [58]. За счет сохранения тепла биотермической реакции процесс компостирования в камерных установках идет более эффективно, что позволяет сократить его сроки до 7−12 суток в зависимости от типа установки.

Комбинированное компостирование в камерных установках и буртах на открытых площадках позволит гарантированно обезвредить конечный продукт и при незначительном увеличении сроков компостирования существенно сократить энергозатраты. Данный эффект достигается за счет того, что стадии разогрева (участок 1−2) и остывания (участок 3−4) проходят при компостировании в буртах, так как этот способ является более производительным и менее энергоемким, а стадия активного горения (участок 2−3) — в камерных установках (см. рисунок 1.10). На участке 2−3 основной задачей установки является не компостирование органического субстрата, а гарантированное его обеззараживание в максимально сжатые сроки, что позволяет минимизировать общие энергозатраты всего цикла переработки [67, 68, 69, 70].

Каждая из камерных установок ускоренного компостирования поточно-непрерывного действия имеет свои преимущества и недостатки. Считается, что установка вертикального типа является более рациональной по ряду причин:

— как и установка модульного типа, она в большей степени использует свой рабочий объем, тогда как установка барабанного типа по технологическим причинам заполняется только на 75% [32];

— по сравнению с модульной или барабанной установками, при одинаковых рабочих объемах установка вертикального типа имеет гораздо меньшую производственную площадь, что актуально для сельскохозяйственных предприятий, расположенных в густонаселенных районах;

— несмотря на то, что в установке вертикального типа, по сравнению с модульной, загрузка свежего сырья производиться на большую высоту, затраты компенсируются тем, что в модульной установке после поднятия сырья его необходимо распределить по ее длине, а после прохождения через корпус так же сгруппировать по длине при выгрузке;

— в установке вертикального типа возможна пассивная аэрация, что позволит уменьшить энергоемкость процесса компостирования в целом.

Главным недостатком установок вертикального типа, из-за которого они не получили широкого распространения, является высокая энергоемкость, связанная с поддержанием пористости материала при помощи дополнительных устройств или разрыхлителей [55]. Использование разрыхлителей имеет ряд недостатков, которые не характерны для устройств снижения уплотнения:

— существенно снижается производительность установки, так как разрыхлитель может занимать от 14 до 50% от общей массы компостируемого материала;

— технологические требования предусматривают влажность компостируемого материала в пределах 50−60%, что увеличивает количество влагопоглощающего компонента (для модульных установок допустимая влажность компостируемой смеси до 75%), следствием чего является снижение производительности установки;

— высокий фракционный состав наполнителя помимо энергозатрат на смешивание и сепарацию, увеличивает энергоемкость процесса загрузки и разгрузки установки;

— не обеспечивается достаточно постоянное значение пористости по высоте и поперечным размерам, что приводит к неравномерной аэрации по всему объему установки.

Следовательно, более прогрессивным является повышение эффективности установок вертикального типа, в которых пористость сохраняется за счет устройств снижения уплотнения. Поэтому одной из задач является обоснование конструкции устройства, обеспечивающего сохранение пористости компостируемого материала по высоте установки и имеющего минимальные удельные энергозатры.

1.3 Обзор устройств снижения уплотнения компостируемого материала.

В результате литературно-патентного обзора была определена следующая классификация устройств снижения уплотнения (рисунок 1.11). По энергоемкости все устройства можно разделить на две группы: пассивные и активные. Удельная энергоемкость работы пассивных устройств зависит от привода запирающего механизма или тормоза, и, как правило, не превышает 0,1 кВт-ч/т. Активные устройства, помимо снижения уплотнения, оказывают на компостируемый материал различного рода воздействия, направленные на его разрыхление и перемешивание. Это улучшает его пористость и условия аэрации, но, вместе с тем, значительно увеличивает удельную энергоемкость до 4 кВт-ч/т.

В установке ускоренного компостирования Вибо [15] вес материала воспринимается жестко закрепленными наклонными перфорированными решетами (рисунок 1.12, а), под которыми расположена система приточно-вытяжной аэрации. По мере выгрузки из нижней части установки материал под собственным весом сползает (пересыпается) вниз. По замыслу автора данное устройство не потребляет энергию. Но на практике, вследствие того, что отсутствует какое-либо побуждение, материал в процессе компостирования слеживается и образует своды внутри корпуса, что препятствует свободному просыпанию материала. На практике данная конструкция не является работоспособной.

Рисунок 1.11 — Схема классификации устройств снижения уплотнения.

Работа поворотных решет (рисунок 1.12, в), предложенных Брейхаудом Ю. Р. [15], является более надежной: при отводе опорного механизма, устройство открывается под весом материала и происходит пересыпание на нижележащий этаж. Такое устройство практически не потребляет энергии. Основным недостатком данного устройства является нерациональное использование объема биореактора, предполагающее наличие полости, необходимой для свободного перемещения решет при возврате в исходное положение. Помимо этого, материал не разрыхляется, а при падении в большом объеме (даже с малой высоты) уплотняется.

Ч ' ¦ ', Q у — -V ;

SjJ: .

V ¦. Ч г /.

•у. / ¦ / п а) б) 6! г) а) наклонные решетаб) жалюзив) поворотные решетаг) колосниковые решетад) плужки.

Рисунок 1.12- Существующие устройства для снижения уплотнения.

Наиболее эффективной является работа активных устройств для снижения уплотнения, помимо перегрузки с этажа на этаж, они обеспечивают разрыхление материала.

Так при работе устройства снижения уплотнения с рабочим органов в виде жалюзи (см. рисунок 1.12, б), предложенного Мирным А. Н. [55], при открытии жалюзи нарушается структура материала, благодаря чему при пересыпании он частично разрыхляется. Однако, открытие жалюзи шириной около 30 см довольно энергоемкий процесс (1,8 кВт-ч/т), даже при небольшой высоте слоя компостируемого материала, в противном случаепри уменьшении ширины жалюзи, повышается вероятность сводообразования и зависания материала на рабочих органах.

Колосниковые решета (см. рисунок 1.12, г) Виноградова Н. В. при включении начинают совершать возвратно поступательные колебания, при которых компостируемый материал, проходя через них, разрыхляется [15], энергоемкость процесса в данном случае составляет до 3 кВт-ч/т.

Плужки (см. рисунок 1.12, д), запатентованные Томасом [55], установленные на вращающемся валу внутри цилиндрического корпуса, выполнены таким образом, что переваливают материал на каждом этаже от отверстия, выполненного у центра, к отверстию на периферии. Благодаря этому материал хорошо разрыхляется и перемешивается, при этом величина энергозатрат может достигать 4 кВт-ч/т.

В ходе анализа существующих устройств снижения уплотнения компостируемого материала в установках вертикального типа было установлено, что пассивные устройства имеют следующие недостатки: не разрыхляют материал в процессе работыимеют высокую вероятность сводообразования материаладля них характерно нерациональное использование рабочего объема установкиих рабочие органы создают значительное сопротивление аэрируемому воздуху. К основным недостаткам активных устройств можно отнести сложную металлоемкую конструкцию и высокую энергоемкость процесса разрыхления. Поэтому существующие устройства снижения уплотнения компостируемого материала не нашли широкого применения в производстве.

С учетом указанных недостатков нами разработано устройство снижения уплотнения компостируемого материала, принцип работы которого поясняется рисунками 1.13 и 1.14. Новизна данного устройства подтверждается патентом на полезную модель «Установка для компостирования» [71].

Вертикальная установка работает следующим образом. Компостируемый материал 1 при помощи устройства загрузки подается в верхнюю часть корпуса 2 установки. Разделение между этажами происходит при помощи, как минимум, одного устройства снижения уплотнения 3, установленного между каждым из этажей (рисунок 1.13). снижения уплотнения.

Рисунок 1.13 — Установка ускоренного компостирования с устройством снижения уплотнения в виде гибких тросов.

Устройство снижения уплотнения (рисунок 1.14) выполнено в виде двух барабанов 4 и 5, закрепленных на корпусе 2 установки при помощи подшипниковых опор 6. Барабаны синхронно вращаются в противоположные стороны при помощи цепной передачи, состоящей из цепи 7, пары основных звездочек 8, закрепленных на барабанах 4 и 5, и пары паразитных звездочек 9, Рабочие органы устройства для снижения уплотнения выполнены в виде эластичных тросов 10, которые попеременно закреплены одной стороной на корпусе 2 установки, а другой на барабане. На выходном конце вала одного из барабанов установлен шкив 11, к которому крепится накопитель потенциальной энергии 12, а на другом выходном конце установлен тормоз 13, предотвращающий вращение барабанов.

2-корпус установки- 4, 5-барабаны- 6-подшипниковые опоры- 7-цепь- 8, 9-звездочки- 10-эластичные тросы- 11—шкив- 12—накопитель- 13-тормоз Рисунок 1.14 — Устройство снижения уплотнения.

Принцип действия устройства снижения уплотнения основан на сводообразовании трудно сыпучих материалов. Расстояние между тросами 10 и высота этажа (расстояние между соседними устройствами) подобраны таким образом, что после заполнения корпуса установки, материал под собственным весом уплотняется, образуя на каждом этаже на рабочих органах устройства статически устойчивые своды (см. рисунок 1.13). Причем усилия веса материала недостаточно для его саморазрушения о рабочие органы. В процессе загрузки материал постепенно слеживается, увеличивая величину сводообразующего слоя (рисунок 1.15, а).

2 — корпус установки- 4, 5 — барабаны- 7 — цепь- 8 — основные звездочки, 9 -паразитные звездочки- 10 — эластичные тросы- 11 — шкив- 12 — накопитель Рисунок 1.15 — Принцип работы устройства снижения уплотнения.

Действует устройство снижения уплотнения следующим образом. В процессе компостирования тросы находятся в натянутом положении и принимают на себя вес компостируемого материала, благодаря чему, нижерасположенный слой меньше уплотняется, от разматывания их удерживает тормоз 13.

Разрыхление и перемещение материала с этажа на этаж осуществляется за счет разрушения сводообразуюшего слоя рабочими органами устройства в процессе их разматывания и сматывания. Перегрузка осуществляется на опорожненный нижний этаж, у которого рабочие органы находятся в натянутом положении.

При выключении тормоза барабаны 4 и 5 начинают вращаться, под действием веса компостируемого материала GK, тросы 10 разматываются, накопитель 12 поднимается вверх (см. рисунок 1.15, б). При этом соседние тросы движутся навстречу друг другу, возникает эффект скользящего резания, при котором усилия веса материала достаточно для разрушения сводообразующего слоя.

Пласты материала в процессе разрушения отделяются от общей массы и просыпаются на нижний этаж. Из-за чего вес материала, давящий на тросы, постепенно уменьшается (т.е. GK’Gh’R). В процессе разрушения тросами 10 сводообразующего слоя между ними перестают возникать статически устойчивые своды, и материал начинает свободно просыпаться между тросами. При этом его вес, давящий на тросы, становится значительно меньше своего первоначального значения (т.е. GK" «GK), крутящий момент накопителя перевешивает момент от компостируемой массы (т.е. GK» -r.

Далее процесс пересыпания повторяется на этаже, расположенном выше.

Предложенное устройство снижения уплотнения компостируемого материала позволит повысить эффективность работы установки вертикального типа за счет того, что [72—78]:

— при пересыпании обеспечивается разрыхление материала по всей высоте установки;

— работа устройства имеет низкую энергоемкость, так как разрушение (разрыхление) и пересыпание материала происходит под собственным весом;

— малое поперечное сечение рабочего органа минимизирует теплопотери и сопротивление для движения воздуха при аэрации;

— гибкость рабочих органов позволяет снизить требования к фракционному составу компостируемой смеси (допускает наличие крупных включений в виде веток, камней и др. посторонних предметов) без потерь надежности и работоспособности устройства снижения уплотнения.

Необходимо теоретически обосновать конструктивно-режимные параметры устройства (расстояние между рабочими органами, расстояние между соседними устройствами, время между пересыпанием с этажа на этаж) в зависимости от свойств компостируемого материала.

1.4 Технологические требования к материалу при его компостировании, в вертикальных установках с устройством снижения уплотнения в виде гибких тросов.

Одним из основных компонентов, используемых в качестве подстилки, являются опилки. Подстилка поглощает жидкие выделения животных и образующийся при разложении мочи аммиак. Подстилка уменьшает влажность экскрементов, они становятся более рыхлыми, что ускоряет их микробиологическое разложение. Опилки обладают^ лучшей влагопоглощающей способностью по сравнению с соломой [4, 14, 23, 79, 80], но их использование в качестве углеродосодержащего наполнителя при приготовлении компостов на основе навоза является менее эффективным по ряду причин. Во-первых, при приготовлении компостных смесей на основе опилок повышается содержание клетчатки и лигнина, — такая смесь гораздо дольше разлагается и получаемый конечный продукт менее эффективен в первый год после внесения [66]. Во-вторых, опилки имеют меньший размер частиц, упаковываются очень тесно, образуя смесь с высокой плотностью и узкими порами. Это ограничивает диффузию кислорода и углекислого газа, что снижает скорость биотермического процесса [34, 81, 82].

Солома злаков, напротив, благодаря жесткой структуре, которую она не теряет даже при намокании, образует более рыхлую смесь, чем повышает эффективность аэрации [1]. Помимо этого, солома при смешивании с навозом образует смесь, характеризующуюся наличием структурных связей в виде волокон. Такое строение компостируемого материала повышает вероятность его зависания на рабочих органах в процессе сводообразования, что является одним из основных условий работы разработанного нами устройства снижения уплотнения.

1.5 Теоретические предпосылки к обоснованию работы устройства снижения уплотнения.

По мере загрузки корпуса вертикальной установки компостируемый материал начинает постепенно уплотняться снизу вверх, в результате чего он зависает на рабочих органах устройств снижения уплотнения, расположенных на каждом из этажей.

Зависание происходит при опоре на рабочие органы, вследствие возникновения внутреннего напряжения в компостируемом материале образуются статически устойчивые своды, при этом усилия веса материала недостаточно для разрезания его рабочими органами, которые служат опорами при сводообразовании.

В нашем случае нельзя употреблять термин «резание», так как при взаимодействии рабочих органов с материалом, происходит не измельчение его частиц, а разрушение структурных связей. Поэтому в дальнейших рассуждениях мы будем говорить о разрушении материала, основываясь, тем не менее, на теории резания.

Для описания внутренних процессов принимаем следующие допущения:

1. после пересыпания сводообразование на каждом из этажей установки происходит мгновенно;

2. объемная плотность на каждом из этажей одинакова и зависит только от физико-механических свойств материала и его слоя (за исключением самого верхнего этажа);

3. после пересыпания материал разрыхляется до насыпной плотности.

Значительный вклад в исследование и разработку технологий и средств механизации для приготовления органических удобрений внесли: Виноградов Н. Ф., Чересленко В. Н., Ковалев-Н.Г., Афанасьев В. Н., Гриднев П. И., Капустин В. П., Коваленко В. П., Петренко И. М., Макаров В. А., Туваев В. Н., Лопес де Гереню В. О., Гуляев Н. Ф., Мирный А. Н. и др.

Одной из важнейших характеристик материала при компостировании является пористость, которая зависит от его физико-механических свойств и влажности. Пористость, согласно работам многих исследователей [28, 29, 36, 39], принято рассчитывать по формуле:

Пв =1−0,OW^—(l-o, OW)^*-, (1.1).

Pw Рт где роб — объемная плотность материала, кг/м ;

W— влажность материала, %- pw— плотность воды, кг/м — рт — плотность твердых частиц материала (плотность твердой фазы), кг/м3.

Первые теоретические исследования по определению объемной плотности в зависимости от слоя материала были сделаны Туваевым В.Н.

28], а в дальнейшем дополнены Гридневым П. И. [29]. В своих работах по определению объемной плотности они использовали следующую зависимость: где уоб — объемная плотность материала при высоте слоя h м, кг/м3- ci, с2, с3 — экспериментальные коэффициенты.

Для практических расчетов нас интересует максимальная высота слоя, при которой возможно наличие порового пространства в его нижней части, т. е. нас интересует значение плотности у основания этажа, т.к. туда, как правило, подводится система аэрации.

Поэтому в уравнение (1.1) необходимо подставлять значение не объемной, а локальной плотности — это плотность некоторого элементарного объема, расположенного на заданной глубине в материале. Объемная плотность — это весовая характеристика материала, она определяет, какое количество массы располагается в заданном объеме при заданной высоте слоя.

Уравнение (1.2) не учитывает изменение плотности материала в процессе самоуплотнения (слеживания). Общеизвестно, что в процессе компостирования физико-механические свойства материала могут значительно изменятся, что также необходимо учитывать.

Следовательно, закон изменения локальной плотности компостируемого материала от слоя с течением времени, в зависимости от степени спелости компоста в настоящее время мало изучен.

Разработкой и обоснованием устройств снижения уплотнения занимались Мирный А. Н. [55] (для компостируемых материалов) и Тимочкин А. В. [83] (для сухих трудно сыпучих материалов). Но результаты их исследований мало пригодны для обоснования разработанного устройства из-за значительных различий в конструкции.

Описанием процесса сводообразования трудно сыпучих материалов занимались следующие ученые [84−92]: Гячев Л. В., Иванов М. Г., Цимбаревич Г. М., Горюшинский B.C., Варламов А. В., Тимочкин А. В., Стальной В. П., Комченко Е. В. и др. В основе их исследований лежит формула для определения размеров сводообразующего отверстия, полученная Зенковым Р. Л. [93]:

2 • та • (l + sin ер} max.

1.3) p-g где (p — угол внутреннего трения материала, градл т0 — начальное сопротивление сдвигу материала, Н/м. р — объемная плотность материала, кг/м3- g — ускорение свободного падения, м/с2.

Уравнение (1.3), для связных грузов, не учитывает изменение физико-механических свойств материала при увеличении его слоя. Однако, как известно из практики, при засыпании компостных смесей в установки, с увеличением высоты слоя материала размер выгрузного окна необходимо увеличивать. Для сыпучих материалов т прямо пропорционально коэффициенту внутреннего трения, однако, для трудносыпучих материалов характерна междуслойная взаимосвязь, которая возрастает при их уплотнении и наличии волокнистых включений. Начальное сопротивление сдвигу и коэффициент внутреннего трения меняют свое значение в зависимости от нагрузки. Таким образом, мы приходим к выводу, что формулу (1.3), полученную Зенковым Р. Л. для определения расстояния между рабочими органами, на которых образуются статически устойчивые своды, применительно к компостным смесям, характеризующимся связной волокнистой структурой, применять нельзя.

Способность рабочих органов устройства снижения уплотнения в статическом состоянии разрушать компостируемый материал характеризуется разрушающим контактным напряжением, которое зависит от плотности и физико-механических свойств материала.

Для осуществления процесса разрушения материала необходимо, чтобы критическая сила, с которой рабочий орган действует на него, преодолела сумму сил, действующих на лезвие в плоскости, перпендикулярной плоскости резания.

Критическую силу Ркр можно определить как произведение площади режущей кромки лезвия F (мм) на разрушающее контактное напряжение ар

Н/мм2) [94, 95, 96]:

Ркр=Р-<7р=М-1-&р, (1.4) где ц — толщина лезвия, мм- - длина лезвия, взаимодействующая с материалом, мм. В разработанном нами устройстве лезвие (рабочий орган) в сечении имеет вид окружности. Поэтому для дальнейших рассуждений принимаем величину ц равную диаметру рабочего органа. а=0 а>0 а) — без продольного перемещения лезвияб) — с продольным перемещением лезвияАВ — лезвиеМ— материалРп —сила нормального давления лезвия на материалs—перемещение точки лезвия, соприкасающейся с материалом М.

Рисунок 1.16 — Схемы способов разрушения.

Разрушение сводообразующего слоя материала при работе устройства снижения уплотнения происходит вследствие того, что его рабочие органы начинают встречное движение друг к другу относительно материала. При этом материал начинает испытывать уже не рубящее (см. рисунок 1.16, а), а скользящее разрушение (см. рисунок 1.16, б), при котором, как известно, усилие, необходимое для нарушения структурных связей материала, значительно меньше [94].

Если угол, а между нормалью к линии лезвия и направлением перемещения s равен нулю, то это будет рубящее разрушение. Если же, а > О, то происходит разрушение с продольным перемещением лезвия. Преимущество разрушения с продольным перемещением перед рубящим заключается в меньшем значении критической силы, требуемой для осуществления резания [94].

Зависимость между усилием Ркр и продольным перемещением st лезвия по материалу В. П. Горячкин выразил уравнениями [94, 95]: st=A-e~P" t (1.5) оговорив, что предложенная им зависимость не является окончательной. Для количественного определения скольжения лезвия в процессе разрушения В. П. Горячкин ввел понятие коэффициента скольжения е, представляющее собой отношение тангенциальной составляющей v, полной скорости лезвия к нормальной составляющей v" этой скорости [95]: е = — = tga. (1.6) v".

Следуя рекомендациям В. П. Горячкина, В. А. Желиговский [96] экспериментально установил взаимную зависимость между нормальным усилием Р&bdquo- (рисунок 1.17) лезвия на материал, тангенциальной силой Pt, необходимой для возбуждения тангенциального перемещения s, лезвия по материалу, и величинами s, тангенциального и sn нормального перемещения лезвия относительно материала. Установлено, что по мере убывания силы Рп, необходимая для нарушения структурных связей сила Р, возрастает в размерах, при которых их равнодействующая R сохраняет приблизительно постоянную величину [94]:

R = д/i5,2 + Pt2 «const.

1.7).

Рисунок 1.17 — Схема по определению взаимосвязи между нормальной силой Рп, касательной силой Pt, касательным st и нормальным sn перемещениями лезвия в процессе скользящего резания.

При этом изменение угла <р наклона равнодействующей R относительно нормали к лезвию совпадает с изменением угла направления перемещению s лезвия, т. е. углы, а и ^ до определенных пределов равны. Совпадение направления силы R с направлением перемещения .у лезвия, по мнению В. А. Желиговского, свидетельствует об отсутствии скольжения лезвия по материалу в определенных пределах угла (р: = tga (1.8).

Поэтому данное отношение автор назвал коэффициентом продольного перемещения.

При некотором дальнейшем уменьшении силы Рп и росте силы Pt углы, а и (р не остаются равными друг другу, быстро растет их разность. При, а > ср возникает скольжение лезвия по разрезаемому материалу. Условием возникновения скользящего разрушения по мнению В. А. Желиговского является способность разрушаемого материала к деформации под давлением лезвия до нарушения структурных связей.

В.А. Желиговскому удалось обнаружить важную особенность процесса разрушения лезвием — в зависимости от некоторых физико-механических свойств перерезаемого материала эффект от скользящего движения лезвия может быть значительным только при определенных углах скольжения. Эффект скользящего разрушения он объясняет тем, что при скольжении лезвия по материалу, оно захватывает неровностями частицы материала, стремится сдвинуть их с места и увлечь за собой [97]. Между смещаемыми и соседними частицами материала возникают нормальные напряжения растяжения или касательные напряжения сдвига вместо напряжений смятия, т. е. сжатия. Подавляющее большинство материалов оказывает меньшее временное сопротивление на растяжение и сдвиг, чем на сжатие (смятие) [94].

Теоретические зависимости, описывающие процесс скользящего разрушения прямым лезвием, показанные во многих работах [98−101], в нашем случае использовать нельзя, так как в процессе разматывания гибкий трос меняет свою кривизну, что сказывается на неодинаковой глубине разрушения по его длине.

Анализ теоретических предпосылок к обоснованию разработанного устройства снижения уплотнения выявил их недостаточность, использование существующих закономерностей требует соответствующих доработок и корректировок.

Для математического моделирования процесса работы предложенного устройства снижения уплотнения необходимо проведение дальнейшего научного исследования.

1.6 Выводы, цель и задачи исследования.

1. Компостирование органических отходов традиционным способом не соответствует современным санитарно-эпидемиологическим требованиям.

2. Полное обеззараживание компостной массы по всему объему возможно только камерным способом, в стационарных установках, имеющих теплоизолированный корпус, благодаря которому достигается высокая температура биотермического процесса в течение всего цикла переработки в ней (свыше 53 °C до 4 суток).

3. Эффективной технологией переработки органических отходов является комбинация традиционного и камерного способов компостирования, причем обеззараживание компостируемого материала в стационарных установках должно проходить не более чем за 5. 7 суток.

4. Наиболее рациональной установкой, реализующей камерный способ компостирования, является установка вертикального типа поточно-непрерывного действия с дополнительными устройствами снижения уплотнения материала, установленными по высоте установки.

5. Повысить эффективность работы установки вертикального типа можно путем использования в ней устройства снижения уплотнения компостируемого материала с рабочими органами, выполненными в виде гибких тросов.

6. Существующих теоретических исследований недостаточно для описания процесса взаимодействия компостируемого материала с рабочими органами устройства снижения уплотнения и обоснования конструктивно-режимных параметров его работы.

В соответствии с вышеизложенным, целью настоящей работы является повышение эффективности работы установки ускоренного компостирования вертикального типа путем разработки и обоснования конструктивно-режимных параметров устройства снижения уплотнения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: провести теоретические исследования процесса взаимодействия рабочих органов устройства снижения уплотнения с компостируемым материаломисследовать изменение физико-механических свойств компостируемого материала в зависимости от величины слоя, времени слеживания и степени спелости компостаобосновать конструктивные параметры устройства из условия зависания компостируемого материала на рабочих органах;

— обосновать конструктивно-режимные параметры устройства, необходимые для обеспечения пересыпания материала с этажа на этаж сверху вниз;

— провести производственную проверку устройства и определить экономический эффект его использования.

Рабочая гипотеза: существует определенное сочетание управляемых факторов, обеспечивающих работу устройства снижения уплотнения.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ КОМПОСТИРУЕМОГО МАТЕРИАЛА В ВЕРТИКАЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ С РАЗРАБОТАННЫМ УСТРОЙСТВОМ СНИЖЕНИЯ УПЛОТНЕНИЯ.

2.1 Теоретическое исследование изменения пористости компостируемого материала по высоте слоя и времени созревания.

Как показали предварительные исследования, характер изменения пористости материала в зависимости от величины его слоя с течением времени мало изучен. Однако зависимость пористости от времени очевидна, так как большинство материалов склонны к слеживанию [102, 103].

Рассмотрим уплотнение слоя материала под собственным весом в процессе увеличение его высоты (рисунок 2.1).

Пусть элементарный объем материала имеет некоторую высоту Ип (м), при которой он имеет начальную насыпную плотность (минимальную плотность) (рисунок 2.1, а).

Если нагрузить его вторым слоем в том же объеме, то первый (нижний) слой деформируется (сожмется) на некоторую величину и2 (рисунок 2.1, б) (для удобства рассуждений принимаем, что щ =0). При дальнейшем нагружении нижний слой будет деформироваться на соответствующие величины м3, м4 и т. д.

Тогда при некоторой нагрузке в / слоев локальная плотность у основания будет равна: н I где ui — /-я деформация слоя соответствующая нагрузке равной i слоям, м.

Уравнение (2.1) отражает состояние материала в начальный момент времени, но известно, что с течением времени компостируемый материал уплотняется, следовательно, значение локальной плотности на i-ом слое по истечении времени t определится по формуле:

P (H^Pi (H).hH~Ui ,—^-j", (2.2) пи—и- — и¦ пи—и.-и. U-+U.

1 I н i i 1 i i К где и — линейная деформация относительно начальной /-ой деформации слоя при соответствующем нагружении в i слоев по истечении времени t.

Рисунок 2.1 — Схема уплотнения материала под собственным весом.

При этом общая высота материала в результате естественного самоуплотнения с течением времени будет равна:

H (t)=n-h!l-fj (ui+u'i) I.

2.3).

Объемная плотность материала по истечении времени t при общей высоте Н, определяем по формуле:

Ри 'п.

V «=1) ы ut + и * к J (2.4) где т — масса материала, кг;

VH и VK — соответственно, начальный объем материала и его конечный объем после естественного уплотнения с течением времени, м3- S — площадь основания слоя, м2. С учетом формулы (2.2) уравнение (2.4) примет вид:

РЛиА=— р" 'п — р' п I.

1=1 1.

Ри рУ.

1 IvAl.

1—1 л п Ы Д.

2.5).

Степени уплотнения — материала на глубине Н по истечении времени t определяем как отношение насыпной плотности материала к локальной плотности на глубине if спустя время t при естественном уплотнении: н g Pi h.

1 Рн hH-{ui+uti).

2.6).

Тогда.

2.7) где? cp{H, t) — среднее значение степени уплотнения материала при естественном уплотнении за время t на глубине от 0 до if мм.

После установления закономерности изменения степени уплотнения материала от высоты с течением времени ?(H, t) его среднее значение сможем определить по формуле [104]:

Zcp{H, t) = -^-")z (H, t) dHdt (28) п 1 о о.

Данная зависимость косвенно подтверждается работами Репниковой Е. А. [105].

С учетом формулы (1.1) пористость материала в основании слоя определяем по формуле: гг 1 zfrг (0,01 -W 1−0,01-иО ne=l-pH.?(H, t) — —+ —2.

V Pw Рт) К.

В итоге приходим к выводу, что пористость соломонавозной смеси, с заданным гранулометрическим составом и соотношением соломы и навоза, есть сложная функция, зависящая от общей высоты слоя, времени слеживания и исходной влажности смеси.

В уравнении (2.9) изменение физико-механических свойств материала в процессе биотермического разложения учитывается аргументами ptt и рт, значение которых соответствует определенным стадиям компостирования.

Зависимость степени уплотнения от глубины слоя и времени разложения необходимо определить в ходе экспериментов. При этом неизвестно распределение влаги в материале по высоте, что также необходимо исследовать экспериментально.

2.2 Определение максимального расстояния мезвду рабочими органами устройства при условии образования статически устойчивого свода.

Задача обеспечения гарантированного зависания материала, при котором возникает статически устойчивый свод, решается нахождением максимального расстояния а™ах между рабочими органами, обеспечивающее минимальное количество рабочих органов.

На рисунке 2.2 изображен свод, образовавшийся между двумя соседними рабочими органами.

Рисунок 2.2 — Схема образования свода.

Согласно теории Зенкова P.JI. размер сводообразующего отверстия можно определить по формуле:

2 • г.

2.10).

Poo’g где т — касательное напряжение в слое материала на уровне отверстия, НУм. Зависимость предельного касательного напряжения от нормального для влажных и трудносыпучих грузов, имеет вид [93]: т = [(ст + с)-Л]%, (2.11) где сгнормальное напряжение (вертикальное давление со стороны вышележащих слоев), Н/м — с, Я, z — константы, характеризующие свойства данного материала. С учетом изменения локальной плотности по высоте слоя в начальный момент времени (t=0), изменение нормального напряжения в основании слоя в зависимости от его высоты определяем зависимостью: e{H)=Po6{H)-g-H = Pl1-tcp{H)-g-H, (2.12) где Н— высота слоя материала, м.

Подставляя значение сг (н) из уравнения (2.12) в (2.11), найдем зависимость предельных касательных напряжений в основании слоя от его высоты: т (н) = [{рн • g ¦ Н + с)-(2.13).

Тогда максимальное расстояние между рабочими органами с учетом условия сводообразования (2.10) в зависимости от слоя определяем по формуле:

2 (p, rtcp{H)-g-H + c)-A?= св (тт LV" Ьср J 6 ' ^ J a-{Hh-^Цдй- (2Л4).

2.3 Определение максимального расстояния меяеду рабочими органами устройства при условии разрушения материала.

Необходимо аналитически определить количество рабочих органов, необходимых для удержания материала определенной плотности в объеме двух этажей. Разрушение материала рабочими органами осуществляется за счет гравитационного подпора [94], т. е. за счет усилия собственного веса. Процесс взаимодействия рабочего органа с компостируемым материалом в статическом состоянии описывается теорией рубящего разрушения.

Вес материала (рисунок 2.3), приходящийся на один рабочий орган определяем по формуле: г- — —, (2.15) пп к J где Р — вес материала, давящий на устройство снижения уплотнения, НpjH) — объемная плотность материала с высотой слоя Н, кг/м3;

V— объем материала, расположенного над устройством, м3- п — количество рабочих органов, шт. кр ' кр ' кр

Рисунок 2.3 — Схема сил, действующих на рабочий орган при внедрении в материал.

С учетом формулы (1.4) критическое усилие, необходимое для нарушения структурных связей в материале равно:

PKp=n-jLi-l'Crp, (2.16) где / - ширина этажа (длина части рабочего органа в натянутом состоянии, взаимодействующая с материалом), м.

При заполнении этажа, когда вес, с которым материал действует на рабочие органы устройства, достигнет значения критического усилия, начнется процесс разрушения структурных связей (Р = Ркр).

Вес материала, давящий на рабочие органы устройства снижения уплотнения равен:

P = Po6{H)-g-H-l.n*a (2.17) где а^ — расстояние между рабочими органами из условия рубящего разрушения, м.

Материал будет разрушаться о рабочие органы под собственным весом, если выполняется условие:

Po6(H)'g'H-l-n-apmXi =п-/л-1-стр (2.18).

Из уравнения (2.18) находим максимальное расстояние между рабочими органами, исходя из условия разрушения материала, в зависимости от его слоя: а шах.

Я) = fi-ot или а" .

2.4 Определение конструктивных параметров устройства снижения уплотнения в установке ускоренного компостирования вертикального типа.

Полученные нами уравнения (2.14) и (2.19) определяют зависимость расстояния между рабочими органами от высоты слоя материала, а не от высоты этажа (расстояния между соседними устройствами снижения уплотнения).

Рассмотрим механизм зависания компостируемого материала на рабочих органах устройства по мере заполнения установки. Пусть высота этажа равна Нк, а расстояние между рабочими органами — а. По мере заполнения этажа установки, при достижении некоторой высоты слоя S, на рабочих органах устройства начинается процесс сводообразования, благодаря чему материал перестает просыпаться между ними (рисунок 2.4, а). Данное явление описывается уравнением (2.14) при Н=8 расстояние между рабочими органами, а = (S).

При дальнейшей засыпке материала внутрь установки (рисунок 2.4, б) до тех пор, пока его высота на следующем этаже не достигнет значения S, т. е. не произойдет «отсечение потока» материала, расстояние между рабочими органами первого этажа должно находиться в таких пределах, чтобы материал с общей высотой слоя равной Нк+д не разрушался под собственным весом, при этом значение, а определяется по уравнению (2.19).

Значение конструктивных параметров установки находим графоаналитическим методом (рисунок 2.5). Существует такое расстояние между рабочими органами а, при котором значения Нкъд удовлетворяют условию:

Cax (.

Рисунок 2.4 — Схема работы устройства снижения уплотнения.

Согласно разработанной нами конструкции устройства, процесс сводообразования происходит при достижении высоты слоя материала, не превышающей высоту этажа, т. е.

8<НК. (2.21).

Максимальное расстояние между рабочими органами атах, находим из условия, что S = HK, при этом существуют такие значения S = <^тах и.

Нк = Н^ (рисунок 2.5, а), для которых выполняется условие (2.20).

Минимальное расстояние между рабочими органами amin ограничивается условием максимальной высоты слоя Нтах, при которой возможно наличие порового пространства в его основании. Для amin существуют такие значения 2 =c>min и Нк = НК (рисунок 2.5, а), для которых так же выполняется условие (2.20). а) — зависимость расстояния между рабочими органами устройства от высоты слоя из условия сводообразования и разрушения компостируемого материалаб) — область значений конструктивных параметров устройства, обеспечивающих пористость материала.

Рисунок 2.5 — Схема определения конструктивных параметров устройства графо-аналитическим методом.

Учитывая условие (2.21), приходим к выводу, что при расстоянии между рабочими органами равном, а. компостируемый материал зависнет, если высота этажа будет находиться в следующих пределах.

8 .