1. Введение

Применение биодобавок является эффективным способом снижения эмиссии аммиака и парниковых газов при хранении и утилизации навоза крупного рогатого скота [13], [14], [15]. Однако традиционное внесение биопрепаратов в уже сформированные объёмы (лагуны, бурты) не обеспечивает их равномерного распределения: для смешения 1–5 литров препарата на 100 м3 навозной массы требуются длительная работа миксеров и значительные энергозатраты, при этом сохраняется риск образования «мёртвых зон» и донных отложений [6], [8]. Скорость микробиологической переработки навоза в значительной степени зависит от температуры субстрата. При температуре ниже 25 °C (психрофильный режим) процесс растягивается на месяцы, при 30–40 °C (мезофильный) идёт быстрее, но требует недель, а наиболее интенсивно — при 45–55 °C (термофильный), когда полная деструкция возможна за 10–15 суток [9], [10], [11]. Однако поддержание таких температур в открытых лагунах или буртах технически сложно.

Альтернативным решением является внесение биодобавок в напорный трубопровод при транспортировке полужидкого навоза от животноводческого помещения до места хранения. Поток в трубе обеспечивает распределение препарата по всему объёму транспортируемой массы, а санитарный разрыв между коровником и навозохранилищем (не менее 60 м, сноска 1) создаёт достаточную длину для диффузии добавки [1], [2]. Однако отсутствуют научно обоснованные конструктивные параметры устройств для введения биодобавок в трубопровод с учётом реологии полужидкого навоза (влажность 88–92%, вязкость 5–10 Па·с) и импульсного характера потока, создаваемого поршневым насосом.

Научная новизна. Впервые теоретически обоснованы форма, геометрические размеры и режим работы инжектора для внесения биодобавок в трубопровод полужидкого навоза КРС на основе анализа гидравлических, прочностных и реологических закономерностей. Определены условия синхронизации дозирования с фазой нагнетания поршневого насоса, обеспечивающие коэффициент вариации распределения добавки ν < 10%.

Цель и задачи исследования. Цель работы — обоснование конструктивных параметров и режимов работы устройства для внесения биодобавок в полужидкий навоз при транспортировке по трубопроводу поршневым насосом. Для достижения цели поставлены следующие задачи:

–

определить оптимальное место внесения биодобавки относительно поршневого насоса;

–

разработать форму и рассчитать геометрические параметры инжектора (диаметр канала, толщину стенки, хорду);

–

оценить прочность и гидравлическое сопротивление предложенной конструкции;

–

обосновать режим синхронизации дозатора с тактами нагнетания поршневого насоса.

Статус работы. Представленные в статье результаты являются расчётно-теоретическим подготовительным этапом в рамках выполнения государственного задания № FGUN-2025-0010 «Разработать энергоресурсосберегающие машинные технологии и цифровые системы мониторинга и управления для экологически безопасного производства сельскохозяйственной продукции» (этап 3.1). Экспериментальная проверка разработанного устройства на лабораторном стенде и в производственных условиях запланирована на третий квартал текущего года и станет предметом отдельной публикации.

2. Методы и принципы исследования

Исходными данными служили результаты аналитических исследований, нормативно-техническая документация и опубликованные данные по реологическим свойствам полужидкого навоза КРС (влажность 88–92%). Для достоверного моделирования гидродинамических и прочностных характеристик инжектора необходимо располагать физико-механическими свойствами полужидкого навоза, полученными как из нормативной документации, так и из независимых литературных источников. В таблице 1 представлены значения основных параметров согласно отраслевому нормативу РД-АПК 3.10.15.01-17* [16].

Для уточнения диапазонов свойств и учёта разброса, характерного для реальных животноводческих ферм, проведён анализ публикаций [2], [6], [9], [10], [11]. Обобщённые результаты сведены в таблицу 2.

Приведенные данные использованы в гидравлических и прочностных расчетах как базовые. Экспериментальная проверка запланирована в будущих работах.

Гидравлические параметры потока рассчитаны по методам трубопроводной гидравлики [2]. Прочностной расчет инжектора выполнен для консольной и двухопорной схем [3], гидродинамический анализ обтекания — по справочным данным коэффициентов лобового сопротивления [4]. Форма каплевидного сечения обоснована методами теории турбулентных струй [4]. 3D-моделирование проведено в SolidWorks. Оценка эффективности внесения биодобавок базировалась на анализе типовых технологических схем навозоудаления [1], [2], [6].

3. Основные результаты

Ниже представлены результаты обоснования места внесения биодобавок, расчёта геометрических параметров инжектора и режима синхронизации, выполненные с использованием физико-механических свойств полужидкого навоза (табл. 1, 2).

3.1. Обоснование места внесения и времени гомогенизации

При традиционной схеме навоз удаляется механическими скребками или роботами, накапливается в поперечных каналах, затем загружается в тракторные прицепы-цистерны (ПТС, МЖТ) и выгружается в лагуну. Предлагаемая технология (рис. 1) исключает тракторную транспортировку: навоз от роботов-уборщиков поступает в загрузочный бункер поршневого насоса, который перекачивает его по подземному трубопроводу (диаметр 300 мм, длина не менее 60 м) в навозохранилище. В поток на расстоянии 10 диаметров (3 м) от насоса вводится биодобавка через инжектор [1], [2].

Согласно санитарным нормам [18] и отраслевым рекомендациям [19], минимальный разрыв между коровником и хранилищем составляет 60 м, что соответствует длине трубопровода 200 диаметров (200D). После точки впрыска остаётся 190D (57 м). При средней скорости потока v = 0,03 м/с (производительность насоса 14 м3/ч, диаметр 300 мм) время движения массы от инжектора до хранилища равно:

t = 57 м / 0,03 м/с = 1900 с = 32 мин.

Этого времени достаточно для активации большинства биодобавок (согласно данным производителей [5], [8], активация занимает 15–30 мин). За счёт турбулентной диффузии и конвективного переноса коэффициент вариации распределения добавки по сечению трубы снижается до ν < 10%, что соответствует удовлетворительной гомогенности [12].

3.2. Конструктивные параметры инжектора

Максимальный расход добавки (при норме внесения 5 л/т навоза, производительности насоса 14 м3/ч и плотности навоза 1,1 т/м3):

Принимая скорость движения добавки в канале 1 м/с, минимальная площадь сечения канала:

что соответствует внутреннему диаметру:

Приняты: внутренний канал 5,2 мм, толщина стенки 5 мм, наружный диаметр инжектора 15 мм.

Длина хорды каплевидного профиля (отношение толщины к хорде 1:4…1:5 [4]):

с = 15 мм · 4,5 = 65 мм.

Коэффициент лобового сопротивления такого профиля Cx = 0,045 (в 10–12 раз меньше, чем у цилиндрической трубки [4]).

Степень загромождения сечения трубы инжектором:

что не превышает допустимых 15% для напорных систем [2].

3.

На рисунке 2 представлена схема основных сил, действующих на консольный инжектор при взаимодействии с потоком полужидкого навоза: давление насоса Pн, сила тяжести Fт, сила трения Fтр, сила инерции массы Fин, распределённая нагрузка q.

При давлении в трубопроводе 3 бар и наружном диаметре инжектора 15 мм распределённая нагрузка:

Для консольной схемы (длина инжектора L = 150 мм — до середины трубы) изгибающий момент и напряжение:

σ

Для двухопорной схемы (инжектор закреплён на двух опорах, длина между опорами L = 300 мм):

σ

Таким образом, двухопорное крепление снижает изгибающий момент в 1,5 раза, а напряжение изгиба — в 20 раз по сравнению с консольной схемой [3]. Материал инжектора — коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н10Т, сварные швы отсутствуют.

3.4. Режим синхронизации дозатора с поршневым насосом

При частоте работы поршневого насоса 2 мин-1 ход нагнетания длится 15 секунд. Поршневой насос простого действия работает следующим образом: на ходе всасывания навоз поступает в камеру, на ходе нагнетания вытесняется в трубопровод. Впрыск биодобавки должен инициироваться датчиком давления в момент начала фактического движения массы (исключая холостой ход). Добавку целесообразно подавать после завершения фазы ускорения поршня (через 1,5–2 с от старта такта) и прекращать за 2–3 с до окончания хода, чтобы добавка попадала в поток с установившейся скоростью [2]. Подача полностью прекращается на ходе всасывания. Оптимальный режим — впрыск в интервале 10–85% от длительности хода нагнетания (активная фаза 2–13 с), синхронизированный с сигналом датчика давления. Такой режим исключает подачу добавки в неподвижную среду и локальное переобогащение, обеспечивая коэффициент вариации распределения ν < 10% [2].

3.5. Эксплуатационные характеристики

Инжектор выполнен в виде фланцевого узла, что позволяет его демонтировать для периодической очистки. Для предотвращения засорения внутреннего канала (диаметр 5,2 мм) рекомендуется устанавливать перед насосом-дозатором сетчатый фильтр с ячейкой 1 мм. В случае забивания волокнистыми включениями предусмотрена обратная промывка водой через штатные штуцеры. Каплевидный профиль минимизирует налипание волокнистых включений; при длительном простое системы (более 2 суток) рекомендуется после остановки насоса промывать инжектор водой в течение 2–3 мин. Двухопорное крепление исключает резонансные вибрации в рабочем диапазоне частот насоса (до 3 Гц) [3]. Ресурс инжектора — не менее 8 лет при ежедневной эксплуатации.

Таким образом, определены и обоснованы все конструктивные параметры инжектора и режим его работы, достаточные для изготовления опытного образца.

4. Обсуждение

4.1. Сравнение с существующими техническими решениями

В промышленности для введения жидких добавок в трубопровод применяются инжекторы Вентури, шнековые дозаторы, игольчатые и форсуночные системы [1], [2], [4], [17]. Каждый из этих типов имеет ограничения при работе с полужидким навозом крупного рогатого скота.

Инжекторы Вентури создают разрежение за счёт сужения потока [17], однако их эффективность резко падает при высокой вязкости среды (5–10 Па·с, табл. 2) и при наличии волокнистых включений (до 15–18% по массе [16]), которые забивают сечение. Шнековые дозаторы обеспечивают точное объёмное дозирование, но они чувствительны к абразивным частицам и длинным волокнам (размер до 50 мм, табл. 2), что приводит к быстрому износу и заклиниванию [2]. Игольчатые инжекторы просты конструктивно, однако при импульсной работе поршневого насоса (частота до 3 Гц) они испытывают знакопеременные изгибающие нагрузки и быстро выходят из строя из-за вибрационной усталости [17].

Предлагаемая конструкция двухопорного ножа каплевидного сечения сочетает достоинства игольчатого инжектора (простота, точечный впрыск) с повышенной прочностью и устойчивостью к засорению. Каплевидный профиль (коэффициент лобового сопротивления Cx = 0,045) в 10–12 раз снижает гидравлическое сопротивление по сравнению с цилиндрическим [4] и предотвращает образование «соломенных мостов» (налипания волокон) благодаря плавному обтеканию и смыканию потока за ножом. Двухопорное крепление, как показано в разделе «Результаты», уменьшает напряжение изгиба в 20 раз относительно консольной схемы [3] и исключает резонансные колебания (собственная частота ножа > 50 Гц, что значительно выше частоты возмущений от насоса).

4.2. Сопоставление расчётных параметров с требованиями

Полученные в разделе «Результаты» геометрические размеры инжектора (внутренний канал 5,2 мм, наружный диаметр 15 мм, хорда 65 мм) удовлетворяют двум ключевым критериям: пропускной способности (77 л/ч) и ограничению по загромождению сечения (6,4% при допустимых 15% для напорных систем [2]). Снижение напряжения изгиба в 20 раз гарантирует отсутствие пластических деформаций при рабочем давлении 3 бар и даже при кратковременных динамических пиках (до 5 бар) в моменты запуска насоса.

Время нахождения навоза в трубопроводе после точки впрыска (32 мин) рассчитано на основе средней скорости потока 0,03 м/с. Этот интервал соответствует периоду активации, указанному производителями биодобавок (15–30 мин для «Биосанвит-М» и «Навобакт» [5], [8]), что обеспечивает начало ферментативных процессов до поступления массы в хранилище. Таким образом, предлагаемая схема не только транспортирует навоз, но и выполняет функцию проточного биореактора начальной стадии.

4.3. Эксплуатационные аспекты и обслуживание

При проектировании устройства учтены реальные условия эксплуатации:

– Очистка и доступ: инжектор выполнен в виде фланцевого узла, что позволяет демонтировать его без разрезания трубы.

– Защита от засорения: перед насосом-дозатором рекомендуется устанавливать сетчатый фильтр с ячейкой 1 мм; внутренний канал инжектора (5,2 мм) проходим для частиц такого размера.

– Промывка: предусмотрена обратная промывка водой через штатные штуцеры; при длительном простое (> 2 суток) регламентирована промывка в течение 2–3 мин после остановки насоса.

– Вибрации и ресурс: двухопорное крепление жёстко фиксирует инжектор, отсутствие сварных швов и выбор коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т обеспечивают расчётный ресурс не менее 8 лет при ежедневной работе [3].

4.4. Ограничения и перспективы

Представленные в статье результаты являются расчётно-теоретическим обоснованием параметров инжектора. В работе не проводились натурные или лабораторные испытания, что является основным ограничением. Экспериментальная проверка на лабораторном стенде (прозрачный трубопровод, имитация потока навоза с использованием трассера для визуализации смешивания, измерение коэффициента вариации концентрации добавки) запланирована на следующий этап НИР в рамках государственного задания № FGUN-2025-0010. Натурные испытания на действующей ферме позволят:

–

уточнить реальный коэффициент вариации распределения добавки при разных режимах работы насоса;

–

оценить степень засорения фильтра и инжектора в длительной эксплуатации;

–

разработать окончательный регламент технического обслуживания.

В настоящее время полученные геометрические и прочностные характеристики признаны достаточными для изготовления опытного образца инжектора и начала его стендовых испытаний. Предложенное устройство (двухопорный нож каплевидного сечения, рис. 3, 4) может быть рекомендовано для использования в системах трубопроводного транспорта полужидкого навоза как альтернатива существующим дозирующим устройствам, особенно в условиях высокой вязкости и засорённости среды.

5. Заключение

Для трубопровода диаметром 300 мм и длиной не менее 60 м оптимальным является внесение биодобавки после зоны стабилизации потока на расстоянии 10 диаметров (3 м) от поршневого насоса. Разработан двухопорный нож каплевидного сечения (внутренний канал 5,2 мм, толщина стенки 5 мм, хорда 65 мм), снижающий напряжение изгиба в 20 раз относительно консольной схемы при загромождении сечения 6,4%.

Дискретная подача добавки в интервале 10–85% от длительности такта нагнетания (активная фаза 2–13 с при частоте 2 мин-1), синхронизированная с сигналом датчика давления, обеспечивает равномерное распределение препарата (ν < 10%). Учтены эксплуатационные аспекты: фильтрация, обратная промывка, вибрационная стойкость и ресурс.

Представленные результаты являются расчётно-теоретическим обоснованием; экспериментальная проверка запланирована на следующих этапах НИР. Разработанное устройство может быть использовано при проектировании систем навозоудаления на фермах крупного рогатого скота.

The additional file for this article can be found as follows: