Українська академія аграрних наук

національний науковий центр

„ інститут механізації та електрифікації

сільського господарства”

(ННЦ “Імесг”)

СЕНЧУК МИКОЛА МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 1.171:631.468.514.239

ОБГРУНТУВАННЯ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ І РОЗРОБКА

ТЕХНІЧНИХ ЗАСОБІВ ДЛЯ ПЕРЕРОБКИ ВЕРМИКОМПОСТУ

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

смт Глеваха – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському науково-дослідному інституті по прогнозуванню та випро-буванню техніки і технологій для сільськогосподарського виробництва (УкрНДІПВТ) Мініс-терства аграрної політики України та Національному науковому центрі “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” УААН.

Науковий керівник: академік УААН та РАСГН, доктор технічних наук, професор, заслуже- ний діяч науки і техніки України Погорілий Леонід Володимирович,

Український науково-дослідний інститут по прогнозуванню та випро-

буванню техніки і технологій для сільськогосподарського виробництва,

директор.

Офіційні опоненти: доктор сільськогосподарських наук, професор, академік УААН Лінник Микола Кіндратович, Українська академія аграрних наук, заступник академіка-секретаря відділення механізації і електрифікації;

кандидат технічних наук Шацький Віктор Васильович, Інститут механізації тваринництва Української академії аграрних наук, директор .

Провідна установа: Львівський державний аграрний університет Міністерства аграрної політики України.

Захист відбудеться “16 ” червня 2004 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої

вченої ради Д 27.358.01 при ННЦ “Інститут механізації та електрифікації сільського госпо- дарства” УААН за адресою: 08631, смт Глеваха, Васильківський район, Київська область.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ННЦ “Інститут механізації та електрифікації

сільського господарства” за адресою: 08631, смт. Глеваха, Васильківський район, Київська

область, ННЦ “ІМЕСГ”.

Автореферат розісланий 15 травня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради канд. техн. наук В.В. Адамчук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми визначається назрілою необхідністю виробництва нових видів ви-сокоефективних добрив на основі гуміномістких речовин в зв’язку із значним скороченням тва-ринництва в Україні. Їх дефіцит складає близько 300 млн. т на рік.

На даний час розробка теорії і практики біоконверсії органічних речовин з застосуванням технології вермикомпостування є одним з важливих напрямків забезпечення сільського господар-ства ефективними добривами - біогумусом, а також цінним білком з біомаси дощових черв’яків. Для впровадження таких технологій в господарствах необхідно відпрацювати промислову техно-логію виробництва біогумусу.

Виробництво біогумусу дасть змогу замістити до 30% нормативної потреби в мінераль-них добривах та підвищити їх віддачу на 25-30%.

Крім біогумусу, в сільськогосподарському виробництві біомасу дощових черв’яків до-цільно використовувати для виробництва білкового борошна, білкових добавок, виготовлення ме-дичних і фармакологічних препаратів, розробки бактеріологічних поживних середовищ, а також для годівлі птиці і риби.

Проте, не дивлячись на актуальність, вермикомпостування не набуло широкого розпов-сюдження в Україні через відсутність технічних засобів механізації основних технологічних опе-рацій для його виробництва з сприйнятними витратами.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами.

Дослідження, що склали основу дисертаційної роботи, виконувалися у відповідності з державними програмами: “Програма виробництва технологічних комплексів машин і обладнання для агропромислового комплексу на 1998-2005 р.”, „Програма робіт по розробці обладнання для виробництва товарного біогумусу”, та науковими роботами тематичного плану Міністерства аг-рарної політики України (1992-1998 роки): ”Створити системо-технічні засоби для вдосконалення меліоративно-структурного відновлення грунту на основі копролітів вермикультури” ( № ДР 0192U112211); „Розробка технологічних та системо-технічних рішень і обладнання для утилізації відходів” ( № ДР 0194U025879); „Проведення систематизації та наукове обгрунтування техноло-гічних рішень і розробка комплексу технічних засобів для механізованої технології вермикомпос-тування на відкритих майданчиках” (№ ДР 0197U013837).

Мета роботи - підвищення ефективності виробництва товарного біогумусу і біомаси до- щових черв’яків на основі механізації технологічних процесів переробки вермикомпосту.

Завдання досліджень. Для досягнення поставленої мети сформульовані такі основні зав-дання досліджень:

- визначити фізико-механічні характеристики біогумусу;

- визначити і обгрунтувати раціональний спосіб відділення дощових червяків від вер-микомпосту, обгрунтувати технологічну і конструкційну схеми відділювача черв’яків;

- на основі теоретичних і експериментальних досліджень визначити оптимальні парамет-

ри і режими роботи відділювача черв’яків;

- визначити технологічну ефективність переробки вермикомпосту в товарний біогумус.

Об’єкт дослідженнь - механізований технологічний процес переробки вермикомпосту.

Предмет дослідженнь - технічні засоби для переробки вермикомпосту.

Методи досліджень. При вирішенні поставлених задач досліджень використано ком-плексний метод, який включає теоретичні і експериментальні дослідження. Теоретичні дослід-ження грунтуються на застосуванні теорії імовірності, математичного моделювання та теорії інженерного експерименту. Експериментальні дослідження проводилися як за загальноприйня-тими, так і за спеціально розробленими методиками на основі методів планування багатофактор-ного експерименту, обробки експериментальних даних на ЕОМ з використанням методів матема-тичної статистики і оптимізації параметрів.

Наукова новизна отриманих результатів. Удосконалено технологічний процес перероб-ки вермикомпосту. Обгрунтовано схему пристрою для відділення дощових черв’яків від верми-компосту, де характерним є використання спільної дії світла і гарячого повітря, спочатку під дією світла примушують їх занурюватися у вермикомпост, а потім під дією температури переповзати в штучно створене середовище, що підвищує ефективність роботи відділювача. Встановлено експо-ненційну залежність інтенсивності занурювання черв’яків у вермикомпост під дією світла і інтен-сивності відділення черв’яків від вермикомпосту під дією тепла від тривалості технологічного процесу. На цій основі визначено значення критерію оцінки якості виконання технологічного процесу технічним засобом, а також функціональний зв’язок між вищевказаним критерієм і кон-струкційними параметрами відділювача, що дало можливість визначити його оптимальні пара-метри і режими роботи.

Визначено фізико-механічні характеристики субстрату, вермикомпосту, товарного біогу-мусу, новизна яких полягає в тому, що вперше встановлено графічні залежності об’ємної маси, кутів обвалення і схилу та коефіцієнтів тертя стандартних фракцій біогумусу від його вологості.

В результаті проведеного енергетичного і економічного аналізів використання технічних засобів для вермикомпостування вперше: встановлено питомі енергоємкості субстрату, верми-компосту, товарного біогумусу; визначено оптимальні техніко-експлуатаційні і економічні показ-ники обладнення для переробки вермикомпосту в товарний біогумус: продуктивність, номінальне річне завантаження, балансову вартість, питому собівартість виконання технологічного процесу.

Технічна новизна розроблених технічних засобів захищена патентами України на винахо-ди № 20210 А від 15.07.97 р., № 17772 А від 20.05.96 р., №13895 А від 25.04.97 р..

Практичне значення отриманих результатів. Вперше обгрунтовано раціональну тех-нологічну схему механізованого виробництва товарного біогумусу, розроблено спосіб і пристрій для відділення дощових черв’яків від вермикомпосту, технічну новизну якого захищено патентами України на винахід, визначено оптимальні технологічні конструкційні і енергетичні параметри відділювача і розроблено методику їх інженерного розрахунку, розроблено вихідні вимоги на ком-плект обладнання для виробництва біогумусу і методику його випробувань М 46.16.20.01-94, що дає можливість проводити дослідно-конструкторські роботи.

В УкрНДІПВТ, ННЦ „ІМЕСГ” та НАУ, по замовленню Міністерства промислової політи-ки України, проводиться дослідно-конструкторська робота на тему: „ Розробка обладнання для переробки біогумусу-сирцю”, де в результаті її виконання буде виготовлено дослідні зразки облад-нання для попередньої переробки біогумусу і видалення із нього твердих предметів (метал, скло, каміння), обладнання для подрібнення і фракціонування біогумусу. Економічна ефективність від впровадження виробництва і використання товарного біогумусу складає 210 грн./га, що забезпе-чує рівень рентабельності його використання - 132%.

Особистий внесок автора. Дисертація є самостійною роботою автора. Вона базується на відомому способі переробки органічних відходів вермикомпостуванням і отримання біогумусу і біомаси дощових черв’яків. У дисертації і наукових статтях здобувачем викладено результати досліджень механізованого процесу отримання біогумусу і біомаси черв’яків, які полягають у проведенні енергетичного аналізу і визначення енергоємкостей субстрату, вермикомпосту і товар-ного біогумусу, визначенні фізико механічних характеристик субстрату, вермикомпосту і стан-дартних фракцій біогумусу, в обгрунтуванні і розробці обладнання для переробки вермикомпосту.

Обгрунтовано конструкійно - технологічну схему відділювача черв’яків від вермикомпос-ту, а також досліджено закономірності виконання ним технологічного процесу. На цій основі встановлено критерій оптимізації, а також функціональну його залежність від конструкційних па-раметрів відділювача, обгрунтовано конструкційні параметри і режими роботи відділювача.

За результатами наукових досліджень розроблено вихідні вимоги на такі технічні засоби для переробки вермикомпосту: обладнання для попередньої переробки і видалення твердих вклю-чень, подрібнювач біогумусу, обладнання для фракціонування біогумусу, відділювач черв’яків з субстратом, обладнання для сушіння біогумусу, установка для відділення черв’яків від субстрату та установка для відділення черв’яків від компосту і сушіння біогумусу.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної робо-ти доповідались на міжнародній науково-технічній конференції „Науково-технічні засади розроб-ки, випробування і прогнозування перспективної сільськогосподарської техніки і технологій” при-св’яченій 55-річчю заснування системи випробувань сільськогосподарської техніки в Україні (УкрЦВТ, 2003 р.), міжнародній науково-практичній конференції „Випробування, прогнозування і адаптація до виробничих умов вітчизняної та зарубіжної техніки і технологій для рослинництва та тваринництва” ( УкрЦВТ, 1995 р.), міжнародній науково-практичній конференції „Механізація і автоматизація технологічних процесів в молочному господарстві” ( Львівський державний аграр-ний університет, 1999 р.), міжнародній науково-практичній конференції „Універсальна мобільна енергетична модульно-блочна техніка і прогресивні технології в сільськогосподарському ви-робництві ХХІ століття” ( УкрНДІПВТ, 2001 р.)

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 15 друкованих праць в т.ч. 10 у фахових виданнях України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, вис-новків, списку літератури з 140 найменувань (з них -17 іноземною мовою) і 11 додатків. Дисерта-ція викладена на 115 сторінках комп’ютерного набору і включає 62 рисунки і 13 таблиць. Загаль-ний об’єм дисертації 176 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Cучасний стан технологій і технічних засобів для виробництва біогумусу.

Завдання дослідженнь

Наведено аналіз і класифікацію технологій і технічних засобів для одержання біогумусу. На його основі встановлено, що технологія вермикомпостування складається з таких технологіч-них процесів: підготовки субстрату (корму для черв’яків), вермикомпостування (вирощування до-щових черв’яків), переробки вермикомпосту для отримання біогумусу і біомаси черв’яків. Вста-новлено, що до типового регламенту процесу переробки вермикомпосту входять такі технологічні операції: відділення черв’яків від вермикомпосту; попередня переробка вермикомпосту, яку про-водять з метою видалення з нього твердих предметів, використовуючи віброгрохоти, пруткові елеватори і барабанні сепаратори; сушіння біогумусу, яке проводять в основному в умовах навко-лишнього середовища під навісами, іноді використовують спеціальні сушарки; подрібнення , для чого використовують фрезерні дробарки; фракціонування біогумусу яке проводять за допомогою плоских віброрешіт.

Аналіз наукових розробок показав, що значний внесок у вивченні питання переробки органічних відходів вермикомпостуванням зробили Городній М.М., Мельник І.П., Слободян В.А., Поліщук Н.Г., Шпільчак М.Б., Карпець М.П., Копелевич В.А., Ігонін А.М., Канівець Г.Е., Hennuy B., Qaspar C., Uelendy S., Reinecke A.Y. та інші.

Теоретичні розробки по обгунтуванню конструкційно-технологічних параметрів техніч-них засобів: віброгрохотів, пруткових елеваторів, сушильного обладнання, обладнання для подріб-нення грудок, обладнання для фракціонування сипучих матеріалів, які використовуються в техно-логії вермикомпостування, подаються в роботах Горячкіна В.П., Лурьє А.Б., Петрова Г.Д., Лєто-шева М.М., Кльоніна Н.І., Гладкова Н.Г, Олександрова В.І., Турбіна В.Г. та інших.

Узагальнення теоретичних та експериментальних даних дозволило встановити, що на да-ний час відсутнє наукове обгрунтування ефективної механізованої технології виробництва біогу-мусу, а також його фізико-механічних характеристик. Теоретичні та експериментальні розробки не мають наукового підтвердження доцільності вибору того чи іншого механізованого способу відділення дощових черв’яків від вермикомпосту; конструкційно-технологічні характеристики відділювачів мало вивчені. Крім того, в літературі відсутні дослідження по визначенню комплек-сного зв’язку між конструкційними та технологічними параметрами технічних засобів відділення черв’яків від вермикомпосту.

Необхідність вирішення цих питань обумовила мету і завдання наукових досліджень.

Розділ 2. Теоретичні дослідження з обгрунтування схеми та конструкційно-техно-

логічних параметрів технічного засобу для відділення червяків від вермикомпосту

На основі проведеного аналізу літературних і патентних джерел встановлено, що верми-компост з черв’яками є складним середовищем за складом і фізико-механічними властивостями, тому досягти високої ефективності відділення черв’яків від вермикомпосту механічним способом неможливо. Крім того, визначені тенденції розвитку способів і пристроїв для відділення черв’яків від вермикомпосту, які полягають у створенні у вермикомпості несприятливих умов для їх існу-вання. В розглянутих схемах даних пристроїв зовнішніми чинниками, які створюють у вермиком-пості несприятливі для червяків умови, є тепло, світло, холод, вода, вібрація. В основу конструк-ційно-технологічної схеми відділювача використано винахід Жигунова В.М., Крюкова А.Ф. (а.с.СРСР №№685251, 888892) , за яким у вермикомпості несприятливі умови для черв’яків ство-рюють одночасно світлом, холодним повітрям і ворушилкою. В прийнятій схемі нового пристрою для відділення черв’яків від вермикомпосту є характерним використання світла і гарячого повітря, причому вплив на поверхню вермикомпосту виконують спочатку світлом – для занурення черв’я-ків у вермикомпост, щоб зменшити негативний вплив гарячого повітря, а потім - теплом (рис. 1).

Робота відділювача характерна тим, що на стрічку конвейєра 1 з бункера дозатора 3 наси-пається вермикомпост з черв’яками шаром певної товщини. Стрічка конвейєра повинна бути виго-товлена таким чином, щоб забезпечити переповзання черв’яків в піддони для збору біомаси. Вер-микомпост переміщують в освітлювальну камеру 4. Черв’яки, які знаходяться на поверхні, під дією світла занурюються в субстрат, після чого вермикомпост потрапляє в термокамеру, де нагріте теплогенератором 5 повітря створює у вермикомпості несприятливі умови для черв’яків. Черв’яки під дією температури переповзуть в піддони для їх збору. Після відділення черв’яків вермиком-пост вивантажується в бункер-нагромаджувач, а тепле повітря з термокамери повертається в теп-логенератор для його нагрівання до заданої температури.

В конструкційній схемі відділювача для механізованого видалення дощових черв’яків ви-користано поперечний транспортер 9 з імітатором компосту. Імітатор виконаний у вигляді пру-жинних ниток з кульками на протилежних кінцях, які закріплені до зовнішньої поверхні стрічки транспортера. В бункері-нагромаджувачі черв’яків знаходиться вода. Частина нижньої вітки попе-речного транспортера занурюється у воду, а спеціальною щіткою 10 черв’яки вичісуються з імі-татора в бункер – нагромаджувач 8. Вода служить для охолодження стрічки транспортера.

Аналіз досліджуваних процесів механізованого відділення червяків від вермикомпосту показав, що ці процеси можна розглядати як випадкові величини, які протікають у часі. Розгядаючи дані процеси як вірогідності складних подій, визначено ступінь відділення дощових черв’яків від вермикомпосту :

(1)

де - ступінь вмісту червяків у вермикомпості, %; - коефіцієнт відділення; ;

- маса відділених черв’яків, кг; - маса вермикомпосту з черв’яками, кг.

Для обгрунтування оптимальних режимів роботи відділювача - освітленості і температу-ри То в освітлювальній камері, температури в термокамері Тm2, швидкості руху конвейєра 0, пито-мих витрат гарячого повітря L і продуктивності П; конструкційних параметрів: довжини освітлю-вальної і термокамер L0 , LT , ширини конвейєра в, питомих витрат тепла gnк, коефіцієнта ко-рисної дії термокамери К - за критерій оцінки якості виконання технологічного процесу занурювання черв’яків у вермикомпост прийнято ступінь занурювання з , а для процесу від-ділення черв’яків від вермикомпосту – ступінь відділеня в.

Спостереженнями за процесом відділення червяків встановлено, що в початковий момент часу інтенсивність відділення рівна 0. Далі під дією зовнішіх чинників , з затримкою часу від по-чатку його дії , інтенсивність відділення буде зростати, до тих пір поки основна маса червяків не відділиться. Після цього інтенсивність буде спадати і прямувати до нуля (рис.2). На основі ана-лізу процесів занурювання черв’яків під дією світла і переповзання їх в інше середовище під дією тепла прийнято наукову гіпотезу про те, що інтенсивність цих процесів визначається рівнянням:

. (2 )

Проінтегрувавши функцію (2), визначено залежність ступеня занурення черв’яків у верми-компост, а також їх відділення від вермикомпосту від тривалості проходження процесу (рис.2):

, (3 )

де t-тривалість проходження процесу, с, хв, год;-коефіцієнти (визначаються експерименталь-ним методом); - період, який характеризується тривалістю дії зовнішнього чинника на черв’яків до початку проходження технологічного процесу (занурювання черв’яків у вермикомпост, пере-повзання черв’яків в інше середовище), с, хв, год; Ф0 – функція Лапласа.

На основі рівняння (3) отримано функціональний зв’язок від параметрів відділювача: L0 , LT , 0 , в, h, П, який визначається наступними формулами:

- для процесу занурювання черв’яків в вермикомпост:

, (4) , (5)

- для процессу відділення черв’яків від вермикомпосту:

, (6)

, (7)

Отримано залежність швидкості поперечного транспортера n (м/с) від довжини стрічки LTР (м) і маси захопленої води в розрахунку на одиницю площі стрічки транспортера mв (кг/м);

, (8)

де - коефіцієнт тепловіддачі від повітря до води, Вт/м2.К; - температура навколишнього се-редовища, К; Тв1 - початкова температура поверхні транспортера, К; Тв2 - температура нагрівання поверхні транспортера, К; - питома теплоємність води, Дж/кг.К; .

Виведено формули для розрахунку конструкційних параметрів відділювача:

- довжина освітлювальної камери, (м): ; (9)

- швидкість конвейєра, (м/с): ; (10)

- довжина термокамери, (м): ; (11)

де - час впливу світлом, необхідний для занурення черв’яків у вермикомпост, с; П- продуктив-ність відділювача, кг/с;- об’ємна маса вермикомпосту, кг/м3; h - товщина шару вермикомпосту, м; в – ширина шару вермикомпосту, м; - тривалість температурного впливу на черв’яків, с; , де - час, необхідний для створення несприятливих умов у вермикомпості, с; - час, необхідний для переповзання черв’яків через щілини конвейєра в інше середовище, с;

- швидкість руху поперечного транспортера, (м/с):

. (12)

Отримано основне рівняння теплового балансу термокамери:

, (13)

на основі якого виведено формули для розрахунку таких показників:

- питомих витрат тепла, (Дж/м3. с):

, (14)

де – коефіцієнт тепловтрат в повітромагістралі;

- питомих витрат гарячого повітря:

, (15)

- коефіцієнта корисної дії термокамери:

. (16)

де L - питомі витрати гарячого повітря, м3/с; - тепловміст повітря на вході в термокамеру, Дж/м3; - тепловміст атмосферного повітря, Дж/м3; - питома теплоємкість сухого вермиком-посту, Дж/кг.К; - вологість вермикомпосту до термокамери і після неї, %;- питома тепло-ємність води, Дж/кг.К; , Т2 – температура вермикомпосту відповідно на вході і виході термока-мери, град; - коефіцієнт теплопровідності стінок термокамери, Вт/м.К; -товщина стінок термо-камери, м; F - загальна площа стінок термокамери, м2; - температура гарячого повітря, К.

Розділ 3. Експериментальні дослідження технологічних процесів відділення

черв’яків від вермикомпосту, фракційного складу біогумусу і його

фізико-механічних показників

Програмою експериметнальних досліджень передбачено:

- вивчити фракційний склад біогумусу;

- визначити об’ємну масу, кути обвалення і схилу, та значення коефіцієнтів тертя субстрату, вермикомпосту, біогумусу, а також його фракцій в залежності від вологості;

- визначити оптимальні режими роботи відділювача черв’яків від вермикомпосту: товщину шару вермикомпосту, температуру повітря в освітлювальній камері, освітленість на поверхні вермикомпосту, температуру повітря в термокамері, а також значення коефіцієнтів , , формул (2-7) для опитамального режиму роботи відділювача черв’яків від вермикомпосту;

- визначити оптимальні значення в , з ;

- обгрунтувати оптимальні параметри відділювача: швидкість конвейєра, довжину освітлю-вальної і термокамер, ширину конвейєра, швидкість поперечного транспортера, питомі витрати тепла, питомі витрати гарячого повітря, коефіцієнт корисної дії термокамери.

В процесі проведення експериментальних досліджень фракційного складу біогумусу, на основі даних академіка Городнього М.М. (1990), що в західних країнах біогумус розділяють на 3 фракції за величиною гранул: найдрібніша – 0,1-0,3 мм, дрібна 0,3-0,7 мм і крупна більше 0,7 мм, в інших країнах, в т. ч. країнах СНГ ці фракції значно крупніші - відповідно до 1 мм, до 2 мм і до 3 мм, одержаний біогумус був фракціонований на 7 фракцій: менше 0,1; 0,1 - 0,3; 0,3 - 0,7; 0,7 - 1,0; 1,0 - 2,0; 2,0 - 3,0; та більше 3,0. Кожна фракція підлягала дослідженням на вміст азоту, фосфору, калію, гумусу, копролітів, клітковини та реакції середовища за методикою М 46.16.20.01-94 .

Отримані результати досліджень по вивченню фракційного складу біогумусу співпадають з рекомендаціями академіка Городнього М.М. про доцільність виробництва біогумусу з розмірами гранул до 1, 2 і 3 мм, які є вихідними даними для розрахунків і проектування обладнання для фрак-ціонування біогумусу. В результаті експериментальних досліджень фізико-механічних властивос-тей біогумусу, вермикомпосту і субстрату визначено показники (табл.1), які застосовувались при проведенні розрахунків конструкційних параметрів технічних засобів для переробки біогумусу-сирцю при виконанні дослідно-конструкторської роботи в УкрНДІПВТ. Схема експеримен-тальних досліджень для визначення параметрів технологічного процесу відділення черв’яків прий-нята у відповідності з матрицями планування експериментів. Для вирішення поставлених завдань була виготовлена експериментальна установка, на якій відпрацьовані технологічні режими проце-су відділення черв’яків від вермикомпосту технічним засобом.

Таблиця 1.

Показник | Біогумус | Вермикомпост | Субстрат

Вологість, % | 40-50 | 70-75 | 70-80

Об’ємна маса, кг/м3 | 678 | 670 | 550

Кут обвалення, град. | 30 | 90 | 90

Кут схилу, град. | 28,5 | 60 | 65

Коефіцієнти тертя:

внутрішнього | 0,68 | 0,71 | 0,63

по металу | 0,59 | 0,70 | 0,68

по деревині | 0,72 | 0,95 | 0,87

по пластмасі | 0,71 | 0,79 | 0,64

по склу | 0,77 | 0,90 | 0,76

Фізико-механічні показники біогумусу, вермикомпосту, субстрату

В результаті лабораторних досліджень з використанням експериментальної установки виз-

начено оптимальну температуру вермикомпосту ТВ = 15-25 оС і на трьох рівнях керованих факторів Т0 = 10, 20, 40 оС, = 50, 200, 800 лк, Тm2 =60, 80, 100 оС, h =15, 30, 45 мм при тривалості занурення черв’яків у вермикомпост tЗ = 3 хв і тривалості процесу відділення tВ = 1,33 год отримано числові моделі з вихідними параметрами З (ТО, ), (Тm2, h):

; (17)

. (18)

Поверхні відгуку в (Тm2, h) (рис.3 а), З (ТО, ) (рис.3 б) мають випуклий характер з зоною максимуму ТО = 20 оС, = 200 лк, Тm2 = 80 оС , h = 30 мм. Використовуючи двомірні перетини (рис.3 в,г), встановлено, що найбільш раціональними режимами роботи відділювача є ТО=20-30 оС, = 200-300 лк, Тm2 = 80-90 оС, h = 30-35 мм, при яких забезпечується оптимум З і в.

Для визначення значення критерія оцінки роботи відділювача З , в за даними експери-ментальних досліджень побудовано емпіричні залежності , , , , за якими аналітично за методом найменших квадратів визначено коефіцієнти . Для процесу занурювання черв’яків у вермикомпост отримано значення коефіцієнтів . Для процесу відділення черв’яків - =0,11, З урахуванням залежностей (2), (3), математичні моделі цих процесів будуть мати вигляд: для про-цессу занурювання черв’яків:

; (19)

(20)

для процесу відділення:

(21)

(22)

в) г)

Рис.3. Поверхні відгуку показників якості відділення черв’яків від вермикомпосту: а – ступеня відділення черв’яків від вермикомпосту; б – ступеня занурення черв’яків у вермиком-пост; в, г – двомірні перетини парних взаємодій Тm2, h; ТО, .

Рис.4. Залежності коефіцієнта занурювання черв’я-ків у вермикомпост , і інтенсив-ності , від трива-лості процесу:

, - емпіричні функції;, - теоре-тичні функції.

-

За графіками (рис.4, 5) визначено, що параметри З = в = 0,9-0,95. На основі формул (5), (7), (20), (22) отримано функціональні залежності З і в від L0, LТ, в, h, П, 0 :

(23)

(24)

(25)

(26)

За формулами (23) (24) побудовано графіки з вихідними параметрами З (L0 ,0), в (LТ,0), а також двомірні перетини парних взаємодій L0 ,0 , LТ,0 на З і в (рис. 6). Також встановлено, що для кожного заданого значення L0, LТ відповідає мінімальне і максимальне значення,0min ,0max при якому забезпечується оптимум З = в = 0,90 – 0,95. Для обгрунтування значень L0 , LТ, а також 0min ,0maх використано систему рівнянь:

Пmin = 0min в h

Пmax = (0min + 0) в h (22)

де Пmin, Пmax – раціональні значення продуктивності відділювача - Пmin = 0,139 кг/с (500 кг/год),

Пmax = 0,278 кг/с (1000 кг/год), див. табл.2; 0 = 0maх - 0min = 0,0035 м/с (12,5 м/год), див.

рис. 6 г; h =0,03 м; -=670 кг/м3 (табл. 1).

Розв’язком даної системи відносно в і 0min є оптимальні значення вopt =2 м, а також раціональні значення: 0maх =0,0035 м/с (12,5 м/год), 0min = 0,007 м/с (25 м/год). Після чого за рис. 6 в,г визначено оптимальну довжину освітлювальної і термокамери L0 opt = 0,4 м, LТ opt = 30 м.

в) г)

Рис. 6. Графіки залежностей: а - З (L0 ,0); б - в (LТ,0); в,г – їх двомірні перетини парних взаємодій L0 ,0; LТ,0 на З і в .

За формулою (8) встановлено, що на величину швидкості поперечного транспортера для видалення черв’яків суттєво впливають і mв . Графічним методом n ( , mв) в межах варіювання = 0 – 10 м з інтервалом 2м і mв = 0,050 – 0,500 кг/м2 з інтервалом 0,050кг/м2 визначено раціональні значення довжини стрічки поперечного транспортера від місця виходу його з води до конвейєра - = 1,5 – 2м, масу захопленої води в розрахунку на одиницю площі стрічки транспортера - mв = 0,25 – 0,4 кг/м2 , при яких швидкість поперечного транспортера - n = 0,01 – 0,015 м/с (36 – 58 м/год).

При роботі відділювача на режимах з продуктивністю 0,139 - 0,278 кг/с (по вермикомпос-ту) на основі отриманих результатів за формулами (14-16) визначено, що для підтримання темпе-ратури в термокамері 80-90 С питомі витрати тепла складають gnк = 19, 371 – 36,107 кДж/с, витра-ти гарячого повітря L = 1,9 – 3,6 м3/с, коефіцієнт корисної дії термокамери К = 0,82 – 0,88.

Розділ 4. Впровадження і ефективність механізованої переробки

вермикомпосту в товарний біогумус

Для визначення техніко-експлуатаційних і економічних показників обладнання для переробки вермикомпосту проведено розрахунки за критерієм оцінки: оптимальна собівартість виконання технологічної операції. Отримано залежності питомих витрат на виконання технологіч-ної операції, з (грн./т) від продуктивності, П (т/год) і балансової вартості обладнання, Б (грн).

- для відділювача черв’яків з субстратом:, (23)

- для відділення черв’яків від субстрату:, (24)

- для сушарки біогумусу:, (25)

- для обладнання для видалення твердих предметів: , (26)

- для відділювача дощових черв’яків від вермикомпосту і сушіння біогумусу:

, (27)

- для подрібнювача біогумусу:, (28)

- для обладнання фракціонування біогумусу:, де К = 0,00054. (29)

За результатами аналізу вищеприведених моделей графічним методом встановлено техніко-експлуатаційні і економічні показники обладнання (табл.2).

Встановлено, що механізовані технології вермикомпостування доцільно використовувати для багатотоннажного виробництва біогумусу без використання високотемпературного сушіння в вермигосподарствах потужністю не менше 1000 тонн на рік, що забезпечує собівартість отримання біогумусу в межах від 67,45 до 135,05 грн/т. Використання високотемпературного сушіння підвищує енергоємкість біогумусу в 20-30 разів.

Таблиця 2

Техніко-експлуатаційні та економічні показники обладнання

для переробки вермикомпосту в товарний біогумус

Назва обладнання | Продуктив-ність, т/год | Номінальне річне заван-

таження, т | Балансова вартість, тис. грн. | Питомі витрати,

грн/т.

1.Відділювач дощових черв’яків з

субстратом | 3 - 5 | 1050 - 1750 | 30 - 50 | 9,7 – 19,8

2.Відділювач дощових черв’яків від

субстрату | 0,5 – 1,0 | 350 - 700 | 100-150 | 120 – 300

3.Відділювач черв’яків з сушінням біогумусу | 0,5 - 1 | 350 - 700 | 100 - 150 | 190 – 433

4.Сушарка біогумусу | 0,5 – 1,0 | 350 - 700 | 100 - 150 | 187 – 429

5.Обладнання для попередньої переробки і

відділення твердих предметів | 10 - 15 | 7000 - 10500 | 30 - 50 | 1,41 – 3,19

6. Подрібнювач біогумусу | 5 - 10 | 3500 - 7000 | 30 - 50 | 2,19 – 6,54

7. Обладнання для фракціонування біогумусу | 5 - 10 | 3500 - 7000 | 30 - 50 | 2,17 – 6,50

Енергетичним аналізом встановлено, що значення енергоємкості отримання біогумусу залежить від прийнятої технологічної схеми. В результаті чого визначено, що енергоємкість субстрату знаходиться в межах 0,638-0,686 МДж/кг, вермикомпосту – 0,909-0,987 МДж/кг, біогумусу 2,070-61,740 МДж/кг, а також встановлено коефіцієнти енергетичної ефективності механізованої технології вермикомпостування: для отримання субстрату - 1,43; вермикомпосту - 1,53 і товарного біогумусу - 1,98. Визначено коефіцієнти енергетичної ефективності використання вермикомпосту - 4,31 , товарного біогумусу - 2,70 та при локальному внесенні товарного біогумусу - 20,29.

В результаті виробничого впровадження в ВТБ “Дослідницьке” при локальному внесенні біогумусу під цукровий буряк в дозі 750кг/га отримано підвищення врожайності на 41ц/га в порів-нянні контролем без добрив. Економічна ефективність внесення біогумусу становила 210 грн./га, що забезпечує рівень рентабельності його використання – 132%.

ВИСНОВКИ

На основі виконаної роботи, присвяченої механізованій переробці вермикомпосту для отримання товарного біогумусу, можна зробити такі висновки:

1. Встановлено, що питанням механізованого відділення черв’яків від вермикомпосту не приділяється належна увага. Теоретичні та експериментальні розробки по обгрунтуванню конс-трукційно-технологічних параметрів технічних засобів для переробки вермикомпосту: подрібню-вачів, сушильного обладнання, обладнання для фракціонування, подаються в роботах Горяч- кіна В.П.,. Петрова Г.Д., Лурьє А.Б., Лєтошева М.М., Кльоніна Н.І., Турбіна В.Г. та ін..

Вермикомпост з черв’яками є складним середовищем за складом і фізико-механічними

властивостями, тому досягти високої ефективності відділення черв’яків від вермикомпосту меха-нічним способом неможливо. Внаслідок цього тенденція розвитку способів і пристроїв для відді-лення черв’яків від вермикомпосту полягає в розробці технічних засобів, які створюють у верми-компості несприятливі умови для їх існування за допомогою зовнішніх чинників (тепла, холоду, води, вібрацій), що змушує їх переповзати в штучно створене середовище.

2. Для прийнятої конструкційно-технологічної схеми нового пристрою для відділення чер-в’яків від вермикомпосту характерним є використання спільної дії світла і гарячого повітря. З ме-тою зняття негативного впливу на черв’яків спочатку дією світла примушують їх занурюватися у вермикомпост, а потім дією температури переповзати в штучно створене середовище, що підви-щує ефективність роботи відділювача.

3. Досліджено закономірність виконання технологічного процесу відділювачем, в результа-ті чого виявлено експоненційну залежність інтенсивності занурювання черв’яків у вермикомпост (2), (19) під дією світла і інтенсивності відділення черв’яків від вермикомпосту під дією тепла (2), (21) від тривалості технологічного процесу t . На цій основі для обгрунтування критерія якості виконання технологічного процесу технічним засобом отримано основні залежності ступенів зану-рення черв’яків у вермикомпост і відділення їх з вермикомпосту з і в від t (3), (20), (22), що дало можливість визначити функціональний взаємозв’язок з і в між параметрами відділювача (23-26).

4. Експериментальним шляхом, за критеріями оцінки з і в max, з використанням дво-мірних перетинів встановлено, що оптимальними режимами роботи відділювача є температура в освітлювальній камері – 15-25 С, освітленість поверхні вермикомпосту - 200-300 лк, температу-ра в термокамері – 80-90 С і товщина шару вермикомпосту – 30-35 мм. На основі визначених факторів встановлено значення з і в = 0,9-0,95. Підвищення температури в термокамері вище 100 С негативно впливає на ефективність відділення.

5. За критерієм оцінки з і в = 0,9-0,95 встановлено оптимальні конструкційні параметри відділювача: довжина освітлювальної камери – 0,4 м, довжина термокамери – 30 м, ширина конвейєра –2 м, швидкість конвейєра – 0,0035 - 0,007 м/с (12,5-25 м/год), при яких забезпечується оптимальна продуктивність відділювача – 0,139 - 0,278 кг/с (500-1000 кг/год) по вермикомпосту.

6. Визначено довжину стрічки транспортера для видалення черв’яків з відділювача від місця виходу його з води до конвейєра –1,5-2,0 м, масу захваченої води в розрахунку на одиницю площі стрічки поперечного транспортера – 0,2 – 0,35 кг/м2 , швидкість поперечного транспортера -0,01-0,015 м/с (36-58м/год).

7. Встановлено, що для забезпечення температурного режиму в термокамері – 80-90 С для відділювача продуктивністю 0,139 - 0,278 кг/с питомі витрати тепла складуть 19,371 – 36,107 кДж/с, витрати гарячого повітря – 1,9 – 3,6 м3/с, коефіцієнт корисної дії термокамери – 0,82 – 0,88.

8. На підставі досліджень фракційного вскладу біогумусу і його фізико-механічних властивостей встановлено: вихідними даними для розрахунків і проектування обладнання для фракціонування є товарний біогумус розміром гранул до 1 мм, до 2 мм та до 3 мм; об’ємна маса, кути обвалення і схилу, коефіцієнти тертя суттєво залежать від його вологості. Визначено значення вищевказаних показників, що дало можливість використовувати відомі методики розрахунку параметрів обладнання для переробки вермикомпосту при проведенні дослідно-конструкторської роботи в УкрНДІПВТ.

9. На основі залежності питомих витрат на виконання технологічної операції відділення черв’яків від вермикомпосту від продуктивності відділювача і його балансової вартості, визначено раціональну продуктивність відділювача – 500 – 1000 кг/год і його балансову вартість -100-150 тис. грн., що забезпечує питомі витрати на виконання технологічної операції відділення черв’яків від вермикомпосту – 120-300 грн/т.

10. Встановлено, що механізоване виробництво товарного біогумусу є економічно доціль-ним у вермигосподарствах потужністю не менше 1000 т на рік, а використання високотемператур-ного сушіння підвищує енергоємкість товарного біогумусу в 20 разів. Питомі витрати на виконан-ня технологічної операції технічним засобом лінійно залежать від його балансової вартості і мають нелінійну залежність від продуктивності технічного засобу. Слід відмітити, що прийняття продук-тивності на етапі розробки обладнання меншою за оптимальну, суттєво підвищує величину пито-мих витрат на виконання технологічної операції технічним засобом. Завищення продуктивності технічного засобу, від його оптимальної, суттєво не впливає на ефективність його роботи. Визна-чено оптимальну продуктивність обладнання для переробки вермикомпосту. А також розроблено технологічну схему механізованої переробки біогумусу, що забезпечує енергоємкість виробниц-тва товарного біогумусу – 2,0 - 2,1 МДж/кг, питомі витрати складуть в межах 67,45 – 135,05 грн/т.

11. Експериментальне впровадження механізованої технології виробництва і використання товарного біогумусу в ВТБ „Дослідницьке” дало прибавку врожаю коренеплодів цукрових буря-ків 41 ц/га, що забезпечило економічний ефект 210 грн./га та рівень рентабельності 132%.

Список опублікованих

наукових праць за темою дисертації

1.

2.

3. Сенчук М.М. Вивчення процесу відділення черв’яків від вермикомпосту // Техніко-технологіч-

ні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України: Збірник наук. пр./УкрНДІПВТ.- Вип.1.-Дослідницьке, 1998.-С.151-154.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України: Збірник наук. пр./ УкрНДІПВТ.- Вип.3.-Дослідницьке, 2000.-С.132-138.

9.

10.

11.

12.

13.

14.