HOE DE WETTEN VAN DE FYSICA DE UITDAGING ÉN DE OPLOSSING VORMEN VOOR LANGDURIGE, SLIMME MESTOPSLAG IN EEN FLEXXOBAG
Gemiddeld produceert een koe ongeveer 100 kg urine en mest per dag [1]. De urine en mest van een koe (of varken) kan worden gebruikt voor de natuurlijke bemesting van het land. Met een gemiddelde van ongeveer 80 koeien per (melk)veebedrijf [2] zijn oplossingen nodig voor de opslag van deze grote hoeveelheden urine en mest. De Flexxobag is een duurzame en kostenefficiënte oplossing voor de opslag van vloeistoffen, voornamelijk mest van vee, in grote volumes tot 7000 m³. Indien nodig kan de mest vanuit de stalkelder in de opslagzak worden gepompt. Wanneer de tijd verstrijkt, trekt de zwaartekracht de vaste en zware deeltjes naar de bodem van de zak. Dit maakt het een uitdaging om de inhoud eruit te pompen, als de boer besluit deze voor zijn land te gebruiken. Deze uitdaging kan worden opgelost door het gebruik van mixers. De mixers brengen de mest in beweging en tillen de vaste deeltjes op.
Wat kunnen we leren van het zinken van deze deeltjes en hoe kunnen we die informatie gebruiken om onze producten en service te verbeteren? Ingenieurs Maarten Steggink en Martin Nieuwmeijer hebben niet alleen slimme oplossing voor mestopslag, maar hebben hier ook onderzoek naar gedaan om er meer over te weten te komen. De uitkomsten (onder andere) zijn in dit blog te lezen.
Doelstellingen voor het mixen zijn:
1. Het in beweging zetten van de mest;
2. Het bereiken van een snelheid die de verzonken vaste stof erodeert;
3. Het handhaven van een snelheid die de inhoud in beweging houdt.
Om de beste mixresultaten te krijgen, is een juiste configuratie en opstelling van de mixers nodig. Omdat visuele bepaling van de mengkwaliteit niet mogelijk is door de grootte, diepte en ondoorzichtigheid van de vloeistof, zijn CFD-simulaties de beste manier om te adviseren over het mixen. Om het gedrag van de deeltjes in bewegende vloeistoffen te simuleren, hebben we gekeken naar de natuur. Op het gebied van hydrologie is er veel moeite gedaan om het functioneren van rivieren te onderzoeken. Een fenomeen dat in rivieren wordt aangetroffen, is de erosie en het transport van sedimenten van stroomopwaarts naar stroomafwaarts gelegen locaties in het traject van de rivier. De twee belangrijkste kenmerken die dit fenomeen bepalen zijn de watersnelheid in de rivier en de deeltjesgrootte van het geërodeerde materiaal. Voor een bepaalde grootte van de deeltjes die worden geërodeerd/getransporteerd is een minimumsnelheid nodig. Het werk van de Zweedse geograaf Filip Hjusltröm brengt deze twee condities met elkaar in verband [3].
Uit het werk van Hjulström kunnen we concluderen dat we twee doelen hebben met het mixen van mest:
1. Het maximaliseren van de stroomsnelheid van de mest in de zak;
2. Maximaliseren van het gebied dat een stroomsnelheid van meer dan 0,5 m/s bereikt.
Omdat mest zich niet hetzelfde gedraagt als water, hebben we eerst de eigenschappen ervan onderzocht en deze in ons simulatiemodel geïmplementeerd. De belangrijkste verschillen die in deze gevallen van belang zijn, zijn de dichtheid en de viscositeit van de mest. [4]
Uit deze simulaties in Comsol Multiphysics kan worden geconcludeerd dat een conventionele mixeropstelling, bijvoorbeeld in het midden of concentrisch, niet de beste resultaten geeft.
Ter illustratie tonen we twee configuraties zoals die vaak worden gebruikt in de ‘conventionele’ markt.
Figure 1 hierboven toont een mestzak van 1000 m³ met in het midden een menger van 11 kW. Deze configuratie heeft een gemiddelde snelheid van ‘slechts’ 0,34 m/s en het totale gemengde oppervlak waarbij de snelheid >0,5 m/s ‘slechts’ 27% is.
Op grond van onze optimalisaties concludeerden we dat (bij dezelfde condities zoals zakformaat, type mixer etc.) een verbeterde mixerpositie en -oriëntatie de gemiddelde snelheid tot 0,53 m/s (+56%) en het gemengde gebied tot 51% (+89%) zou kunnen verhogen. Een configuratie met twee mixers met geoptimaliseerde positie en oriëntatie verhoogt de gemiddelde snelheid tot 0,97 m/s en het voldoende gemengde oppervlak tot 79%.
Figure 2 toont een mestzak van 7000 m³ met koeienmest en bevat 5 mixers van 11 kW. Onze simulatie laat zien dat deze conventionele configuratie een gemiddelde snelheid van 0,7 m/s heeft en een gemengd gebied dat een snelheid >0,5 m/s van 74% bereikt. Deze configuratie vereist 55 kW en een hoge investering in mixers en hulpapparatuur.
In onze verbeterde opstelling, ook gebruikt in een mestzak van 7000 m³ en 11 kW mengers, leerden we door onze simulatie-optimalisatie dat met slechts 3 mixers significant betere resultaten kunnen worden behaald. Door het veranderen van de positionering en de geometrie kunnen we een gemiddelde snelheid van 1,01 m/s bereiken en een menggebied waar de snelheid >0,5 m/s 87% is. Dit resulteert in een veel betere mengprestatie bij 40% minder stroomverbruik en 40% minder investering.
Waar de zwaartekracht de uitdaging vormt om een mestzak volledig te kunnen legen, vinden we onze oplossing in het toepassen van de kennis die we hebben opgedaan over het gedrag van mestdeeltjes. Op basis hiervan geven we het juiste advies over mixerconfiguraties in een Flexxobag.
Hoewel CFD vaak ‘Colors For Directors’ wordt genoemd, zijn deze Computational Fluid Dynamics-berekeningen zeer nuttig bij het optimaliseren van het mixen in grote mestzakken.
Door: Maarten Steggink, BSc Applied Physics; Martin Nieuwmeijer, MSc Chemical Engineering; Laura Nieuwmeijer, BSc Industrial Engineering & Management
Referenties
[1] Biologische Koeien. (2014, december 2). Extracted from TU Delft Open Research.
[2] Feiten en cijfers Nederlandse veehouderij. (2019, january 15). Extracted from Melkveebedrijf
[3] The Hjulström Curve of River Erosion, Transportation and Deposition. (2019, july 7).
[4] Physical properties of Dairy Manure Pre- and Post-Anaerobic Digestion. Applied Sciences. (2019, July 3) Wang c.s.
Neem contact met ons op voor hulp en advies uw mestopslag in grote zakken te optimaliseren.
