Pipeline Transportation of Livestock Waste Slurries - Rheological Properties and Effects of Air Injection
Doctoral thesis
Published version
Permanent lenke
http://hdl.handle.net/11250/2606965Utgivelsesdato
1996Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Hovedmålet med det forskningsarbeidet som presenteres her var å bestemme strømningsegenskapene til bløtgjødsel fra gris og storfe. Videre har hensikten vært å bestemme hvilken virkning injeksjon av luft i væskestrømmen hadde på strømningsegenskapene til disse gjødseltypene. Forhåpentligvis er dette et bidrag til forbedring av dimensjoneringsgrunnlaget for rørledninger til transport av flytende husdyrgjødsel.
Under gjennomgangen av tidligere forskning innenfor området "strømningsegenskaper til husdyrgjødsel" ble det klart at det var tildels store uovensstemmelser mellom resultatene til de forskjellige forskerne. Disse uoverensstemmelsene kan forklares med at de gjødseltypene som sammenlignes bare tilsynelatende er sammnelignbare. Dette fordi forsøksmetode og forsøksutstyr er mangelfult beskrevet.
Første del av mitt arbeide hadde som hovedhensikt å bidra til den grunnleggende forståelsen av de reologiske egenskapene til bløtgjødsel fra gris og storfe. Resultatene hadde betydning for den strategi som ble valgt for det videre arbeidet. To-fase strøm av husdyrgjødsel og luft ble undersøkt for å finne ut om luftinjeksjon væskestrømmen kunne ha samme skjærtynnende virkning som hastighetsøkning. Det ble utført eksperimenter med vann, grisegjødsel(< 3,5% TS (Tørrstoff)) og storfegjødsel (< 3,5% TS) med og uten injeksjon av luft i et apparat kalt "Tubular Loop Aerator" (TLA). TLA kan kort beskrives som en lang rørledning med pumpe, gassinjeksjonsutstyr og et væskereservoar. Væsken pumpes rundt i rørledningen og trykket måles i fler punkter. Eksperimentene med vann ble gjort for å sjekke at utstyret fungeret som det skulle, og for å sammenligne resultater fra en væske med kjente egenskaper med resultatene fra husdyrgjødselforsøkene. Det ble konstatert at Lockhart-Martinellis ligninger beskriver trykkgradienten for to-fase strøm av vann og luft på en tilfredsstillende måte.
Lockhart-Martinelli transformasjonen ble også brukt til å sammenligne trykktap ved pumping av husdyrgjødsel med forskjellig TS-innhold, og ulike mengder luftinnblanding. Det ble gjort noen få observasjoner (ikke statistisk signifikante) hvor trykktapet til to-fase strøm var mindre enn der gjødsla strømmet alene. Alle disse observasjonene ble gjort for storfegjødsel (2-3% TS) ved lav strømningshastighet (0,5 mis), og mindre enn 2% luftinnblanding (vol./vol.). For grisegjødsel med mindre enn 3.5% TS ble det ikke gjort noen observasjoner hvor trykktapet for to-fase strøm var lavere enn trykktapet hvor gjødsla strømmet alene.
Resultatene fra eksperimentene i TLA apparatet viste at de reologiske egenskapene til husdyrgjødsel lett kan undersøkes ved å måle trykktapet i en rørledning når gjødsla strømmer gjennom. Siden TLA apparatet bare hadde ett rør, og dette ikke var mer enn 40,2 mm i diameter, var det ikke mulig å gjøre eksperimenter med gjødsel som inneholdt mer enn ca. 4% TS. Det var også problemer med å bruke disse resultaten til å beregne trykktapet i rørledinger med andre dimensjoner.
For å undersøke strømningsegenskapene til husdyrgjødsel nermere ble det bygget et storskala rørviskosimenter. Viskosimeteret ble utformet for å måle trykkgradienter til væsker med forholdsvis høyt innhold av suspendert materiale. Det var nødvendig å kunne prøve mange strømningshastigheter i flere rørdimnsjoner. Viskosimeterets målestrekninger besto av rette, horisontale plastrør (PVC, Polyvinylchloride). Også i andre deler av viskosimeteret, som ventiler, tilførselsledinger etc. ble det brukt PVC. De dimensjonene som ble brukt ble ansett for å være typiske for anlegg til transport av husdyrgjødsel. Viskosimeteret besto av fire rør med følgende innerdiametere: 38,1 mm, 50,8 mm, 76,2 mm og 101,6 mm. Det ble også montert utsyr som gjorde det mulig å injisere luft i væskestrømmen.
For å sjekke at viskosimeteret fungerte tilfredsstillende ble det utført forsøk med vann, tilsvarende testene av TLA apparatet. Videre var det nødvendig å ha data fra en væske med kjente egenskaper til sammenligning av resultatene av forsøkene med husdyrgjødsel. Trykktapet for vann ved ulike strømningshastigheter ble målt i de fire rørene som viskosimeteret besto av, og resultatene ble ansett for å være i god overensstemmelsemed det som produsenten oppgav.
Det ble foretatt trykktapsmålinger for følgende væsker: vann, grisegjødsel ( < 4,4% TS) og storfegjødsel (< 5,5% TS), med og uten injeksjon av luft. Eksperimetene ble utført med volumstrømmer som variert i intervallet fra 120 I/min til 700 I/min. Det ble injisert luft i væskestrømen som tilsvarte omtrent 1 %, 2%, 4% og 6% volum luft per volum væske, beregnet ved injeksjonspunktet.
Skjærspenningen ved rørveggen og nominell skjærrate ble beregnet på bakgrunn av sammenhørende verdier av trykkgradient og volumstrøm. Strømningskurvene for alle væskene ble tegnet (et diagram hvor skjærspenning er inntegnet som en funksjon av skjærrate kalles et reogram, eller en strømningskurve). Strømningskurvene for husdyrgjødslene ble slakere ettehvert som TS-innholdet øket. Resultatene av disse målingene viser at det er en sterk sammenheng mellom gjødslas TS-innhold og strømningsegenskaper. De væskene som ble undersøkt her, gir alle en kaskade av strømningskurver, som er en av kriteriene for å bruke Lord et al. sin modell for trykktapsberegninger. Det ble vist at Lord et al. prodedyren for å skalere opp trykktapsmålinger for en ikke-Newtonsk væske, også kan benyttes for husdyrgjødsel.
For å sammenligne trykktap for to-fase strøm av væske og luft ble det brukt en modifisert utgave av Lins modell. Denne modellen bygger på den metoden som Lockhart og Martinelli utledet og viste seg å være egnet til formålet og gi akseptable resultater. Det bør imidlertid understrekes at de antagelsene som modellen bygger på er diskutable.
Med bakgrunn i hele det arbeidet som er gjort kan man trekke følgende konklusjoner: 1. Det er ingen signifikante bevis for at injeksjon av luft i væskestrømmen reduserer trykktapet for de husdyrgjødseltypene som er prøvet, selv om det er indikasjoner på at man rar en slik effekt for høye innhold av TS. 2. Lockhart-Martinelli og en modifisert utgave av Lins modell er egnede metoder til å uttrykke virkningene av luft injeksjon i væskestrømmen. 3. Det er vist at Lord et al. sin oppskalerings prosedyre også kan brukes til å beregne røranlegg for husdyrgjødseltransport. The main objectives of the work reported here were to determine flow properties of pig and cattle slurries, and measure the effects that injection of air into the flowing fluid had on the flow properties. This will hopefully contribute to the refinement of design procedures for pipeline transportation of slurries, taking into account the range of rheological characteristics usually encountered with pig and cattle slurries.
A study of research literature, covering the flow properties of slurries, revealed considerable disagreements between the findings of the various researchers. These disagreements may be explained by the fact that the slurries compared are only apparently comparable. It is essential to view and use data from different investigations with caution, particularly where complete details of their test procedures and equipment are not available.
The first part of the work reported here, describes work whose objective was to gain some understanding of pig and cattle slurries' rheological properties. The results of this work had importance for the selection of strategy for further investigations into the matter. Two-phase flow of slurry and air was investigated to find out whether air injected in the pipework could possibly gi ve the same shear-thinning effects as pumping at higher speed.
Experiments were done with water, pig slurries (< 3.5% TS (Total Solids)) and cow slurries (< 3.5% TS) with and without air injection in a Tubular Loop Aerator (TLA) apparatus. Tests with water were undertaken to check the apparatus and to compare results to those of slurries. The pressure gradients for two-phase flow of water and air is de se ri bed satisfactorily by the Lockhart-Martinelli correlations.
The Lockhart-Martinelli transformation was also used to compare slurries of different TS-content and different air injection rates. There were a few observations (but no significant evidence) for two-phase pressure drop being less than the pressure drop for single-phase flow of slurry. These observations were related to cow slurry (2-3% TS) at low flow speed (0.5 mis) and less than 2% air (vol./vol.) injected. Pig slurry containing less than 3.5% TS showed no reduction in pressure loss due to air injection. All observations showed increased pressure losses for two-phase flow of pig slurry and air.
The results of the work in the TLA apparatus showed that the rheological properties of animal waste slurries easily could be investigated measuring the pressure drop in a pipeline section when the slurry flows through it. Anyway, the TLA had only the option of one pipe diameter and that pipe was only 40.2 mm (ID). This made it impossible to investigate slurries containing more than 4% TS or unseparated slurries containing long fibrous material. There are also problems involved in scaling-up the results to make useful predictions for larger pipes.
To make further investigations, a large-scale pipeline ( capillary) viscometer was developed. The viscometer was designed to measure pressure gradients of fluids with a relatively high concentration of suspended solids at various flow rates, in pipes of different diameters. The viscometric test sections (capillaries) and other parts of the pipeline were constructed from PVC (Polyvinylchloride) plastic pipes. The material and sizes used were considered typical of those found in many commercial slurry transport systems both for intemal transport in farm buildings and for long distance transport. The intemal diameters of the viscometric pipes were 38.1 mm, 50.8 mm 76.2 mm and 101.6 mm. Equipment for injection of air into the fluid flow was also fitted to the viscometer.
To investigate the hydrodynamic characteristics of the viscometer, and get data from a fluid with known behaviour for comparison to the results of slurries, ordinary tap water was used. Pressure gradients were measured in the four viscometric capillaries at various flow rates. The results obtained were found to be in reasonable agreement with those published by the manufacturers.
The work reported here includes experiments with water, pig slurries (< 4.4% TS) and cow slurries (< 5.5% TS) with and without air injection. Pressure gradients were measured in the four viscometric capillaries at a range of flow rates from 120 l/min to 700 l/min. Air was injected into the fluids at rates of approximately 1 %, 2%, 4%, and 6% (vol./vol.) calculated at the point of injection.
Corresponding values of differential pressure and flow rate were converted into values of wall shear stress and nominal shear rate and the flow curves for the fluids were plotted. All slurries tested had more gently sloped flow curves than water. The flow curves for slurries got more gently sloped as the TS-content increased. The results point out a strong influence of TS-content on flow behaviour. The fluids studied here produced a diameter family of curves, being one of the criteria for using the model of Lord et al. The principles of the Lord et al. scale-up procedure were developed for the design of slurry pipelines.
A modified version of the model first suggested by Lin, which is a development of the method suggested by Lockhart and Martinelli, has been shown to be useful for comparison of pressure drops for combined flows of liquid and air. However, the assumptions behind the model are questionable.
Overall, the key findings arising from the work were: 1. that air injection