COMMENT LES LOIS DE LA PHYSIQUE POSENT LE DÉFI ET LA SOLUTION POUR LE STOCKAGE À LONG TERME DU LISIER DANS UN FLEXXOBAG
En moyenne, une vache produit environ 100 kilogrammes d’urine et de fumier par jour [1]. L’urine et le fumier d’une vache (ou d’un porc) peuvent être utilisés pour la fertilisation naturelle des terres. Avec une moyenne d’environ 80 vaches par exploitation laitière [2], des solutions sont nécessaires pour stocker ces grandes quantités d’urine et de fumier. Le Flexxobag est une solution durable et rentable pour le stockage de fluides, principalement le lisier du bétail, dans de grands volumes allant jusqu’à 7000 m³. Il convient également pour les matières sèches et les digestats à haute teneur en matières sèches (max 7%). En cas de besoin, le lisier peut être pompé du sous-sol de l’étable dans le Flexxobag. Avec le temps, la gravité attire les particules solides et lourdes vers le fond du sac. Il est donc difficile de faire sortir le contenu par pompage lorsque l’agriculteur décide de l’utiliser pour ses terres. Ce défi peut être résolu par l’utilisation de brasseurs. Les brasseurs mettent le fumier en mouvement et soulèvent les particules solides.
Que pouvons-nous apprendre de la chute des particules et comment pouvons-nous utiliser ces informations pour améliorer nos produits et nos services ? Les ingénieurs Maarten Steggink et Martin Nieuwmeijer ont effectué une recherche pour en savoir plus à ce sujet et expliquer les résultats dans ce blog.
Les objectifs du mélange sont les suivants :
- Mettre le lisier en mouvement ;
- Atteindre une vitesse qui érode le contenu solide immergé ;
- Maintenir une vitesse qui maintient le contenu en suspension.
Afin d’obtenir les meilleurs résultats de mélange, une configuration et un réglage corrects des brasseurs sont nécessaires. Comme il n’est pas possible de déterminer visuellement la qualité du mélange en raison de la taille, de la profondeur et de la non-transparence du liquide, les simulations CFD sont le meilleur moyen de donner des conseils sur le mélange. Dans le domaine de l’hydrologie, beaucoup d’efforts ont été consacrés à l’examen du fonctionnement des rivières. Un phénomène que l’on retrouve dans les rivières sont l’érosion et le transport de sédiments de l’amont vers l’aval dans la trajectoire de la rivière. Les deux principales caractéristiques qui déterminent ce phénomène sont la vitesse de l’eau dans la rivière et la taille des particules des matériaux érodés. Pour une certaine taille des particules qui sont érodées/transportées, une vitesse minimale est nécessaire. Le travail du géographe suédois Filip Hjusltröm met en relation ces deux conditions [3]. Nous pouvons conclure des travaux de Hjulström que nous avons deux objectifs en ce qui concerne le mélange du lisier:
- Maximiser la vitesse d’écoulement du flisier dans le Flexxobag ;
- Maximiser la zone qui atteint une vitesse d’écoulement supérieure à 0,5 m/s.
Comme le lisier ne se comporte pas comme l’eau, nous avons d’abord examiné ses caractéristiques et les avons intégrées dans notre modèle de simulation. Les principales différences qui sont importantes dans ces cas sont, la densité et la viscosité du lisier. [4] De ces simulations dans Comsol Multiphysics, on peut conclure qu’un mélangeur conventionnel, par exemple au milieu ou concentrique, ne donne pas les meilleurs résultats.
À titre d’exemple, nous montrons deux configurations qui sont souvent utilisées sur le marché « conventionnel ».
La figure 1 ci-dessus montre Flexxobag de 1000 m³ avec un mélangeur de 11 kW au centre. Cette configuration a une vitesse moyenne de « seulement » 0,34 m/s et la surface totale mélangée où la vitesse >0,5 m/s est « seulement » de 27%.
Sur la base de ces simulations, nous avons constaté que (dans les mêmes conditions, telles que la taille du Flexxobag, le type de mélangeur, etc.) une position et une orientation améliorées du mélange pourraient faire passer la vitesse moyenne à 0,53 m/s (+56%) et la surface mélangée à 51% (+89%). Une configuration avec deux mélangeurs dont la position et l’orientation sont optimisées permet d’augmenter la vitesse moyenne à 0,97 m/s et la surface de mélange suffisante à 79 %.
La figure 2 montre un Flexxobag à lisier de 7000 m³ avec du fumier de vache et comprend 5 mixeurs de 11 kW. Notre simulation montre que cette configuration a une vitesse moyenne de 0,7 m/s et une surface mélangée qui atteint une vitesse >0,5 m/s de 74%. Cette configuration nécessite 55 kW et un investissement élevé en mélangeurs et en équipements auxiliaires.
Dans notre configuration améliorée, également utilisée dans un Flexxobag à lisier de 7000 m³ et des mélangeurs de 11 kW, nous avons appris, grâce à l’optimisation de notre simulation, que de meilleurs résultats peuvent être obtenus avec l’utilisation de seulement 3 mélangeurs. En modifiant le positionnement et la géométrie, nous pouvons atteindre une vitesse moyenne de 1,01 m/s et une zone de mélange où la vitesse >0,5 m/s est de 87%. Il en résulte une bien meilleure performance de mélange pour une consommation d’énergie et un investissement réduits de 40%.
Dans notre configuration améliorée, également utilisée dans un Flexxobag à lisier de 7000 m³ et des mélangeurs de 11 kW, nous avons appris, grâce à l’optimisation de notre simulation, que de meilleurs résultats peuvent être obtenus avec l’utilisation de seulement 3 mélangeurs. En modifiant le positionnement et la géométrie, nous pouvons atteindre une vitesse moyenne de 1,01 m/s et une zone de mélange où la vitesse >0,5 m/s est de 87%. Il en résulte une bien meilleure performance de mélange pour une consommation d’énergie et un investissement réduits de 40%.
Bien que la CFD soit souvent appelée « Colors For Directors », ces calculs de dynamique des fluides par ordinateur sont très utiles pour optimiser le mélange dans les grands s Flexxobag à lisier.
Par: Maarten Steggink, BSc Physique appliquée ; Martin Nieuwmeijer, MSc Génie chimique ; Laura Nieuwmeijer, BSc Génie industriel et gestion.
Références
[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.
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