Numerisk simulering av strömningsfältet i enkelhuvudigt spiralutextruderingsavvattningskanal med avbrottna tänder

Att förvandla gödsel till en hanterbar resurs

På stora gårdar utgör stora mängder våt djurgödsel en daglig utmaning: den luktar, är svår att transportera och kan förorena vatten vid felaktig hantering. En lovande lösning är skruvbaserade maskiner som pressar ut vattnet och lämnar kvar ett torrare, lättare att hantera fast ämne. Denna studie använder avancerade computersimuleringar för att granska insidan av en sådan maskin i detalj och ställer en praktisk fråga med stora konsekvenser för gården: vilken skruvform och vilket avstånd mellan dess ”tänder” ger bäst och mest stabil avvattningsprestanda?

Hur en pressande skruv renar slam

Den undersökta apparaten är en skruvextruderingsseparator. Lös gödsel matas in i ena änden av ett cylindriskt rum som innehåller en roterande metallskruv. När skruven vrider sig pressar dess skärmar materialet framåt och mot ett perforerat filter. Vatten sipprar ut genom filtret och samlas upp, medan de förtjockade partiklarna pressas mot ett utloppsöppning. Genom att justera konstruktionsdetaljer som hur hårt materialet pressas, hur snabbt det rör sig och hur ofta skärmarna avbryts av mellanrum kan ingenjörer ställa in hur torrt utgående material blir och hur jämnt maskinen arbetar.

Varför avbrutna tänder och avsmalnande axlar spelar roll

I stället för en enkel, kontinuerlig spiral fokuserar forskarna på en ”avbrottnad design”, där korta skruvsektioner separeras av små mellanrum. Dessa avbrott förändrar hur gödseln klumpar sig, saktar ner och accelererar, vilket i sin tur påverkar hur vattnet pressas ut. De jämför två huvudsakliga axelformer: en rak cylinder och en försiktigt smalnande kon, båda utrustade med samma mönster av avbrutna skärmar. För vardera testar de flera mellanrumsavstånd mellan skruvsektionerna. Genom att följa hur partiklar rör sig, hur tätt de packas och hur trycket byggs upp längs kanalen visar de hur subtila geometrival översätts till verklig separeringseffektivitet.

Insyn med virtuella experiment

Det är nästintill omöjligt att titta in i en fungerande gödselpress, så teamet använder numerisk simulering. De behandlar gödseln som en blandning av vatten och små fasta partiklar och använder en Euleriansk multifasflödesmodell, ett standardverktyg inom beräkningsfluiddynamik. Med en detaljerad 3D-modell av maskinen simulerar de flödet genom olika skruvdesigner och övervakar hur den lokala fasta andelen, partikelhastigheten och trycket förändras längs valda linjer och tvärsnitt. För att kontrollera att den virtuella modellen är realistisk jämför de dess prognoser med mätningar från en verklig skruvpress. Den simulerade torrheten vid utloppet skiljer sig med mindre än 10% från experimenten, vilket betraktas som god överensstämmelse för en så komplex blandning.

Att hitta den optimala designen

Simuleringarna visar att axelns form och tandavstånd tillsammans styr hur jämnt materialet rör sig och hur torrt det blir. I raka cylindriska axlar stiger andelen fasta ämnen i presszonen på ett ryckigt, vågliknande sätt, med märkbar ansamling och risk för igensättning nära filtret. Ett mellanrum på 40 millimeter mellan avbrutna sektioner ger bäst balans: fasta ämnen vid utloppet når cirka 48% i volym och flödet är stabilare än vid kortare eller längre mellanrum. När axeln är konisk och gradvis smalnar mot utloppet förbättras bilden. Den fasta andelen ökar jämnare, trycket förblir högre och mer stabilt och partiklar tenderar inte att staplas upp. Här framträder återigen ett 40 millimeters mellanrum som bästa alternativ och ger cirka 55% fasta ämnen vid utloppet och relativt jämn utsläpp, medan för små mellanrum inte ger materialet tillräckligt med tid under tryck för att avvattnas fullt ut.

Praktiska slutsatser för renare gårdar

För lantbrukare och utrustningstillverkare är budskapet klart och praktiskt: att använda en svagt avsmalnande skruv med avbrutna skärmar och ett mellanrum på cirka 40 millimeter kan avsevärt öka torrheten och stabiliteten i gödselseparering jämfört med en rak axel. Torrare fasta ämnen är lättare att lagra, transportera och använda som gödsel, medan jämnare inre flöde minskar igensättning och slitage. Genom att visa hur små geometriska förändringar påverkar det dolda flödet i maskinen erbjuder denna studie en vägledning för att utforma mer effektiva och pålitliga separatorer som hjälper till att förvandla ett rörigt avfallsproblem till en hanterbar resurs.

Citering: Na, R., Wang, N., Ma, S. et al. Numerical simulation of flow field in single-head broken-tooth spiral extrusion dewatering channel. Sci Rep 16, 5011 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36029-9

Nyckelord: gödselavvattning, skruvpressseparator, multifasflödessimulering, cylindrisk vs konisk skruv, hantering av jordbruksavfall