Problemy Inżynierii Rolniczej i Leśnej. IV Konferencja
Transkrypt
Problemy Inżynierii Rolniczej i Leśnej. IV Konferencja
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie IERII PROD YN CJI UK DZIAŁ IN WY Ż WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI IV KONFERENCJA MIĘDZYNARODOWA XVIII KONFERENCJA NAUKOWA STUDENTÓW PROBLEMY INŻYNIERII ROLNICZEJ I LEŚNEJ Warszawa, 3 czerwca 2009 Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI IV KONFERENCJA MIĘDZYNARODOWA XVIII KONFERENCJA NAUKOWA STUDENTÓW PROBLEMY INŻYNIERII ROLNICZEJ I LEŚNEJ Warszawa, 3 czerwca 2009 Dzień Wydziału Inżynierii Produkcji 2009 XVIII Krajowa Konferencja Naukowa Studentów IV Konferencja Międzynarodowa „Problemy Inżynierii Rolniczej i Leśnej” PATRONAT HONOROWY Minister Rolnictwa i Rozwoju Wsi Marek Sawicki JM Rektor Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Prof. dr hab. Alojzy Szymański PATRONAT MEDIALNY Komitet Organizacyjny: Dr inż. Szymon Głowacki Inż. Edyta Orzechowska Opracowanie: Dr inż. Szymon Głowacki Inż. Edyta Orzechowska Materiały wydane na prawach rękopisu. Spis treści inż. Leszek Adamus, prof. dr hab. inż. Aleksander Lisowsk WŁAŚCIWOŚCI WYTRZYMAŁOŚCIOWE ŚLAZOWCA PENSYLWAŃSKIEGO .. 7 Joanna Antosiewicz, Piotr Borowski ZNACZENIE OCENY PRACOWNIKÓW W ROZWOJU ZASOBÓW LUDZKICH PRZEDSIĘBIORSTWA........................................................................................... 13 Miroslav Belán, Marek Kasina, Miroslav Janák PROPERTIES OF HIGH SPEED STEELS PARTS PREPARED VIA POWDER METALLURGY FOR AGRO-FOREST ENGINEERING ........................................ 22 Stanislav Buch, Zuzana Palková NÁVRH A REALIZÁCIA 3D SCANNERA .............................................................. 28 Inż. Igor Cieśla, dr inż. Szymon Głowacki ANALIZA PAKIETU KLIMATYCZNEGO 3X20 WDRAŻANEGO W POLSCE ..... 36 Vladimír Cviklovič MICROPROCESSOR BATTERY MONITOR ......................................................... 42 inż. Joanna Chodkowska; dr inż. Arkadiusz Gendek OCENA PRAWIDŁOWOŚCI ŚCINKI DRZEW PRZEZ OPERATORÓW WYKONUJĄCYCH PRACE NA TERENIE NADLEŚNICTWA CHOJNÓW NA PODSTAWIE PARAMETRÓW PNIAKA ................................................................ 46 inż. Magdalena Dąbrowska, prof. dr hab. inż. Aleksander Lisowski BADANIE ROZKŁADU DŁUGOŚCI CZĄSTEK ROŚLIN ENERGETYCZNYCH PRZEZNACZONYCH NA BRYKIETY ................................ 55 Aleksandra Derlicka, prof.dr hab. Edmund Kamiński ROZPYLENIE I UGNIATANIE GLEBY PODCZAS ZABIEGÓW AGROTECHNICZNYCH ......................................................................................... 61 Катерина В. Ефименко ТЕХНИКА НА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ .................................................................................. 69 Veronika Fečová, Adriána Tarasovičová, Zuzana Šomšáková EFFICIENTLY MANUFACTURING OF HOLES FEATURES FOR AGRICULTURAL MACHINES ............................................................................... 81 , E.Urkan dr. H.Guler THE NEW TECHNIQUES IN REDUCING PESTICIDE DRIFT .............................. 88 Mehmet Evrenosoğlu Harun Yalçın A STUDY ON THE OPERATIONAL CHARACTERISTICS OF HARVESTING MECHANIZATION SYSTEMS OF CORN FOR SILAGE ....................................... 99 Ersin Karacabey THE SELECTION OF ELEMENTS COMPOSING FOSSIL FUEL AND GEOTHERMAL HEATING SYSTEMS IN GREENHOUSES AND COMPARISON OF THESE SYSTEMS IN POINT OF COSTS ...................................................... 108 4 Кормщиков А.И., Ахмаров Ф.И. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ДРЕВЕСНОЙ ЗЕЛЕНИ ....................................................................................... 123 Anna Kulhankova, Vlastimil Altmann PRODUCTION OF BIOLOGICAL MUNICIPAL WASTE FROM CONSUMER SECTOR ............................................................................................................... 128 Katarzyna Luboińska, dr inż. Dariusz Czekalski PLANOWANIE ENERGETYCZNE NA PRZYKŁADZIE MIASTA-GMINY KISIELICE ............................................................................................................. 136 Málek Michael, Šařec Ondřej PROJECT OF SUITABLE IMPLEMENTS AND TECHNOLOGIES FOR TRACTORS OF OVER 250 KW OF ENGINE POWER ....................................... 146 inż. Karolina Małożewska, dr inż. Adam Maciak WPŁYW NAPIĘCIA WSTĘPNEGO PIŁY ŁAŃCUCHOWEJ NA EFEKTY SKRAWANIA ........................................................................................................ 152 Michajło Olijnyk BADANIE MOŻLIWOŚCI TECHNOLOGICZNE UZYSKANIA WARSTWĘ TWARDEGO STOPU METODĄ ISKRY ELEKTRYCZNEJ NA POWIERZCHNI FUNKCJONALNE NARZĘDZIA SZLIFIEREK Z UZYSKANIEM WKAZNIKÓW TECHNOLOGICZNYCH. ...................................................................................... 162 Овечкина И.А., Мартинсон Е.А. БЕЗОТХОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ДИКОРАСТУЩЕГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ С ПОЛУЧЕНИЕМ ШИРОКОГО СПЕКТРА БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ПРЕПАРАТОВ ................................................ 168 Luboš Passian, Miroslav Přikryl MECHANICAL DURABILITY – WAY FOR JUDGING PELLET STABILITY ...... 173 Bogusław Pieczykolan PROJEKT BUDOWY INSTALACJI KOLEKTORÓW SŁONECZNYCH W DOMU JEDNORODZINNYM ............................................................................................ 179 Jacek Sałamaj, Adam Koniuszy UKŁAD KOGENERACJI ENERGII Z WYKORZYSTANIEM BIOPALIW DO ZASILANIA SILNIKA AD3.152UR ................................................................. 186 Łucja Szadujkis, dr inż. Jarosław Chlebowski BADANIA PARAMETRÓW PRACY PULSATORA ............................................. 196 inż. Beata Szereszewiec, inż. Elżbieta Szereszewiec, dr inż. Jacek Brzózko OCENA PRZEBIEGU PROCESU TECHNOLOGICZNEGO POZYSKIWANIA DREWNA Z OBSZARU POKLĘSKOWEGO ....................................................... 206 Agnieszka Szpura, prof. Edmund Kamiński AGREGATY DO SIEWU BEZPOŚREDNIEGO ZBÓŻ ........................................ 218 Ondrej Takáč - Pavol Bystriansky VODNÁ ENERGIA AKO ZDROJ ELEKTRICKEJ ENERGIE .............................. 227 5 Jakub Turtoń, Adam Koniuszy MOŻLIWOŚĆ ZASTOSOWANIA ESTRÓW OLEJU RZEPAKOWEGO RME W UKŁADZIE SMAROWANIA SILNIKA AD3.152UR……………………………..…235 inż. Izabela Witek, dr.inż. Szymon Głowacki BADANIE PROCESU SUSZENIA RÓŻY ENERGETYCZNEJ W KONWEKCJI SWOBODNEJ ....................................................................................................... 245 inż. Andrzej Wojewoda, prof. dr hab. inż. Aleksander Lisowski PARAMETRY BIOMETRYCZNE ROŚLIN KUKURYDZY ODMIANY INAGUA.. 255 Сергій Жуль, Михайло Кожушко, Петро Бальковський ІНЖЕНЕРНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ВИРОБНИЧО-ПЕРЕРОБНОГО КОМПЛЕКСУ В ГОСПОДАРСТВІ .............................................................................................. 262 6 inż. Leszek Adamus, prof. dr hab. inż. Aleksander Lisowski Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW w Warszawie WŁAŚCIWOŚCI WYTRZYMAŁOŚCIOWE ŚLAZOWCA PENSYLWAŃSKIEGO Wstęp W ostatnich latach zarówno w Polsce, jak i na świecie nastąpił znaczny wzrost zainteresowania alternatywnymi źródłami energii. Z zastosowania tego rodzaju energii wynikają korzyści dla lokalnych społeczności, zwiększa się poziom bezpieczeństwa energetycznego, stwarza się szansę powstania nowych miejsc pracy oraz poprawiają się warunki ekologiczne, wynikające z ograniczenia emisji dwutlenku węgla, które są ważne i bezcenne w długofalowej strategii rozwoju społeczeństwa (Janowicz 2007). Nakłady na odnawialne źródła energii, w tym również na biomasę rolniczą uważane są za długoterminowe inwestycje o najniższym stopniu ryzyka. Jednym z alternatywnych źródeł energii do bezpośredniego spalania w postaci zrębków, peletów czy brykietów jest biomasa ze ślazowca pensylwańskiego. Ścinanie i zginanie roślin podczas ich zbioru oraz przy dalszej obróbce ponowne cięcie i rozdrabnianie, a także zagęszczenie materiału roślinnego poprzez ściskanie wymaga zużycia energii (Woliński i Wolińska 2007), ale brak jest pełnych informacji o właściwościach mechanicznych roślin energetycznych. Celem pracy jest zbadanie sił potrzebnych do deformacji łodyg ślazowca pensylwańskiego podczas ich zginania, ściskania i ścinania. Badania wykonano w Katedrze Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW w Warszawie. Materiał i metodyka badań Do badań wykorzystano po 25 łodyg o trzech zakresach wilgotności 8,16, 20,40 i 25,90%. Wilgotność materiału roślinnego wyznaczono metodą suszarkowo-wagową. Dla każdej łodygi wykonano pomiary biometryczne. Z łodygi wycięto trzy 20 centymetrowe odcinki, których środki znajdowały się na wysokościach około 10, 60 oraz 110 cm. Części pędów zważono na wadze elektronicznej z dokładnością 0,01 g, a pomiary liniowe wykonano przymiarem wstęgowym z dokładnością 1 mm (długość) i suwmiarką cyfrową z dokładnością 0,01 mm (średnica łodygi). Badania prowadzono na maszynie wytrzymałościowej typu TRIAtest. Maszyna charakteryzuje się zakresem pomiarowym zawierającym się w przedziale od 10 N do 10 kN. Błąd pomiaru wynosi ±1% w zakresie od 1 od 100% zakresu pomiarowego stosowanej głowicy. Zakres pomiarowy drogi wynosi od 0 do 1000 mm, przy skoku co 0,02 mm. Ustawiana cyfrowo płynna regulacja prędkości ruchu głowicy zawiera się w przedziale od 10 do 7 100 mm·min-1. Dokładność pomiaru prędkości ruchu głowicy wynosi ±5%. Maszyna jest sterowana programem komputerowym Matest. Umożliwia on ustawienie siły wstępnej, długości początkowej, wybór wartości prędkości ruchu głowicy podczas badania, kryteria zakończenia próby, przesunięcie punktu zerowego, kryteria drogi dla wydłużenia wzdłużnego oraz podanie wymiarów próby i wartości pośrednie. Za pośrednictwem tego programu wyniki badania i krzywe pomiarowe mogą być zapisywane na dysku twardym komputera bądź bezpośrednio drukowane na dołączonej drukarce. Do pomiarów wykorzystano różne rodzaje uchwytów, dostosowane do rodzaju obciążenia (rys. 1). Do pomiaru zginania zastosowano dwie podpory rozstawione w odstępie 60 mm oraz metalowy trzpień, za pomocą którego wywierano nacisk na próbkę z prędkością 10 mm·min-1. Przy pomiarze ściskania zastosowano stempel o prostokątnej podstawie o wymiarach 25x50 mm. Próbka była ściskana prędkością 10 mm·min-1. Do pomiaru cięcia zastosowano stalowy nóż o szerokości 60 mm i kącie ostrza 30o. Próbki mocowano w regulowanym uchwycie. Pomiary ścinania wykonano z prędkością 5 mm·min-1. Przed każdym pomiarem na maszynie wytrzymałościowej mierzono średnicę łodygi, której wartość wpisywano do programu sterującego. Rysunek 1. Sposób wykonania pomiarów zginania, ściskania i ścinania łodyg ślazowca pensylwańskiego Wyniki badan i dyskusja Z wyników pomiarów biometrycznych pędów roślin ślazowca pensylwańskiego wynika, że średnia masa pędu wynosiła 113,94 g, w tym masa łodygi 93,92 g, co stanowiło 82% całkowitej masy. Pędy miały średnią długość 2413,7 mm i charakteryzowały się dość dużą smukłością, gdyż średnica łodygi przy podstawie wynosiła 17,95 mm, a na wysokości 2000 mm – 4,47 mm. Zginanie Przebiegi zmian siły zginającej dla trzech stref wysokości łodygi i dla trzech wilgotności materiału roślinnego przedstawiono na wykresach zginania w funkcji deformacji łodygi (rys. 2-4). Mimo wystąpienia pewnych rozbieżności, wynikających z losowości właściwości mechanicznych łodyg, można 8 zaobserwować określone tendencje zmian w przebiegach siły zginającej od odkształcenia dla różnych warunków badań. Największe, maksymalne siły wystąpiły podczas zginania dolnej części łodyg, niezależnie od wilgotności. 600 500 Siła, N 400 300 200 10 cm 60 cm 110 cm 100 0 0 2 4 6 8 10 Odkształcenie, mm Rysunek 2. Wykres zginania łodygi na różnych wysokościach dla wilgotności 8,16% 600 500 Siła, N 400 300 200 10 cm 60 cm 110 cm 100 0 0 2 4 6 Odkształcenie, mm 8 10 Rysunek 3. Wykres zginania łodygi na różnych wysokościach dla wilgotności 20,40% 600 500 Siła, N 400 300 200 10 cm 60 cm 110 cm 100 0 0 2 4 6 8 10 Odkształcenie, mm Rysunek 4. Wykres zginania łodygi na różnych wysokościach dla wilgotności 25,90% Im mniejsza była wilgotność, tym siła potrzebna do zgięcia łodyg była większa. Dynamika zmian wytrzymałości łodyg na zginanie była w większym 9 stopniu zależna od wilgotności niż od strefy wysokości łodygi, która była zbieżna z jej średnicą. Największe różnice w odporności na zginanie łodyg w zależności od ich strefy wysokości zaobserwowano przy wilgotności najmniejszej 8,165 (rys. 2) i największej 25,90% (rys. 4). Sciskanie Wpływ wilgotności i stref wysokości łodyg na przebieg charakterystyk wytrzymałościowych przy ściskaniu był podobny jak przy zginaniu, ale różnice w przebiegach sił ściskających w funkcji deformacji były mniejsze (rys. 5-7). 600 500 Siła, N 400 300 200 10 cm 60 cm 110 cm 100 0 0 0,5 1 1,5 2 Odształcenie, mm 2,5 3 Rysunek 5. Wykres ściskania łodygi na różnych wysokościach dla wilgotności 8,16% 600 500 Siła, N 400 300 200 10 cm 60 cm 110 cm 100 0 0 0,5 1 1,5 2 Odkształcenie, mm 2,5 3 Rysunek 6. Wykres ściskania łodygi na różnych wysokościach dla wilgotności 20.40% 600 500 Siła, N 400 300 200 10 cm 60 cm 110 cm 100 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Odkształcenie, mm Rysunek 7. Wykres ściskania łodygi na różnych wysokościach dla wilgotności 25,90% 10 Ścinanie Największe siły ścinania wystąpiły podczas cięcia łodyg o najmniejszej wilgotności oraz dla najniższej strefy wysokości od podłoża – 10 cm (rys. 8). Znacznie mniejszych sił wymagało przecięcie łodyg o wilgotności 20,40% (rys. 9) i nieco mniejszych przy największej 25,90% (rys. 10). 1600 1400 Siła, N 1200 1000 800 600 10 cm 60 cm 110 cm 400 200 0 0 5 10 15 Odkształcenie, mm Rysunek 8. Wykres ścinania łodygi na różnych wysokościach dla wilgotności 8,16% 1600 1400 Siła, N 1200 1000 800 600 10 cm 60 cm 110 cm 400 200 0 0 5 10 Okształcenie, mm 15 Rysunek 9. Wykres ścinania łodygi na różnych wysokościach dla wilgotności 20,40% 1600 1400 Siła, N 1200 1000 800 600 10 cm 60 cm 110 cm 400 200 0 0 5 10 Odkształcenie, mm 15 Rysunek 10. Wykres ścinania łodygi na różnych wysokościach dla wilgotności 25,90% 11 Charakterystyki wytrzymałościowe nie są jednoznaczne, co świadczy o braku jednorodności budowy łodygi i wskazuje na potrzebę dokładniejszego śledzenia wyników prób wytrzymałościowych oraz odrzucania skrajnych wyników badań. Przebiegi zmian siły ścinającej od odkształcenia dla wilgotności 8,16 i 20,4% są podobne, ale wartości bezwzględnie są niemal 3krotnie większe dla łodyg o mniejszej wilgotności. Strefa dolna łodyg charakteryzowała się wyraźnie większymi wartościami sił ścinania, a pozostałe dwie – środkowa i górna – miały podobne przebieg, o zbliżonej dynamice zmian siły w funkcji odkształcenia. Wnioski 1. Wytrzymałość łodyg na zginanie, ściskanie i cięcie zmniejszała się wraz z wysokością rośliny. 2. W strefie ścinania roślin, na wysokości około 10 cm od podłoża, łodygi miały najmniejszą podatność na zginanie, stawiają największe opory przy przecinaniu i ściskaniu, gdyż są najbardziej zdrewniałe. 3. Siły potrzebne do zginania, ściskania oraz ścinania łodyg rosną wraz ze spadkiem wilgotności rośliny, gdyż wraz ze zmniejszaniem się wilgotności zwiększa się udział tkanki włóknistej i zdrewniałej, które stawiają większy opór niż tkanka miękiszowa. 4. Z wyników badań można sformułować zalecenie iż najkorzystniejszym terminem do obróbki materiału roślinnego jest okres bezpośrednio po zbiorze roślin ślazowca pensylwańskiego, kiedy mają one największą wilgotność. Produkowanie peletów lub brykietów może się odbywać dopiero po wstępnym wysuszeniu materiału roślinnego. Konieczne są jednak dodatkowe badania, z uwzględnieniem zapotrzebowania energetycznego na poszczególne operacje. Bibliografia 1. JANOWICZ L., 2007: Biomasa rolnicza na cele energetyczne. Agromechanika, 5: 50-52. 2. WOLIŃSKI J., WOLIŃSKA J., 2007: Ocena właściwości mechanicznych łodyg gryki odmian Hruszowska, Luba i Panda. Inżynieria Rolnicza, 7: 243-247. 12 Joanna Antosiewicz, Piotr Borowski Katedra Organizacji i Inżynierii Produkcji Wydział Inżynierii Produkcji Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego ZNACZENIE OCENY PRACOWNIKÓW W ROZWOJU ZASOBÓW LUDZKICH PRZEDSIĘBIORSTWA Streszczenie Ocena pracy zajmuje główne miejsce w procesie zarządzania zasobami ludzkimi - odgrywa dużą rolę w procesach odnoszących się do kierowania ludźmi, a także przy tworzeniu warunków umożliwiających osiągnięcie wysokiego poziomu satysfakcji zawodowej pracownika1. Ułatwia też zdobycie wielu cennych informacji, które można wykorzystać w zarządzaniu personelem oraz służy menedżerom jako pomoc przy wyznaczaniu i kontrolowaniu realizacji celów. Przełożeni oceniają swoich pracowników, aby móc sprawnie zarządzać organizacją. Prawidłowa ocena pracownika jest trudna do przeprowadzenia. Jednak odpowiednio zaplanowany i starannie przygotowany system oceniania, może przynieść firmie i zatrudnionym w niej pracownikom wiele korzyści. Wykorzystuje się go w wielu fazach procesu kadrowego w przedsiębiorstwie.2 Słowa kluczowe: zarządzanie personelem, ocena pracowników Wprowadzenie Ze zjawiskiem oceniania możemy się spotkać każdego dnia. Jest to proces bardzo powszechny, z którym człowiek styka się od najmłodszych lat 3. Opinie wydawane przez otoczenie wpływają na człowieka, kształtując jego wartości, zachowania w konkretnym środowisku oraz system wartości. Ocenianie wykorzystuje się również w zarządzaniu zasobami ludzkimi. W większości nowoczesnych firm do tego celu służą specjalnie zaprojektowane systemy oceny pracowników. Za jeden z najistotniejszych instrumentów polityki personalnej uważa się system okresowych ocen pracowniczych. Kwalifikacje pracowników to już nie tylko wykształcenie i staż pracy, ale 1 Z. Janowska , Zarządzanie Zasobami Ludzkimi, Polskie Wyd. Ekonomiczne, Warszawa 2002, s. 116. 2 J. Dzieńdziora, Ocenianie pracowników. Ujęcie teoretyczne i praktyczne, Oficyna wydawnicza Humanitas, Sosnowiec 2008, s.36-37. 3 E. Długosz – Truszkowska, Ocenianie pracowników [w:] Zarządzanie pracownikami, pod red. L. Zbiegień-Maciąg, AGH Uczelniane wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2002, s.83. 13 także jednocześnie kilkanaście różnych kompetencji wymaganych przez pracodawców, którymi należy właściwie zarządzać. System ocen okresowych jest procesem, który pozwala na rzetelną analizę efektów pracy, potrzeb i potencjału rozwojowego pracowników niezbędną do właściwego planowania i prowadzenia działań związanych z zarządzaniem kapitałem ludzkim4. Do podstawowych składników tego uporządkowanego i przemyślanego zbioru należą: - cele oceniania, - zasady oceniania, - kryteria oceniania, - podmioty oceniania, - przedmiot oceniania, - metody i techniki oceniania, - częstotliwość oceniania, - procedury oceniania. Aby przyjęte założenia systemu przynosiły oczekiwane rezultaty i skutecznie realizowały jego cele, podczas konstruowania systemowej procedury należy pamiętać o zasadach skutecznego oceniania, mianowicie: precyzyjne określenia przedmiotu ocen, jasność kryteriów oceniania, obiektywizacja procesu oceniania, efektywność metody. Ocena pracowników w zarządzaniu zasobami ludzkimi Ocena pracowników nie może być oceną osób ani też oceną moralną. Oceniane jest zachowanie, działania i ich skuteczność lub metody, formy zachowania czy wykonywania pewnych działań, nie formułuje się oceny dotyczącej człowieka. Oceny prowadzane regularnie, mające wszechstronny charakter najczęściej obarczone są mniejszym subiektywizmem i ukazują wizerunek pracownika ukształtowany przez dłuższy okres5. Z tego też powodu są stosowane do realizowania bieżącej polityki kadrowej, najczęściej jako uzasadnienie przy podejmowaniu decyzji dotyczących awansów, zwolnień, przesunięć, kar dyscyplinarnych i różnego rodzaju nagród. Wyniki regularnej oceny są także punktem wyjścia przy planowaniu wynagrodzenia, zatrudnienia, karier i ścieżek rozwoju oraz umożliwiają prawidłowe wykorzystanie kwalifikacji i umiejętności pracowników 6 4 T. Rostkowski, Ł. Sienkiewicz, Ocena okresowa pracowników [w:] Instrumenty zarządzania zasobem ludzkim w organizacji, pod red. M. Juchnowicz, Dom Wydawniczy Elipsa, Warszawa 2001, s.110. 5 Z. Ścibiorek, Zarządzanie Zasobami ludzkimi w praktyce, Agencja Reklamowo – Usługowa „PAT”, Warszawa 2001, s.39. 6 J. Penc, Nowoczesne kierowanie ludźmi. Wywieranie wpływu i współdziałanie w organizacji, wyd. Difin, Warszawa 2007, s. 184-185. 14 Ocenianie ludzi może pełnić różne funkcje. W literaturze przedmiotu najczęściej wymienia się funkcję: Informacyjną – pracownik dostaje informacje na jakie aspekty swojej pracy powinien zwrócić większą uwagę, jakie są jego słabe strony a jakie posiada uzdolnienia, jak jest postrzegany przez współpracowników ( w tym także przełożonego). Ponadto może się dowiedzieć czy zostanie nagrodzony, czy ukarany. Funkcja ta jest ważna również dla przełożonego, gdyż pozwala na uzyskanie informacji o ilości i jakości posiadanego przez pracownika potencjału oraz na określenie czy nastąpił postęp czy regres w stosunku do stanu poprzedniego.7 Motywacyjną – motywacja jako mechanizm psychologiczny stanowi wewnętrzny potencjał człowieka, od którego zależy możliwość i kierunek jego aktywności prowadzący do osiągnięcia określonego celu.8 Jest także „niezbędnym warunkiem efektywnej i harmonijnej pracy ludzi oraz zespołów.”9 Ocena uwzględnia trud włożony przez pracownika w uzyskanie pozytywnych efektów pracy i zachęca do dalszego podejmowania wysiłku i osiągania wysokich ocen. Jest to szczególnie widoczne gdy ocena jest powiązana z gratyfikacją materialną (podwyżka, premia) lub pozamaterialną (szkolenie, planowanie kariery). Decyzyjną – ułatwia podjęcie decyzji dotyczących wynagrodzeń, premii, szkoleń. Pomaga przy planowaniu awansów, ale także przy ewentualnej degradacji. Metody oceny pracowników Metoda przeprowadzania ocen pracowników udziela informacji w jaki sposób dokonuje się oceny i jest pojmowana jako uporządkowany sposób postępowania, który jest zgodny z przyjętymi przez firmę celami, zasadami i kryteriami ocen.10 Od jej odpowiedniego wyboru może zależeć nastawienie psychologiczne pracowników do procesu oceniania, a także możliwość obiektywnej oceny11 W literaturze opisanych jest wiele metod oceniania. Różnią się one między sobą pod względem oferowanych rezultatów, mechanizmu dokonywa- 7 H. Czubasiewicz, Okresowe ocenianie pracowników. Konfiguracja i projektowanie systemu, Wydawnictwo Uniwersytetu Gdańskiego, Gdańsk 2005, s.117-118. 8 L. Kozioł, Motywowanie w pracy, wyd. naukowe PWN, Warszawa 2002, s.26. 9 Ewelina Krok, Zarządzanie Zespołami, wyd. Helion, Gliwice 2008, s.24. 10 A. Ludwiczyński, Ocenianie pracowników [w:]Zarządzanie zasobami ludzkimi, pod red. H. Króla, A. Ludwiczyńskiego, wyd. naukowe PWN, Warszawa 2007, s.289. 11 J. Budka, System ocen pracowniczych [w:] Motywowanie w przedsiębiorstwie, pod red. Z. Jasińskiego, Agencja Wydawnicza Placet, Warszawa 1998, s. 104. 15 nia ocen, możliwości wyeliminowania problemów, które się mogą ewentualnie pojawić. Różna jest też łatwość ich stosowania oraz zainteresowanie ze strony osób projektujących systemy ocen a także tych, którzy je stosują. Metody relatywne Metody relatywne charakteryzują się tym, że poszczególni pracownicy są porównywani między sobą. Najczęściej w zarządzaniu zasobami ludzkimi, spośród relatywnych metod, do procedury oceniania wykorzystuje się tworzenie rankingów, metodę porównywania parami, czy też rozkład normalny. Dokonywanie oceny tymi metodami stosuje się najczęściej w organizacjach opierających się na modelu sita , którego założeniem jest motywacyjna rola rywalizacji i konkurencji. a. Ranking Ranking sporządzany jest przez bezpośrednich przełożonych po dokonaniu oceny pracowników. Metoda polega na uszeregowaniu pracowników od najlepszego do najgorszego. Nie dopuszcza się w niej miejsc (ocen) remisowych.12 Listy rankingowe powstają w oparciu o ustalone wcześniej kryterium (powinno być mierzalne), którym może być na przykład wydajność pracy, jakość pracy czy niezawodność pracownika. W praktyce przełożeni podczas oceny stosują kilka kryteriów. Na koniec oceny cząstkowe łączone są w całość tworząc finałowy ranking.13 Niektórzy uważają, że tą metodę powinno stosować się do mało licznych zespołów pracowniczych, które dodatkowo mają zbliżoną liczebność. Jest to motywowane tym, że przy tworzeniu zestawień grupowych powstałby problem w przypadku, gdy porównywałoby się pracownika, który zajął na przykład pozycję szóstą w dziale dziesięcioosobowy z tym, który zajął tą samą lokatę w zespole pięćdziesięcioosobowym.14 Najłatwiejszym sposobem tworzenia rankingów jest wybranie spośród wszystkich ocenianych osób tej najlepszej, zasługującej na pierwsze miejsce i najgorszej, która zajmie pozycję ostatnią. Następnie z pozostałej grupy znowu wybiera się tych, którzy zasługują na lokatę najwyższą i najniższą (otrzymuje się miejsce drugie i przedostatnie). W ten sposób powinno się postępować się do końca. b. Metoda rozkładu normalnego 12 S. P. Robbins, Zachowania w organizacji, Polskie Wyd. Ekonomiczne, Warszawa 2004, s. 415. 13 M. Sidor-Rządkowska, Kształtowanie nowoczesnych systemów ocen pracowników, wyd. Oficyna Ekonomiczna, Kraków 2006, s. 83. 14 M. Sidor-Rządkowska, Kształtowanie nowoczesnych systemów ocen pracowników, op. cit., s. 83. 16 Metoda rozkładu normalnego jest nazywaną również metodą wymuszonego rozkładu. Związana jest ona z prawem statystyki mówiącym o tym, że rozkład cechy w populacji jest stały (charakteryzuje się rozkładem normalnym). Oceniający przyporządkowuje każdego pracownika do przedziału, w którym się mieści ze względu na ocenianą cechę (kryterium). Efektem tego jest otrzymanie klasyfikacji, w której spośród całej populacji po 10% stanowią osoby ocenione najwyżej i najniżej, po 20% zajmują zarówno pracownicy oceniani powyżej średniej jak i poniżej niej, natomiast pozostałe 40% to ci, którzy otrzymali ocenę średnią. Metody absolutne Metody absolutne mają największe zastosowanie w organizacjach, które traktują swoich pracowników jako kapitał, w który warto i należy inwestować (model kapitału ludzkiego polityki personalnej). W odróżnieniu do metod relatywnych, metody absolutne nie polegają na ocenianiu osób między sobą, a sprowadzają się do porównywania wyników uzyskanych przez pracowników z ustalonymi standardami, które mogą być związane na przykład z terminowością wykonania określonych zadań, jakością pracy, czasem pracy. Do najbardziej powszechnych metod absolutnych należą: ilościowe standardy pracy, punktowe skale ocen, skale ważone, ocena opisowa, metoda zdarzeń krytycznych, skale kwalifikacyjne, testy, skale behawioralne. a. Punktowa skala ocen Punktowe skale ocen są bardzo rozpowszechnione w przedsiębiorstwach15. Pozwalają one na wartościowanie stopnia natężenia danego kryterium (istotnej cechy, jaką może być: kreatywność, zdolności poznawcze, punktualność, obowiązkowość) u ocenianego pracownika. Przełożony ocenia podwładnego poprzez przypisanie do każdego kryterium pewnej ilości punktów, które charakteryzują sposób pracy pracownika. Metodą ta jest łatwa i nie zabiera dużo czasu16. Tematem do dyskusji jest jedynie liczba stopni, które powinna posiadać skala ocen. W tej kwestii zdania są podzielone. Jedni uważają, że skala powinna być nieparzysta. Argumentem przemawiającym za tym rozwiązaniem jest możliwość wystawienia oceny środkowej w przypadku, gdy przełożony ma do czynienia z przeciętnym pracownikiem. Najczęściej stosuje się skale pięciopunktowe, choć pojawiają się też takie, które mają 7 lub 9 stopni. 15 T. Wach, Motywowanie i ocenianie pracowników, Oficyna Wydawnicza Warszawskiej Szkoły Zarządzania, Warszawa 1997, s. 63. 16 M. Sidor-Rządkowska, Kształtowanie nowoczesnych systemów ocen pracowniczych, op. cit., s.91. 17 b. Skale ważone Metoda ta jest podobna do punktowej skali ocen. Różnica polega jedynie na tym, że każde kryterium stosowane w ocenie ma przypisaną tzw. wagę, w zależności od tego, jakie znaczenie ma dana cecha dla całościowej oceny pracownika.17 Osoby zajmujące się kontrolą systemów ocen doradzają, aby przy korzystaniu z tej metody przełożony nie znał wag, które zostały przypisane poszczególnym kryteriom.18 Skale ważone dzięki temu, że uwzględniają ważność poszczególnych kryteriów mają większą liczbę zwolenników niż zwykłe skale punktowe. Ponad to metoda jest łatwa i prosta w stosowaniu. Umożliwia również porównywanie wyników osiągniętych przez poszczególnych ocenianych. 19 c. Ocena opisowa Ocena opisowa swoją formą wykazuje podobieństwo do ankiety, która zawiera pytania otwarte. Aby metoda ta była skuteczna, wymaga się, żeby przełożony pisemnie w sposób wyczerpujący i zgodny z prawdą odpowiedział na zawarte w arkuszu zagadnienia. Pytania mogą się odnosić do różnych zagadnień powiązanych z pracownikiem i jego pracą. W dużej mierze obejmują jednak tematy dotyczące efektów pracy jakie osiąga oceniana osoba.20 Należy pamiętać aby opis był jasno sformułowany, tylko wtedy przyniesie korzyści i możliwość wyciągnięcia wniosków. Do przykładowych pytań stosowanych w formularzach opisowych należą: jakie są mocne i słabe strony ocenianego pracownika, jakie są przyczyny niedoskonałych wyników pracy, czy posiadane przez pracownika kwalifikacje nie stanowią bariery w osiąganiu wysokich efektów pracy21, jak istotne jest zjawisko pogorszenia wyników pracy dla całokształtu oceny pracownika, które z cech negatywnych pracownikach są niepożądane na stanowisku, na którym jest obsadzony.22 Taka metoda oceny wymaga od przełożonego pewnego zaangażowania. Zmusza bowiem do dokładnego rozważania zapisywanych słów. Wystawiona ocena musi z czegoś wynikać i w razie konieczności trzeba ją 17 R. Walkowiak, Zarządzanie Zasobami Ludzkimi: kompetencje, nowe trendy, efektywność, Wyd. "Dom organizatora", Toruń 2007, s.64. 18 M. Sidor-Rządkowska, Kształtowanie nowoczesnych systemów ocen pracowniczych, op. cit., s.93. 19 M. Sidor-Rządkowska, Kształtowanie nowoczesnych systemów ocen pracowniczych, op. cit., s.93 20 A. Pocztowski, op. cit., s. 234. 21 M. Juchnowicz, E.Smyk, Ocena pracy i pracowników [w:] Zasoby ludzkie w firmie: organizacja, kierowanie, ekonomika, pod red. A. Sajkiewicz, Poltext, Warszawa 2003, s. 236. 22 E. Długosz – Truszkowska, Ocenianie pracowników [w:] Zarządzanie pracownikami, pod red. L. Zbiegień-Maciąg, AGH Uczelniane wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2002, s. 91. 18 umieć obronić faktami. Ważne zatem jest aby pracodawca posiadał pewną wprawę i umiejętność w sporządzaniu sumiennych opisów, które będą wiernie odzwierciedlać rzeczywistość. Nie można też dopuścić do sytuacji, w której wyniki oceny były odbiciem zdolności epickich autora (oceniającego).23 Metody i techniki kompleksowe O metodach kompleksowych możemy mówić w przypadku, gdy stosowane w firmach systemy oceniania są dobrze rozwinięte i wykorzystują więcej niż jedną metodę oceny pracownika. W grupie najbardziej rozpowszechnionych znalazły się arkusze ocen, portfolio personalne, Zarządzanie przez Cele, Metoda 360°, a także Assessment Centre. Okresowa i kompleksowa ocena pracowników przeprowadzana jest w celu określenia : Potencjału zawodowego pracowników, Planowania długofalowych działań rozwojowych, Ustalenia polityki doboru kadr, Przygotowania planów doskonalenia i przygotowania zawodowego Wszystkie te działania mają zapewnić optymalizację realizowania celów firmy. a. Portfolio personalne Metoda portfolio personalne odnosi się do bostońskiej metody (macierz BCG), która umożliwia ocenę przedsiębiorstwa pod kątem jego rozwoju oraz pozycji strategicznej na rynku. W przypadku oceniania podwładnych mówi się o grupowaniu pracowników w ramach czterech grup ze względu na dwa istotne w zarządzaniu zasobami ludzkimi kryteria: efekty (rezultaty) pracy jakie osiągają oceniani możliwości rozwojowe, które określa się mianem potencjału rozwojowego. Taka klasyfikacja pracowników umożliwia ich ocenianie w odniesieniu do przeszłości (pod kątem dotychczasowego zachowania i zaangażowania), a także do przyszłości, czyli ewentualnych możliwości rozwoju. 24 b. Model 360º Metoda ta została opracowana i wprowadzona przez amerykanów. W Europie rozpowszechniły ją filie amerykańskich przedsiębiorstw, dokonując przed wprowadzeniem na grunt europejski adaptacji kulturowych. 25 23 S. P. Robbins, op. cit., s. 413. J.Penc, Kreatywne kierowanie, op. cit., s. 137. 25 J. Brilman , Nowoczesne koncepcje i metody zarządzania, Polskie Wyd. Ekonomiczne, Warszawa 2002. 24 19 Ocena metodą 360 stopni stosowana jest najczęściej do oceniania członków zarządu (35%) i kadry kierowniczej wyższego i niższego szczebla (37%).26 W odróżnieniu od tradycyjnych systemów ocen, w których osobą uprawnioną do przeprowadzania oceny pracownika był jego przełożony, model 360 stopni daje ocenianemu możliwość uzyskania informacji zwrotnej o posiadanych kompetencjach od wielu osób. Dzięki temu staje się oceną wieloźródłową. Wiadomości zbierane są wśród bezpośrednich przełożonych, przełożonych wyższego szczebla, kierowników zespołów zadaniowych, podwładnych, klientów wewnętrznych i zewnętrznych. W procesie oceniania oprócz wymienionych osób, uczestniczy też oceniany pracownik, który dokonuje samooceny. Gromadząc informacje od wielu osób, można otrzymać najbardziej obiektywne opinie na temat danego pracownika, posiadanych przez niego kompetencji oraz zachowań determinujących efektywność , którą wykazuje się na stanowisku pracy. Najbardziej rozpowszechnionymi sposobami zbierania informacji są wywiady indywidualne oraz specjalnie przygotowane kwestionariusze. Większa część kwestionariuszy posiada nadal formę papierową, jednak coraz bardziej powszechne staje się stosowanie formularzy w wersji elektronicznej. Dzięki temu cały proces staje się łatwy i szybki. Wszystkie oceny mogą być bez problemu zestawiane w systemie, a następnie porównywane. c. MBO MBO (Management by Objectives), popularnie nazywane zarządzaniem przez cele, to jedna z najczęściej współcześnie stosowanych strategii w biznesie.27 Charakteryzuje się regularnym podejściem do planowania i nadzorowania. Wykorzystywana jest również jako jedna z bardziej nowoczesnych i nowatorskich metod oceniania. W zarządzaniu przez cele ocenianie pełni funkcję diagnozowania, korygowania i inspirowania pracowników28. Podstawowe działania związane z zastosowaniem MBO polegają na wspólnym określeniu i negocjowaniu celów, ustaleniu należytych efektów końcowych, a także na wspólnej ocenie uzyskanych wyników. Wnioski Kapitał ludzki odzwierciedla czynnik ludzki w organizacji: to połączenie inteligencji, umiejętności i fachowości, stanowiący o odrębnym charakterze organizacji. Element ludzki w przedsiębiorstwie to taki, który jest w stanie się uczyć, zmieniać, wprowadzać innowacje, działać kreatywnie i 26 R. Lepsinger, A.D. Lucia, 360 stopni. System ocen pracowniczych, Wyd. Helion, Gliwice 2007. 27 Bieniok H, Metody motywowania [w:] Metody sprawnego zarządzania, pod red. H. Bienioka, Agencja Wydawnicza Placet, Warszawa 2001. 28 Porębska J, Oceny pracownicze, Gazeta Prawna 175/2004 z dnia 07.09.2004. 20 który odpowiednio zmotywowany zapewni długotrwałe istnienie organizacji. W przedsiębiorstwie należy dostrzec znaczenie pracowników, którzy stanowią ważne aktywa i przyczyniają się odniesienia sukcesu każdej firmy. Ocena pracowników służy zwiększania wartości kapitału ludzkiego w organizacji. BIBLIOGRAFIA Bieniok H, Metody motywowania [w:] Metody sprawnego zarządzania, pod red. H. Bienioka, Agencja Wydawnicza Placet, Warszawa 2001. Brilman J, Nowoczesne koncepcje i metody zarządzania, Polskie Wyd. Ekonomiczne, Warszawa 2002. Długosz – Truszkowska E, Ocenianie pracowników [w:] Zarządzanie pracownikami, pod red. L. Zbiegień-Maciąg, AGH Uczelniane wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2002. Dzieńdziora J, Ocenianie pracowników. Ujęcie teoretyczne i praktyczne, Oficyna wydawnicza Humanitas, Sosnowiec 2008. Janowska Z., Zarządzanie Zasobami Ludzkimi, Polskie Wyd. Ekonomiczne, Warszawa 2002. Lepsinger R, Lucia A.D., 360 stopni. System ocen pracowniczych, Wyd. Helion, Gliwice 2007. Porębska J, Oceny pracownicze, Gazeta Prawna 175/2004 z dnia 07.09.2004. Rostkowski T, Sienkiewicz Ł, Ocena okresowa pracowników [w:] Instrumenty zarządzania zasobem ludzkim w organizacji, pod red. M. Juchnowicz, Dom Wydawniczy Elipsa, Warszawa 2001. 21 Miroslav Belán, Marek Kasina, Miroslav Janák Faculty of Manufacturing Technologies of Technical University of Košice with seat in Prešov PROPERTIES OF HIGH SPEED STEELS PARTS PREPARED VIA POWDER METALLURGY FOR AGRO-FOREST ENGINEERING Abstract Progressive powder metallurgy (P/M) technologies allow us to produce tools and parts under economically advantageous conditions, because of the extraordinary production-technological features specific to this branch. An important place among P/M materials is occupied by High Speed Steels (HSS PM). Industrial properties of them can be improved by suitable modification of chemical composition and optimum thermal treatment. The targeted production of HSS results very good properties for hard condition use. Keywords: cutting plate, short-run durability test, long-run durability test, INTRODUCTION Current situation in area of parts and machines production for all industries is characterized by demand for minimal production costs and high quality. Machines in forestry have to work in harder conditions. That is the reason for application of new manufacturing technologies. Among progressive methods belong also powder metallurgy, that was used for creation of tested plates. Since production of parts of forestry machines will be executed using the ways of powder metallurgy, it is possible to achieve better surface roughness, smaller tolerance zone that results inbetter function, longer life time and higher reliability. For increasing of productivity and production quality it is necessary to choose the right technology and MTWF system (machine, tool, workpiece, fixture). This paper deals with evaluation of durability of cutting tools made of steels for high-speed cutting using the method of powder metallurgy (PM), that can be directly applied to machining of components of forestry machines and mechanisms. It includes crankshafts, pins and pistons. SPECIFICATION OF EXPERIMENT CONDITIONS Short-run durability tests Basis of this test lies in turning of disc face from the hole created in the middle of the disc to its perimeter, what means that cutting speed is gradually increased, until it reaches its maximal value vc on certain perimeter dimension, where it leads to total loss of cutting ability of tool material. These values serve for statistical processing of constants and exponents of Taylor 22 equation in implicit form. Constant depth of cut and feed per turn are kept sustentative. Fig.1 brings schematic view on the principle of the test. r Fig. 1 Principle of short-run test of durability using face turning Base for this test presents measuring of perimeter dimension Dn, where it came to complete destruction of tool point. Values of this perimeter dimension were taken after using of different cutting plates and different spindle speeds. CUTTING CONDITIONS Workpieces dimensions and needs of measuring conditioned by experiment results were taken in consideration for choosing the cutting conditions. There was constant feed set with value of 0,2 mm/turn and depth of cut ap with value of 1 mm. Variable value of cutting parameters was presented by spindle speed. Each plate was tested using spindle speeds 180, 224, 280 and 355 min-1. MACHINED MATERIAL AND TESTED CUTTING MATERIALS As workpiece material was used steel C 60 E4 according to ISO 638 / 1 – 87, C 45 according to DIN 17200 – 84, that answers to STN 41 2050 and steel 12 050.1. Tested materials were cutting plates created by method of powder metallurgy from following two kinds of materials: RADECO PM + Nb (5 pieces) VA30 with covering TS (5 pieces) Long-run durability tests Durability tests of cutting tools were realized on flange CNC lathe LEADWELL series T-5 with control system Fanuc. Cutting plates were fixed in tool holder with following parameters: κr=75º, εr=90 º, λs=0 º, α=8 º , γ=25 º. For turning there was used liquid cooling medium. It was water- 23 diluted concentrate Emulkat Uni 101P suitable for preparation of biologically stable polysynthetic wide-range emulsion for chip machining. Cooling was assured by flowing of cutting liquid into the cutting area with value of 5 to 6 litres per 30 seconds. Wear on main back surface was measured using the measuring magnifier MITUTOYO with scale in tenths of millimeter. Magnifier was lighting for more reliable deduction. Machined material was steel 12 050.1 - carbon steel with carbon content up to 0,5%, after normalization annealing, according to DIN C 45, certificated. Cutting time was taken with stopwatch Tab. 1 Labeling of tested cutting materials Cutting tool labeling Cutting material Covering Pieces A S390 AlTiN mulit 5 B S390 TS 3 E Radeco TM RO ----4 H VA 30 TS 5 On these materials were realized long-run durability tests. Wear on main back surface VBB was evaluated. Critical wear value for materials from steel for high-speed cutting was appointed to value of VBB= 0,6 mm according to STN ISO 3685: Durability tests of turning tools with one cutting edge. Tolerances concerning the geometry of cutting tools are given in appropriate standard. Investigated parameter was durability in dependence on change of cutting speed. Parameters of depth of cut - ap and feed per turn – f were constant during testing. Cutting tool durability in dependence on cutting parameters: T CT v h X T s YT (1.0) m , where CT is constant expressing the durability value T of cutting tool with v=1, m, xT, yT are exponents expressing line vectors of functional dependencies in logarithmic coordinate system T= f(v), T= f(h), T= f(s). v- cutting speed h resp. ap- depth of cut s resp. f- feed 24 EVALUATION Results of short-run tests Fig. 2 Graphical interpretation of results of short-run tests with accordance of achieved perimeter dimension (mm) on spindle speed (min-1). On the base of the results it can be said, that cutting plates made of steel for high-speed cutting using the method of powder metallurgy (in this case PM + Nb, VA30-TS) keep their shape and dimensions until the state of complete destruction of the point, what was defined as wear criterion. Despite this fact, cutting plates made of steel for high-speed cutting using powder metallurgy, for example RADECO correspond approximately to the third of durability, that is achieved with complete destruction. It can be seen on graphical interpretation of results, that cutting plates from PM + Nb without covering led to best results from the view of durability. Plates with covering had better measured wear values than values measured for RADECO, but still these values were lower considering the values measured for plates without covering. This experiment demonstrated, that probably there was no good basic material prepared for plates VA30-TS or wrong covering was chosen, or covering was created in unsuitable way. This is the reason for this type of material needs to be analyzed more detail from the material point of view in order to identify the reasons of its unsuitable properties. 25 Long-run durability tests log.T Durability of cutting blades A and H 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Durability of cutting blades A Durability of cutting blades H 1,5 1,55 1,6 1,65 log.vc 1,7 Logaritmický (Durability of cutting blades A) Logaritmický (Durability of cutting blades H) Fig. 3 Durability evaluation for cutting plates A, H Testing results for materials labeled with letters A and H according to, were subject of testing for adequate description of regress function. Values were tested according to the value of following two criteria: F s r2 / s a2 F0,05( f1 , f 2 ) , F s R2 / s r2 F0,05( f1 , f 2 ) . According to criterion F s r2 / s a2 F0,05( f1 , f 2 ) adequacy of regress function T=CTv*v-m was fulfilled for selective collection of values with 3 values for both cutting materials. According to tested criterion F s R2 / s r2 F0,05( f1 , f 2 ) the adequacy of regress function C[ISO]= v*T1/m was not fulfilled for both cutting materials. Disposal grades were determined for probability of 95%. For material A the line vector was computed to m=-4,56. For material H line vector was computed to m=-2,57. Results of durability tests for cutting plates labeled as B and E could not be statistically processed because of defective geometry. Reason was wide diffusion of measured values. CONCLUSION Despite of large amount of cutting materials existing in current days, the development of new cutting materials did not stopped. With contemporary methods of production and after using of modern coverings, it is possible to significantly increase mechanical properties of cutting materials, what is finally reflected on product quality while keeping requested price level. Results obtained in described experiments strongly point to significantly better cutting properties of tested materials on the base of steel for highspeed cutting created using the methods of powder metalurgy, in comparison with similar materials obtained using the methods of fusible metallurgy. 26 Tested materials are according to experiences much more advantageous for operations of low-speed shape machining (for example threads cutting, thrusting, lacing, etc.), in comparison to other types of cutting materials from following reasons: Purchase cost comparable with HSS steels produced using typical methods Very good ratio of purchase cost and tool life time in comparison with other cutting material Significantly better grinding capability using accessible grinding methods. Ability to bear much higher dynamical load of cutting spike HSS PM is thus becoming very attractive cutting material for production of tools, that are expected to work in are of low cutting speeds with strict requirements to dimensional and shape tolerances. Modern products designated for work in forestry are characterized by increasing of complexity, precision and safe operation. With always harder market demands it is still important to preserve the price on level accepted by customers. Results described in this paper allow decreasing of variable costs in manufacturing of shape elements of devices designated for forestry. That leads to decreasing of total product price while keeping its problem-free operation REFERENCES [1] Bekés, J., Andonov, I.: Analýza a syntéza strojárskych objektov a procesov. 1. vyd. Bratislava : ALFA, 1986. 376 s. ISBN 63-080-86 [2] Buda, J., Bekés, J. : Teoretické základy obrábania kovov. 1. vyd. Bratislava : SVTL, 1967. 700 s. ISBN 63-046-67 [3] Grgáč, P.: Nové nástrojové materiály s intermediárnymi fázami solidifikačného pôvodu. In: Zborník vedeckých prác MTF STU v Bratislave, 1993. Bratislava : STU, s. 26 – 28 . ISBN 80-227-0657-4 [4] Jakubezyvá, D. et al. : Progresívne technológie pri výrobe vysokokvalitných rezných materiálov: In Metal 97: Zborník príspevkov z Medzinárodného metalurgického sympózia, Ostrava 13 – 15 mája 1997. [s.n.], s. 221 – 223. [5] Řasa, J. et al. : Vypočetní metódy v konstrukci řezných nástroj. Bratislava: ALFA, 1986. 464 s. ISBN 04-246-8 27 Stanislav Buch, Zuzana Palková NÁVRH A REALIZÁCIA 3D SCANNERA Abstract The methods of scanning shape surface of solid figure aren’t used so much as can be - scale of their potentiality application is very wide. Exploitation of opportunities is miscellaneous as well as branches where this technology can be used. Cause patent, first of all complicated and precious device, but also complicated attendant. The aim of my work is design simple and financially bearable scanner device. I choose the method in which I used line laser ray, which generating plane of light. Intersection of this plane and the object is a curve, witch shape and coordinates can be acquired by using some bases parameters. These parameters are stabile and variable. I use plain goniometric functions to calculate shape coordinates. To construct a device suffice usual camera or web camera, laser and spin base. This solving is very simple. Primary part of scanning process is software, which detect plane generated by laser on a pictures and then calculate coordinates of virtual model. I develop this software using Integrated Visual Environment Borland Delphi. Obtained visual model can be saved to standard formats supported by actual applications intended for virtual modeling. Used mathematical model and recognition software reaches accuracy approximate 1,5%, but in advisable scanning conditions acquire much better accuracy. This technology enables utilization in many branches as agricultural, research, service or industry. Key words: 3D, scanner, virtual, model Úvod V súčasnosti sa techniky, ktoré sú schopné snímať tvar priestorovo zložitých povrchov prakticky vôbec nevyužívajú. Tieto technológie by pritom mohli v mnohých odvetviach výrazne znížiť finančné náklady, zjednodušiť výrobný proces, odbremeniť pracovníkov od monotónnej práce resp. zrýchliť proces výskumu a vývoja. Hlavným dôvodom, prečo sa tieto technológie neuplatňujú, je ich vysoká cena. Medzi ďalšie dôvody patria vysoké nároky na obsluhu a zdĺhavý proces prípravy pri použití prenosných zariadení. Metódy snímania sú založené predovšetkým na laserových technológiách. Medzi ďalšie metódy patrí fotogrametria, snímanie 28 mechanickou sondou, snímanie štruktúrovaným svetlom, meranie doby letu signálu zo zdroja do snímača a pod. Cieľom práce bolo vytvorenie jednoduchého a funkčného programu, schopného demonštrovať funkčnosť zariadenia a zachytiť tvar povrchu jednoduchých telies. Výsledný návrh by mal byt nenáročný na obsluhu, nadobúdacie náklady a mal by mať schopnosť prispôsobenia rôznym podmienkam a skenovaným povrchom. To je dôležité pre následné možnosti využitia v praxi v rozmanitých podmienkach. Metodika práce Spôsob snímania Pre jednoduchosť snímania som sa rozhodol využívať iba jeden fotoaparát a presne definovanú svetelnú rovinu vytvorenú laserovým lúčom. Pri tomto spôsobe snímania je zariadenie pevne rozmiestnené okolo predmetu, ktorý sa otáča na podstavci. Tým, že predmetom otáčame, získame virtuálny model v rozsahu 360°. Pri výpočte je možné využiť buď vektorovú algebru alebo trianguláciu medzi zdrojom svetla fotoaparátom a predmetom. S použitím vektorovej algebry by bolo potrebné zisťovať prienik priamky a roviny. Pri triangulácii môžeme využiť známe rozmery a pomocou nich určiť, kde svetelná rovina dopadá na povrch modelu. Pri správnom použití triangulácie nám postačuje vedieť iba 3 parametre rozmiestnenia kamery a svetelnej roviny (obr. 1.). Sú to tieto parametre: - uhol u medzi rovinou a fotoaparátom - vzdialenosť v fotoaparátu od stredu otáčania podstavca, na ktorom je predmet - výška h fotoaparátu nad rovinou podstavca, na ktorom je predmet rotuje Výhodou tohto snímania je fakt, že tým ako sa predmet otáča jednotlivé snímky na seba nadväzujú. Program nemusí používať zložité algoritmy, ktorými by zisťoval, ktoré zo získaných bodov prepojiť a tým vytvoriť povrch modelu. V tomto prípade stačí spojiť body z dvoch po sebe idúcich snímok. 29 Obr. 1. Snímanie pomocou svetelnej roviny Riešenie úlohy Skenovacie zariadenie Navrhnuté skenovacie zariadenie plní tri úlohy. Prvou je vytváranie svetelnej roviny kolmej na základňu podstavca. Rovinu môže tvoriť laserový lúč, ktorý je rozptýlený v jednom smere. Pri použití spolu s fotoaparátom je však nevýhodou možnosť nesprávnej interpretácie niektorých bodov. To môže nastať v prípade, že na snímke je časť predmetu červenej farby a program túto časť nesprávne interpretuje ako svetelnú rovinu. Aby sme sa tomu vyhli, môžeme použiť silný laser a krátku expozičnú dobu fotoaparátu, alebo zatemniť skenovací priestor. Najvhodnejšie umiestnenie svetelnej roviny je na niektorej súradnicovej osi, tak aby pretínala ďalšiu súradnicovú os. Na obr. 1 je zdroj svetla umiestnený na osi X a pretína kolmú os Z. Toto usporiadanie umožňuje zjednodušenie výpočtov a jednoduchú montáž zariadenia. Druhou úlohou, ktorú musí zariadenie spĺňať, je otáčanie predmetu. To môže byť manuálne či pomocou krokového motora. Podstavec však musí byť veľmi pevný aby nedochádzalo k posunu osi otáčania a nesmie sa ani pohybovať s veľkým zrýchlením aby predmet na jeho povrch nezmenil pozíciu. Poslednou úlohou zariadenia je zabezpečiť pevný bod pre fotoaparát. To môže zabezpečiť aj bežný statív, avšak aj tu treba dať pozor aby sa jeho pozícia nezmenila počas skenovania. Spôsobilo by to skreslenie údajov a nepresnosť výsledného modelu. Jednotlivé časti zariadenia nemusia byť pevne spojené. V takom prípade je však potrebné zmerať všetky potrebné parametre - ako je výška a vzdialenosť fotoaparátu od podstavca predmetu a uhol, ktorý zviera smer pohľadu fotoaparátu a svetelná rovina. Preto sú tieto parametre v programe ľahko nastaviteľné. 30 Priebeh skenovania Po zostavení zariadenia a zmeraní všetkých potrebných parametrov je nutné preskúmať zvolený predmet, aby mohol byť vhodne umiestnený na podstavec. Pokiaľ je možné, umiestnenie by malo byť také, aby žiaden výčnelok nezakrýval inú časť povrchu v dráhe svetelnej roviny. Po umiestnení predmetu na podstavec a spustení laseru začne samotné skenovanie. Priebeh skenovania je veľmi jednoduchý. Pomocou fotoaparátu vytvoríme snímku. Následne podstavec pootočíme o určitý, nami zvolený uhol, ktorý musí byť pri každej snímke rovnaký. Po otočení podstavca s predmetom vytvoríme ďalšiu snímku. Takto postupujeme až kým nezoskenujeme celý požadovaný povrch alebo celý predmet v rozsahu 360°. Nasnímané obrázky následne presunieme do počítača na ďalšie spracovanie. Zostavenie matematického modelu Pre zjednodušenie výpočtov bola ako základná os z vybraná os okolo ktorej sa bude otáčať skenovaný predmet. Bod O je umiestnený na povrchu podstavca na rotačnej osi. Osi x a y tvoria rovinu, ktorá je totožná s rovinou podstavca predmetu. Ďalej osi x a z tvoria rovinu totožnú so svetelnou rovinou. Táto súradnicová sústava je znázornená na obr. 2. Obr. 2. Trojrozmerná karteziánska pravouhlá súradnicová sústava. Na obrázku sú tiež zakreslené hlavné objekty skenovacieho zariadenia. Bod D predstavuje bod na povrchu skenovaného modelu, ktorého súradnice chceme zistiť. Bod C je priemet bodu D do roviny rovnobežnej s rovinou podstavca a prechádzajúcou stredom objektívu fotoaparátu. Úsečka yy predstavuje vzdialenosť bodu C od objektívu 31 fotoaparátu, ktorý predstavuje bod A. Bod B predstavuje miesto, na ktoré je nasmerovaný stred objektívu fotoaparátu. Tento bod sa nachádza v strede nasnímaných fotografií. Ďalej sú tu znázornené parametre skenovacieho zariadenia. Úsečka v predstavuje vzdialenosť objektívu od osi otáčania podstavca, čiže od osi z. Vzdialenosť OB udáva výšku h objektívu nad rovinou podstavca a uhol βx je uhol medzi fotoaparátom a svetelnou rovinou. Úsečka xx nám udáva vzdialenosť hľadaného bodu od osi z v smere osi x. Úsečka zz udáva vertikálnu výšku bodu voči výške objektívu fotoaparátu. Uhly αx a αz sú uhly, ktoré udávajú odklon bodu D, ktorého súradnice zisťujeme, od bodu B, kam smeruje objektív fotoaparátu. Tieto uhly vypočítame zo snímky. Odvodenie uhlov zo snímok Zo zhotovených snímok dokážeme získať iba pozíciu hľadaného bodu na snímke. Daný údaj získame v pixeloch, je to údaj, z ktorého priamo nevieme určiť reálne rozmery. Preto je potrebné previesť údaje do jednotiek SI. V našom prípade je najlepšie použiť vedľajšiu jednotku SI pre rovinný uhol a tou je uhlový stupeň. Pre prepočet pixelov na uhlové stupne je potrebné poznať vzájomné prepojenie údajov. To je najjednoduchšie, ak si predstavíme snímok ako časť povrchu gule so stredom v objektíve fotoaparátu. Potom môžeme povedať že vzťah medzi rozmerom v pixeloch a rozmerom v uhlových stupňoch je priamoúmerný. Odvodenie vzorca je preto veľmi jednoduché, postačuje využiť trojčlenku. Nato je však potrebné poznať vzájomný pomer medzi údajmi. Tento údaj získame vytvorením kontrolného obrázku. Na tomto obrázku musia byť dva body, ktoré spolu s objektívom uzatvárajú konkrétny uhol. Tento uhol som si zvolil na 10°. Kontrolný obrázok som vytvoril odfotografovaním pravítka umiestneného vo vzdialenosti 1 m od objektívu a kolmého na smer pohľadu. V takejto vzdialenosti predstavuje 17,6 mm na pravítku uhol 10°. Potom už len zostáva spočítať počet pixelov na pravítku na snímke od bodu 0 po bod kde je na pravítku vzdialenosť 17,6 mm. Odvodenie horizontálnej vzdialenosti bodu od osi otáčania Pre zjednodušenie odvodenia horizontálnej vzdialenosti je potrebné zjednodušiť obr. 20. na jednoduchší rovinný útvar (obr. 3.). V podstate je to priemet potrebných objektov do roviny tvorenej osami x a y. Keďže už poznáme parametre v, βx a αx, je najvhodnejšie odvodiť výsledný vzorec prostredníctvom sínusovej vety. x 180 x x 32 xx v sin(x) sin(x) xx v.sin(x) sin(x) xx v.sin(x) sin(180 x x) (1) Obr. 3. Znázornenie rozmiestnenia objektov pri výpočte vodorovnej vzdialenosti. Odvodenie vertikálnej vzdialenosti bodu od bodu C Aj v tomto prípade je potrebné zjednodušiť obr. 20. Tento krát si zvolíme rovinu tvoriacu body A, C a D. Dostáli sme pravouhlý trojuholník (obr. 4.). Obr. 4. Rovina ACD Nepoznáme však žiaden rozmer, iba uhly. Môžeme však využiť obr. 22. a pomocou sínusovej vety vypočítať dĺžku úsečky yy. yy xx sin( x) sin(x) 33 yy xx. sin( x) sin(x) (2) Keď už poznáme uhly aj jeden rozmer, môžeme opäť pomocou sínusovej vety odvodiť vzorec pre výpočet úsečky zz. zz yy sin(z ) sin(z ) zz yy. sin(z ) sin(z ) zz yy. sin(z ) sin(90 z ) zz xx. sin( x) sin(z ) . sin(x) sin(90 z ) (3) Výsledky práce Overenie vytvoreného programu a matematického modelu som vykonal pomocou simulácie skenovania skúšobnej vzorky, ktorou bol valec s jednofarebným hladkým povrchom. Túto simuláciu som vykonal v programe 3D Studio MAX. Štatistická analýza Pri tejto analýze som sa zameral predovšetkým na polomer skúšobnej vzorky, pretože tá je rozhodujúca pre overenie správnosti zostaveného matematického modelu. Preto som zo súboru wrl, v ktorom som uložil virtuálny model získal súradnice vypočítane vzhľadom na os x a os y. Veľkosť štatistického súboru je k=320, skutočný priemer vzorky 10mm a vzdialenost fotoaparátu od stredu otáčania bola 71mm. Vypočítal som aritmetický priemer r 9,852692mm , absolútnu priemernú chybu 320 0,147308mm , priemernú relatívnu a smerodajnú odchýlku 0,03488mm . chybu r 1,47308% Relatívna chyba merania 1,47 % je z veľkej časti zaťažená systematickou chybou, pretože všetky odchýlky od skutočnej hodnoty boli kladné. Táto systematická chyba bola spôsobená z viacerých príčin. Hlavná príčina je zrejme šírka premietanej svetelnej roviny, ktorá osvetľuje predmet 34 Záver Overením správnosti zhotoveného matematického modelu bola potvrdená správnosť navrhnutej metódy. Táto metóda získavania priestorových súradníc môže mať veľmi široké uplatnenie, ako aj široké možnosti modifikácie metódy a tým jej prispôsobenie požadovaným podmienkam v širokej oblasti poľnohospodárstva, priemyselnej výroby či servisu. Otestovaná metóda využívala otáčanie skenovaného objektu, pri ktorom bola dosiahnutá presnosť porovnateľná s ostatnými používanými metódami. Jej výhodou je však možnosť jej rozšírenia a miesto rotačného skenovania môže byť pohyb lineárny a môžeme tak skenovať veľké plochy resp. niektoré parametre výrobkov. Široké využitie umožňuje aj možnosť upravenia rozpoznávacieho programu na rozličné pracovné podmienky. Metóda preto nemusí slúžiť iba priamo na snímanie povrchu, ale umožnila by napríklad automatické rozpoznávanie predmetov či ďalšie aplikácie, pre ktoré je potrebne iba vytvoriť vhodný rozpoznávací algoritmus. Pomocou takto upravenej metódy by sme mohli snímať povrch poľa a tým zabezpečiť dokonalú stabilitu poľnohospodárskych strojov, ako aj ich správnu orientáciu v pracovnom procese aj napriek prekonávaniu rôznych terénnych prekážok. Ďalší spôsob využitia môže byť pri zbere rôznych plodín, na orientáciu zberových strojov podľa predchádzajúcich prejazdov, presnú navigáciu nad jednotlivými radmi zasiatej plodiny, pri triedení plodín a podobne. Skener umiestnený nad pásovým dopravníkom by bol schopný triediť a čistiť transportované materiály. V spojení s globálnym pozičným systémom ako je americké GPS alebo práve budovaný európsky pozičný systém Galileo by sme mohli podrobne snímať rozsiahle územia a tým by sme vytvorili podrobnú trojrozmernú mapu pre rôzne využitie a to nielen v poľnohospodárstve, ale aj v mnohých ďalších odvetviach. V poľnohospodárstve by sa po vhodnom prispôsobení mohla metóda využiť aj v oblasti živočíšnej výroby. Mohla by umožniť automatické triedenie zvierat podľa veľkosti, vyraďovanie poškodených vajec pri chove hydiny, triedenie zberaných vajec podľa veľkosti a iné. Táto metóda by sa dala využiť aj v oblasti automatizovaných robotických dojacích zariadení. A to najmä pri identifikácii vemena a nasadzovaní samotného dojacieho zariadenia. Na tento účel by postačilo pomerne jednoduché upravenie rozpoznávacieho algoritmu. V priemyselnej výrobe by bolo možné využiť túto technológiu na kontrolu presnosti rozmerov výrobkov, ich triedenie ale aj na rozpoznávanie defektných výrobkov v procese odlievania. Autor: Stanislav Buch Katedra elektrotechniky, automatizácie a informatiky, Technická fakulta SPU v Nitre, Tr. A. Hlinku 2, 949 76 Nitra, SR 35 Inż. Igor Cieśla, dr inż. Szymon Głowacki Katedra Podstaw Inżynierii Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego ANALIZA PAKIETU KLIMATYCZNEGO 3X20 WDRAŻANEGO W POLSCE Wstęp Od drugiej połowy XX w. na świecie trwa dyskusja, której tematem jest antropogeniczne pochodzenie efektu cieplarnianego wywołanego emisją CO2. Jedną z głównych przyczyn tego zjawiska, to korzystanie z tradycyjnych metod pozyskiwania energii. Jest to temat, który dotyczy wszystkich ludzi. Polska gospodarka energetyczna jest mało efektywna oraz mało ekologiczna. Sektor energetyczny w Polsce opiera się przede wszystkim na konwencjonalnych źródłach energii. Ponad 50% wytwarzanej energii w Polsce pochodzi z najbardziej zanieczyszczającego środowisko źródła, jakim jest węgiel kamienny. Polska posiada duże złoża tego surowca, dlatego to właśnie on jest głównym źródłem energii. Alternatywą dla konwencjonalnych źródeł energii są źródła odnawialne (energia wód, energia geotermalna, energia słoneczna, energia wiatru, biogaz i biomasa). Są one ekologicznie czyste. Oznacza to, że bilans CO2 przy spalaniu biomasy (drewna, słomy) jest równy zero, gdyż powstająca ilość CO2 przy spalaniu jest równa ilości pochłoniętej przez rośliny podczas wzrostu. Pierwszym znaczącym dokumentem określającym normy emisji CO2 do atmosfery był Protokół z Kioto. Jego kontynuacją w Europie jest Pakiet Emisyjny 3x20 wprowadzony w grudniu 2008 roku. Dokumenty te określają cele poszczególnych krajów w walce z emisją CO2. Pakiet Emisyjny stwarza szanse rozwoju i modernizacji całej polskiej gospodarki przez rozwój sieci energetycznej oraz częściowe usamodzielnienie energetyczne. Pakiet niesie za sobą duże możliwości, jak również zagrożenia. Problem ten nie jest wystarczająco wyeksponowany, dlatego to zagadnienie jest opisane szerzej w niniejszej pracy. Emisja CO2 Najistotniejszym gazem cieplarnianym jest dwutlenek węgla dlatego to właśnie on będzie opisany w niniejszym artykule. Dwutlenek węgla (CO2, nazwa systematyczna: ditlenek węgla lub tlenek węgla (IV)) – to nieorganiczny związek chemiczny, tlenek węgla na IV stopniu utlenienia. Jest to bezbarwny, bezwonny i niepalny gaz, dobrze rozpuszczalny w wodzie i cięższy od powietrza. Dwutlenek węgla jest produktem spalania i oddycha- 36 nia. Jest wykorzystywany przez rośliny w procesie fotosyntezy. Tworzy się przy utlenianiu i fermentacji substancji organicznych. Występuje w kopalniach, cukrowniach, gorzelniach, wytwórniach win, silosach zbożowych. W małych stężeniach nie jest trujący, w większych stężeniach dwutlenek węgla jest szkodliwy dla zdrowia a nawet zabójczy.29 Efekt cieplarniany (szklarniowy), w ogromnym skrócie, jest to podwyższenie temperatury na Ziemi. Zjawisko to zachodzi w atmosferze. W niej właśnie znajdują się gazy, które utrudniają wymianę ciepła pomiędzy powierzchnią Ziemią a Kosmosem. Efekt ten może być: naturalny - dzieje się bez udziału człowieka i jest on korzystny do kształtowania warunków życia na Ziemi; sztuczny - pochodzenia antropogenicznego czyli wytworzony przez człowieka. Dzięki naturalnemu efektowi cieplarnianemu średnia temperatura na naszej planecie wynosi 14-15 oC. Gdyby zjawisko to nie występowało, przeciętna temperatura na Ziemi wynosiłaby w przybliżeniu -19 oC. Najważniejszym gazem absorbującym promieniowanie słoneczne jest para wodna, razem z chmurami odpowiada za 66% - 85% powstawania naturalnego efektu szklarniowego. Dwutlenek węgla odpowiada za 9% – 26% efektu, podczas gdy ozon (O3) jest odpowiedzialny za 7%, a inne gazy cieplarniane (metan, tlenki azotu i freony) są odpowiedzialne za 8%. Łącznie gazy te nazywa się gazami cieplarnianymi (GHG). Efekt cieplarniany spowodowany jedynie przez CO2 nazywamy efektem Callendara. W ostatnim stuleciu nastąpił wzrost ilości gazów szklarniowych w atmosferze, co doprowadziło do nieustającego wzrostu temperatury. Gazy cieplarniane zaczęły działać jak dach od szklarni- dalej przepuszczają promienie słoneczne do powierzchni Ziemi, jednak ograniczają oddawanie ciepła przez naszą planetę. Nadmierna emisja dwutlenku węgla do atmosfery powoduje zaburzenia równowagi termicznej (stan, gdy energia oddawana jest równa energii pobieranej). Aby zilustrować zjawisko efektu cieplarnianego posłużę się modelem szklarni (rys. 1). 29 http://pl.wikipedia.org/wiki/Dwutlenek_w%C4%99gla 37 Rysunek 1. Model szklarni tłumaczący zjawisko efektu cieplarnianego. Źródło: http://www.klimatdlaziemi.pl/index.php?id=106&lng=pl Wynikiem wzrostu temperatury w atmosferze ziemskiej są m.in. topnienie lodowca, wzrost temperatury oceanów. Przyczyną tych zjawisk jest różnica pomiędzy promieniami słonecznymi dostarczanymi na powierzchnię Ziemi, a ciepłem oddanym przez naszą planetę. Światowymi dokumentami, mającymi na celu ochronę środowiska naturalnego, są m.in. Protokół z Kioto i Pakiet Emisyjny 3x20. Zasięg pierwszego obejmuje prawie cały świat, natomiast ten drugi ma zastosowanie jedynie w krajach Unii Europejskiej. Protokół z Kioto: Protokół z Kioto do Ramowej konwencji Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu został sporządzony w dniu 11 grudnia 1997 roku. Protokół zwany również Konwencją zakłada między innymi: redukcję emisji gazów cieplarnianych; poprawę efektywności energetycznej; wspieranie zrównoważonej gospodarki rolnej w celu ochrony klimatu; badania, wspieranie, rozwój oraz zwiększenie wykorzystywania nowych i odnawialnych źródeł energii; zachęcanie do wprowadzenia w odpowiednich sektorach reform mających na celu wspieranie polityki i środków ograniczających lub redukujących emisję gazów cieplarnianych; współpracę między państwami ratyfikującymi protokół w sprawie zwiększenia efektywności polityki ekologicznej; ograniczanie emisji metanu z wysypisk odpadów, procesów produkcji, transportu i dystrybucji energii; 38 utworzenie najpóźniej do 2007 r. krajowego systemu inwentaryzacji antropogenicznej emisji gazów cieplarnianych, za wyjątkiem gazów kontrolowanych przez Protokół Montrealski. Pakiet klimatyczny „3x20”: Europejską kontynuacją Konwencji jest Pakiet Klimatyczny 3x20 został on zatwierdzony 12 grudnia 2008 przez Parlament Europejski. Najważniejszymi założeniami tego pakietu do 2020 roku są: - ograniczenie emisji gazów cieplarnianych o 20%; - zwiększenie udziału źródeł odnawialnych w bilansie energetycznym o 20%; - podniesienie efektywności energetycznej o 20%.30 W skład pakietu energetyczno-klimatycznego wchodzi sześć projektów: Przegląd Europejskiego Systemu Handlu Emisjami – ETS; Wypełnienie zobowiązań w zakresie redukcji emisji; Instalacji przechwytywania i składowania dwutlenku węgla(CCS); Udział energii ze źródeł odnawialnych; Ustalenie norm emisji CO2 przez samochody; Specyfikacja paliw. Dzięki negocjacjom na szczycie w Brukseli które odbyły się 12 grudnia 2008 roku udało się wynegocjować ostateczną wersję dokumentu. Nie obyło się jednak bez zmian i ustępstw. Najważniejszymi zmianami są: gałęzie przemysłu, które charakteryzują się dużą energochłonnością, takie jak cementownie czy zakłady chemiczne od 2013 do 2020 roku będą musiały płacić jedynie 70% za wyemitowane CO2 nie tak jak wcześniej zakładano 100%; elektrownie w roku 2013 zasilane węglem będą musiały zapłacić jedynie za 30% praw do emisji (w stosunku do ich średnich rocznych emisji w latach 2005-2007). Ten okres przejściowy będzie trwał 7 lat, w pierwotnej wersji dokumentu już od 2013 elektrownie miały zapłacić za 100% praw; Uzgodniono również iż w 2018 roku nastąpi ocena ograniczeń szkodliwych emisji. Jeżeli okaże się, że nie uda się spełnić planu, to jego cele zostaną zrealizowane w późniejszym czasie. 30 Rada Europejska Nota 17215, Energia i zmiany klimatyczne - elementy końcowego kompromisu, Sekretariat Generalny Rady do Delegacji, 12 grudnia 2008, Załącznik IV, pkt 39 Komisja Europejska stworzyła raport w którym przedstawiła konsekwencje dla państw członkowskich po wprowadzeniu pakietu. Kontrargumentem jest „Raport 2030”, przygotowany i sponsorowany przez Polski Komitet Energii Elektrycznej – PKEE oraz wykonany przez firmę Badania Systemowe „EnergSys”. Wykazano w nim, że wdrożenie Pakietu 3x20 może spowodować następujące konsekwencje: nastąpi zwiększenie kosztów produkcji energii o ok. 8-12 mld zł rocznie w związku z dopasowaniem struktur technologicznych i paliwowych; nakłady inwestycyjne na rozwój energetyki w Polsce zwiększą się o 58 mld zł; ceny energii elektrycznej wzrosną tylko wśród wytwórców o ok. 60%; efektem tych zmian w roku 2020 będzie spowolnienie wzrostu gospodarczego, wynikiem czego nastąpi utrata ok. 7,5% PKB (co stanowi ok. 150 mld zł); zwiększenie cen energii przyczyni się do wzrost udziału wydatków na energię w budżetach domowych z 11% w 2005 do ok. 14,114,4% w latach 2020-2030(w przypadku emerytów i rencistów może wynieść nawet ok. 18%). Kolejna analiza przeprowadzona tym razem prof. Jana Popczyka, która uwzględniająca jednocześnie bezpieczeństwo żywnościowe Polski oraz ochronę bioróżnorodności, wykazuje że posiadamy duże zaplecze w produkcji energii odnawialnej. Polski potencjał do produkcji energii z odnawialnych źródeł jest bardzo wysoki w porównaniu do innych państw członkowskich. Dla porównania niemiecki potencjał jest 6 razy mniejszy niż założony cel Pakietu w pierwotnej wersji. Polska ma dużo większe możliwości produkcyjne niż wymagane zobowiązania. W takim wypadku Polska mogłaby odsprzedawać nadwyżki innym państwom po korzystnych cenach. Pieniądze pozyskiwane w ten sposób mogłaby przeznaczyć na modernizację i rozwój energetyki.31 Podsumowanie Ostateczne postanowienia porozumienia dotyczącego Pakietu Emisyjnego znacząco osłabiły jego „wartość ekologiczną” tzn. obecnie założone cele dalece odbiegają od pierwotnych. Wymagania dotyczące ograniczeń emisji szkodliwych związków zostały zredukowane dotkliwie. Co gorsza nie przestrzeganie porozumienia nie pociąga za sobą żadnych konsekwencji. Czy głównym bodźcem do stworzenia Pakietu Klimatycznego były modne działania „proekologiczne” i populistyczne a nie ochroną klimatu. Kolejną bardzo istotną sprawą jest fakt iż wiele znanych ekspertów oraz naukow- Popczyk J., W polskim interesie jest, aby Pakiet 3x20 został wdrożony, Czysta Energia 2008, nr 10, s. 8-11 31 40 ców, między innymi prof. Miłka, twierdzi iż efekt cieplarniany nie jest spowodowany głównie przez emisję gazów szklarniowych. Najważniejszym czynnikiem powodującym ocieplanie klimatu jest para wodna i to właśnie jej nadmiernej emisji powinniśmy poświęcić więcej uwagi. Jest to problem powszechnie pomijany, mimo licznych publikacji potwierdzających zagrożenia płynące ze wzrostu pary wodnej w atmosferze. Porozumienie to mimo licznych wad, uważam że jest bardzo dobrym a zarazem znaczącym krokiem w poprawie stanu klimatu(„przynajmniej na terytorium Europy”). Oprócz względów ekologicznych niewątpliwe Pakiet ten daje szanse na rozwój polskiej gospodarki energetycznej. Pozwala na większe usamodzielnienie się Polski od surowców zagranicznych jak również daje szanse na poprawę całej infrastruktury energetycznej. Spis literatury: 1. Bielecki J., Europa przyjęła pakiet klimatyczny, Dziennik 2008 2. Kiehl J.T., Trenberth K., Earth’s Annual Global Mean Energy Budget, Bulletin of the American Meteorological Society nr 2., 1997, s. 197–208 3. Miłek M., Efekt cieplarniany –CO2?, Biuletyn Urzędu Regulacji Energetyki 2008, nr 4, s. 74-79 4. Pearson P., Palmer M., Koncentracja atmosferycznego dwutlenku węgla w ciągu ostatnich 60 milionów lat, Nature 2000, s. 695–699. 5. Popczyk J., W polskim interesie jest, aby Pakiet 3x20 został wdrożony, Czysta Energia 2008, nr 10, s. 8-11 6. Rada Europejska Nota 17215, Energia i zmiany klimatyczne - elementy końcowego kompromisu, Sekretariat Generalny Rady do Delegacji, 12 grudnia 2008, Załącznik IV, pkt 41 Vladimír Cviklovič MICROPROCESSOR BATTERY MONITOR Abstract Today are used batteries without memory effect, which may be discharged only to specific value of voltage, otherwise will be battery destructed. For battery protection may be used device for checking of battery state working on analog principle with using of comparators or the problem may be solved with assistance of microprocessor. Both variants has own advantages and disadvantages. This paper describes solution of problematic of battery state monitoring by means of the single-chip microprocessor. Key words: battery monitoring, microprocessor, AD converter, current measurement Úvod Na napájanie prenosných zariadení je nutné uvažovať s batériami alebo akumulátormi. V prípade väčších odberov je výhodnejšie použitie akumulátorov a to hlavne z cenového i ekologického hľadiska. Na trhu je množstvo typov akumulátorov ako napríklad olovené, NiCd, NiMH, Li-Ion alebo Li-Pol. Použitie jednotlivých akumulátorov treba zvážiť podľa prevádzkových podmienok. V našom prípade je napájaným zariadením mobilný robot, ktorý obsahuje niekoľko mikroprocesorových modulov a dva BLDC motory. Pre pomerne vysoký odber pri súčasnej požiadavke malého rozmeru a nízkej hmotnosti akumulátora sme sa rozhodli v našej jednotke použiť akumulátor Li-Pol, ktorý spĺňal všetky naše požiadavky. Materiál a metódy Li-Pol akumulátory sa vyznačujú nízkou hmotnosťou, vysokou kapacitou a veľkým prúdom, ktorý sú schopné dodať do záťaže. Sú však veľmi citlivé na podbitie. Pokles napätia pod kritickú hodnotu 3V na článok im neprospieva, obyčajne v takomto prípade stratia veľkú časť svojej kapacity spolu so schopnosťou dodať maximálny prúd do záťaže a to nenávratne. Podobne aj výstupný prúd je limitovaný podľa kapacity akumulátora. Z dôvodu správneho používania Li-Pol akumulátora sme navrhli, realizovali a v praxi odladili modul BAT1.1, ktorého úlohou je chrániť akumulátor pred nadmerným odberom a pobitím. 42 Požiadavky na modul boli nasledovné: Schopnosť merať napätie akumulátora a odoberaný prúd. Odber vo vypnutom stave menší ako 10 nA. Komunikácia podľa štandardu SPI 4-wire. Spoľahlivosť. Bloková schéma modulu BAT1.1 je uvedená na obrázku č. 1. Srdcom celého zapojenia je jednočipový mikroprocesor 8051F530A od firmy Silicon Laboratories. Ide o obvod „automotive“ s rozsahom pracovných teplôt od 40 do +125 °C. Okrem vysokorýchlostného mikrokontroléra je priamo na čipe integrovaný aj 12 bitový AD prevodník s multiplexorom, zdroj referenčného napätia, kalibrovaný oscilátor 24,5 MHz a iné periférie. Výstupný port Deliče napätia 3,3 V Obvody modulu VOUT 8051F530A Analógový multiplexor 12-bit AD prevodník SPI slave Oscilátor 24,5 MHz 24,5 MHz Delič frekvencie 12,25 MHz Systémové hodiny Obr. 1. Vysokorýchlostné jadro kontroléra 8051F530A Bloková schéma modulu BAT 1.1 43 Záťaž SPI rozhranie VBAT VR2 Spínač S2 Stabilizátor napätia VR1 VBAT VBAT VBAT Li-Pol článok Spínač S1 V našom prípade používame trojčlánkový akumulátor Li-Pol, ktorého napätie nemôže klesnúť pod kritickú hodnotu 9 V (na každý článok 3 V). Napätie nabitého akumulátora je 12,6 V. Maximálny prúd dodávaný do záťaže je 35 A. Na základe týchto informácií boli optimalizované deliče napätia a monitor prúdového zaťaženia. Po pripojení akumulátora čip urobí 10 vzoriek napätia. Na ich základe rozhodne či záťaž pripojí alebo nie. V prípade, že je napätia vyššie ako 9,07 V bude záťaž pripojená automaticky pomocou elektronického spínača S2. Ďalej je automaticky monitorovaný prúd a napätie na výstupe. Ak je napätie akumulátora nižšie ako 9,07 V, obvod záťaž nepripojí a automaticky odpojí aj svoje napájanie pomocou elektronického spínača S1. Prúd je monitorovaný ako úbytok napätia na rezistore s odporom 50 mΩ. Pri odoberanom prúde 10 A je úbytok napätia na rezistore 0,5 V čo je v našom prípade zanedbateľné. V prípade meraného prúdu ide o kompromis medzi úbytkom napätia na meracom rezistore a rozlišovacou schopnosťou. Výsledky a diskusia Rozsah pracovného napätia je od 4 do 30 V. Kritické napätie je nastaviteľné softvérovo v plnom rozsahu v 12 bitovom rozlíšení. V obvode je k dispozícii voliteľný zdroj referenčného napätia 1,5 V, 2,2 V a 3,3 V čo zabezpečuje výbornú rozlišovaciu schopnosť prevodníka v uvedenom rozsahu napätia akumulátora bez potreby akejkoľvek zmeny atenuátorov. Napätia sú merané s rozlíšením 3,42 mV, prúd dodávaný do záťaže s rozlíšením 67 mA. Doba nábehu celého zariadenia je menšia ako 5 ms. V prípade reakcie na podpätie alebo prekročenie maximálneho odoberaného prúdu je doba odpojenia záťaže menšia ako 50 ms. Spotreba modulu vo vypnutom režime nepresahuje 5 nA, čo je zanedbateľný prúd. Z tohto dôvodu nie je nutný žiaden mechanický spínač. V pracovnom režime je spotreba modulu v rozsahu 10 až 18 mA. Prúd je rozdelený medzi jednočipový mikroprocesor (približne 5 mA), AD prevodník (4 mA), zdroj referenčného napätia a napäťové stabilizátory. Všetky informácie ohľadom napätí a prúdov sú k dispozícii v 16 bitovom formáte prostredníctvom komunikačného štandardu SPI. Podobne je prostredníctvom komunikácie sprístupnené pripojenie a odpojenie nielen záťaže, ale aj celého modulu. Modul pracuje v móde „slave“ 4-vodičového zapojenia. Napäťová úroveň je TTL 3,3 V, maximálne 5V. Komunikačná rýchlosť zbernice je v danom prevedení do 5 MHz. 44 Záver Modul je určený na monitorovanie stavu všetkých typov akumulátorov, pri ktorých je nutné odpojiť záťaž pri poklese napätia pod povolenú hodnotu. Podobne chráni spotrebič pred poškodením spôsobeným vysokým napájacím napätím. Pôvodne je BAT1.1 navrhnutý a realizovaný na ochranu Li-Pol akumulátorov pred podbitím a nadmerným zaťažením, hodí sa však aj na iné typy článkov, napríklad ako monitorovacia jednotka a podobne. Použitá literatúra 1. SILICON LABORATORIES: 8kB ISP Flash MCU Family, 2008. [online], Dostupné na internete <www.silabs.com>, (citované 04-03-2009), (Katalógové listy IO 8051F530A). 2. CENEK, Miroslav. 2003: Akumulátory od princípu k praxi. FCC Public, 2003, 248 s., ISBN 80-86534-03-0. Autor: Ing. Vladimír Cviklovič, Katedra elektrotechniky, automatizácie a informatiky, Technická fakulta SPU v Nitre, Tr. A. Hlinku 2, 949 76 Nitra, SR tel.: +421-37-64 15 783, email: [email protected] 45 inż. Joanna Chodkowska; dr inż. Arkadiusz Gendek Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW w Warszawie OCENA PRAWIDŁOWOŚCI ŚCINKI DRZEW PRZEZ OPERATORÓW WYKONUJĄCYCH PRACE NA TERENIE NADLEŚNICTWA CHOJNÓW NA PODSTAWIE PARAMETRÓW PNIAKA Wstęp Mimo wprowadzania do polskich lasów coraz większej ilości maszyn wielooperacyjnych do pozyskiwania drewna, pilarka spalinowa nadal pozostaje podstawowym wyposażeniem Zakładów Usług Leśnych. Niestety praca pilarką spalinową nie należy do najbezpieczniejszych. Operator narażony jest nie tylko na emisję szkodliwych czynników takich jak hałas, drgania czy spaliny, ale także zagrażają mu czynniki związane z wykonywaniem poszczególnych operacji przy ścince, okrzesywaniu i przerzynce drewna. W tym przypadku będą to zjawiska związane z nieprzestrzeganiem zasad bezpieczeństwa i niewłaściwym wykonywaniem poszczególnych czynności np. przy ścince drzew. Każdego roku w leśnictwie notowanych jest wiele groźnych wypadków. Średnią liczbę wypadków w latach 2000-2007 przedstawiono na rysunku 1 [1]. Można tu zaobserwować, że w sektorze państwowym liczba ta z roku na rok maleje, natomiast w sektorze prywatnym rośnie. Ma to związek m.in. z przeniesieniem ciężaru prac wykonywanych przez Lasy Państwowe na Zakłady Usług Leśnych. Należy również zwrócić uwagę na to, iż w przypadku prywatnych przedsiębiorstw leśnych, część tego typu zdarzeń nie jest odnotowywana. Można, zatem przypuszczać, iż liczba wypadków w sektorze prywatnym jest większa. Rysunek 1: Liczba wypadków w latach 2000-2007 w sektorze publicznym i prywatnym. 46 Do najczęstszych przyczyn wypadków zaliczane są: niewłaściwy stan czynnika materialnego, niewłaściwa organizacja pracy i stanowiska pracy, brak lub niewłaściwe posługiwanie się czynnikiem materialnym, nieużywanie sprzętu ochronnego, niewłaściwe samowolne zachowanie się pracownika, niewłaściwy stan psychofizyczny pracownika [1]. Chcąc zmniejszyć ryzyko wystąpienia wypadku w procesie ścinki, bardzo ważne jest, aby osoba wykonująca tą pracę znała podstawowe zasady prawidłowej i bezpiecznej ścinki drzew. W tym celu, żeby zostać drwalem i zawodowo pracować pilarką należy ukończyć „kurs pilarza”, na którym kursant poznaje dokładnie wszystkie zasady prawidłowej ścinki drzew, tak, aby zapewnić sobie podczas pracy maksimum bezpieczeństwa. Zdobywa również wiedzę jak prawidłowo posługiwać się pilarką spalinową i jak pracować, aby ograniczyć straty drewna. Cel i zakres Celem badań było przeprowadzenie analizy i oceny znajomości zasad prawidłowej i bezpiecznej ścinki drzew oraz wskazanie najczęściej popełnianych błędów, które mogą prowadzić do niebezpiecznych wypadków. Oceny tej dokonano na podstawie parametrów pniaka pozostałego po ściętym drzewie. Zakres badań obejmował: pomiary podstawowych parametrów pniaka takich jak: wysokość pniaka, średnicę, wysokość progu bezpieczeństwa, szerokość zawiasy, kąty pochylenia płaszczyzny rzazu podcinającego i obalającego równolegle i poprzecznie do kierunku obalania drzewa. Określenie wartości prawidłowych i nieprawidłowych Wskazanie najczęściej popełnianych błędów Metodyka Pomiarów dokonano na 4 powierzchniach zrębowych w Nadleśnictwie Chojnów. Na każdej powierzchni zmierzono 50 pniaków. W tabeli 1 przedstawiono charakterystykę powierzchni leśnych, na których prowadzone były prace zrębowe. Nr powierzchni Rodzaj siedliska Drzewostan główny Wiek 410c LMśw So 130lat IIIB 139b LMśw 9So 1Db 130lat IIIB 138 a LMśw So 130lat IIIB 138 b LMśw 10So 130lat IIIB Tabela 1: Charakterystyka powierzchni leśnych. 47 Rodzaj rębni Do pomiarów użyto miarki taśmowej o dokładności +/- 1mm, listwy oraz poziomicy elektronicznej o dokładności +/-0,01°. Wyniki pomiarów zapisywano w przygotowanym formularzu badawczym. Podczas pomiarów określane były następujące parametry: Wysokość maksymalna i minimalna pniaka – dokładność pomiaru +/- 0,5cm. Pomiar wykonywany był w odległości 50 cm od krawędzi pniaka w kierunku poprzecznym do kierunku obalania drzewa (rysunek 2). Dla zniwelowania nierówności terenu, pomiar wykonywano w dwóch kierunkach i wyznaczano wartość średnią. Rysunek 2: Pomiar wysokości pniaka. Średnica pniaka poprzecznie (Sw) i wzdłużnie (Sp) w stosunku do kierunku obalania – dokładność pomiaru +/- 0,5cm (rysunek 3) Głębokość rzazu podcinającego, mierzona w połowie średnicy pniaka (Rzp) – dokładność pomiaru +/- 0,5cm (rysunek 3) Głębokość razu ścinającego, mierzona w połowie średnicy pniaka (Rzś) – dokładność pomiaru +/- 0,5cm (rysunek 3) Szerokość zawiasy (Z) – dokładność pomiaru +/- 0,2cm (rysunek 3) 48 Rysunek 3: Sposób pomiaru parametrów pniaka. Sw - średnica mierzona wzdłuż kierunku obalania; Sp - średnica mierzona poprzecznie do kierunku obalania; Rzp głębokość rzazu podcinającego; Z- szerokość zawiasy; Rzś - głębokość rzazu ścinającego. Wysokość progu bezpieczeństwa – dokładność pomiaru +/- 0,2 cm (rysunek 4) Rysunek 4: Pomiar wysokości progu bezpieczeństwa. Kąt pochylania płaszczyzny rzazu podcinającego i obalającego, mierzony, poprzecznie do kierunku obalania – dokładność pomiaru +/0,1 (rysunek 5) 49 Rysunek 5: Pomiar kąta pochylenia płaszczyzny rzazu podcinającego poprzecznie do kierunku obalania drzewa. Kąt pochylania płaszczyzny rzazu podcinającego i obalającego, mierzony wzdłuż kierunku obalania – dokładność pomiaru +/- 0,1 (rysunek 6) Rysunek 6: Pomiar kąta pochylenia płaszczyzny rzazu ścinającego wzdłuż kierunku obalania drzewa. Gdy kąt nachylenia płaszczyzny cięcia pochylony był do dołu kąt zapisywany był, ze znakiem „-”, natomiast, gdy nachylenie cięcia skierowane było do góry wartość kąta zapisywana była, ze znakiem „+”. Aby porównać parametry pniaków do wartości prawidłowych, zmierzone wartości takie jak: wysokość pniaka, średnica, wysokość progu bezpieczeństwa oraz szerokość zawiasy, zostały uśrednione. Prawidłowe wartości parametrów są odniesione do średnicy drzewa w miejscu cięcia i mają określone wartości. Pilarz dokonując ścinki i odnosząc się do tych wartości zwiększa swoje bezpieczeństwo podczas pracy. Zgodnie z zasadami BHP prawidłowe wartości parametrów pniaka przy ścince drzew powinny być następujące (rysunek 7): Wysokość pniaka nie powinna przekraczać ¼ średnicy 50 Głębokość rzazu podcinającego nie powinna przekraczać 1/4- 1/3 średnicy Próg bezpieczeństwa powinien mieć wysokość odpowiadającą 1/10 średnicy Zawiasa powinna mieć szerokość odpowiadającą 1/10 średnicy Kąty pochylenie płaszczyzn cięć powinny mieć wartość 0° Rysunek 7: Parametry pniaka przy ścince [2]. W związku z tym, że wszystkie czynności przy ścince drzewa wykonywane są przez człowieka bez używania jakichkolwiek przyrządów pomiarowych przyjęte zostało, że istnieje możliwość popełnienia przez niego błędu w następujących granicach: - wysokość pniaka, głębokość rzazu podcinającego i obalającego +/- 5% od wartości prawidłowej - wysokość progu bezpieczeństwa i szerokość zawiasy +/- 2,5% od wartości prawidłowej - kąty nachylenia płaszczyzn pniaka +/- 2,5% od poziomu Wartości te zostały ustalone na podstawie analizy statystycznej danych, wykonanej przy wykorzystaniu programu Statistica 8 PL. Ze względu na to, że większość parametrów pniaka opiera się na średnicy w miejscu cięcia, dokonano pomiaru średnicy poprzecznie i podłużnie w stosunku do kierunku obalania drzewa, a następnie obliczona została wartość średnia. Wyniki pomiarów odnoszone były do średniej wartości średnicy pniaka w miejscu cięcia. 51 Wyniki Porównując uzyskane wyniki dotyczące wysokości pniaka okazuje się, iż 191 pośród 205 zmierzonych pniaków ma nieprawidłową wysokość, z czego 58% jest za wysokich, natomiast 35% za niskich. Tylko 7% pniaków spełnia kryteria prawidłowej ścinki. Zestawienie wyników przedstawiono na rysunku 8. Pilarz dokonujący ścinki musi pamiętać o tym, iż głębokość rzazu podcinającego nie powinna przekraczać 1/3-1/4 średnicy pniaka. Okazuje się, iż tylko 38 pniaków, co stanowi 19% wszystkich spełnia warunki prawidłowej ścinki (rysunek 8). 72% pniaków miało zbyt głęboko wykonywany rzaz podcinający, a 9% zbyt płytko. Prawidłowo wykonany próg bezpieczeństwa powinien mieć wysokość odpowiadającą 1/10 średnicy pniaka w miejscu cięcia. Przyjmując 5% granicę błędu aż 98% pniaków ma niewłaściwą wysokość progu bezpieczeństwa, z czego 65% pniaków ma za niski próg, natomiast 33% za wysoki, tylko 2% stanowią pniaki o prawidłowej wysokości progu bezpieczeństwa (rysunek 8). Szerokość zawiasy powinna odpowiadać 1/10 średnicy pniaka. W wielu przypadkach zawiasa została wykonana w formie klina. Wykonywano wtedy pomiar w najszerszym i najwęższym punkcie zawiasy, a następnie określano wartość średnią. Przyjmując granicę błędu 5% (+/- 2,5%) tylko 5% pniaków miało prawidłową szerokość zawiasy. Wśród wszystkich zmierzonych pniaków 72% pniaków miało zbyt szeroką zawiasę, natomiast 23% za wąską. W wielu przypadkach można było zauważyć przecięcie zawiasy (rysunek 8). Rysunek 8. Udział procentowy poszczególnych wartości. 52 Dokonując zestawiania wartości zmierzonych kątów pochylania płaszczyzn rzazów podcinających, mierzonych poprzecznie do kierunku obalania, z wartościami prawidłowymi, 63% zmierzonych pniaków miało wartość prawidłową mieszczącą się w granicach błędu. Pozostałe 37% pniaków miało kąty pochylania płaszczyzn znacznie przekraczające wyznaczone granice, z czego 22% pochylona na „-” a 15% pochylona na „+” (rysunek 9) W przypadku kąta pochylania płaszczyzny rzazu ścinającego, mierzonego poprzecznie do kierunku obalania, 68% pniaków mieści się w założonych granicach błędu, 14% pniaków miało pochylanie kąta w kierunku „-„ a 18% w kierunku „+”. W przypadku kątów pochylania płaszczyzn cięcia mierzonych wzdłuż kierunku obalania, 52% stanowią pniaki, dla których kąt nachylenia płaszczyzny rzazu podcinającego był prawidłowy, 26% pniaków miało kąt pochylenia w kierunku „-„, a 22% w kierunku „+”. Natomiast w przypadku pochylania płaszczyzny rzazu ścinającego tylko 45% pniaków miało wartości mieszczące się w granicach błędu, 46% było pochylonych w kierunku „-„ a 9% w kierunku „+” (rysunek 9). Rysunek 9. Procentowy udział poszczególnych wartośći parametrów pniaka. Kpp kąt pochylania płaszczyzny rzazu podcinającego mierzony poprzecznie do kierunku obalania; Kśp - kąt pochylania płaszczyzny rzazu ścinającego mierzony poprzecznie do kierunku obalania; Kpw - kąt pochylania płaszczyzny rzazu podcinającego mierzony wzdłuż do kierunku obalania; Kśw - kąt pochylania płaszczyzny rzazu ścinającego mierzony wzdłuż do kierunku obalania 53 Wnioski Biorąc pod uwagę zestawianie uzyskanych wyników badań z wartościami prawidłowymi można stwierdzić, iż pilarze mimo ukończonych kursów uprawniających ich do wykonywania zawodu drwala, nie przestrzegają zasad bezpiecznej ścinki, narażając tym samym swoje zdrowie podczas pracy. Zdecydowana większość zmierzonych pniaków znacznie odbiega swoimi parametrami od parametrów określonych, jako prawidłowe. Niestosowanie się do zasad prawidłowej ścinki prowadzi nie tylko do wielu niebezpiecznych sytuacji, a czasem do śmiertelnych wypadków. Często prowadzi to również do uszkodzeń drzew pozostawianych na powierzchniach oraz strat drewna w części odziomkowej. Niestosowania się przez operatorów do zasad bezpiecznej ścinki drzew można upatrywać przede wszystkim w lekceważeniu zagrożeń wynikających z rutyny przy tego typu pracach oraz w pośpiesznym wykonywaniu prac dla osiągnięcia wyższych wydajności. Dodatkowymi przyczynami mogą być stres, nadmierny wysiłek, zbyt mało przerw na odpoczynek. Ważne jest zatem, aby zawód drwala wykonywały osoby, które ukończyły kurs pilarza, znają zasady prawidłowej i bezpiecznej ścinki oraz stosują się do nich podczas każdego dnia pracy w lesie. Odnotowanie wielu nieprawidłowości może być przyczynkiem do organizowania okresowych szkoleń przypominających z zakresu techniki ścinki drzew i BHP przy pozyskiwaniu drewna. Literatura 1. Główny Urząd Statystyczny: Informacje i opracowania statystyczne, Leśnictwo 2008 2. Wiesik J. red. 2002: Pilarki przenośne budowa i eksploatacja. Warszawa 3. Laurow Zbigniew 1999: Pozyskiwanie drewna. Warszawa 4. Węgieł Andrzej. Ocena poprawności techniki ścinki drzew w lasach prywatnych na podstawie analizy pniaków. Przegląd Leśniczy, kwiecień 2007 5. Instrukcja Bezpieczeństwa i Higieny Pracy przy wykonywaniu podstawowych prac z zakresu gospodarki leśnej. DGLP. Warszawa 1997. 54 inż. Magdalena Dąbrowska, prof. dr hab. inż. Aleksander Lisowski Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW w Warszawie BADANIE ROZKŁADU DŁUGOŚCI CZĄSTEK ROŚLIN ENERGETYCZNYCH PRZEZNACZONYCH NA BRYKIETY Wstęp Poszukiwanie alternatywnych rozwiązań dla surowców kopalnych jest poważnym wyzwaniem dla wielu specjalistów z różnych sektorów gospodarczych i dziedzin nauki. Zastąpienie źródeł pozyskiwania energii, uznawanych dotychczas za tradycyjne, źródłami odnawialnymi może okazać się nieocenione. Jednym z takich źródeł jest biomasa z roślin energetycznych, z której po odpowiedniej obróbce można wytwarzać brykiety przeznaczone do spalania. W celu pozyskania bazowego surowca z roślin energetycznych można zastosować sieczkarnię polową, w której podczas zbioru materiał roślinny jest rozdrabniany na sieczkę. Struktura pociętego materiału roślinnego w zespole tnącym sieczkarni, zarówno bębnowym, jak i toporowym nie jest jednak przydatna do przygotowania brykietów. W zależności od wymiarów brykietów konieczne jest dalsze rozdrobnienie takiej mieszaniny, np. w rozdrabniaczu bijakowym z zastosowaniem sit o wymiarach oczek zapewniających właściwą strukturę mieszaniny. Ponieważ istotnym kryterium oceny pracy urządzeń rozdrabniających jest struktura uzyskiwanej długości cząstek, a więc wartość średniej cząstek i równomierność rozdrobnienia materiału roślinnego, w Katedrze Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW przeprowadzono badania, wykorzystując w tym celu separator sitowy. Ponieważ każdy gatunek rośliny ma odmienną budowę, która może wpływać na rozdrabnianie materiału, dlatego też stosując jednakowe warunki rozdrabniania i separacji można przez porównanie ocenić charakterystyki rozkładów długości cząstek rozdrobnionego materiału roślin energetycznych oraz wnioskować o ich podatności na rozdrabnianie. Badania przeprowadzone na rozdrobnionym materiale z wierzby, ślazowca pensylwańskiego i topinambura wykazały różnice w charakterystykach rozkładów długości cząstek i prędkości krytycznych między gatunkami roślin energetycznych wynikające z różnic ich właściwości fizycznych (Dąbrowska, Lisowski 2008, Lisowski i in. 2008). Spośród mieszanin zmielonych roślin w rozdrabniaczu bijakowym rozkład długości cząstek wierzby charakteryzował się największą 55 średnią geometryczną i był najbardziej wyrównany, a mieszanina topinambura była najkrótsza, ale najbardziej nierównomierna. Badania te rozszerzono o kolejne rośliny energetyczne: spartinę preriową, różę wielokwiatową bezkolcową, rdest sachaliński oraz miskant olbrzymi, a ich celem było określenie charakterystyk rozkładu materiału roślinnego rozdrobnionego w rozdrabniaczu bijakowym. Materiał i metodyka badań Rośliny energetyczne były zebrane przyczepianą sieczkarnią polową współpracującą z ciągnikiem Ursus 1234 o mocy silnika 85 kW. Zespół rozdrabniający sieczkarni był wyposażony w 10 noży i proste łopatki rzutnika z ostrą krawędzią natarcia oraz płytkę denną o powierzchni gładkiej. Prędkość obrotowa tarczy tnącej wynosiła 1000 obr.·min-1. Nastawione parametry robocze zespołu umożliwiały uzyskanie częstotliwości cięcia 167 Hz oraz teoretycznej długości cząstek rozdrobnionego materiału roślinnego 8,8 mm. Zebrany materiał wysuszono w warunkach naturalnych do wilgotności w zakresie 5,6-7,3% i dodatkowo zmielono w rozdrabniaczu bijakowym, stanowiącym wyposażenie brykieciarki hydraulicznej APT 40. Do oceny rozkładu długości cząstek zmielonego materiału zastosowano separator sitowy (rys. 1), spełniający wymagania normy ANSI/ASAE S424.1 (Lisowski i in. 2008). Rysunek 1. Widok ogólny separatora sitowego i efekt separacji mieszaniny spartiny preriowej 56 Materiał do separacji w ilości 10 litrów wsypywano do kosza zasypowego w celu równomiernego rozłożenia całej frakcji na powierzchni górnego sita. Sprawdzano docisk listew blokujących i w razie potrzeby dokręcano nakrętki. Następnie przesiewano materiał w czasie 120 sekund, po czym kolejno, zaczynając od góry, wyjmowano sita znajdujące się na listwach prowadzących i ważono poszczególne frakcje. Badania powtórzono trzykrotnie dla każdej rośliny energetycznej. Udział masy frakcji, której masę ważono z dokładnością 0,01 g obliczono z zależności: umf mi 6 m n 1 100 i gdzie: umf – udział masowy frakcji na i-tym sicie, %, mi – masa frakcji na i-tym sicie, g. Uzyskane dane wykorzystano do obliczenia średniej geometrycznej długości cząstek sieczki xgm i odchylenia standardowego sgm: xgm log 1 Σ(mi log xsi ) Σmi sgm log 1 Σmi (log xsi log xgm ) 2 Σmi gdzie: mi – masa sieczki na i-tym sicie, g, xsi – średnia długość cząstek na i-tym sicie w mm, którą wyznaczono z wzoru xsi xi xi1 gdzie: xi – przekątna otworu i-tego sita (i=2-5), m, x(i-1) – przekątna otworu sita znajdującego się powyżej i-tego sita, mm. Długość cząstek znajdujących się na dnie przyjęto jako połowę przekątnej otworu na sicie piątym (bezpośrednio znajdującym się nad dnem). 57 Wyniki badań i dyskusja Przykładowy wynik rozkładu rozdrobnionej spartiny preriowej przedstawiono na rys. 1, natomiast średnią geometryczną długość cząstek spartiny preriowej, róży bezkolcowej, rdestu sachalińskiego oraz miskanta olbrzymiego dla kolejnych sit przedstawiono w tab. 1. Tabela 1. Charakterystyka sit i wyniki badań rozkładu długości cząstek dla badanych roślin energetycznych Nr sita Wymiar otworu kwadratowego, mm Przekątna otworu kwadratowego, mm Współczynnik prześwitu sita, % Średnia teoretyczna długość cząstek na sicie, mm 1 19 26,9 45,6 * 2 12,7 18,0 33,8 22 3 6,3 8,98 33,7 12,7 4 3,96 5,61 39,4 7,1 5 1,17 1,65 41,5 3,04 dno - - - 0,82 ٭- średni wynik uzyskiwany podczas ręcznych pomiarów cząstek na sicie Na podstawie otrzymanych wyników z separacji mieszaniny rozdrobnionych roślin energetycznych na separatorze sitowym wykonano wykresy rozkładów masowych frakcji sieczki (rys. 2). Udział masy frakcji na sitach był nierównomierny. Po przesianiu spartiny preriowej, na dwóch pierwszych sitach znalazła się śladowa ilość materiału, natomiast na kolejnych sitach udział masy zwiększał się bardzo znacząco (rys. 2a). Dla tej rośliny odnotowano największy udział frakcji drobnej (45,88%), która pozostała na dnie, a rozkład udziału masy na sitach miał charakterystykę progresywną. 58 Dla pozostałych roślin rozkłady długości sieczki były odmienne niż dla spartiny preriowej i miały zbliżone do siebie charakterystyki – z maksymalnym udziałem frakcji o wymiarze 1,65 mm (rys. 2b, c, d). Udział tej frakcji wynosił około 50%, ale udział frakcji najdrobniejszej był również duży i wynosił około 30%. Oznacza to, że rozkłady długości sieczki były rozkładami silnie asymetryczne prawostronnie, o dużej koncentracji wokół średniej wartości długości sieczki. b) 60 60 49,94 Udział masy sieczki, % Udział masy sieczki, % a) 45,88 50 39,53 40 30 20 10 10,37 0,14 0,06 4,02 50 40 30,39 30 15,37 20 10 0,29 0 26,90 18,00 8,98 5,61 1,65 0,82 26,90 Przekątna oczka sita, mm c) 60 3,77 50 40 29,99 30 20 14,64 10 0,00 0,00 0,25 26,90 18,00 8,98 18,00 8,98 5,61 1,65 Przekątna oczka sita, mm 0,82 d) 60 55,12 Udział masy sieczki, % Udział masy sieczki, % 0,24 0 47,45 50 40 28,82 30 20,50 20 10 0,00 0,10 3,13 26,90 18,00 8,98 0 0 5,61 1,65 0,82 5,61 1,65 0,82 Przekątna oczka sita, mm Przekątna oczka sita, mm Rysunek 2. Rozkład udziału masy frakcji na poszczególnych sitach: a) spartina preriowa, b) róża wielokwiatowa bezkolcowa, c) rdest sachaliński, d) miskant olbrzymi Średnia geometryczna długość cząstek dla spartiny preriowej wynosiła 1,94 mm, a dla róży bezkolcowej, rdestu sachalińskiego i miskanta olbrzymiego była większa i wynosiła odpowiednio 2,49, 2,33 i 2,60 mm, zaś odchylenie standardowe średniej wynosiło odpowiednio 2,39, 2,31, 2,11 i 2,29 mm. Duże wartości odchyleń standardowych, równoważne wartości średniej długości cząstek, wskazują na znaczną niejednorodność mieszanin. Uwzględniając wartości średnie długości cząstek można stwierdzić, że największa względna nierównomierność sieczki wystąpiła dla spartiny preriowej. 59 Ponieważ rozdrobnienie materiału roślinnego odbywało się na rozdrabniaczu pracującym przy tych samych parametrach techniczny, a wilgotność materiału podczas separacji była zbliżona (5,5-7,0%, tylko nieznacznie mniejsza niż podczas rozdrabniania), przeto o charakterystyce rozkładu długości sieczki decydujący wpływ miał gatunek rośliny. Na podatność materiału roślinnego na rozdrabnianie mogą mieć wpływ sztywność roślin i ich budowa, upakowanie, twardość, zwięzłość, współczynnik tarcia zewnętrznego i wewnętrznego. Uzyskanie odpowiedzi na te przypuszczenia wymaga jednak przeprowadzenia dalszych badań w tym zakresie. Wnioski 1. Rozkłady długości cząstek były rozkładami asymetryczne prawostronnie, o silnej koncentracji wokół średniej wartości długości sieczki, ale mieszanina spartiny preriowej zawierała najwięcej cząstek najdrobniejszych, a rozkłady długości cząstek róży wielokwiatowej bezkolcowej, rdestu sachalińskiego i miskanta olbrzymiego były podobne. 2. Spośród rozdrobnionych roślin energetycznych mieszanina spartiny preriowej miała najkrótsze cząstki, a miskanta olbrzymiego - najdłuższe. 3. Mieszaniny rozdrobnionych roślin energetycznych charakteryzowały się dużymi odchyleniami standardowymi, równoważnymi wartości średniej długości cząstek. Bibliografia 1. ASAE S424.1. 1993: Method of determining and expressing participle size of chopped forage materials by screening. 2. DĄBROWSKA M., LISOWSKI A. 2008: Badanie rozkładu długości cząstek roślin energetycznych przeznaczonych na brykiety. XVII Konf. Nauk. Studentów pt. „Problemy inżynierii rolniczej i leśnej”, III Konf. Między., Wyd. SGGW, s. 40-47. 3. LISOWSKI A., SAR Ł., ŚWIĄTEK K., KOSTYRA K. 2008; Separator sitowy do analizy rozkładu długości sieczki. Technika Rolnicza, Ogrodnicza, Leśna, 2: 17-19. 60 Aleksandra Derlicka, prof.dr hab. Edmund Kamiński Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW w Warszawie ROZPYLENIE I UGNIATANIE GLEBY PODCZAS ZABIEGÓW AGROTECHNICZNYCH Summary Operationg machine-tractor sets are well known to produce, in the majority of cases, a negative ompact on soil ecosystem through compaction and destructing effect of their running systems.Currently taken measures to improve the design of these sets to decrease the above ompact to an acceptable level have yielded no sensible results as yet, hence continuous ecosystem degradation. When a plough with changeable operating width is used the peak potential productivity without wheel slippage restriction (15 %) is achieved at a speed of Vp=8,2 km /h, and with wheel slippage restriction (9 %) - at a speed of Vp=8,6 km/h. In this case the productivity drops by 2,5 %, the specific fuel consumption increases by 2,4 %. Key words: tillage of soil, agricultural engineering, Wstęp W Polsce dominują gospodarstwa rolne małych areałów wykorzystujące do produkcji rolniczej ciągniki małych mocy oraz narzędzia i maszyny małych wydajności, które wykorzystywane we właściwy sposób nie stwarzają zagrożenia nadmiernym ugniataniem gleby i podglebia [Buliński, Marczuk 2007]. Natomiast wchodzące na rynek nowe ciągniki i maszyny rolnicze charakteryzują się coraz większymi masami i mocami silników. Do eksploatacji wchodzą coraz większe, wydajniejsze agregaty maszynowe składające się z ciągników dużych mocy i maszyn ciężkich o dużych szerokościach roboczych. Trend ten wpływa na nasilenie się zjawisk ugniatania gleby i podglebia oraz rozpylenia gleby wynikającego z poślizgów kół, ugniatania gleby i oddziaływania aktywnych organów roboczych narzędzi uprawowych. Nadmierne ugniatanie gleby obserwuje się w takich zabiegach, jak nawożenie organiczne (obornik, gnojowica), zbiór buraków cukrowych, zbiór ziemniaków. Zjawiskom ugniatania i rozpylenia gleby poświęcono wiele prac badawczych [Kamiński, Orda 2004, Buliński 2006, Viselga, Kamiński 2006, orda i inni 2005]. Badania prowadzono i są kontynuowane w wielu krajach Europy i Świata [Wajnrub 1996, Skrebelis 1997]. Zainteresowanie problemem wynika również ze znacznych ograniczeń plonu roślin uprawnych spowodowanych ugniataniem gleby dochodzącym do 40% [Szeptycki 1994). 61 Geneza, cel i zakres pracy W oparciu o dokonany przegląd literatury stwierdzić można, że z zakresu omawianej tematyki, cały szereg problemów badawczych zostało rozwiązanych, do nich należą: ustalenie dopuszczalnych poślizgów kół napędowych ciągników i maszyn rolniczych, ustalenie dopuszczalnych nacisków powierzchniowych i osiowych, zależnych od typu gleby i jej wilgotności, dla ciągników i maszyn rolniczych. Aktualnie prowadzone są badania nad: formowaniem składu granulo metrycznego gleby podczas zabiegów uprawowych, ograniczeniem poślizgów kół napędowych z wykorzystaniem zasad rolnictwa precyzyjnego i nawigacji satelitarnej, ograniczeniem nacisków na glebę powierzchniowych i osiowych, szczególnie dla maszyn wyposażonych w zbiorniki dużych ładowności oraz ciągników dużych mocy. Badania w tym zakresie są nadal aktualne z punktu widzenia agrotechnicznego i ekologicznego. Celem pracy było sporządzenie charakterystyki stosowanych środków technicznych umożliwiających tworzenie składu granulo metrycznego gleby, najbardziej korzystnego z punktu widzenia wzrostu roślin, erozji wodnej i wietrznej gleby, omówienie sposobów kontroli poślizgów kół napędowych ciągników i maszyn rolniczych, scharakteryzowanie zjawiska ugniatania gleby kołami ciągników i maszyn rolniczych oraz sposobów jego ograniczenia. Zakres pracy obejmuje trzy zagadnienia, a mianowicie: - formowanie składu granulo metrycznego warstwy uprawnej gleby, rozpylenie gleby wynikłe z dużych poślizgów kół napędowych ciągnika, ugniatanie warstwy ornej i podglebia oraz tworzenie kolein i podeszwy płużnej. Metodyka badań Badania prowadzone były zgodnie z obowiązującymi metodykami badań narzędzi i maszyn rolniczych. Formowanie składu granulo metrycznego warstwy uprawnej gleby analizowano w oparciu o prototyp maszyny wykonany w Uniwersytecie Agrotechnicznym w Melitopolu na Ukrainie. Eksperymenty przeprowadzono na glebie bielicowej lekko-gliniastej w gospodarstwie doświadczalnym Uniwersytetu. Wpływ poślizgów kół napędowych ciągnika na rozpylenie gleby określono w oparciu o badania przeprowadzone w Północno-Zachodnim NaukowoBadawczym Instytucie Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa w Petersburgu. Analizę prowadzono w aspekcie wpływu udziału frakcji pylistej gleby na obniżkę plonu roślin uprawnych. 62 Dopuszczalna wartość współczynnika poślizgu kół napędowych ciągnika MTZ-80 podczas siewu na glebach darniowo-bielicowych wynosi 18-20 % Badany ciągnik posiadał opony o wymiarach 15,5 – 38; 16,9 – 38; 18,4 – 34. Analizę ugniatania warstwy ornej i podglebia i tworzenie podeszwy płużnej przeprowadzono w oparciu o badania Przemysłowego Instytutu Maszyn Rolniczych w Poznaniu oraz eksperymenty przeprowadzone w Białoruskim Państwowym Uniwersytecie Technicznym w Mińsku i Białoruskim Uniwersytecie Techniczno-Rolniczym w Mińsku. Przebieg i wyniki badań Jak wykazały badania optymalnie uformowana warstwa orna gleby, dla południowo-ukraińskiego czarnoziemu, z punktu widzenia otrzymania maksymalnych plonów zbóż, warstwa powierzchniowa powinna zawierać przede wszystkim frakcje gruzełków o wymiarach 10-20mm, siewna 0,255,0mm i podsiewna 1,0-50mm. Gęstość gleby w warstwach powierzchniowej i siewnej powinna wynosić 1,22-1,24g/cm3 , a w warstwie podsiewnej nie więcej jak 1,24-1,26g/cm3. Zbudowany prototyp narzędzia formułującego skład gruzełkowy gleby według powyższych kryteriów przeszedł próby funkcjonalne uzyskując pozytywne wyniki badań. Zapewnia on uzyskanie w warstwie powierzchniowej 0-4cm powyżej 60% gruzełków 10-20mm, siewnej 4-8cm powyżej 80% gruzełków 0,25-50mm, podsiewnej 8-18cm powyżej 60% gruzełków 1,0-50mm. Przeprowadzone badania wykazały, że poślizg koła napędowego ogumionego powoduje intensywne kruszenie gleby. Zwiększenie prędkości poślizgu bieżnika opony względem gleby prowadzi do bardziej intensywnego rozdrabniania gleby i zwiększania zawartości frakcji drobnych. Zwiększenie prędkości poślizgu koła względem gleby powyżej 0,18 – 0,20 m/s powoduje znaczny udział w strukturze gleby cząstek o średnicy poniżej 0,5 mm, rys.1. 63 Rys.1. Wpływ prędkości poślizgu kół na skład strukturalny gleby na śladzie koła (wilgotność gleby w warstwie 0 – 5 cm poniżej 10 %). 1 - dfr0,5 mm; 2 - dfr=0,5-2 mm; 3 - dfr=2-5 mm; 4 - dfr=5-10 mm; 5 – dfr10 mm Wyrażenie aproksymujące przedstawioną graficznie krzywą (1) na rys.1, opisującą zależność wzrostu udziału w glebie frakcji pylistej w % w funkcji poślizgu kół napędowych ciągnika przedstawić można następująco: fr = 12,67 – 108,78 x + 626,87 x2 – 701,16 x3 , gdzie: x – prędkość poślizgu kół względem gleby. Wielkość poślizgu kół ciągnika w konkretnych warunkach glebowych określają typ i stan techniczny jego układu jezdnego a także masa eksploatacyjna ciągnika. Wiadomo, że im większa masa eksploatacyjna ciągnika, tym mniejsze są poślizgi kół jezdnych, przy stałej prędkości roboczej. Tak więc, poprzez zwiększenie masy eksploatacyjnej ciągnika MTZ-82 o 25 % (zakres regulacji) poślizgi przy prędkości roboczej 12 km/h obniżyły się o 2,8 %, a przy prędkości 7 km/h o 9 %. Jednocześnie siła uciągu ciągnika przy dopuszczalnej wielkości poślizgu 14 % zwiększyła się z 15,1 kN do 18,3 kN. Zwiększanie masy ciągnika można wykorzystywać do zmniejszania poślizgów. Wzrost nacisku jednostkowego na glebę, wynikający ze zwiększenia masy ciągnika, należy ograniczać przez stosowanie szerszych opon na kołach napędowych ciągnika. Do sterowania wydajnością agregatu do orki z uwzględnieniem poślizgu kół napędowych ciągnika wykorzystano ekstremalny algorytm sterowania. 64 Algorytm uwzględnia wpływ niekorzystnych przypadkowych czynników, będących następstwem niejednorodności warunków glebowych i środowiska. Schemat obiektu sterowania pokazano na rys.2. (n) B (n) W (n) Agregat do orki – pole Rys.2. Parametryczny schemat obiektu sterowania. W(n) – wydajność agregatu, ha/h; B(n) – szerokość robocza agregatu, m; (n) – współczynnik niekontrolowanych czynników; - współczynnik poślizgu kół napędowych. Przy zastosowaniu pługa ze zmienną szerokością roboczą maksymalna potencjalnie wydajność agregatu bez ograniczenia poślizgu kół (15%) osiągana była przy przy prędkości Vp = 8,2 km/h, a z ograniczeniem poślizgu (9%) – przy prędkości Vp = 8,6 km/h. Przy tym wydajność maleje o 2,5 %, natomiast jednostkowe zużycie paliwa zwiększa się o 2,4 %. Z badań przeprowadzonych przez [Talarczyk, Zbytek 2000] wynika, że sposób pracy agregatem ciągnik Ursus 1224 z pługiem PBC-4/5 wpływa istotnie na parametry eksploatacyjne i destrukcyjność gleby. Badano, gdy: a/ koła ciągnika poruszają się bruzdą wyoraną przez ostatni korpus, b/ koła ciągnika poruszają się płytką bruzdą wyoraną przez ostatni korpus, c/ wszystkie koła poruszają się po caliźnie. W przypadku a naprężenia powodują wzrost zwięzłości gleby o około 0,2MPa. W przypadku „b” naprężenia przenoszone są na głębokość do 20cm, czyli do poziomu podeszwy płużnej. W przypadku „c” naprężenia przenoszone są do głębokości 25cm a przyrost zwięzłości gleby w warstwie ornej wynosi 0,1-0,7MPa. Głębokość koleiny po kolejnym przejeździe wyliczyć można z zależności następującej postaci [Bojkow i inni 2000]: 65 hn P (1 k1 log n)ar ctg( ) k P gdzie: P – zwięzłość gleby, Pa; k – współczynnik odkształcenia objętościowego gleby, N/m ; k1 – współczynnik intensywności gromadzenia odkształceń; nacisk jednostkowy, Pa; n – liczba obciążeń (przejazdów). 3 Podsumowanie Jak wykazała przeprowadzona analiza wchodzące na rynek ciągniki i maszyny rolnicze charakteryzują się coraz większymi masami. Do eksploatacji wchodzą coraz większe, wydajniejsze agregaty maszynowe składające się z ciągników dużych mocy i maszyn ciężkich o dużych szerokościach roboczych. Trend ten wpływa na nasilenie się zjawisk ugniatania gleby i podglebia oraz rozpylenie gleby wynikające z poślizgów kół, ugniatania gleby i oddziaływania aktywnych organów roboczych narzędzi uprawowych. Istnieje szereg sposobów na ograniczenie tych zjawisk, a do podstawowych zaliczyć należy: wprowadzenie komputerowego sterowania parametrami techniczno-eksploatacyjnymi maszyn rolniczych, ograniczenie masy ciągników i maszyn rolniczych oraz ładowności zbiorników instalowanych na tych maszynach, itp. Wnioski 1. Skład granulo metryczny gleby wpływa istotnie na plonowanie roślin uprawnych. Zwiększenie udziału frakcji pylistej jest zjawiskiem niepożądanym. Wskazane jest formułowanie składu granulo metrycznego gleby w następujący sposób: warstwa powierzchniowa 0-4cm gruzełki 10 do 20mm minimum 60%, warstwa siewna 4-8cm gruzełki 0,25 do 50mm minimum 80%, warstwa podsiewna 8-24cm gruzełki 1 do 50mm minimum 65%. 2. Ze zwiększeniem współczynnika poślizgu kół napędowych ciągnika wzrasta intensywność kruszenia bryłek gleby i powstawania frakcji pylistej. 3. Ograniczenie poślizgu kół ciągnika otrzymać można poprzez zastosowanie map zwięzłości gleby, nawigacji satelitarnej, i komputerowe sterowanie szerokością roboczą narzędzi i maszyn rolniczych. 4. Zjawisko ugniatania gleby można ograniczyć poprzez: - stosowanie ciągników i maszyn o mniejszej masie, - stosowanie ogumienia niskociśnieniowego i kół dużych rozmiarów, - łączenie zabiegów technologicznych w jedną operację. 66 Literatura Bojkow W., Żdanowicz Cz., Orda A. 2000. Wpływ prędkości ruchu wielopodporowgo układu jezdnego na głębokość koleiny. VII Międzynarodowe Sympozjum „Ekologiczne aspekty mechanizacji nawożenia, ochrony roślin, uprawy gleby i zbioru roślin uprawnych”. IBMER Warszawa 18-19 września 2000r., zeszyt 7, s. 147-153. Buliński J. 2006. Problemy ugniatania gleb uprawnych. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych. Zeszyt 508, s. 11-20. Buliński J., Marczuk T. 2007. Wyposażenie w maszyny i ciągniki gospodarstw rolnych województwa podlaskiego w aspekcie ugniatania gleby kołami. Inżynieria Rolnicza, nr 3(91), s. 37-44. Kamiński J., Orda A. 2004. Kruszenie gleby podczas zabiegów uprawowych. Problemy Inżynierii Rolniczej, zeszyt 3(45), s. 5-12. Kamiński J., Żdanowicz Cz. 2007. Dobór układów jezdnych dla agregatów rolniczych uwzględniający aspekty ekologiczne. Inżynieria Rolnicza, nr 3(91), s. 75-82. Orda A.N., Śklarević V.A., Kamiński J.R. 2005. Sniżenie razruśenija struktury poćvy kolesnymi chodovymi systemami ot dejstvija kasatelnoj siły tiagi. XI Międzynarodowe Sympozjum „Ekologiczne aspekty mechanizacji produkcji roślinnej”. WIP-SGGW, IBMER Warszawa 13/14 września 2005 r., zeszyt 11, s. 146-149. Skrebelis S. 1997. Wpływ nowoczesnych środków technicznych i technologii na agrofizyczne właściwości gleby. IV Międzynarodowe Sympozjum „Ekologiczne aspekty mechanizacji produkcji roślinnej”. IBMER Warszawa, zeszyt 4, s.139-144. Skwarski B. 1995. Bezpieczeństwo ekologiczne jako kryterium optymalizacji w technologii produkcji roślinnej. II Międzynarodowe Sympozjum „Ekologiczne aspekty mechanizacji nawożenia, ochrony roślin i uprawy gleby”. IBMER Warszawa, zeszyt 2, s.206-211. Szeptycki A. 1994. Ugniatanie gleby i podglebia kołami ciężkich agregatów (synteza). I Międzynarodowe Sympozjum „Ekologiczne aspekty mechanizacji nawożenia, ochrony roślin i uprawy gleby”. IBMER Warszawa, zeszyt 1, s. 5-12. Talarczyk W., Zbytek Z. 2000. Wpływ sposobu prowadzenia ciągnika współpracującego z pługiem na ugniatanie gleby i stabilność roboczą agregatu. VII Międzynarodowe Sympozjum „Ekologiczne aspekty mechanizacji produkcji roślinnej”. IBMER Warszawa, zeszyt 11, s. 146-149. Viselga G. Kamiński J. 2006. Analisis of soil compaction at potato cultivation. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, zeszyt 508, s. 203208. 67 Wajnrub W. 1996. Badania wpływu mechanizacji uprawy gleby na ekologię w aspekcie historycznym. III Międzynarodowe Sympozjum „Ekologiczne aspekty mechanizacji nawożenia, ochrony roślin i uprawy gleby”. IBMER Warszawa, zeszyt 3, s.133-136. 68 Катерина В. Ефименко Могилевский государственный университет продовольствия пр. Шмидта 3, 212-027 Могилев, Беларусь ТЕХНИКА НА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Summary When analyzing the availability of tractors and combine harvesters in agricultural enterprises, in should be mentioned that in the years 1990-2000 tractor work load hasincreased by 20 ha, the number of grain, flax and beet combine harvesters dropped, on 1000 ha basis, by 5, 9 and 11 units, correspondingly. This resulted in substantial growth of areas under the above crops per 1 combine harvester. The primary issue to be addressed today is machinery supply and updating of machine and tractor fleet of agricultural enterprises on the basis of the systems of machine-based technologies and equipment which would be adapted to specific weather and production conditions, mutualy agreed by volumes of production and processing and meet the requirements of intensification, resource conservation and environment control. Key words: agricultural machine, tractors, combine harvesters. ВВЕДЕНИЕ Основные фонды – это решающий фактор развития экономики страны, всех отраслей агропромышленного комплекса. Основные фонды определяют уровень развития материально-технической базы агропромышленных предприятий [Ekonomika Przedsiębiorstw i Branż APK 2001]. Для анализа качественного состояния основных фондов в сельскохозяйственных предприятиях Республики Беларусь необходимо знать их структуру, таблица 1 [Efimenko, Korotin 2002, Siganow, Bieliko 1997]. 69 Таблица 1 – Структура основных фондов сельскохозяйственного назначения в сельскохозяйственных предприятиях(на начало года; в процентах к итогу) Фонды 1991 1996 1997 1998 1999 2000 2001 1 2 3 4 5 6 7 8 100 100 100 100 100 100 100 64,4 70,2 70,5 59,0 57,8 61,8 66,9 машины и оборудование 18,4 19,3 21,7 31,2 31,2 30,0 26,4 транспортные средства 3,8 2,0 1,7 4,9 4,9 3,5 3,1 11,2 5,6 3,5 2,8 4,0 2,9 2,0 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2 0,2 0,1 1,9 2,6 2,3 1,9 1,9 1,6 1,5 Основные фонды сельскохозяйственного назначения – всего в том числе: здания, сооружения и передаточные устройства рабочий продуктивный скот и многолетние насаждения прочие виды основных фондов Таблица 1 показывает, что в динамике за 1991-2000 годы структура основных фондов сельскохозяйственного назначения в сельскохозяйственных предприятиях в Республике Беларусь изменилась: увеличился удельный вес зданий, сооружений; машин и оборудования соответственно на 2,5 и 8,0 п.п., заметно снизился удельный вес рабочего и продуктивного скота – на 9,2 п.п., транспортных средств на 0,7 п.п. ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ Цель исследований это анализ обезпечения сельскохозяйственных предприятий Республики Беларусь в технические средства. 70 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Важне значение в внедрению современных сельскохозяйственных машин имело обезпечение предприятий в тракторы. В талице 2 приведено каличество тракторов и сельскохозяйственной техники производеных в Республике Беларусь в 1990 – 2000 годах. Таблица 2. Производство тракторов и сельскохозяйственных машин на Беларуси 1990-2000гг. Технические средства 1990 1995 1996 1997 1998 1999 2000 Темп роста, 2000 к 1995 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100,7 28,0 26,8 27,4 26,9 27,4 22,5 80,4 7,3 1,9 2,0 2,0 2,0 2,0 1,9 100,0 Тракторы: тыс. шт. суммарная мощность двигателей, млн. л.с. Из общего количества тракторов – тракторы мощностью 100 л.с. и выше, шт. 23,8 46 110 135 468 1286 1873 2617 Тракторные плуги, тыс. шт. - 3,2 1,4 0,9 1,3 1,3 0,8 25,0 Тракторные сеялки, тыс. шт. - 0,4 0,7 1,4 2,5 2,8 1,5 3,75 Тракторные культиватор ы, тыс. шт. 1,2 1,2 0,8 0,4 0,5 0,5 0,4 33,3 9,5 1,1 1,0 0,9 0,5 0,4 0,3 27,2 Кормоуборо чные комбайны, тыс. шт. 71 из них самоходные Зерноуборо чные комбайны, шт. 9,5 0,8 0,8 0,8 0,5 0,4 0,3 37,5 - - - - - 50 339 - Продолжение таблицы 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 15,4 1,6 0,4 0,4 1,0 1,4 0,9 56,2 Картофелес ажалки, тыс. шт. 9,8 0,2 0,3 0,1 0,1 0,1 0,2 100,0 Тракторные косилки, тыс. шт. - 4,2 2,1 2,6 3,4 2,4 2,7 64,3 32,2 0,5 0,4 0,2 0,1 0,1 0,1 20,0 - 81 69 321 406 757 683 8,48 Картофелеу борочные машины, тыс. шт. Машины для внесе-ния в почву органических удобрений, тыс. шт. Машины для внесе-ния в почву минеральны х удобрений и извести, шт. Анализ данных, приведенных в табл. 2 показывает, что в динамике за 1995-2000 года в целом произошло резкое снижение производства тракторов и сельскохозяйственной техники: на 19,6% снизилось производство тракторов в целом на 75% - тракторных плугов, на 66,7% - тракторных культиваторов, кормоуборочных комбайнов – на 72,8%. За анализируемый период увеличилось в 28,3 раза количество тракторов сеялок, в 8,4 раза – машин для внесения в почву минеральных удобрений и извести. 72 Важным фактором в сельском хозяйстве является использование средств малой механизации, таблица 3. Анализ данных, приведенных в табл. 3 показывает, что в данной отрасли есть много проблем. За анализируемый период снизилось производство минитракторов на 1 тыс. штук, мотоблоков и мотокультиваторов на 1,3 тыс. штук. В таблице 4 приведем и проанализируем парк основных видов техники в сельскохозяйственных предприятиях. Таблица 3. Производство средств сельского хозяйства (тысяч штук). малой механизации для Технические средства 1990 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2000 к 1995 +,- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Минитракторы - 1,3 0,9 0,5 0,6 0,4 0,3 -1,0 Мотоблоки и мотокультивато ры со сменными орудиями 17,9 1,8 0,4 1,5 0,9 0,9 0,5 -1,3 14 - - 195 255 254 308 - - 8 165 12 - 4 12 +4,0 Насосы для колодцев ручные и электрические электросепараторы для молока, шт. 73 Таблица 4 - Парк основных видов техники в сельскохозяйственных предприятиях (на конец года; тысяч штук) Технические средства 1990 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2000 к 1990 +,- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 113, 4 97,4 91,6 86,8 84,6 78,2 72,9 -40,5 74,0 63,3 59,9 56,4 53,9 50,0 46,3 -27,7 42,4 30,8 28,4 26,1 24,6 22,5 20,5 -21,9 37,4 27,6 25,2 23,2 22,2 19,8 17,6 -19,8 Культиваторы 56,1 38,2 34,8 31,8 30,1 28,3 26,1 -30,0 Косилки 29,7 18,7 17,3 16,6 17,0 16,3 15,2 -14,5 Тракторы (без тракторов, на которых смонтированы землеройные, мелиоративны е и другие машины) Грузовые автомобили Плуги Сеялки туковых) (без 74 Продолжение таблицы 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Прессподборщики 10,8 10,5 9,7 9,1 8,8 8,2 7,4 -3,4 Жатки валовые 5,4 3,0 2,5 2,0 1,9 1,7 1,6 -3,8 1,9 0,9 0,7 0,7 0,5 0,4 0,4 -1,5 22,6 18,3 17,1 15,9 15,1 13,7 12,4 -10,2 9,5 6,6 5,9 5,1 4,7 4,3 3,8 -5,7 8,0 4,9 4,6 4,5 4,7 4,7 4,5 -3,5 17,5 13,9 12,4 10,9 10,3 9,3 8,6 -8,9 16,8 15,5 14,9 14,7 14,8 15,0 14,8 -2,0 Дождевальные и поливные машины и установки Машины внесения почву: для в твердых органических удобрений жидких органических удобрений Опрыскиватели и опыливатели тракторные Разбрасыватели твердых минеральных удобрений Доильные установки агрегаты и 75 Комбайны: зерноуборочные 30,3 22,5 21,3 20,4 19,6 18,3 17,1 -13,2 8,7 7,2 6,6 5,8 5,2 4,5 3,8 -4,9 1,7 1,5 1,3 1,2 1,0 0,9 0,8 -0,9 9,3 8,9 8,4 8,3 8,1 7,6 7,2 -2,1 0,5 0,4 0,3 0,2 0,2 0,1 4,7 3,2 2,9 2,5 2,3 2,1 картофелеуборочные свеклоуборочные силосоуборочн ые и кормоуборочные кукурузоуборочные льноуборочные 0,1 1,8 -2,9 Анализ данных, приведенных в табл. 4 показывает, что в динамике за 1990-2000 годы значительно уменьшился парк основных видов техники в сельскохозяйственных предприятиях: тракторы – на 40,5 тыс шт., грузовые автомобили на 27,7 тыс шт., зерноуборочные комбайны на 13,2 тыс шт., плуги на 21,9 тыс шт., сеялки на 19,8 тыс шт., культиваторы на 30 тыс шт. Выбытие техники в сельскохозяйственных проанализируем в таблице 5. 76 предприятиях Таблица 5. Выбытие предприятиях техники в сельскохозяйственных (в процентах к наличию на начало года). Технические средства 1990 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2000 к 1990 +,- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 7,7 7,6 7,5 8,1 8,4 10,1 10,3 +2,6 12,6 6,4 5,4 5,1 7,0 7,5 10,5 -2,1 10,0 9,2 9,4 11,6 12,5 15,4 16,8 +16, 8 6,3 11,3 11,6 14,4 18,4 20,8 19,4 Тракторы (без тракторов, на которых смонтированы землеройные, мелиоративные и другие машины) Комбайны: зерноуборочные картофелеуборочные свеклоуборочные силосоуборочные и кормоуборочные кукурузоуборочны е льноуборочные +13, 1 10,8 7,7 7,3 7,3 7,7 7,8 8,1 - - - 26,6 22,8 25,9 30,8 -2,7 13,7 11,8 10,9 12,0 11,9 11,9 12,1 -1,6 Жатки валковые 16,2 20,7 21,5 23,4 22,4 19,9 19,5 +3,3 7,1 5,7 5,4 5,4 4,3 4,8 4,0 -3,1 Доильные установки и агрегаты 77 Анализ данных, приведенных в таблице 5 показывает, что увеличился удельный вес выбытия тракторов, картофелеуборочных комбайнов, свеклоуборочных комбайнов соответственно на 2,6 п.п., 16,8 п.п., 13,1 п.п. В таблице 6 представлена обеспеченность сельскохозяйственных предприятий тракторами и комбайнами. Анализируя обеспеченность сельскохозяйственных предприятий тракторами и комбайнами необходимо отметить, что в динамике за 1990-2000 годы увеличилась нагрузка пашни на один трактор на 20 га, снизилось количество зерноуборочных, льноуборочных, свеклоуборочных комбайнов в расчете на 1000 га посевов соответственно на 5, 9, 11 единиц. В связи с этим значительно возросла площадь обрабатываемых посевов соответствующих культур в расчете на один комбайн. Таблица 6. Обеспеченность сельскохозяйственных предприятий тракторами и комбайнами. Технические средства 1990 1995 1996 1997 1998 1999 2000 1 2 3 4 5 6 7 8 Приходится тракторов на 1000 га пашни, шт. 20 19 18 18 17 15 15 49 52 55 57 60 65 69 12 9 9 8 8 8 7 31 66 57 55 54 53 41 32 33 37 36 31 27 23 36 27 29 26 20 16 15 Нагрузка пашни один трактор, га на Приходится комбайнов на 1000 га посевов (посадки) соответству-ющих культур, шт.: зерноуборочных картофелеуборочны х льноуборочных свеклоуборочных Приходится посевов (посадки) соответствующих культур на один 78 комбайн, га: зерноуборочных картофелеуборочны х 85 110 113 119 123 124 134 33 15 18 18 19 19 24 32 30 27 28 33 37 44 28 37 34 39 49 62 68 37 32 31 30 29 29 28 49 39 38 37 36 36 36 33 28 28 27 26 25 24 18 14 13 12 12 11 11 26 19 19 19 20 21 21 льноуборочных свеклоуборочных Приходится на тракторов, шт.: 100 плугов культиваторов сеялок грабель косилок ВЫВОДЫ Важнейшей задачей на современном этапе является техническое обеспечение и обновление машинно-тракторного парка сельскохозяйственных предприятий Республики Беларусь. В основу технического обеспечения сельского хозяйства должны быть положены системы машинных технологий и технологических средств, дифференцированные по природно-производственным условиям, взаимоувязанные по объемам производства и переработке сельскохозяйственной продукции и отвечающие требованиям интенсификации, ресурсосбережения и экологии. Ключевые комбайны. слова: сельскохозяйственные машины, тракторы, Литература Efimenko A,G., Korotin N.N. 2002. Tworzenie holdingów – stan obecny i perspektywy rozwoju. V Międzynarodowa Konferencja Naukowa „Problemy techniki rolniczej i leśnej” SGGW Warszawa 19/20 czerwca 2002 r., s. 159160. 79 Ekonomika Przedsiębiorstw i Branż APK pod redakcją P.W. Wesołowskiego. Białoruski Państwowy uniwersytet Ekonomiczny. Mińsk 2001. Siganow A.S., Bieliko M.I. 1997. Efektywne modele materiałowotechnicznego zaopatrzenia przedsiębiorstw APK w materiały i usługi. Białoruski Naukowo-Badawczy Instytut APK. Mińsk. 80 Veronika Fečová, Adriána Tarasovičová, Zuzana Šomšáková Faculty of Manufacturing Technologies Technical University of Košice with seat in Prešov EFFICIENTLY MANUFACTURING OF HOLES FEATURES FOR AGRICULTURAL MACHINES Abstract This article offer possible directions on how to increase the requirements related to quality and production cost from the view of hole making. Application area with special attention is surface quality and productivity of hole making operations - mainly for manufacturing of agricultural machinery and equipment. Keywords: Bearing steel, grey cast iron, holes machining, economical aspect of drilling Introduction Contemporary market with agricultural machines is full of highperformance mechanisms with accent to productivity and reliability. Parts of these machines are produced form components working on the edge of physical limits. Their functionality is widely influenced by choice of material with appropriate properties (high hardness, relentlessness, good strength properties, wear durability, temperature durability etc.). Complexity of these requirements is fulfilled with so called hard-machinable materials, that include grey cast iron STN 42 2425 and hardened bearing steel STN 41 4109. Currently the operations of holemaking represents 15 - 20% out of overall chip machining of bearing steels and grey cast iron. Since drilling does not represent very productive process, in comparison with turning or milling, it comes to the attention of scientific research. High requirements are given to cutting tool, as the cutting edges remove material with different speeds what decreases their effectiveness. Nowadays the requirements to drilling process gets higher especially for previously mentioned hard-machinable materials. These have in comparison with other constructional materials lower quality of machined surface, unsuitable shape of chip, lower durability of cutting tools etc. Such materials have though wide exploitation in industry, what means that every progress in this area has great meaning in praxis. Therefore the goal of this experiment was to test three tools for each of certain materials, that have not yet been applied into praxis, to verify their suitability, or unsuitability of exploitation in praxis and economical costs that are needed for their utilization. 81 METHODS AND MATERIAL For purposes of experiment were used following materials: bearing steel STN 41 4109 (according to EN 10132-4 what is 102Cr6) and grey cast iron with psoriatic graphite STN 42 2425 (according to EN 1561 what is GJL-250). Samples of these materials are in tab. 4. Experimental measurements were realized in laboratory conditions as well as in praxis. For given experiment drills were used, that were not yet applied in praxis, what bring us to their suitability, or unsuitability for getting to practice also from the view of economical costs for their utilization. For each material 3 drills were tested, that are different from the view of material used for drill production, or content of alloy element, or covering. Description of particular drills is included in tab. 1, which also provides the price of each drill as important entry for economical evaluation of its use. Diameter of helical drills were 6,5 mm and drilled holes were of depth max. 3xD. For material STN 41 4109 the drills had top angle 2κr=135° and for STN 42 2425 angle 2κr=130°. Tab. 1 Description and price of tested drills Labeling STN 41 4109 Labeling STN 42 2425 SK +TiN HSS A D (33€) (4€) HSS + 8%Co HSS +5%Co B E (19€) (8€) HSS +5%Co HSS +TiN C F (8€) (10,50€) Machining process were realized without cutting fluid. DRY MACHINING method have been applied because of attempt to decrease the contrary impact to the environment and removing of high costs of purchase, maintenance and liquidation. Cutting parameters are defined in tables 2 a 3. Tab. 2 Cutting speed and feed rate for STN 41 4109 vc [m/min 15 25 30 40 50 f [mm] 0,04 0,08 0,1 0,25 0,3 Tab.3 Cutting speed and feed rate for STN 42 2425 vc [m/min] 10 15 25 35 40 f [mm] 0,05 0,08 0,1 0,25 0,35 For realization of this experiment was used machining device – radial drilling machine VR-6A . This machine drills into the steel the holes up to diameter of 60 mm and into grey cast iron up to 80mm. It can be used for drilling up to the depth of 380mm. 82 Tab. 4 Technological system MTWF (machine, tool, workpiece, fixture) machine VR 6-A tool workpiece STN 41 4109 (bxhxl→40x20x200mm) STN 422425 (øxh→ø220x45mm) As a fixture for this experiment the vise was used. Measured characteristics: Quantitative evaluation of roughness parameter Ra – was executed on samples according to ISO 4287 using the profile-measurer HOMMEL TESTER T 1000C Number of holes made until certain wear value - back wear VBk=0,2mm Preciseness of holes made – measured on three points (fig. 1) always after some number of holes drilled. For measuring, the sliding digital measurer was used with accuracy of 0,01mm. Production costs for single hole drilling – calculated according to equation: Fig. 1 Representation of measuring the hole accuracy RESULTS AND DISCUSION The lowest roughness values were achieved with feed rate of 0,1mm with speed 25m/min for both materials. Resultant roughness achieved with this conditions for all drills are shown on fig. 2. For bearing steel, the lowest 83 roughness was provided by drill A1, while best was provided by drill B1 and for grey cast iron was most suitable drill C2 a B2. Fig. 1 Achieved roughness for particular drills Then with most suitable feed rate of f=0,1mm and cutting speed vc=25m/min the number of holes until the drill wear and preciseness of these holes made. For STN 41 4109 the highest number of holes was made by drill A, along with best roughness (fig. 3). Holes made with drills B and C were made with worse preciseness and of lower number until the drill destruction. Fig. 2 Preciseness and number of holes made, STN 41 4109 For STN 42 2425 the highest number of holes was made with drill D along with best preciseness (fig. 4). Holes made with drill E were of worse preciseness and of lower number until the drill wear, with drill F even the first hole was made with low preciseness. 84 Fig. 3 Preciseness and number of holes made, STN 42 2425 Consecutively the costs for hole production concerning the tool price was evaluated (fig. 5). For material STN 41 4109 the drill A represented the highest costs, but also highest quality of holes made, and since the amount of these costs is not that high in comparison to other drills, the drill A is recommended, that is made of sintered carbon with TiN covering. When comparing the drill prices (fig. 6) for material STN 42 2425 it was found out, that lowest costs for production of single hole are achieved with drill F, thus with HSS with covering TiN, that provided also the best quality of holes made while drilling the highest number. Drill E provided low costs as well, but a little worse quality along with lower number of holes made. Drill D, that was proven in all tested areas as the worst one, provided even the highest costs. Fig. 4 Costs for single hole drilling Almost during whole drilling time, the unsuitable chip was created with cutting conditions f=0,1mm and vc=25m/min with material STN 41 4109 85 (laced and spiral long chips, rolled in spiral way – conical long chips). Exact contrary was achieved with material STN 42 2425, where appropriate chips (elementary crumbly chips or spiral chips). Images of particular chip shapes are in tab. 5. Tab. 5 Achieved roughness for particular drills STN 41 4109 STN 42 2425 Streamed relentless long chip –C and B drills Elementary crumbly Chip – D and F drills Spiral streamed long chip – A drill Spiral streamed chip - little segments- E drill CONCLUSION Precondition for successful realization of machining includes reliable and efficient cutting tool. Contemporary producers of cutting tool strive for production at highest possible technical level along with highest possible utility value for customer, especially with use of results of development and research of cutting materials, covering technologies and many other areas that affect the production process. Modernization of drills is significantly affected mainly by cooperation of producers and customers, what leads to offering the modern productive drills. These tested drills should contribute to production effectiveness in holemaking for existing materials, that are often used in the field of agricul- 86 ture. Agricultural devices have important role in modern soil cultivating processes and harvest handling. They are supposed to work with high productivity and reliability, that put high requirements on component parts, what gives the space for hard-machinable materials, where their machining is low effective as the result of using the low effective cutting tools. For bearing steel STN 41 4109 it is obvious after experimental measurements, that from the view of achieved surface roughness, generated chip shapes and holes preciseness, it is recommended to use the cutting speed of 25m/min and feed rate of 0,1mm. Considering the cutting tools, the highest quality of holes done was achieved with drill made of sintered carbon with TiN covering (drill A), but from the view of costs for manufacturing of single hole it is financially more demanding. Despite the little higher costs in comparison with machining with other drills, this drill is recommended for holemaking. In serial and mass production is its using more effective and more economic than in piece production. For machining of grey cast iron STN 42 2425 the drill made of steel for high speed machining with TiN covering (drill F) is recommended with same cutting condition as for previous material. This drill provided lowest possible surface roughness in comparison with drills D and E. Until its critical wear, it was able to drill most holes with comparatively good preciseness along with providing the lowest possible production costs for single hole. These drills are recommended on the base of experiment as suitable for praxis, where they could improve the productivity in machining of hardmachinable materials. REFERENCES 1. Jurko, j.: príspevok k riešeniu verifikácie mechanizmov opotrebovania skrutkovitých vrtákov pri vŕtaní austenitických nehrdzavejúcich ocelí: habilitačná práca. Prešov. Fvt. 2003. 116 s. 2. Bátora, b. – vasilko, k.: obrobené povrchy. Tnu trenčín, 2000, 51 s., isbn 80-88914-19-1 3. Simkulet, v.: špeciálne materiály, fvt tu v košiciach so sídlom v prešove, prešov, 2006, 25 s., isbn 80-8073-631-6 87 E.Urkan, dr. H.Guler Department of Agricultural Machinery, Faculty of Agriculture Ege University, Izmir-Turkey THE NEW TECHNIQUES IN REDUCING PESTICIDE DRIFT ABSTRACT In spite of harmfull effects of pesticides on the environment and its inhabitants, it is impossible to complitely elimination of pesticide usage since it may cause vast amount of crop losses. For success; the spraying should be done not only on the right time and with enough amount of right pesticide, but also with the appropriate equipment. With the help of these themes the negative effects of spraying may be eliminated. One of the biggest negative effects of spraying is drift. For the farmers, pesticide drift is a problem not considered as an important one, but it is a big problem. This problem started with the invention of pesticides. Problems associated with drift have always been in the minds of people who apply pesticides. But in fact, it can cause harm to adjoining crops, wildlife, livestock, ground water, surface water and of course humans. On the other hand it costs money because of restitution for damaged crops and reduced control of intended target pests. However, spray drift has become a very serious concern in the last decade mostly because the pesticides we use today are more potent. Spray drift is not a new problem and complete elimination of spray drift is impossible. It is likely to occur wherever pesticides are applied. However, the problems associated with drift can be reduced to a minimum level. In recent years, many new techniques are developed to reduce drift. Especially in US and Europe many nozzle and sprayer companies spent their time to reduce the drift with new designs and construction. This study indicates these new techniques and developments in reducing pesticide drift such as new types of nozzles and new construction of the sprayers’ booms. Keywords: Spray Drift, Air Induction Nozzles, Droplet Size, Air-assisted Sprayers 88 INTRODUCTION Biggest problems being experienced recently are environmental pollution and health problems caused by this pollution. Furthermore, to provide enough food for the fasr increasing human population in the World is another problem. Especially, considering the continuous decrease in agricultural fields, the importance of the matter can be understood more clearly. In this case, it is not likely to increase the yield without using pesticide, despite all its harmfull effects on the environment and human health. What must be done is to develop and use the application techniques that are the most environmental friendly. Unsuitable pesticide application may cause economic losses, inefficient control of pests, health problems and environmental pollution. Since there is no any borders on the environment, increase in pesticide usage have become more important. Movement of spray particles and vapors off-target named as drift which causes less effective control and possible injury on susceptible vegetation and wildlife. Drift has become very important in pesticide applications especially for the last 15 years. Because drift directly affects the success of the application and causes environmental pollution. Although it is not possible to eliminate the drift completely, it is possible to decrease it by taking some precautions and using proper application techniques. For this reason, researchers all around the world have been working on this matter and conducting important researches. Factors such as boom height, nozzle type, nozzle size, working pressure, flow rate, forward speed and suitable agitation have important effects on the success of application. The main strategies to reduce spray drift are to select nozzle to increase drop size, working at lower pressures and lower spray (boom) heights, avoid adverse weather conditions, consider using buffer zones and new technologies: drift reduction nozzles, drift retardants, shields, air-assistance. The aim of this study is to provide detailed information about the new technics to reduce pesticide drift. Drift is one of the most discussed subjects in recent years. In EU Countries like Germany and Belgium, sprayers are classified according to their drift reduction capacities which are determines the size of compulsary buffer zone. Drift prevents the efficient use of the pesticide gives damage to other crops in adjacent fields, and affects environment and human health negatively by causing pollution. That’s why, using of drift reducing technologies are very important. Drift occured during a vineyard application can be seen in Figure 1. 89 Figure 1. Drift occured during the vineyard application Operator safety is a very important matter that has to be emphasized. Machines equipped with new technology provide less operator contamination. Some safety materials are seen in Figure 2. Figure 2. Protection materials for the operator Droplet Size Droplet size is the most important factor in reducing the drift. Small droplets provide higher coverage rate on both upper and under sides of the leaves, but they tend to drift easily. On the other hand, coarse drops do not get affected by the adverse weather conditions but they cannot provide high coverage rate on the target. Table 1 shows movement distances of droplets in 5 km/h wind velocity. If the droplet is big enough it can quickly reach to the target. But if it is too small, it takes too much time to reach to the target, so these kind of droplets tend to drift in mild wind conditions. 90 Table 1: Movement of droplets in 5 km/h wind velocity Droplet Diameter Time required to fall 3 m Lateral movement in 5 km/h wind 5 μm 20 μm 100 μm 240 μm 400 μm 1000 μm 3600 seconds 252 seconds 10 seconds 6 seconds 2 second 1 second 5000 m 350 m 13 m 8,5 m 2,6 m 1,5 m Source: ASABE In droplet size terminology, the term: Volume Median Diameter (VMD) is extensively used. This diameter value is such a value that, the sum of the volumes of the droplets which are smaller than this value, equals to the sum of the volumes of the droplets which are bigger than it. Droplet diameters are signified with micrometer (µm). But in practice, giving droplet sizes class according to BCPC (British Crop Protection Council) or ASABE (American Society of Agricultural and Biological Engineers) definitions may be more understandable instead of giving their VMD values. According to ASABE’s definitions droplets are classified as very fine, fine, medium, coarse, very coarse, extremely coarse (Table 2). Small and medium droplets are used for insecticide and fungicide applications while coarse drops are prefered for herbicide applications. Table 2. Classification of sprays by droplet size. Category Symbol Color Code VMD (0.5) Very Fine Fine Medium Coarse Very coarse Extremely Coarse VF F M C VC XC Red Orange Yellow Blue Green White < 150 150 - 250 250 - 350 350 - 450 450 - 550 > 550 Source: ASABE Small droplet diameters increase the risk of drift during application. But small droplet diameters provide better surface coverage. In the past many researchers announced that droplet diameters which are smaller than 91 100 µm have the highest risk for drift. But Zhu et al. (1994) showed that the droplets smaller than 200 µm are more drift prone droplets (Figure 3). Figure 3. Volume Median Diameter (VMD) values according to drift distance during different wind velocities Drop diameter is a factor critically important in terms of application success and environment. Different nozzle types produce different sizes of droplets. Changing the working pressure using the same nozzle type changes drop diameter. The desired droplet size is determined according to the kind of pesticide used in application. On the other hand, increasing the droplet diameter decreases coverage rate and causes surface run-off which pollutes soil and water sources. Drift reduction nozzles Some worldwide nozzle producers frequently put new types of nozzles in the market in order to supply different demands that come out during pesticide applications. Of all these innovations, low drift nozzles have been the most discussed subject. The most commonly used flat fan nozzle is the conventional extanded range nozzle. This type of nozzles are widely used because it is possible to work with them in wide pressure range. But these nozzles produce droplets in sizes vary from very fine to medium class. That’s why the ratio of drift prone droplets (<200 µm) is very high. Although many nozzle manufacturers have produced low drift nozzles and have given them differ- 92 ent names, all kind oflow drift nozzles reduce drift by porducing larger droplets. Unlike traditional nozzles, low drift nozzles have two orifices.While the first orifice limits the liquid’s flow rate, the second one determines the droplet diameter. Air induction nozzles were put into the market during last 15 years. These nozzles, unlike other low drift nozzles, have two small openings which let air get into the liquid chamber. Producers claim that the air flows through these canals mix with liquid, thus sprayed droplets include air bubbles. Thereby the drops are big enough to reduce drift and at the same time, as the air bubbles pop up when the bubbles hit the target surface these nozzles provide better coverage rate. Güler et al. (2007) showed that the decrease in drift caused by air induction nozzles can be provided by traditional extanded range nozzles which are much cheaper than air induction nozzles. Moreover, traditional nozzles provided a better coverage rate than air induction nozzles. As mentioned above air induction nozzles have two orifices and the second orifice determines the droplet diameter. The area of the second orifice on air inductions nozzles is almost 2.7 times larger than the traditional extanded range nozzle having the same labeling number. Consequently, the drops produced by air induction nozzles are larger. If the traditional nozzle having the same orifice area with the air induction nozzle is chosen and worked with lower pressure in order to provide same flow rate, it may reduces drift amount as much as air induction nozzle. But it is very clear that air inductions nozzles produces larger droplets and reduces the risk of drift. Various types of nozzles are given in Figure 4. The comparison of air induction nozzles with traditional nozzles in terms of drift during an application in a field is given in Figure 5. Turbo drop nozzle which is one of the nozzles shown in Figure 4, is a kind of two orifice nozzle. But unlike other pre-orifice nozzles it is possible to control the droplet size by changing the tips of it. Dual nozzles have two different angle sprays to provide better penetration. With these type of nozzles, by combining different sized tips, it is possible to produce two spray beams containing different droplet sizes. Thus, it can provide relatively better penetration and a better cover ratio on tall and dense canopy. 93 XR Turbo Dual-Double Cap AI Turbo drop Twinjet Figure 4. Different types of nozzles Right side Left side Air Induction Conventional Nozzles Low-Drift Nozzles Figure 5. The comparison of air induction nozzle with traditional nozzle in terms of drift during an application in a field (This picture was taken from Ozkan, E.) Drift reduction systems in sprayers Air assistance Air assisted sprayers were initially developed for providing the droplets to move higher distances with lower energy especially in orchards. But in time, it’s prooved that it’s a technique which increases efficiency and reduces drift in field crops as well. With the turbulance caused by air flow, penetration of the droplets into the canopy is increased while a better coverage rate on the target is provided. Since air flow acts like shields, it enables to work in high forward speeds and windy weather conditions while reduces drift. The effect of air flow on drift is clearly seen in Figure 6. In this Figure, the air flow in the sprayer on the right is present while the air flow in the one on the left is closed. 94 Figure 6. The positive effect of the air-assistance With time, taking the interaction between air flow and sprayed liquid into consideration, different designs are developed on machines. It can be seen in Figure 7 that, one of these applications is being able to adjust the direction of air flow. (a) (b) (c) Figure 7. According to the wind direction, the direction of air flow can be adjust as angling backward (a), no angling (b) and angling forward (c) (Hardi). Another application is, the vertical slope application named “droptube” which is developed to enable the spraying of the entire tall plants (e.g. Cotton) uniformly (Figure 8). In this application, air flows through the tubes which are placed downwards between the plants and aimed cover ratio can be provided on entire plant. 95 Figure 8. Air assisted vertical boom called as “drop tube” Researchers in Ohio - USA developed “5 finger” spraying system for plants with many leaves (Figure 9). As a result of experiments made on Taxsus plant, this system increased application success significantly compared to traditional hydrolic nozzles. Figure 9. “5 Finger” spraying systems Canopy Opener It is developed to increase the efficiency of traditional field sprayer especially for tall plants. In Ohio-USA, the canopy opener, tried during an application for soybeans, increased the cover ratio distinctly without giving any harm to the plants (Zhu et al., 2006). The canopy opener can be seen in Figure 10 and the results it provided in below part of the plant can be seen in Figure 11. As it can be seen in Figure 11, one of the worst results on soybeans was caused by hollow cone nozzle. The reason is the diameters of the drops produced by these nozzles being small and their speed being low. 96 The drops which did not have enough kinetic energy couldn’t get penetrated into the plant. Figure 10. The canopy opener Coverage (%) 10 8 6 4 2 3,9 2,8 1,4 1,4 1,2 0,9 0,9 0,9 0,7 0,5 Tw in Je t G re gs on Ho llo w Co ne XR 80 02 Tu rb o Ja Ca ct no o py O pe ne r To p Ai r XR 80 04 XR 80 05 0 Treatments Figure 11. Comparison of spray coverage on bottom targets inside soybean canopies among the 9 treatments CONCLUSION Drift is undesirable for economical, environmental, and safety reasons. Regardless of how accurately an application is made, the possibility of drift is always present. You can reduce this possibility to a minimum if you select the right equipment and use good judgment when applying pesticides. Your good judgment can mean the difference between an efficient, economical application or one that results in drift, damaging non-target crops and creating environmental pollution. In conclusion, it is not possible to increase the efficiency without chemical pest control. For this reason, decreasing the problems during application to minimum is very important 97 for environment and operator health. We have the technology to increase application success and to reduce drift. The only thing that must be done is to carry technology over application. This can only be possible with well educated operators. Current machines are not sufficient for biopesticide application. Progression of the studies on this matter is very important for the future. REFERENCES: 1) http://www.teejet.com/english/home.aspx 2) http://www.hardi-international.com/ 3) Fife , J. 2003. Investigation of the Effect of Agricultural Spray Application Equipment on Demage to Entomopathogenic Nemotodes – A Biological Pest Control Agent. Ph.D. Disertation. Colombus, OHIO-USA. 282 pp. 4) Güler, H., Zhu, H., Ozkan, E., Derksen, R., Yu, Y. and Krause, C. 2007. Spray Characteristics and Drift Reduction Potential with Air Induction and Conventional Flat Fan Nozzel. Transection of the ASABE, Vol. 50 (3): 745-754. 5) Mattews, G. A. 2004. How Was the Pesticide Applied Crop Protection 23:651-653 6) Ozkan, E. 2005. Recent Developments in Pesticide Application Technology. 9th International Congress on Mechanization and Energy in Agriculture. İzmir. pp 61-66 7) Ozkan, E., Zhu, H., Derksen, R., Guler, H. ve Krause, C. 2006. Evaluation of various spraying equipment for effective application of fungicides to control Asian soybean rust. Aspects of Applied Biology 77, International advances in pesticide application pp. 423-431. 8) Rautmann, D. 2003. Drift Reducing Sprayers- Testing and Listing in Germany. ASABE Annual Internatinal Meeting. 27-30 July. Las Vegas, Nevada, USA 10) Zhu, H., Reichard, D.L., Fox, R.D., Brazee, R.D., H.E. Ozkan. 1994. Simulation Of Drift Of Discrete Sizes Of Water Droplets From Field Sprayers. Transactions of the ASABE 37(5): 1401-1407. 11) Zhu, H., Derksen, R., Ozkan, H.E., Guler, H., Brazee, R., Reding, M. and Krause, C. 2006. Development Of A Canopy Opener To İncrease Spray Deposition And Coverage İnside Soybean Canopies. ASABE Annual Meeting. 12) Zhu, H., Derksen, R.C., Krause, C., Brazee, R.D., Fox, R.D. and Ozkan, H.E. 2004. Spray Deposition İn Taxus And Air Velocity Profile For A Fiveport, Air-Assist Sprayer. Paper Number 041032, 2004 ASABE Annual Meeting. 98 Mehmet Evrenosoğlu Harun Yalçın DEPARTMENT OF AGRICULTURAL MACHINERY, FACULTY OF AGRICULTURE EGE UNIVERSITY, IZMIR-TURKEY A STUDY ON THE OPERATIONAL CHARACTERISTICS OF HARVESTING MECHANIZATION SYSTEMS OF CORN FOR SILAGE ABSTRACT In this study, different machine sets that have been used for harvesting corn silage and revealing operational characteristics of harvesting mechanization systems of corn for silage had been formed. This study took place in Küçük Menderes Havzası which is the place with most dense silage corn breeding and corn silage making in the Aegean Region. In the study, mechanisation systems for harvesting of corn which had been produced after wheat as a second crop examined. In the conclution of the study, it was found that generally one row machines have been used in the region. Two or four row machines’ usage are limited, especially because of the lands are small and seperated from each other. The specialty of the two or four row machines is to finish harvesting without minimum loss of time, but it can be significantly seen that the land shape’s geometry is not suitable and it is a disadvantage. The most efficient way in harvesting is working type III, especially when the silo-field distance is not so high, loss of trailer’s or tractor’s working time is less when harvesting is done with this type. Keywords: Silage corn, Forage harvester, Optimum working range. INTRODUCTION Turkey’s huge rate of population is creating demands of high production protein nutritive needs. Only intense and quality production of meat and milk can provide such high demands for protein. So achieving such production can only be done by producing quality and high yield of feed crops. Among those feed crops forage type feed takes a very significant place. The feeding in dairy industry becomes a bigger problem especially in winter time feeding where there is no possibilty to find fresh forage feed. Silage feed comes to a rescue in winter feeding and just like the rest of the world Turkey also has a great amount of usage from it. One of the most important part of silage making is harvesting. Because in order to produce high quality silage, harvesting should be done with proper type machines and as short as possible. By that kind of production silo can be prepared, filled and closed in a shorter time. Of course or- 99 ganization of the system is very critical. The accordance between the harvester, tractor and trailer takes great importance. In the recent years silage machines have great developments. Row independence, high working speed and capacities are now like standarts for the present corn silage producers. Such applications also takes part in our Aegean region too. Two and more row type harvesters are being used in the market. Also some examples of self-propelled machines can be seen in the region. The objective of this study is to create some of the machine sets for harvesting corn and study the operational characteristics of harvesting mechanization systems of corn for silage. MATERIALS AND METHODS In the study different types of machines were used. Those machines have a wide usage between the regional farms. Some of them are exported machines from european countries and some are produced from the domestic manufacturers (Table 1). Generally corn silage harvesters are tractor’s three point hitch mounted machines. Their cutting units are fuctioned by tractor’s pto. Because of one row machines’ cost are lower, farmers prefer to buy more than one machines referring to the area of their field. Eventhough two or more row machines have more economical advantage in large areas (because of their capacity), their purchasing price is significantly high. According to that situation, two or more row machines are more preferred by the loaners or by some firms. Table 1. Corn silage harvesters (ha/h) Power requierement (HP) In field travel speed (km/h) Domestic 0.18 50 2.6 Exported 0.20 60 2.6 Domestic 0.50 90 4.5 Exported 0.80 110 4.5 1.80 110 6 Machine’s row number Capacity One row Two row Four row Exported Not only the chosen silage harvester is important but also the tractor which is chosen to be opeated with has great importance too. Different number of rows and different in field travel speeds of silage harvesters 100 must have accordance with the operated tractor’s gear levels and horse power. Silage harvesters of one row need at least 40-80 HP, two row 80120 HP and four 120+ HP in order to work properly. Silage trailers in the region have 3-6 tons of fresh green feed (starting feed) capacity. The economic analysis took place in the selected field of the Kucuk Menderes Havzası. Before the field trails, there had been a detailed survey made in the region. In the survey, information about different types of silage systems and machine sets were gathered. Beside the survey, field tests were made and desired information were gathered. Those information were: Area of the field (ha) Silage machine’s working width (m) Tractor’s power (HP) Number of trailers and their capacity (ton) Field-Silo distance (km) In field and in trasport trailer’s velocity (km/h) Corn type and yield (ton/ha) Filling time of trailer (min) After completion of field trails, optained values were controlled from the related literatures that were optained before in order to compare the practical and therotical values. After that straight line depreciation method was used to calculate the economical value of the system. In order to state the economical system, different sizes of area must be also calculated. Different systems than can be compared and “Equivalent area cost” of the desired system can be judjed. In the study, different type of machines-different sizes of area values were used to form machine sets and analysized according to the values taken from field and related literatures. Three type of working strategies also took place in the sets according to the regional aspects. Working type I was the simplest method as tractor-silage machine and trailer all hitched together and after trailer got filled, tractor comes to the end of the field and filled trailer changes with the empty trailer by unhitching filled trailer and hitching empty trailer. Working type II was similiar with working type I but one difference was that to change the filled trailer a second tractor-trailer was used. Tractor-Machine did not need to come to the end of the field. The Third and maybe the most common method used in silage making was also used which was tractor-machine working in the field and tractor-trailer following next to them. After trailer filled another tractor-trailer followed the tractor-machine continuesly. All these methods and different number of tractor and trailers effected the “Equivalent area cost” of the systems. Table 2 summarizes the according sets. 101 Table 2. Sets that were used in the study Distance between fieldsilo Area (ha) Row number of silage machines Working method Number of trailers Set I 35 I-II-IV I-II-III I-II-III 3 Set II 50 I-II-IV I-II-III I-II-III 3 Set III 90 I-II-IV I-II-III I-II-III 3 Set IV 50 I-II-IV III Truck 10 (km) After forming the sets the economical analysis was made and controlled. The analysis was made according to the values taken from the field in order to optimize the results to the practical aspects. In the analysis it was seen that using silage machines in improper areas according to their capacity brings problems. If the machine’s capacity is less used in small lands or highly used in big lands brings important problems which are not easy to detect in short period of time. RESULTS AND DISCUSSIONS As previously explained different types of systems were analysized and graphics related to that analysis were formed as below. Total Expenses (TL/ha) 500 450 One Row Domestic Machine 400 One Row Exported Machine 350 300 250 200 150 100 50 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 10 10 0 5 Area (ha) Figure 1. One row domestic - One row exported silage machine comparision 102 In the set of one row machines it can be seen in the Figure 1 that domestic machine is economical up to 9 ha, after that area it’s total expenses are higher than the export machine. This is of course the result of exports machines has a higher rate of work per minute than domestic machine (ha/h). For long term business one row export machine is a better option to work with in this system (Equivalent area cost is 9 ha). 600 One Row Domestic Machine Total Expenses (TL/ha) 500 Tw o Row Domestic Machine 400 300 200 100 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 Area (ha) Figure 2. One row domestic - Two row domestic silage machine comparision In Figure 2, it is very easy to see that two row machine’s expenses in smaller area was higher than one row machine because of it’s high capacity. But when the area gets larger one row machine’s expenses rises significantly because of the total harvesting time became longer (Equivalent area cost is 11 ha). 900 Tw o Row Exported Machine 800 Tw o Row Domestic Machine Total Expenses (TL/ha) 700 600 500 400 300 200 100 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 Area (ha) Figure 3. Two row domestic - Two row exported machine comparision 103 As seen in the Figure 3, two row export machine has a significant amount of expenses comparing to domestic two row machine, this is a result of exported machine’s purchase price is much higher than the domestic machine’s price. But after the area to harvest increased the gap between the two machine narrowed. In large areas the exported machine’s high harvesting capacity (approx. 40 ton/h) is the reason why the machine is more selected. By working with that exported machine timeliness lost decreased and general work success was much higher (Equivalent area cost is 22 ha). Total Expenses (TL/ha) 1000 900 Two Row Exported Machine 800 Four Row Exported Machine 700 600 500 400 300 200 100 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 Area (ha) Figure 4. Two row export - Four row export machine comparision When we look at figure 4, it is very clear that because of this two machine’s high capacity, in small area they had very high expenses. After only 20 ha four row exported machine became economically usable (Equivalent area cost is 13 ha). After the calculation of the Equivalent area costs it comes the calculation of the work successes. In different machine sets different results came out, especially relating to working types. For summarizing this study, tables were made and in those tables, the most optimal working systems were shown. Forexample, harvesting with two row machine, working with three types, using different numbers of trailers, and in those variations, the most optimal in general working success were chosen and put in the tables. In the tables, the meaning of the labels are; Y (Working type), M (Machine row numbers) and K (trailer numbers). Forexample Y3M1K3 set means, working type III was used (Y3), one row machine harvested (M1) and three trailers were used (K3) for trasportation. Also in the tables A (total distance in km), E (total working time in hours), F (harvester machine’s non-working time in hours), G (trailers non-working time in hours), H (number of trailers), I (Individual of every trailers nonworking time in hours) and K (general working success in h/ha). 104 Table 3. Set I general working success Set I A E F G H I K Y1M4K2 1752 216.8 0.0 140.8 2 70.4 6.19 Y2M2K3 1752 160.9 51.0 0.0 3 0.0 4.60 Y3M2K3 1752 269.9 225.8 0.0 3 0.0 7.71 In set I, working in the area of 35 ha and choosing the best system for that field brought out the first problem of trailer’s insufficient capacity. Especially in working type III, trailers werent able to match with the harvester’s filling capacity (two row exported machine had 225.8 hours of non-working time in total). The best system in that are was Y2M2K3 with value of 4,60 h/ha (total expenses for this system was 237 TL/ha). Table 4. Set II general working success Set II A E F G H I K Y1M4K2 2500 340.7 0.0 263.5 2 131.7 6.81 Y2M2K3 2500 250.4 93.6 0.0 3 0.0 5.01 Y3M2K3 2500 406.1 343.2 0.0 3 0.0 8.12 In set II, working in the area of 50, the most suitable system for this area was Y2M2K3 with value of 5,01 h/ha (total expenses for this system was 210 TL/ha). The insufficient capacity of the trailers were more significant in that larger area. Because of that reason the working time extended and resulted in decreasing general work success. Table 5. Set III general working success Set III A E F G H I K Y1M4K2 4500 747.9 0.0 744.3 2 372.2 8.31 Y2M2K3 4500 610.8 329 0.0 3 0.0 6.79 Y3M1K3 4500 500.4 0.0 66.2 3 22.1 5.56 105 In set III working in the area of 90 ha, the combination was Y3M1K3 (5,56 h/ha). The expenses for this large area was; for one row machine’s 321 TL/ha, Two row machine’s 188 TL/ha and Four row machine’s 122 TL/ha. The trailer’s capacity problem had the most influence in that area. Because of this problem the one row machine which had the lowest capaity was the best option for the set. Comparing to other harvesters, one row harvester harvested all the are within 500,4 hours. This value showed how important not only to use a high capacity machine but also using the machine with the ideal combination of sets and methods. Table 6. Set IV general working success Set VI A E F G H I K Y3M1KA 668 343.4 65.3 0.0 1 0.0 6.87 Y3M2KA 668 128.1 65.3 0.0 1 0.0 2.56 Y3M4KA 668 93.4 65.3 0.0 1 0.0 1.87 This final set mostly preferred by the loaners of the region. In this set area of 50 ha was harvested and for transport, instead of trailers a truck of 15 ton filling capacity was used. Fow row machine showed 1,87 h/ha success with area expenses of 155 TL/ha and two row machine showed 2,56 h/ha with area expenses of 210 TL/ha. Because of Truck’s trasport speed was higher than the trailers, it took shorter to tranport the harvested material to the silos. That of course increased the general work success and decreased the timeliness lost. To work in optimum values with two and four row machine, it is clear that trailers capacities should have been higher than 4 tons. CONCLUSIONS It has come to conclusion that, mostly preferred working method was method III. The most common problem in the region was incompatiblity between the silage harvesters and trailers. This problem had more significance especially in bigger area (over 25 ha). By that problem timeliness lost of harvesters and trailers increased also resulting to lesser work success and lesser corn silage quality. The study in different areas showed that capacity of the harvesters alone had less meaning. Even in bigger areas four row machine having the highest capacity had a long timeliness lost than other machines. This was a result of the low capacity trailers could not match the filling rate of harvest- 106 er. And harvester waited in the field in non-working position. In such situations using lower capacity harvesters and changing the working method easied the general work success. This problem should be taken seriously especially in using the higher capacity machines which have higher purchasing prices. So in order to have better profit from those kind machines, the planning of the mechanization should be done in detail. REFERENCES Anonymous, 1995. American Society of Agricultural Engineers, Agricultural Machinery Management Data (ASAE EP496.2 MAR94), ASAE Standarts 1995, 329-334. Anonymous, 1995. American Society of Agricultural Engineers, Agricultural Machinery Management Data (ASAE D497.2 MAR94), ASAE Standarts 1995, 335-342. Bilgen, H., Sungur N., Akdeniz C., 1992. Ege Bölgesinde (İzmir, Manisa ve Aydın) Silaj Yapım Tekniklerinin Saptanması Üzerine Bir Araştırma, Tarımsal Mekanizasyon 14.Ulusal Kongresi, İzmir, 306-316. Evcim, H. Ü., 1990. Tarımsal Mekanizasyon İşletmeciliği ve Planlama Dersi Veri Tabanı, Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Yayınları no: 495 İzmir. J. P. Mueller and J. T. Green., 2003. Corn Silage Harvest Techniques, National Corn Handbook, North Carolina State University, USA. Kayışoğlu, B. ve Tan, F., 1994. Silaj Mekanizasyonunda En Uygun Taşıma Sisteminin Saptanması Üzerine Bir Araştırma, Tarımsal Mekanizasyon 15.Ulusal Kongresi, Antalya, 334-342. Kılıç, A., 2004. Kaba Yemlerde Verimlilik Üzerine Niteliğin Etkisi, Hasad (Hayvancılık) Dergisi, Sayı:12, 12-14 Sındır, K. O., 1999. Tarımda Makina Seçimi ve Ortak Kullanım Modelleri, T.C. Başbakanlık Köy Hizmetleri Genel Müdürlüğü APK Dairesi Başkanlığı Yayın no: 110, Ankara, 27-46. Ulusoy, E., Özbaydur H., 1996. Söke Yöresinde Bazı Örnek İşletmelerde Karşılaştırmalı Mekanizasyon Planlaması Uygulamaları, E.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Tarım Makinaları Ana Bilim Dalı Yüksek Lisans Tezi, Bornova, İzmir. 107 Ersin Karacabey DEPARTMENT OF AGRICULTURAL MACHINERY FACULTY OF AGRICULTURE EGE UNIVERSITY, IZMIR-TURKEY [email protected] THE SELECTION OF ELEMENTS COMPOSING FOSSIL FUEL AND GEOTHERMAL HEATING SYSTEMS IN GREENHOUSES AND COMPARISON OF THESE SYSTEMS IN POINT OF COSTS ABSTRACT In this study, a sample greenhouse operation whose heat requirements were calculated and located in Balcova was chosen and the elements composing fossil fuel and geothermal heating systems providing the heat requirements of this operation were determined and chosen in deference to capacity. While choosing the elements of heating systems, the highest heat requirement in the sample greenhouse operation was considered. In the use of fossil fuel and geothermal heating systems providing heat requirements calculated, fixed and variable costs were calculated and the differences between two systems were determined. As a result, the installation cost of fossil fuel heating systems was found 27% bigger than geothermal heating systems according to market prices of 2007 for the sample greenhouse operation. When the operating costs which constitute the most explicit difference between two systems were examined, it is shown that geothermal heating system has 10 fold less cost than fossil fuel heating systems. Keywords: Greenhouse, heating, geothermal energy, fossil fuel INTRODUCTION Greenhouse production is a growing method which aims to get more crop from unit area in comparison to open field production and enables plant growing outside of normal vegetation period by controlling environment conditions. Temperature, light, relative moisture and co2 are the major climate parameters which should be controlled in greenhouses. Supplying these parameters with optimum plant demands enables crop increase qualitatively and quantitatively. Temperature factor has very impotant effects on plant growth. Temperature controls many physiological activities in plant life as well as affects the soil as plant life environment. Comparing plant cover in ecuador and polar zone and comparing rapid growth in summer and recessional in winter for summery plants shows the temperature effect on plant life clearly (gençtan, 1989). 108 Maintaining temperature in desired level in greenhouse by using suitable systems is needed for modern production. When other factors composing greenhouse climate are suitable, the increase of 10 oc in greenhouse temperature rises plant growth two fold with the condition of not exceeding maximum temperature allowed (yağcioğlu, 2005). But the share of heating in greenhouse production costs can go up to 60 percent. The important thing in this point is being able to realize an economical application by reducing energy costs. Due to high cost of liquid, gas and solid fuel, using renewable energy resources like geothermal energy will provide economy and stimulate greenhouse production. In greenhouse growing which is an important agricultural activity in terms of social and economic sides, selection and usage of heating and ventilation systems in accordance with economical structure and target has gained importance especially latterly because of high energy costs. In this study, it was aimed to inform investors about it by determining the elements affecting the costs of greenhouse heating systems via a sample greenhouse operation located in balcova. MATERIAL AND METHOD This study was carried out in balcova locating in 10 km west of izmir city center and having a rich geothermal potential. Balcova is an important geothermal area in width of 3.5 km2 (kiliç, 1998). In this region, a sample greenhouse operation consisting of 6 glasshouses and 12 da total area was chosen. The specifications of these sample greenhouses are shown in table 1 and the positions can be seen in figure 1. Average temperature values monthly for izmir in which mediterranean climate is generally dominant belonging to 1975-2006 years are given in table 2. Tomato is grown and peat is used as growing material in sample greenhouses. The greenhouses are set up in direction of north-south. There is a facility of using geothermal fluid returning from a hotel heated and going to reinjection line. This hot fluid has 50 oc temperature. In the study, the elements composing greenhouse heating systems were chosen taking the highest heat requirement of 1 470 825 w (5 294 970 kj / h) into consideration. This value was calculated for 20 oc optimum temperature demand day conditions and 15 oc optimum temperature demand night conditions in tomato production for the sample greenhouse operation. In the study, the required lengths of heating pipes for steel pipes in 48 mm outer diameter and 2 mm wall thickness (din 2394) and for polyethylene pipes in 160 mm outer diameter and 7.7 mm wall thickness (ts 418-2) were calculated by equation [1] and [2]. The plate type heat exchanger used in geothermal systems was chosen in accordance with the highest heat requirement and ntu (number of transfer units) method. Main components of plate heat exchangers used widely are shown in figure 2. 109 GREENHO USE VOLUME (M3) 2592 6912 6415 2916 2916 19 794 COVER MATERIAL ONE LAYER GREENHOU SE GLAZED ONE LAYER GREENHOU SE GLAZED ONE LAYER GREENHOU SE GLAZED ONE LAYER GREENHOU SE GLAZED ONE LAYER GREENHOU SE GLAZED ONE LAYER GREENHOU SE GLAZED INCLINAT ION OF ROOF 15O 11O 7O 7O 110 7O 9O 7497 1188 1188 525.6 513.6 295.2 SIDE WALL AREA (M2) 1057.2 309.6 309.6 2614 2736 1026 ROOF SPACE (M2) 5310 1080 1080 2376 2160 810 BASE AREA (M2) 5.5 3.4 3.4 3.4 4.4 4.4 ROOF HEIGH T (M) 2 2 2 2 2 2 SIDE WALL HEIGHT (M) 118 45 45 99 90 45 LENGTH (M) 45 24 24 24 24 18 WIDTH (M) 6 5 4 3 2 1 GREENH OUSE NO TABLE 1. SPECIFICATIONS OF SAMPLE GREENHOUSES FIGURE 1. POSITIONS OF SAMPLE GREENHOUSES TABLE 2. AVERAGE TEMPERATURE VALUES MONTHLY FOR IZMIR BELONGING TO 1975-2006 YEARS (GENERAL DIRECTORATE OF METEOROLOGY OF TURKEY, 2009) MONTH MIN. TEMPERATU RE (OC) MAX. TEMPERATU RE (OC) MEAN TEMPERATUR E (OC) JANUARY 5.9 12.6 8.9 FEBRUARY 5.8 13.2 9.1 MARCH 7.7 16.4 11.7 APRIL 11.4 20.9 15.9 MAY 15.6 26.0 20.8 JUNE 20.1 31.0 25.7 JULY 22.7 33.3 28.1 AUGUST 22.4 32.7 27.4 SEPTEMBER 18.7 29.2 23.6 111 OCTOBER 14.7 24.2 18.9 NOVEMBER 10.4 18.2 13.7 DECEMBER 7.5 13.8 10.3 1. Rear press plate 2. Auxiliary column 3. Bottom carriage bar 4. Gibs 5. Plate packet FIGURE 2. MAIN COMPONENTS OF PLATE HEAT EXCHANGERS (ALFA LAVAL PRODUCT CATALOGUE, 2007) 6. Front press plate AB Q k B ΔTm 7. Top carriage bar [1] In equation [1], ab is surface area of heating pipes (m2), q is total heat requirement (w), kb is heat transfer coefficient of pipes (w / m2k), δtm is logarithmic mean temperature difference (oc). Heating pipe lengths providing surface area calculated can be found from equation [2]. LB AB D [2] In equation [2], lb is heating pipe length (m) and d is outer diameter of heating pipes (m). In calculation of δtm, the differences of fluid circulating in greenhouse heating system and greenhouse air temperature were used (equation 3). Tm T1S T1H T2 S T2 H (T T1H ) ln 1S ( T T ) 2 S 2 H [3] In equation [3]; t1s is initial temperature of fluid in heating pipes, t1h is temperature inside greenhouse provided by heating (oc), t2s, is the last cooled temperature of fluid in heating pipes (oc), t2h is temperature inside greenhouse in case of not heating (oc). 112 The capacity of the pump circulating the geothermal fluid in heat exchanger was determined by ntu (number of transfer units) method (mcneill and colton, 2007). In ntu method, the flow rate between geothermal fluid and fluid circulating in greenhouse heating system was calculated by figure 3 giving the correlation between ntu value and heat exchanger efficiency. mmin / mmax Figure 3. The correlation between ntu and heat exchanger efficiency Mmin : minimum flow rate in the heat exchanger (kg/s) Mmax : maximum flow rate in the heat exchanger (kg/s) Ntu value was calculated by using logarithmic mean temperature difference approach (kakaç and liu, 1998). Equation [4] and [5] show the way of calculating ntu value. LMTD T1 T2 T ln 1 T2 NTU Tmax LMTD [4] [5] In equation [4]; lmtd shows logarithmic mean temperature difference (oc), δt1 shows the difference of initial temperatures of geothermal fluid and fluid circulating in greenhouse heating system (oc) and δt2 shows the difference of last temperatures of geothermal fluid and fluid circulating in 113 greenhouse heating system (oc). In equation [5]; δtmax shows the highest temperature difference (oc). The boiler for fossil fuel heating systems was chosen taking into consideration the highest heat requirement and the amount of fossil fuel required was determined with thermal efficiency of fuel, thermal value of fuel and total heating period in addition to heat requirement. M Q t . [6] In equation [6], m is amount of fossil fuel required (kg), q is total heat requirement (w), is thermal value of the fuel (j / t), ζ is thermal efficiency of the fuel (%) and t is total heating time in heating period (s). Fuel costs were determined in accordance with the amounts of fosil fuel calculated (equation 7). cy = m . Fy [7] In equation [7], cy is fuel cost (usd), m is amount of fosil fuel required (t), fy is unit cost of fossil fuel (usd / t). The circulating pumps were chosen in accordance with flow rate calculated. While determining flow rate, total heat requirement, specific heat of water and temperature difference of fluid circulating in greenhouse heating system were used (equation 8). Electricity consumption costs of circulating pumps were calculated taking into consideration power consumed by pump, usage time and unit cost of electricity energy (equation 9). q = m . C . Δt [8] ce = p . T. Fe [9] In equation [8], q is total heat requirement (w), m is flow rate of fluid in greenhouse heating system, c is specific heat of water (j / kg . Oc), and δt is temperature difference of heating fluid (oc). In equation [9], ce is electricity energy consumption cost of pump (usd / month), p is power consumed by pump (kw), t is usage time of pump (h / month) and f e shows unit electricity cost (usd / kwh). 114 Amortization and interest costs refunded evenly every year and evaluated together were calculated by equation [10] and straight line method (sindir, 1999). Maintenance and repair costs were calculated by taking 5% of total investment costs with a general approach. i . (1 i) n C D C0 . (1 i) n 1 [10] In equation [10], cd is repayment annually of capital (amortization and interest) (usd / year), co is installation cost (usd), n is mean system life (year), i is real interest rate. RESULTS AND DISCUSSIONS The heating pipe lengths needed for meeting heat requirement calculated are shown in table 3. As shown in table 3, PE heating pipes should have more surface area and length for being able to provide the heat in same amount in comparision to steel pipes. Table 3. The heating pipe lengths needed for meeting heat requirement Heating pipe length (LB) Greenhouse No (m) PE Heating Pipes Steel Heating Pipes 1 622 514 2 1559 1290 3 1493 1235 4 704 583 5 704 583 6 4185 3463 The cost elements of heating systems for the sample greenhouse operation were divided into 2 groups as installation and operating costs. Operating costs were examined as fixed and variable operating costs. Heating boiler, heat exchanger, heating pipes, circulating pumps and other system elements given below within installation costs, amortization and interest costs within fixed operating costs, hot water, fuel, cost of electricity energy consumption, maintenance and repair costs within variable operating costs were taken. 115 Investment costs of PE and steel heating pipes are shown in table 4. As shown in table 4, in case of using PE heating pipes in greenhouses, total investment costs are less although longer pipes are used. Table 4. Investment costs of PE and steel heating pipes Investment costs of heating pipes Greenhouse No (USD) PE Heating Pipes Steel Heating Pipes 1 792 1186 2 1985 2977 3 1902 2850 4 897 1345 5 897 1345 6 5331 7991 Total 11 804 17 694 The specifications of circulation pump having hot water circulated through the pipes in greenhouse heating system and its cost can be seen in table 5. Table 5. The specifications of circulation pump Flow rate 19.53 kg/s Inlet diameter 100 mm Outlet diameter 80 mm Power consumed 7.5 kW Rotation speed 1450 min-1 Investment cost 788 USD 116 The flow rate of geothermal fluid circulated in heat exchanger were calculated using mass flow rate found by figure 3 giving the correlation between NTU value and heat exchanger efficiency. NTU value was calculated by reading inlet and outlet temperatures of fluid with thermometers in heat exchange station and putting them into equation [5]. The temperature values are in table 6. Table 6. Fluid temperatures LMTD T1 (oC) T2 (oC) Fluid 1 (Geothermal) 50 35 Fluid 2 (Heating system) 48 30 ΔTn (oC) 2 5 T2 T1 52 3.27 T2 5 ln ln 2 T 1 ; NTU Tmax 18 5.5 LMTD 3.27 Mass flow rate between geothermal fluid and fluid circulating in greenhouse heating system was found via figure 3 by taking into consideration 85 %32 heat exchanger efficiency and 5.5 NTU value as 0.75. m min 19.53 0.75 m max 26 kg / s m max m max For circulating geothermal fluid in heat exchanger, circulating pump having flow rate of 26 kg/s and power of 4 kW was chosen. The market prices of heating boiler, plate type heat exchanger and other system elements are given in table 7 for the sample greenhouse operation. 32 The efficiency of plate heat exchanger with Alfa Laval brand used in sample greenhouse operation 117 Table 7. The prices of system elements used in greenhouse heating systems Price System elements (USD) The solid fuel boiler with auto feed in 23 846 accord with capacity The plate type heat exchanger in accord with capacity for geothermal heat- 10 000 ing Various valves 1154 Strainer 230 Check valves 269 Expansion tank (500 L) 538 Three-way automatic control system 3846 Fittings 615 Amortization and interest costs was calculated from equation [10] by taking mean system life as 20 years and real interest rate as 12%. For geothermal heating system : CD 33 343 0.12 (1 0.12) 20 4464 USD / year (1 0.12) 20 1 For fossil fuel heating system : CD 46035 0.12 (1 0.12) 20 6163 USD / year (1 0.12) 20 1 Amount of fossil fuel required and fuel costs in fossil fuel heating systems calculated from equation [6] and equation [7] can be seen in table 8. The values in table 8 were obtained for the heating term consisting of 4 months and 10 hours heating period daily. 118 Table 8. Amount of fossil fuel required and fuel costs Total fuel cost (USD) (USD / t) Fuel cost monthly (USD / month) 434.4 154 16 724 66 896 309.6 230 17 802 71 208 Total amount of fuel required (t) Unit cost of fuel Lignite coal Nut coal Fuel type Geothermal hot water cost monthly for the sample greenhouse operation having 12 da total area is 992 USD. The cost of electricity consumption of the pump circulating hot water through the pipes in greenhouses was calculated as 242 USD / month by taking into consideration the usage time of 300 h / month and using equation [9]. This value was calculated as 130 USD / month for the pump circulating geothermal fluid through the plate heat exchanger. Maintenance and repair costs were calculated as 138 USD / month for geothermal heating systems and 192 USD / month for fossil fuel heating systems by taking 5% of total investment costs. It is possible to see the installation and operation costs of heating systems for the sample greenhouse operation in table 9. Table 9. Installation and operation costs of greenhouse heating systems Heating system Operating costs Installation costs (USD / year) (USD) Geothermal Heating System Fixed operating costs Heat exchanger 10 000 Heating pipes 14 749 Amortization + 119 4464 Variable operating costs Hot water cost 3968 Interest Fossil Fuel Heating System Circulation pumps 1942 Cost of electricity consumption 1488 Other system elements 6652 Maintenance and repair cost 552 TOTAL 33 343 TOTAL 6008 Heating boiler 23 846 Fuel cost 66 896 Heating pipes 14 749 Cost of electricity consumption 968 Circulation pumps 788 Maintenance and repair cost 768 TOTAL 68 632 Amortization + Interest Other system elements 6652 TOTAL 46 035 6163 The graphical display of the values in table 10 is shown in figure 4. The cost differences between two systems can be seen in figure 4 clearly. Figure 4. The change of installation and operating costs in greenhouse heating systems 120 As it can be understood from figure 4, geothermal heating systems have important advantages especially in terms of variable operating costs. Installation costs in fossil fuel heating systems are 27% bigger than geothermal heating systems. Total operating costs in geothermal heating systems are 86% lower than fossil fuel heating systems although there is no so much difference in fixed operating costs. CONCLUSIONS The all heating load could be met by geothermal energy in Balcova which has a rich potential of this alternative energy. Heating greenhouses using geothermal energy is more economical than using fossil fuel heating systems when it is evaluated in terms of both installation and operation costs. High fuel costs in addition to high installation costs of fossil fuel systems hinders making greenhouse production profitably. It attracks the attention that there are important differences between the costs of fossil fuel and geothermal hot water which is sold by Izmir Geothermal Corporation. The monthly cost of geothermal hot water is less 16 fold than fossil fuel costs in Balcova which is one of the 7 important geothermal areas in the world. The installation cost of fossil fuel heating systems was found 27% bigger than geothermal heating systems according to market prices of 2007 for the sample greenhouse operation. When the operating costs which constitute the most explicit difference between two systems were examined, it is shown that geothermal heating system has 10 fold less cost than fossil fuel heating systems. These results indicate that utilization of renewable energy resources like geothermal energy in greenhouse heating transforms the greenhouses into more profitable production structures. ACKNOWLEDGMENT This article contains a part of MSc thesis of Ersin KARACABEY. I would like to thank Professor A. Kadir YAĞCIOĞLU and Assistant Professor Hüseyin YÜRDEM for their contributions to the study. REFERENCES Alfa Laval Ürün Kataloğu. 2007. Değişim Isı Teknik. Ege Bölgesi Distribütörü. İzmir. Gençtan, T. 1989. Tarımsal Ekoloji. Tekirdağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi. Yayın No: 88. General Directorate of Meteorology of Turkey. 2009. Weather Data. İzmir. 121 Kakaç, S., Liu, H. 1998. Heat Exchangers Selection, Rating and Thermal Design. Department of Mechanical Engineering University of Miami. 432 p. Florida. Kılıç, N. 1998. Dünyada ve Türkiye’de Enerji Sektörüne Bakış ve Jeotermal Enerji Potansiyelinin İrdelenmesi. İzmir Ticaret Odası Yayını No: 56. İzmir. McNeill, V. F., Colton, C. K. 2007. Theory for Performance of the Flat Plate Heat Exchanger. Department of Chemical Engineering, Massachusetts Institute of Technology. Sındır, K. O. 1999. Tarımda Makina Seçimi ve Ortak Kullanım Modelleri. Toprak ve Su Kaynakları Araştırma Şube Müdürlüğü. Yayın No : 110. Ankara. Yağcıoğlu, A. K., 2005, Sera Mekanizasyonu, E.Ü.Z.F. Yayınları No:562, Bornova, 363 s. 122 Кормщиков А.И., Ахмаров Ф.И. Кафедра биотехнологии ГОУ ВПО «Вятский государственный университет», г. Киров, Россия ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ДРЕВЕСНОЙ ЗЕЛЕНИ Россия располагает неисчерпаемой сырьевой базой для развития лесоперерабатывающей промышленности. Переработка леса - это не только переработка древесины как сырья, но и использование всей биомассы дерева и недревесной продукции: подсочка леса, переработка древесной зелени, гидролизное производство и т.д. Общая площадь лесного фонда Кировской области составляет 8147,6 тыс. ГА. Хвойные леса произрастают на площади 4,5 млн. ГА с общим запасом древесины около 450 млн. м3, из них: сосна - 42%; ель -57%; пихта, лиственница, кедр - 1%. На долю стволовой древесины приходится до 70% общей массы дерева, кора - 9-24%, сучья - 8%, пни и корни - 13%. Вся биомасса растущего дерева в 1,5 раза больше массы древесной части. Обычно древесная зелень при рубке остается на лесосеке, хотя от 10 до 70% зелени может быть использовано для переработки в лесобиохимических цехах. В клетках древесной растительности, особенно в листьях, хвое, неодревесневших побегах содержатся биологически активные вещества (БАВ): витамины, хлорофилл, микроэлементы и др., что позволяет рассматривать древесную зелень как сырье для получения лекарственных препаратов. На кафедре биотехнологии Вятского государственного университета разработана технология выделения БАВ из живичного скипидара, пихтового масла-сырца, ведутся поисковые исследования по выделению из хвои таких продуктов, как концентраты кислот, нейтральные вещества, провитаминные концентраты, полипренолы и т.д. По предлагаемой технологии могут быть получены следующие товарные продукты: - фармакопейное пихтовое масло, - бальзам скипидарный, 123 - растворитель для лакокрасочной промышленности, - борнилацетат - сырье для производства камфары, - концентрат кислот - стимулятор роста и защиты растений от инфекции, - провитаминный концентрат, - полипренолы - иммуномодулирующие вещества и добавки к корму животных и птиц, - компост из отработанной древесной зелени. Пихтовое масло представляет собой смесь моно- и сесквитерпеноидных соединений [1]. Количественное соотношение между компонентами может сильно изменяться в зависимости от качества сырья, режима выделения из древесной зелени и т.д. В состав пихтового масла входит около 100 компонентов, большинство из которых содержится в незначительном количестве, порядка сотых долей процента. Основные компоненты - это: борнилацетат, α и βпинен, камфен, Δ3-карен, дипентен, трициклен и сесквитерпены. Наиболее ценной частью пихтового масла считается борнилацетат [1], его содержание у различных видов пихт колеблется в довольно широких пределах. Исследователями отмечается, что выход пихтового масла и содержание в нем борнилацетата зависит от породы дерева, почвенных условий места произрастания, времени года, возраста дерева и т.д. [2-4]. Традиционный способ получения пихтового масла гидродистилляция, но также известны экстракционные способы. Для получения пихтового масла методом гидродистилляции применяются установки двух типов: вятского и западносибирского. В установках вятского типа лапка загружается в специальный перегонный чан с решеткой вместо дна и съемной крышкой. Перегонный чан - конической формы с расширением кверху. Узкой частью, где расположена решетка, чан вставляется в котел, под которым размещена топка. При кипячении воды, пар, поднимаясь из котла вверх, проходит через загруженную в чан пихтовую лапку, прогревает ее и уносит с собой эфирные масла. Для вывода паров воды и масла из чана ниже крышки его устанавливается пароотвод, соединенный с холодильником. Вода и масло, вытекающие из холодильника, разделяются в маслоотделителе и масло стекает в приемник. Производительность этой установки невысока, но она просто устроена, пихтовая лапка хорошо прогревается и полностью отдает наиболее ценные вещества - борнилацетат и борнеол. В установках западносибирского типа деревянный чан находится отдельно от котла - парообразователя, поэтому эти установки более производительны. 124 С целью определения соотношения компонентов в пихтовом масле - сырце был проведен анализ 42 образцов пихтового масла, полученных за зимний период с ноября по февраль. Установлено, что относительное содержание суммы α-пинена, β-пинена и камфена изменяется от 36,68% до 44,63%; Δ3-карена – от 8,47% до 17,32%; дипентена – от 5,66% до 9,44%; борнилацетата – от 26,74% до 42,43%. В соответствии с требованиями Фармакопейной статьи, содержание борнилацетата в пихтовом масле должно быть не менее 40%. В противном случае требуется обогащения пихтового масла данным компонентом. Для этого могут быть использованы различные методы. Одним из наиболее простых является добавление к исходному маслу чистого борнилацетата или концентрированного раствора борнилацетата в монотерпенах в таком количестве, что соотношение монотерпенов и борнилацетата соответствовало бы требованиям фармакопейной статьи. Чистый борнилацетат или концентрат борнилацетата могут быть выделены из исходного пихтового масла различными способами, основанными на различии физических свойств компонентов. Температура плавления чистого борнилацетата равна +29ºС, в то время как α-пинен и дипинен кристаллизуется при 75ºС и -89ºС соответственно. Можно предположить, что при снижении температуры пихтового масла в первую очередь начнется кристаллизация высокоплавкого борнилацетата. Для подтверждения такого предположения нами был исследован процесс выделения борнилацетата вымораживанием. При этом компоненты пихтового масла не подвергаются высокотемпературным воздействиям, вследствие чего их биологическая активность не изменяется. Пробы готовили добавлением в исходное пихтовое масло борнилацетата, полученного отгонкой монотерпенов. Пробы, содержащие борнилацетата меньше, чем в исходном продукте получены разбавлением исходного пихтового масла фракцией монотерпенов, не содержащих борнилацетат. Таким образом, в образцах изменялось содержание борнилацетата, но взаимное соотношение монотерпенов оставалось неизменным. В ходе экспериментальных исследований по вымораживанию было установлено, что пихтовое масло относится к жидкостям, склонным к сильному переохлаждению. Поэтому при низком содержании борнилацетата (25%) кристаллизация образцов в интервале температур до -600С не происходит. Увеличивается вязкость образцов, но текучесть жидкости сохраняется. Попытки получить кристаллический осадок при повторном вымораживании образцов также не увенчались успехом, образец загустевает, но не 125 кристаллизуется. Наименьшие температуры кристаллизации обнаружены у образцов пихтового масла, содержащих 29-30% борнилацетата. При температурах -50ºС и -53ºС происходит образование твердого продукта, но разделение сплошной массы на твердую и жидкую фазы не происходит. Исходное пихтовое масло с содержанием борнилацетата 37% кристаллизуется при температуре -38ºС, но при повторном вымораживании температура кристаллизации возрастает до -20ºС, т.е. снижается эффект переохлаждения. При больших концентрациях борнилацетата (99%) кристаллизация происходит при плюсовых температурах, но начинается при значительном переохлаждении. Таким образом, в результате исследования процесса кристаллизации борнилацетата из пихтового масла, установлено, что при вымораживании жидкое пихтовое масло склонно к переохлаждению. Температура кристаллизации пихтового масла возрастает с увеличением содержания в нем борнилацетата. При охлаждении масла с низкой концентрацией борнилацетата, вязкость масла увеличивается, но в интервале температур до -60º С не происходит его кристаллизации. Поэтому, хотя вымораживание и является перспективным методом, в данном случае, для выделения борнилацетата из пихтового масла, метод не применим. Борнилацетат из пихтового масла может быть выделен методом фракционной дистилляции, основанным на различии температур кипения компонентов. Из основных компонентов пихтового масла, наименьшей температурой кипения обладает трициклен (153º С при давлении 760 мм рт. ст.), а наибольшей - борнилацетат (255º С при 760 мм рт. ст.); другие имеют промежуточные значения температур кипения в указанном интервале. Фракционную дистилляцию пихтового масла проводили под атмосферным давлением и под вакуумом. Процесс дистилляции контролировали по температуре паров на входе в холодильник и по давлению, которое измеряли вакуумметром. Дистиллят собирали в отградуированный приемник и, после накопления необходимого объема, сливали в сборник. Пробы дистиллята анализировали газохроматографическим методом [5]. В результате проведенных исследований установлено что при дистилляции получается фракция, содержащая низкокипящие компоненты: трициклен, α-пинен, камфен + β-пинен, Δ3-карен, дипентен, терпинолен, борнеол, и высококипящая фракция, в которой содержание борнилацетата достигает 99%. 126 Дистилляцию можно проводить как при атмосферном давлении, так и под вакуумом. Проведение дистилляции под вакуумом предпочтительнее, так как при этом кубовый остаток меньше окрашивается из-за осмоления органических соединений при высоких температурах. Таким образом, в результате проведенных исследований по концентрированию борнилацетата для получения фармакопейного пихтового масла установлено, что метод выделения борнилацетата вымораживанием практически не применим из-за низких температур кристаллизации борнилацетата при содержании его не менее 40%. Концентрированный раствор борнилацетата можно получить разделением пихтового масла методом фракционной дистилляции под атмосферным давлением или под вакуумом. При дистилляции получается фракция, содержащая низкокипящие компоненты и высококипящая фракция, в которой содержание борнилацетата достигает 99%. Литература. 1. Химическая переработка древесной зелени пихты - основа технологий получения биологически активных веществ/Л.П. Карманова, А.В. Кучин, В.А. Кучин// Химия и химическая технология. 2005. - №2.- С.3-11. 2. Рудаков Г.А. Химия и технология камфары./ М.:-1967. 3.Аловерт Н.Н. Производство пихтового масла./М.: Л.: Гослестехиздат.-1936.-151с. 4. Томчук Р.И., Томчук Г.Н. Древесная зелень и ее использование в народном хозяйстве./ М.: Лесная промышленность1973. 5. Фармакопейная статья 3370-97. Масло пихтовое. 127 Anna Kulhankova, Vlastimil Altmann Department of Machinery Utilization Faculty of Engineering Czech University of Life Sciences, Prague PRODUCTION OF BIOLOGICAL MUNICIPAL WASTE FROM CONSUMER SECTOR Abstract The purpose of diploma thesis is to perform an anual analysis of production of biolodegradable waste from household and to evaluate gained data by statistical methods. First part of thesis describes present stage of mentioned questions in Czech republic. It describes particular definitions, sorts and categoryies of waste. Further there are analyse technologies used to process biodegradable waste and methods of collecting and transporting it in use. Second part named „ self work“ take aim at production of monitored sort sof waste from particular household. There are evaluated gained data on the basis of outcomes are suggested suitable systéme of collection. In the last part of this thesis there is summary of outcomes and on thein basis proposed particular systéme of collection. Introduction The production of organic waste from household rise in many countries of Europe. Because of this development it is also want of rise of capacity and choices handeling this kind of waste. The waste separation is obligatory from law for habitants who produce munincipal waste. The biodegradable waste is important part of the munincipal waste. The way we handle this kind of waste influence many parts of enviroment. The largue quantity of this kind of waste is suitable for material or energetical use. By anaerobic or aerobic technologies we are able to process separated biodegradable waste which contains valuable organic mass for biomas and organic furteliser (anairobic) or kompost (aerobic). The biodegradable waste or proportions include in them are conidered to be kind of waste from grup twenty. 20 01 01 Paper and carton 100 % 20 01 08 Biological waste from kitchens and catering establishment 100 % 20 01 10 derss 60 % 20 01 11 Acous-textile 50 % 20 01 38 Wood ( not mentioned under number 20 01 37) 100 % 20 02 01 Biological municipal waste (from gardens and parks) 100 % 20 03 01 Municipal waste 54 % 128 20 03 02 Waste from market places 20 03 07 Large waste Waste collecting and gathering system - according to technical equipment - container - non container - bags - due access to collecting point - delivery - disposal 80 % 50% Container collecting: The type of collecting is realized by collecting yard, largue volume container, collecting waste container ( volume 120l, 240l, in family house area less then 80l) and collecting containers which are modified for collecting of biodegradable waste. The best container for biodegradable waste is composteiner. The basic princip is deep aeration and reduce of humidity of separated waste. Pic.1: The comoposteiner scheme Bagged collecting: By way of sacks and baggs made from biodegradable plastic material. The collecting capacity is depenc only on number of bags. Gathefing can be irregular. The bags can be used for filling of kitchen trashcans for biodegradable waste from kitchen. The charge for collecting can be included in the price of these bags. Non container collecting: The collecting is also called „timed“ collecting or „house by house“. Tha advantege of this systém is lou investment cost and recovery comparable to collecting by containers. The thisadvantage is necessary and countinues informing of people and also pollution of surroundings. 129 Delivery collecting: The delivery distance ( optimum 150m), they are frecvently collecting yards.They are distinguish by separated collection of diferent kinds of waste in large containers ( commonly more then 1m3). Their location is usually further distance. Disposal collecting: It is distinguish by short delivery distance ( cca 50m) and placing and locating of containers near the objects. The size of the containers is given by number of habitans and interval of disposal are various from diferent kind of waste. This way of collecting is easy to accept by habitans. There is higher recovery and quality of kinds of municipal waste compared to delivery collecting. But cost of investment is higher. Applied methods The dates for writing diploma theses were gained by measuring in chosen households. Monitoring and followed up recording of productions has started 18th of february 2008 (8.calendar week) and ended by 15th of february 2009. Each household was informed about method of measuration - collecting, weighting and writing down the measured values of biological municipal waste for calendar week. The households wrote down the mesured amount of biological municipal waste, in kg and alos in volume amount – l. The dates from each household were collected after one year. They were processed by statistics methods in MS Excel into the tables. The production of household was evaulated by season, monthes and then overall production. Results There were evaluated this kinds of biological waste – the rests of fruits, vegetables, egg and nut shells, rests of green plants from household, tea bags and rest of peastry. This waste is called identicaly in the tables – BMW (Biological municipal waste). The data from tables were graphicaly represented as column graph. The Data arwe displayed in two columns. The first column represents the values of weight (in kilograms) and the second column represents the value of volume (in litres). The production of BMW was observed in four chosen households. Their characterisrtic is stated in tab. 1. Tab. 1: The characterisrtic of household Household A Member of Household Age 2 74 – woman Used equipment Housing Sex Volume Family house with garden 130 Graduated vessel Weight Kitchen scale 76 – man 49 – woman B 2 C 1 D (household of author DP) 2 55 – man Family house without garden Graduated vessel Kitchen scale 56 – man Flat Graduated vessel Kitchen scale Flat Graduated vessel Kitchen scale 25- woman 25 – man 4.1 Interpretacion of production in light of seasons IIn the tab. 2 are listed values mesured during various seasons of year. In the tab. 3 are those values budgeted to particular family members. Tab. 2: The production of households according to season Spring Household Summer Autumn Winter weight volume weight volume weight volume weight volume [kg] [l] [kg] [l] [kg] [l] [kg] [l] A 29,7 38,2 76,9 122,0 385,0 427,0 58,4 82,2 B 39,7 53,8 54,1 58,2 66,2 72,0 53,7 56,6 C 11,9 25,2 20,4 34,5 23,8 37,6 13,9 27,6 D 15,0 37,4 20,9 51,7 18,6 53,7 15,8 40,3 Tab. 3: The production of households according to season to particular family members Spring Household Summer Autumn Winter weight volume weight volume weight volume weight volume [kg] [l] [kg] [l] [kg] [l] [kg] [l] A 14,9 19,1 38,5 61,0 192,5 213,5 29,2 41,1 B 19,9 26,9 27,1 29,1 33,1 36,0 26,9 28,3 C 11,9 25,2 20,4 34,5 23,8 37,6 13,9 27,6 D 7,5 18,7 10,4 25,8 9,3 26,8 7,9 20,1 131 Data from tab. 2 and 3 were processed with the program Microsoft Excel into graphs. As an example I show household C on the picture 2. weight[kg] Household C volume [l] 37,6 40 34,5 35 27,6 30 25,2 23,8 20,4 25 20 13,9 11,9 15 10 5 0 Spring Summer Autumn Winter Season Pic. 2: Graph of the production of households according to season 4.2 Evaluation of production in light of calendar month There are values mesured during calandar months in tab. 4 and in tab. 5 they are budgeted to individual members of household. Tab. 4: The production of households according to month January February m m March April May June H V V M V m V m V m V A 10,5 12,2 10,9 13,0 12,3 18,3 10,4 12,7 7,0 7,3 17,3 19,5 B 10,1 19,0 16,6 32,0 8,2 11,1 16,0 11,3 14,2 18,5 13,4 18,0 8,7 4,4 9,6 3,0 7,0 4,5 8,6 7,0 11,9 6,0 13,9 4,9 13,5 4,2 10,1 7,7 18,0 6,6 16,7 C 3,5 D 4,9 13,1 7,7 July 4,4 August September October November December H m V m V M V m V m V m V A 29,6 67,5 30,0 35,0 105,0 122,0 160,0 160,0 15,0 20,0 37,0 57,0 B 13,9 19,0 15,1 18,5 19,9 13,9 15,7 15,1 13,5 9,4 8,5 23,9 C 5,7 10,2 7,7 12,4 10,4 16,0 7,6 10,6 5,9 11,0 6,1 11,3 D 6,5 17,0 6,0 18,4 7,2 19,0 5,4 16,3 6,6 16,5 4,3 10,6 Shortcuts: H - households, m – mass [kg], V – volume [l] 132 Tab. 5: The production of households according to month to particular family members Srovnání produkce na 1 člena domácnosti podle kalendářních měsíců January February March April May June H m V m V M V m V m V m V A 5,3 6,1 5,5 6,5 6,2 9,1 5,2 6,4 3,5 3,6 8,7 9,8 B 5,1 9,5 8,3 16,0 4,1 5,6 8,0 5,7 7,1 9,3 6,7 9,0 C 3,5 7,7 4,4 8,7 4,4 9,6 3,0 7,0 4,5 8,6 7,0 11,9 D 2,5 6,5 3,0 6,9 2,4 6,7 2,1 5,0 3,9 9,0 3,3 8,3 July August September October November H m V m V M V m V A 14,8 33,7 15,0 17,5 52,5 61,0 80,0 80,0 B 7,0 9,5 7,6 9,3 7,6 6,8 4,7 C 5,7 10,2 7,7 12,4 10,4 16,0 D 3,3 8,5 3,0 9,2 3,6 9,5 m December V m V 7,5 10,0 18,5 28,5 4,3 12,0 10,0 7,0 7,9 7,6 10,6 5,9 11,0 6,1 11,3 2,7 8,1 3,3 8,3 2,1 5,3 Shortcuts: H - households, m – mass [kg], V – volume [l] Data from tab. 4 and 5 were processed with the program Microsoft Excel into graphs. As an example I show household C on the picture 3 weight [kg] Household C 16 14 12 10 8 6 4 2 0 12 12 9 8 7 7 6 6 6 Ju ly Au gu st Se pte mb er Oc tob er No ve mb er De ce mb er ay ne Ju M Ap ril arc h 8 3 3 M nu a 5 4 ry ru ary 4 11 11 11 10 10 10 9 8 Fe b Ja 16 Month Pic. 3: Graph of the production of households according to month 133 volume [l] 4.3 Interpretation of production in households A, B, C, D The production of BRKO significantly differs around Prague area. From accesible sources we found out that the production of BRKO per 1 habitant was 49,0 kg . year–1 for 2007. Another source says interval between 60 to 130 kg . year-1. The EKOKOM company declares That the production of house waste per 1person is 130 kg . year-1 in buildings in centre of the town, on the other hand, in suburbian buildings the production is 197,6 kg . year-1. In the table 6 i present data measured in families. Tab. 6: The production of households Households Production Particular family member in a week Particular family member in a year weight [kg] volume [l] weight [kg] volume [l] A 5,3 6,4 275,0 334,7 B 1,6 2,0 84,9 102,5 C 1,3 2,4 70,0 124,9 D 0,7 1,8 35,1 Area in a year Households A,B,C,D in a year weight [kg] volume [l] 179,9 218,6 52,6 108,2 weight [kg] volume [l] 116,2 163,4 91,5 Comperision of statistic values and observed households shows that production of BMW differs. It turns out that important factor while watching production of BMW is whether the family lives in a house with or without a garden. Household A is the only observed household with garden and therefor there is a significant increase in production of biological waste. In case of household B and C the values differ only slightly. Though the household B is situated in a family house there is no garden. That is why there is almost no increase in biological waste of the kind. Household D differed the most in amount of production. In that case the mesured amount per one household member was the lowest. The main reason is that the household members are students who can not afford to spend financial resources mostly on food. 134 Conslusion The purpose of this work was to analyzed BMW production in monitored consumer sector. From monitored data we found out that production of biological waste is very different according to the type of the building. It differs if the building is in the centre of the city (52,6 kg.year -1 per habitant) or if its a suburbian building (179,9 kg.year -1 per habitant). Also the biological waste production differs according to fact that BMW producents live in houses with gardens (275 kg.year -1 per habitant) or in flats or in family houses without gardens ( in interval from 35,1 kg.year -1 per habitant to 84,9 kg.year -1 per habitant). Production in family houses is much more bigger due to biological waste from garden. According to this data measured in particular in households, we established possible variants of collecting the biowaste. One of the options is gather the biowaste by using special containers – so called composteiners. This option is expensive, however has many advantages. Undoubtably, the biggest one is short delivery distance. The device is near to the place you live. Another advantage is , that the city company, Pražské služby, také care of delivery transportartion of the composteiners. Next way how to collect BMW is using the special biodegradable bags. Manipulation with biological waste is easy and clean, bags are biodegradable and permeable for steam. The Biological waste is favourable dried out, its odour and weight decreases. The disadvantage of this system of collecting is that the citizen has to take full bags to collecting yards or used waste composting. The best alternative is without doubt a home composting. It is the simplest and easiest processing of biological waste. The waste is processed right by its source. There is no need of any other manipulation. Processer is getting high-quality compost for use. Kitchen waste has the ideal composition which provides ideal conditions for composting. 135 Katarzyna Luboińska, dr inż. Dariusz Czekalski Katedra Podstaw Inżynierii Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego PLANOWANIE ENERGETYCZNE NA PRZYKŁADZIE MIASTA-GMINY KISIELICE Wstęp W zrównoważonym rozwoju gmin planowanie staje się bardzo istotnym zadaniem. Władze lokalne planują rozwój gospodarki mieszkaniowej, czy zagospodarowanie przestrzenne. Wszystko to wiąże się ze zużyciem energii. W związku z tym planowanie energetyczne staje się nieodłączną częścią rozwoju gmin. W dobie kryzysu światowego, czy dużej niepewności poziomu cen ropy naftowej, zmniejszenie zależności od zewnętrznych dostawców energii jest bardzo istotne. Władze muszą zadbać o bezpieczeństwo energetyczne swoich mieszkańców. Wydaję się, że z tego punktu widzenia w Polsce najlepiej byłoby w ogóle wykluczyć użycie ropy naftowej i gazu ziemnego, a powrócić do węgla kamiennego i brunatnego. Musimy jednak pamiętać o tym, że od 2004 roku należymy do Unii Europejskiej i wiążą nas ograniczenia emisji spalin i produkcji odpadów. W związku z tym nie możemy oprzeć swojej gospodarki tylko na węglu. Jedynym wyjściem jest zwiększenie udziału energii odnawialnej w zużyciu energii w Polsce. Szansą naszego kraju jest poszukiwanie czystych źródeł energii. Jednakże aby można było tego dokonać w skali całego kraju, energia odnawialna musi być wykorzystywana już w najmniejszych jednostkach jakimi są gminy. Samorząd gmin zobowiązany jest do planowania i organizacji zaopatrzenia w paliwa i energię. Do gminy należy także planowanie i pokrywanie kosztów oświetlenia miejsc publicznych i dróg znajdujących się na terenie gminy. Dzięki temu gminy mają możliwość oddziaływania na funkcjonowanie lokalnego rynku energetycznego, a także na realizowanie własnej polityki energetycznej. Poprzez uprawnienia planistyczne gmina może kształtować ład energetyczny w sposób zgodny z potrzebami i oczekiwaniami jej mieszkańców, a także podmiotów użytkujących bądź zamierzających użytkować paliwa lub energię na terenie gminy.33 Planowanie energetyczne na poziomie gminy staję się bardzo ważne dla całego kraju w momencie kiedy wszystkie pojedyncze plany energetyczne dążą do osiągnięcia tego samego celu jakim jest bezpieczeństwo energetyczne mieszkańców. Cel i zakres pracy Celem pracy jest przedstawienie tworzenia planów energetycznych i ich późniejszej realizacji. Istotnym będzie także pokazanie na jakie proble- 33 http://www.ozee.kape.gov.pl 136 my natrafiają władze gminy podczas realizacji „Projektu założeń do planu zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe”, a także czy istnieje możliwość ułatwienia samorządom planowania energetycznego. Praca swym zakresem obejmuje analizę dokumentu pt.: „Projekt założeń do planu zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe miasta i gminy Kisielice”. Planowanie energetyczne Obowiązek planowania energetyczne został nałożony na gminy Ustawą Prawo Energetyczne z dnia 10 kwietnia 1997 roku wraz z późniejszymi zmianami. W ustawie tej został także nałożony obowiązek uwzględniania odnawialnych źródeł energii przy opracowywaniu założeń do gminnych planów zaopatrzenia w energię. Mówi o tym art. 19 ustawy Prawo energetyczne. Ustawa została znowelizowana w 2002 roku w celu dostosowania polskiego prawa energetycznego do dyrektyw Unii Europejskiej (UE).34 W procesie planowania energetycznego udział biorą wszystkie poziomy administracji rządowej i samorządowej. Każdy z poziomów posiada indywidualne kompetencje i zakres działań, jednakże dokumenty wytworzone na każdym szczeblu muszą być ze sobą zintegrowane i realizować te same cele. Najważniejszym z celów jest zrównoważone gospodarowanie energią, gdyż jest ono niezbędnym warunkiem rozwoju gospodarczego i poprawy warunków życia. Rolę poszczególnych poziomów administracji w planowaniu energetycznym przedstawia rysunek 1. Zgodnie z ustawą Prawo energetyczne do zadań własnych gminy w zakresie zaopatrzenia w energię elektryczną, ciepło i paliwa gazowe należą: Planowanie i organizacja zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe na obszarze gminy, Planowanie oświetlenia miejsc publicznych i dróg znajdujących się na terenie gminy, Finansowanie oświetlenia ulic, placów i dróg publicznych znajdujących się na terenie gminy.35 W ramach realizacji tych zadań gminy opracowują „Projekt założeń do planu zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe”. Projekt ten bilansuje potrzeby energetyczne gminy z istniejącymi możliwościami zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe. 34 Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego. Przewodnik dla samorządów terytorialnych i inwestorów. ECBREC Warszawa 2003; str. 27 35 Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne z późniejszymi zmianami. Art. 18.1 137 STRATEGIA ROZWOJU ENERGETYKI ODNAWIALNEJ Rys. 1. Rola różnych poziomów administracji rządowej i samorządowej w planowaniu energetycznym Poziom Stworzenie polityki energetycznej i uregulowań prawnych stymulujących rozwój OZE centralny Poziom regionalny (województwa) Wyznaczenie kierunków i celów rozwoju w odniesieniu do regionalnych strategii rozwoju i uwarunkowań regionalnych Określenie wspólnych celów na podstawie uwarunkowań i programów działania poszczególnych gmin Poziom lokalny (powiaty) Ustalenie zamierzeń, planów i kolejnych kroków zmierzających do realizacji postawionych celów Poziom lokalny (gminy) (Źródło. Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego. Przewodnik dla samorządów terytorialnych i inwestorów. ECBREC Warszawa 2003; str. 37) W ramach realizacji tych zadań gminy opracowują „Projekt założeń do planu zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe”. Projekt ten bilansuje potrzeby energetyczne gminy z istniejącymi możliwościami zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe. Prawo energetyczne wymaga by w Projekcie założeń znalazły się: Ocena stanu aktualnego i przewidywanych zmian zapotrzebowania na ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe, Przedsięwzięcia racjonalizujące użytkowanie ciepła, energii elektrycznej i paliw gazowych, Możliwości wykorzystania istniejących nadwyżek i lokalnych zasobów paliw i energii, z uwzględnieniem energii elektrycznej i ciepła wytwarzanych w odnawialnych źródłach energii, energii elektrycznej i ciepła użytkowego wytwarzanych w kogeneracji oraz zagospodarowania ciepła odpadowego z instalacji przemysłowych, 138 Zakres współpracy z innymi gminami.36 Skomplikowany proces planowania energetycznego w gminie przedstawia rysunek 2. Rys. 2. Schemat procesu legislacyjnego przy tworzeniu Projektu założeń (Źródło. J.Walski: Planowanie energetyczne w gminie i instytucjach publicznych. AM PREDA, Seminarium szkoleniowo-informacyjne dotyczące problemów energetyki w woj. zachodniopomorskim. Szczecin 04.06.2008) Charakterystyka Gminy Kisielice Gmina Kisielice leży w południowo-zachodniej części województwa warmińsko-mazurskiego, w powiecie iławskim. Jest to gmina miejskowiejska, skoncentrowana wokół miasta Kisielice. Terytorium Gminy Kisielice wynosi 17280 ha, co stanowi 0,7 % powierzchni województwa. Na terenie gminy zamieszkują 6 492 osoby. Ośrodkiem gminnym jest miasto Kisielice, które leży mniej więcej centralnie na terenie gminy, zajmując powierzchnię 3,0 km2 i liczy 2250 mieszkańców, co stanowi 34,8 % ogółu ludności w gminie. Średnia gęstość zaludnienia w gminie wynosi 25 os./km2 i jest dużo niższa od średniej dla powiatu iławskiego (65 os./km2) i dla województwa warmińsko-mazurskiego (59 os./km2).37 36 Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne z późniejszymi zmianami. Art. 19.3 37 UMiG Kisielice; Program Ochrony Środowiska dla Miasta i Gminy Kisielice na lata 2004 – 2007 z uwzględnieniem lat 2008 – 2011.; Kisielice; 2004; s. 4 139 Połączenie komunikacyjne zapewnia droga krajowa nr 16 Grudziądz - Augustów, nazywana Północną Drogą Tysiąca Jezior, której trasa przebiega przez miasto Kisielice z zachodu na wschód, środkiem gminy. W okresie styczeń 2001 - styczeń 2002 gmina brała udział w programie badawczym siły i zasobów wiatru. Program był realizowany w ramach projektu ECOLINKS i przy współudziale EC BREC Warszawa i AWS SANTIFIC z Alabamy (USA). Celem programu była ocena zasobów siły wiatru na terenie gminy Kisielice, która dała podstawę do dalszej realizacji projektu budowy farmy wiatrowej. Działania w ramach projektu obejmowały: badania i ocenę zasobów wiatru i mocy wytwórczych energii wiatrowej w gminie Kisielice, określenie źródeł finansowania rozwoju energii wiatrowej na tym terenie. Pomiar prędkości wiatru odbywał się na wysokości 10 i 30 m. n.p.g. urządzeniem firmy Delta-T. Na mocy wykonanych pomiarów obliczono, że średnioroczna prędkość wiatru na 85 metrze wysokości wynosi 6,3 m/s.38 Charakterystyka Projektu założeń dla Gminy Kisielice „Projekt założeń do planu zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe miasta i gminy Kisielice” powstał w maju 2001 roku. Został on napisany przez pracowników EC BREC Warszawa - Gdańsk. Projekt ten został opracowany na lata 2001- 2010. W Projekcie założeń przedstawione zostało zapotrzebowanie na ciepło w budynkach na terenie miasta i gminy Kisielice (tab.1), a także bilans odnawialnych źródeł energii. W tabeli 2 przedstawiony został zarówno potencjał techniczny jak i wykorzystanie w roku poprzedzającym wykonanie Projektu założeń. Informacje te pokazują możliwości rozwoju energetyki opartej na odnawialnych źródłach energii w gminie Kisielice. W 2000 roku gmina spośród odnawialnych źródeł energii posiadała największe zasoby energii wiatru, które nie były wykorzystywane. 38 http://www.rec.org/ecolinks/bestpractices/PDF/poland_kisielice.pdf 140 Tab. 1. Całkowite zapotrzebowanie na ciepło gminy Kisielice z podziałem na sektory Sektor ZapotrzeZapotrzebowanie Moc dla bowanie na c.o. c.o. na c.w.u. [GJ] [kW] [GJ] Moc Razem zapotrzedla bowaniena ciepło c.w.u. [kW] [GJ] [MWh] Razem moc cieplna [kW] Budynki mieszkalne 112 607 11 855 14 112 868 126 719 35 200 12 723 Budynki publiczne 16 138 2 064 1 410 60 17 548 4 874 2 124 Budynki przemysłowousługowe 19143 2075 431,7 18,3 19 575 5 437 2 094 RAZEM 147 887 15 995 15 954 946 163 841 45 511 16 941 (Źródło. Projekt założeń do planu zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe miasta i gminy Kisielice; EC BREC Warszawa; 2001; s. 35) Tab. 2. Bilans potencjału technicznego OZE w gminie Kisielice L.p. Źródło energii Potencjał techniczny Wykorzystanie w 2000 roku [MWh] [MWh] [%] 1. Drewno 24614 555,6 2,3 2. Słoma 18248 41,67 0,2 3. Biogaz wysypiskowy 3725 0 0 4. Biogaz rolniczy i z oczyszczalni 2742 0 0 5. Energia słoneczna 2340 0 0 6. Energia wiatru 187100 0 0 238769 597,3 0,003 RAZEM (Źródło. Projekt założeń do planu zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe miasta i gminy Kisielice; EC BREC Warszawa; 2001; s. 84) 141 W Projekcie założeń znalazły się działania z różnych sektorów gospodarki energią: Gazyfikacja gminy, Modernizacyjne w sektorze budownictwa, Modernizacyjne w sektorze elektroenergetycznym, Modernizacyjne w sektorze ciepłowniczym, Promocyjne, informacyjne i edukacyjne, Pozostałe: Biogaz rolniczy, Energia wiatrowa, Energia słoneczna. Realizacja założeń W gminie Kisielice proces realizacji założeń nadal trwa, gdyż Projekt założeń obowiązuje do końca 2010 roku. w latach 2001-2008 udało się zrealizować dwa główne założenia: A. Budowa farmy wiatrowej Projekt założeń uwzględniał budowę farmy wiatrowej. Zgodnie z założeniami miało to być maksymalnie 56 wiatraków wybudowanych przez inwestorów zewnętrznych lub gminę, a także budowa elektrowni wiatrowej w Łęgowie, która byłaby własnością gminy (moc 1500 kW). Gmina rozpoczęła pracę nad budową elektrowni wiatrowej w Łodygowie, jednakże przedsięwzięcie to nie powiodło się. W związku z tym władze gminy zajęły się poszukiwaniem inwestorów zewnętrznych zainteresowanych budową farmy wiatrowej w gminie Kisielice. Poszukiwania te zaowocowały oddanie do użytku farmy wiatrowej wiosną 2007 roku. W wyniku tej inwestycji wybudowano 27 elektrowni wiatrowych GE Energy o mocy zainstalowanej 1,5 MW każda (rys. 3). Kompleks o łącznej mocy 40,5 MW, składa się z trzech sektorów: Sektor 1 to 13 elektrowni o łącznej mocy zainstalowanej 19,5 MW, Sektor 2 to 8 elektrowni o łącznej mocy zainstalowanej 12 MW, Sektor 3 to 6 elektrowni o łącznej mocy zainstalowanej 9 MW. Dla gminy był do dopiero początek realizacji założeń z zakresu energii wiatrowej. Jesienią 2007 roku rozpoczęto prace budowlane nad kolejną farmą. Inwestorem jest firma Eolica Polska. W planie jest budowa 20 turbin o mocy 2 MW każda. Planowany termin zakończenia inwestycji to 2009 rok. 142 Rys. 3. Elektrownie wiatrowe w gminie Kisielice B. Budowa ciepłowni opalanej biomasą stałą w Kisielicach Gmina założenie to realizowała dwuetapowo. Pierwszy etap realizowany w latach 2003-04 to modernizacja dotychczasowej kotłowni i instalacja kotła opalanego słomą. W jej wyniku do użytku oddano ciepłownię miejską zasilaną słomą o mocy 3 MW. Wybudowano także sieć ciepłowniczą o długości 1350 m. W efekcie zamknięto dotychczasowe osiedlowe oraz szkolne kotłownie opalane węglem. Drugi etap to rozbudowa sieci ciepłowniczej w latach 2006-2008. W połowie roku 2008 inwestycja została oddana do użytku. W jej ramach położono nową sieć ciepłowniczą o długości 4990 mb oraz podłączono kolejne 64 budynki. Nowo podłączone budynki to zarówno budynki użyteczności publicznej jak i handlowousługowe czy mieszkalne. W efekcie sukcesywnie demontowane są domowe kotłownie węglowe i olejowe. W kotłowni zamontowano dwa kotły: jeden o mocy 1 MW, drugi o mocy 2 MW. Kotły wytwarzają ciepło, którego nośnikiem jest woda o parametrach zmiennych w okresie zimowym 90/70°C÷70/50°C i stałych w okresie letnim 70/50°C. Elastyczność zastosowanych urządzeń polega na możliwości wykorzystania jednego i drugiego kotła oraz uzyskaniu w każdym momencie pożądanej temperatury. Ponadto w systemie ciepłowniczym Gmina Kisielice posiada wyłączone dwie kotłownie olejowe: w Zespole Szkół Rolniczych i w Zespole Szkół Podstawowych, które w każdej chwili można będzie włączyć do pomocy kotłowni centralnej – opalanej słomą. Gmina już planuję dalszą rozbudowę sieci ciepłowniczej tak by podłączeni zostali wszyscy mieszkańcy miasta, będzie się to wiązało także z 143 rozbudową kotłowni. Docelowo moc kotłowni ma wynosić 4,6 MW i zaopatrywać wszystkich mieszkańców miasta. Jednym z planowanych działań jest także montaż systemu instalacji solarnej wspomagającej system podgrzewania wody w kotłowni. Podsumowanie W dziedzinie planowania energetycznego widać kilka niedociągnięć prawnych. Najważniejsze z nich, to: Brak rozporządzenia, które wymuszałoby na władzach gminy realizację tego zadania, Dezaktualizacja Projektów założeń, W gminach brakuje kadr, które mogłyby aktualizować Projekty założeń, Uwzględnianie w Projekcie założeń zaopatrzenia gospodarstw indywidualnych, położonych na terenie gminy, gdy gmina nie ma wpływu na dostarczenia energii do nich, Gmina Kisielice w trakcie realizacji Projektu założeń natrafiła na wiele problemów, najważniejszymi z nich były: Brak środków finansowych, Zapis dotyczący procedury podłączenia do sieci energetycznej praktycznie wykluczający gminy ze starań o budowę własnej farmy wiatrowej, Kwestia naliczania podatku od farm wiatrowych. Duża część z powyższych problemów może zostać rozwiązana już w najbliższym czasie. Obecnie przygotowywane są zmiany w ustawie Prawo energetyczne zmiany te rozwiązywałyby kwestie dezaktualizacji Projektów założeń. W myśl zmian w ustawie Prawo energetyczne Projekt założeń sporządzany byłby na okres 15 lat i podlegałby aktualizacji co najmniej raz na 3 lata. Rozporządzenia wykonawcze mają wprowadzić 2 letni okres, w którym gminy miałyby przygotować Projekty założeń. Wprowadzenie tych zmian zmusiłoby gminy do zwrócenia uwagi na kwestie planowania energetycznego, jednakże nie rozwiązuje to problemów związanych z brakiem kadr, które mogłyby zająć się aktualizacją. Kolejną przygotowywaną zmianą w jest uszczegółowienie ustawy o Prawie budowlanym. W myśl nowych przepisów inwestor płaciłby gminie podatek od wartości całej inwestycji, a nie tak jak dotychczas tylko od wartości fundamentów i wieży. Wprowadzenie tych zmian na pewno zachęciłoby gminy do aktywniejszego poszukiwania inwestorów, jednakże trudno jest przewidzieć jak wpłynie to na zainteresowanie inwestorów budową farm wiatrowych. 144 Planowane zmiany rozwiążą część problemów związanych z planowanie energetycznym jednakże nadal pozostaną jeszcze kwestie finansowe i kadrowe, które dla gmin są bardzo ważne. Bibliografia 1. Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego. Przewodnik dla samorządów terytorialnych i inwestorów. EC BREC, Warszawa 2003 2. Program Ochrony Środowiska dla Miasta i Gminy Kisielice na lata 2004 – 2007 z uwzględnieniem lat 2008 – 2011. UMiG Kisielice, Kisielice 2004. 3. Projekt założeń do planu zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe miasta i gminy Kisielice. EC BREC, Warszawa 2001. 4. Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r.: Prawo energetyczne (z późniejszymi zmianami). 5. Walski J.: Planowanie energetyczne w gminie i instytucjach publicznych.. Seminarium szkoleniowo-informacyjne dotyczące problemów energetyki w woj. zachodniopomorskim. AM PREDA, Szczecin 04.06.2008. 6. http://www.ozee.kape.gov.pl. 7. http://www.rec.org/ecolinks/bestpractices/PDF/poland_kisielice.pdf. 145 Málek Michael, Šařec Ondřej Department of Machinery Utilization Faculty of Engineering Czech University of Life Sciences, Prague PROJECT OF SUITABLE IMPLEMENTS AND TECHNOLOGIES FOR TRACTORS OF OVER 250 KW OF ENGINE POWER Abstract: This work is addressing a problem of a purchase of very powerful tracked or articulated tractors that are being used more and more often in the conditions of Central Europe. It’s summarizing a possible operations where such tractors can be used and it presents some possible savings, which can be expressed financially or those that cannot be expressed anyhow. In the last part there are some exapmles of utilization of powerful tractors on some farms in the Czech republic. Keywords: Tracked tractor, articulated tractor, implement, fuel consumption, utilization Introduction Every farm is at some point of its life considering a purchase of a more powerful tractor. Reasons for such purchase are for example a modification of a machine pool or improvement of a daily output using larger implements. Acquisition of any machine or implement should be well – considered so the financial resources invested in a purchase would be used properly. When buying a tractor, an owner should think in advance of how the tractor will be used in the future. The most important thing is that the potential power of a tractor’s engine is used properly. Tractor should be used with proper implements, that are using most of the tractor engine’s power. If a tractor is being used with an inadequate implement, not only the financial resources we used for purchase are not used properly (we could have purchased less powerful tractor), but also the fuel consumption is higher. Goal of the work and used methods The goal of the work is to decide if using the very powerful tractor is profitable at specific conditions and how the tractor could be used to ensure maximal capacity utilization of tractor‘s engine, and also to ensure that tractor is working most of time of the year. A decision if a tractor is profitable or not is made by comparing a technological line, that was used before and a technological line that will substitute the old line. Parameters that are being 146 comapred are a fuel consumption, daily output a sometimes even quality of an operation. On today’s market a tractors with power of more than 440 kW can be easily found. It’s not a problem to built so powerful tractor, but usually problem is how to use that power to useful work. Nowdays we can found three different kinds of tractor chassis: Classic wheel tractors Articulated tractors Tracked tractors Classic wheel tractors has usually engine power up to 270 kW and are widely spread and used for all different kinds of situations. Their construction does not represent a problem for frequent travelling on the roads. On the contrary from 270 kW and higher powers, the tractors are built as articulated with wheel or tracked chassis or as tracked tractors. These tractors are not advisable for frequent travelling on the roads, because of their great width or beacuse of a tracked chassis that is degrading rapidly on the roads. Therefore they are used mostly for operations on the field. Tracked and articulated tractors are most often used for: Tillage Soil loosening Seedbed preparation But they can be used for other applications, where there is a need for a great power of their engines. So such tractors are beginning to be used with seeding machines of great widths, with grain carts, where there is a great mass of grain being transferred on the field. Also they can be used for application of slurry under ground, where a huge tankers can be found on the market. In soil cultivation there is a difference in used technologies, we can cultivate soil with or without plows. In recent years a very powerful tractors were used mostly for cultivating soil without plow, but now the situation has changed. Some manufacturers are offering huge plows, that can use great power of a tracked or articulated tractor. Only problem is, that tractor has to work „on – land“, which means that all tracks or wheels are on the surface of the field, none is going inside the furrow. But there are technologies, that enable working „on – land“. Usually for proper utilization of great engine power 10 to 14 furrows is neccessary. Several manufacturers are offering plows with so many furrows, for example Lemken, Kverneland, Gregoire Besson and so on. For technologies not using a plow there is many suitable machines for tracked and articulated tractors. There are machines for tillage, that can have tine or disc as their working instruments. Both have their advantages and disadvantages and it’s up to a customer which technology he is going 147 to choose. Usually it is better to use these machines for tillage in small depths, despite the machines are capable of working in greater depths. The reason is that demand for engine power is greater when an implement is going deep into the ground, therefore the width has to be adjusted. When the same implement is used for tillage in small depths, the tractor could easily handle wider implement and a daily output is smaller. Therefore it is better to use two different machines for primary tillage and for soil loosening in greater depths. For deep soil loosening usually tine implements are used, sometimes implements with both disc and tines, but tines are the instruments that go deeper in the ground. Often it is important to maintain specific speed for proper work of the implement, which also rises the demand for an engine power of the tractor. Possible savings by proper utilization Expressible savings Utilization of powerful tractors with proper implements brings us many savings. At first such tractor can often substitute two tractors with less powerful engines. That means we have to pay only one driver. We are paying for one spare parts on the tractor. Usually one tractor has lower fuel consumption than two tractors of half engine power. If a tractor has a sufficient daily output, there may be no need for working after hours, which also cost owner less money. If we can reduce a fuel consumption by 2 litres per hectare, it means 4000 litres on a farm with 2000 hectares on a single operation. It is also profitable to use a satellite navigation on powerful tractors. That can bring us additional savings, especially on fuel and it can increase daily output and reduce mental burden on a driver. Unexpressible savings Not all benefits of using powerful tractors can be expressed with money. No one can precisely tell, how much money we will end up saving when we are capable of meeting the deadlines of agricultural engineering. No one can precisely tell, what yield is going to be, when we will seed a plant a week later. And a powerful set of a tractor and implement is going to reduce a possibility that we cannot meet that deadline, if we are using it correctly. Often these machines are purchased by a private farmers, who are the drivers as well and the fact, that they will be away from the family less hours is also something, we cannot express with money. Among other things is a fact that we have a tool we can use when there is a sudden and unexpected demand for additional operation. And despite we can say how much money we will save by having less drivers, we cannot express with money, that we do not have to find suitable and reliable drivers. Number of 148 people going to the agriculture is becoming a problem and if there is not enough workers, operations has to be done with less people, that means with more powerful machines. Examples Table 1. Numbers of sold tractors of power 250 kW or more in years 2006 and 2009 in the Czech republic Number of tractors 2006 2009 Challenger 3 8 Case Steiger 4 9 John Deere 0 3 Challenger 0 0 Case Steiger 1 4 John Deere 2 2 Claas Xerion 0 5 Summary 10 31 Tracked Articulated wheels In Table 1 there is an approximate number of working tractors in years 2006 and 2009 in the Czech republic. As you can see, in just three years the number has tripled. It’s bearing to a fact that farmers are more and more often requesting very powerful tractors and it can be expected that this number will continue to grow rapidly. As a first example of a farm that is using powerful tractors I chose Rostěnice a.s. in south Czech republic, approximately 30 kilometres from Brno. The farm is cultivating more than 8 000 hectares without a plow and it’s using among others four articulated tractors. Two are John Deere 9520s with dual wheels and the other two Case IH Steigers, older STX 450 and a two seasons old 530, both are with tracked chassis Quadtrack. Machines ares used with several large implements, for example three seedbed cultivators STROM Export Swifter (two has 15 metres, third one has 17 meters), disc harrow Väderstad Carrier (12 metres), two tine cultivators Horsch 149 Terrano 12 FG (12 metres), 10m disc harrow Gregoire Besson, 9m disc harrow Sunflower, 5,5m tine cultivator for great depths STROM Export, 8m tine cultivator Horsch Tiger 8LT and so on. Having this great number of different machines bring the owners one great advantage. They can choose a different implement for every specific conditions. A set of machines Case IH Steiger 530 Quadtrac and Horsch Terrano 12FG was capable of cultivating 16,85 hectares per hour while doing primary tillage. Working speed was about 13 km.h-1 and an average fuel consumption was 5,4 litres per hectare [2]. This set of machines is on the figure 1. Figure 1: Case IH 530 Steiger with 12 metres wide Horsch Terrano 12FG Other example is completely different. Not only the tractor is used with a plow, but farm has only 1 100 hectares. Yet the private farmer Mr. Blažek and his family bought a tracked tractor Challenger MT 865 on his farm right outside the Prague, Czech republic. He is using the tractor with 11 – furrow plow Lemken Euro Titan. While working at speed 7 – 9 km.h-1, he is capable of cultivating 3 – 3,5 hectares per hour. A fuel consumption is 25 litres per hectare while plowing 20 centimetres in the ground. According to the owner, that is 30 % better fuel consumption than when he the plow was pulled by 300 PS Fendt Vario. It’s one of the examples when a owner is sometimes the driver as well. So by purchasing this tractor, he is saving his own time [1]. This set of machines is on the figure. 2. 150 Figure 2: Challenger MT 865 with 11 – furrow plow Lemken Conclusion A purchase of powerful tractor can bring to the owner many expressible and unexpressible advantages. That can happen under condition that the tractor is used with a proper implement. Under these circumstances it can easily substitute two tractors and their drivers. Farmers can choose from many types of tractors with different engine power and different chassis so they can choose a product that suits them the best. There is also a many kind of implements that can be used behind those tractors wo even here can farmer choose a machine that is the most suitable for his specific conditions. Operation of this huge tractors bring us also some problems, like great width for transportation. But such problems are bought back by an increase of daily output and a decrease of operation costs. References: 1. Agco Corporation, Serious Machinery, April 2008 2. http://www.horsch.com/german/gindex.php?id=373&action=news_cz 151 inż. Karolina Małożewska, dr inż. Adam Maciak Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie WPŁYW NAPIĘCIA WSTĘPNEGO PIŁY ŁAŃCUCHOWEJ NA EFEKTY SKRAWANIA 1. WSTĘP Przenośne pilarki spalinowe są maszynami szeroko stosowanymi w procesach pozyskania i przetwarzania drewna. Ciągłe doskonalenie pilarek przez konstruktorów sprawia, że są to maszyny coraz bardziej bezpieczne i wydajne. Wykorzystywane są do pozyskania drewna i z powodzeniem zastępują siekierę i piłę ręczną. Stosowane są do podkrzesywania, ścinki drzew, okrzesywania i przerzynki pni na sortymenty [Więsik 2005]. Duży postęp w konstrukcji pilarek sprawił, że stały się one maszynami wydajnymi. Dlatego też bardzo ważne jest poznanie czynników decydujących o efektywności pracy tych maszyn [Maciak 1994]. Jednym z podstawowych elementów pilarki jest piła łańcuchowa, która ma znaczący wpływ na efekty pracy pilarki. Piła łańcuchowa podlega ciągłemu rozwojowi konstrukcyjnemu, mającemu na celu zwiększenie bezpieczeństwa pracy oraz efektywności pracy [Maciak 2000]. Oprócz czynników konstrukcyjnych, niezależnych od operatora na efekty pracy mają wpływ również czynniki eksploatacyjne – zależne od operatora pilarki [Górski 1995]. Dlatego wydaje się uzasadnione podejmowanie badań mających na celu opracowanie zaleceń dla operatorów, które zwiększyłyby efektywność pracy pilarką. Jednym z ważnych parametrów eksploatacyjnych, na który wpływ ma operator pilarki jest napięcie wstępne piły łańcuchowej. Badaniami nad napięciem wstępnym zajmowali się już Górski [1996] oraz J. i M. Botwin [1979]. Pierwszy z nich przeprowadził badania dla dwóch różnych napięć pił łańcuchowych. Dla pierwszej napięcie wstępne wynosiło 200 N (piła napięta normalnie), druga piła była nie napięta. Z badań tych wynika, że wydajność skrawania dla piły napiętej jest o 50 % większa w porównaniu z piłą luźną. Również J. i M. Botwin [1979] przedstawili teorię, iż luźno napięta piła łańcuchowa powoduje spadek wydajności skrawania. Ale również zbyt duże napięcie wstępne może wpływać niekorzystnie na układ tnący pilarki, a mianowicie może powodować szybsze zużywanie ogniw tnących, jak i uszkodzenia prowadnicy, przy zwiększeniu wydajności skrawania. Autorzy stwierdzili, że optymalne napięcie wstępne piły łańcuchowej zawiera się w granicach 150 do 200 N. 152 Do tej pory badania były przeprowadzane dość ogólnie, aktualnie posiadany sprzęt pozwala na bardziej szczegółowe zagłębienie się w to zagadnienie. 2. CEL I ZAKRES PRACY Celem pracy było ustalenie wpływu napięcia wstępnego na przebieg procesu skrawania drewna piłą łańcuchową żłobikową. Zakres pracy obejmował pomiar powierzchniowej wydajności skrawania, oraz zapotrzebowania na moc podczas przerzynki drewna sosnowego piłą łańcuchową żłobikową w trzech stanach napięcia wstępnego: piłą luźno napiętą, napiętą normalnie tzn. według zaleceń producenta, oraz piłą napiętą mocno. Dzięki uzyskanym wynikom będzie można stwierdzić czy napięcie wstępne piły łańcuchowej ma wpływ na wydajność skrawania oraz zapotrzebowanie na moc pilarki spalinowej. Wyniki te pozwolą określić najlepsze napięcie piły łańcuchowej potrzebne do uzyskania optymalnej wartości wydajności pracy. 3. METODYKA BADAŃ Do skrawania drewna piłą łańcuchową wykorzystano specjalne stanowisko badawcze, przedstawione na rysunku 1. Rysunek 1. Stanowisko badawcze do pomiarów skrawania drewna Stanowisko to umożliwia pomiar następujących parametrów: prędkości obrotowej wału silnika, prędkości obrotowej bębna sprzęgła, siły posuwu, siły skrawania, czasu piłowania oraz temperatury prowadnicy. 153 Pilarka spalinowa była zamontowana na stałe. Drewno umieszczone było w imadle poziomo względem pilarki. Ruch pionowy ramy z drewnem umożliwiały różnej masy obciążniki przymocowane za pomocą stalowej linki. Ruch linki był możliwy dzięki trzem bloczkom. W zależności od masy danego ciężarka uzyskiwano różną siłę posuwu. Czujniki pomiarowe podłączone były do komputera, który rejestrował cały przebieg procesu skrawania drewna. Dane zapisywano za pomocą programu ESAM 3 na twardym dysku z częstotliwością 30 000 pomiarów na sekundę. Dokładność pomiaru siły posuwu Pp wynosiła 5 %, siły skrawania Ps 8 %. Odczyt prędkości obrotowej odbywał się z dokładnością 1 obr/min a czasu skrawania z dokładnością ±0,001 s. Schemat tego stanowiska przedstawiony jest na rysunku 2. Rysunek 2. Schemat stanowiska do pomiarów skrawania drewna: 1 – czujnik do pomiaru siły skrawania, 2 – czujnik do pomiaru dynamicznej siły posuwu, 3 – czujnik do pomiaru prędkości obrotowej wału korbowego, 4 – czujnik do pomiaru prędkości obrotowej bębna sprzęgła, 5 – komputer, 6 – wzmacniacz pomiarowy, 7 – pilarka, 8 – drewno, 9 – imadło, 10 – rolki prowadzące (kierunkowe), 11 – suwak, 12 – podstawa, 13 – obciążnik, 14 – odłączalny czujnik do pomiaru statycznej siły posuwu, 15 – czujnik do pomiaru temperatury prowadnicy. 154 Piłowanie odbywało się poprzecznie do włókien drewna. Po każdym jednorazowym cięciu pilarka była wyłączana w celu przygotowania drewna do następnej próby. Podczas badań mierzono następujące parametry: - siłę posuwu, - siłę skrawania, - prędkość obrotowa wału silnika, - prędkość obrotową bębna sprzęgła. Na początku każdej serii pomiarów układ był skalowany, a przed każdym jednorazowym pomiarem – zerowany. Czas piłowania mierzono od momentu zetknięcia się piły łańcuchowej z próbką drewna, aż do momentu zakończenia piłowania. Przed każdym pomiarem przy pomocy dynamometru dokonywano pomiaru siły posuwu. Do badań wykorzystano pilarkę firmy Husqvarna – model 357XP (rysunek 3), o następujących parametrach (według danych producenta): Silnik Pojemność skokowa 56,3 cm³; Moc 3,2 kW; Maksymalna prędkość obrotowa silnika 14 000 obr/min; bez obciążenia Pojemność zbiornika paliwa 0,68 dm3; Pojemność zbiornika oleju 0,38 dm3; Wymiary Masa bez urządzenia tnącego 5,5 kg; Rysunek 3. Pilarka firmy Husqvarna 357 XP 155 Charakterystykę zewnętrzną silnika badanej pilarki przedstawiono na rys. 4. Rysunek 4. Charakterystyka zewnętrzna silnika badanej pilarki W badaniach użyto piły łańcuchowej o następujących parametrach: − − − − − Podziałka – 3/8 cala Ogniwa tnące – typ dłuto Szerokość ogniwa prowadzącego – 1,5 mm Zniżenie ogranicznika – 0,5 mm Kąt nachylenia poziomej krawędzi tnącej – 65° Napięcie wstępne ustalano w następujący sposób, po obciążeniu piły w środku długości prowadnicy ciężarem 20 N regulowano strzałkę ugięcia f, tak jak przedstawiono na rysunku 5. 156 Piłę badano w trzech różnych stanach napięcia: − luźnym, gdy f = 8 mm; − napiętym zgodnie z instrukcją, f = 5 mm; − mocno napiętą, f = 2 mm. Rysunek 5. Sposób ustalania napięcia piły łańcuchowej: L – długość prowadnicy, f – strzałka ugięcia piły Do badań użyto drewna sosnowego o wilgotności bezwzględnej 30% mierzonej przed wykonaniem pomiarów metodą suszarkowo – wagową na wagosuszarce WPS 210 S z dokładnością 0,01%. Twardość drewna mierzono w płaszczyźnie czołowej metodą Brinella i wynosiła 20 MPa. Próbki drewna zastosowane podczas badań były następujących wymiarów: 14 x 24 cm. Brano pod uwagę tylko próbki nie zawierające sęków. Zmierzone parametry pozwoliły na obliczenie takich wielkości jak: – powierzchniowej wydajności skrawania; – prędkości posuwu; – prędkości liniowej piły; – mocy piłowania. 4. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Na rysunku 6 przedstawiony jest przykładowy przebieg zmian prędkości obrotowej bębna sprzęgła oraz zmiany siły skrawania. Rysunek 6. Przebieg zmian prędkości obrotowej i siły skrawania 157 Wyniki pomiaru powierzchniowej wydajności skrawania dla różnych stanów napięcia wstępnego przedstawiono na rysunku 7. powierzchniowa wydajność skrawania W [cm˛/s] 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 luźno napięta normalnie napięta mocno napięta 30 50 70 90 110 130 siła posuwu Pp [N] Rysunek 7. Zależność wydajności skrawania od siły posuwu dla różnych napięć wstępnych piły łańcuchowej. Krzywe przedstawione na rysunku 7 można opisać następującymi funkcjami: Dla piły luźno napiętej W = - 0,0048Pp2 + 1,0742Pp + 54,463; r = 0,5180, (rkr = 0,7545); Dla piły napiętej wg zaleceń producenta W = - 0,0195Pp2 + 3,1309Pp - 32,274; r = 0,8332, (rkr = 0,6664); Dla piły mocno napiętej W = - 0,0366Pp2 + 5,9799Pp - 152,54; r = 0,8801, (rkr = 0,6664). Wszystkie przedstawione na rysunku 7 zależności były poddane analizie statystycznej przy poziomie istotności α = 0,05. O istotności danych funkcji świadczy wielkość współczynnika korelacji, który porównujemy z wartością krytyczną współczynnika korelacji, przyjmujemy, że zależność jest istotna, gdy r > rkr. Dla wyżej wymienionych zależności tylko dwie z nich są istotne statystycznie - dla piły napiętej normalnie i mocno. Dla luźno napiętej piły nie można stwierdzić, że zachodzi zależność pomiędzy powierzchniową wydajnością skrawania, a siłą posuwu. Z rysunku 7 wynika, że dla piły napiętej mocno i napiętej normalnie najwyższe wydajności (ok. 95 cm2/s) uzyskuje się przy sile posuwu z zakresu 89 – 91 N. Największą powierzchniową wydajność skrawania stwierdzono dla piły luźnej. Najmniejszą wartość powierzchniowej wydajności skrawania uzyskano dla piły mocno napiętej. W przypadku piły normalnie i mocno napiętej wartość powierzchniowej wydajności skrawania zależy od 158 siły posuwu. Na początku wraz ze wzrostem siły posuwu powierzchniowa wydajność skrawania rośnie i po osiągnięciu maksimum maleje. W przypadku piły luźnej nie można stwierdzić by wraz ze wzrostem siły posuwu rosła także wartość powierzchniowej wydajności skrawania. Średnia jej wartość uzyskana podczas badań wynosi 103 cm2/s. Natomiast dla piły napiętej wg zaleceń producenta średnia wartość powierzchniowej wydajności skrawania wynosi 80 cm2/s, a dla piły mocno napiętej 77 cm2/s. Zależność mocy skrawania od siły posuwu dla różnych stopni napięcia piły łańcuchowej przedstawiono na rysunku 8. 2500 2300 2100 1900 1700 1500 1300 1100 900 700 moc skrawania Ns [W] luźno napięta normalnie napięta mocno napięta 30 50 70 90 110 130 siła posuwu Pp [N] Rysunek 8. Zależność mocy skrawania od siły posuwu dla różnych napięć wstępnych piły łańcuchowej. Zależności opisane na wykresie można przedstawić następującymi funkcjami : Dla piły luźno napiętej Ns = - 0,1654 Pp2 + 46,742 Pp – 790,85; r = 0,9829, (rkr = 0,7545); Dla piły napiętej wg zaleceń producenta Ns = - 0,3599 Pp2 + 66,836 Pp – 1188,2; r = 0,8261, (rkr = 0,6664); Dla piły mocno napiętej Ns = - 0,1916 Pp2 + 40,601 Pp – 371,54; r = 0,8798, (rkr = 0,6664). Wszystkie przedstawione na powyższym wykresie zależności przy poziomie istotności α = 0,05 dla każdego napięcia wstępnego są statystycznie istotne, gdyż ich współczynniki korelacji są większe od granicznego współczynnika korelacji. We wszystkich badanych przypadkach zależności są istotne statystycznie. 159 Analizując krzywe z rysunku 8, można zauważyć, że najmniejszą moc skrawania uzyskano dla piły mocno napiętej. Potwierdza to spostrzeżenia innych autorów [J. i M. Botwin 1979], że przy dużym napięciu piły zwiększają się straty na tarcie piły o prowadnicę. W przypadku piły normalnie napiętej można stwierdzić, że przy sile posuwu 97 N występuje maksimum mocy skrawania (1993 W), po przekroczeniu tej wartości moc zużywana na skrawanie zaczyna spadać. Dla piły luźno napiętej moc skrawania rośnie w całym badanym zakresie. W tym przypadku ze względu na małą ilość punktów pomiarowych ( dla wartości siły posuwu powyżej 75 N), trudno wysunąć jakieś znaczące wnioski. Można rozważyć potrzebę przeprowadzenia dodatkowych pomiarów dla piły luźno napiętej. 5. WNIOSKI Przy sile ok. 90 N piła łańcuchowa napięta wg zaleceń producenta oraz piła mocno napięta wykazują największą swoją wydajność skrawania. Przy małych siłach posuwu (do 70 N) najlepszą wydajnością charakteryzuje się normalnie napięta piła łańcuchowa. Podczas moich badań największą wydajnością skrawania charakteryzowała się piła łańcuchowa luźno napięta, czego nie potwierdzają wcześniejsze badania [J. i M. Botwin 1979, Górski 1996]. Średnie wartości powierzchniowej wydajności skrawania dla poszczególnych napięć przedstawiają się następująco: piła luźno napięta – 103 cm2/s; piła normalnie napięta – 80 cm2/s; piła mocno napięta – 77 cm2/s. W zakresie sił posuwu od 50 do 100 N największą moc uzyskała luźno napięta piła łańcuchowa, a najmniejszą mocno napięta. Dla piły normalnie napiętej maksymalna moc skrawania (1993 W) została uzyskana przy sile posuwu równej 97 N. 6. LITERATURA 1) Botwin J., Botwin M., 1979: Maszynoznawstwo leśne. PWRiL, Warszawa. 2) Górski J., 1995: Próba teoretycznego opisu procesu piłowania drewna piłą żłobikową. Przegląd Techniki Rolniczej i Leśnej nr 6. 3) Górski J., 1996: Analiza wpływu podstawowych czynników na wydajność i energochłonność procesu skrawania drewna piłą żłobikową. Praca doktorska, SGGW, Warszawa. 4) Maciak A., 1994: Badania oporów i wydajności skrawania drewna bukowego łańcuchową piłą żłobikową. Przegląd Techniki Rolniczej i Leśnej nr 11. 160 5) Maciak A., 2000: Wpływ zużycia ogniw tnących piły łańcuchowej na wydajność skrawania drewna. Przegląd Techniki Rolniczej i Leśnej nr 1. 6) Więsik J. i inni, 2002: Pilarki przenośne – budowa i eksploatacja. Fundacja: Rozwój SGGW. 161 Michajło Olijnyk Instytutu Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa Podolskiego Państwowego Uniwersytetu Rolniczo – Technicznego Kierownik – mgr inż. Sergiusz Borkowski m. Kamieniec Podolski BADANIE MOŻLIWOŚCI TECHNOLOGICZNE UZYSKANIA WARSTWĘ TWARDEGO STOPU METODĄ ISKRY ELEKTRYCZNEJ NA POWIERZCHNI FUNKCJONALNE NARZĘDZIA SZLIFIEREK Z UZYSKANIEM WKAZNIKÓW TECHNOLOGICZNYCH. Streszczenie: W pracy przedstawiono wyniki badań powłoki ze stopów twardych metodą iskry elektrycznej na powierzchni narzędzia w celu ustalenia optymalnej wydajności wkazników technologicznych. Дослідження технологічних можливостей нанесення зносостійкого покриття на робочі поверхні технологічної оснастки методом електроіскрового легування Керівник С.М.Борковський, викладач, Анотація В роботі приведені результати дослідження нанесення твердосплавного покриття методом електроіскрового легування (ЕІЛ) на робочі поверхні інструменту з визначенням оптимальних технологічних режимів процесу. Ключові слова: електроіскрове легування, функціональне покриття, іскровий розряд, „білий шар”, інструмент, опорний ніж, експлуатаційна стійкість. Вступ. Відповідно до програми співпраці з підприємством машинобудування проведені дослідження можливості використання технології електроіскрового легування функціональних поверхонь засобів інструментального оснащення виробництва. Суть методу електроіскрової обробки оснований на преважному руйнуванні матеріалу аноду в іскровому розряді і перенесенні матеріалу аноду на поверхню катода. Основні переваги технології полягають у можливості переносу на оброблювальну поверхню любих струмопровідних матеріалів, у тому числі тугоплавких металів і сплавів, а також у високій адгезії зміцненого шару з основним 162 матеріалом. Метод ЕІЛ дозволяє проводити локальне нанесення покриття без деформації основи, підвищити стійкість інструменту при абразивному спрацюванні, сухому терті при впливі високих температур і механічних навантаженнях, зменшити коефіцієнт тертя. В основному процес ЕІЛ здійснюється по схемі RС- генератора залежних імпульсів (рис. 1).Комутація між електродного зазору здійснюється за рахунок вібрації аноду, частота коливань якого задається дискретними значеннями 100 і 200 Гц. Технологія ЕІЛ поверхонь інструментальної оснастки достатньо досліджена в роботах 1,2,3,4. .Основні наукові дослідження належать науковцям Інституту проблем матеріалознавства АН України, Інституту прикладної фізики АН Молдови, та ряду зарубіжних наукових шкіл. Рисунок 1 Принципова схема установки ЕІЛ з генератором залежних імпульсів і вібратором (У) по схемі RC. Проте, в багатьох працях відмічається неузгодженість і навіть протиріччя результатів, отриманих при випробуваннях зміцнених поверхонь, або недостатня кореляція отриманих закономірностей та показників поверхонь з технологічними режимами процесу. Протиріччя результатів пояснюються в основному складністю вибору оптимальних режимів легування, технологічними особливостями умов виготовлення і експлуатації інструментальної оснастки. Мета досліджень. Враховуючи неоднозначність результатів наукових пошуків і технологічних рекомендацій в перерахованих роботах, були визначені основні напрямки проведення дослідження технології ЕІЛ стосовно конкретних позицій інструментального виробництва з урахуванням специфіки їх виготовлення і експлуатації. Увага дослідження була звернена на підвищення зносостійкості опорних ножів при безцентровому шліфуванні циліндричних деталей. Звичайно, цю увагу можна пояснити проблемами технічної і фінансової складності переточки фасонних поверхонь, а також технічними можливостями установки ЕІЛ, яка використовувалась при дослідженні. 163 На підприємстві обробка точних циліндричних поверхонь малих діаметрів виконується по достатньо відомій схемі безцентрового шліфування на верстаті швейцарської фірми “Кавітон” ( Рисунок 1). Рисунок 1. Технологічна схема безцентрового шліфування. 1 – виріб; 2 – ніж опорний; 3 – круг абразивний; 4 - круг ведучий; Верстат у момент поставки був укомплектований опорними ножами що виготовлені з пресованого твердого сплаву, що має наближені фізико-механічні властивості до вітчизняного твердого сплаву ВК6М. Проте, за тривалий термін експлуатації опорні ножі, якими був укомплектований верстат вичерпали свій ресурс використання. Взамін їх інструментальна дільниця виготовлює опорні ножі з інструментальних сталей У7, У10,ХВГ, Х12М, загартованих до твердості HRС 62…65, експлуатаційна стійкість яких значно нижча, ніж ножів, виготовлених з твердих сплавів. Застосування у виробництві швидкоріжучої сталі Р6М5 обмежене вартістю матеріалу і технології обробки матеріалу, хоча використання її, можливо, більш ефективне з точки зору експлуатаційної стійкості інструменту. Методологічне планування дослідження полягає у наступних етапах: Нанесення методом ЕІЛ твердосплавного покриття ВК6 на основу зразків із інструментальних сталей на різних технологічних режимах процесу легування з дослідженням порівняльних технологічних показників процесу. 2. Дослідження фізико-механічних і геометричних показників поверхні, залежність їх від технологічних режимів ЕІЛ. 3. Визначення оптимальних технологічних режимів нанесенні покриття методом ЕІЛ. 4. Визначення порівняльних експлуатаційних характеристик функціональних поверхонь. 1. 164 Розробка рекомендацій щодо виготовлення, доводки і експлуатації опорних ножів з поверхнями, обробленими по технології ЕІЛ. Матеріалом електроду покриття був вибраний твердий сплав ВК6 з міркувань задовільних технологічних властивостей при застосуванні в ЕІЛ, відносно невисокої вартості і доступності0. Нанесення покриття було здійснено на установці “Елітрон-10” з ручним вібратором. Характеристики покриття зведені в таблиці: При низьких силах струму 0.6-0.8А (1-3 режими установки) спостерігався ефект прилипання електродів до поверхні зразка ,що можливо пояснити недостатньою тепловою енергією імпульсу . Згідно дослідження (3) висота зміцненого шару поверхні складається із зони перегрітого “білого” шару та зони термічного впливу. Поверхнева зона “білого” шару виділяється характерними геометричним “піками” нерівності поверхні та підвищеною крихкістю і складає приблизно 5-8% товщини нанесеного шару. Технологічні показники процесу ЕІЛ. № досліду Технологічні режими Сила струму, А Частота 1 0.6 2 Таблиця 1 Товщина покриття сплавом ВК-8, h, мкм. на опорний ніж з матеріалу: Сталь У7 Сталь У10 ХВГ Х12М 100 15-25 20 15-25 15-25 0.8 100 30 35 35 25-40 3 1.0 100 35 40 40 35-45 4 1.4 100 45 30 45 35-60 5 1.6 100 50 55 50 40-65 6 0.6 200 25 20 20 35-55 7 0.8 200 35 30 40 35-55 8 1.0 200 65 65 65 35-55 9 1.4 200 80 85 80 40-60 10 1.6 200 95 105 105 45-70 11 1.8 200 100 100 110 45-65 f, Гц . Значення товщини нанесеного шару іі зміна структури підшарового матеріалу досліджувались по методиці косого зрізу. Зразки зрізались під кутом 00 30´ на елктроерозійному вирізному верстаті і досліджувались на мікроскопі МИM-7. 165 Згідно дослідження (3) висота зміцненого шару поверхні складається із зони перегрітого “білого” шару та зони термічного впливу. Поверхнева зона “білого” шару характеризується геометричним “піками” нерівності поверхні та підвищеною крихкістю і складає приблизно 5-8% товщини нанесеного шару . Структура перегрітого шару схильна до крихкого руйнування при незначних контактних навантаженнях , тому його товщину не слід оцінювати як робочу. Із збільшенням сили струму спостерігається ріст товщини покриття , що пояснюється в роботі з збільшенням масопереносу матеріалу аноду на поверхню деталі. Проте при максимальних величинах струму збільшується кропельність перенесеного матеріалу і зменшується адгезія покриття . Крім того, спостерігається ріст частки “перегрітих піків” у загальній товщині шару покриття. Специфіка використання опорних ножів в основному і інструментальному виробництвах пов’язана з необхідністю обробки циліндричних поверхонь різних діаметрів і довжини, а також, різноманітних конструкційних металів. Тому для оцінки стійкості був прийнятий критерій відношення загального об’єму знятого оброблювального металу заготовок, до лінійної величини спрацювання робочої частини опорного ножа по висоті. Дослідженнями підтверджується (5) ефект залишкової підвищеної стійкості робочої поверхні опорного ножа після повного спрацювання нанесеного шару зміцненого покриття, що можна пояснити ефектом дифузії, глибокого проникнення атомів нанесеного твердого сплаву. Порівняльні показники стійкості опорних ножів Матеріал оброблюван -ої заготовки Таблиця 2 Коефіцієнти експлуатаційної стійкості для металу опорних ножів У7 Сталь 45 К0 1 Сталь 40Х13 1 Кеіл 1,4 5 1,6 : У10 К0 Кеіл 1 1,4 К0 1 1 1 1,55 ХВГ Кеіл 1,52 2,07…. . Х12М К0 1 Кеіл 1,9 1 2,13 Примітка: К= .V/Н – прийнятий в роботі критерій стійкості опорної поверхні, що характеризується відношенням знятого об'єму припуску до висоти спрацювання інструменту К0 - критерій стійкості опорного ножа без зміцненого шару; Кеіл - критерій стійкості опорного ножа з покриттям ЕІЛ; Висновки: 166 1. Результати досліджень свідчать, що технологія покриття робочої поверхні опорних з інструментальних сталей методом ЕІЛ дозволяє збільшити стійкість їх більше, як в 2 рази. 2. Експлуатаційна зносостійкість опорних ножів з нанесеним метолом ЕІЛ покриттям менша ніж цільних твердосплавних ножів приблизно на 22…28%, що можливо пояснити зниженою щільністю покриття відносно цільної твердосплавної поверхні. 3. Підвищена працездатність поверхні спостерігається і після повного спрацювання нанесеного шару, що підтверджує висновки роботи (1 ) про зміцнення основного матеріалу інструменту за рахунок дифузії твердого сплаву. 4. Вартість підтримуючого ножа, виконаного з використанням методу ЕІЛ в 3,2 рази менша вартості ножа з цільного твердосплавного ножа за рахунок високої вартості твердого сплаву. Література. 1. Голубец В.М. Влияние белого слоя на износостойкость деталей машин. Автореферат диссертации к.т.н.- Киев,1973, с184. 2. Коваль.Н.П.,Зайцев Е.А., Матраницкий А.П.Установка электроискрового механизированого легирования ЭФИ-66, Электронная обработка материалов.,1986,№1, с.82-84. 3. Лазаренко Б.Р., Лазаренко Н.И.Электроискровое легирование металлических поверхностей. Электронная обработка материалов.,1977, ,№3, с.12-16.. 4. Электроискровое легирование металлических поверхностей Г.В.Самсонов, А.Д. Верхотуров.- К., Наукова думка,1976, .с212. 167 Овечкина И.А., Мартинсон Е.А. Кафедра биотехнологии ГОУ ВПО «Вятский государственный университет», г. Киров, Россия БЕЗОТХОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ДИКОРАСТУЩЕГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ С ПОЛУЧЕНИЕМ ШИРОКОГО СПЕКТРА БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ПРЕПАРАТОВ Несмотря на бурное развитие методов химического синтеза, производство биологически активных препаратов из натурального природного сырья сохранит свое значение и в дальнейшем. Таким сырьем являются дикорастущие растения, плоды и ягоды. Дикоросы превосходят окультуренные растения как по содержанию биологически активных веществ, так и в части более высокого иммунного статуса, который они приобрели на протяжении тысячелетней борьбы за выживание и сохранение себя как вида в суровых условиях дикой природы. Информацию об этом они хранят в своем генетическом аппарате и, по-видимому, способны передавать ее потребителю. Поэтому дикорастущие растения, плоды и ягоды являются наиболее предпочтительным сырьем для производства биологически активных препаратов. На основе анализа состояния действующих производств, изучения биохимического состава исходного сырья, с учетом требований рынка мы разработали концепцию комплексного использования дикорастущего плодово-ягодного сырья, основные положения которой выглядят следующим образом: - производство должно быть малотоннажным модульного типа, размещенным вблизи источников сырья, с мощностью, соответствующей сырьевым ресурсам региона; - производство должно быть многопродуктовым; - рентабельность производства необходимо обеспечить низким энергопотребленим и глубокой степенью полезного использования сырья; - высокую потребительскую стоимость готовых продуктов необходимо обеспечить хорошим и стабильным их качеством; - технология должна отличаться малым количеством отходов, в ней не должны использоваться вредные вещества. 168 На основе этих принципов нами разработана технология комплексной переработки дикорастущего плодово-ягодного сырья с получением широкого спектра целевых продуктов с заданным качеством. Она заключается в том, что из плодов получают препараты, содержащие водо- и спирторастворимые биологически активные вещества, а также препараты, содержащие липиды. Твердые остатки после экстракций используют в качестве компонентов добавок. Технология отработана на плодах дикорастущего шиповника. Суть технологии заключается в разделении плодов на две фракции: плодовую оболочку и семена. Из оболочки путём добавления к ней сухих ягод готовится витаминизированный чайный напиток. На стадии извлечения водорастворимых веществ, в том числе полисахаридов, из оболочки используется ультразвуковая обработка с последующим ферментативным гидролизом, что позволяет наиболее полно извлекать их и получать сок с повышенной сорбционной способностью по отношению к ионам тяжелых металлов. Этот сок может использоваться для получения сиропа, причем подобранные нами условия экстрагирования оболочек шиповника позволяют избежать при этом стадию упаривания. Из измельченных семян экстракцией органическим растворителем получают масло. Нами разработана методика получения масла шиповника постоянного качества. Регулируя долю оболочек, добавляемую к семенам, можно получить требуемое содержание каротиноидов в готовом продукте. После экстракции масла из семян остается шрот. Биохимический анализ шрота показал, что он обладает высокими кормовыми достоинствами. Была разработана рецептура и технические условия на кормовую витаминную добавку на основе шрота шиповника. Были поставлены два научно-хозяйственных опыта, в результате которых достоверно установлена зоотехническая эффективность использования кормовой витаминной добавки на основе шрота шиповника в рационах клеточной ондатры в период размножения. Производство и реализация биологически активных добавок (БАД) к пище становится динамично развивающимся направлением в фармации, экономике и торговле. Достаточно самостоятельной группой БАД являются добавки, полученные на основе растительных масел. Проанализировав некоторые БАД на основе растительных масел, представленные на рынке, мы обнаружили, что все они не сбалансированы по содержанию каротиноидов, ни по токоферолам, ни по составу жирных кислот. При анализе жирнокислотного состава особое внимание уделяли содержанию линолевой и - линоленовой кислот. По результатам определения жирнокислотного состава следует отметить достаточно 169 высокое содержание линолевой кислоты во всех пробах, в то время как линоленовая кислота присутствует только в масле шиповника. Линолевая кислота, которая относится к классу ПНЖК омега-6, является биологически активным веществом и играет важную роль при иммунных нарушениях, сердечно-сосудистых заболеваниях и т.д. Однако медицинскими исследованиями установлено, что одного ее присутствия в рационе недостаточно. Необходимо, чтобы ей сопутствовала линоленовая кислота, которую относят к классу ПНЖК омега-3, причем их соотношение должно быть определенным: от 1:1 до 4:1.(Исследованиями установлено, что соотношение омега-3 и омега-6 в рационе питания современного человека в последнее время составляет 1:20-1:30). Однако при этом наиболее оптимальным соотношением между ними считается 1:10 для здорового человека и для лечебного питания 1:1 – 1:5 (по данным Института питания РАМН). В связи с этим для достижения заданного содержания и соотношения жирорастворимых биологически активных веществ нам представляется перспективной идея конструирования БАД из различных масел. В составе масла шиповника в значительном количестве обнаружена линоленовая кислота, что позволило нам основе масла шиповника сконструировать биологически активную добавку к пище, сбалансированную по трем группам витаминов: каротиноидам, токоферолам и полиненасыщенным жирным кислотам, названную «Масляный бальзам». Этот препарат представляет собой смесь масел шиповника и облепихи в строго определенном соотношении. На него разработаны технические условия, в которых регламентируются количественные показатели этих биологически активных веществ, а также соотношение линолевой и линоленовой кислот. Работа по конструированию БАД на основе растительных масел была продолжена, упор был сделан на содержание в них линоленовой кислоты и на соотношение линолевой и линоленовой кислот. С этой целью были проведены исследования по выявлению источников линоленовой кислоты. Среди масличных растений самым богатым является лен, где содержание кислоты составляет 50-70%. Также большое ее количество содержится в морошке и шиповнике. Следует отметить черную смородину и огуречную траву, имеющие в своем составе помимо α-линоленовой кислоты γ-линоленовую, которая также обладает важными свойствами. На основе совокупности результатов экспериментальных исследований разработана типовая технологическая линия по комплексной переработки плодов шиповника в условиях малотоннажного производства. 170 Оно состоит из нескольких участков: - участка подготовки сырья; - участка по получения сиропа; - участка по получению масла шиповника. По результатам проведенных исследований была спроектирована и сооружена опытно-промышленная технологическая линия модульного типа. Она состоит из нескольких участков. На участке подготовки сырья производится сушка плодов шиповника, их раздавливание, разделение на семена и плодовую оболочку и измельчение семян до требуемой крупности. Указанные операции выполняются на серийном оборудовании: сушильной установке ЦС 266, валковой дробилке ДГ 200х125, вибрационном грохоте Гр 5, микромельнице молотковой 10ММ. Семена идут на производство масла шиповника, оболочки могут идти на получение витаминизированного чайного напитка и/или перерабатываться с получением сиропа и каротинсодержащего препарата. Сущность стадии приготовления сиропа заключается в том, что оболочки шиповника промывают водой в душевой мойке (М-1), загружают в УЗ-экстрактор (УЗ-2), заливают водой в соотношении 5:1 и дают настояться в течение часа. Затем набухшую массу обрабатывают ультразвуком при комнатной температуре в течение 10 минут. После этого в экстрактор добавляют ферментный препарат Пектофоетидин П10х в количестве 0,03% к массе оболочек и проводят ферментативную обработку при 45С в течение часа. Температурный режим поддерживают путем подачи в тепловую рубашку экстрактора горячей воды После ферментативной обработки гидролизатмассу подают на вакуум-фильтр ВФ-3. Очищенный экстракт поступает в сборникмерник Сб-4. Сироп готовят в пищеварочном котле К-5. В котел подают экстракт, сахарный песок и лимонную кислоту, перемешивают массу до получения сиропа с плотностью 73%. Сироп фильтруют через четыре слоя марли. Затем следует розлив, укупорка и затаривание. Экстракция липидов из семян проводится на установке с двумя экстракторами объемом по 25 литров каждый озонобезопасной смесью хладонов при комнатной температуре. Установлена требуемая степень измельчения сырья, кратность обработки его растворителем и условия удаления его из мисцеллы. 171 Процесс приготовления кормовой добавки заключается в простом смешивании шрота шиповника с другими сыпучими компонентами. В данном случае его производили в мешалке СО-210. Прорабатывается вопрос выпуска кормовой добавки в гранулированном виде. В результате разработана технология комплексной переработки плодов шиповника, которая отвечает современным организационнохозяйственным, технико-экономическим и экологическим требованиям: - модульный принцип позволяет разместить производство вблизи источников сырья и создавать мощности, соответствующие его ресурсам в регионе; - производство характеризуется полным использованием ценного растительного сырья и пониженным энергопотреблением; - практическое отсутствие отходов делает его экологически безопасным; - многопродуктовый характер производства создает предпосылки для использования логистических подходов, позволяющих наиболее полно учитывать динамично меняющиеся потребности рынка; - высокое и стабильное качество готовых обеспечивает им высокую потребительскую стоимость; продуктов - наличие типового оборудования и разработанной нормативнотехнической документации делают возможным ее широкое тиражирование. разработана технология комплексной Таким образом, переработки плодов шиповника, которая отвечает современным требованиям ресурсо- и энергосбережения и экологической безопасности. Она может быть тиражирована и масштабирована. 172 Luboš Passian, Miroslav Přikryl Prague, Czech Agriculture University MECHANICAL DURABILITY – WAY FOR JUDGING PELLET STABILITY Abstract: Solid biofuels are the most important source of renewable energy in Czech Republic. Despite of the most frequently used solid biofuel is still firewood for households and crushed shavings, chips and sawdust for heating and power stations, compressed biomass fuels become more popular every year. Pellets are most advanced form of pressed biofuels fated to its user’s friendliness, human labour reduction by burning automation and thereby higher energy efficiency, but under condition that quality is stable and warranted. Collected samples of pellets from different raw materials and productive capacity were tested for mechanical durability according to ÖNORM M-7135 and CEN/TS 15210-1:2005 (ČSN CEN/TS 152101:2006). Introduction: Pellets are a unified biofuel product for heat and electricity production. Biomass pellets burn carbon neutral, they do not contribute to the global warming as fossil fuels. Their high density permits compact storage and rational transport over long distance. They can be conveniently blown from a tanker to a storage bunker or silo on a customer's premises or sold in big-bags or plastic bags usually 15 kg weight. To ensure continuous operations of pellet appliance, then quality of the pellets is of the utmost importance. Of course a degree of the deterioration depends case by case on characteristics of raw material, particle size, binder and press technology used. Mechanical durability (DU) is a measure of how stable the pellet is and how likely it is to produce fines from normal handling. There is a lot of national standards and quality marks for wood pellets broadly used, but international standardization warranting stable quality of pellets is needed because current national standards provide no delineation of sampling, analysis and frequencies. Clear standards and specifications would allow industry to grade the fuels for their intended market and underpin consumer confidence. Some of pellets’ properties obtained from raw materials transformation to final products could be changed during the manipulation and storage. Briefly speaking, the more manipulation with pellets is done more fines we get and bad storage condition with high humidity is the case of water absorption, pellet crumbling and lower calorific value. The amount of fines is especially important in case of small heating installations, which need extremely high pellet quality because high amount of fines cases transportation and burning failures. Characteristics’ change knowledge and 173 mapping is considerable for compacting process as well as logistics and subsequent usage only under condition that data obtained at any enterprise or laboratory are reliable and comparable. Following text will describe comparing mechanical durability of 15 pellets’ samples collected from Czech and Slovak commercial production with annual turn-out more than 5 000 tones and samples made by smallscale pellet technology with different composition of raw materials according to Tab. 2. Diameter 6 mm is for all pellets common feature. Despite of the fact that Czech Republic is one of the most forested countries in Europe we can suppose growing enforcement for using potentially more problematic raw materials with higher ash and N-content and four sources were collected from alternative sources than wood. Methods: Collection of samples represents commercially tradable pellets obtained from producers in 15 kg plastic bags (samples no. 1 to 8) and pellets made from alternative sources of biomass on small scale pellet line MGL 2OO (samples no. 9 to 15). MGL 200 is able to process small batches of raw material and production per hour varies between 100 to 200 kg. Samples no. 9, 10, 13, 14 and 15 were before pelletizing were chopped by mobile woodchipper Pezzolato PZ 110 then proceed by hammer mill Stoza ŠV 15 Ø 4 mm holes screen except sample no. 14 (screen Ø 8 mm holes) and 15 (screen Ø 15 mm holes) Tab. 2: Collected pellets Ø 6 mm tested for mechanical durability Sample No. 1 2 SPRUCE SPRUCE Sample No. 9 10 3 PINE 11 4 SPRUCE 12 5 OAK+BEECH 13 6 OAK+BEECH+LUCUST 14 7 SPRUCE 15 8 RAPE STRAW Raw material 174 Raw material RUMEX OF UTEUSCH GARDEN WOOD SPECIES SEPARATE AFTER ANAEROBIC FERMENTATION SEPARATE AFTER ANAEROBIC FERMENTATION+SPRUCE SAWDUST (1:1) REED CANARYGRASS 4 MM CRUSH REED CANARYGRASS 8 MM CRUSH REED CANARYGRASS 15 MM CRUSH Durability was observed by two methods widely used across Europe because of their fundamentally different physical principles of testing samples according to type of intended pellet transportation. First method is based on Austrian pellet standard ÖNORM M-7135 [7] using referential arrangement Ligno-tester or equivalent installation, where pre-screened 100 g sample of pellets is exposed for 60 seconds to 70 mbar air flow in perforated down-head pyramidal box. Figure 1: Ligno-tester Tester simulates pneumatic conveyance. Second method is based on Pfost-test described first at US standard ASAE S269.4 later used worldwide for testing animal pelletized feeding and proposed as reference method of CEN/TS 15210-1:2005 technical specification issued by European Committee for Standardization CEN) and so implementer to ČSN CEN/TS 15210-1:2006 [1]; pre-creened 500 g pellets sample is subjected to shocks in defined rotary test chamber 50±2 rotation per minute for 10 minutes and screened after tumbling. Figure 2: Pfost tester 175 Tester simulates conditions during mechanical transportation. The durability is calculated from the original weight and remaining part after test according to formula: AR = (mE-mA) / mE*100 [%] Where AR is percentage formulation of dust, mE is weight of sample after test and mA is weight of sample before test. Pellet mechanical durability is reciprocal value of AR. Results: Every sort of pellets was tested by quintuple determination both Ligno-tester and Pfost-tester; summary of measuring is listed in Figure 3: Dust average value and standard deviation of 15 pellet samples 6 mm by Lignotester and Pfost-tester according to ÖNORM M-7135 and CEN/TS 152101:2005 and graphically displayed in Figure 4. Figure 3: Dust average value and standard deviation of 15 pellet samples 6 mm by Ligno-tester and Pfost-tester according to ÖNORM M7135 and CEN/TS 15210-1:2005 (ČSN CEN/TS 15210-1:2006) Sam ple No. Dust average value - ØAR [%] Standard deviation - σ New Holmen Tester Pfost Tester CEN/TS 152101:2005 New Holmen Tester ÖNORM M7135 ÖNORM M7135 Pfost Tester CEN/TS 152101:2005 1 0,94 0,87 0,23 0,27 2 0,96 0,89 0,22 0,23 3 1,86 1,89 0,18 0,26 4 3,20 4,18 0,41 0,73 5 1,16 1,10 0,05 0,43 6 0,70 0,69 0,10 0,30 7 0,44 0,53 0,13 0,17 8 1,62 1,79 0,33 0,51 9 4,74 4,86 0,50 1,01 10 4,04 3,51 0,27 2,13 176 11 1,82 2,32 0,19 0,75 12 6,92 4,84 0,98 4,40 13 5,68 5,82 0,44 2,06 14 4,36 4,46 0,30 0,74 15 2,94 2,65 0,24 0,36 Figure 4: Comparison of fines amount on pellet durability testers 8,00 7,00 6,00 [%] 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Sample No. ØAR New Holmen Tester ØAR Pfost Tester Conclusions: Pellets’ quality and stability plays important role from production to end users satisfaction. Data comparing obtained by both Ligno-tester and Pfost tester follow similar trend with the result that Ligno-tester reached smaller standard deviation for all collections of samples. Samples number 9. to 15. made by small-scale pellet technology MGL 200 at university’s laboratory, has significantly more tendencies for breaking up during both test methods than commercially produced pellets. Causation of this fact could be in many variables, and more tests have to be done simultaneously with the same input material to different pelletizing technologies. Lower durability is to some degree welcome because softer pellets ignite easer [4]. From my point of view there is no significant variation between both methods’ results but Pfost test is more time consuming and exacting what 177 is obstruction for on-line testing systems as well as human being. Fast and user-friendly testing appliances are pivotal step for intended European classification embracement by industries. There should be discussion if the Pfost test is right test method opened again. Samples prepared from Reed Canarygrass with different raw material fraction gave interesting result because pellets made from finer crushing were less durable what is adherent to usually published findings. Literature: [1] ČSN P CEN/TS 15210-1: Solid biofuels - Methods for the determination of mechanical durability of pellets and briquettes - Part 1: Pellets. Prague, Czech Republic: Czech Normalization Institute, 2006-01-08. 12 p. [2] DIN 51731: Testing of solid fuels - compressed untreated wood, requirements and testing. Berlin, Germany: Deutsches Institut für Normung; 1996 [3] Czech Biomass Action Plan for period 2009 – 2011. CZ Biom – Czech Biomass Association, Ministry of Agriculture [online]. 2008-12-04. 17 p. [cit. 2009-03-27]. From: http://www.mze.cz/attachments/AP_biomasa_0901.pdf [4] Feedback on prEN 14961 standards from industry and workshops, Project No. 038644 – BioNorm II, VTT, Technical Research Centre of Finland, BioNorm II. 2008-04-30. 51 p. [cit. 2009-03-27]. From: http://www.bionorm2.eu/downloads/DIV.6-2008-05-05.pdf [5] Križan, P.: Vplyv konštrukčných parametrov lisovacej komory na proces zhutňovania. Energie z biomasy VII, Brno, Czech Republic: Vysoké učení technické v Brně, 2007. p. 71 – 78. ISBN 978-80-214-3542-1. [cit. 2009-03-27]. From: http://oei.fme.vutbr.cz/konfer/biomasa_vii/papers/enbiovii.pdf [6] Matúš, M.: Parametre ovplyvňujúce kvalitu výliskov z biomasy z hľadiska procesu ich výroby. In Energie z biomasy VII, Brno, Czech Republic: Vysoké učení technické v Brně, 2007. p. 115 – 120. ISBN 978-80214-3542-1. [cit. 2009-03-27]. From: http://oei.fme.vutbr.cz/konfer/biomasa_vii/papers/enbio-vii.pdf [7] ÖNORM M 7135: Compressed wood or compressed bark in natural state pellets and briquettes, requirements and test specifications. Vienna, Austria: Österreichisches Normungsinstitut. 2000-11-01. 10 p. 178 Bogusław Pieczykolan Politechnika Warszawska Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa Studenckie Koło Naukowe Energetyki Niekonwencjonalnej PROJEKT BUDOWY INSTALACJI KOLEKTORÓW SŁONECZNYCH W DOMU JEDNORODZINNYM Projekt miał na celu zbudowanie instalacji kolektorów słonecznych, które zaspokoiłaby potrzeby domu jednorodzinnego na C.W.U w okresie letnim, a także promowanie energii odnawialnej na terenach wiejskich i rolniczych. Do stworzenia instalacji wykorzystanych zostało 5 płyt absorberów o łącznej powierzchni 5,20 m2, które pochodziły ze starych instalacji kolektorów słonecznych. Absorber wykonany został z dwóch aluminiowych sprasowanych arkuszy blachy galwanicznie pokrytych powłoką trójtlenku aluminium czernionego siarczanem amonowo-niklowym o absorpcyjności wynoszącej 0,95 i emisyjności 0,85. Mając do dyspozycji gotowy absorber do wykonania pozostały dalsze elementy kolektora, a także odpowiedni projekt instalacji, który musiał uwzględniać 2 czynniki: - odpowiedni dobór elementów i usytuowanie układu, zgodnie z fizyką zjawiska, - estetyka budowy instalacji. Celowość budowy instalacji Aby dokładniej określić celowość budowy danej instalacji, należy omówić potencjał energetyczny miejsca, w którym realizowany jest dany projekt. Do określenia zasobów helioenergetycznych danego regionu potrzebujemy znajomości 3 wielkości: gęstości strumienia promieniowania słonecznego [W/m2] nasłonecznienia [kWh/m2]- jest energia promieniowania słonecznego docierającego na jednostkę powierzchni odbiornika w ciągu określonego czasu [1] 179 usłonecznienia[h]- liczba godzin z bezpośrednio widoczną operacją słoneczną [1] Na gęstość strumienia promieniowania słonecznego maja wpływ 3 składowe -promieniowanie bezpośrednie – dochodzące z bezpośredniej tarczy słonecznej -promieniowanie rozproszone – rozpraszane przez chmury, cząstki pyłu i aerozole -promieniowanie odbite – promieniowanie odbite od podłoża, lub otoczenia Składowe promieniowania całkowitego Dom, dla którego sprawdzamy celowość stosowania instalacji, leży w powiecie chełmskim, w województwie lubelskim. Biorąc pod uwagę całą powierzchnię kraju, jest to teren charakteryzujący się najlepszymi warunkami nasłonecznienia ( około 1200 kWh/m2), usłonecznienia (ok. 1650 h/rok). Drugim elementem, który wpłynął na realizację przedsięwzięcia był fakt, iż potrzebny był system, który zaspokoiłby potrzeby na C.W.U dla 4-5 osób w okresie letnim. Istniejąca instalacja ogrzewania wody, ze względu na brak izolowanych rur, a także złych właściwości danego systemu ogrzewania (mały wydatek masowy podgrzanej wody uniemożliwiający pobór czynnika z więcej niż jednego źródła jednocześnie, a także istnienie konieczności okresowej wymiany butli). Biorąc pod uwagę wszystkie powyższe czynniki można stwierdzić, iż instalacja kolektorów słonecznych może być uzasadnionym rozwiązaniem dla powyższego przypadku. Koncepcja budowy kolektora; Zagadnienia mające wpływ na dobór materiałów: dostępność materiałów na rynku odpowiednie właściwości termodynamiczne łatwa obróbka niska cena 180 Typowy kolektor płaski składa się z : -absorbera -obudowy -izolacji -pokrywy Po dokładnej analizie zagadnień techniczno -ekonomicznych do budowy zostały wybrane następujące materiały: obudowa, składająca się z dwóch części: -rama z drewna o grubości 2,5 cm -dno pokrywy z blachy ocynkowanej o grubości 0,6mm izolacja-wełna mineralna o grubości 5cm pokrywa- poliwęglan komorowy przezroczysty o transmisyjności 0,81 i współczynniku przenikania k- 3 (W/m2K) Do zabezpieczenia drewna, przed wpływem warunków atmosferycznych, zostały użyte 2 rodzaje impregnatów. Na wybór poliwęglanu miały wpływ jego dobre właściwości plastyczne (możliwość gięcia na zimno), co ma szczególne znaczenie przy wyborze ramy drewna, gdyż w ten sposób poliwęglan jest w stanie wytrzymać naprężenia, jakie może powodować rama. Projekt budowy instalacji Najprostsza instalacja kolektorów słonecznych składa się ze: zbiornika sterownika (regulatora różnicowego) kolektora naczynia wzbiorczego pompy obiegowej rur, zaworów, odpowietrzników, innych elementów hydraulicznych. Dobór zbiornika Czynnikami wpływającym na dobór były: - odpowiednia wielkość, dostosowana do liczby osób zamieszkujących dom. Ze względu na fakt, iż kolektory miały być możliwie jedynym dostępnym źródłem energii potrzebnej do podgrzania C.W.U (układ monowalnetny), jako odpowiednią wielkość zbiornika przyjąłem 200l, co stanowi ok. 40l wody na 1m2 kolektora; 181 - możliwie maksymalna wielkość wężownicy - dany zbiornik posiada wężownice o pow. 1,5 m2. Dobór sterownika System sterowania powinien opierać się o możliwość sterowania pompą obiegową w zależności od różnicy temperatur. Ze względów bezpieczeństwa przydatna jest także funkcja, która polega na zatrzymaniu obiegu w momencie przekroczenia maksymalnej temp. czynnika w absorberze. Dobór naczynia wzbiorczego: Do obliczenia odpowiedniej pojemności naczynia wzbiorczego posłużyłem się wzorem: Vwzb (0,02 *Vin *Vin n *Vkol ) * ( pmax 100 ) pmax paz Vin - pojemność instalacji [dm3] -rozszerzalność cieplna czynnika n- liczba kolektorów Vkol -pojemność kolektora [dm3] pmax -dopuszczalna wartość p w obiegu pierwotnym[kPa] paz -ciśnienie wstępne azotu w poduszce Źródło (A. Chochowski, D. Czekalski „Słoneczne instalacje grzewcze”) - z obliczeń wynikło, iż dla instalacji tego typu najodpowiedniejsze będzie naczynie o poj.18 dm3. Dobór pompki obiegowej W trakcie doboru urządzenia trzeba było wziąć pod uwagę spadki ciśnienia na poszczególnych elementach instalacji, jak i wysokość usytuowania kolektora ponad wysokość pompy. Ostatecznie wybrany został model UPS 25-60 o wysokości podnoszenia do 6m. Jest to typowa pompa używana w obiegach C.O. posiadająca 3-stopniowy system regulacji prędkości obrotowej. 182 Usytuowanie układu zgodnie z fizyką zjawiska i estetyką budowy instalacji Jako miejsce odpowiednie dla kolektorów wybrana została część dachu usytuowana w kierunku południowym, nachylona pod kątem 35 stopni do powierzchni poziomej. Usytuowanie zbiornika nastąpiło w miejscu, które było położone maksymalnie blisko poboru wody. Było to konieczne ze względu na fakt, iż instalacja C.W.U., istniejąca w danym obiekcie była nieocieplona, więc aby skrócić czas oczekiwania na podgrzaną wodę, konieczne było osiągnięcie minimalnej odległości od zbiornika. Rysunek schematyczny przedstawiający rozmieszczenie instalacji względem punktów poboru wody Zestawienie kosztów budowy Elementy instalacji bez kolektora Cena [zł] Zbiornik 1150 Pompa 125 Sterownik 160 Elementy hydrauliczne 750 Usługi hydrauliczne 350 SUMA 2535 183 Elementy obudowy kolektora Cena[zł] Deski 80 Poliwęglan komorowy 320 Blacha 0,6 mm 108 Silikon 39 Wkręty 50 Wełna mineralna 42 Folia 20 SUMA 659 SUMA = Elementy instalacji bez kolektora + Elementy obudowy kolektora = 3200 zł Szacowany okres zwrotu inwestycji Ze względu na fakt, iż w okresie letnim do podgrzania C.W.U służył przepływowy ogrzewacz wody, to koszt ogrzewania jest bezpośrednio związany z ilością zużytych butli gazu propan butan, a także od ich aktualnej ceny rynkowej. Miesiąc Marzec Kwie. Maj Czer. Lip. Sierp. Wrze. Paź. Ilość butli zużytych 1 1,5 2 3 3 3 1,5 1 cena za 1 butle 45 zł Koszt zużytej energii 720 zł Do oceny czasu zwrotu inwestycji możemy używać dwóch metod: -Prostej(najpopularniejszą jest określenie okresu zwrotu nakładów inwestycyjnych). -Dynamicznej (najpopularniejszą jest metoda zaktualizowanej wartości kapitałowej netto, popularnie zwana NPV). Metoda prosta nie uwzględnia zmian wartości pieniądza w czasie. W metodzie prostej: t I 3200 =4,67 lata Z 720 * 0,95 184 gdzie: I- nakłady inwestycyjne na budowę Z- Roczne oszczędności wynikające z budowy kolektorów przy założeniu, że pokryją one 95% zapotrzebowania na C.W.U w okresie letnim Z wyników zawartych w metodzie prostej wynika iż inwestycja zwróci się po 4 latach na początku miesiąca sierpnia. W metodzie dynamicznej: n NPV t 1 CFT I (1 r )t przy założeniu NPV=0 otrzymujemy: CFT- Przepływy pieniężne w naszym przypadku są równe Z r- stopa dyskonta (przyjęta na podstawie indeksu wskaźnika WIBOR, który dla okresów 1 roku przyjmuje wartość 4,89%) n I t 1 CFT Po odpowiednich algebraicznych przekształceniach otrzy(1 r )t muję wzór: 1 ln I * (r 1) = 5,44 n Z ln(1 r ) wzór określa ilość lat po których uzyskamy wewnętrzna stopę zwrotu kapitału. Poprzez szereg założeń jakie poczyniłem wynik rzeczywisty może odbiegać od obliczonego powyżej. Założenie stałej ceny gazu przez okres 5 lat z dużym prawdopodobieństwem da zły wynik. Podobnie założenie, że potrzeby na C.W.U zostaną w 95% pokryte przez kolektory (choć w okresie 3 tygodni pracy potrzeby zostały zaspokojone w 95,2%). Jednak w miarę przeprowadzonych przeze mnie analiz postaram się powstałe błędy skorygować. Uproszczony charakter przyjętych przeze mnie założeń nie zmienia jednak faktu, iż instalacje kolektorów słonecznych mogą z powodzeniem konkurować z tradycyjnymi systemami ogrzewania a ich liczba wraz ze wzrostem cen paliw konwencjonalnych będzie stale rosła. 185 Jacek Sałamaj, Adam Koniuszy Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Zakład Podstaw Techniki UKŁAD KOGENERACJI ENERGII Z WYKORZYSTANIEM BIOPALIW DO ZASILANIA SILNIKA AD3.152UR 1. Wstęp W wyniku rosnącego zapotrzebowania na paliwa kopalne, w szczególności na ropę naftową i jej pochodne, zwiększa się obciążenie środowiska przyrodniczego, zanieczyszczanego produktami spalania. Ponadto silniki wielu pojazdów, znajdując się na końcu drogi swojego „życia eksploatacyjnego”, wydzielają większą ilość toksycznych składników w spalinach. Dochodzi w nich do zwiększonych przecieków oleju do komory spalania, co dodatkowo pogarsza jakość spalin oraz obniża sprawność ogólną. Jedną z możliwości poresursowego wykorzystania silników jest ich współpraca w układach kogeneracji energii przy niepełnym wykorzystaniu parametrów znamionowych. W dobie rozwoju technologii nie można wyobrazić sobie gospodarstwa domowego bez urządzeń pobierających prąd. Jednak wytworzenie niezbędnej energii do pracy urządzenia wymaga spalenia dużych ilości paliw kopalnych, zarówno w celu wydobycia kolejnych porcji kopalin jak też i przetworzenia ich na paliwo. Dodatkowy problem stanowi fakt, iż paliwa te ulegają stopniowemu wyczerpaniu. Wspomniane aspekty wpłynęły na rozpoczęcie badań, które miały na celu wskazanie sposobu jak najefektywniejszego wykorzystania potencjału tkwiącego w paliwach oraz zastosowanie różnych alternatywnych paliw, które w mniejszym stopniu obciążają środowisko przyrodnicze. Współczesne silniki ZS jedynie w około 35% wykorzystują energię chemiczną, którą niesie ze sobą paliwo niezbędne do ich pracy. Jeszcze mniejszą wydajność wykorzystania oleju napędowego mają silniki często 30 letnich ciągników pracujących w polskim rolnictwie. Co więc zrobić z silnikami, które są zastępowane przez nowocześniejsze i efektywniejsze konstrukcje, aby w możliwie najlepszy sposób wykorzystać tkwiący w nich potencjał eksploatacyjny a jednocześnie odciążyć środowisko naturalne? Jedną z możliwości jest zastosowanie do produkcji skojarzonej energii elektrycznej oraz cieplnej w jednym urządzeniu. Może być to przykładem dobrej praktyki wtórnego wykorzystania części maszyn. Energię pozyskaną w ten sposób nazywamy skogenerowaną, a proces jej produkcji kogeneracją. 186 Przy produkcji energii w ten sposób zostaje wykorzystane, do 90% energii pierwotnej, którą zawiera w sobie paliwo wprowadzone do komory spalania silnika ZS [4]. Kogeneratorami są układy, w których do wytworzenia ciepła i produkcji prądu, czyli napędu prądnicy synchronicznej lub asynchronicznej, zastosowano silnik spalinowy. Energia elektryczna jest wytwarzana w prądnicy, poprzez wspólny wał podłączony z silnikiem ZS. Natomiast produkcja ciepła to nic innego jak chłodzenie silnika oraz spalin za pomocą wymienników ciepła [4]. 2. Założenia badawcze Elektryczny silnik asynchroniczny nie może pracować bez instalacji podłączonej do sieci energetycznej. Warunkiem niezbędnym jest przyłącze do sieci energetycznej i wykorzystanie energii biernej z tej sieci na wzbudzenie silnika asynchronicznego do pracy w trybie prądnicy. Trwałe i stałe podłączenie do sieci energetycznej nie musi być tylko ograniczeniem. W przypadkach zwiększonego poboru energii elektrycznej w gospodarstwie lub przerw w pracy agregatu kogeneracyjnego przyłącze zapewnia stałe dostawy energii do gospodarstwa. Dodatkowym atutem jest brak konieczności ustawiania częstotliwości prądu, co dla odbiorników asynchronicznych pracujących bez dostępu do sieci ma istotne znaczenie (rys. 1) [2]. Licznik energii Sieć energetyczna Odbiornik Sterowanie Silnik ZS Prądnica Rys. 1. Schemat ideowy układu do pozyskiwania energii elektrycznej [1] Wymiary układu opartego na takiej prądnicy asynchronicznej są mniejsze od układu z prądnicą synchroniczną, konstrukcja mniej złożona a przez to łatwiejsza w obsłudze. Zwiększa się sprawność agregatu poprzez wykorzystanie całego potencjału zawartego w paliwie. Obniża się również w ten sposób koszty instalacji układu, co powoduje go bardziej dostępnym dla szerokiego grona potencjalnych użytkowników. Współ- 187 praca pomiędzy prądnicą a silnikiem spalinowym powinna odbywać się w określonym zakresie prędkości obrotowych. Pozwala to na obniżenie kosztów instalacyjnych całego układu oraz zwiększa sprawność mechaniczną. Zyskujemy w ten sposób możliwość wykorzystania nietaryfikowanej energii elektrycznej oraz ciepła, które jest produktem ubocznym. Aby w całości wykorzystać potencjał tkwiący w energii paliwa należy dążyć do wykorzystania ciepła powstałego w wyniku procesu spalania paliwa w komorze spalania. Możliwe staje się określenie procentowego wykorzystania energii zawartej w podanym do komory spalania silnika paliwie. Bilans cieplny silnika można przedstawić za pomocą zależności (1) [1, 3]: Q Qe Qch Q w Qn Qr (1) gdzie: Q – ciepło dostarczone do silnika, Qe – ciepło użyteczne, Qch – ciepło zużyte na chłodzenia (straty chłodzenia), Qw – ciepło zużyte na wydech (straty wydechu), Qn – straty ciepła niezupełnego lub niecałkowitego spalania, Qr – reszta ciepła. W układach kogeneracyjnych można wykorzystać ciepło powstałe w wyniku chłodzenia silnika oraz ciepło spalin powstających w wyniku spalania mieszanki powietrzno-paliwowej. Co zaś się tyczy ciepła straconego na niezupełne i niecałkowite spalenie, możliwe jest ograniczenie tych strat poprzez zastosowanie kotłów kompensacyjnych skąd niedopalone sprężone paliwo trafiać będzie powtórnie z nową porcją powietrza do komory spalania [5]. 3. Metodyka badań Celem pracy było określenie przydatności układu kogeneracji energii złożonego z silnika ZS oraz silnika asynchronicznego, pracującego w trybie prądnicowym w indywidualnym gospodarstwie rolnym. Przy ocenie układu pod uwagę brano następujące czynniki: wykorzystanie energetyczne paliwa, skutki ekonomiczne i ekologiczne przedsięwzięcia. Doboru urządzeń do układu kogeneracji dokonano na podstawie charakterystyki uniwersalnej silnika AD3.152UR, wyznaczonej w warunkach laboratoryjnych na hamowni Zakładu Podstaw Techniki (fot. 1). 188 FOT. 1. WIDOK SILNIKA AD3.152UR NA STANOWISKU DYNAMOMETRYCZNYM Jako prądnicę, w rozpatrywanym układzie, zaproponowano indukcyjny klatkowy trójfazowy silnik elektryczny o budowie zamkniętej i oznaczeniu Sf-180 L-4. Podstawowe dane techniczne silnika AD3.152UR zawarto w tab. 1. Tab. 1. Dane techniczne silnika AD3.152UR Rzędowy, wysokoprężny, czteTyp rosuwowy Zasilanie Wtrysk bezpośredni Liczba cylindrów 4 Pojemność skokowa 3,12 [dm3] Stopień sprężania 17 Moc znamionowa 35 [kW] Maksymalny moment obrotowy 167 [Nm] Obroty mocy znamionowej 2200 [obr/min] Jednostkowe zużycie paliwa 265 [g/kWh] 189 Źródłem energii pierwotnej dla silnika były następujące rodzaje paliw: olej napędowy (ON), mieszanina oleju napędowego i 20% etanolu, estry metylowe oleju rzepakowego (RME). Parametry pracy silnika mierzono i wyznaczano za pomocą systemu pomiarowego opracowanego i wykonanego w Zakładzie Podstaw Techniki ZUT (fot. 2). Fot. 2. Widok ekranu systemu pomiarowego w hamowni silnikowej Wyznaczono ilość energii elektrycznej oraz cieplnej jakie będzie produkował układ kogeneracji przy zasilaniu różnymi rodzajami paliw. Dokonano również obliczeń kosztów wytworzonej w sposób skojarzony energii przy zastosowanych rodzajach paliw i porównano je z kosztami zakupu tej samej ilości energii z Zakładu Energetycznego oraz z Zakładu Ciepłowniczego. Bilans cieplny wyznaczono przy ustalonym stanie obciążenia silnika. Do zadania obciążenia symulującego napęd prądnicy asynchronicznej wykorzystano wodny hamulec typu Froud’a. Czujniki pomiarowe, niezbędne do wyznaczenia poszczególnych składników bilansu cieplnego silnika rozmieszczono zgodnie z fot. 3. 190 FOT. 3. ROZMIESZCZENIE CZUJNIKÓW POMIAROWYCH NA SILNIKU AD3.152UR 4. WYNIKI BADAŃ Na rys. 2 zobrazowano charakterystyki mechaniczne obu maszyn. Wzwiązku z tym, że zakresy prędkości obrotowych silnika i prądnicy są podobne, nie było konieczności zastosowania przekładni. najlepszymi warunkami pracy układu jest praca przy prędkościach obrotowych mocy nominalnej prądnicy rzędu 1695 obr/min oraz w zakresie najniższego jednostkowego zużycia paliwa przez silnik zs [1, 2]. 191 RYS. 2. WSPÓŁPRACA AGREGATU SILNIK SPALINOWY – PRĄDNICA ASYNCHRONICZNA [2]; MS – MOMENT OBROTOWY SILNIKA [NM], NS – MOC UŻYTECZNA SILNIKA ZS [KW], GE – JEDNOSTKOWE ZUŻYCIE PALIWA [G/KWH], MI – MOMENT OBROTOWY PRĄDNICY [NM] godzinowe zużycie paliwa wyniosło odpowiednio: dla on 5,83 kg/h, dla mieszanki on i 20% etanolu 4,95 kg/h, oraz dla rma 6,51 kg/h. Wyznaczone wartości poszczególnych składników bilansu cieplnego badanego silnika zestawiono w tab. 2. 192 TAB. 2. WARTOŚCI CIEPŁA, WYNIKAJĄCE Z BILANSU CIEPLNEGO SILNIKA ZS SKOGENEROWANEGO Z PRĄDNICĄ ASYNCHRONICZNĄ RODZAJ PALIWA ON ON I 20% ETANOLU RME Q [MJ/H] 249,52 100% 199,58 100% 238,45 100% QE [MJ/H] 79,20 38% 79,20 38% 79,20 40% QCH [MJ/H] 62,38 25% 49,95 25% 59,64 25% QW + QN [MJ/H] 72,36 29% 57,87 29% 64,38 27% QR [MJ/H] 19,96 8% 15,96 8% 19,07 8% Produkcja ciepła została pomniejszona o sprawność wymiennika ciepła, którą przyjęto na poziomie 90%. Podsumowanie poszczególnych składników bilansu energii w badanym układzie zestawiono w tab. 3. TAB. 3. BILANS ENERGETYCZNY UKŁADU SKOJARZONEGO RODZAJ PALIWA ENERGIA DOSTARCZONA W PALIWIE [KWH] PRODUKCJA CIEPŁA [KWH] SUMA WYPRODUKOWA NEJ ENERGII [KWH] WYKORZYST ANIE ENERGII [%] ON 78,05 33,67 55,67 71 ON I 20% ETANOL U 55,44 26,95 48,95 88 RME 66,24 31 52 80 Cenę zakupu oleju napędowego przyjęto na poziomie 3,65 zł/l, natomiast mieszanka on i 20% etanolu kosztowała około 3,4 zł/l. co zaś się tyczy rme to można przyjąć, iż cena wytworzenia we własnym zakresie wynosić będzie 1,5 zł/l, a kupując w wytwórni biopaliw zapłacić trzeba będzie 3 zł/l. Ceny energii elektrycznej oraz cieplnej wyprodukowanej w sposób skojarzony wyniosą odpowiedni: dla zasilania on 0,73 zł/kwh i 0,01 zł/kwh, dla mieszanki on i 20% etanolu 0,75 zł/kwh i 0,013 zł/kwh dla rme pozyskanego we własnym zakresie 0,34 zł/kwh i 0,0052 zł/kwh oraz dla rme zakupionego od producenta biopaliw 0,68 zł/kwh i 0,011 zł/kwh. Koszt 1 kwh energii czynnej bez opłat abonamentowych zakupiony z zakładu energetycznego wynosi około 0,48 zł i jest tańszy niż wyprodukowanego w sposób skojarzony. Jeśli zaś chodzi o 1 kwh 193 zakupioną w zakładzie ciepłowniczym bez opłat abonamentowych to cena wynosi około 0,40 zł i jest zdecydowanie większa niż 1 kwh wyprodukowanej w sposób skojarzony. Należy uwzględnić jednak, rozpatrując aspekty ekonomiczne, iż jest to urządzenie produkujące jednocześnie energie elektryczna i cieplną. Koszt wytworzenia energii elektrycznej oraz cieplnej w sposób skojarzony wyniesie: dla on za 22 kwh jakie można wyprodukować w układzie skojarzonym 16,06 zł, dla mieszanki on i 20% etanolu 16,50 zł. Koszt wytworzonej energii dla rme wyprodukowanego we własnym zakresie wyniesie 7,48 zł oraz dla rme zakupionego od producenta biopaliw wyniesie 14,96 zł. Koszt zakupu 22 kwh energii elektrycznej z zakładu energetycznego bez opłat abonamentowych i wynosi 22 kwh · 0,48 zł/kwh = 10,56 zł. Koszty jakie trzeba ponieść aby zakupić taka samą ilość ciepła jakie zostało wyprodukowane na poszczególnych rodzajach paliw maja się następująco: dla on 13,47 zł/kwh, dla mieszanki on i 20% etanolu 10,78 zł/kwh oraz dla rme 12,40 zł/kwh [1]. Zestawienie kosztów pozyskania energii skojarzonej przedstawiono w tab. 4. TAB. 4. ZESTAWIENIE GODZINOWYCH KOSZTÓW WYTWORZENIA ENERGII SKOJARZONEJ PRZY ZASTOSOWANIU RÓŻNYCH PALIW DO ZASILANIA BADANEGO UKŁADU KOSZT ZAKUPU ENERGII ELEKTRYCZNE I CIEPLNEJ OGÓŁEM [ZŁ/H] KOSZT ZAKUPU PALIWA [ZŁ/H] OSZCZĘDNOŚĆ [ZŁ/H] ON 24,03 21,28 2,75 ON I 20% ETANOLU 21,34 16,83 4,51 RME WYPRODUKOWANE WE WŁASNYM ZAKRESIE 22,96 9,76 13,20 RME ZAKUPIONE 22,96 19,53 3,43 RODZAJ PALIWA Podstawową korzyścią płynącą z tak dobranego układu kogeneracyjnego jest wykorzystanie poresursowe silników ZS z wyeksploatowanych maszyn. Silniki takie najczęściej nie są drogie w zakupie czy też remoncie. I tak koszt zakupu oraz remontu silnika AD3.152UR według ofert rynkowych szacuje się na około 7000 zł. Koszt zakupu nowej prądnicy 194 asynchronicznej szacowany jest na sumę 2600 zł. W koszty budowy układu kogeneracyjnego należy również wliczyć koszty zakupów podzespołów oraz części niezbędnych do montażu. Przyjąć należy, że prace montażowe wykonane zostaną we własnym zakresie dlatego też nie uwzględniono kosztów roboczogodzin potrzebnych na zmontowanie układu kogeneracyjnego. Koszty elementów dodatkowych przyjąć można na około 3000 zł. Podsumowując więc wszystkie składniki kosztów otrzymamy sumę 12600 zł. 5. Wnioski 1. Silniki ZS, których naprawa jest ekonomicznie nieopłacalna a potencjał eksploatacyjny pozwala jeszcze na uzyskiwanie zadowalających parametrów pracy mogą być wykorzystane w układach kogeneracji energii przy mniejszym niż nominalne obciążeniu. 2. Zastosowanie paliw alternatywnych w układach kogeneracji energii obniża koszty całego przedsięwzięcia oraz ogranicza zanieczyszczenie środowiska przyrodniczego. 3. Ekonomicznie uzasadnione jest posiadanie układu kogeneracji energii w gospodarstwie posiadającym budynki inwentarskie. Racjonalne również wydaje się wykorzystanie wytworzonej energii cieplnej do celów grzewczych budynku mieszkalnego. 4. Oszczędności wynikające z zaproponowanego sposobu produkcji energii skojarzonej mogą wynieść nawet do 13 zł/h. Piśmiennictwo: [1] Kowalski G. 2004. Dobór silnika spalinowego i prądnicy do układu kogeneracji energii na wybranym przykładzie gospodarstwa rolnego. Praca magisterska niepublikowana, AR Szczecin. [2] Koniuszy A., Karbowy A. 2005. Koncepcja generatora energii zasilanego olejem napędowym z dodatkiem etanolu. Acta Agrophysica 6(2), 393-400. [3] Niewiarowski K. 1964. Silniki ciągnikowe. PWRiL, Warszawa. [4] Wyszogrodzki Z. 2002. Elektrociepłownie małej i średniej mocy w ekologicznych ciepłowniach – Kogeneracja. Czysta Energia 11(15), 37-38. [5] Wajand J.A., Wajand J.T. 2000. Tłokowe silniki spalinowe średnio i szybkoobrotowe. WNT, Warszawa. 195 Łucja Szadujkis, dr inż. Jarosław Chlebowski Katedra Maszyn Rolniczych Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie BADANIA PARAMETRÓW PRACY PULSATORA Wstęp Prawidłowa praca dojarki jest ważnym elementem doju mechanicznego. Źle dobrane parametry doju mogą prowadzić do powstawania chorób wymion, obniżenia wydajności mlecznej krów oraz obniżenia jakości mleka. Odpowiedni dobór parametrów doju, a przede wszystkim rodzaju pulsacji, parametrów pracy pulsatora i poziomu podciśnienia ma wpływ na stan zdrowia krów mlecznych i jakość uzyskanego mleka (Luberański i Sopkowicz 2008). Prawidłowy dój zależy w dużym stopniu od typu pulsatora i jego parametrów pracy oraz stanu technicznego tego urządzenia. Głównym zadaniem pulsatora jest wytworzenie pulsacji w komorze międzyściennej kubka udojowego, czyli przemienne dostarczanie do niej podciśnienia i ciśnienia atmosferycznego. Z punktu widzenia zastosowanego układu sterowania wyróżniamy pulsatory sterowane: pneumatycznie, hydropneumatycznie (hydropulsatory) elektrycznie lub elektronicznie. Praca pulsatora powoduje wprawianie w ruch gum strzykowych i w kubku udojowym zachodzą takty masażu i ssania. Gdy pulsator działa poprawnie, praca gum strzykowych jest prawidłowa i następuje odpowiedni masaż strzyków. Parametry robocze pulsatora decydują o częstotliwości wytwarzania pulsów oraz stosunku czasu trwania taktu ssania do taktu masażu. Za najbardziej optymalną uznaje się częstotliwość pulsacji ok. 60 pulsów na minutę oraz stosunek czasu trwania taktu ssania do taktu masażu 2:1 (Kupczyk i inni 2006). W praktyce wielkości te mieszczą się na ogół w znacznie szerszym zakresie szczególnie przy doju kóz i owiec. Liczba wytwarzanych pulsów na minutę może obejmować dość szeroki przedział z tym, że minimalna wartość, która nie wywiera negatywnego wpływu na wymię wynosi 40-45. Z kolei maksymalna liczba wytwarzanych pulsów na minutę kształtuje się na poziomie 90-100. Dla owiec zaleca się stosowanie wyższych wartości pulsacji 120-180 pulsów na minutę. Zbyt mała częstotliwość pracy pulsatora decyduje o przedłużeniu czasu trwania poszczególnych etapów w czasie doju (Piotrkowska i inni 1998). Natomiast procentowy stosunek czasu trwania taktu ssania do masażu przy jednoczesnym doju z czterech strzyków waha się w granicach od 50:50 do 85:15. Występująca tendencja do przedłużania taktu ssania (75:25) powoduje stopniowe skracanie czasu doju. Trzeba jednak zwrócić uwagę na fakt, że nadmierne przedłużanie taktu ssania może być przyczyną zastoinowego przekrwienia i obrzęków strzyków. Dla obecnych wydajności krów oraz przy uwzględnieniu wydłużającego się czasu doju, zaleca się, a żeby ssanie wynosiło ok. 64%, masaż 36%, 196 natomiast częstotliwość pracy pulsatora 60 pulsów na minutę (Woyke 2007). Problemy z mastitis, zbyt duża liczba komórek somatycznych w mleku oraz choroby strzyków i wymion mogą być, aż w połowie przypadków, skutkiem nieprawidłowej pracy dojarek. Aby temu zapobiec należy przestrzegać prawidłowej konserwacji urządzeń udojowych oraz spełniać wymagania techniczne stawiane tym urządzeniom. Wymagania dotyczące parametrów pracy dojarek ujęte są w normie ISO 5707:2007, natomiast sposób wykonywania pomiarów tych parametrów opisano w normie ISO 6690: 2007. Do wykonania pomiarów parametrów pracy dojarek potrzebna jest specjalistyczna aparatura oraz odpowiednio przeszkolone osoby do jej obsługi. Celem pracy jest zbadanie wpływu podciśnienia roboczego dojarki mechanicznej na parametry pracy hydropulsatora przy użyciu miernika VPR 100 firmy DeLaval. Metodyka badań Badaniom poddano hydropulsator HP 101 firmy DeLaval, który obecnie zastępuje produkowany od wielu lat hydropulsator HP 100. Możliwość regulacji liczby pulsów w tym urządzeniu powoduje, że jest on często stosowany przez producentów mleka. Częstotliwość pulsacji podana w instrukcji obsługi urządzenia wynosi 60 pulsów na minutę. Procentowy stosunek czasu ssania do masażu 65:30. Temperatura otocznia podczas pracy urządzenia nie powinna przekraczać +50C. Do pomiarów parametrów pracy pulsatora zastosowano elektroniczny miernik VPR 100 firmy DeLaval (rys. 1). Miernik przeznaczony jest do pomiaru: podciśnienia, pulsacji, prędkości obrotowej oraz do wykonywania kompletnego testu według norm ISO. Przy odpowiednim zaprogramowaniu urządzenia, w momencie przekroczenia mierzonych wartości następuje sygnalizacja alarmowa informująca o zaistniałych nieprawidłowościach. Wybrane dane techniczne urządzenia przedstawiono w tabeli 1. Wyniki pomiarów parametrów pracy pulsatora rejestrowane przez miernik wyświetlane były na jego ekranie w postaci wykresów i tabeli z wartościami liczbowymi. Po ustabilizowaniu się warunków przeprowadzania pomiaru wyniki pomiarów zapisywano w pamięci urządzenia. Po zapisaniu danych, urządzenie gotowe było do wykonania kolejnego pomiaru parametrów pracy pulsatora. Specjalny program komputerowy „Performance Manager PC 100” pozwalał na przesyłanie danych z miernika do komputera personalnego. Badanie pulsatora przeprowadzono zgodnie z normą ISO 6690:2007. 197 Rys. 1. Miernik VPR 100 podczas pomiaru podciśnienia roboczego Źródło: wykonanie własne Tabela 1. Wybrane dane techniczne miernika VPR 100 Zakres pomiarowy Niedokładność pomiaru Działka elementarna Częstotliwość pobierania próbek Częstotliwość pulsacji Od 40 do 200 puls/min Mniej niż 1 puls/min 0,1 puls/min 1000 próbek/s Współczynnik pulsatora - Mniej niż 1% 0,1 % 1000 próbek/s 0,1 kPa 300 próbek/ s Ciśnienie Od +10 do -80 kPa 0,6 kPa Miernik VPR 100 podczas pomiarów połączono z krótkimi przewodami pulsacyjnymi (rys. 1) aparatu udojowego typu Harmony. Hydropulsator HP 101 montowano na bańce zasilanej podciśnieniem z instalacji wypo- 198 sażonej w pompę próżniową z pierścieniem wodnym VRP 1600 oraz regulator podciśnienia VRM 1500, umożliwiający zmianę podciśnienia roboczego dojarki. W badaniach podciśnienie zmieniano w zakresie od 40 do 50 kPa, co 1 kPa. Przepływ powietrza przez zawór powietrzny, do którego przyłączono bańkę i aparat udojowy zmierzono zgodnie z normą ISO za pomocą przepływomierza AMP 3000; przekraczał on 180 l/min. Podczas pomiarów temperatura otoczenia wynosiła 24 C, a ciśnienie atmosferyczne 100,6 kPa. Rys. 2. Sposób podłączenia miernika VPR 100 przy badaniu pulsatora Źródło: materiały szkoleniowe serwisu DeLaval Podczas badań rejestrowano: - częstotliwość pulsacji R, puls/min; - udział poszczególnych faz pracy pulsatora A, B, C, D, % (rys. 3); - współczynnik pulsatora AB wyrażony jako: A B / A B C D 100% ,%; - maksymalne podciśnienie w komorze międzyściennej kubków udojowych Vmax, kPa; - spadek podciśnienia podczas trwania fazy B Bdrp, kPa; - różnicę współczynników pulsatora Limp, %. Pomiary wykonywano w 5 powtórzeniach. 199 Rys. 3. Cykl pracy pulsatora Wyniki Wyniki pomiarów uzyskiwano w formie wykresów i tabel na ekranie miernika lub w programie „Performance Manager PC 100”. Przykładowe dane uzyskane z pomiarów parametrów hydropulsatora HP 101 zawarto w tabeli 2. Tabela 2. Parametry pracy hydropulsatora HP 101 pracującego przy podciśnieniu roboczym 50 kPa 1) 1) P1 P2 A 10,4 AB 64,9 A 10,1 AB 65,2 B 54,5 Vmax 48,7 B 55,1 Vmax 48,1 C D Limp 7,8 D sec 27,3 R 0,3 Bdrp 270 C 60,1 D 1,4 B1-B2 1) 7,7 D sec 27,1 R 0,4 B drp 269 60,1 1,5 Porty pomiarowe w mierniku VPR 100: P1 – 1 kanał pulsatora, P – 2 kanał pulsatora 200 W celu stwierdzenia, które parametry pracy hydropulsatora HP 101 są zależne od zmiany podciśnienia roboczego dojarki, wyniki badań poddano analizie wariancji (tabela 3). Z analizy wariancji wynika, że zmiana podciśnienia roboczego dojarki ma wysoce istotny wpływ na: wartości współczynników pulsatora AB, czas trwania faz A, B, C i D, częstotliwość pulsacji R, wahania podciśnienia podczas trwania fazy B Bdrp na poziomie istotności 0,0001. Tabela 3. Analiza wariancji wpływu podciśnienia roboczego dojarki na parametry pracy hydropulsatora HP 101 Femp Wyszczególnienie Liczba stopni swobody Kanał 1 Kanał 2 Krytyczny poziom istotności AB 4,69 5,05 0,0001 A 58,1 321,46 0,0001 B 209,39 39,41 0,0001 C 147,55 272,28 0,0001 D 95,56 47,55 0,0001 33,26 20,22 0,0001 82,53 61,94 0,0001 R Bdrp 10 Limp 2,65 0,0041 Na rysunku 4 przedstawiono zależność częstotliwości pracy hydropulastora HP101 od podciśnienia roboczego. Spadek podciśnienia roboczego w instalacji dojarki powoduje zmniejszenie częstotliwości pracy urządzenia. W hydropulsatorze pracującym przy podciśnieniu roboczym równym 50 kPa ustawiano początkową częstotliwość pulsacji kolejno na: 63, 62, 61, 60, 59 i 58 pulsów na minutę. Wybrany zakres częstotliwości wynikał z dopuszczalnego przez normę ISO odchylenia (5%) od deklarowanej wartości częstotliwości pulsacji podanej przez producenta. Dla hydropulsatora HP 101 wartość ta wynosi 60 pulsów na minutę. 201 Częstotliwość pulsacji, puls/min 64 63 62 61 60 R 63 59 R 62 58 R 61 R 60 57 R 59 56 R 58 55 54 53 52 38 39 40 41 42 43 44 45 46 Podciśnienie, kPa 47 48 49 50 51 Rys. 4. Zależność częstotliwości pulsacji hydropulsatora od podciśnienia roboczego dojarki Częstotliwość pulsacji wzrastała średnio o 5,5 puls/min wraz ze zwiększaniem podciśnienia roboczego dojarki od 40 do 50 kPa, przy czym największą różnicę zaobserwowano przy ustawieniu początkowym pulsatora na 63 pulsy na minutę. Na podstawie rysunku 4 można stwierdzić, że pulsator ustawiony na 63 pulsy na minutę może pracować w całym badanym przedziale podciśnienia roboczego. Jego częstotliwość pracy zmieniała się od 63 do 57 pulsów na minutę i nie przekraczała odchylenia 5% od wartości 60 puls/min zalecanej przez producenta urządzenia. Hydropulsator ustawiony na 60 pulsów na minutę może pracować tylko przy podciśnieniu roboczym w zakresie od 45 do 50 kPa. Jego parametry pracy w tym zakresie podciśnienia są prawidłowe i zgodne z wymaganiami zawartymi w normie ISO. Z rysunku 4 wynika, że ustawienie początkowej pulsacji na 58 puls/min pozwala na pracę hydropulsatora przy obniżeniu podciśnienia w instalacji udojowej do 48 kPa. Na rysunku 5 i 6 przedstawiono wartości procentowe czasu trwania poszczególnych faz pracy hydropulsatora ustawionego na częstotliwość 60 pulsów na minutę przy podciśnieniu roboczym 50 kPa. Zmniejszenie podciśnienia roboczego z 50 do 40 kPa spowodowało obniżenie częstotliwości pulsacji hydropulsatora o około 5 pulsów na minutę. Czas fazy wysokiego podciśnienia (B1) dla kanału 1 (rys. 5) zwiększył się wtedy o 2,2%. Jednak wartość współczynnika pulsatora A1B1 nie uległa wyraźnej zmianie i wyniosła, około 65%, ponieważ czas trwania fazy A1 (fazy zwiększającego się podciśnienia) przy obniżeniu się podciśnienia roboczego o 10 kPa zmniejszył się o 2,1%. 202 Udział faz pracy pulsatora, % 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 A1 B1 C1 D1 A1B1 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 Podciśnienie, kPa Udział faz pracy pulsatora, % Rys. 5. Procentowy udział faz pracy hydropulsatora HP 101 w zależności od podciśnienia roboczego w kanale 1 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 A2 B2 C2 D2 A2B2 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 Podciśnienie, kPa Rys. 6. Procentowy udział faz pracy hydropulsatora HP 101 w zależności od podciśnienia roboczego w kanale 2 Podobne przebiegi zauważono dla kanału 2 (rys. 6), przy czym w fazie wysokiego podciśnienia zmniejszenie podciśnienia roboczego z 50 do 40 kPa spowodowało wydłużenie się fazy B2 o 2,5%. Największa wartość współczynnika pulsatora A2B2 (dla kanału 2) została osiągnięta przy podciśnieniu roboczym 40 kPa i wyniosła około 65,5%. Podobne zależności zauważono dla innych ustawień hydropulsatora. Oznacza to, że współ- 203 czynnik pulsatora zmieniał w małym zakresie wraz ze spadkiem podciśnienia. Różnice pomiędzy wartościami współczynników pulsatora, które zarejestrowano podczas badań, wynosiły około 0,5%. Według normy ISO dopuszczalne odchylenie od wartości współczynnika podanej przez producenta wynosi 5%. Dla hydropulsatora HP 101 wartość ta będzie wynosić 3,25%. Tak, więc urządzenie pracujące ze współczynnikiem 68,25% lub 61,75% posiada wartość tego parametru zgodną z normą ISO. Jednak należy pamiętać, że kolejne wymaganie normy ISO 5707 wskazuje, że różnica między współczynnikami pulsatora (Limp) nie może przekraczać 5%. W przypadku badanego hydropulsatora obydwa te wymagania są spełnione. Dla ustawienia początkowego hydropulsatora HP 101 na 60 pulsów na minutę porównano wartości jego parametrów pracy dla kanału 1 (rys. 7) przy podciśnieniu roboczym 33 i 50 kPa. 70,0 65,0 55,0 33 kPa 50,0 50 kPa R, puls/min Udział faz pracy pulsatora, % 60,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 A1 B1 C1 D1 AB1 R1 Rys. 7. Fazy pracy hydropulsatora HP 101 i częstotliwość pulsacji dla podciśnienia roboczego dojarki 33 i 50 kPa W tym wypadku zauważono podobne zależności jak poprzednio tzn. skrócenie fazy zwiększającego podciśnienia A1 i wydłużenie fazy B1 wysokiego podciśnienia wraz ze zmniejszeniem podciśnienia roboczego z 50 do 33 kPa. Wartość współczynnika pulsatora była większa o 0,6% przy podciśnieniu 33 kPa w porównaniu z wyższym podciśnieniem roboczym. Podobne zależności wystąpiły dla 2 kanału hydropulsatora. Podczas badań hydropulsatora HP 101 spadek podciśnienia podczas trwania fazy B (Bdrp) oraz różnica pomiędzy ciśnieniem roboczym i maksymalnym podciśnieniem w komorze międzyściennej kubków udojo- 204 wych nie przekraczała 2 kPa. Jest to zgodne z wymaganiami normy ISO 5707. Wnioski 1. Zastosowanie miernika VPR 100 firmy DeLaval pozwala na szybkie sprawdzenie zgodności parametrów pracy pulsatora z wymaganiami norm ISO. 2. Wpływ podciśnienia roboczego dojarki na: wartości współczynników pulsatora, różnicę współczynników między komorami 1 i 2, czas trwania faz A, B, C i D, częstotliwość pulsacji oraz wahanie podciśnienia podczas trwania faz B w hydropulsatorze HP 101 okazał się wysoce istotny. 3. Ustawienie hydropulsatora HP 101 na częstotliwość 63 pulsów na minutę przy podciśnieniu roboczym dojarki 50 kPa zapewnia uzyskanie wymaganych parametrów jego pracy w zakresie podciśnienia roboczego od 40 do 50 kPa. 4. W badanym urządzeniu różnice w wartościach współczynnika pulsatora przy zmianie podciśnienia od 40 do 50 kPa nie przekraczały 1%. 5. Obniżenie podciśnienia roboczego dojarki z 50 do 33 kPa powoduje zmniejszenie częstotliwości pulsacji hydropulsatora HP 101 z 60 do około 50 pulsów na minutę przy zachowaniu pozostałych parametrów pracy zgodnych z wymaganiami norm ISO. Bibliografia Kupczyk A., Mastyk A., Daniel Z., Gaworski M. 2006: Dojarka mechaniczna. Wydawnictwo Pro Agricola sp. z o. o. Naglady. Luterański A., Sopkowicz M. 2008: Analiza parametrów dynamicznych pulsatorów w warunkach symulowanego doju mechanicznego. Inżynieria Rolnicza 5 (103): 81-89. Piotrkowska K., Towarnicka E., Drożdż A. 1998: Produkcja mleka wysokiej jakości higienicznej. Wydawnictwo AlfaLaval Agri. Wrocław. Woyke W. 2007: ABC doju część VII. Pulsator, Bydło 05: 42-44. ISO 3918: 2007: Milking machine installations – Vocabulary. ISO 5707:2007: Milking machine installations – Construction and performance. ISO 6690:2007: Milking machine installations – Mechanical tests. 205 inż. Beata Szereszewiec, inż. Elżbieta Szereszewiec, dr inż. Jacek Brzózko Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie OCENA PRZEBIEGU PROCESU TECHNOLOGICZNEGO POZYSKIWANIA DREWNA Z OBSZARU POKLĘSKOWEGO WSTĘP Obszary poklęskowe są to miejsca, w których nastąpiły nieprzewidziane wcześniej zjawiska o charakterze niekorzystnym a nawet katastrofalnym w skutkach dla danego terenu. Drzewostany, w których notuje się takie przypadki w większości zajmują dość rozległy obszar, który poprzez wyniszczenie nie kwalifikuje się niekiedy do odratowania. Szkody o charakterze klęskowym, występują w lasach najczęściej w postaci wiatrołomów, śniegołomów, gradacji owadów, szkodliwego oddziaływania grzybów, pożarzysk oraz imisji przemysłowych. Wiatrołomy powstają poprzez silne oddziaływanie na las wiatru, który zwiększając swą prędkość może przeradzać się w huragan, czy też wytworzyć trąbę powietrzną. Główną przyczyną powstawania huraganowych wiatrów jest ścieranie się ze sobą dwóch frontów atmosferycznych - zimnego z ciepłym oraz przemieszczanie się po sobie frontów chłodnych. W pierwszym przypadku, występujące w czasie burz wiatry przynoszą szkody w skali lokalnej, w drugim zaś szkody obejmować mogą obszar nawet kilku krajów. Trąby powietrzne tworzą się wskutek powstawania kontrastów termicznych. Ich zasięg jest niewielki (nie przekracza kilku kilometrów) jednak w starciu z drzewostanem powodują one straty całkowite. Drzewa, które spotykają się z tak wytworzoną siłą natury ulegają znacznym uszkodzeniom zewnętrznym jak i wewnętrznym. Silne - huraganowe wiatry oddziałujące bezpośrednio na drzewostan wywołują nieodwracalne szkody w jego strukturze. Powodują skręcenie włókien drzewa co znacznie obniża jego wartość ekonomiczną jak i techniczną. Drzewostan nie mogąc się oprzeć sile napierającego wiatru ulega połamaniu, obaleniu na ziemię wraz z karpą lub zarówno połamaniu jak i obaleniu. Wielkość i rodzaj szkód w dużej mierze zależy od prędkości wiatru. Najmniejsze powstawać mogą, gdy wiatr przekroczy prędkość 7 m/s. Skutki katastrofalne widoczne są gdy przekroczy on prędkość 25 m/s [1]. Skutki niszczycielsko działającego na las wiatru przedstawione zostały na rysunku 1. 206 Rys. 1. Drzewostan po przejściu huraganu Oprócz wiatrołomów, równie niebezpieczne w skutkach jest występowanie śniegołomów. Powstają one wskutek silnych opadów śniegu. Zarówno duże ilości suchego śniegu nagromadzonego w koronach drzew jak i małe ilości zamieniającego się z upływem czasu w lód - tzw. śniegu mokrego - mogą powodować znaczne zniszczenia w drzewostanie. Poza czynnikami atmosferycznymi, jak wiatr czy śnieg, drzewa mogą być narażone w dużej mierze na tzw. gradacje owadów, które występując w dużych ilościach, poprzez atak na drzewa i osłabienie ich struktury przyczynić się mogą do powstania klęski żywiołowej. Przy masowym ataku owadów drzewostan kwalifikuje się tylko do zrębu zupełnego. Osłabione gradacją owadów pierwotnych drzewostany, zaatakowane przez szkodniki wtórne obumierają całkowicie. Równie niebezpieczne dla drzewostanów są grzyby. Atakują one korzenie oraz całe drzewa przyczyniając się do powstawania ich chorób. Drzewa takie podatne są na oddziaływanie wiatrów, przez co łatwo się łamią. Zgnilizna korzenia zaś przyczynia się do powstawania wywrotów. Całkowite straty w drzewostanie mogą również powstać w wyniku oddziaływania na drzewostan imisji przemysłowych. Klęska taka przejawia się w zamieraniu drzewostanów. Szkodliwe oddziaływanie na drzewostan przemysłu przyczynia się niekiedy do jego całkowitej degradacji. Pożarzyska - niszczą drzewostan poprzez oddziaływanie na niego pożarów. Podczas powstania tego rodzaju klęski straty w drzewostanie są totalne. Pożar nie tylko całkowicie niszczy drzewa ale również życie biologiczne umiejscowione wewnątrz gleby. Klęska ta jest najpoważniejszą spośród wszystkich innych; jest również jedyną, na której wystąpienie wpływ ma człowiek [1]. 207 PROCES USUWANIA SKUTKÓW KLĘSK ŻYWIOŁOWYCH Skupiając się na zjawisku wiatrołomów, jako klęsk stanowiących największe wyzwanie dla gospodarzy terenów leśnych, można podzielić je na dwie grupy: szkody lokalne obejmujące zwykle obszary o powierzchni do kilkunastu ha oraz szkody wielkoobszarowe obejmujące znaczne obszary (nawet całych leśnictw). W tym wypadku do ich usuwania stosowane są maszyny wysokowydajne, najczęściej harwestery. Są to samojezdne, wielooperacyjne maszyny leśne dokonujące ścinki, okrzesywania oraz przerzynki pozyskiwanego drewna. Dzięki głowicy zawieszonej na żurawiu hydraulicznym, maszyny te mogą układać wyrobione wcześniej sortymenty w sposób umożliwiający łatwe dokonanie zrywki. Oprócz tego harwestery wyposażone są w elektroniczny układ pomiarowy, który pozwala na dokonanie pomiaru pozyskanego drewna (miąższości). Charakter pracy harwestera jest cykliczny. Czynności wykonywane przez maszynę obejmują oprócz operacji obróbczych także przejazdy maszyny szlakami do kolejnych miejsc ustawienia, zmiany szlaków oraz usuwanie podszytu (małych krzewów, sięgających kilka metrów wysokości, jednak nigdy nie dorastających do dolnego piętra drzewostanu). Na rysunku 2 przedstawiony został harwester Timberjack 1270 D pozyskujący drewno z obszaru poklęskowego. Zastosowanie harwesterów przy usuwaniu skutków wiatrołomów (lub śniegołomów) jest jednym z najlepszych i najbezpieczniejszych rozwiązań. Maszyny takie są bardzo wydajne i zapewniają duże bezpieczeństwo pracy. Operator znajdujący się w kabinie zachowuje bezpieczną dla niego odległość od obrabianego obiektu oraz jest dodatkowo chroniony przez kabinę. Rys. 2. Harwester Timberjack 1270D pracujący na powierzchni poklęskowej 208 Praca na terenie poklęskowym jest bardzo niebezpieczna. Operator harwestera przygotowujący się do pozyskiwania połamanych drzew powinien wcześniej zbadać powierzchnię pod kątem ukształtowania terenu, występowania ewentualnych przeszkód oraz wytrzymałości gruntu. Określić powinien również w jakim kierunku powalona jest większość drzew, jaka jest liczba mocno naprężonych drzew, zwałów i spiętrzeń. Posiadając takie informacje operator maszyny powinien określić w jaki sposób ma ustawić maszynę oraz w jakim kierunku ma się odbywać obalanie drzew. Proces pozyskania drewna z obszaru poklęskowego przebiega inaczej niż na normalnej powierzchni. Oprócz typowych czynności występujących przy pozyskiwaniu takich jak: ścięcie drzewa, okrzesywanie, podział na sortymenty, zrywka oraz wywóz, na obszarach poklęskowych wyróżniamy czynności dodatkowe, jak: oczyszczenie dróg publicznych oraz śródleśnych w celu przywrócenia możliwości normalnego przemieszczania się samochodów jak również kolei, przygotowanie lub uprzątnięcie szlaków technologicznych w celu umożliwienia łatwego dojazdu lub pieszego dotarcia do lasu robotników oraz służby leśnej, skierowanie ruchu turystycznego poza obszary zniszczone (w celu zapobiegnięcia wystąpienia ewentualnego wypadku czy przypadkowego podpalenia niezwykle podatnego na pożar zniszczonego lasu) oraz operacje obróbcze nie występujące w warunkach naturalnych (np. cofanie lub obracanie głowicy). Maksymalizacja skrócenia okresu, w którym zlikwidowane zostaną skutki klęski pozwala zwykle na uzyskanie lepszych sortymentów, gdyż nie dopuszcza się do deprecjacji surowca. Daje także możliwość szybkiego uproduktywnienia powierzchni jeszcze przed jej zachwaszczeniem. Dzięki szybkiemu uprzątnięciu zniszczonego drzewostanu (wyrobieniu i wywiezieniu surowca) nie dochodzi zwykle do powstania rozmnoży szkodników wtórnych, które przyczyniają się do powstania wtórnej klęski żywiołowej. Jej likwidacja byłaby dużo trudniejsza i bardziej czasochłonna, gdyż mogłaby trwać nawet kilka lat. Dlatego właśnie stosowanie harwesterów do usuwania skutków klęsk żywiołowych spowodowanych przez wiatr i śnieg jest powszechne zarówno w Polsce jak i na świecie. Celem niniejszego opracowania jest określenie struktury czasu oraz wyodrębnienie czynników wpływających na jego wielkość dla wybranych operacji procesu technologicznego pozyskiwania drewna z obszaru poklęskowego. METODYKA BADAŃ Badania pracy harwesterów na powierzchni poklęskowej przeprowadzono w październiku 2007. Rejestracja odbyła się na terenie zniszczonym przez wiatr – w Nadleśnictwie Przedbórz, Leśnictwie Reczków (RDLP Łódź). Obserwowaliśmy i rejestrowaliśmy przy pomocy kamery pracę czterech harwesterów: Timberjack 1270 D, Rottne H14, Valmet 911 i Valmet 941. 209 Analiza zarejestrowanego materiału uwzględniała określenie: rodzaju drzewa (typu złomu), typu strzały (prosta, krzywa), gatunku drzewa, średnicy drzewa, szacunkowej długości drzewa, liczby pozyskiwanych drzew z jednego ustawienia maszyny, liczby uchwyceń drzewa przez głowicę harwesterową, występowania cofnięcia głowicy, podciągnięcia drzewa, określenie czasu okrzesywania i przerzynki, liczby wyrobionych sortymentów, czasu przejazdu pomiędzy kolejnymi ustawieniami maszyny oraz opis wszelkich utrudnień, które pojawiły się w czasie pracy maszyny. WYNIKI BADAŃ Strukturę czasu pozyskiwania drzew na obszarze poklęskowym oparto na wynikach osiągniętych w czasie pracy przez harwestery: Rottne H-14 i Valmet 941. Ze względu na różnicę w wielkości badanych maszyn pojawiła się możliwość, poza jednostkową analizą pracy przy konkretnych rodzajach uszkodzonych drzew (rys. 3), przeprowadzenia analizy porównawczej pracy tych maszyn w zbliżonych warunkach, w porównywalnym drzewostanie. Biorąc pod uwagę sposób opisu wszelkich czasów określonych przy opisie łącznej struktury czasu dnia roboczego dla harwestera pracującego na powierzchni zrębowej, wyodrębnione zostały dodatkowe czynności wykonywane przez operatora maszyny, które w sposób bezpośredni (elementy dodatkowe, które pojawiły się w czasie obróbki określonego drzewa) oraz pośredni (czynności dodatkowe wykonywane w czasie między pozyskaniem kolejnych drzew) wpłynęły na ogólny czas pozyskania drewna na powierzchni poklęskowej. Analizując zarejestrowane dane, badany operacyjny czas pracy (T02) został podzielony na dwa stany pracy. 210 a) b) c) Rys. 3. Badane typy drzew uszkodzonych (wyodrębnione w ramkach): a) leżąca część złomu bramowego (LCZB), b) drzewo stojące bez korony (DSBK), c) wiatrował leżący (WL) Stan wykonywania operacji technologicznych typowych dla pozyskiwania w warunkach normalnych (w drzewostanie nieuszkodzonym), na który składają się: czas obróbki poszczególnych drzew (ścinka, okrzesywanie, przerzynka) (T1), czas przejazdów między miejscami ustawienia maszyny (T2). Stan wykonywania operacji niezbędnych do prowadzenia procesu technologicznego, charakterystycznych dla obszaru poklęskowego, na który składają się: cofanie głowicy od miejsca uchwycenia do miejsca rozpoczęcia pomiaru przez system komputerowy głowicy harwesterowej (T11), wyciąganie drzewa ze zwałowiska (T12), podciąganie drzewa (T13), dodatkowe uchwycenie drzewa – brane pod uwagę gdy nastąpi więcej niż 1 raz (T14), 211 oraz T02= T1 +T2 +T11 +T12 +T13 +T14 Wyodrębnione stany pracy harwestera zostały przeanalizowane dla dwóch badanych maszyn – Valmet 941 oraz Rottne H-14, z określeniem średniego oraz łącznego czasu wykorzystanego na ich wykonanie (tab. 1). Tab. 1. Wielkości czasów wykonywania poszczególnych operacji procesu technologicznego dla badanych maszyn Stan pracy T1 Valmet 941 Średni czas Łączny czas wykonania wykonania czynności [s] czynności [s] 63 10900 Stan pracy T1 Rottne H-14 Średni czas Łączny czas wykonania wykonania czynności [s] czynności [s] 62 10354 T2 9 564 T2 4 586 T11 1 71 T11 1 72 T12 T13 5 4 55 616 T12 T13 14 7 98 329 T14 4 132 T14 6 450 Procentowy udział czasów trwania wyróżnionych stanów wykonania operacji technologicznych dla badanych harwesterów przedstawiono na rys. 4. Rys. 4. Procentowy udział czasów trwania wyróżnionych stanów pracy w warunkach poklęskowych dla badanych maszyn 212 Procentowy udział czasów poszczególnych operacji zaliczonych do stanu pracy charakterystycznego dla obszaru poklęskowego (T11-T14) przedstawiono na rys. 5. Rys. 5. Zestawienie procentowego udziału czasów poszczególnych operacji typowych dla obszarów poklęskowych Uzyskane z badań parametry drzew (miąższość i rodzaj uszkodzenia) zestawione zostały z czasem ich pozyskania. Przykładową zależność dla harwestera Rottne H-14 przedstawiono na rys. 6. Ze względu na liczebność przypadków występowania wytypowane zostały trzy z badanych rodzajów połamanych drzew: wiatrował leżący (WL), drzewo stojące bez korony (DSBK) oraz leżącą część złomu bramowego (LCZB)(rys. 3). 213 Rys. 6. Zależność czasu pozyskania od miąższości drzewa LCZB, DSBK i WL przy pozyskiwaniu harwesterem Rottne H-14 Istotne statystycznie zależności czasu pozyskiwania od miąższości drzewa uzyskano dla wszystkich przedstawionych typów uszkodzeń drzew. Czasy obróbki zarówno wiatrowałów leżących (WL) jak i leżących części złomów bramowych (LCZB) są dłuższe niż drzew stojących bez korony (DSBK). Analizując wybrane punkty (drzewa) Interesujący jest fakt zbliżonych czasów pozyskania dwóch drzew (LCZB) o miąższości 0,48 m3 i 1,19 m3. W pierwszym przypadku wynosił on 89 sekund, w drugim 90 sekund (rys. 6 – punkty oznaczone ramką). Wydłużenie się czasu pozyskania drzewa o mniejszej miąższości wynikało z charakterystyki warunków poklęskowych. Drzewo było przed rozpoczęciem obróbki wyciągane spomiędzy rosnących drzew. Maszyna miała problemy z okrzesaniem drzewa a dwukrotne uchwycenie, wcześniej upuszczonego drzewa, znacznie wydłużyło czas jego obróbki. Harwester miał także problemy z zachowaniem stabilności poprzecznej podczas manewrowania drzewem w głowicy. Dodatkowo drzewo to miało przygniecioną górną część strzały przez inne leżące drzewo. Zwiększonego czasu pozyskiwania drzewa o mniejszej miąższości można zatem doszukiwać się w charakterystyce obszaru poklęskowego. Podobnie jest w przypadku DSBK. Zauważyć można iż dwa drzewa o takiej samej miąższości 0,63 m3 każde pozyskiwane były w czasie 53 sekundy i 33 sekundy. Wydłużony czas pozyskania drzewa pierwszego wynikał z konieczności wyciągania już ściętego drzewa spomiędzy innych stojących złomów. Konieczne było cofanie maszyny trzymającej pozyskiwane drze- 214 wo do miejsca, gdzie układane są sortymenty. Przed dokonaniem przerzynki, głowica harwestera miała problemy z utrzymaniem drzewa, towarzyszyły jej zachwiania co znacząco wydłużyło czas całego procesu. W przypadku drugiego, maszyna nie miała problemów z pozyskaniem. Przy pozyskaniu wiatrowałów leżących (WL) zwrócić uwagę można na dwa drzewa o takiej samej miąższości 1,19 m3 pozyskiwane w różnym czasie: 93 i 72 sekundy. W obu przypadkach czas obróbki związany był z operacjami charakterystycznymi dla warunków poklęskowych. Maszyna musiała wyciągać wiatrowały spomiędzy rosnących drzew oraz miała problemy z okrzesywaniem. W pierwszym przypadku harwester dodatkowo miał trudności z utrzymaniem uchwyconego drzewa (chwytał je dwa razy po wcześniejszym jego upuszczeniu). Wpływ rodzaju maszyny na czas pozyskiwania drzew przedstawiono na przykładzie wiatrowałów leżących (WL) na rys. 7. Rys. 7. Zależność czasu pozyskania od miąższości drzewa WL przy pozyskiwaniu harwesterami Timberjack 1270 D, Rottne H-14, Valmet 911 i Valmet 941 Istotność statystyczną zależności czasu pozyskiwania od miąższości uzyskano dla harwesterów Rottne H-14 i Timberjack 1270 D. Analizując poszczególne punkty warto zwrócić uwagę, np.: na fakt, że trzy drzewa o miąższości 0,79 m3 pozyskiwane były harwesterem Rottne H-14 w czasie 41, 80 i 81 sekund. Pierwszy z czasów odpowiada czasom uzyskiwanym w warunkach drzewostanów rębnych lub przedrębnych nieuszkodzonych, dwa kolejne, znacznie odbiegające od pierwszego wyraźnie wskazują na 215 problemy podczas pozyskania. W przypadku, gdy czas wyniósł 80 sekund harwester miał trudności z podciągnięciem drzewa do miejsca sortowania, jak również musiał dwukrotnie chwytać drzewo podczas obróbki. W przypadku czasu trzeciego maszyna trzykrotnie musiała chwytać obrabiane drzewo (trzecie uchwycenie po obróceniu głowicy). Najbardziej interesujący jest jednak fakt, że czas pozyskiwania, zwłaszcza drzew o największej miąższości, jest najkrótszy dla harwestera Valmet 941, największego z badanych, o masie 23500 kg, mocy 200 kW i momencie udźwigu żurawia 273 kNm. Zwraca uwagę zwłaszcza niewielki rozrzut wyników, sugerujący najmniejszy wpływ czynników charakterystycznych dla warunków poklęskowych na czas pozyskiwania. Wskazuje to na zależność wielkości maszyny i „problemów” z pozyskiwaniem drzew typowych dla warunków poklęskowych. Zwłaszcza w przypadku wiatrowałów leżących (WL) czas pozyskiwania mniejszymi maszynami wydłuża się ze względu na konieczność wyciągania drzew spomiędzy innych rosnących obok bądź czasem spod zwałowiska powalonych drzew. Maszyny mniejsze często mają trudności z utrzymaniem stabilności podczas uchwycenia i podniesienia takiego drzewa, w związku z tym częste jest upuszczanie przez głowicę harwestera takiego drzewa. Problemy widoczne są również przy okrzesywaniu rozłożystych koron. Wydłużenie się czasu pozyskiwania jest także skutkiem trudności maszyny z uchwyceniem drzewa tuż przy karpie a także przy jej odcinaniu. STWIERDZENIA I WNIOSKI 1. Pozyskiwanie drewna w warunkach poklęskowych jest trudniejsze niż w drzewostanach nieuszkodzonych. Wymaga większych nakładów pracy i trwa dłużej. Operacje obróbcze i inne (jak np.: podciąganie drzew lub wielokrotne chwytanie tego samego drzewa głowicą) powodują zmniejszenie wydajności. 2. Procentowy udział czasów występujących w procesie pozyskiwania drewna tylko w warunkach poklęskowych wyniósł 7% czasu dla harwestera Valmet 941 oraz 8% dla harwestera Rottne H-14. Najwięcej zajmowało podciąganie drzew (dla harwestera Valmet 941 – 71% czasu dodatkowego) oraz dodatkowe chwytanie drzew (dla harwestera Rottne H-14 - 47% czasu dodatkowego). 3. Zarówno typ uszkodzenia drzewa jak i wielkość maszyny pozyskującej mogą być w warunkach poklęskowych czynnikami decydującymi o czasie pozyskiwania, a zatem także o uzyskiwanej wydajności pracy. 4. Do pracy na powierzchniach poklęskowych preferowane powinny być maszyny duże, o dużej mocy i dużym momencie udźwigu żurawia hydraulicznego. Wpływ „warunków poklęskowych” na ich wy- 216 dajność jest najmniejszy. LITERATURA 1. Puchniarski T., 2003: Klęski żywiołowe w lasach. Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Warszawa. 2. Suwała M.,2002: Pozyskiwanie drewna ze złomów i wywrotów. Głos Lasu 3: 5 - 9. 3. Jawuła E.,1974: Pozyskiwanie drewna w drzewostanach uszkodzonych przez wiatry oraz kiść. Sylwan 11:75 – 84. 217 Agnieszka Szpura, prof. Edmund Kamiński Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego AGREGATY DO SIEWU BEZPOŚREDNIEGO ZBÓŻ Summary Owing to the high level of work and energy consumption as well as water and wind erosion of farmlands the wide technological and constructional researches are conducted. The main aim of this work was to describe several types of cereal drills for direct sowing including its advantages and disadvantages. A wide range of different drills for direct sowing is available on the market at the present moment. Unfortunately, they are expensive and cooperate with modern tractors with power over 50 kW. Nevertheless, the dynamic development of this kind of implementations and its higher demand is observed. There is also increasing number of land areas sown over with direct sowing. Key words: plant tillage, cereal drills, direct sowing, agricultural engineering 1. WSTĘP Siew tradycyjny zbóż bazuje na uprawie podstawowej wykonywanej pługami różnych typów (zagonowe, obracalne, frontalne) z narzędziami doprawiającymi (brony, wały kruszące, ugniatające, wyrównujące) oraz uprawie przedsiewnej wykonywanej zestawami uprawowymi w skład których wchodzą narzędzia proste takie jak brony, kultywatory, wały strunowe, dobierane odpowiednio do warunków glebowych. Z uwagi na wysokie ceny materiału siewnego, w porównaniu z cenami ziarna konsumpcyjnego i przemysłowego, od siewników zbożowych wymaga się bardzo dużej precyzji wysiewu (dokładna dawka na hektar, stała wymagana głębokość siewu, nie uszkadzanie nasion przez zespoły wysiewające, wysoka równomierność poprzeczna i podłużna wysiewu). Oprócz wysokich wymagań stawianych siewnikom zbożowym, wysokie wymagania stawiane są również narzędziom uprawowym, które mają przygotować glebę w sposób zapewniający dobre wschody, dobre ukorzenienie roślin i szybki ich wzrost [Muzalewski 2008, Muzalewski 2008a, Zende, Achtel 2005]. Uprawa tradycyjna ukierunkowana jest na wysoki plon roślin uprawnych, co wiąże się bardzo często z wysokimi kosztami, nakładami energetycznymi oraz nie zabezpieczeniem pola przed erozją wodną i wietrzną gleby. Ograniczenie nakładów energetycznych, pracochłonności i kosztów uprawy roślin można uzyskać poprzez stosowanie tzw. siewu bezpośred- 218 niego. Obecnie dostępny jest na rynku szeroki asortyment maszyn do siewu bezpośredniego, a producenci systematycznie je udoskonalają. Rys.1. Widok pola obsianego metodą siewu bezpośredniego z rzędami roślin kukurydzy i pozostawionymi w międzyrzędziach resztkami ścierniska. Przez siew bezpośredni rozumie się operację technologiczną łączącą ze sobą wiele zabiegów prostych, a przede wszystkim: wykonanie szczeliny w glebie, wysiew nasion i przykrycie nasion glebą. Często siew nasion łączony jest również z zabiegami nawożenia mineralnego nawozami stałymi i ciekłymi oraz opryskiem środkami ochrony roślin. Przykładowe wschody roślin po tej technice siewu pokazano na rysunku 1. 2. GENEZA, CEL I ZAKRES BADAŃ W oparciu o dokonany przegląd literatury naukowej stwierdzić można, że obecnie prowadzonych jest wiele badań z zakresu siewu bezpośredniego. Szereg problemów zostało już rozwiązanych, część znajduje się w trakcie badań, a niektóre nie zostały podjęte. Z problemów rozwiązanych w stopniu dostatecznym wymienić można: ustalenie roślin uprawnych przydatnych do siewu bezpośredniego (kukurydza, rzepak, zboża ozime, strączkowe, burak cukrowy), określenie wymagań agrotechnicznych stawianych siewnikom, narzędziom i maszynom współpracującym z siewnikiem, określenie warunków glebowo-klimatycznych przydatnych do uprawy roślin tą metodą (gleby lekkie o dobrej strukturze). Do problemów aktualnie rozwiązywanych zaliczyć można: badania nad równomiernością głębokości siewu nasion, równomiernością poprzeczną i podłużna, stałością dawki nasion na hektar, jakością pracujących maszyn i narzędzi uprawowych, energochłonnością produkcji i skutkami ekologicznymi [Lipiński 2005, Lipiński 2006, Kogut 2008]. Do problemów nierozwiązanych zaliczyć można: określenie stopnia zachowania żyzności gleby, zdrowotności roślin, brak maszyn przystosowanych dla gospodarstw o małym areale [Dawidowski 2008, Krawczyk i inni 2008, Szeptycki 2006, Szlachta, Śniady 2008]. Celem badań było scharakteryzowanie wybranych, dostępnych na rynku, maszyn przeznaczonych do siewu bezpośredniego zbóż, oraz po- 219 danie kierunków doskonalenia agregatów siewnych w aspekcie przystosowania ich do lokalnych warunków glebowo-klimatycznych, uprawianych roślin, wyposażenia gospodarstw w ciągniki rolnicze. Zakres badań obejmował agregaty do siewu bezpośredniego zbóż produkowane przez firmy z przeznaczeniem również na rynek Polski ze zwróceniem uwagi na ciągniki i ich wyposażenie, łączone narzędzia proste z zachowaniem dobrej jakości pracy przy ustalonej prędkości roboczej, spełnianie wymagań technicznych i technologicznych w produkcji roślinnej. 3. PRZEBIEG I WYNIKI ROZWAŻAŃ Siewniki – podobnie jak inne maszyny rolnicze – ulegają ciągłemu ulepszaniu i modernizacji, z roku na rok są na rynku coraz lepsze modele. W roku 1708, angielski agronom Jethro Tull skonstruował pierwszy siewnik pozwalający na zagłębianie nasion w ziemi na zadanej głębokości i sianie ich w rzędach. Obecnie polski rynek maszyn przeznaczonych do siewu jest stosunkowo duży [Katalog maszyn rolniczych 2008]. W latach 1999-2005 wiodące na rynku firmy odnotowały znaczący wzrost obrotów. Mowa tu o takich przedsiębiorstwach jak: Kverneland, Kuhn i Amazone, które posiadają bogatą ofertę maszyn do uprawy roślin, w której znajdziemy między innymi maszyny uprawowe, siewniki, rozsiewacze nawozów oraz opryskiwacze polowe. Większość firm, liczących się na polskim rynku maszyn rolniczych, regularnie poszerza swoją ofertę o nowe siewniki oraz kombinacje uprawowo - siewne. Należy zwrócić szczególną uwagę na agregaty firm liczących się na polskim rynku maszyn rolniczych, wśród których wymienić należy: Horsch Maschinen GmbH ze Schwandorf w południowych Niemczech, Lemken Polska, John Deere, Junkkari czy Köckerling. Wśród polskich producentów należy zaś wymienić „Rolmasz” Kutno oraz „Famarol” Słupsk. John Deere Ta znana firma do siewu w mulcz proponuje siewnik o symbolu 740A. Maszyna ta jest produkowana w trzech szerokościach roboczych: 6, 8 oraz 9 m. Jej zapotrzebowanie na moc wynosi 73,5 – 95,6 kW. Rys.2. Siewnik do siewu bezpośredniego firmy John Deere [www.deere.com] 220 W zależności od szerokości roboczej siewnika, może on być wyposażony w zbiornik nasienny o pojemności od 2 300 litrów do 3 500 litrów. Elementem roboczym są redlice dwutarczowe o średnicy 343 mm i rozstawie 15 cm. Ziarno ze zbiornika nasiennego do redlic jest transportowane pneumatycznie. Jednostkowy nacisk na redlicę wynosi 500 N i jest regulowany hydraulicznie. Pozwala to na osiąganie głębokości siewu z zakresu 1,2 – 7,8 cm. Siewnik John Deere 740A współpracuje z systemem GreenStar – System, który pomaga zbierać dane od momentu siewu do zbioru, a dalsza ich interpretacja i przetwarzanie umożliwiają podejmowanie lepszych decyzji organizacyjnych i zarządczych dotyczących prowadzonych upraw. Junkkari Fiński producent posiada w swej ofercie dwie maszyny do siewu bezpośredniego: siewnik Simulta oraz agregat uprawowo – siewny Maestro. Są one maszynami, którymi można jednocześnie zasiać zboże oraz zasilić je nawozem. Na takie rozwiązanie pozwala zastosowanie redlic talerzowych, dzięki którym w wycięty w glebie rowek siany jest nawóz i ziarno, rys. 3. Rys.3. Siewnik do siewu bezpośredniego Junkkari typ Simulta 300 ST (szerokość robocza – 3 m; pojemność skrzyni nasiennej – 3390 dm3; pojemność skrzyni nawozowej 2580 dm3; wysokość napełniania – 1,75 m; rozmiar ogumienia 7,00x12; masa siewnika pustego – 2150 kg) [www.centrummontessori.pl /_junkkari_2/index.htm]. Uzyskiwany nacisk redlicy na glebę w przypadku Simulty wynosi 300 N, zaś w przypadku Maestro jest on regulowany w zakresie 40 – 1600 N. Rozstaw redlic wynosi 12,5 cm w obu siewnikach. Firma Junkkari zastosowała w swych maszynach mechaniczny wysiew nasion. Siewniki wyposażone są w komputer Wizard – driver, rys.4, który kontroluje każdy etap procesu wysiewu (od licznika hektarów po sterowanie automatem do ścieżek technologicznych). Zapotrzebowanie na moc w przypadku maszyny o szerokości roboczej wynosi 66 – 73,5 kW i wzrasta ono dwukrotnie w przypadku zastosowania narzedzia dodatkowego – brony talerzowej, włóki lub wału. 221 Rys. 4. Komputer typu Wizard-drive Köckerling Niemiecka firma Köckerling produkuje siewnik uniwersalny pod nazwą Ultima. Maszyna ta jest przeznaczona do siewu w glebę uprawioną, do siewu w mulcz lub siewu bezpośredniego, rys.5 Rys.5. Siewnik Ultima [www.koeckerling.de] Elementem roboczym jest redlica dłutowa, pracująca pod naciskiem powyżej 2000 N. Ponadto, ustawienie redlic w odpowiedniej szerokości względem siebie eliminuje efekt zapychania się resztkami pożniwnymi i pozwala na osiąganie wysokiej wydajności pracy. Oprócz tego firma zastosowała inne ciekawe rozwiązanie. Polega ono na możliwości jednoczesnego siewu z nawożeniem nawozami płynnymi (RSM). Za każdą redlicą umieszczona jest końcówka przewodu nasiennego i nawozowego, których wylot jest skierowany na świeżo odsłoniętą glebę. Parametry techniczne siewników zamieszczono w tabeli 1. 222 Tabela 1. Wybrane [www.koeckerling.de]. dane techniczne siewników Ultima Szerokość robocza, m 3.00 4.00 4.50 6.00 Szerokość transportowa, m 3.00 3.00 3.00 3.00 Liczba redlic, szt 17 23 25 33 Masa redlicy, min, kg 200 200 200 200 Masa siewnika, kg 4 860 5 500 6 600 7 600 Wał STS ø 530 mm Tylna brona 13 mm ø 13 mm ø 13 mm ø 13 mm ø 3000 3000 3000 Pojemność skrzyni nasien- 3000 nej, dm3 Napęd dmuchawy pompa hydrauliczna nasadzana na WOM Wyposażenie seryjne siewnika Ultima składa się z: pomost załadowczy, uchwyt z tablicami ostrzegawczymi i oświetleniem, mechaniczny licznik hektarów, znacznik hydrauliczny boczny z tarczą zębatą, wał STS ø 530 mm Lemken Z całej oferty siewników najlepiej przystosowanymi do siewu uproszczonego są siewniki pneumatyczne Solitair 9, który jest widoczny na rysunku 7. Rozwiązania zastosowane przez firmę Lemken, które świadczą o wysokim stopniu przydatności produkowanych maszyn to: elektrycznie napędzane aparaty wysiewające; rozdzielacze nasion umieszczone na zewnątrz zbiornika umożliwiające dokładny wysiew nasion; odpowiednie ukształtowanie zapobiega zapychaniu się przewodów; możliwość wzrokowej kontroli ilości ziarna w zbiorniku, a także zastosowanie czujnika ilości ziarna w połączeniu z komputerem pokładowym Solitronik; redlica dwutarczowa z ogumioną rolką regulacji głębokości pracy zapewnia dokładne umieszczenie nasion na takiej samej głębokości rys. 8; 223 równoległobocznie zawieszone i dwutarczowe redlice umożliwiają indywidualną regulację nacisku i głębokości wysiewu każdej redlicy niezależnej; bezstopniowa regulacja głębokości siewu i możliwość dostosowania siewu do różnych warunków glebowych. 4. PODSUMOWANIE Rys. 7. Siewnik Solitair 9 Rys.8. Zawieszenie redlic W Polsce tylko kilka procent gospodarstw stosuje siew bezpośredni. Powodem jest między innymi ich duże rozdrobnienie oraz bardzo drogi sprzęt do siewu w tej technologii. Na zastosowanie tego rozwiązania mogą pozwolić sobie głównie najbogatsi, posiadający kilkaset i więcej hektarów. Ponadto, nakłady na inwestycję w sprzęt muszą iść w parze ze zmianą sposobu myślenia rolnika oraz organizacji produkcji roślinnej. W zaprezentowanych powyżej siewnikach przeznaczonych do siewu bezpośredniego wykorzystywane są najbardziej nowoczesne technologie i konstrukcje, których bezpośrednim celem jest ułatwienie przeprowadzanych prac polowych oraz podniesienie ich jakości, a co za tym idzie – podniesienie jakości uzyskiwanych plonów. W konstrukcji siewników dąży się obecnie do zwiększenia uniwersalności zastosowania maszyny, bez konieczności uciążliwego jej przestawiania na wysiew nasion innych roślin. Ostatnie nowości w tej dziedzinie dotyczą indywidualnego, zdalnie sterowanego napędu sekcji oraz ciągłej regulacji odległości nasion w rzędzie. W wyposażeniu nowoczesnych siewników coraz częściej stosuje się elektroniczną aparaturę (komputery pokładowe) do kontroli równomierności wysiewu, sterowania znacznikami, pomiaru obsianej powierzchni. Uzyskiwane w ten sposób dane mogą służyć analizowaniu i wyciąganiu wniosków, na podstawie których podejmowane są ważne decyzje zarządcze i organizacyjne. 224 Połączenie wysiewu nawozów (zarówno płynnych, jak i w formie stałej) z nasionami sprzyja zwiększeniu efektywności stosowanych nawozów w technologii siewu bezpośredniego. W przypadku oddzielnie wykonywanego zabiegu nawożenia na powierzchni pola nie spulchnionego, nawóz rozrzucany powierzchniowo nie wnika dostatecznie szybko w głąb gleby. 5. WNIOSKI Znajdujące się na rynku maszyn rolniczych siewniki do siewu bezpośredniego zbóż są zarówno siewnikami uniwersalnymi, z punktu widzenia techniki siewu, jak i siewnikami specjalistycznymi do siewu bezpośredniego zbóż z możliwością jednoczesnej aplikacji nawozów mineralnych. Do liczących się producentów siewników tego typu zaliczyć można następujące firmy: John Deere, Junkkari, Köckerling, Lemken, Horsch Maschinen GmbH, Kverneland, Kuhn, Amazone, Rolmasz, Fumarol. Produkowane siewniki przystosowane są głównie do nowoczesnych ciągników rolniczych o mocy powyżej 50 kW, wyposażonych w przedni i tylny trzypunktowy układ zawieszenia, przedni i tylny WOM, zewnętrzny układ hydrauliczny. Siewniki wyposażane są najczęściej w talerzowy układ redlinowy, zawieszany na równoległoboku, z możliwością regulacji nacisku redlic na glebę w celu zachowania stałej wymaganej głębokości siewu. Do zalet siewu bezpośredniego zaliczyć należy: ograniczenie pracochłonności, energochłonności i kosztów operacji technologicznej, ograniczenie erozji wodnej i wietrznej gleby, ograniczenie przesuszania gleby, Do wad siewu bezpośredniego zaliczyć należy: nadmierne zagęszczenie gleby z powodu nie stosowania zabiegów spulchniających, pogorszenie żyzności gleby, trudne warunki kiełkowania i wzrostu roślin spowodowane nieprecyzyjnym siewem, wzrost zachwaszczenia pola, intensywne występowanie myszy polnych i ślimaków, mało efektywne wykorzystanie nawozów mineralnych. Obserwuje się dynamiczny rozwój konstrukcji siewników tego typu oraz technologii uprawy roślin opartych na tych maszynach i należy oczekiwać, że w przyszłości udział plantacji obsianych tymi maszynami znacznie się zwiększy. LITERATURA Białek J. 2007 „Uprawa płużna i bezorkowa – wady i zalety” [w:] „Wiadomości Rolnicze Polska” nr 09/2007 (37), s. 38 – 39; 225 Buliński J. 2006. Problemy ugniatania gleb uprawnych. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych. Zeszyt 508, s. 11-20. Dawidowski J.B. 2008. Obciążenia osi kół pojazdów i maszyn rolniczych a ochrona gleby. Ogólnopolska Konferencja Naukowa ”Ekologiczne aspekty mechanizacji rolnictwa”. SGGW Warszawa, 25 czerwca 2008 r., s. 43-58. Katalog Maszyn Rolniczych 2008. Instytut Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa w Warszawie. Kogut Z. 2008. Dobór parametrów procesu siewu w aspekcie głębokości pracy redlic. Inżynieria Rolnicza, nr 3(101), rozprawa habilitacyjna, s. 145. Krawczyk R., Kaczmarek S., Mrówczyński M. 2008. Rolnictwo zrównoważone – nowe technologie a problematyka zachwaszczenia. Problemy Inżynierii Rolniczej, nr 2(60), Kuś J., Jończyk K. 2008. Charakterystyka i rozmieszczenie gospodarstw ekologicznych w Polsce. Problemy Inżynierii Rolniczej, nr 2/2008, s. 15-23. Muzalewski A. 2008. Zasady doboru maszyn do gospodarstw rolnych. Problemy Inżynierii Rolniczej, s. 86. Muzalewski A. 2008a. Ciągniki w gospodarstwach ekologicznych. Problemy Inżynierii Rolniczej, nr 2/2008, s. 53-60. Lipiński A. 2005. Wpływ dawki nasion i prędkości siewnika na równomierność rzędowego siewu nasion pszenicy. Inżynieria Rolnicza, nr 1(61), s. 93-99. Lipiński A.J. 2006. Studia nad procesem rozpraszania nasion zbóż siewnikami mechanicznymi. Inżynieria Rolnicza, nr 1(76), rozprawa habilitacyjna, s. 105. Szeptycki A. 2006. Znaczenie techniki w systemie zrównoważonej produkcji rolniczej. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering. Vol. 51(2), 184. Szlachta J., Śniady R.A. 2008. Zadania inżynierii rolniczej w ekologicznym gospodarstwie rolnym. Ogólnopolska Konferencja Naukowa ”Ekologiczne aspekty mechanizacji rolnictwa”. SGGW Warszawa, 25 czerwca 2008 r., s. 59-70. Zande J.C. Van de, Achtel J.T.J.M. 2005. Precision agriculture in plant protection technique. Annual Review of Agricultural Engineering. 226 Ondrej Takáč - Pavol Bystriansky VODNÁ ENERGIA AKO ZDROJ ELEKTRICKEJ ENERGIE Abstract The goal of our work was to propose a small waterpower plant. Nowaday, energy requests of the humankind are still increasing. Renewable resources of the energy are getting into the forefront. Among these belongs the waterpower as well. Hydraulic power is exploited to the production of the electrical energy also in small waterpower plants. Usually, it is not involved in the negative incidence on the environment. Slovakia has a lot of suitable locations and favorable natural conditions to utilizing waterpower. Supposed the data from SHMU about the flow of water and an artificial fall we have projected two hydroaggregates. We also have estimated economic return of the investments. Key words: generation of electricity, waterpower, small waterpower plants, economic return Úvod Vodná energia je jednou z najstarších využívaných foriem energie. Siaha až k počiatkom ľudstva a bola neoddeliteľnou súčasťou vývoja každej civilizácie. Energia vody sa stala najstaršou využívanou formou energie v dejinách. V súčasnej dobe, kedy sa míňajú zásoby primárnych energetických zdrojov, hľadajú sa obnoviteľné zdroje energie. Vyzdvihuje aj energetické využitie vôd, najmä povrchových tokov. Slovensko má bohaté vodné zdroje, vhodné k výstavbe malých vodných elektrární. V tomto príspevku so zameraním na využitie hydroenergetického potenciálu vybraného vodného toku navrhneme malú vodnú elektráreň (MVE) k výrobe elektrickej energie. Materiál a metódy Pre energetické účely má praktický význam hydroenergetický potenciál. Ten je v podmienkach ako Slovenskej republiky tak aj ostatných suchozemských štátov rozptýlený do malých vodných tokov. Efektívne využívanie nie je možné veľkými vodnými dielami ale dokážemePre návrh MVE sme si zvolili rieku Žitava. Pred samotným návrhom potrebujeme hydraulické podklady o vybranom toku, najmä n–denné prietoky a dlhodobý priemerný prietok v danej rieke. Tie sme získali zo Slovenského hydrometeorologického ústavu. Na základe nameraných prietokov sme zostrojili 227 odtokovú krivku, určili výkonové pomery vodného toku a podľa nomogramu výrobcov vodných turbín navrhli turbíny. Podľa výkonu turbín sme navrhli elektrický generátor z aktuálnych ponúk výrobcov. Nakoniec sme zhodnotili prevádzku MVE a vypočítali návratnosť investície. Výsledky a diskusia Získané n–denné prietoky zo SHMÚ uvádzame v tabuľke č. 1. Qa je dlhodobý priemerný prietok. Tabuľka č.1 Reálne n–denné prietoky rieky Žitava v lokalite Vieska nad Žitavou Dni 3 -1 Q (m .s ) 30 3,65 90 1,678 180 0,92 270 0,549 330 0,364 355 0,21 364 Qa 0,115 1,601 Pre technické využitie nemáme k dispozícii celý daný prietok. Musíme istý prietok ponechať v koryte bez využitia – tzv. biologické minimum. Ten je stanovený SHMÚ ako 355-denný prietok. Po odčítaní máme k dispozícii prietok, ktorý uvádzame v tabuľke č. 2. Tabuľka č.2 Využiteľné n–denné prietoky Dni 3 -1 Q2 (m .s ) 30 3,44 90 1,468 180 270 0,71 0,339 330 0,154 355 0 364 Qa 0 1,391 Týmto sme získali prietok, ktorý máme plne k dispozícii pre technické využitie. Zostrojíme krivku prekročenia prietokov, nazývanú aj odtoková krivka, ktorá akceptuje toto biologické minimum. Krivku trvania prietokov uvádzame na obr. č. 1. Obr. č. 1. Krivka prekročenia prietokov 228 Pri voľbe turbín vychádzame z uvedenej odtokovej krivky. Pre využitie energie vodného toku sme sa rozhodli pre 180-dennú prevádzku s dvoma turbínami, z ktorých jedna zužitkuje 0 až 90-denný prietok do 1,5 m3.s-1 a druhá prietok 90 až 180-denný do 0, 7 m3.s-1. Pre prvý prípad volíme turbínu č.1 a pre druhý prípad turbínu č.2. Ako turbínu č.1 sme si zvolili výrobok českej firmy ZIRMONT spol. s r.o. Pre naše potreby sme si podľa nomogramu ktorý uvádzame na obr. č. 2. vybrali turbínu ZR 85. Dosahuje výkon 22 kW pri otáčkach 318 min-1. Obr. č. 2. Nomogram použitia turbín Zirmont Ako turbínu č.2 volíme výrobok českého výrobcu MAVEL, a.s. Pre naše potreby je optimálna turbína MT 5 podľa diagramu výrobcu uvádzaného na obr.č. 3. Vybraná turbína dosahuje výkon 12 kW pri otáčkach 400 min-1. 229 Obr.č. 3. Oblasť použitia turbín MAVEL radu MT Uvažujeme stálu dodávku vyrobenej elektrickej energie do elektrickej siete 3 x 400 V. S výhodou použijeme na mieste generátora asynchrónny motor. Jeho veľká výhoda okrem konštrukčnej jednoduchosti a nenáročnosti spočíva aj v jednoduchom istení a spoľahlivosti v prevádzke. Nevýhodou je však neschopnosť samostatného chodu, nakoľko aj v generátorovom stave potrebuje jalový výkon na vlastnú magnetizáciu. Tento výkon odoberá práve z rozvodnej elektrickej siete, ktorým ju zaťažuje jalovým prúdom. Tento musíme kompenzovať. Motor s danými otáčkami sa nenachádza v ponukách výrobcov sériových výrobkov. Ak uvážime do budúcna hľadisko univerzálnosti, zvolíme vhodný typ motora z ponúk výrobcov. Zvolili sme asynchrónny klietkový motor radu 1LG6 od firmy SIEMENS. Dané generátory majú synchrónne otáčky 750 min-1. Musíme preto použiť prevod, ktorým zvýšime otáčky turbíny na potrebné otáčky generátora. Použijeme remeňový prevod s klinovými remeňmi. Ak má indukčný motor pracovať v generátorovom režime, musí pracovať so záporným sklzom. Pre turbínu ZR 85 volíme elektromotor 1LG6 223 – 8AB a určíme sklz: s kde: ns n1 750 730 22 0,030 3 % ns 725 725 (1 ) s : sklz ns : synchrónne otáčky otáčavého magnetického poľa = 750 min-1 n1 : otáčky motorického chodu = 730 min-1 230 Pri známych menovitých otáčkach a sklze môžeme stanoviť potrebné otáčky generátorového chodu označené n1. ns n1 n1 ns s.ns ns (2 ) n1 750 0,030.750 772,5 min 1 (3 ) s Na hriadeľ motora potrebujeme priviesť otáčky : 772,5 . min-1. Prevodový pomer teda bude: ip n1 772,5 2,43 n2 318 (4) ip: prevodový pomer n1: otáčky generátora n2: otáčky turbíny kde: Podobne pre druhú turbínu a generátor 1LG6 186 – 8AB vypočítame sklz: s ns n1 750 725 25 0,033 3,3% ns 725 725 (5 ) Výpočtom sme stanovili, že daný motor pracuje so sklzom 3,3 %. Pri známych menovitých otáčkach a sklze môžeme stanoviť potrebné otáčky generátorového chodu označené n1. ns n1 n1 ns s.ns ns (6 ) n1 750 0,033.750 774,75 min 1 (7 ) s Na hriadeľ motora potrebujeme priviesť otáčky : 774,75 . min-1. Prevodový pomer vypočítame: ip n1 774,75 1,94 n2 400 (8 ) Napokon stanovíme prevádzku a ekonomickú návratnosť navrhnutej malej vodnej elektrárne: Celková vyrobená elektrická energia za rok z oboch turbín: E1 g.Q.H .t . p .G .t 9,81.1,5.2.0,75.0,89.0,916.24.90 38880 kWh ( 9 ) E2 g.Q.H .t . p .G .t 9,81.0,7.2.0,88.0,89.0,887.24.150 3420 kWh ( 10 ) EC E1 E2 38880 34200 73080 kWh 231 ( 11 ) kde: E1: ročná výroba elektrickej energie turbíny ZR 85 E2: ročná výroba elektrickej energie turbíny MT 5 EC: celková ročná výroba G : gravitačné zrýchlenie Q : prietok turbínou H : spád t : účinnosť turbíny p : účinnosť prevodu G : účinnosť generátora Výkupná cena elektrickej energie je stanovená Úradom pre reguláciu sieťových odvetví na 1,75 Sk za 1kWh. Obstarávacie náklady: - Turbína ZR 85 : 172 679 Sk s DPH - Generátor Siemens 1LG6 223 – 8AB : 40 965 Sk s DPH - Turbína MT 5 : 113 793 Sk s DPH - Generátor Siemens 1LG6 186 – 8AB : 27 310 Sk s DPH ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Strojné vybavenie : 345 747 SK s DPH Stavebné práce : 500 000 Sk s DPH ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Celkové investičné náklady : 854 747 Sk s DPH = 855 000 Sk.,Prevádzkové náklady: - Poistenie : 5985 Sk - Klinové remene : 800 Sk - Údržba (20% z čistého zisku) : 24 000 Sk –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Celkové ročné prevádzkové náklady : 30 785 Sk Pre ročný čistý zisk potom vychádza hodnota: rCZ ( P.C rNp); Sk .rok 1 rCZ (73080 30785) 97105 Sk .rok 1 kde: rCZ : ročný čistý zisk P : produkcia C : výkupná cena elektrickej energie 232 Návratnosť navrhnutej MVE je: N I 855000 8,20 rokov rCZ rNa 97105 7122,892 kde: I : výška investície Sk rNa : ročné náklady na amortizáciu Sk.rok-1 Záver Cieľom našej práce bol návrh malej vodnej elektrárne. Tento cieľ sme splnili návrhom strojného zariadenia podľa aktuálnej ponuky výrobcov. Volili sme prevádzku s dvomi turbínami českých výrobcov ZIRMONT spol. s r.o. a MAVEL, a.s. Generátory sme volili indukčné motory firmy SIEMENS v generátorovom chode. Celkové obstarávacie náklady dosiahli 855 000 Sk. Prevádzkové náklady dosahujú 30 785 Sk. Doba návratnosti pri danej investícii dosahuje 9 rokov. Použitá literatúra 1. Hodák, T., Dušička, P.: Malé vodné elektrárne. Jaga group. 1998. ISBN 80 – 967676 – 8 – 2. 2. Melichar, J. a kol.:Malé vodní turbíny, konstrukce a provoz. ČVUT. 1998. ISBN 80 – 01 – 01808 - 0. 3. BYSTRIANSKY, Pavol - CASAMASSIMA, Marco. Power consumption measurement and reading in Italy. In IRES'06 : informační, řídící a energetické systémy. - Praha : Česká zemědělská univerzita, 2006. ISBN 80-213-1520-2, s. 37-44. Požiadavky na systém: Windows 98 a vyššie; CD-ROM mechanika. 4. BYSTRIANSKY, Pavol - MINÁRIK, Ján. Analyzátor možností úspor elektrickej energie s použitím PC. In Informačné a automatizačné technológie v riadení kvality produkcie : medzinárodná vedecká konferencia, Vernár - Slovenský raj, Slovensko, 12. - 14. septembra 2005. - Nitra : Slovenská poľnohospodárska univerzita, 2005. ISBN 80-8069-577-6, s. 6-10. Požiadavky na systém: Windows 95 a vyššie; CD-ROM mechanika. Dostupné na internete: <http://www.slpk.sk/eldo/2005/010_05/1.pdf>. 5. LUKÁČ, Ondrej - KOLESÁR, Miroslav - HLAVÁČOVÁ, Zuzana. Modelovanie dynamických systémov. In XIV. DIDMATTECH 2001 : Materialy miedzynarodowej konferencji naukowej : Radom 6.7.9.2001. - Radom : Politechnika Radomska, 2001. ISBN 83-7204221-7, s. 221-224. 233 6. LUKÁČ, Ondrej. Viacparametrové meranie rýchlosti prúdenia. In Sekel 2004 : mezinárodní odborní seminář kateder zajišťujícich výuku elektrotechnických predmetov na neelektrotechnických předmětů na neelektrotechnických fakultách, Písek u Jablunkova 22-24.10.2004. - Ostrava, 2004 : Vysoká škola báňská - Technická univerzita. ISBN 80-248-0619-3. Požiadavky na systém: Windows 98 a vyššie; CD-ROM mechanika 7. HRUBÝ, Dušan - MORVAY, Baltazár - MAGA, Juraj. Folyadékok pontos adagolásának automatizálása. In Jármüvék. ISSN 15850676, 2000, roč. 47, č. 3-4, s. 26-28. 8. http://www.cink-hydro-energy.com/cz/kontakt.htm 9. http://www.ziromont.cz/index-p.htm 10. www.siemens.cz/ad 11. http://www.mavel.cz Súhrn Cieľom uvedenej práce bolo navrhnúť malú vodnú elektráreň na vybranom vodnom toku. V súčasnosti výrazne vzrástli energetické požiadavky ľudstva a do popredia sa dostáva aj využitie obnoviteľných zdrojov energie. Medzi ne patrí aj vodná energia. Podkladom k návrhu boli údaje o prietokoch z SHMÚ. Pre uvažovaný spád a prietok sme navrhli dva hydroagregáty. Na záver sme zhodnotili prevádzku a určili návratnosť investície. Kľúčové slová: výroba elektrickej energie, vodná energia, vodná elektráreň, ekonomická návratnosť 234 Jakub Turtoń, Adam Koniuszy Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Zakład Podstaw Techniki MOŻLIWOŚĆ ZASTOSOWANIA ESTRÓW OLEJU RZEPAKOWEGO RME W UKŁADZIE SMAROWANIA SILNIKA AD3.152UR 1. Wprowadzenie Zainteresowanie przetwórstwem olejów roślinnych jako surowców wykorzystywanych nie tylko w celach spożywczych wynika z potrzeby zaspokojenia zapotrzebowania na tłuszcze jadalne dzięki prowadzonej w Europie przez ostatnie lata polityce rolnej [10]. Jako główne dziedziny niespożywczych zastosowań tłuszczów roślinnych w technice motoryzacyjnej wymienić można: wytwarzanie paliw (silnikowych, opałowych), produkcja środków smarnych [7, 10]. W zastosowaniu paliwowym energię uzyskaną z olejów roślinnych można traktować jako energię alternatywną, która może być brana pod uwagę w specyficznych dla danego rejonu warunkach. Opisywane warunki to przede wszystkim: wyczerpywanie się energetycznych surowców kopalnych, obecność nadwyżek produkcyjnych roślin oleistych, obciążenia podatkowe energii konwencjonalnej, czynniki strategiczno-polityczne, uwarunkowania środowiska przyrodniczego w danym rejonie, itp. Oprócz korzyści technicznych wynikających z zastępowalności oleju napędowego (ON) estrami olejów roślinnych, potwierdzonych licznymi, krajowymi i zagranicznymi pracami badawczymi również o charakterze aplikacyjnym, trzeba uwzględnić zalety płynące z pozytywnego oddziaływania olejów roślinnych na środowisko przyrodnicze. Po chemicznym przerobieniu paliwa roślinnego w estry uzyskuje się surowiec będący zamiennikiem oleju napędowego, przeznaczony do zasilania silników ZS bez konieczności dokonywania w nich istotnych zmian technicznych [9]. Uwzględniając brak w paliwie RME węglowodorów aromatycznych i siarki, wysoką temperaturę zapłonu oraz niską emisję toksycznych składników spalin (w porównaniu z ON, przy spalaniu RME, jedynie wyższa jest emisja tlenków azotu NOx) można uznać, że produkt ten spełnia wymogi bezpieczeństwa i ochrony środowiska przyrodniczego. Spalanie RME zamyka obieg CO2 w przyrodzie i nie powoduje efektu cieplarnianego a paliwo i produkty smarowe na bazie olejów roślinnych podlegają biodegradowalności w ponad 90% już po (56) dniach [11, 13]. Drugim z niespożywczych zastosowań olejów roślinnych jest ich przeznaczenie na środki smarowne. Tłuszcze roślinne jako bazy olejowe charakteryzujące się bardzo dobrą smarownością, wysokim wskaźnikiem lepkości i dobrą termostabilnością. Jedynie ich odporność na utlenianie (tab. 1) związana z budową cząsteczki złożonej z wiązań nienasyconych, łatwo 235 wiążących tlen z powietrza, ogranicza szersze zastosowanie w hydraulice i technice smarowniczej [16, 17, 18]. Tab. 1. Poglądowe porównanie niektórych właściwości olejów i estrów [10]; (Z – zła, D – dobra, BD – bardzo dobra, Ś – średnia) Produkt Właściwości smarne Wskaźnik lepkości Stabilność termiczna Odporność na utlenianie Olej mineralny Z-Ś Z-Ś Ś D Olej roślinny D BD D Z Estry oleju rośl. BD BD D Ś Jednak w pewnych dziedzinach zastosowań oleje roślinne doskonale spełniają rolę substancji smarnych. Przykładem może być olej rycynowy stosowany m.in. do smarowania „wysilonych” silników samochodów sportowych lub olej rzepakowy wykorzystywany do smarowania pilarek łańcuchowych i w niektórych układach hydraulicznych [2, 6, 15]. Oleje roślinne składają się trój estrów gliceryny i różnych kwasów tłuszczowych występujących w różnych proporcjach. Liniowe kwasy tłuszczowe C18, warunkujące szybką biodegradację produktu, w momencie nasycenia, wykazują cechy ciała stałego, podobnie jak parafiny. Jeśli natomiast w łańcuchach występuje wiązania podwójne, przechodzą one w stan ciekły. Podwójne wiązanie jest przyczyną szybkiego utleniania się oleju roślinnego i jego produktów (estrów) poprzez polimeryzację łańcuchów (wzrost lepkości) lub ich rozerwanie (wzrost liczby kwasowej). Dlatego też, o przydatności danego oleju jako środka smarnego decyduje stopień nienasycenia wiązań, wyrażony liczbą jodową (ilość gramów jodu, który wiąże się z 100 g badanego produktu w warunkach znormalizowanych, im większa jest liczba jodowa, tym więcej jest nienasyconych węglowodorów i tym większa jest skłonność produktu do utleniania) lub obecnością bardziej podatnych na utlenianie kwasów tłuszczowych C18 z dwoma lub trzema podwójnymi wiązaniami. Oleje roślinne o dużej liczbie jodowej (120200) nie nadają się do zastosowania jako środki smarne, natomiast oleje o dużej zawartości kwasu oleinowego (C18), a zarazem niskiej zawartości kwasu linolenowego są możliwe do wykorzystywania jako środki smarne (np. olej rzepakowy, arachidowy, z oliwek, słonecznikowy) [1, 10]. Podatność olejów roślinnych na utlenianie zależy bezpośrednio od obecności wiązań nienasyconych w strukturze chemicznej produktów. Istnieje przy tym szereg norm dotyczących badań utlenialności i stabilności termo oksydacyjnej naftowych produktów smarnych. Obejmują one głównie sposób przeprowadzania symulacji procesu utleniania w warunkach labora- 236 toryjnych, ponieważ utlenianie eksploatacyjne jest procesem złożonym, zależnym od wielu czynników zakłócających. Przykładową metodyką badań utlenialności olejów roślinnych opisuje w swej pracy Prankl [12]. Testy utlenialności, wykonane przez Parmentiera [10], olejów rzepakowego i mineralnego, potwierdzają zależność szybkości utleniania od liczby jodowej. W opisywanych badaniach stwierdzono że termostabilność olejów roślinnych jest dobra i podobnie jak przy utlenianiu, zależy głównie od liczby jodowej (im wyższa liczba jodowa, tym większa zmiana lepkości kinematycznej po termicznej stabilizacji). Lepkość kinematyczna olejów roślinnych uwarunkowana jest długością wiązań chemicznych (łańcuchów). Bardzo wysoki wskaźnik lepkości (WL), rzędu 200 oraz porównywalna z olejami mineralnymi temperatura mętnienia, wskazują na przydatność olejów roślinnych jako środków smarownych. Stosując np. olej rzepakowy jako bazowy środek smarny można uzyskać całą gamę produktów o różnych klasach lepkościowych, podobnie jak w przypadku olejów mineralnego, pochodzącego z procesu rafinacji ropy naftowej. Zaletą takich możliwości przetwórczych, oprócz zróżnicowania lepkości jest zachowanie wysokiego wskaźnika lepkości każdej frakcji. Ponadto należy podkreślić, że wraz ze wzrostem lepkości zmniejsza się zawartość łatwo utleniających się kwasów oleinowego – czynnika odpowiedzialnego za utrzymanie stanu ciekłego produktu. Wzrostowi zawartości kwasu okleinowego towarzyszy spadek liczby jodowej. Substancje smarne stosuje się w węzłach ruchowych maszyn, aby zmniejszyć występujące w nich tarcie oraz zabezpieczyć je przed uszkodzeniem. Jeżeli do węzła ruchowego dostarczony zostanie środek smarny, to przy różnych warunkach obciążenia i względnych prędkościach ślizgania zaistnieją następujące skrajne rodzaje współpracy: tarcie płynne i tarcie graniczne. Najkorzystniejszy jest wariant współpracy węzła gdzie obie powierzchnie oddzielone są tzw. filmem olejowym i nie stykają się bezpośrednio ze sobą (tarcie płynne). Ten rodzaj tarcia charakteryzuje się również mniejszymi oporami ruchu w porównaniu z wariantem drugim (tarcie graniczne), stąd też najwłaściwszym rozwiązaniem w układzie współpracy węzłów ślizgowych jest zamiana tarcia zewnętrznego ciał stałych na tarcie wewnętrzne substancji smarownej. Najczęściej używany do smarowania silników wysokoprężnych olej mineralny ma słabe właściwości smarne w warunkach tarcie granicznego. Wynika to z budowy substancji ropopochodnych, w których związki chemiczne (węglowodory nasycone) adsorbują na powierzchni metalu warstwę oleju powiązaną z podłożem jedynie słabymi wiązaniami fizycznymi Van der Waalsa. Znacznie lepsze właściwości smarne w warunkach tarcie granicznego mają substancje złożone z długołańcuchowych cząstek o budowie dipolowej zakończonych aktywnymi grupami: wodorotlenową OH, aminową NH2 lub karboksylową COOH. W związku z tym najlepszymi smarami w warunkach tarcia granicznego są: alkohole, aminy i kwasy tłuszczowe. Przy spotkaniu z powierzchnią metalu cząstki substancji smarnej dzięki wiązaniom nienasyconym wiążą się poprzez swoje grupy końcowe i budują 237 cienką warstwę graniczną bardzo silnie związaną z metalicznym podłożem (chemisorpcja). Już niewielki dodatek do oleju aktywnych substancji smarnych (1%) znacznie poprawia odporność węzła na zacieranie nie wpływając istotnie na zmianę lepkości. Ponadto kwasy tłuszczowe mają tę zaletę, że tworzą z reaktywną powierzchnią smarowanego metalu mydła metaliczne odznaczające się wyższa temperaturą topnienia niż sam kwas tłuszczowy, a przez to lepszą od niego smarownością [3]. W silnikach ZS, zasilanych olejem napędowym, przecieki paliwa do układu smarowania mają wpływ na zmianę właściwości fizykochemicznych oleju silnikowego. Zawartość oleju napędowego w oleju smarnym jest trudna do określenia za względu na podobną budowę (węglowodory nasycone) i właściwości chemiczne obu substancji. Poza tym olej napędowy, podobnie jak lżejsze frakcje oleju smarnego ulega częściowemu odparowaniu i wydostaje się w postaci gazu przez układ przewietrzenia silnika. Na tej podstawie wnioskować można, że ilość oleju napędowego przedostającego się do układu smarowania silnika zmienia się w okresie eksploatacji w dość szerokich granicach [14]. Podobne zjawisko występuję w silnikach ZS zasilanych paliwem RME lub jego mieszaniną z olejem napędowym. Wartość przecieków jest podobna jak w przypadku oleju napędowego, jednak koncentracja paliwa RME w oleju silnikowym jest większa. Wynika to głównie z faktu, że proces odparowania paliwa RME jest znacznie wolniejszy niż w przypadku oleju napędowego za względu na wysoką temperaturę wrzenia (około 300 oC), toteż jego koncentracja w oleju silnikowym jest większa. Jedne z nielicznych doświadczeń eksploatacyjnych, dotyczących wpływu stosowania paliwa roślinnego do zasilania ciągników na olej silnikowy wykazały, że po 200 godzinach eksploatacji ciągnika zasilanego rafinatem oleju rzepakowego jego udział w oleju silnikowym wyniósł 12%. Stwierdzono również spadek mocy silnika po 10 godzinach pracy wywołany nagarem powstającym w komorze spalania. Natomiast zasilanie ciągnika paliwem RME spowodowało porównywalne w stosunku do oleju napędowego, osiągi i zużycie silnika po 2000 godzin eksploatacji w warunkach polowych przy przeciekach paliwa do oleju smarnego zbliżonych do podanej wcześniej wartości 12 % [18]. 2. Metodyka badań Celem badań było określenie możliwości zastosowania dodatku RME do oleju silnikowego klasy: (15W/40, CD), w układzie smarowania silnika AD3.152UR. Zakres badań obejmował przeprowadzenie testów tribologicznych oraz pomiar ciśnienia w układzie smarowania badanego silnika przy różnych zawartościach RME w oleju. Przed przystąpieniem do badań sporządzono mieszaniny smarne oleju silnikowego z RME w różnych proporcjach objętościowych. 238 W badaniach wykorzystano maszynę tribologiczną zaprojektowaną i wykonaną w Zakładzie Podstaw Techniki ZUT, pracującą w układzie pary trącej: wałek – pierścień (fot.1) [4]. 3 1 5 4 2 Fot. 1. Widok stanowiska badawczego; 1 – siłownik pneumatyczny, 2 – węzeł tarcia, 3, 4 – interfejsy pomiarowe, 5 – przemiennik częstotliwości Zadane parametry procesu tarcia określono na podstawie analizy przeglądu piśmiennictwa oraz wcześniejszych badań prowadzonych w tym zakresie w Zakładzie Podstaw Techniki [5]. Na rys. 1 przedstawiono schemat pomiarowy zastosowanej maszyny tribologicznej. 239 Parametry wejściowe procesu (x) Parametry wyjściowe procesu (y) Proces i urządzenie modelowe Prędkość poślizgu, w [m/s] Siła nacisku, P [N] Droga tarcia, z [m] I P 1 Współczynnik tarcia, 2 2 Temp. mieszaniny smarnej, t [oC] 3 III Typ ruchu Szerokość śladu wytarcia, b [mm] Tworzywo próbek Technologia przygotowania próbek II 1. Próbka 2. Przeciwpróbka 3. Mieszanina smarna Nacisk, p’ [MPa] Atmosfera Mieszanina smarna Rys. 1. Schemat blokowy pomiarowego węzła tarcia maszyny tribologicznej; I – wymuszenia, II – stan wejściowy próbek i środowiska, III – wielkości mierzone Wyniki gromadzono w postaci cyfrowej za pomocą systemu pomiarowego, który umożliwia również wizualizację mierzonych wielkości (fot. 2). Pomiary ciśnienia w magistrali olejowej wykonano na biegu jałowym (500 obr/min), przy rozgrzanym silniku do normalnej temperatury pracy, tj. (80100) oC (fot. 3). 240 Fot. 2. Wizualizacja mierzonych wielkości procesu tarcia Fot. 3. Widok silnika AD3.152UR na stanowisku badawczym 241 3. Wyniki badań Szerokość śladu wytarcia, b [mm] Na rys. 2 przedstawiono wpływ RME na zużycie próbek, określone szerokością śladu wytarcia, przy prędkościach poślizgu 0,3 m/s i 1 m/s, po testach na aparacie tribologicznym. 2,8 0,3 m/s y = -0,0384x + 2,6234 R2 = 0,9934 2,6 1 m/s 2,4 Liniowy (1 m/s) 2,2 y = -0,0204x + 2,355 2 R2 = 0,9937 1,8 0 5 10 15 Liniowy (0,3 m/s) 20 Zawartość RME w oleju, x [%] Rys. 2. Wpływ RME na szerokość śladu wytarcia próbki obciążonej siłą o 294,3 N przy różnych prędkościach poślizgu w temperaturze 100 C, po przebyciu drogi tarcia 12000 m Największe zużycie wykazały próbki smarowane olejem bez dodatku RME. Przy czym ich zużycie było większe przy prędkości poślizgu 1 m/s. Zwiększone wartości zużycia, przy jednocześnie większej prędkości poślizgu, oleju bez dodatku paliwa RME, spowodowane są najprawdopodobniej zjawiskiem szczepień adhezyjnych, których intensywność na początku testu była najwyższa. Jest to zgodne m.in. z wynikami innych badań [8]. Mniejsze wartości zużycia wykazywały próbki smarowane olejem z dodatkiem RME. W miarę wzrostu zawartości RME w oleju, szerokość śladu wytarcia próbki malała w sposób liniowy. Wyznaczone funkcje regresji dla dwóch prędkości poślizgu w przecinają się w miejscu, gdzie zawartość RME w oleju wynosi około 15%. Przyczyną zjawisk, zaobserwowanych podczas badań, jest najprawdopodobniej inny mechanizm zjawiska tarcia granicznego nienasyconych kwasów tłuszczowych w porównaniu do substancji ropopochodnej, jaką jest mineralny olej smarowy. Wyższa prędkość poślizgu powoduje wzrost lokalnych temperatur w strefie styku skoncentrowanego. Rośnie zatem intensywność procesów o charakterze egzoenergetycznym na powierzchni próbki smarowanej olejem z dodatkiem kwasu tłuszczowego (RME). Występowanie tego efektu wskazuje na utworzenie łatwoadsorbowalnych, powierzchniowych warstw granicznych o charakterze polarnym, zapobiegają- 242 cych metalicznym stykom wierzchołków nierówności i zmniejszającym opory ruchu określane współczynnikiem tarcia. W trakcie badań zaobserwowano również, że zwiększanie zawartości RME w oleju silnikowym powyżej 30% powoduje utrudniony rozruch tribometru przy zadanym obciążeniu początkowym, a niekiedy zatarcie próbki już na początku pomiaru. Wynika to prawdopodobnie ze znacznego obniżenia lepkości dynamicznej oleju silnikowego przez RME. Przedstawione graficznie wyniki badań (rys.2) wskazują jednoznacznie, że przebieg siły nacisku w momencie zacierania próbki, w funkcji zawartości RME w oleju ma charakter liniowy, co potwierdzają dopasowane statystycznie równania regresji. Analizując wpływ RME na ciśnienie w układzie smarowania można stwierdzić istotne różnice przy różnych zawartościach tego dodatku (rys. 3). Ciśnienie oleju w układzie smarowania, p [MPa] 0,5 y = -0,0115x + 0,4072 R2 = 0,9907 0,4 0,3 0,213 0,2 0,1 0 5 10 15 20 Zawartość RME w oleju, x [%] Rys. 3. Wpływ RME na ciśnienie w układzie smarowania silnika AD3.152UR (temo peratura 100 C, obroty biegu jałowego 500 obr/min) Ciśnienie oleju w układzie smarowania zmalało wraz ze wzrostem zawartości RME, zgodnie z równaniem regresji liniowej. Osiągnięcie minimalnej wartości krytycznej ciśnienia smarowania, tj. 0,2 MPa, nastąpiło przy około 18% zawartości RME. 4. Wnioski 1. Obecność rme w układzie smarowania silnika ad3.152ur wpływa istotnie na właściwości użytkowe nowopowstałej mieszaniny smarnej. 2. Stosowanie dodatku RME do oleju smarnego wpływa na polepszenie właściwości smarnych nowopowstałej mieszaniny. 3. Zużycie oraz współczynnik tarcia próbek smarowanych olejem z dodatkiem RME są mniejsze w porównaniu z olejem bez dodatku. 4. Graniczna zawartość RME w oleju silnikowym dla silnika AD3.152UR wynosi 17%. 243 Piśmiennictwo: [1] Baczewski K., Biernat K., Machel M. 1993. Leksykon – samochodowe oleje, paliwa, smary. WKiŁ, Warszawa [2] Bernhardt M., Dobrzyński S. 1973. Smarowanie trakcyjnych silników spalinowych. WKŁ, Warszawa. [3] Bowden F.P., Tabor D. 1980. Wprowadzenie do trybologii. WNT, Warszawa. [4] Koniuszy A. , Podkowa M. 2006. Urządzenie do badania właściwości smarnych środków smarnych. Zgłoszenie Patentowe P 380978. [5] Koniuszy A. 2001. Wpływ stosowania biopaliwa w silnikach wysokoprężnych pojazdów rolniczych na wybrane własności użytkowe oleju silnikowego. Inżynieria Rolnicza 1, 135-140. [6] Korber R. 1991. Schmierstoffe Und Hydraulikflüssigkeiten aus Pflanzenölen für Landmaschinen. Praktischer Landtechnik 10, 14-16. [7] Krasowski E., Krasowska H. 1999. Paliwa i środki smarne w rolnictwie i przemyśle rolno – spożywczym. Wyd. AR, Lublin. [8] Krychtin J.I. 1994. Issledovanie tribotechničeskich svojstc materialov v uslovijach židkoj smazki. Traktor. Selchozmaš. 2, 22-26. [9] Mysłowski J. 1995. Proekologiczne kierunki rozwoju silników o zapłonie samoczynnym. AUTO–Technika Motoryzacyjna 2, 12-16. [10] Parmentier J. 1994. Nowe źródło? Wykorzystanie tłuszczów roślinnych i ich pochodnych jako paliw i środków smarnych. Paliwa, Oleje i Smary w Eksploatacji 6/7, 14-18. [11] Piekarski W. 1997. Skażenie środowiska przyrodniczego paliwami eksploatacyjnymi ciągników rolniczych. Inżynieria Rolnicza 1, 39-46. [12] Prankl H. 1993. Alterungsverhalten von Schmierstoffen aus Pflanzenöl. Praktischer Landtechnik 7/8, 8-9 [13] Sandmann P. 1992. Für die Umwelt zu teuer? Neue Landwirtschaft 3, 106108. [14] Selby T. W. 1999. Analiza odparowalności oleju silnikowego i fosforu. Paliwa, Oleje i Smary w Eksploatacji 57, 13-16. [15] Sonnleitner G.1992. Bio–Motorsagenkettenole in der Forstwirtschaft. Praktischer Landtechnik 5, 13-14. [16] Traulsem H., Holz W., 1993a. Bio – Öl: Noch lauft nicht alles wie geschmiert. Top Agrar 1, 88-89. [17] Traulsem H., Holz W., 1993b. Bio – Öl: Grünes nur on weniger Herstellerm. Top Agrar 1, 90-91. [18] Widmann B.A., Maler L., Zeitler E., Gaede W., Ruhe F. 1997. Bewahrungsprobe bestanden – Technische Tauglichkeit von Hydraulikolen auf Rapsölbasis in Landmaschinen – Ergebnisse eines sechsjährigen Feldversuchs. Landtechnik 2, 66-67. 244 inż. Izabela Witek, dr.inż. Szymon Głowacki Katedra Podstaw Inżynierii Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego BADANIE PROCESU SUSZENIA RÓŻY ENERGETYCZNEJ W KONWEKCJI SWOBODNEJ Wstęp W związku z coraz większym zapotrzebowaniem na energię pojawiają się pytania skąd ją czerpać, na jak długo wystarczy nam zasobów węgla czy ropy naftowej? Pojawia się również problem wysokiej ceny nośników energii oraz perspektywa ciągłego i coraz większego ich wzrostu. Z odpowiedzią na te pytania i problemy przychodzą nam niekonwencjonalne źródła energii. Są to źródła odnawialne, których wykorzystywanie nie powoduje wyczerpania, możemy być zatem spokojni o ich zasoby w przyszłości. Są one coraz popularniejsze, są tematem coraz większej ilości rozmów, nie tylko ze względu na zalety ich wykorzystania, ale również z konieczności. Konieczność ta powodowana jest obowiązkiem jaki nakłada na nas Unia Europejska, a mianowicie to, że w Polsce do 2020 roku 20% ogólnie produkowanej energii ma pochodzić właśnie ze źródeł niekonwencjonalnych. Mamy pięć takich źródeł. Są to: wiatr, woda, słonce, wody geotermalne oraz biomasa, ale jedynie biomasa jest realnie brana pod uwagę, jeśli chodzi o udział w krajowej produkcji energii. Biomasa jest masą materii organicznej zawartą w organizmach roślinnych i zwierzęcych. Najpopularniejszym jej źródłem jest drewno, ale należą do niej również słoma, odpady przemysłowe, osady ścieków, makuchy, rośliny produkowane na cele energetyczne oraz wiele innych. Jedną z roślin, która obecnie jest produkowana na cele energetyczne jest róża wielokwiatowa (rosa multiphlora). Nie od razu była ona uważana za roślinę energetyczną. Początkowa była nasadzana w celu zwiększenia pojemności łowisk dla dzikiej zwierzyny oraz dla obsadzenia obrzeży lasów. Z czasem zauważono jednak, iż jest ona surowcem wysokoenergetycznym, przyrost jej jest dość szybki i tworzy dużą ilość pędów odroślowych. Cechy te sprawiły, że zaczęto ją postrzegać jako roślinę energetyczną i obecnie jest ona nasadzana nawet na kilkudziesięciohektarowych plantacjach energetycznych. Róża wielokwiatowa jest rośliną pożyteczną i uprawa jej niesie za sobą wiele korzyści. Jest jednak jeszcze mało popularna, jej wykorzystanie nadal jest niewielkie, a warto by się nią szerzej zainteresować, gdyż jest rośliną niezwykle uniwersalną. 245 Charakterystyka odnawialnych źródeł energii Odnawialne źródła energii to źródła, które są powszechnie dostępne. Są one w zasadzie bezgranicznie zasobne i ich wykorzystanie nie niesie za sobą wyczerpania. Wytwarzanie energii ze źródeł niekonwencjonalnych jest nie tylko konieczne, ale również bardzo pożyteczne. Do największych plusów tego należą: ograniczenie emisji gazów cieplarnianych (CO 2 i CH4) oraz zanieczyszczeń ( SO2, tlenków siarki, CO) do atmosfery, poprzez zmniejszenie spalania paliw kopalnych; wykorzystanie odpadów, które do tej pory były składowane na wysypiskach; zmniejszenie zużycia surowców naturalnych, których złoża są coraz uboższe; zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego wsiom oraz małym miasteczkom; redukcja bezrobocia, poprzez tworzenie nowych miejsc pracy; brak odpływu lokalnego kapitału przeznaczonego na zakup paliw importowanych[Głodek, 2007]. Energia wiatru jest to energia poruszających się mas powietrza. Wykorzystanie jej jest coraz modniejsze. O tym, czy w danym miejscu taka inwestycja jest opłacalna decyduje przede wszystkim prędkość i stałość wiatru. Przyjmuje się, że minimalna prędkość musi wynosić 5-6m/s, a czas jej pracy w ciągu roku to 1000- 2000 godzin, co w Polsce możemy zaobserwować jedynie na północy województwa suwalskiego oraz na wybrzeżu [J.Szlachta, 1999]. Korzystnym regionem do budowy elektrowni wiatrowej wydaje się być również centrum kraju [J.Kieć, 2007]. Promieniowanie słoneczne dociera do powierzchni ziemi w postacie fal elektomagnetycznych. Obecnie do bezpośredniego wykorzystania tego promieniowania służą różnego rodzaju kolektory słoneczne (rys. ) oraz ogniwa fotowoltaiczne[K.Dreszer, 2002]. Oceniając możliwości wykorzystania energii słonecznej należy wziąć pod uwagę jego natężenie, ilość słonecznych dni w ciągu roku oraz usłonecznienie[J.Tymiński, 1997]. Ponieważ obszar Polski charakteryzuje się bardzo nierównomiernym rocznym rozkładem promieniowania i prawie 80% jego przypada na 6miecięcy letnio- wiosennych, dlatego źródło to jest najmniej wykorzystywane. Energia wodna jest to wykorzystywana energia mechaniczna wody płynącej. Jest ona przetwarzana na energię elektryczną, ale może być również wykorzystywana do bezpośredniego napędu maszyn, obecnie jednak nie jest to popularne. Elektrownie wodne wykorzystują różnicę energii potencjalnej jaka występuje między wodą w górnym i dolnym jej biegu. Przepuszczają ją przez turbiny i tym samym przetwarzają na energię elektryczną. Energia geotermalna, która zakumulowana jest w ziemi, przejęta zostaje przez wodę znajdującą się w rozpadlinach i szczelinach skalnych. Temperatura tej wody jest różna w zależności od rejonu i głębokości jej zalegania. Przyjmuje się, że temperaturowe wahania sezonowe mają miejsce jedynie do 20-30 m w głąb ziemi, a dalej ustają i na każde dalsze 100m temperatura wzrasta o 3°C. Na głębokości kilkuset metrów przekracza ona nawet 100°C [J.Tymiński, 1997]. Jej wykorzystanie jest ekonomicznie uzasadnione do 3km. 246 W Polsce energia wód geotermalnych jest wykorzystywana głównie do ogrzewania budynków. Biomasa jest to „masa materii organicznej zawartej zarówno w organizmach roślinnych jak i zwierzęcych; to ilość materii organicznej wytworzonej przez populację, zespół organizmów danego środowiska” [Encyklopedia popularna PWN, 1995]. Pochodzenie biomasy może być bardzo różne. Do najważniejszych jej źródeł należą: drewno z lasów i sadów, pozostałości z przemysłu drzewnego, słoma oraz inne odpady z produkcji rolniczej, odpady z przemysłu rolno- spożywczego, gnojowica i obornik, odpady komunalne, odpady przemysłowe oraz rośliny energetyczne [B.Kościk, 2003]. Największe zastosowanie mają biopaliwa stałe, na które składają się nadwyżki pozyskiwane z rolnictwa, sadownictwa oraz przede wszystkim z leśnictwa. Wiadomym jest jednak, że zasoby tych źródeł są ograniczone. W obliczu tego faktu koniecznym staje się rozwój sektora upraw energetycznych. Roślina uprawiana z przeznaczeniem na cele energetyczne powinna posiadać kilka ważnych cech, takich jak: duży roczny przyrost, wysoka wartość opałowa oraz znaczna odporność na szkodniki i choroby. Ważne jest również, aby nie posiadała zbyt dużych wymagań klimatyczno- glebowych, gdyż z założenia ma być ona nasadzana przede wszystkim na nieużytkach i glebach o niskiej jakości. Mamy wiele roślin energetycznych, jednak w Polsce najliczniejsze są plantacje wierzby krzewiastej, topinambura i miskanta. W ostatnim czasie zaczęto się również żywo interesować różą bezkolcową. Kinetyka procesu suszenia Z uwagi na to, że o jakości opału jakim jest biomasa drzewna decyduje przede wszystkim jej wilgotność i gęstość, dlatego tak ważne jest, aby przed spaleniem biomasę wysuszyć. „Suszenie jest to proces usuwania cieczy z ciał stałych, wody z substancji ciekłych i pary wodnej z gazów” [Encyklopedia PWN,1995] Mamy wiele rodzajów tego procesu, ale najpopularniejszym i najczęściej stosowanym jest suszenie konwekcyjne. W procesie tym czynnikiem suszącym jest z reguły podgrzane powietrze, które owiewa materiał ze stałą prędkością, dostarczając mu przy tym ciepło i odbierając wodę w postaci pary wodnej. Kinetyka procesu suszenia jest to zmiana zawartości wody i temperatury suszonego materiału w czasie, przy ustalonych warunkach, czyli w stałej temperaturze czynnika suszącego, przy stałej jego wilgotności względnej i stałej prędkości nawiewu. Na podstawnie tych wartości możemy sporządzić podstawowy wykres suszarniczy, tzw. krzywą suszenia (rys.1). Na osi OX zaznaczone mamy zawartości wody, natomiast oś OY jest osią czasu. 247 Rys 1. Krzywa suszenia dla warunków ustalonych Źródło: [Cz. Strumiłło,1983] Analizując powyższy wykres zauważyć możemy, że krzywa ta jest wyraźnie podzielona na kilka etapów. Początkowy bardzo krótki okres (odcinak AB), to pierwsze stadium podgrzewania materiału. Materiał przejmuje w tym czasie ciepło od cieplejszego powietrza. Po tym okresie zależność ta kształtuje się liniowo- szybkość suszenia jest stała (odcinek BC). Zawartość wody w tym czasie zmienia się w czasie linowo. Również temperatura suszonego materiału jest w czasie trwania tego okresu stała. Spadek liniowy zawartości wody w materiale występuje do punktu C, który jest pierwszym punktem krytycznym. Potem zauważamy, że linia prosta przechodzi w krzywą, która zbliża się asymptotycznie do linii wyznaczonej przez wartość równowagowej zawartości wody w materiale Xr. Po przekroczeniu punktu C temperatura suszonego materiału zaczyna szybko rosnąć. Widać zatem wyraźnie, że proces suszenia podzielony jest na dwa etapy- pierwszy okres suszenia, w którym szybkość procesu jest stała oraz drugi okres, gdzie szybkość suszenia zmniejsza się [Cz.Strumiłło,1983]. Charakterystyka materiału użytego do badań Róża wielokwiatowa (rys.2), zwana również bezkońcową, jest krzewiastym gatunkiem róży. Tworzy ona bardzo wysokie i szerokie krzewy, które mogą osiągnąć do 4m średnicy i 2,5m wysokości. Pędy jej są łukowato wygięte i mogą mieć nawet 7m długości. Roślina ta zwraca naszą uwagę swoimi małymi, białymi kwiatkami. Mają one ok. 2cm średnicy i zebrane są w wiechowate kwiatostany. Kwiaty mają jaskrawożółte lub złotożółte pręciki, które to zrośnięte są w kolumienkę. Cechą charakterystyczną kwiatów róży wielokwiatowej jest ładna i intensywna woń. 248 Rys 2. Krzew róży wielokwiatowej Źródło:[ http://agroenergetyka.it.kielce.pl/Biomasa/Różawielokwiatowa] Badania laboratoryjne doprowadziły do wyhodowania odmiany róży wielokwiatowej bezkolcowej i to właśnie ona jest przedmiotem badań, na których opiera się niniejsza praca. Róża wielokwiatowa ma wiele pożytecznych cech. To właśnie z uwagi na niektóre z nich jest uważana za roślinę energetyczną. Krzewy jej mają duży i szybki przyrost, a zbiór możliwy jest już tego samego roku, którego powstaje plantacja. Jest to roślina odporna na mróz i suszę, głównie dzięki swojemu głębokiemu i dobrze rozwiniętemu systemowi korzeniowemu. Ma poza tym bardzo niewielkie wymagania glebowe. Początkowo była nasadzana na obrzeżach lasów oraz na nieużytkach. Jako roślina ozdobna może rosnąć na skarpach przydrożnych i miejskich parkach. Plantacje róży można zakładać na piaskach i słabych glebach V i VI klasy. Roślina ta posiada właściwości rekultywacyjne. System korzeniowy róży wielokwiatowej nie tylko wiąże wierzchnią warstwę gleby, ale przenika w jej głąb. Dzięki temu zwiększa jej przesiąkalność, zmniejsza wtórne parowanie, opóźnia odpływ wód roztopowych, zapobiega erozji i przesuszaniu gleb [A.Antecka, T.Obłoj, 2004]. Róża jest odporna na zanieczyszczenia atmosfery. Cechuje ją również odporność na szkodniki i choroby. Poza tymi wszystkimi zaletami kształtuje tereny zielone w miastach. Ze względu na swoje ładne, białe i wonne kwiatki wiosna oraz piękne, czerwone grona owoców jesienią, róża energetyczna zdobi parki, przydroża i ogrody. Badania i obliczenia jakie przeprowadzono, pokazały, że plantacje róży energetycznej są bardziej opłacalne od plantacji wierzby energetycznej. Różnice te są jednak niewielkie. Oszacowano, iż koszt założenia plantacji róży o powierzchni 1ha wynosi ok. 7- 9 tyś. zł [A.Antecka, T.Obłoj,2004] i jest to koszt porównywalny z założeniem 1-hektarowej plan- 249 tacji wierzby. Natomiast jednostkowy koszt wyprodukowania energii wynosi 0,030zł/kWh w przypadku wierzby, a 0,023zł/kWh w przypadku róży. W 2005 roku Agencja Restrukturyzacji i Modernizacji Rolnictwa uruchomiła dopłaty do upraw róży energetycznej oraz wierzby krzewiastej. Jest to odpowiedź na skargi rolników, którzy zakładając plantacje roślin energetycznych byli pokrzywdzeni z powodu braku wsparcia państwa [E.Gańko, 2005]. Analizując wnioski, jakie wpłynęły do ARiMRu w 2006r. widzimy, że posiadanie plantacji roślin energetycznych zgłosiło 580 rolników. Rząd Polski zajął się również tym , by otrzymanie przez nich dopłat było obwarowane mniejsza ilością warunków. Chodzi tu o zniesienie konieczności dołączania do wniosków umów kontrakcyjnych na zbycie biomasy. Spodziewać się zatem należy wzrostu liczby zakładanych plantacji roślin energetycznych, w tym róży wielokwiatowej. Metodyka badań Badania suszenia róży wielokwiatowej, zwanej również różą energetyczną przeprowadzone były w laboratorium suszarniczym Katedry Podstaw Inżynierii Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie. Do badań użyto pędów róży, które pochodziły z jednej plantacji. Pędy te pocięte zostały na kawałki długości ok.10cm, a następnie suszone w pięciu temperaturach: 40, 50, 60, 70 i 80°C. Badania te wykonano na stanowisku badawczym pokazanym na rys. 3. Rys 3. Stanowisko laboratoryjne do badań w konwekcji swobodnej 250 Analiza wyników przeprowadzonych badań Wyniki pomiarów zostały przedstawione w postaci wykresów. Są to dwa rodzaje zależności: pierwsza to zależność zawartości wody od czasu suszenia, a druga- temperatury jaka panowała w poszczególnych ośrodkach, również od czasu trwania procesu. Zawartość wody w próbce u(τ), obliczono na podstawie pomiarów wody w próbce W(τ) w czasie suszenia t i suchej masy próbki Ms wyznaczonej po zakończeniu suszenia próbki za wzoru z następującego wzoru: u W M M s Ms Ms kg H 2 O kg s.m. Poniżej przedstawione zostały przykładowe wykresy jakie otrzymano na podstawie wyników przeprowadzonych badań. 0.75 0.70 0.65 0.60 punkty pomiarowe dla 40 °C punkty pomiarowe dla 50 °C Zawartość wody, kg/kg 0.55 punkty pomiarowe dla 60 °C 0.50 punkty pomiarowe dla 70 °C 0.45 punkty pomiarowe dla 80 °C 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Czas suszenia, min Rys 4. Zmiana zawartości wody podczas suszenia pędów róży wielokwiatowej Jak pokazuje rysunek (rys.4) proces suszenia przebiega najszybciej w temperaturze najwyższej, czyli w 80°C i w miarę zmniejszania temperatury czynnika suszącego czas suszenie rośnie. Suszenie dobiega końca po 5700 minutach przy temperaturze 40°C, 3380 minutach dla 60°C, a tylko po 1700 minutach, gdy suszenie dobywało się w 80°C. We wszystkich jednak przypadkach zauważyć możemy, że początkowo zawartość wody w materiale spada bardzo szybko. Przez pierwsze 500 minut zawartość wody w 251 przypadku suszenia w 80°C spada z 0,75 kg/kg do 0,17 kg/kg, natomiast dla 40°C wartości te wynoszą odpowiednio 0,75 kg/kg i 0,42 kg/kg. Po upływie 1000 minut zawartość ta wynosi 0,37 kg/kg dla 40°C i 0,08 kg/kg dla 80°C. 0.75 0.70 0.65 0.60 Zawartość wody, kg/kg 0.55 punkty pomiarowe dla 60 °C 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 Czas suszenia, min Rys 5. Zmiana zawartości wody podczas suszenia pędów róży wielokwiatowej w temperaturze 60°C 63 60 57 54 Temperatura, °C 51 48 45 42 39 36 temperatura pod korą funkcja aproksymująca 33 temperatura w środku 30 funkcja aproksymująca 27 24 21 0 360 720 1080 1440 1800 2160 2520 2880 3240 3600 Czas suszenia, min Rys 6. Przebieg temperatury pod skórką (korą) i w środku próbki pędu róży energetycznej podczas suszenia w temperaturze 60°C 252 Proces suszenia do uzyskania równowagowej zawartości wody, w temperaturze 60°C (rys. 5) trwa ok. 54 godziny. Krzywa suszenia przestaje mieć charakter liniowy po upływie ok. 200 minut. Po tym czasie zawartość wody w próbce wynosi 0,52 kg/kg. Przez kolejne 1400 minut ubytek wody jest szybki. Po 600 minutach od początku trwania procesu zawartość wody wynosi już 0,30 kg/kg , a po 800 i 1200 minutach wynosi ona odpowiednio 0,22kg/kg i 0,13 kg/kg. Po 1600 minutach i aż do końca suszenia ubytek ten jest mały i zawartość wody obniża się z 0,08 kg/kg do 0,02 kg/kg i wówczas proces dobiega końca. Wykres przedstawiony na rys. 6 pokazuje różnice temperatur miedzy dwoma ośrodkami próbki. Widzimy, że początkowo temperatura w środku, jak również ta pod korą rośnie szybko. Przez pierwsze 360 minut temperatura wzrasta od ok. 21-22°C do 45°C pod korą i 58°C w środku próbki. Potem tempo to spada. Maksymalne temperatury jakie osiągnięte zostały pod koniec trwania procesu suszenia wynoszą odpowiednio 47,9°C i 61,5°C. A zatem różnica temperatur między ośrodkami jest znaczna i wynosi 13,6°C. W tabeli poniżej przedstawione zostały najważniejsze wartości odczytane z wykresów sporządzonych na podstawie przeprowadzonych badań. Dane te pomocne są w ocenie procesu suszenia oraz do porównania procesów w zależności od temperatury czynnika suszącego. Tabela 1. Rozkład temperatur w suszonej próbce Źródło: [ opracowanie własne] Temperatura czynnika suszącego 40°C 50°C 60°C 70°C 80°C Czas suszenia, min 5700 4000 3380 2850 1700 Różnica w czasie suszenia między kolejnymi temperaturami, min _ 1700 620 530 1150 34,5 41 47,9 52,5 58,8 41 50,8 61,5 70,1 79,9 6,5 9,8 13,6 17,6 21,1 Różnica temperatur ośrodków między temperaturami _ 3,3 3,8 4 3,5 Różnica temperatur pod kora próbki między kolejnymi temperaturami _ 6,5 6,9 4,6 6,3 Różnica temperatur w środku próbki między kolejnymi temperaturami _ 9,8 10,7 8,6 9,8 Temperatura pod korą próbki Temperatura w środku próbki Różnica temperatur pomiędzy ośrodkami Analizując tabelę 1 widzimy, że proces suszenia przebiega najszybciej w temperaturze 80°C i czas trwania tego procesu rośnie wraz ze spad- 253 kiem temperatury czynnika suszącego. Ponadto wraz z obniżeniem tej temperatury maleje różnica między temperaturami w badanych ośrodkach i wynosi ona 6,5°C dla temperatury najniższej, i aż 11,8°C dla suszenia w temperaturze najwyższej. Podsumowanie Wykorzystanie niekonwencjonalnych źródeł energii niesie za sobą bardzo wiele korzyści, jednak najważniejsza jest to, że produkowanie z nich energii nie powoduje zanieczyszczenia atmosfery. Źródłem, które może realnie liczyć się w Polskiej gospodarce energetycznej jest biomasa, czyli masa materii organicznej zawarta zarówno w organizmach roślinnych jak i zwierzęcych. Wobec faktu, że Unia Europejska stawia przed nami wymóg, by do 2020 roku 20% ogólnie wyprodukowanej energii pochodziło ze źródeł odnawialnych, koniecznym staje się powstawanie coraz większych areałów roślin produkowanych na cele energetyczne. Nowością na rynku biomasy jest róża wielokwiatowa. Jest to roślina nie tylko wysokoenergetyczna, ale również pożyteczna, co zostało przedstawione w niniejszej pracy. Przeprowadzone badania potwierdziły, że szybkość procesu suszenia maleje wraz z czasem trwania procesu. Początkowo ubytek wody z drewna jest bardzo szybki, później woda odparowuje coraz wolniej. Badania wykazały, że istnieje znaczna różnica między temperaturą pod korą a w środku pędu róży. Różnice te są mniejsze w miarę wzrostu temperatury czynnika suszącego. Różnica temperatur pod korą między kolejnymi temperaturami jest największa podczas suszenia w 60°C a najmniejsza w 70°C. podobną zależność widać w przypadku temperatur w środku próbki. Badania potwierdziły również, że im wyższa temperatura czynnika suszącego tym proces przebiega szybciej. Bibliografia: 1. Kieć S. J., „Odnawialne źródła energii”, Wyd. Akademii Rolniczej, Kraków,2007 2. Tymiński J, ”Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w Polsce do 2030r.”, Instytut Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa, Warszawa,1997 3. Dreszer K.A., Niedziółko I.J., ”Energetyka odnawialna- wybrane zagadnienia”, Wyd. Akademii Rolniczej, Lublin, 2002 4. Głodek E., „Pozyskiwanie i energetyczne wykorzystanie biogazu rolniczego”, Opole, 2007 5. Strumiłło Cz., ”Inżynieria chemiczna- podstawy teorii i techniki suszenia”, WNT, Warszawa,1983 6. . Antecka A., Obłoj T., „Różana plantacja”, Agroenergetyka, nr 2, 2004 7. GańkoE., „Uwarunkowania rozwoju”, Agroenergetyka, nr 3, 2005 8. Kościk B., ”Rośliny energetyczne”, Wyd. Akademii Rolniczej, Lublin,2003 9. Encyklopedia PWN, Warszawa, 1995 254 inż. Andrzej Wojewoda, prof. dr hab. inż. Aleksander Lisowski Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych, SGGW w Warszawie PARAMETRY BIOMETRYCZNE ROŚLIN KUKURYDZY ODMIANY INAGUA Wstęp Rosnąca koncentracja produkcji mleka w gospodarstwach rolnych sprawiła, że rolnicy zaczęli poszukiwać alternatywnych, w stosunku do trwałych użytków zielonych, źródeł pozyskiwania pasz objętościowych. Poszukiwano roślin charakteryzujących się takimi cechami jak: duży plon, nieskomplikowana agrotechnika, możliwość łatwej konserwacji pasz uzyskanych z tych roślin oraz znaczna ich wartość pokarmowa. Szybko okazało się, że wszystkie te cechy spełniają rośliny kukurydzy, a kiszonka z nich uzyskiwana stała się z czasem podstawową paszą stosowaną w chowie bydła. Podczas wielu badań prowadzonych nad zastosowaniem tej paszy w żywieniu zwierząt okazało się, że wysokowartościową kiszonkę z kukurydzy można uzyskać jedynie zachowując szereg warunków takich, jak: stosowanie odmian kukurydzy o znacznym udziale najwartościowszych kolb i ziarna w całej masie rośliny, odpowiedni termin zbioru, wpływający na wilgotność paszy i wzajemne proporcje masowe składników paszy, odpowiednie przygotowanie roślin (optymalne rozdrobnienie) jak i przebieg samego procesu konserwacji (właściwe zagęszczenie). Zatem istotnymi danymi wykorzystywanymi podczas oceny jakościowej paszy są informacje o roślinie, z której pasza ta została sporządzona. Taką wiedzę można uzyskać jedynie na podstawie analizy parametrów biometrycznych roślin. Tego typu badania przeprowadzono w Katedrze Maszyn Rolniczych i Leśnych Wydziału Inżynierii Produkcji SGGW w Warszawie w ramach projektu badawczego obejmującego określenie wpływu różnych czynników na proces rozdrobnienia roślin, ich zagęszczenia oraz jakości kiszonki z nich uzyskiwanej. Określono zależności między kombinacjami ustawień sieczkarni polowej a jakością rozdrobnienia roślin oraz wpływ wielkości obciążenia i czasu jego działania na zagęszczenie materiału roślinnego. Celem nadrzędnym badań było określenie wpływu wyżej wymienionych czynników oraz parametrów biometrycznych roślin na jakość uzyskiwanej kiszonki z kukurydzy. Materiał i metodyka badań Kukurydzę odmiany Inagua zbierano z pola należącego do Rolniczego Zakładu Doświadczalnego w Oborach. Jest to odmiana średnio późna (liczba FAO 230-240), uniwersalna, przeznaczona zarówno na ziarno jak i kiszon- 255 kę (www.euralis.pl). Rośliny kukurydzy ścięte ręcznie kosą spalinową przywożono przyczepą objętościową na teren Wydziału Inżynierii Produkcji. Sposób zbioru i położenie pionowe roślin na przyczepie podczas ich transportu zmniejszało ryzyko uszkodzenia roślin i strat związanych z odrywaniem się ich składników. Spośród całej próby roślin (około 9000 kg) wykorzystanej w badaniach stacjonarnych, losowo wybrano 30 pędów, które poddano szczegółowej charakterystyce biometrycznej. Za pomocą taśmy mierniczej, z dokładnością 1 mm, określono długość roślin. Średnicę mierzono suwmiarką z dokładnością 0,1 mm. Następnie dokonano podziału roślin na poszczególne części składowe, takie jak: łodygi, wiechy, kolby oraz liście przy łodydze. Z kolb wydzielono kolejne elementy składowe: ziarno, liście, osadki oraz nasady kolb. Pomiar wymiarów części składowych wykonano przy użyciu tych samych przyrządów pomiarowych, jak w przypadku całych pędów. Pędy i jego części składowe ważono za pomocą wagi elektronicznej z dokładnością 0,1 g. Wilgotność składników roślin i mieszaniny rozdrobnionego materiału roślinnego (sieczki) wyznaczono metodą suszarkowo-wagową. Na podstawie pomiarów obliczono procentowe udziały masowe składników pędu, kolby i ziarna w całej roślinie oraz długości i średnice składników pędu. Sporządzono charakterystykę średnicy łodygi wzdłuż jej wysokości oraz wyznaczono smukłość, którą zdefiniowano jako stosunek długości rośliny l do jej średnicy d zmierzonej na wysokości cięcia λ l . d Wyniki badań i ich analiza Szczegółowe dane o wielkościach mierzonych, uśrednionych wartościach dla całej próby oraz odchyleniu standardowym i błędach względnym i bezwzględnym pomiarów zestawiono w tabeli 1. Graficzne charakterystyki udziałów masowych składników pędu, kolby i ziarna oraz długości i średnicy przedstawiono na rys. 1. Kukurydza odmiany Inagua charakteryzowała się znacznym udziałem łodyg w pędzie (39,2%). Udział kolb z ziarnem wynosił jedynie 40,4%, a liście stanowiły 20,1% całej masy rośliny. Taka charakterystyka badanych roślin wynika przede wszystkim ze wczesnego ich zbioru, który przypadł na fazę mleczną dojrzałości ziarna. Tymczasem zaleca się, aby kukurydza na kiszonkę była zbierana w fazie woskowej dojrzałości ziarna. Przemiany biologiczne zachodzące w roślinach między tymi fazami dojrzałości prowadzą do wzrostu udziału masowego ziarna (wzrost masy tysiąca ziaren) oraz spadku ilości łodygi i liści (Bujoczek 2003). Te gwałtowne zmiany zachodzą w tak zwanym naturalnym okresie zbioru, gdy szybko zmniejsza się wilgotność liści i łodyg. 256 Wyżej wymienione cechy roślin kukurydzy wpłynęły także na niewielki masowy udział ziarna w zbieranym plonie, który wynosił zaledwie 26,4% w stosunku do pozostałych części składowych roślin pędu (rys. 1a). Znaczną część kolb kukurydzy stanowiło ziarno (65,5%), zaś udział osadek wynosił 17,1% i liści okrywowych 10,2%, a jej nasada stanowiła 7,2% jej całej masy (rys. 1c). Rośliny kukurydzy charakteryzowały się średnią wysokością wynoszącą 2787 mm. Kolby na łodydze były osadzone na średniej wysokości 963 mm, a ich średnia długość wynosiła około 190 mm. Niewielką długość miały wiechy (269 mm), o nieznacznej średnicy łodygi i stąd wynikał ich niewielki udział procentowy w całych roślinach (0,3%). Kolby posiadały znaczną średnicę wynoszącą średnio 48,33 mm, przy średnicy osadki 28,33 mm (rys. 1e). 257 Tabela 1. Charakterystyka biometryczna roślin kukurydzy odmiany Inagua Parametr Średnia (z 30 pędów) Masa całej rośliny, g 705,07 143,96 53,75 7,6 Masa łodygi z liśćmi, g 418,36 99,85 37,28 8,9 Masa ziarna, g 186,39 34,92 13,04 7,0 Masa łodygi, g 276,34 68,12 25,43 9,2 20,54 7,15 2,83 13,8 142,02 43,24 16,14 11,4 1,93 0,61 0,23 11,9 284,77 54,57 20,377 7,2 Masa osadki, g 48,83 9,28 3,46 7,1 Masa liści przy kolbie, g 29,02 9,20 3,43 11,8 Masa kolby z ziarnem, g 235,22 41,52 15,50 6,6 Liczba ziaren na kolbie, szt. 417,64 103,13 69,28 16,6 Wysokość przytwierdzenia kolby, mm 963,00 133,88 49,99 5,2 Długość rośliny, mm 2787,7 3 164,54 61,43 2,2 Smukłość rośliny 137,70 14,48 5,41 3,9 Długość wiechy, mm 268,92 52,89 19,75 7,3 Długość kolby, mm 189,63 19,50 7,28 3,8 Średnica kolby, mm 48,33 1,62 0,60 1,2 Średnica osadki, mm 28,33 4,18 1,56 5,5 20,44 2,24 0,84 4,1 20,93 2,56 0,96 4,6 Masa nasady kolby, g Masa liści przy łodydze, g Masa wiechy, g Masa kolby z liśćmi, g Odchylenie Błąd standardo- bezwzględwe ny Błąd względ ny, % Średnica łodygi: - na wysokości cięcia (180 mm) 0 mm - w odległości od 250 mm 258 linii cięcia 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 20,18 2,19 0,82 4,1 750 mm 18,80 2,29 0,86 4,6 1000 mm 16,85 2,64 0,99 5,9 1250 mm 14,11 1,87 0,70 5,0 1500 mm 12,03 1,72 0,64 5,3 26,4 Średnica, mm 20,1 0,3 łodygi 3000 liście przy łodydze wiecha 2788 2500 65,5 17,1 10,2 2000 1500 963 1000 500 7,2 269 190 wiecha kolba 0 osadka liście przy kolbie roślina nasada kolby f) 60,00 50,00 39,2 pozostałe składniki d) ziarno e) 40,4 kolba długość, mm Udział masowy,% 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Udział masowy,% 73,6 ziarno c) b) 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 48,33 40,00 28,33 30,00 20,00 Średnica łodygi, mm Udział masowy, % a) 500 mm 10,00 wysokość przytwierdzenia kolby 25,00 20,44 20,93 20,18 20,00 18,80 16,85 14,11 15,00 12,03 10,00 5,00 0,00 0 0,00 kolba 250 500 750 1000 1250 1500 Na wysokości cięcia, mm osadka Rysunek 1. Charakterystyka biometryczna roślin kukurydzy: a) udział ziarna i łodyg z liśćmi w roślinie, b) udział składników w łodydze z liśćmi, c) udział składników w kolbie, d) długość składników rośliny, e) średnica składników kolby, f) średnica łodygi wzdłuż jej długości 259 Z pomiarów średnicy łodyg wzdłuż ich długości wynika, że do wysokości 500 mm rośliny były grube, o zbliżonej średnicy wynoszącej około 20 mm. Do wysokości przytwierdzenia kolb (963 mm) średnica łodyg zmieniała się nieznacznie. Dopiero powyżej tej wysokości łodygi zmieniały się z kształtu walcowego w stożkowy. Uwzględniając stosunek wysokości do średnicy łodygi na wysokości cięcia można stwierdzić, że rośliny charakteryzowały się dość dużą smukłością (137), co może wpływać na ich podatność na wyleganie. Wartości błędów względnych wartości zmierzonych parametrów wskazują, że odmiana Inagua charakteryzowała się dość dobrym wyrównaniem, a największe rozrzuty wystąpiły między masą nasady kolby oraz ilością liści i wiechy. Badania wilgotności składników pędów wykazały bardzo dużą wilgotność łodyg (82,5%), która była istotnym czynnikiem wpływającym na udział masowy i średnią wilgotność całej rośliny (rys. 2). Bardzo duża wilgotność łodyg i względnie duża wilgotność liści świadczą, że kukurydza dopiero wchodziła w optymalną fazę zbioru. Wyniki badań Igathinathane i in. (2006) wskazują, że naturalny okres zbioru kukurydzy przypada na okres 118-122 dni po siewie. Po tym okresie roślina kukurydzy ma już dość stabilny udział masowy liści, łodyg i osadek. Wymienione terminy dotyczą określonej odmiany oraz roślin rosnących w warunkach klimatycznych Ameryki Północnej, scharakteryzowanych przez temperaturę i wilgotność powietrza, prędkość i kierunek wiatrów, wysokość opadów, czy warunki glebowe. Kukurydza odmiany Inagua, wykorzystywana w badaniach, była zbierana począwszy od 127 dnia po siewie. Mimo tak znacznego czasu jaki upłynął od momentu siewu okazało się, że rośliny jeszcze nie osiągnęły dojrzałości technologicznej. Wydłużenie okresu wegetacji było spowodowane najprawdopodobniej przebiegiem pogody - rok 2008 charakteryzował się nieco mniejszą średnią temperaturą powietrza w okresie rozwoju rośliny. Na wydłużenie okresu wegetacji roślin mogła mieć wpływ również dość wysoka dawka nawozu azotawego. 260 100 90 80 wilgotność,% 70 60 50 Wiecha Ziarno Liście kolby Liście łodygi Osadki Łodyga Sieczka 43,0 82,5 63,2 65,4 65,7 55,6 40 30 20 17,5 10 0 Rysunek 2. Wilgotność składników pędów kukurydzy w porównaniu z wilgotnością sieczki z całych roślin Wnioski 1. Rośliny kukurydzy odmiany Inagua charakteryzowały się dużym udział małowartościowych składników pędu oraz niewielkim udziałem najbardziej wartościowego ziarna. 2. Różnice w udziałach masowy składników pędu wynikały z ich różnej wilgotności. 3. Wskazane jest sukcesywne monitorowanie wilgotności roślin kukurydzy, aby ich zbiór był przeprowadzony w tzw. naturalnym terminie – przy małej wilgotności liści i łodyg. Bibliografia 1. BUJOCZEK K. 2003 Kiszonki z kukurydzy dobrze ugnieść. Top Agrar Polska. Top Bydło 10, 2-3 2. IGATHINATHANE C., WOMAC A.R., SKOHANSANJ S., PORDESIMO L.O. 2006: Mass and moisture distribution in aboveground components of standing corn plants. Trans. Am. Soc. Agric. Engrs. 49 (1): 97-106. 3. www.euralis.pl/asp/pliki/do_pobrania/inagua_08.pdf 261 Сергій Жуль, Михайло Кожушко, Петро Бальковський Львівський національний аграрний університет Науковий керівник к.т.н., доцент Ігор Флис ІНЖЕНЕРНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ВИРОБНИЧО-ПЕРЕРОБНОГО КОМПЛЕКСУ В ГОСПОДАРСТВІ В сьогоднішніх умовах поступ у розвитку сільськогосподарського виробництва потребує, крім суттєвих інвестицій, пошуку нових ідей та впровадження нової стратегії. Потрібна цільова державна програма розвитку агропромислового комплексу України на перспективу, яка б дала змогу вивести сільськогосподарське виробництво на якісно новий рівень. Одним із нових напрямів розвитку сільськогосподарських підприємств (СГП) різної потужності і форми власності, який повинен призвести до підвищення їх техніко-технологічного та соціальноекономічного рівня, вважаємо інженерне забезпечення комплексності агропромислового виробництва: від вирощування сировини і її зберігання – до переробки в товарну продукцію. На базі діючих або створюваних СГП пропонуємо формувати виробничо-переробні комплекси. Виробничо-переробний комплекс (ВПК) – це агропромислове підприємство, яке призначене для вирощування сільськогосподарської сировини і її переробки в товарну продукцію широкого асортименту (рис. 1). ВИРОБНИЧО-ПРЕРОБНИЙ КОМПЛЕКС С.-г. угіддя МТП і обладнання МПП МПП МПП Тваринництво сировина Механізовані процеси вирощування і виробництва Механізовані процеси переробки Збут продукції Збут сировини Рис. 1. Схема виробничо-переробного комплексу на базі СГП До структури ВПК, створеного на виробничій базі СГП, будуть входити: земельні угіддя; ферми, їх обладнання і продуктивні тварини; 262 склади і сховища із їх устаткуванням; машинно-тракторний парк із інженерно-забезпечувальним центром; група малих переробних підприємств (МПП) із своїми приміщеннями і технологічним обладнанням. Утворений ВПК, має свою виробничу програму, яку формують спеціалізація і проектна потужність малих переробних підприємств, які входять до комплексу. Виробнича програма кожного із МПП залежить від видів і кількості вирощуваної сировини в даному СГП, а також від попиту споживачів на товарну продукцію, яку випускатиме ВПК. Діяльність ВПК буде ефективною тоді, коли його виробничі потужності СГП будуть підпорядковані створеному в його межах комплексу невеликих за потужністю переробних підприємств, які взаємодіють із механізованими процесами у рослинництві та тваринництві, а також між собою (рис. 2). ВИРОБНИЧО-ПЕРЕРОБНИЙ КОМПЛЕКС Механізовані процеси Механізовані процеси в рослинництві в тваринництві Сировина МПП МПП МПП МПП МПП МПП Механізовані процеси переробки Інженерно-технологічне забезпечення Організація та управління процесами Техніка, обладнання Технологія, Робітники, Ресурси, режими управлінці матеріали Технічний нагляд; охорона праці; захист людей та довкілля Рис. 2 Схема комплексного виробництва і переробки сировини у ВПК 263 Висновок. Інженерне забезпечення виробництва у ВПК виявляється не стільки в отриманні сільськогосподарської сировини в максимально можливих обсягах, а у виробництві і реалізації, в першу чергу, товарної продукції. Бібліографічний список. Флис І.М. Розвиток проектів комплексної переробки сільськогосподарської сировини в господарствах / Вісник аграрної нау-ки. - 2006.- Спеціальний випуск, серпень. - С.121-125. 2. I. Flys, M. Kupriyenko. The engineering management of complex processing of agricultural raw materials in economies / The 31 st Presentation of Students , Scientific Papers conference at the University in Novi Sad, 19-20.11.2007.- р. 134-139. 1. 264