Projektowanie 5

Projektowanie |
Urządzenia grzewcze
Zasady projektowania zasobników
na paliwa stałe
Zasobniki na paliwa stałe, potocznie zwane zbiornikami (Rys. 1), odgrywają dużą rolę w procesie spalania.
To od ich konstrukcji zależy właściwe zsypywanie się paliwa, którego brak może skutkować wygaszeniem
palnika.
Jarosław Urzynicok, Paweł Wilk
A
by zapobiegać problemom związanym z magazynowaniem i przepływem paliw stałych
(węgla, pelletu, łupinu, ziaren zbóż, zrębek)
niezbędne jest właściwe zaprojektowanie kształtu
i konstrukcji zasobnika. Należy pamiętać, że podczas
analizy różnych zagadnień mających wpływ na sposób konstruowania zbiorników służących do przechowywania opału, paliwa te z racji swoich właściwości
fizyko-mechanicznych traktowane są jako tzw. materiał sypki.
U podstaw projektu leży najbardziej optymalna sytuacja – czyli takie ukształtowanie geometrii zbiornika, aby przepływ materiału (paliwa) był zgodny z siłą
ciążenia. Tarcie o ściany, tarcie wewnętrzne (pomiędzy cząstkami) i skłonność do tworzenia mostków
(sklepień, łuków) decydują o stosowanym kącie nachylenia zsypu (leja) i wielkości (średnicy) otworu.
Najczęściej zasobniki mają kształt zbliżony do
prostopadłościanu lub formy cylindrycznej (Rys. 2),
lejem u dołu. Część zsypowa kształtowana jest jako
ostrosłup lub stożek ścięty, który ukierunkowuje
przepływ granulatu paliwa w stronę otworu wylotowego. To w jego pobliżu może występować najwięcej
problemów związanych ze swobodnym przepływem
zawartości zbiornika, takich jak: nieregularny wypływ, segregacja, powstawanie „martwych pól” –
osadzanie się produktu, przywieranie lub sytuacja,
w której przepływ w ogóle nie dochodzi do skutku.
Problemy te można eliminować (lub ograniczać)
stosując odpowiednie rozwiązania konstrukcyjne
30
bądź specjalne urządzenia, do których możemy zaliczyć m.in:
●● wibratory – ich zadaniem jest wytworzenie wibracji powodujących wzruszenie i likwidowanie
mostków okresowych i stabilnych,
●● wzruszacze – mechanizmy oparte na systemie
kół wzruszających lub ślimaków zainstalowanych
wewnątrz.
Ograniczenie występowania potencjalnych problemów możliwe jest dzięki wykorzystaniu pomiarów
właściwości magazynowanego produktu w fazie projektowej. Nie muszą to być pomiary laboratoryjne. W większości przypadków wystarczające okazują się praktyczne próby i testy obrazujące rzeczywiste zachowanie się
materiałów sypkich w zbiorniku. Właściwości przepływowe analizowanego granulatu paliwa determinują stosowaną geometrię zasobnika, części zsypowej i sposobu
podłączenia urządzeń współpracujących (podajników).
Oddzielnymi kwestiami są: wytrzymałość oraz odpowiednia sztywność ścianek zbiornika, gwarantująca
brak nadmiernych odkształceń podczas jego eksploatacji, oraz stabilność podparcia całej konstrukcji. Aspekty
te poddawane są normalnym procedurom obliczeniowym i nie stanowią tzw. zagadnień problematycznych,
gdyż podlegają zasadom klasycznej mechaniki konstrukcji i wytrzymałości materiałów.
Czasem już po wykonaniu zasobnika może okazać się,
że nagle powstało wiele problemów związanych nie tyle
z konstrukcją samego zbiornika, co z jego właściwym
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | grudzień 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl
| Projektowanie
Urządzenia grzewcze
Rys. 1 Przykład zbiornika przeznaczonego na magazynowanie pelletu
funkcjonowaniem (przykładowo: zbyt wysoki zasobnik, brak możliwości zmiany ustawienia itp.).
Dlatego już podczas projektowania warto dokładnie
przeanalizować konstrukcję celem wyeliminowania
potencjalnych zagrożeń mogących wystąpić podczas późniejszej eksploatacji.
Na sposób zachowania się materiału sypkiego
w zbiorniku mają wpływ następujące właściwości
i/lub wielkości: tarcie ścierne i warstwowe, atrycja
(ścieranie się), odporność na zamarzanie, adhezja,
podatność na napowietrzanie i płynność, statyczny
kąt stoku naturalnego, kąt odkształcenia postaciowego, gęstość materiału sypkiego, gęstość rzeczywista, kohezja, korozyjność, wrażliwość na kurz,
twardość, tarcie wewnętrzne, skład cząstek, przepuszczalność, plastyczność, ciśnienie w porach,
porowatość, potencjalna zmiana objętości, rzeczywista powierzchnia styku, segregacja, prędkość
Rys. 2 Przykład zbiornika o kształcie cylindrycznym [źródło: www.logiterm.pl]
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | grudzień 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl
31
Projektowanie |
Urządzenia grzewcze
Rys. 3 Właściwa konstrukcja zasobnika- zsyp paliwa przebiega
proporcjonalnie na całej objętości [źródło: www.bulksolids.nl]
przenoszenia fal sejsmicznych, anizotropia, kształt cząstek, rozłożenie cząstek, wielkość cząstek, odporność
na osuwanie, ciepło specyficzne, energia powierzchniowa, szorstkość powierzchniowa cząstek, przewodność
cieplna, wolnonośne naprężenie ściskające załamania,
zawartość wody, udział przestrzeni między cząstkami
oraz zmiana objętości przy osuwaniu. Większość tych
właściwości podlega ponadto wpływowi wilgoci, konsolidacji i temperatury.
Poniżej przedstawiamy grupy właściwości materiałów
sypkich i obsługujących je urządzeń (magazynowanie/
transport), które w zależności od projektowanego układu: zbiornik-rodzaj materiału, powinny być poddane
odpowiedniej analizie:
na zachowanie przepływowe materiału. Zbyt duże ziarna z kolei mogą prowadzić do powstawania blokad.
Podczas transportu mechanicznego materiał sypki
może podlegać ruchom wewnętrznym oraz znajdować
się w ruchu względem ścian urządzenia. Przepływ cieczy – z pozoru podobny – nie powinien być jednak brany pod uwagę przy analizowaniu zjawiska, z następujących powodów:
●● materiały sypkie mogą w stanie statycznym przejmować i przenosić naprężenie styczne, podczas gdy
w przypadku cieczy nie ma to miejsca
●● wiele rodzajów materiałów sypkich nabywa w cza2. Właściwości narzędzia transportującego:
sie konsolidacji siły kohezyjnej i może w dużym
●● kształt i wymiary,
stopniu zachować swoją formę pod wpływem ob●● przesunięcia, prędkości i przyspieszenia,
ciążenia mechanicznego, w zależności od aktualnej
●● szorstkości powierzchniowe,
wielkości i składu
●● właściwości mechaniczne.
●● naprężenie styczne w powoli formującym się materiale sypkim nie zależy zazwyczaj od stopnia
3. Właściwości materiałów sypkich i narzędzia transosuwania, lecz od średniego ciśnienia panującego
portującego łącznie
w materiale
●● tarcie między materiałem sypkim i ścianami w bezruchu,
Mając na uwadze powyższe parametry i właściwości
●● tarcie między materiałem sypkim i ścianami w rumożemy rozróżnić dwa podstawowe mechanizmy przechu,
●● wielkość ziaren w stosunku do wymiarów narzę- pływu materiałów sypkich w zbiornikach:
●● przepływ masowy (objętościowy)
dzia,
●● przepływ rdzeniowy (lejkowy)
●● adhezja między materiałem sypkim i narzędziem.
1. Elementarne właściwości materiałów sypkich
●● kształt ziaren,
●● wielkość i rozłożenie ziaren,
●● gęstość materiału ziarnistego,
●● tarcie między ziarnami w bezruchu,
●● tarcie między ziarnami podczas osuwania,
●● elastyczność materiału ziarnistego,
●● kohezja,
●● tłumienie wewnętrzne.
W przypadku przepływu masowego (Rys. 3) cała zaPrzykładem krótkiej analizy może być wpływ wielkości ziaren na sposób wypływu materiału sypkiego z za- wartość silosu jest w ruchu od razu po otwarciu zsypu
sobnika. Jeżeli ziarna są zbyt małe w stosunku do otworu zbiornika; charakteryzuje go również regularność przezsypowego (jednak nie na tyle małe, by doprowadzić do pływu i łatwa regulacja przepustowości wypływu.
W przypadku przepływu rdzeniowego produkt
powstania kohezji) niemal nie będzie to miało wpływu
32
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | grudzień 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl
| Projektowanie
Urządzenia grzewcze
Rys. 5 Powstawanie mostków utrudniających właściwy
przepływ opału [źródło: www.bulksolids.nl]
Rys. 4 Problemy podczas osuwania się opału – powstawanie
martwych pól [źródło: www.bulksolids.nl]
mostki
okresowe
średnica
krytyczna
mostki
stabilne
brak
przepływu
przepływ
przepływa przez centralną część zbiornika. Powsta- przełamać związanie produktu. Stabilne mostkowanie
ją wówczas miejsca, w których produkt zatrzymuje się nie pojawi się, dopóki będziemy usuwać utworzone łuki.
Mostek załamie się pod swoją masą własną, jeśli siła ta
(tzw. martwe strefy), przedstawione na rysunku 4.
będzie większa niż wytrzymałość na jednoosiowe ściPrzepływ rdzeniowy stwarza wiele problemów, m.in.: skanie produktu przy ciśnieniu obecnym w zbiorniku.
●● tworzenie – przez materiał – łuku lub mostka tuż
Występowanie stabilnych łuków zależy od gęstości
nad strefą wyładowczą zbiornika, które uniemożliwiają schodzenie materiału znajdującego się ponad materiału sypkiego, kształtu/formy zbiornika i leja (zsypu), tarcia produktu o ściany, tarcia wewnętrznego oraz
nim (tzw. łukowanie lub mostkowanie),
●● tworzenie się kanału wyładowczego, uniemożliwia- od kohezji produktu. Jeżeli parametry te są znane (albo
jącego całkowite wyładowanie materiału z zasobni- przewidywalne), można wyliczyć wielkość (średnicę)
krytyczną zsypu. Aby zapobiec mostkowaniu otwór poka (tzw. krater),
●● niekompletne opróżnianie zbiornika – część mate- winien być większy od krytycznego.
Optymalnym sposobem przechowywania materiału
riału pozostaje na ściankach w zbiegającej się części
sypkiego
(paliwa stałego) jest zasobnik z przepływem
zbiornika (martwe pola),
●● rozdzielanie i demiksacja, dla stałych materiałów wykorzystującym siłę ciężkości – przepływ masowy (objętościowy). Aby zaprojektować zasobnik w taki sposób,
masowych o różnym kształcie cząstek i gęstości.
by zapewniał ten rodzaj przepływu należy pamiętać, iż
Przepływ w zasobniku polega na ciągłym osuwaniu na mechanizm przepływu występujący w zbiorniku najsię (zapadaniu się) łuków. Mostkowanie (Rys. 5) może większy wpływ mają:
●● kąt nachylenia części zsypowej – leja
stać się problemem, gdy mostek będzie się utrzymywał.
●● kształt i wielkość otworu zsypowego
Mają na to wpływ dwa parametry – moc mostka i siła,
●● tarcie między materiałem sypkim i ścianą
jaka na niego oddziałuje.
●● wewnętrzne tarcia między ziarnami materiału sypPaliwo w zbiorniku znajduje się pod naporem opału
kiego
znajdującego się nad nim. Dzięki temu ciśnieniu, matePrzepływ objętościowy stymulowany jest przez zsyriał sypki uzyskuje określone właściwości wiążące. Aby
obliczyć moc mostka, należy dokonać pomiaru wytrzy- py o większym kącie nachylenia i gładszych ścianach.
małości na jednoosiowe ściskanie produktu jako funk- Ściany i kąty należy wykonać zatem z zachowaniem nacji ciśnienia. Istotnym jest zatem aby wykonywać testy leżytej gładkości. Ponadto lej o otworze prostokątnym/
w warunkach, w jakich produkt będzie przechowywany. rowkowym jest lepszy niż taki o otworze kwadratowym/
Aby umożliwić wypływ produktu z zasobnika, należy okrągłym.
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | grudzień 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl
33
Projektowanie |
Urządzenia grzewcze
Rys. 6 Zła konstrukcja – nieodpowiednie kąty leja w zasobniku,
powodujące powstawanie martwych pół (wskazane białymi strzałkami)
Ważne jest, iż ze względu na złożone problemy występujące podczas projektowania, metoda konstruowania
i testy praktyczne (wspierające) są często jedyną drogą
do znalezienia optymalnego rozwiązania umożliwiającego przyszłą bezproblemową eksploatację tworzonego
zasobnika. Przykład złej konstrukcji zbiornika ukazano
na rysunku 6.
Po wnikliwej analizie procesów zachodzących podczas zsypywania się opału można przystąpić do zaprojektowania zasobnika i obliczenia jego pojemności. Jeśli chodzi o pierwszą kwestię należy zwrócić uwagę na
„twarde” wymiary, których warto pilnować, aby zbiornik był odpowiednio wkomponowany w bryłę kotła (tzw.
design, który tak naprawdę zaczyna dominować w tego
rodzaju konstrukcjach – Rys. 7). Wygląd i estetyka wykonania są obecnie na równi z pozostałymi parametrami, takimi jak np. trwałość, pojemność i żywotność.
Wymiary, o których wspomniano to odległości pomiędzy zbiornikiem a bokiem urządzenia grzewczego
i różnica pomiędzy frontami kotła i zasobnika. Ważnym
parametrem jest także wysokość zbiornika (im niższy
tym bardziej poręczny zasyp paliwa); jak można się domyślić, mniejsze jednostki są napełniane przez wsypywanie opału z worka do otworu górnego zbiornika (zamykanego klapą) więc ma to duże znaczenie.
Ilość paliwa, jaką może pomieścić zasobnik, powinna
być odpowiednio dobrana do mocy kotła, aby jego zawartość wystarczyła na kilka dni ciągłej pracy. Oczywiście, większość użytkowników chciałaby mieć zbiornik
o dużej pojemności, aby maksymalnie wydłużyć okresy
pomiędzy uzupełnianiem paliwa i jak najmniej czasu
spędzać w kotłowni. Co jakiś czas konieczne jest jednak
Rys. 7 Przykład właściwego zaprojektowania zbiornika pasującego
do reszty elementów kotła [źródło: logiterm.pl]
34
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | grudzień 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl
| Projektowanie
Urządzenia grzewcze
Rys. 8 Umiejscowienie dodatkowego otworu zasypowego
się spawanie metodami MAG 135 lub TIG 141), wiążą się
z koniecznością zachowania odpowiedniego miejsca na
spoinę. Niewłaściwe umiejscowienie złączy spawanych lub
niewłaściwa kolejność spawania wpływa na powstawanie
odkształceń spawalniczych (widoczne wybrzuszenie lub
wklęśnięcie ścianek zasobnika) wraz z tworzeniem się naprężeń. Ma również wpływ na końcową obróbkę wykańczająca przed malowaniem czyli szlifowanie.
Grubość blachy, z której wykonywany jest zasobnik ma
istotny wpływ na kilka zagadnień. Sztywność konstrukcji,
podatność na odkształcenia przy spawaniu, czy chyba najważniejsze, czyli żywotność, to główne parametry, które
należy przemyśleć. Przeciętnie, mniejsze zbiorniki (w zależności od producenta) wykonywane są z blach o grubości
1,5 lub 2 mm. Czasem stosuje się specjalne stelaże znajdujące się na rogach i od spodu zbiornika lub dodatkowe łapy
umożliwiające stabilne umiejscowienie go w dowolnym
miejscu kotłowni. Duże zasobniki (Rys. 9) wytwarza się
z arkuszy o grubości 3 lub 4 mm; wewnątrz takich jednostek mogą się pojawić zastrzały z pręta bądź innego
kształtownika, w celu usztywnienia konstrukcji.
Żywotność zbiorników jest zależna od sposobu magazynowania
paliwa, stopnia jego wilgotności i właściwej
Przy projektowaniu należy również zwrócić uwagę na
kształt zasobnika w związku z możliwością ułożenia deta- wentylacji w kotłowni.
li na blasze (aby w maksymalnym stopniu wyeliminować
Najczęściej stosuje się zasobniki wykonane ze stali
powstawanie odpadów). Trzeba jednak zaznaczyć, że najczęściej – im bardziej wymyślna i ciekawa pod względem S235. Jeśli jednak wytwarzane są przy wykorzystaniu
procesów obróbki plastycznej (zaginanie poszczególwizualnym konstrukcja, tym więcej odpadów.
Ważnym aspektem podczas tworzenia zbiorników nych elementów), warto zastosować gatunek DC01 lub
jest sposób połączenia elementów w jedną bryłę. Zasto- zbliżony. Ma on dużo lepsze własności w porównasowane techniki spawalnicze (najczęściej wykorzystuje niu z S235 i jest przeznaczony na elementy do obróbki
skontrolowanie procesu spalania, jak również usuwanie
popiołu z popielnika. Okres pomiędzy zapełnieniem
zbiornika a jego wypróżnieniem wynosi najczęściej od
trzech do sześciu dni. Różnica ta zależy do wielu czynników, z których najważniejsze to moc kotła, kubatura
ogrzewanego budynku, jego ocieplenie, rodzaj i kaloryczność stosowanego opału, a także parametry pracy.
Czasami zdarza się, że przy małej ilości paliwa w zasobniku drgania wywołane pracą motoreduktora napędzającego podajnik zostają przeniesione na konstrukcję zbiornika, co może powodować występowanie hałasu (czasem
uciążliwego) słyszalnego na wyższych kondygnacjach budynku. Zatem właściwe jest aby nie doprowadzać do sytuacji skrajnego zużycia opału w zasobniku.
Jeśli istnieje potrzeba aby paliwo było dostarczane do zasobnika przez podajnik z innego pomieszczenia bądź, tak
jak się to często określa – „z bunkra”, należy przewidzieć
dodatkowy otwór na wprowadzenie rury układu podającego. Otwór ten powinien być usytuowany w najwyższym
punkcie zbiornika; powinien także mieć możliwość zaślepienia, gdy się z niego nie korzysta (Rys. 8).
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | grudzień 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl
35
Projektowanie |
Urządzenia grzewcze
Rys. 9 Odkryty zasobnik wykonany z blachy o grubości 4 mm
detali o zniekształconych krawędziach, co wpłynie na utrudnienia w dopasowaniu elementów i wydłuży czas montażu.
Reasumując, projektowanie
zbiorników służących do magazynowania różnego rodzaju paliw niejednokrotnie musi zostać
poparte testami przesuwu opału
plastycznej. W miejscach zaginań nie tworzą się mikro- podczas pracy podajnika. Ze względu na różny charakskopijne pęknięcia dzięki czemu żywotność zasobników ter zsypywania i właściwości stosowanych rodzajów paliwa nie można przyjmować jednego typu zasobników
jest dłuższa.
Następnym krokiem przy projektowaniu zbiornika (kątów leja, kształtu otworu zsypowego). Nie przestrzejest rysowanie poszczególnych detali w programie CAD
(Rys. 10), by później zapisać je w formacie DXF. Pozwala
on na odczyt elementów w programie CAM.
Tworzenie (pisanie) programu na wypalarkę plazmową CNC (Rys. 11) jest ważnym etapem w całym procesie dlatego, że to tutaj decyduje się o rozmieszczeniu
wszystkich elementów zbiornika na arkuszu, wyznaczaniu miejsc do zajarzania łuku plazmowego, a także o kolejności cięcia. Niewłaściwe zaplanowanie tych
czynności stworzy możliwość niekontrolowanego zachowania się blachy podczas cięcia. Przesuwanie się jej
pod wpływem występowania odkształceń spowodowanych działaniem wysokiej temperatury i uwalnianiem
się naprężeń, zła kolejność wycinanych detali (pozostałe Rys. 11 Układanie elementów zbiornika na arkuszu – projektowanie CAM
nie mają punktu podparcia) to tylko niektóre z wielu
zjawisk utrudniających uzyskanie wymaganej jakości ganie zasad i brak podstawowej wiedzy związanej z tymi
cięcia plazmowego. Mogą one skutkować wypaleniem zagadnieniami może prowadzić do niekorzystnych zjawisk jak np. mostkowanie opału czy powstawanie martwych pól.
Jarosław Urzynicok
Paweł Wilk
LOGITER M
Literatura:
www.bulksolids.nl
www.mosasolution.com
Rys. 10 Widok na program CAD podczas rysowania poszczególnych detali
36
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | grudzień 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl