pobierz plik artykułu - Inżynieria i Aparatura Chemiczna

pobierz plik artykułu - Inżynieria i Aparatura Chemiczna

Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2012, 51, 5, 256-258
INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA
str. 256
Nr 5/2012
Andrzej TOMPOROWSKI1, Barbara SYKUT2, Konrad KOWALIK2, Marek ANTCZAK1
e-mail: [email protected]
1
Zakład Systemów Technicznych i Ochrony Środowiska, Instytut Technik Wytwarzania, Wydział Inżynierii Mechanicznej,
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, Bydgoszcz
2
Zakład Inżynierii Procesowej, Bezpieczeństwa i Ekologii, Instytut Transportu, Silników Spalinowych i Ekologii, Wydział Mechaniczny, Politechnika Lubelska, Lublin
Badanie i analiza energochłonności
wielotarczowego rozdrabniacza nowej generacji
Wprowadzenie
W produkcji i przetwarzaniu materiałów rolno-spożywczych istotną
rolę odgrywa rozdrabnianie. Aby prowadzić energetycznie efektywne
rozdrabianie ziarna należy kompleksowo wziąć pod uwagę moc traconą
użytecznie, nieużytecznie i odzyskiwaną. Badania rozdrabniaczy wielotarczowych ujawniają możliwość poznania, opisania i projektowo-konstrukcyjnego wykorzystania charakterystyk podających związki między
prędkościami ruchu jałowego i pod obciążeniem, a wskaźnikami użytkowymi rozdrabniania.
Celem badań było poszukiwanie rozwiązań konstrukcyjnych zespołów o energooszczędnych charakterystykach przetwórczych do rozdrabniania biomateriałów.
Metodyka badań
Zagadnienie badawczym było określenie parametrów konstrukcyjnych rozdrabniacza wielotarczowego oraz właściwości rozdrabnianych
materiałów, które są niezbędne dla zapewnienia energooszczędnego
przebiegu procesu.
Na podstawie analizy danych literaturowych [Bieliński i Flizikowski.
2008; Flizikowski, 2011a; Flizikowski, 2011b; Komsta i Opielak, 2010;
Opielak, 2010] oraz wcześniejszych wspólnych badań własnych autorów prowadzonych w Uniwersytecie Technologiczno-Przyrodniczym
w Bydgoszczy [Tomporowski, 2012; Tomporowski i Opielak, 2011]
i w Politechnice Lubelskiej [Kowalik, 2011; Sykut, 2007] postawiono
hipotezę, że regulowane rozdrabnianie wielotarczowe wielootworowe
umożliwia poprawę funkcjonalności działania, tj. zmniejszenie energochłonności procesu bez potrzeby wprowadzania zmian konstrukcyjnych
zespołu roboczego.
Cel pracy osiągnięto również dzięki eliminacji zakłóceń na wyjściu
zespołu roboczego przy minimalizacji zapotrzebowania mocy (PPRW)
w procesie rozdrabniania ziaren zbóż.
Na energooszczędność procesu, a właściwie na jednostkowe zużycie
energii wielokrawędziowego rozdrabniania mają wpływ:
1. Parametry (cechy konstrukcyjne) wielotarczowego, wielootworowego zespołu quasi-ścinającego, (głównie sterowanie szczeliną miedzytarczową).
2. Parametry ruchu zespołu rozdrabniającego i zasilającego.
Stanowisko badawcze (Rys. 1) przy obecnym wyposażeniu w sprzęt
pozwala sterować następującymi parametrami ruchu rozdrabniacza
RWT-5:KZ:
– prędkością kątową i-tej tarczy rozdrabniającej (ωT); w zakresie
-1
100÷1410 min (skorygowanych o przełożenie kinematyczne
przekładni pasowo-zębatej),
– kierunkiem obrotów tarcz rozdrabniających (koT). Konstrukcja pozwala na swobodne sterowanie kierunkiem obrotów każdej tarczy
i odłączenia zasilania dla wybranych tarcz. Urządzenie nie daje
możliwości zahamowania ruchu tarczy,
– prędkością obrotową ślimaka w podajniku (nT). Możliwe jest płynne sterowanie dawką zasilającą w przedziale <0%; 100%>, (gdzie:
0% – brak zasilania, 100% – maksymalne zasilanie).
3. Właściwości rozdrabnianego wsadu biologicznego: wilgotność, gęstość usypowa, kąt usypu, lepkość, struktura materiału biologicznego, własności wytrzymałościowe.
Rys. 1. Rozdrabniacz pięciotarczowy wielootworowy RWT-5:KZ nowej generacji
Proces rozdrabniania charakteryzują takie parametry, jak: wydajność
masowa (Q), jakość produktu (JP), zapotrzebowanie na moc (P).
Zapotrzebowanie na moc użyteczną procesu rozdrabniania Pu [kW]
wyznaczono z zależności:
Pu = PCPRW – PBJ,
(1)
gdzie:
PCPRW – całkowite zapotrzebowanie mocy w procesie wielotarczowego rozdrabniania, [kW]
PBJ – zapotrzebowanie mocy dla biegu jałowego wielotarczowego
rozdrabniania nasion zbóż, [kW]
Stopień rozdrobnienia λ jest określony jako:
λ=D/d
(2)
gdzie:
D – wymiar liniowy cząstki przed rozdrobnieniem, [μm],
d – wymiar liniowy cząstki po rozdrobnieniu, [μm]
Zapotrzebowanie na moc określono dla napędu poszczególnych tarcz
i zespołu tarcz z otworami przepustowo-rozdrabniającymi. Zespół napędowy rozdrabniacza to pięć trójfazowych, jednakowych silników
elektrycznych, pięć przekładni pasowo-zębatych. Silniki napędowe są
sterowane i zasilane indywidualnie poprzez zespół falowników typu
pDrive.
Jednym z warunków równomiernej i efektywnej pracy jest stałe, jednostajne zasilanie surowcem przestrzeni roboczej rozdrabniacza. Rolę
tę pełni podajnik ślimakowy (typ DSK), zainstalowany bezpośrednio w
koszu zasypowym. Otwór zasilający przestrzeń roboczą umiejscowiony
jest poniżej osi obrotu tarcz rozdrabniających.
Parametry procesu rozdrabniania ustawiano przez komputerowy system sterowania, regulacji i rejestracji pracy maszyny. Umożliwiało to
również kontrolę nastaw, ich realizację, monitoring, a także rejestrację
zadanych wielkości i ich realizacje na wyjściu - optymalizację procesu
rozdrabniania.
Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2012, 51, 5, 256-258
INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA
Nr 5/2012
str. 257
Moc tracona na właściwy proces rozdrabniania ziarna Pq-ś [W] jest
w przybliżeniu równa różnicy mocy całkowitej Pc [W] pobieranej przez
układ w procesie rozdrabniania i mocy pobieranej na pracę biegu jałowego Pbj [W] układu napędowego:
Pq-ś= Pc – Pbj
(3)
Pobór mocy w procesie rozdrabniania masy ziarna mz nie jest stały,
jednakże dla uproszczenia obliczeń przyjęto średnią arytmetyczną wartość Pq-ś.
Wydajność masowa procesu wielotarczowego rozdrabniania jest opisana zależnością:
Q = (B - A ) R 2
Vz
t
Sz t
(4)
gdzie:
A, B – stałe zależne od relacji efektywnych powierzchni w sąsiednich
polach quasi-ścinania,
R – promień otworów,
V z – objętość dozowania masowego,
Sz – przekrój zasilania,
t – czas
ρ – gęstość usypowa rozdrabnianego ziarna
Jako materiału wsadowego do rozdrobnienia używano ziarna ryżu
o stabilizowanej wilgotności. Cechy materiału po rozdrabnianiu są pochodną działań: technologicznych, przy rozdrabnianiu materiałów ziarnistych i biologicznych oraz rodzaju narzędzia i parametrów procesu.
Badania prowadzono dla wilgotności ziaren ryżu stabilizowanych
na poziomie 8,7; 11,2; 13,8 i 15,5%. Materiał badany rozważono na
próbki, każda o masie 1000g. Próbki odważano na wadze A-500 AXISS
z dokładnością do 0,1 g.
Pomiary poboru mocy i wydajności prowadzano dla wymienionych
wilgotności ziarna i różnych prędkości obrotowych tarcz roboczych.
Rys. 3. Energochłonność procesu rozdrabniania ziaren ryżu w funkcji wilgotności rozdrabnianej biomasy dla rozdrabniacza pięciotarczowego, wielootworowego RWT5-KZ
zawartość wilgoci w materiale wsadowym utrudnia przemieszczanie się
rozdrabnianego materiału w przestrzeni roboczej rozdrabniacza.
Badaniom poddano również wpływ szczeliny międzytarczowej na
wydajność procesu rozdrabniania w przedmiotowym rozdrabniaczu
(Rys. 4) oraz na stopień rozdrobnienia (Rys. 6). W pierwszym przypadku ze wzrostem szczeliny wzrasta wydajność, natomiast w drugim daje
się zauważyć spadek stopnia rozdrobnienia w funkcji analizowanego
parametru.
Wyniki badań i dyskusja
Otrzymane wyniki badań poddano analizie w kierunku określenia
optymalnych relacji podstawowych parametrów do realizacji rozdrabniania, czyli regulacji w kierunku energooszczędnych procesów produkcyjnych.
Na rys. 2 przedstawiono zależność wpływu szczeliny międzytarczowej na energochłonność procesu rozdrabniania ziaren ryżu rozdrabniaczem pięciotarczowym, wielootworowym RWT5-KZ. Ze wzrostem
szczeliny w badanym przedziale (0,02÷0,18) mm maleje energochłonność procesu. Ze wzrostem wilgotności w przedziale (8,7÷15,5)% maleje wydajność rozdrabniacza. W szerszych szczelinach ze względu na
łatwiejszy proces opróżniania przestrzeni międzytarczowej z przemiału, maleją opory ruchu sąsiadujących tarcz roboczych i rozdrabnianego
medium.
Rys. 4. Wydajność procesu rozdrabniania ziaren ryżu w funkcji wielkości szczeliny
międzytarczowej rozdrabniacza pięciotarczowego, wielootworowego RWT5-KZ
Rys. 5 i 7 pokazują wpływ wilgotności rozdrabnianego przemiału
odpowiednio na wydajność procesu i stopień rozdrobnienia produktu.
Wzrost wilgotności zwiększa oblepianie elementów komory roboczej
przez zawilgocony przemiał. Utrudnia to opuszczanie przestrzeni quasiścinającej, powodując jednocześnie zwiększone oporu ruchu - transportu rozdrabnianego materiału wewnątrz przestrzeni roboczej rozdrabniacza i w konsekwencji obniża jego wydajność (Rys. 6). Przeprowadzone
badania nie wykazały wpływu wilgotności rozdrabnianego materiału na
stopień rozdrobnienia przemiału (Rys. 7).
Rys. 2 . Energochłonność procesu rozdrabniania ziaren ryżu w funkcji wielkości
szczeliny międzytarczowej rozdrabniacza pięciotarczowego, wielootworowego
RWT5-KZ
Analizie poddano również jednostkowy pobór mocy w funkcji wilgotności rozdrabnianego ziarna. (Rys. 3). Ze wzrostem wilgotności w przedziale (8,7÷15,5)% wzrasta energochłonność. Dzieje się tak ponieważ
Rys. 5 . Wydajność procesu rozdrabniania ziaren ryżu w funkcji wilgotności rozdrabnianej biomasy dla rozdrabniacza pięciotarczowego, wielootworowego RWT5-KZ
Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2012, 51, 5, 256-258
str. 258
INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA
Nr 5/2012
Słuszność przyjętych założeń została potwierdzona wynikami badań.
Niezbędnym warunkiem obniżenia energochłonności wielotarczowego
rozdrabniania ziaren ryżu jest monitorowanie sprzężeń wyjść użytkowych (wydajność i stopień rozdrobnienia) ze szczeliną międzytarczową, zasilaniem wejścia i parametrami ziaren oraz procesu. Zaproponowana metodyka badań rozdrabniania ziaren ryżu spełnia oczekiwania
w zakresie ograniczenia zapotrzebowania mocy w procesie.
Otrzymanie z rozdrabnianego wsadu (surowca) pełnowartościowego
produktu o ściśle zdefiniowanych i powtarzalnych wymiarach jest działaniem pożądanym i stwarza perspektywy rozwoju procesu wielokrawędziowego rozdrabniania.
LITERATURA
Rys. 6. Stopień rozdrobnienia ziaren ryżu w funkcji wielkości szczeliny międzytarczowej rozdrabniacza pięciotarczowego, wielootworowego RWT5-KZ
Rys. 7. Stopień rozdrobnienia ziaren ryżu w funkcji wilgotności rozdrabnianej biomasy dla rozdrabniacza pięciotarczowego, wielootworowego RWT5-KZ
Podsumowanie i wnioski
W rozdrabniaczach wielokrawędziowych, wielotarczowych wykorzystuje się zjawisko quasi-ścinania na krawędziach otworów rozmieszczonych w tarczach roboczych, wirujących z różnymi prędkościami,
będących w stanie ruchu względnego.
Z badań własnych oraz doświadczeń innych badaczy wiadomo, że
istotny wpływ na efektywne zużycie energii mają; właściwości wsadu,
parametry dynamiczne procesu i konstrukcja zespołu roboczego analizowanego rozdrabniacza [Flizikowski, 2011c; Macko i in., 2011; Tomporowski, 2011a; Tomporowski, 2011b ].
Wyniki badań (Rys. 2–7) wskazują, że w wielotarczowym, wielootworowym zespole rozdrabniającym, istnieje możliwość regulacji
charakterystyk użytkowych (masy, wydajności) parametrami materiałowymi, konstrukcyjnymi i technologiczno-dynamicznymi.
Bieliński K.S. and Flizikowski J.B., 2007. System aktywnego monitorowania
obiektów technicznych. XXI Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna: „Ekologiczne i energooszczędne budownictwo”. EKOMILITARIS,
pp. 24-35. Wyd. BEL Studio, Warszawa
Flizikowski J.B., 2011a. Research and development of polymer materials grinders in the direction of increasing energy efficiency of recycling processes.
Przetwórstwo tworzyw, 3(141)/17, 128-131
Flizikowski J. B., 2011b. Intelligent grinding system. Inż. Ap. Chem. 50, nr 3,
22-23
Flizikowski J. B. (2011c). Levels of inteligent grinding system. Inż. Ap. Chem.
50, nr 3, 24-26
Komsta H., Opielak M., 2010. Użytkowanie maszyn i aparatury w przetwórstwie
rolno-spożywczym. Wybrane zagadnienia. Rozdrabnianie. Wyd. I, str. 41-59
Wyd. SGGW
Kowalik K., 2011. Wpływ technologii cięcia wybranych produktów spożywczych
na energochłonność procesu. Praca doktorska, Pol. Lubelska, Lublin
Macko, M., Boniecka, M., Drop, A., Grabińska D., Grzelczak B., 2011. Oszacowanie cyklu życia rozdrabniaczy przy wykorzystaniu aplikacji SolidWorks
Sustainability. Inż. Ap. Chem. nr 50, nr 3,49-50
Opielak M., 2010. Environmental aspects of regional development. Asbestos
regional management – Diagnosis and perspectives; Asbestos management
trends on Poland. 7-18. Wyd. Dom organizatora
Sykut B., 2007. Badania wpływu wybranych parametrów na opory cięcia i energochłonność produktów spożywczych. Praca doktorska. Pol. Lubelska, Lublin
Tomporowski, A., 2011a. Rozwój konstrukcji rozdrabniaczy biomateriałów.
Część I: Model obiektu badań. Inż. Ap. Chem. nr 50, nr 3,75-76
Tomporowski, A., 2011b. Rozwój konstrukcji rozdrabniaczy biomateriałów.
Część II: Opis badań. Inż. Ap. Chem. nr 50, nr 3,77-78
Tomporowski A., 2012. Strumień wydajności wielotarczowego rozdrabniania
ziaren ryżu. Eksploatacja i Niezawodność 14, nr 2, 150-153
Tomporowski A., Opielak M., 2012 Konstrukcyjne kształtowanie wydajności
rozdrabniania wielootworowego. Eksploatacja i Niezawodność 14, nr 3, 222227
Praca była finansowana przez Narodowe Centrm badań i Rozwoju
w latach 2010-2013.