Projektowanie 5
Transkrypt
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