inżynieria rozdrabniania biomasy
Transkrypt
inżynieria rozdrabniania biomasy
Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski, Marek Macko, Adam Mroziński INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA BIOMASY ISBN: 978-83-64423-35-2 INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA BIOMASY Monografia pod redakcją Adama MrozińskIEGO Wydawnictwo współfinansowane ze środków funduszy norweskich oraz środków krajowych INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA BIOMASY Wydawnictwo współfinansowane ze środków funduszy norweskich oraz środków krajowych 1 2 INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA BIOMASY Monografia pod redakcją Adama MrozińskIEGO Wydawnictwo współfinansowane ze środków funduszy norweskich oraz środków krajowych 3 Autorzy: Prof dr hab. inż. Józef Flizikowski Dr hab. inż. Andrzej Tomporowski Dr hab. inż. Marek Macko Dr inż. Adam Mroziński - rozdział I, II, III i IV - rozdział II, III i IV - rozdział V - rozdział III i IV Recenzent - Prof. dr hab. inż. Janusz Badur Redaktor - Dr inż. Adam Mroziński ISBN: 978-83-64423-35-2 Projekt i opracowanie graficzne, skład, łamanie, druk i oprawa: Grafpol Agnieszka Blicharz-Krupińska ul. Czarnieckiego 1 53-650 Wrocław tel. 507 096 545 fax 71 797 88 80 Wydawnictwo współfinansowane ze środków funduszy norweskich oraz środków krajowych Bydgoszcz 2016 4 Spis treści Od autorów.................................................................................................................... 7 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE................... 10 ROZDZIAŁ II - SPALANIE I WSPÓŁSPALANIE BIOMASY.................................. 102 ROZDZIAŁ III - EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA PRZYGOTOWANIA, SPALANIA BIOMASY I ODPADÓW..................................... 120 ROZDZIAŁ IV - INSTRUMENTARIUM POMIAROWE W LABORATORIUM BADAŃ ROZDRABNIANIA................................................... 140 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy........................................... 156 5 6 Od autorów Jedną z barier rozwoju energetyki odnawialnej, zarówno w Polsce, jak i na świecie, jest stosunkowo niska świadomość społeczna i wiedza na temat podstaw zasad działania tego typu instalacji. Niewiele osób miało bezpośrednią styczność z instalacjami OZE, jeszcze mniej – poznało zasadę ich działania. Niniejsza Monografia ma za zadanie w pewnym stopniu zmienić ten stan rzeczy. Znalazły się w niej podstawowe informacje dotyczące bardzo ważnych aspektów konwersji OZE, a mianowiecie zagadnienia rozdrabniania biomasy na cele energetyczne. Biomasa jest najmniej kapitałochłonnym źródłem zielonej energii. Powstaje cały czas w każdym miejscu na Ziemi i jest to proces praktycznie samoistny. Nowoczesne wykorzystywanie biomasy do celów energetycznych, skupia się głównie na pozyskiwaniu materiału ze specjalnie tworzonych plantacji gatunków o najlepszych parametrach energetycznych oraz korzystaniu z wszelkich odpadów przemysłu drzewnego czy rolnego W związku z dynamicznym rozwojem sektora przetwarzania biomasy na cele energetyczne, pojawiła się potrzeba projektowania efektywnych urzadzeń do rozdrabniania biomasy. Maszyny i urzadzenia do rozdrabniania biomasy powstały w wyniku poszukiwania odpowiedzi na problem zagospodarowania ogromnej ilości biomasy, która czesto nie miała znaczenia przemysłowego ani energetycznego. Główną ideą przyświecającą tym urządzeniom jest lepsze dostosowanie biomasy do celów energetycznych oraz redukcja objętości odpadów w przypadku biomasu odpadowej. Konstrukcja maszyn do rozdrabniania biomasy z początku była bardzo prosta. Z czasem ich budowa ulegała znacznym modyfikacją. Dziś mamy do czynienia z bardzo złożonymi konstrukcjami, integrującymi w sobie napędy mechaniczne, hydrauliczne, elektronikę itd. Niniejsza monografia została napisana z myślą o studentach kierunków: inżynieria odnawialnych źródeł energii, energetyka, inżynieria ochrony środowiska, ochrona środowiska, mechanika i budowa maszyn oraz o uczniach szkół średnich i techników o podobnych profilach nauczania. Jednak sięgnąć może po nią każda osoba zainteresowana tematyką inżynierii rozdrabnania biomasy, jak i każdy potencjalny inwestor, by poszerzyć swoją wiedzę w tym obszarze oraz projektanci instalacji i nauczyciele – by szukać nowych inspiracji. 7 8 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE 9 Józef Flizikowski 1.Wstęp Rozdrabnianie każdego materiału, w najogólniejszym ujęciu, jest podziałem jego masy na części. Podział materiału na części o pożądanych rozmiarach następuje na skutek pokonania sił spójności materiału. Można więc rozdrabnianie określić jako dyskretyzację materiału, gdyż rozmiary rozdrobnionych części różnią się „skokowo” – nieciągle. Rozdrabnianie zwykle nie dotyczy podziału jednolitej, dużej, masy materiału lecz materiału, który już jest w częściach (kawałkach), bądź to na skutek wstępnego rozdrobnienia (naturalnego lub wymuszonego) – np. kruszywa mineralne, kopaliny; bądź materiału występującego w częściach (kawałkach) w warunkach naturalnych – np. organiczne materiały ziarniste. Miarą – wskaźnikiem rozdrobnienia (podziału) materiału na części jest tzw. stopień rozdrobnienia (stopień dyskretyzacji) λ, definiowany ogólnie jako iloraz wymiarów wielkości charakteryzującej cząstkę materiału przed rozdrobnieniem (A) i po rozdrobnieniu (a), opisany zależnością: (1.1) Proces rozdrabniania materiału składającego się z cząstek (kawałków) o średniej masie M (materiał nadawy) prowadzi do powstania nowych cząstek (produkt, mlewo) o średniej masie m, zatem iloraz: (1.2) określa masowy stopień rozdrobnienia λm materiału nadawy (stopień dyskretyzacji masy materiału). W przypadku gdy gęstość rozdrabnianego materiału nie ulega zmianie, tj. ρ = const, miara rozdrobnienia związana jest z cechami geometrycznymi cząstki (kawałka) materiału, w takim przypadku wskaźnikiem rozdrabniania jest objętościowy stopień rozdrobnienia λo, określony ilorazem: (1.3) gdzie: V – średnia objętość cząstek nadawy (cząstek pierwotnych, przed rozdrobnieniem), v – średnia objętość cząstek produktu (cząstek wtórnych, po rozdrobnieniu). Podział materiału na części wiąże się ze zmniejszeniem wymiarów cząstek nadawy oraz jednoczesnym zwiększeniem sumarycznej powierzchni cząstek powstałych w wyniku rozdrabniania. Zwiększenie powierzchni cząstek po rozdrobnieniu (jeden z głównych celów rozdrabniania) jest zwykle pożyteczne dla efektywniejszego przebiegu stosowanych w technologii przetwórstwa procesów fizyko – chemicznych. Można zatem określić powierzchniowy stopień rozdrabniania λF będący miarą rozdrabniania, w postaci: 10 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE (1.4) gdzie: f – średnia powierzchnia cząstek przed rozdrobnieniem, F – średnia powierzchnia cząstek po rozdrobnieniu. Najczęściej spotykanym wskaźnikiem rozdrabniania, wykorzystującym cechy geometryczne cząstek jest liniowy stopień rozdrobnienia λL , w postaci: (1.5) gdzie: D – średni wymiar charakterystyczny cząstek (równoważny) przed rozdrobnieniem, d – średni wymiar charakterystyczny cząstek (równoważny) po rozdrobnieniu. Określone zależnościami (1.2 – 1.5) stopnie rozdrobnienia mogą być traktowane jako średnie ilości cząstek wtórnych (produktu) powstających ze średnich ilości cząstek pierwotnych (nadawy) dla odpowiednich miar rozdrobnienia (tj. masy, objętości, powierzchni, rozmiaru liniowego), w takim przypadku: (1.6) Wielkość ta może być rozumiana również jako ilość cząstek wtórnych powstających w wyniku rozdrobnienia jednej uśrednionej cząstki pierwotnej (nadawy) dla określonej wielkości charakteryzującej rozdrabnianie (miary rozdrobnienia). Rozważania dotyczące rozdrabniania odpowiednio dużej ilości cząstek nadawy (i dużej ilości cząstek produktu), prowadzą do uwzględnienia rozkładów statystycznych dla poszczególnych wielkości miar rozdrabniania. W praktyce doświadczalnej wykorzystuje się tzw. analizę sitową – zwłaszcza w odniesieniu do rozmiarów liniowych cząstek produktu. Efektywność rozdrabniania materiałów zależy zwłaszcza od ogólnie pojmowanej podatności materiału na rozdrabnianie i mierzyć ją (efektywność) można ilością zużytej energii lub niezbędnej pracy na realizację procesu rozdrabniania. Ilość zużytej energii na rozdrabnianie określonego materiału zależy od: - właściwości materiału, - stopnia rozdrobnienia, - sposobu rozdrabniania, - warunków rozdrabniania. 11 Adam MROZIŃSKI W szczególności podatność materiału na rozdrabnianie związana jest z odpornością na utratę jego spójności. Dla każdego z wyszczególnionych czynników na wartość energii rozdrabniania wpływają: a) Właściwości materiału. Wytrzymałość materiału (wartość granicznych naprężeń, sił) dotycząca: - spójności (dekohezja, destrukcja, podział) - plastyczności (odkształcenia trwałe) - sprężystości (odkształcenia odwracalne) Wartość granicznych naprężeń związana jest z występującymi rodzajami własności dotyczących wytrzymałości rozdrabnianego materiału, np.: - rozrywanie, ściskanie - ścinanie - naciski powierzchniowe - udarność - zginanie, łamanie - ścieralność. b)Stopień rozdrobnienia. Wymiar cząstek materiału przed i po rozdrobnieniu (masa, objętość, powierzchnia, rozmiar liniowy). Istotna tutaj jest wartość energii powierzchni swobodnej materiału oraz odporność materiału na dekohezję. c)Sposób (metoda) rozdrabniania Uwzględnienie i ewentualne wykorzystanie zjawisk towarzyszących i powstających podczas rozdrabniania (np. przez łamanie, ścieranie, miażdżenie, cięcie, uderzanie), a dotyczących zwłaszcza dyssypacji energii (np. ciepło, tarcie). d) Warunki rozdrabniania Oddziaływanie środowiska (warunki naturalne); temperatura, wilgotność. Istotne tutaj są Warunki spowodowane procesem rozdrabniania; temperatura, wilgotność, tarcie, fale akustyczne. Trzeba zwrócić uwagę na rodzaj stosowanych maszyn i urządzeń. Do opisu rozdrabniania znajduje zastosowanie wiele hipotez dotyczących relacji między niezbędną do rozdrabniania energią (pracą), a odpowiednimi wielkościami charakteryzującymi rozdrabnianie; zwłaszcza stopniem rozdrobnienia (zwykle wielkościami geometrycznymi) oraz właściwościami materiałowymi. Stosowane hipotezy na ogół nie uwzględniają warunków i sposobu rozdrabniania. Wielkości charakteryzujące rozdrabnianie, ujęte w zależnościach opisujących poszczególne hipotezy, są funkcjami określonych argumentów (zmiennych). Zależności dla poszczególnych hipotez pokazano w tabeli 1.1. 12 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Tabela 1.1. Teorie, hipotezy, wskaźniki i ograniczenia opisów rozdrabniania materiałów Lp. 1 Hipoteza – nazwa – twórca Zależność matematyczna 2 Rittinger 1 3 Zmienne Miary rozdrobnienia 4 KRi – współczynnik Powierzchnia, wymiar liniowy, Współczynniki Materiałowe Charakterystyczny Kick KK - współczynnik charakterystyczny m – masa rozdrobniona σ - naprężenie krusz. 2 Kick – Kirpiczew liniowy stopień rozdrobnienia E – moduł sprężystości liniowej (Younga) Objętość, masa, wymiar liniowy, liniowy stopień rozdrobnienia. Własności wytrzymałość materiału Ld – jednostkowa praca rozdrabniania Rebinder KF - współczynnik powierzchniowy 3 KV - współczynnik objętościowy Mielnikow 4 Powierzchnia, objętość. Liniowy wymiar cząstki; liniowy stopień rozdrobnienia C1 – stała całkowania, współczynnik empiryczny Liniowy stopień C2 - j.w. rozdrobnienia LM – jednostkowa praca odkształcenia 13 Adam MROZIŃSKI 1 2 Bond 3 KBo – współczynnik charakterystyczny 5 Brach Umowny liniowy wymiar cząstki Wi – odporność materiału na rozdrabnianie Własności wytrzymałościowe KBW – współczynnik charakterystyczny Liniowy wymiar Bond – Wang 6 4 materiału cząstki KBr – współczynnik charakterystyczny praca jednokrotnego rozdrabniania masy o wym. D0 m – współczynnik materiałowy D0 – wymiar ciała o jednostkowej masie 7 C0 – praca jednokrotnego rozdrabniania masy o wym. D0 mS – masa materiału α - stała materiałowa E – moduł sprężystości liniowej γ - ciężar właściwy σ - napręż. kruszenia CK – jedn. praca krusz. 14 Liniowy wymiar cząstki, liniowy stopień rozdrobnienia Własności wytrzymałościowe materiału ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE 1 2 Walker – Charles 8 Wang 9 3 4 n - współczynnik materiałowy Wymiar cząstki, C – stała całkowania liniowy stopień KWC – współczynnik charakterystyczny rozdrobnienia KW – współczynnik charakterystyczny PS – siła ścinająca Liniowy stopień ρ - gęstość materiału rozdrobnienia E – moduł sprężystości liniowej Rumpf AM – współczynnik materiałowy AF – współczynnik materiałowy 10 dZ – średnica kulki szklanej Papadakis (dla młyna kulowego) Wymiar cząstki, powierzchnia, własności wytrzymałościowe St – pow. po czasie t S0 – pow. początkowa A – współczynnik aglomeracji B – współczynnik rozdrabnianie n0 – częstość obrotów bębna m1 – masa kul 11 dm – średnica kul Lm – praca jednostkowa kuli γm - gęstość usypowa kul 15 Józef Flizikowski Od ponad stu lat dokonuje się szeregu prób ujęcia formalnego procesu rozdrabniania, które ułatwiłyby badaczom, projektantom urządzeń rozdrabniających i użytkownikom tych urządzeń wyznaczanie teoretyczne: zapotrzebowania energii na proces rozdrabniania oraz efektów procesu rozdrabniania (parametrów uziarnienia i powierzchni właściwej) rozdrabnianego materiału. Są to tak zwane hipotezy rozdrabniania. Jest ich bardzo wiele, dlatego podzielono je na trzy grupy [4], [14]: - grupa hipotez klasycznych, które powstały na bazie prac związanych z przeróbką mechaniczną kopalin, hipotezy te zajmują się związkami pomiędzy skutkami procesu rozdrabniania, a pewnymi właściwościami rozdrabnianego materiału i nakładami energii na rozdrabnianie, - druga grupa hipotez zajmuje się relacjami pomiędzy technologicznymi parametrami rozdrabnianych materiałów, głównie parametrami uziarnienia, - trzecia grupa hipotez zajmuje się procesami rozdrabniania od strony termodynamicznej. Praktyczne zastosowanie znalazły tylko hipotezy pierwszej grupy, te które zajęły się opisami formalnymi procesów rozdrabniania – zajmującymi się tak zwaną podatnością na rozdrabnianie, czyli relacjami zachodzącymi pomiędzy rodzajem i parametrami uziarnienia materiału rozdrabnianego, parametrami uziarnienia produktu rozdrabniania oraz poniesionymi na proces rozdrabniania nakładami energetycznymi. Hipotezy te bazują na badaniach laboratoryjnych procesów rozdrabniania, które przeprowadza się zwykle w warunkach zbliżonych do warunków występujących w urządzeniach przemysłowych i zwane są hipotezami klasycznymi. Podatność na rozdrabnianie – w rozpatrywanym przypadku na mielenie, jest najważniejszą cechą rozdrabnianego materiału. Rozpatrując ją od strony procesu mielenia i urządzenia mielącego, można przyjąć, że jest to pewien zbiór oporów, jaki stawia mielony materiał. Główne opory rozdrabniania są skutkiem: wytrzymałości mechanicznej, twardości, spójności, tekstury, struktury, a także składu fazowego i innych właściwości fizycznych i chemicznych ziaren materiału. Podczas procesu mielenia występują także dodatkowe opory hamujące proces, które są skutkiem wtórnej aglomeracji ziaren, oraz oblepiania elementów roboczych młyna rozdrobnionymi ziarnami materiału. W praktyce występują trzy grupy metod wyznaczanie podatności na mielenie: - grupa zajmująca się wyznaczaniem podatności względnej, czyli w odniesieniu do oporów rozdrabniania materiału, który traktowany jest jako materiał wzorcowy, - grupa druga, mniej liczna, która obejmuje metody wyznaczania ilościowych relacji pomiędzy nakładami energii poniesionej na rozdrabnianie, a parametrami uziarnienia nadawy i produktu rozdrabniania, bez uwzględniania innych zjawisk towarzyszących procesowi rozdrabniania, - grupa trzecia, najmniej liczna, która obejmuje metody wyznaczania ilościowych relacji pomiędzy nakładami energii poniesionej na rozdrabnianie, a parametrami uziarnienia nadawy i produktu rozdrabniania, z uwzględnieniem innych zjawisk towarzyszących procesowi rozdrabniania, takich jak aglomeracja i coating. 16 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Podatność na mielenie jest podstawowym wskaźnikiem szczególnie traktowym przez producentów układów mielących, w których proces mielenia zachodzi w skali masowej, a zainstalowane moce młynów przekraczają 100 kW, ponieważ umożliwia określenie, w fazie projektowania, trzech bardzo istotnych parametrów młynów: - wymiarów komór, - doboru zestawu mielników, - wyznaczenia mocy młyna. Znajomość podatności na mielenie umożliwia także poprawny dobór podstawowych parametrów wszystkich urządzeń pomocniczych układu mielącego: dozujących, odbierających, aeracji, oczyszczania powietrza technologicznego, parametrów gazów suszących – przy mieleniu w układach susząco-mielących, dozowania wody przy mieleniu na mokro, automatycznego sterowania, a nawet układów chłodzenia łożysk. Metod oznaczania podatności na mielenie jest kilkanaście. Praktyczne zastosowanie znalazło zaledwie kilka. Niektóre firmy produkujące młyny mają własne metody oznaczania podatności, inne korzystają z metod powszechnie znanych, względnie wyznaczają parametry produkowanych przez siebie młynów w testowych młyna laboratoryjnych o budowie zbliżonej do młynów przemysłowych tylko w znacznie mniejszej skali. Sposób ten jest praktykowany zwłaszcza przez producentów młynów wibracyjnych. W Polsce od 2002 roku metodą normową do oznaczania podatności na mielenie jest PNISO 5074-2002: Oznaczanie wskaźnika podatności przemiałowej. 2. Modele rozwoju inteligentnego Ze względu na treść struktury optymalizacyjnej wyróżnia się modele, w których występują informacje dotyczące: - struktury i charakterystyk systemu rozdrabniania (IS); - jakości produktu, efektywności procesu podziału, badawczego i sterowania (IW); - systemu działania (oddziaływania i realizacji celu) produktu (ISW). W ogólnym przypadku model efektywności działania oraz jakości produktu rozdrabniania ma postać: λ = λ [IS, IW, ISW]. Główny problem: naukowy, badawczy, rozwiązany metodologicznie podczas realizacji projektu, sformułowano w postaci pytania: Jakie warunki konstrukcyjne, materiałowe i sterownicze młynów specjalnych (Wkms) do materiałów ziarnistych, polimerowych i włóknistych są niezbędne dla zaistnienia optymalnego stanu postulowanego (SPrbr) ich rozdrabniania? Zakres pracy obejmuje omówienie metody badań doświadczalnych modułu quasiścinania ziaren i granulatów, opis przypadku badawczego oraz prezentację podstaw modelu. 17 Józef Flizikowski Założenia i ustalenia Do najważniejszych założeń i ustaleń zaliczono: 1.Ciśnienie quasi-ścinania pt-s działa na powierzchnię punktowo i liniowa; 2.Odkształcenie jest objętościowe i powierzchniowe. 3. W wybranym zakresie obciążeń – ciśnień miarą odkształcenia objętościowego, nie jest zmiana objętości ΔV, lecz zmiana objętości przypadająca na jednostkę objętości pierwotnej: czyli następuje skurczenie objętościowe podczas quasi-ścinania mikro ziarna. Zgodnie z prawem Hooke’a: Θt-s i pt-s są wielkościami proporcjonalnymi, zatem skąd jest modułem ściśliwości przy quasi-ścinaniu. Minus (–) ponieważ pt-s jest dodatnie, a Θt-s – ujemne (przyrost ΔV jest ujemny). Wniosek z założenia 3: Im większy jest moduł ściśliwości przy quasi-ścinaniu mikro ziarna, tym większego trzeba ciśnienia pt-s aby wywołać odkształcenie Θt-s, tym odporniejsze będzie ono na wszelkie zmiany objętości, tym jest ono mniej ściśliwe. Z uwagi na punktowe i fragmentarycznie liniowe oddziaływanie ciśnienia na ziarno nie można zastosować opisu modułu ściśliwości w analizie quasi-ścinania. 4. Pod wpływem ciśnienia quasi-ścinania pt-s na górną powierzchnię mikro ziarna o unieruchomionej (adhezyjnie, trwale) podstawie, odkształci się ono w „równoległościan” o kącie α szerokość ziarna (l) nie zmieni się. Występuje zmiana kształtu bez zmiany objętości, czyli skąd Gt-s – moduł sprężystości postaciowej przy quasi-ścinaniu. Wniosek z założenia 4: Im większy jest moduł sprężystości postaciowej przy quasi-ścinaniu bio- polimerowego, włóknistego ziarna (granulatu), tym trudniej jest zmienić jego postać w prowadzeniu go do rozdrobnienia. 5.Czyste odkształcenie postaciowe podczas quasi-ścinania ziarna występuje jako skutek skręcenia go momentem siły Pt-s na ramieniu równym szerokości l. Model: Do rozwiązania modelu, a szczególnie modułu quasi-ścinania, wzięto ziarno, którego dolna powierzchnia (punktowo, liniowo) jest silnie, adhezyjnie unieruchomiona (rys. 2.1) [6]. 18 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Rys. 2.1. Przykład ziarna obciążonego siłą Pt-s i skręconego o kąt φ [6] Przyłożono do górnej powierzchni punktowo (liniowo) moment skręcający. Spowoduje on obrót na przekroju ziarna o kąt φ (zależny od rodzaju, właściwości i stanu ziarna). Postępowanie dalsze przeprowadzono zgodnie z obowiązującymi zasadami fizyki, mechaniki i dotychczasowymi osiągnięciami w badaniach quasi-ścinania [1, 2, 6, 8, 14-19]. Otrzymano zależność na ciśnienie styczne quasi-ścinania, przy założeniu kołowego przekroju ziarna [3]: (2.1) Pod wpływem tego ciśnienia każdy element warstwy zewnętrznej ziarna dozna odkształcenia postaci: Lecz kąt α (rys.2.1): (2.2) , L= l – szerokość ziarna zaś Δl = x · φ, zatem (2.3) Podstawiając zależność (2.3) do (2.2) i (2.1) otrzymano: (2.4) skąd: (2.5) 19 Józef Flizikowski Mnożąc przez x otrzymano moment działający na warstwę ziarna: (2.6) Po scałkowaniu: (2.7) skąd: (2.8) Co po uwzględnieniu zmiennej relacji r=aL (a=(0,6-0,8) - zależnej od kąta ustawienia ziarna względem utwierdzenia (rys. 2.1), daje ostateczną zależności na moduł quasi-ścinania ziarna w postaci: (2.9) Po uwzględnieniu nacisków powierzchniowych ostrza na mikro ziarno Pn od siły wzdłużnej Pw: (2.10) gdzie: α - kąt pochylenia ziarna, ρ - kąt tarcia. Wiedząc [7], że: dśr - średniej (zastępcza) średnica ziarna, μ - współczynnik tarcia narzędzia o ziarno (2.11) możemy podać doświadczalnie użyteczną postać modułu quasi-ścinania, zależną od zmiennych badanych: (2.12a) co dla Pn=Pt-s daje: (2.12b) 20 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Ten związek między momentem skręcającym (od siły quasi-ścinania) i modułem quasi-ścinania ziarna, pozwala na dokładne (doświadczalne) wyznaczenie modułu. Wymaga to zmierzenia (zbadania wielkości): L- szerokości ziarna, r- promienia skręcenia, φ – kąta skręcenia, Mt-s – momentu skręcającego (od siły Pt-s). 3. Odkształcanie rozdrabniające Ogólne równania mechaniki ośrodków ciągłych, nie są wystarczające, aby rozwiązać zagadnienie o rozkładzie naprężeń i odkształceń w rozdrabnianym ziarnie (granulacie). Statyczne i geometryczne rozważania winny być w tym celu uzupełnione specjalnymi równaniami wiążącymi różnorodne strony badanego zjawiska, tzn. siły i odkształcenia. Te zależności, oczywiście określa się za pomocą fizycznych właściwości ziaren i jako związane z własnościami ich mikrostruktury są przedmiotem badań w fizyce. Praktyczną możliwość takiej ekstrapolacji potwierdza doświadczenie dla większości materiałów stosowanych w technice przy zachowaniu następujących warunków [3, 4]: a) jednoczesne występowanie wszystkich składowych naprężeń, a również ich działanie oddzielne (jeżeli jest to możliwe) nie powoduje wystąpienia stanu plastycznego w materiale, tzn. materiał pracuje w przedziale odkształceń sprężystych; b) materiał można praktycznie uważać za izotropowy1, c) odkształcenia są znikomo małe w porównaniu z wymiarami badanego ciała; d) proces odkształcenia jest izotermiczny2. Wymienione warunki pozwalają na praktyczne zastosowanie zasady niezależności działania sił i adaptację wspomnianego elementarnego prawa Hooke”a (dla prostego rozciągania i ścinania) do badania stanu naprężenia dowolnie skomplikowanego, w celu obliczenia odkształceń zachodzących w dowolnym kierunku i w dowolnym punkcie wewnątrz rozpatrywanego mikro ziarna, prostopadłościanu. Zakładając występowanie tylko jednych naprężeń σx tzn. liniowy stan naprężenia, stwierdzamy następujące jednostkowe odkształcenia liniowe badanego prostopadłościanu: w kierunku osi x zgodnie z pierwszym prawem Hooke’a: a w kierunku osi y i z, poprzecznych w odniesieniu do kierunku działającej siły, gdzie: E – moduł sprężystości podłużnej, stały dla ciał izotropowych (w granicach sprężystości), μ – współczynnik Poissona3. Przypadek materiałów anizotropowych, ogólnie biorąc, wchodzi w zakres teorii sprężystości. Przedmiotem zainteresowań teorii sprężystości są nie tylko procesy izotermiczne, ale również adiabatyczne, a także i inne możliwe odwracalne procesy odkształcenia związane ze zmianą temperatury. Jednakże te zagadnienia nie są tu rozpatrywane. 3 Współczynnik ten w przypadku odkształceń skończonych nie będzie wielkością stałą, będzie on bowiem funkcją wielkości odkształcenia (mimo, że rozpatrywany proces jest sprężysty). Jednakże przy małych odkształceniach można przyjąć ten współczynnik jako stały. 1 2 21 Józef Flizikowski Zakładając występowanie wyłącznie naprężeń σy i analogicznie rozumując otrzymano: A rozpatrując działanie tylko naprężeń σz: W rozpatrzonych oddzielnie przypadkach działania naprężeń normalnych nie wystąpi odkształcenie kątów prostych (kąty odkształcenia postaciowego) na ścianach elementarnego prostopadłościanu. Naprężenia statyczne wywołują działania odwrotne, tzn. pociągają za sobą zmianę postaci prostopadłościanu przy niezmienionej jednak długości poszczególnych krawędzi; ściślej mówiąc odkształcenia te są znikomo małe w porównaniu z odkształceniami kątowymi4. Para naprężeń stycznych τxy – τyx wywoła wyłącznie odkształcenie postaciowe ścian równoległych do płaszczyzny xy, bez wpływu na pozostałe ściany prostopadłościanu. Zgodnie z drugim prawem Hooke”a: gdzie, jak wiadomo: Analogicznie przy działaniu pary τyz = τzy otrzymamy: od pary τzx = τxz otrzymamy: W ten sposób więc przy występowaniu wszystkich składowych naprężenia, otrzymano wyrażenia na składowe stanu odkształcenia przy trójosiowym stanie naprężenia: Wskazaną niezależność odkształceń kątowych lub naprężeń stycznych od naprężeń normalnych, można również uzasadnić za pomocą znanej w statyce konstrukcji zasady symetrii i antymetrii. 4 22 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE (3.1) W tej postaci bywa zazwyczaj podawane prawo sprężystości dla ciał izotropowych. Wyrażenia (3.1) można wysłowić następująco: składowe tensora odkształceń w danym punkcie ciała są liniowo zależne od składowych tensora naprężeń dla tego samego punktu. Przy μ = 0 widzimy, że dowolna składowa tensora naprężeń jest wprost proporcjonalna do odpowiedniej składowej tensora odkształceń. We wzorach (3.1) składowe odkształceń wyrażone są przez składowe naprężeń. Często zachodzi konieczność stosowania zależności odwrotnych, tzn. takich, w których rozwiązuje się równania (3.1) względem σx, σy, itd. Opuszczając przekształcenia otrzymano ostateczne wyniki: (3.2) Dodając lewe i prawe strony pierwszych trzech zależności (3.1), otrzymano: (3.2a) Ponieważ: 23 Józef Flizikowski są to tzw. średnie odkształcenia i naprężenia, z (a) wynika, że: (3.3) W ten sposób średnie naprężenie jest proporcjonalne do średniego odkształcenia. Ponieważ suma jednostkowych wydłużeń zaistniałych w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach daje jednostkowe odkształcenie objętościowe, tzn. εśr = Θ to związek (3.3) można przedstawić również w postaci: (3.3a) tzn. średnie naprężenie w punkcie jest proporcjonalne do jednostkowego odkształcenia objętościowego w otoczeniu tego punktu. Wyrażenia (3.3) i (3.3a) noszą nazwę prawa sprężystej zmiany objętości [3]. Doświadczenie wykazuje, że prawo to jest słuszne nawet przy wysokich wartościach średniego naprężenia, znacznie przewyższających zwykłą granicę sprężystości materiału (tzn. ustaloną w warunkach laboratoryjnych przy próbach na jednoosiowe rozciąganie lub ściskanie). W związku z tym odkształcenie objętościowe, obliczone z wyrażenia: (3.3b) praktycznie biorąc, zawsze znika po usunięciu przyczyn, które je wywołały. Wracając znowu do wzoru (3.2) i od obu stron pierwszej zależności odejmując σśr, przy czym w odniesieniu do prawej strony wyrażając je przez εśr na mocy związku (3.3). Wówczas otrzymamy: Podstawiając E = 2(1 + μ)G , otrzymamy: 24 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE W analogiczny sposób przedstawiono drugą i trzecią zależność i zapisano układ zależności (3.2) w postaci: (3.4) Ostatni zapis (3.4) jest specjalnie korzystny w odniesieniu do teorii rozdrabniania, w zakresie odkształceń plastycznych. Jeżeli układ naprężeń można nazwać składowymi naprężeń, odpowiadającymi zmianie postaci przy rozdrabnianiu, a układ odkształceń - składowymi odkształ- ceń odpowiadających zmianie postaci, to uogólnione prawo sprężystości (3.4), które okazuje się prawem zmiany postaci podczas rozdrabniania, może być wyrażone w następujący sposób: składowe naprężeń i odkształceń odpowiadające zmianie postaci są wzajemnie proporcjonalne, tj. pierwsze równają się z drugim, przemnożonym przez podwojony moduł sprężystości postaciowej. Układ zależności (3.4) można przedstawić za pomocą następujących macierzy: (3.4a) w których lewe i prawe wyrazy równań (3.4) odpowiednio proporcjonalne mają identyczne położenie. Na przykład, wyrazowi (σy – σśr) z drugiego wiersza i drugiej kolumny lewej macierzy odpowiada w prawej macierzy wyraz położony również w drugim wierszu i drugiej kolumnie (εy – εśr) który jak wiadomo jest proporcjonalny do pierwszego. Ustalono, że lewa macierz 25 Józef Flizikowski złożona ze składowych naprężeń wpływających na zmianę postaci nosi nazwę dewiatora naprężeń, a prawa macierz – dewiatora odkształceń [4]. W związku z tym uogólnione prawo sprężystości można symbolicznie przedstawić w postaci: Dn = 2GDo (3.5) tj.: dewiator naprężeń jest wprost proporcjonalny do dewiatora odkształceń. Wyrażenia (3.4a), a również (3.5) noszą nazwę prawa zmiany postaci [3, 4]. Wracając do prawa zmiany objętości i wykorzystując pojęcia o aksjatorach [3], można związek (3.3) przedstawić następująco: An = Eo Ao (3.6) tzn. aksjator naprężeń jest wprost proporcjonalny do aksjatora odkształceń5 Współczynnik proporcjonalności (moduł ściśliwości) jest równy: (3.7) przy μ → 0,5 dąży do nieskończoności. Z czterech stałych sprężystych E, μ, G, Eo niezależne są oczywiście tylko dwie. W związku z istnieniem wymienionych dwóch charakterystyk praw odkształcenia ciała sprężystego i wchodzących w ich skład modułów Eo i G jest rzeczą logiczną uznać za podstawowe, tzn. niezależne, fizyczne charakterystyki rozdrabnianego ciała sprężystego, właśnie moduły Eo i G . Moduł ściśliwości E0 charakteryzuje opór materiału przeciwko zmianie objętości, której to zmianie jednak nie towarzyszy zmiana postaci (przypadek ściskania hydrostatycznego). Moduł ścinania G (inaczej moduł sprężystości postaciowej), na odwrót, charakteryzuje opór materiału przeciwko zmianie jego postaci, której to zmianie nie towarzyszy jednak zmiana objętości. Załóżmy, że przekrój poprzeczny rozdrabnianego mikro ziarna jest elipsą o półosiach a i b. Ponieważ na profilu przekroju, gdzie , funkcja naprężeń winna być równa zeru, to można oczywiście przyjąć ją w postaci: (3.8) Możliwe jest również inne sformułowanie, a mianowicie: pierwsze niezmienniki tensora naprężeń i odkształceń są do siebie proporcjonalne, tzn. σT = Eo εT 5 26 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Współczynnik A obliczamy z warunku, że wewnątrz profilu winniśmy otrzymać: Podstawiając funkcję (3.8) do równania różniczkowego otrzymano: (3.9) a w konsekwencji uwzględniając kąt skręcenia końców mikro ziarna ϑ , otrzymano: (3.10) (3.11) Całkowite naprężenie styczne będzie równe: i osiąga największą wartość na końcach małej osi ziarna (granulatu) (tzn. przy a>b dla y = ± b): (3.12) Ponieważ pole przekroju eliptycznego Ω = πab a biegunowy moment bezwładności tego przekroju: to wyrażenie (3.10) można przedstawić również w postaci: (3.13) Wzór ten, słuszny zasadniczo tylko dla przekroju eliptycznego, jest szeroko wykorzystywany w praktyce przy obliczaniu momentu skręcającego przy zadanym kącie skręcania (lub na odwrót) dla dowolnego przekroju poprzecznego zwartego o profilu niewklęsłym przy uwzględnieniu w (3.13) odpowiednich wartości Ω i Jo . 27 Józef Flizikowski Podstawiając funkcję naprężeń Prandtla dla przekroju eliptycznego (3.8) i wykorzystując związek (3.9) otrzymano na ψ = φ wyrażenie: (a) Z wyrażeń wiążących sprzężone funkcje φ i ψ otrzymano: lub Różniczkując funkcję (b) względem x i względem y otrzymano: stąd: (b) (c) Z porównania (c) i (d) wynika, że f1 (y) = f2 (x) = C a więc: (d) Wzór na deplanację6, punktów w przekroju poprzecznym, ma teraz następującą postać: Ponieważ deplanację jednego z punktów przekroju poprzecznego można założyć (w zależności od granicznych warunków kinematycznych, które nie krępują odkształceń przy 6 deplanacja – wypaczenie się elementu początkowo płaskiego 28 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE skręcaniu ziarna), to przyjmując, że środek skręcania (x=y=0) nie ulega deplanacji (w=0), otrzymujemy, że C=0. W ten sposób otrzymamy ostateczny wzór na przemieszczenia wzdłuż osi z, tzn. na deplanację przekroju rozdrabnianego mikro ziarna, w postaci następującej: (3.14) W przypadku przekroju kołowego (a = b) ze wzoru (3.14) wynika, że w = 0, tzn. że nie nastąpi spaczenie przekroju. Rys. 3.1. Spaczenie eliptycznego przekroju mikro ziarna (granulatu) przy skręcaniu Wykorzystując zależność (3.10) przedstawiono wyrażenie na deplanację przekroju w innej postaci, a mianowicie: (3.15) Ze wzoru (3.15) wynika, że poprzeczny eliptyczny przekrój ziarna (granulatu) ulega przy skręcaniu spaczeniu przyjmując kształt paraboloidy hiperbolicznej. Na rysunku 3.1 pokazany jest obraz spaczenia przekroju. Istotne dla podstaw mikro- i nano-rozdrabniania właściwości tego spaczenia, to: punkty leżące na osiach symetrii przekroju nie ulegają deplanacji; jeżeli deplanację punktów w ćwiartce pierwszej i trzeciej są dodatnie, to w drugiej i czwartej będą one ujemne. Jeżeli algebraiczną sumę objętości bryły zawartej pomiędzy odkształconą powierzchnią przekroju i jego płaszczyzną początkową nazwiemy objętością deplanacji przekroju, to objętość ta równa jest zeru. Objętość deplanacji będzie równa zeru przy skręcaniu przekroju poprzecznego dowolnego kształtu. Ostatni wniosek można również przedstawić w następującej postaci analitycznej: 29 Józef Flizikowski Rozpatrzono mikro ziarno o przekroju eliptycznym utwierdzone, wg [6] na lewym końcu i obciążone na prawym, wolnym końcu momentem skręcającym. Przyjmując, że moment ten jest wynikiem działania tylko sił stycznych rozłożonych w przekroju zgodnie ze wzorami (3.11). W danym przypadku, mamy do czynienia ze skręcaniem nieswobodnym i dlatego znalezione uprzednio dla przypadku skręcania swobodnego prawo deplanacji przekroju (3.15), o postaci: jest nie do przyjęcia dla części mikro ziarna położonej blisko lewego końca. W przekrojach poprzecznych oprócz naprężeń stycznych równoważących moment skręcający winny wystąpić również naprężenia normalne, które wzajemnie równoważą się. Największe wartości naturalne osiągną te naprężenia w przekroju utwierdzenia ziarna, gdzie więzy podporowe uniemożliwiają całkowicie deplanację przekroju. W związku z tym należy założyć, że wpływ tego skrępowania winien mieć charakter lokalny i że będzie on szybko znikał w miarę oddalania się od przekroju utwierdzonego. Przyjmując oś z wzdłuż osi ziarna i początek układu współrzędnych na lewym jego końcu otrzymujemy następującą, przypuszczalną postać wyrażenia dla obliczenia spaczenia dowolnego przekroju znajdującego się w odległości z od przekroju utwardzonego: (3.16) Funkcja (3.16) przy z=0 daje w=0 (co odpowiada całkowitemu uniemożliwieniu spaczania się przekroju utwierdzonego) i przechodzi w funkcję swobodnej deplanacji (3.15), tylko przy z = ∞. W tym sensie funkcja (3.16) nie spełnia formalnie tego warunku, że przy z=l (na wolnym końcu) można praktycznie oczekiwać swobodnego paczenia się przekroju. Ale z drugiej strony, jak widać z następujących rozważań, funkcja wykładnicza (3.16) jest tego rodzaju, że już dla małej wartości z określa deplanację, praktycznie biorąc, mało różniącą się od deplanacji swobodnej. W celu obliczenia nieznanej wartości n wykorzystano zasadę minimalnej energii potencjalnej. Wprowadzono pewne korekty do naprężeń obliczonych uprzednio dla przekroju eliptycznego przy jego czystym (swobodnym) skręcaniu. Można zachować poprzednie założenia, że σx = σy = 0. Wówczas dla naprężeń osiowych σz można napisać: σz = Eεz lub na podstawie wyrażenia (3.16): , 30 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE a podstawiając otrzymamy: (3.17) Występowanie w przekrojach poprzecznych mikro ziarna naprężeń normalnych (w dodatku nierównomiernie rozłożonych w przekroju) winno zmienić poprzednie naprężenia styczne τxz i τyz obliczone dla przypadku skręcania swobodnego (przy σz = 0). Należy również naturalnie przyjąć, że wystąpią też naprężenia styczne τxy. Przyjmując, dla naprężeń τxy (będzie to zarazem nowe założenie) następującą postać: (3.18) Wyrażenie to spełnia następujące warunki: przy z = ∞, τxy, staje się równe zeru, tzn. funkcja τxy jest związana z funkcją nieswobodnej deplanacji (3.16). Następnie na profilu przekroju ziarna, tzn. dla punktów spełniających równanie otrzymuje się τxy = 0, co przy σx = σy = 0 odpowiada przypadkowi, gdy powierzchnia boczna ziarna wolna jest od obciążeń. Wielkość stała k, zależy od momentu skręcającego. Równania różniczkowe równowagi, które po uwzględnieniu σx = σy = 0 przyjmą postać: (3.19) Uwzględniając przyjęte wyrażenie na τxy, z pierwszych dwóch równań (3.19) po scałkowaniu otrzymano: (3.20) 31 Józef Flizikowski Ostatnie dwa wyrazy są dowolnymi funkcjami, niezależnymi od z (spełniają rolę stałych całkowania) i mają taką postać (która specjalnie w ten sposób właśnie została przyjęta), jaką miały odpowiednie wyrażenia w teorii swobodnego skręcania przekroju eliptycznego. Funkcje (3.20) spełniają warunki brzegowe, ponieważ na powierzchni bocznej ziarna pierwsze wyrazy wzorów na τxz i τyz stają się równe zeru, a wyrazy drugie, razem wzięte, spełniają warunek brzegowy. Po pydstawieniu wartości wyrażeń (3.17) i (3.20) na σz, τxz i τxz do równania (3.19) można wnioskować, że będzie ono spełnione tożsamościowo, jeżeli dla k przyjmiemy wartość: (3.21) Przyjęte wyrażenia na naprężenia (3.17), (3.18) i (3.20) spełniają więc równania różniczkowe równowagi i statyczne warunki brzegowe, ponieważ zarówno jedne, jak i drugie zostały powyżej wykorzystane. Ale niestety ze względu na dowolne przyjęcie wyrażenia na deplanację w i na naprężenie statyczne τxy (chociaż pod względem jakościowym odpowiadają charakterowi zagadnienia) wspomniane wyrażenia (3.17), (3.18) i (3.20) nie spełniają warunków nierozdzielności odkształceń. Możemy jednak uzyskać przybliżone wyrażenia, które będą mało różnić się od rzeczywistych, jeżeli nieokreślony dotąd współczynnik n wyznaczymy z warunku, aby energia potencjalna odkształcenia miała wartość minimalną. W tym celu należy wykonać następujące działania. Jednostkowa energia potencjalna w rozpatrywanym przypadku (σx = σy = 0) wynosi: (3.22) Dla obliczenia energii potencjalnej całego mikro ziarna należy wyrażenie (3.22) scałkować na jego objętości, tzn.: (3.23) Podstawiając funkcje (3.17), (3.18) i (3.20) do wyrażenia (3.23), otrzymano (nie podając uciążliwych, lecz elementarnych przekształceń) [3, 8]: (3.24) gdzie l oznacza długość mikro ziarna. 32 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Różniczkując wyrażenie (3.24) względem n, a pochodną przyrównując do zera, co odpowiada warunkowi minimum energii potencjalnej układu, otrzymano wyrażenie: Przed pierwiastkiem należy przyjąć tylko jeden znak (a mianowicie plus), ponieważ zgodnie z warunkami zagadnienia n winno być liczbą rzeczywistą i dodatnią. Wniosek z przeprowadzonego modelowania: Wyniki przedstawionej przybliżonej teorii skręcania nieswobodnego przekroju eliptycznego można zastosować do przypadków szczególnych. Mianowicie, przy a=b (przekrój kołowy) otrzymuje się n=1,45 ; przy takim n, ze wzoru (3.21): k=0, stąd są równe zeru wszystkie te wyrazy w wyrażeniach na naprężenia, w skład których wchodzi n; pozostaje więc tylko rozwiązanie uzyskane poprzednio dla przypadku skręcania swobodnego. Inaczej, uniemożliwienie deplanacji przez utwierdzenie mikro ziarna w przekroju kołowym nie wywołuje w nim żadnych zmian, ponieważ w takim przekroju kołowym przy jego skręcaniu spaczenie w ogóle nie występuje. Natomiast energia potencjalna ziarna o przekroju kołowym wynosi: W szczególnym przypadku, model efektywności systemu i jakości produktu rozdrabniania, po uwzględnieniu zależności (1.2) i (2.12a) przyjmuje postać: Wystarczy poddać badaniom wpływ cech konstrukcyjnych koncepcji rozdrabniacza (IS) w zmiennych warunkach przetwarzania (IW) na efektywność procesu i jakość produktu rozdrabniania, a wyniki odkształceń pojedynczych ziaren, granulatów materiałów polimerowych i włóknistych dopełnia istotę modelowania matematycznego w optymalizacji. Dla przypadku a=10b (elipsa silnie spłaszczona, końcowy etap ściskania przed quasi-ścięciem mikro ziarna) największe, co do wartości bezwzględnej, naprężenia normalne powstają w przekroju utwierdzonym i są o 65% większe od największego naprężenia stycznego w tym przekroju. Dla przypadku gdy a w porównaniu z b można uważać za nieskończenie wielkie (co praktycznie odpowiada przekrojowi prostokątnemu o takim samym stosunku boków), największe naprężenie normalne w przekroju utwierdzonym jest 1,58 razy większe od τmax dla tego samego przekroju, jeżeli to ostatnie naprężenie oblicza się z wzoru na skręcanie swobodne. 33 Józef Flizikowski 4. Nowa koncepcja rozdrabniacza walcowo-płytowego (F. Chwarścianka) Niezbędność potrzeby rozdrabniania materiałów ziarnistych oraz związana z tym powszechność stosowania procesów rozdrabniania skutkują ciągłymi poszukiwaniami doskonalszych sposobów i metod rozdrabniania, a zwłaszcza opracowywaniem optymalnych, najbardziej efektywnych, warunków przebiegu znanych i wykorzystywanych procesów rozdrabniania. Opracowana nowa koncepcja konstrukcyjna rozdrabniacza, w którym organami roboczymi są napędzany i obracający się walec o gładkiej lub profilowanej (np. rowki) powierzchni oraz płyta o odpowiadającej powierzchni – gładkiej lub profilowanej, pozwala na rozdrabnianie materiałów ziarnistych, pochodzenia organicznego (ziarno zbóż) lub mineralnego (kruszywo). Rys. 4.1. Rozdrabniacz walcowo-płytowy z płytą Rys. 4.2. Rozdrabniacz z płytą pionową skośną Na rysunku 4.1 pokazano podstawową konfigurację geometryczną pary organów roboczych walec-płyta. Płyta zajmuje położenie skośne do pionu, jest odchylona o kąt β. Rysunek 4.2 pokazuje konfigurację uproszczoną, kiedy płyta robocza zajmuje położenie pionowe. W obu przypadkach, zasilanie przestrzeni roboczej nadawą odbywa się od góry układu roboczego walec-płyta. Płyta względem walca może być przesuwna lub wahliwa umożliwiając regulację szczeliny roboczej, ponadto płyta posiada możliwość odchylania się na skutek przeciążającej obecności ciał obcych w rozdrabnianym materiale. W celu zwiększenia stopnia rozdrobnienia cząstek nadawy mogą być wykorzystane układy kilkustopniowego rozdrabniania przedstawione na Rys. 4.3 i Rys. 4.4. Walce robocze mogą pracować w układzie skośnym – Rys. 4.3 lub pionowym – Rys. 4.4. Płyty robocze są sprzężone ze sobą, np. obrotowo (zawiasy), umożliwiając ruch płyt dla regulacji szczeliny roboczej. 34 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE W rozważaniach dotyczących opisu oddziaływań dynamicznych na elementy pary roboczej należy uwzględnić wpływ kinematyki ruchu względnego cząstek nadawy i powierzchni roboczych na wartość współczynnika tarcia na każdej powierzchni roboczej i dalej na wartość sił tarcia na odpowiednich powierzchniach. W zależności od sposobu zasilania rozdrabniacza wyróżnić można dwa przypadki wzajemnych zależności prędkości nadawy i powierzchni roboczych. Rys. 4.3. Rozdrabniacz o walcach „odchylonych” Rys. 4.4. Rozdrabniacz o walcach „w pionie” Przypadek A – zasilania nadawą z zadaną prędkością wstępną Nadawa podawana jest w przestrzeń roboczą rozdrabniacza z wydajnością odpowiadającą wydajności rozdrabniania oraz z prędkością wstępną cząstek równą prędkości obwodowej walca roboczego. Odpowiednią prędkość rozdrabnianym cząstkom można nadać np. poprzez grawitacyjny spadek z określonej wysokości. W takim przypadku cząstki względem powierzchni walca nie przemieszczają się – są w spoczynku. Między powierzchnią walca, a cząstkami nadawy zachodzi zatem tarcie spoczynkowe (statyczne) ze stosowną wartością współczynnika tarcia statycznego (μS). 35 Józef Flizikowski Cząstki nadawy względem powierzchni roboczej płyty przemieszczają się z zadaną (spadkiem) prędkością. Między powierzchnią płyty, a cząstkami nadawy zachodzi zatem tarcie ruchowe (kinematyczne) z odpowiadającą wartością współczynnika tarcia kinematycznego (μK ). Przypadek B - zasilania nadawą bez zadanej prędkości wstępnej Nadawa podawana jest w przestrzeń roboczą rozdrabniacza bez zadanej prędkości wstępnej; cząstki nadawy względem powierzchni roboczej płyty są w spoczynku, natomiast powierzchnia robocza walca porusza się względem cząstek nadawy z określoną obrotami prędkością obwodową. Między powierzchnią roboczą płyty, a cząstkami nadawy zachodzi tarcie spoczynkowe z wartością współczynnika tarcia statycznego (μS). Między powierzchnią roboczą walca, a cząstkami nadawy zachodzi tarcie ruchowe z wartością współczynnika kinematycznego (μK). Dla obu przypadków A i B, zasilania przestrzeni roboczej rozdrabniacza występuje jednakowa relacja między wartością współczynnika tarcia, a ruchem powierzchni roboczej, polegająca na tym, iż gdy na jednej powierzchni roboczej (walca lub płyty) występuje tarcie spoczynkowe to na drugiej powierzchni roboczej występuje tarcie ruchowe. Różna prędkość każdej powierzchni roboczej względem cząstek nadawy oraz odpowiednio zmienny współczynnik tarcia zwiększają stopień i efektywność rozdrabniania. Współczynnik μ tarcia powierzchni o siebie (np. cząstki nadawy i walca) wyraża ogólna zależność: gdzie: ρ - tzw. kąt tarcia. μ = tg ρ (4.1) Współczynnik tarcia swą maksymalną wartość przyjmuje dla przypadku tarcia spoczynkowego, kiedy kąt tarcia ρ osiąga wartość odpowiadającą tzw. kątowi samohamowności. Relację między wartością współczynników tarcia ruchowego μk i tarcia spoczynkowego μS opisuje przybliżona zależność: μk = aμs gdzie na ogół: a = 0,3 – 0,8. (4.2) Określenie zależności zawierających wielkości dynamiczne i kinematyczne w opisie rozdrabniania powinno być adekwatne do występujących przypadków zasilania nadawą. Na rysunku 4.5 pokazano podstawową konfigurację elementów roboczych, tj. walca i płyty. Płyta robocza jest odchylona od pionu o kąt β i posiada (poprzez odchylanie) możliwość regulacji szczeliny roboczej. Na rysunku 4.6 pokazano układ z płytą roboczą w położeniu pionowym. 36 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Rys. 4.5. Schemat obliczeniowy zespołu skośne- Rys. 4.6. Zespół z płytą pionową go 1) Przypadek A Rozdrabniacz jest zasilany nadawą z zadaną, jej spadkiem grawitacyjnym, prędkością wstępną vn, Prędkość nadawy można wyrazić poprzez składowe (dalej dolne indeksy oznaczają: „w” dotyczy walca zaś „p” dotyczy płyty), jako: gdzie: - prędkość wzdłuż powierzchni płyty (prędkość styczna) - prędkość prostopadła do powierzchni płyty (prędkość normalna). (4.3) Prędkość nadawy, a ściślej jej składowa styczna, jest zsynchronizowana z prędkością obwodową walca vw , według zależności: (4.4) 37 Józef Flizikowski oraz . Składowa styczna prędkości nadawy określona jest zależnością: (4.5) (4.6) vps = vn ctgβ . Ze względu na występowanie tarcia, rzeczywista prędkość vp cząstek nadawy będzie: vp < vps lub vp ≈ vps . Składowa normalna prędkości nadawy określona jest zależnością: (4.7) (4.8) vpn = vn tgβ . Składowa normalna powoduje, na powierzchni płyty, powstanie ciśnienia (parcia) na skutek spiętrzenia strumienia nadawy (wyhamowanie prędkości). Ciśnienie to można wyznaczyć w funkcji ciśnienia kinematycznego strumienia nadawy w formie: (4.9) gdzie: γ - ciężar właściwy cząstek nadawy, g - przyspieszenie ziemskie, p - ciśnienie statyczne. Dla przypadku konfiguracji rozdrabniacza z rysunku 4.6 (płyta pionowa, tj. β = 0), zachodzą następujące zależności: vn = vps = vw (4.10) vpn = 0 , (4.11) p=0. (4.12) 2) Przypadek B Dla konfiguracji geometrycznej z rysunku 4.5, gdy nadawa nie posiada prędkości wstępnej zasilania, tj.: vn = 0 , 38 (4.13) ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE na powierzchni płyty roboczej nie występują składowe prędkości: vps = 0 oraz vpn = 0 (4.14) Na powierzchni roboczej walca występuje tylko jego prędkość obwodowa vw, zatem: vw – vps ≠ 0 lub vw – vn ≠ 0 (4.15) Dla przypadku układu z rysunku 4.6 występuje (dla vn = 0) zależność analogiczna, tj.: vw – vn ≠ 0 Wielkości dynamiczne I. Przypadek ogólny, rozdrabniacz z płytą ukośną, według rysunku 4.5. W przestrzeni roboczej rozdrabniacza działają siły: P – siła zgniatania (reakcji) nadawy, T – siła tarcia nadawy o powierzchnię roboczą, G – siła ciężkości cząstki nadawy, C – siła parcia cząstek nadawy. Równowagę działających sił określa ogólna zależność: (4.16) w przypadku nieuwzględnienia siły parcia na płytę: (4.17) a) Siła normalna do powierzchni walca (zgniatająca): (4.18) (4.19) Składowe wypadkowej siły normalnej: Pwx = Pw cos(α – β) (4.20) Pwy = Pw sin(α – β) b) Siła tarcia na powierzchni walca: (4.21) (4.22) 39 Józef Flizikowski Tw = μw Pw (4.23) gdzie: μw, współczynnik tarcia cząstek nadawy o powierzchnię roboczą walca - w przypadku tarcia spoczynkowego, tj. dla vps – vw = 0, współczynnik tarcia przyjmuje wartość współczynnika statycznego, tj. μw = μws , - w przypadku tarcia ruchowego, tj. dla vps – vw ≠ 0 oraz vps = 0, współczynnik tarcia przyjmuje wartość współczynnika kinematycznego, tj. μw = μwk. Składowe siły tarcia wzdłuż osi x oraz y: Twx = Tw sin(α – β) = μw Pw sin(α – β) , (4.24) Twy = Tw cos(α – β) = μw Pw cos(α – β) . (4.25) c) Siła normalna do powierzchni płyty. W przypadku gdy cząstki nadawy posiadają prędkość vps = vw , na powierzchnię płyty działa siła od parcia cząstek nadawy (spiętrzenie strumienia cząstek), parcie (ciśnienie) określa zależność (4.9). Siłę parcia C na powierzchnię jednostkową płyty można wyrazić w postaci zależności: C = pfp , (4.26) gdzie: p – ciśnienie statyczne powstałe w wyniku spiętrzenia strugi cząstek nadawy fp – powierzchnia jednostkowa płyty. Wypadkowa siła na powierzchni płyty zawierająca siłę parcia, ogólnie: (4.27) Składowe siły wypadkowej jw. będą: (4.28) (4.29) Siła wypadkowa na powierzchni płyty może być przedstawiona poprzez swoje składowe dla przypadku uwzględnienia siły parcia (indeks c) lub bez uwzględnienia siły parcia (indeks p): - z uwzględnieniem siły parcia (4.30) 40 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE - bez uwzględnienia siły parcia (4.31) oraz odpowiednio: (4.32) (4.33) Składowe siły wypadkowej na powierzchni płyty odpowiadające (30) oraz (31) będą: Pcx = Pc ctgβ , (4.34) Pcy = Pc tgβ , (4.35) Ppx = Pp ctgβ , (4.36) Ppy = Pp tgβ . (4.37) d) Siła tarcia nadawy o powierzchnię płyty Siłę tarcia, dla obu przypadków (30) i (31), można określić znanymi zależnościami: Tc = μp Pc lub Tp = μp Pp (4.38) gdzie: μp - współczynnik tarcia cząstek nadawy o powierzchnię płyty (dla tarcia ziarna biomasy o polerowane żeliwo μ = 0,213 – 0,384 oraz α ≤ 15°) - dla przypadku tarcia spoczynkowego współczynnik tarcia przyjmuje wartość współczynnika tarcia statycznego, tj. μp = μps , - dla przypadku tarcia ruchowego współczynnik tarcia przyjmuje wartość współczynnika tarcia kinematycznego, tj. μp = μpk . Wypadkową siły tarcia wyrażają zależności: (4.39) (4.40) 41 Józef Flizikowski Składowe wypadkowej siły tarcia: Tcx = Tc tgβ = μp Pc tgβ lub Tpx = μp Pp tgβ (4.41) Tcy = Tc ctgβ = μp Pc ctgβ lub Tpy = μp Pp ctgβ (4.42) e) Warunki równowagi sił Z zależności (4.16) i (4.17) dotyczących ogólnej równowagi sił, uwzględniając działanie sił na oba elementy robocze (walec i płytę) można wyznaczyć zależności: (4.43) (4.44) Określając równowagę sił poprzez ich składowe otrzymuje się; względem osi x: Pwx – Pcx + Twx – Tcx = 0 (4.45) lub Pwx – Ppx + Twx – Tpx = 0 (4.46) Pwy + Pcy – Twy – Tcy – G = 0 (4.47) lub Pwy + Ppy – Twy – Tpy – G = 0 (4.48) względem osi y: f) Warunek wciągania cząstek nadawy Z warunku równowagi sił można określić warunek wciągania cząstki nadawy w przestrzeń roboczą rozdrabniacza, w postaci: Twy + Tcy + G ≥ Pwy + Pcy (4.49) lub Twy + Tpy + G ≥ Pwy + Ppy . (4.50) Po uwzględnieniu w zależności (4.49) lub (4.50) stosownych wyrażeń na składowe, otrzymuje się zależności: lub 42 μw Pw cos(α – β) + μp Pc ctgβ + G ≥ Pw sin(α – β) + Pc tgβ , (4.51) μw Pw cos(α – β) + μp Pp ctgβ + G ≥ Pw sin(α – β) + Pp tgβ . (4.52) ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE W celu określenia geometrycznego warunku wciągania cząstki nadawy, rozważone zostaną oba przypadki zasilania nadawą. Przypadek A - cząstkom nadawy nadaje się prędkość wstępną, tj. gdy vps = vw , tarcie na powierzchni walca jest spoczynkowe, natomiast na powierzchni płyty jest ruchowe. Jeżeli materiał walca i płyty jest taki sam lub gdy przyjmie się równość współczynników tarcia spoczynkowego na obu powierzchniach roboczych, otrzymuje się: μws = μps = μs (4.53) Wyrażając tarcie kinematyczne zależnością (4.2) ogólniejsze wyrażenie (4.51) przyjmie po przekształceniach postać: μs Pw cos(α – β) + aμs Pc ctgβ ≥ Pw sin(α – β) + Pc tgβ – G . (4.54) Zależność (4.54) pozwala na wyznaczenie funkcji opisującej relację między kątem tarcia ρ, a kątem α, określającym możliwość uchwytu cząstki nadawy, jako: (4.55) oraz dalej (4.56) Przypadek B - cząstkom nadawy nie nadaje się prędkości wstępnej, tj. gdy vn = 0 oraz vps = 0, tarcie na powierzchni walca jest kinematyczne, natomiast na powierzchni płyty jest statyczne. Analogicznie do (4.54) będzie: aμs Pw cos(α – β) + μs Pp ctgβ ≥ Pw sin(α – β) + Pp tgβ – G , (4.57) Odpowiednio do (4.55) i (4.56), otrzymuje się: (4.58) oraz (4.59) 43 Józef Flizikowski II. Przypadek szczególny, rozdrabniacz według rysunku 4.6. a) Przypadek A zasilania nadawą Z ogólnego warunku równowagi sił względem osi x, wynika: Ppx = Pwx + Twx – Tpx . (4.60) Warunek równowagi w przyjętej (Rys. 2) konfiguracji geometrycznej, dla której Tpx = 0, przyjmie postać: Ppx = Pp = Pwx + Twx . (4.61) Po podstawieniu do (4.61) zależności (4.20) oraz (4.24), otrzymuje się: Pp = Pw cosα + μw Pw sinα . (4.62) Wykorzystując zależność (4.52) oraz uwzględniając w niej zależność (4.62), będzie: μw Pw cosα + μp (Pw cosα + μw Pw sinα) + G ≥ Pw sinα (4.63) Po odpowiednich przekształceniach otrzymuje się zależność: (4.64) Przyjmując, że dla małych wartości kąta α (zwykle do 15°) cosα ≈ 1, otrzymuje się z zależności (4.64) formułę: (4.65) Innym szczególnym przypadkiem jest pominięcie w zależności (4.65) ciężaru cząstki nadawy, co jest uzasadnione jej niewielkimi rozmiarami przy dużym stopniu rozdrobnienia, zatem: (4.66) 44 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Po uwzględnieniu założeń poczynionych dla zależności (4.53) oraz przyjęciu zależności (4.2), otrzymuje się: (4.67) Wyrażenia (4.66) i (4.67) można otrzymać bezpośrednio z zależności (4.55) po uwzględnieniu formuły (4.62). Graniczna wartość kąta α, określającego możliwość uchwytu cząstki nadawy w przestrzeń roboczą, będzie: - dla zależności (4.64) (4.68) - dla zależności (4.67) (4.69) b) Przypadek B zasilania nadawą W tym przypadku z zależności (4.52) po uwzględnieniu (4.62) otrzymuje się takie same zależności jak dla podpunktu a), tj. (4.66), (4.67), (4.68), (4.69). 5. Nowe idee, konstrukcje i procesy rozdrabniania Nowość nr 1: Wielopierścieniowy młyn wibracyjny lub obrotowo-wibracyjny. Przedmiotem wynalazku jest wielopierścieniowy młyn wibracyjny lub obrotowo-wibracyjny do precyzyjnego rozdrabniania surowców, materiałów, drewna, kory drzewnej, tworzyw sztucznych, itp. Znane są liczne rozwiązania konstrukcyjne urządzeń do rozdrabniania metodą udarową, wibracyjną i zderzeniową. Urządzenia te nazywane są najczęściej, zależnie od wymiarów produktu, młynami lub kruszarkami. Rozdrabnianie w tych urządzeniach następuje pod wpływem uderzeń elementów swobodnych – w polu obciążeń, przytwierdzonych rozłącznie lub na stałe do wirującego walca, bębna lub tarczy. Walec osadzony jest na wale i wykonuje ruch obrotowy względem stałej osi obrotu. Robocze elementy udarowe, jesli osadzone są 45 Józef Flizikowski swobodnie w przestrzeni grawitacji - zwane są mielnikami, posiadają najczęściej postać regularną, np. kul, brył prostopadłościennych lub są kształtowane specjalnie, np. w wybranej płaszczyźnie lub objętości. Jeśli elementy robocze są utwierdzone – nazywane są młotkami, bijakami, kamieniami, prętami, igłami lub zębami. Wskutek oddziaływania kul, jak również innych mniejszych lub większych brył w ruchu obrotowym i drgającym - w wewnętrznej powierzchni walca lub bębna, na kawałki surowców, materiałów lub tworzyw - odbijane są one w postaci drobin, kęsów i po licznych oddziaływaniach przechodzą bezpośrednio, lub pośrednio przez sito, do linii dalszego przetwórstwa lub zasobnika produktu rozdrabniania (worka, cyklonu, kontenera). Rozdrabniacze opisano w książkach: Drzymała Z.: Badania i podstawy konstrukcji młynów specjalnych. PWN Warszawa 1992, Flizikowski J.: Rozdrabnianie tworzyw sztucznych, Wyd. ATR w Bydgoszczy 1998 i innych. Pomimo zalet, dalszy rozwój młynów obrotowo - wibracyjnych jest utrudniony z uwagi na szereg wad, a mianowicie: mała powierzchnię kontaktu mielników z materiałem rozdrabnianym – przez specyficzną ich konfigurację z przeciw powierzchnią obudowy walca, bębna, a w konsekwencji zmniejszoną intensywność przeniesienia mocy na wsad rozdrabniany; spadek sprawności młynów przy pracy poza rezonansem wraz ze wzrostem częstotliwości drgań (niezbędnej do realizacji procesu mielenia), przy czym przy częstotliwości np. 25 Hz nawet połowa dostarczonej do młyna energii może być zużyta na pracę sił tarcia w łożyskach wibratora i zamieniona na ciepło, którego odprowadzenie wymaga stosowania dodatkowych układów chłodzących; znaczną szkodliwość oddziaływania młynów na środowisko, a szczególnie emisja hałasu o dużym natężeniu osiągającym, np. (110-120) dB; powoduje to konieczność umieszczenia większych młynów w specjalnych dźwiękoizolacyjnych pomieszczeniach, a małych, nawet laboratoryjnych – w dźwiękoizolacyjnych osłonach; przenoszenie na podłoże znacznych obciążeń dynamicznych – pomimo nadrezonansowego zakresu pracy – co wymaga umieszczenia ich na dużych fundamentach, często z odpowiednią wibroizolacją. Ponadto wadą i niedogodnością znanych rozwiązań konstrukcyjnych rozdrabniaczy, obrotowo-wibracyjnych młynów surowców, materiałów i tworzyw jest mała wydajność przy dużym zużyciu energii i elementów maszyny, w tym mielników; powstawanie wysokiej temperatury w miejscu podziału, konieczność częstej wymiany elementów kruszących-mielących oraz nierównomierność procesu wpływająca na obniżenie trwałości elementów roboczych i wymiary produktu rozdrabniania. Wynika to z faktu, że pod wpływem obniżenia częstotliwości drgań roboczych młyna może nastąpić zanik jego funkcjonalności (np. poniżej 17Hz) i pomimo wielkich obciążeń silnika napędowego, właściwego stanu krawędzi elementów kruszących-mielących, materiał nie jest dzielony według założonego stopnia rozdrobnienia. Celem wynalazku jest usunięcie znanych wad i niedogodności poprzez skonstruowanie urządzenia do rozdrabniania surowców, materiałów, drewna, kory drzewnej, tworzyw sztucznych, itp. o nowej konstrukcji wibracyjnego lub obrotowo-wibracyjnego, wielopierścieniowego zespołu, która przez zastosowanie swobodnego osadzenia pierścieni na przestrzennej osi i specyficznego sposobu generowania drgań, zapewnia ciągły kontakt bieżni bocznych, zewnętrznych i wewnętrznych mielników, pierścieniowego zespołu mielącego z materiałem rozdrabnianym zarówno między obudową jak i walcową osią młyna, z permanentnie, celowo wibracyjnie lub wibracyjnie-obrotowo wywoływanym, bezwładnościowym stanem równowagi masowej wsadu, a przez to łagodne przebiegi jego odkształceń i przemieszczeń od wejścia wsadu, poprzez rozdrabnianie, aż do szybkiego wyjścia poza rozdrabniacz (po osiągnięciu pożądanego wymiaru produktu). 46 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Rys. 5.1. Schemat konstrukcyjny wielopierścieniowego młyna wibracyjnego lub obrotowo-wibracyjnego: 1-zespół zasilający, 2-obudowa cylindryczna pierwszego stopnia młyna, 3-przestrzenna oś walcowa, 4-pierścienie, mielniki rozdrabniające, 5-łącznik rurowy podatny, 6-obudowa cylindryczna drugiego stopnia młyna, 7-wylot produktu rozdrabniania, 8-zespół generatora wibracji, napędowosprzęgający, 9-płyta izolacyjno-fundamentowa, 10-łączniki elastyczne-sprężyste zawieszenia zespołu mielącego: walczaków z pierścieniami, generatora przemieszczeń (np. obrotowego wzbudnika drgań), 11-podłoże fundamentowe x-wejście surowca, nadawy, y-wyjście produktu rozdrabniania, a-amplituda przemieszczeń, v-prędkość liniowa przemieszczania, ω - prędkość kątowa wału generatora Te celowo wywołane zjawiska wpływają na wzrost wydajności, obniżenie jednostkowego zużycia energii z jednoczesnym wyeliminowaniem szkodliwych zakresów hałasu, obniżeniem zmęczeniowego zużywania elementów konstrukcyjnych i nadmiernego grzania produktu. Istota wynalazku polega na tym, że zespół rozdrabniający stanowią cienkie pierścienie z otworami, które na przemian lub jednocześnie, przemieszczając się, oddziałują intensywnie na materiał znajdujący się między zewnętrzną bieżnią pierścienia, a wewnętrzną obudową cylindra młyna lub wewnętrzną bieżnią pierścienia, a osią walcową umieszczoną w środku obudowy tego młyna i między pierścieniami; połączenie przez obudowę w zespół drgający z różną amplitudą i częstotliwością, z charakterystyką przemieszczeń zależną od systemu generatora przemieszczeń, jak również w przypadku młynów obrotowo-wibracyjnych - od prędkości obrotowej obudowy związanej sprzęgłem z silnikiem i przekładnią. Przedmiot wynalazku przedstawiony jest na rysunku schematycznym jako rysunek 5.1, pokazująca rzut „z przodu” i w przekroju A-A urządzenia z wielopierścieniowym młynem wibracyjnym lub obrotowo-wibracyjnym. W rozwiązaniu pokazanym na rysunku urządzenie do rozdrabniania surowców, materiałów, odpadów drewna, kory drzewnej, tworzyw sztucznych, itp. składa się z zespołu zasilającego 1 połączonego z obudową cylindryczną młyna 2, w której umieszczono oś walcową 47 Józef Flizikowski 3 z licznymi cienkimi pierścieniami, mielnikami roboczymi 4, a w przypadku wielostopniowego mielenia z wykorzystaniem dodatkowej komory 6, zastosowany jest między komorami cylindrycznym 4 łącznik rurowy podatny 5, natomiast produkt mielenia opuszcza cylinder 6 przez wylot 7, ruch wibracyjny lub obrotowy i wibracyjny jest w przykładzie wykonania realizowany za pomocą zespołu napędowego i sprzęgającego 8 związanego z obudowami 2 i 6 oraz z podłożem 11 przez płytę 9 i łączniki elastyczne – sprężyste 10. Zespoły robocze wraz z pierścieniami charakteryzowane są prędkością kątową ω, a ruch wibracyjny charakteryzuje amplituda przemieszczeń a i ich prędkość liniowa v. Zaletą techniczną wynalazku jest to, że liczne, cienkie ukształtowane pierścienie – mielniki rozdrabniające, współdziałają przestrzennie - podczas rozdrabniania, przemieszczającego się liniowo od wejścia x do wyjścia y wsadu - z wewnętrzną bieżnią obudowy młyna oraz z zewnętrzną bieżnią jego osi przestrzennych, zapewniają tym samym, w sposób ciągły, intensywny kontakt zderzeniowo-rozcierający z pierścieniami o przestrzennych siłach krusząco-mielących surowce, materiały, drewno, korę drzewną, tworzywa sztuczne itp. materiały, w tłumionym zespole generatora obrotowo-bezwładnościowego, a przez to zapewniają również: łagodne przebiegi ich odkształceń i przemieszczeń w czasie rozdrabniania do wymiaru poniżej 1 mm (mielenie) w zależności od rodzaju wsadu, nastawionych parametrów roboczych generatora przemieszczeń i ruchu obrotowego. Zjawiska te wpływają na zwiększenie wydajności, zmniejszenie: drgań i wibracji, jednostkowego zużycia energii i temperatury rozdrabnianego wsadu i par współpracujących ciernie, temperatury par ślizgowych i obrotowych młyna, czyli poprawę gospodarczych, ekonomicznych i ekologicznych charakterystyk przetwórstwa. Nowość nr 2: Elementy łańcucha jako mielniki w młynach wibracyjnych lub obrotowo-wibracyjnych Przedmiotem wynalazku są elementy (ogniwa, fragmenty) łańcucha jako mielniki w młynach wibracyjnych lub obrotowo-wibracyjnych do specjalnego, precyzyjnego rozdrabniania surowców biologicznych (pochodzenia roślinnego, np. ziaren zbóż, korzeni zapachowych), mineralnych, materiałów włóknistych, kory drzewnej, tworzyw sztucznych, itp. Znane są również łańcuchy, jako cięgna utworzone z szeregu połączonych ze sobą jednakowych, sztywnych elementów zwanych ogniwami, z których każdy jest połączony z dwoma sąsiednimi. Wyróżnia się ogniwo łańcucha – element powtarzalny, połączony przegubowo z sąsiednimi podobnymi elementami i tworzący razem z nimi łańcuch. Znane sa łańcuchy drabinkowe (Galla) sworzniowe, tulejkowe, rolkowe, pierścieniowe, widełkowe, zębate itp. Opisane, np. w pracy pod redakcją Osiński J.: Wspomagane komputerowo projektowanie typowych zespołów i elementów maszyn. PWN Warszawa 1994. Celem wynalazku jest usunięcie znanych wad i niedogodności poprzez skonstruowanie urządzenia do rozdrabniania surowców, materiałów, odpadów drewna, kory drzewnej, tworzyw sztucznych, itp. o nowej konstrukcji wibracyjnego lub obrotowo-wibracyjnego, wieloogniwowego zespołu, która przez zastosowanie swobodnego osadzenia ogniw w przestrzeni walcowego bębna, specyficznego sposobu generowania drgań, zapewnia ciągły kontakt bieżni bocznych, zewnętrznych i wewnętrznych ogniw-mielników, z materiałem rozdrabnianym 48 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE zarówno między obudową jak i walcową osią młyna, z permanentnie, celowo wibracyjnie lub obrotowo-wibracyjnie wywoływanym, bezwładnościowym stanem równowagi masowej wsadu, a przez to łagodne (ale skuteczne) przebiegi jego odkształceń i przemieszczeń od wejścia wsadu, poprzez rozdrabnianie, aż do szybkiego wyjścia poza rozdrabniacz (po osiągnięciu pożądanego wymiaru produktu). Te celowo wywołane zjawiska wpływają na wzrost wydajności, obniżenie jednostkowego zużycia energii z jednoczesnym wyeliminowaniem szkodliwych zakresów hałasu, obniżeniem zmęczeniowego zużywania elementów konstrukcyjnych i nadmiernego grzania produktu. Istota wynalazku polega na tym, że zespół rozdrabniający stanowią ogniwa, elementy powtarzalne połączone przegubowo ze sobą w pary, które na przemian lub jednocześnie, przemieszczając się, oddziałują intensywnie na materiał znajdujący się między ogniwami, a wewnętrzną obudową bębna młyna lub zewnętrzną osią walcową umieszczoną w środku obudowy tego młyna i między ogniwami; połączenie przez obudowę w zespół drgający z różną amplitudą i częstotliwością, z charakterystyką przemieszczeń zależną od systemu generatora przemieszczeń, jak również w przypadku młynów obrotowo-wibracyjnych - od prędkości obrotowej obudowy związanej sprzęgłem z silnikiem i przekładnią. Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładzie na rysunku schematycznym jako rysunek 5.2, pokazująca rzut „z boku” i w przekroju A-A urządzenia z elementami łańcucha jako mielnikami w młynach wibracyjnych lub obrotowo-wibracyjnych. W rozwiązaniu pokazanym na rysunku urządzenie do rozdrabniania surowców, materiałów, odpadów drewna, kory drzewnej, tworzyw sztucznych, itp. składa się z zespołu zasilającego 1 połączonego z obudową bębnową młyna 2, w której umieszczono oś walcową 3 z licznymi ogniwami pierścieniowymi, mielnikami roboczymi 4, a w przypadku wielostopniowego mielenia z wykorzystaniem dodatkowej komory 6, zastosowany jest między komorami bębnowymi łącznik rurowy podatny 5, natomiast produkt mielenia opuszcza bęben 6 przez wylot 7, ruch wibracyjny lub obrotowy i wibracyjny jest w przykładzie wykonania realizowany za pomocą zespołu napędowego i sprzęgającego 8 związanego z obudowami 2 i 6 oraz z podłożem 11 przez płytę 9 i łączniki elastyczne – sprężyste 10. Zespoły robocze wraz z licznymi parami ogniw łańcuchowych charakteryzowane są prędkością kątową ω, a ruch wibracyjny charakteryzuje amplituda przemieszczeń a i ich prędkość liniowa v. Zaletą techniczną wynalazku jest to, że liczne, pary elementów, ogniw łańcucha – mielniki rozdrabniające, współdziałają przestrzennie - podczas rozdrabniania, przemieszczającego się liniowo od wejścia x do wyjścia y wsadu - z wewnętrzną bieżnią obudowy młyna oraz z zewnętrzną bieżnią jego osi przestrzennych, zapewniają tym samym, w sposób ciągły, intensywny kontakt zderzeniowo-rozcierający z ogniwami o przestrzennych siłach krusząco-mielących surowce, materiały, drewno, korę drzewną, tworzywa sztuczne itp. materiały, w tłumionym zespole generatora obrotowo-bezwładnościowego, a przez to zapewniają również: łagodne przebiegi ich odkształceń i przemieszczeń w czasie rozdrabniania do wymiaru poniżej 1 mm (mielenie) w zależności od rodzaju wsadu, nastawionych parametrów roboczych generatora przemieszczeń i ruchu obrotowego. Zjawiska te wpływają na zwiększenie wydajności, zmniejszenie: drgań i wibracji, jednostkowego zużycia energii i temperatury rozdrabnianego wsadu i par współpracujących ciernie, temperatury par ślizgowych i obrotowych młyna, czyli poprawę gospodarczych, ekonomicznych i ekologicznych charakterystyk przetwórstwa. 49 Józef Flizikowski A-A x 1 3 2 5 2 A 1 4 3 v 8 a ω 4 3 6 4 3 10 7 11 y 9 9 6 7 A 9 Rys. 5.2. Schemat konstrukcyjny młyna wibracyjnego lub obrotowo-wibracyjnego z elementami (parami ogniw) łańcucha jako mielnikami: 1-zespół zasilający, 2-obudowa bębnowa pierwszego stopnia młyna, 3-przestrzenna oś walcowa, 4-liczne pary ogniw łańcucha, mielniki rozdrabniające, 5-łącznik rurowy podatny, 6-obudowa bębnowa drugiego stopnia młyna, 7-wylot produktu rozdrabniania, 8-zespół generatora wibracji, napędowo-sprzęgający, 9-płyta izolacyjno-fundamentowa, 10-łączniki elastyczno-sprężyste zawieszenia zespołu mielącego: bębnów z ogniwami łańcucha, generatora przemieszczeń (np. obrotowego wzbudnika drgań), 11-podłoże fundamentowe x-wejście surowca, nadawy, y-wyjście produktu rozdrabniania, a-amplituda przemieszczeń, v-prędkość liniowa przemieszczania, ω - prędkość kątowa wału generatora Nowość nr 3: Pływający homogenizator wodny z rozdrabniaczami - aeratorami tarczowymi i łopatami na obwiedni walca Przedmiotem wynalazku jest pływający homogenizator wodny z rozdrabniaczami – aeratorami tarczowymi i łopatami na obwiedni walca, służący do homogenizacji zanieczyszczeń oraz zamiany energii ruchu cieku wodnego na moment obrotowy na osi walca. Znanych jest wiele rozwiązań homogenizatorów, silników wodnych w postaci turbin akcyjnych i reakcyjnych, kół wodnych nasiębiernych, śródsiębiernych i podsiębiernych. Znane jest urządzenie do napowietrzania i rozdrabniania zanieczyszczeń cieków wodnych z polskiego patentu 178268, które charakteryzuje się tym, że składa się z samopływającego obrotowego walca z łopatami oraz wału. Znane są również inne urządzenia napowietrzające, z polskiego opisu patentowego nr 164365 ze specjalnymi przewodami i z polskiego opisu patentowego nr 152749 znane jest urządzenie pływające, którego płaszczyzny przechodzące przez górne i dolne krawędzie pływaków znajdują się w przybliżeniu pod stałym kątem 50 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE płaszczyzny pionowej wynoszącym, korzystnie 90o oraz posiada dwa pantografy ułożone w płaszczyznach w przybliżeniu pionowym łączących wspomniane urządzenie z elementem stałym względem ziemi, korzystnie ze zbiornikiem. Istota rozwiązania wynalazku składającego się z samopływającego obrotowego walca z wielootworowymi tarczami, łopatami i wałem charakteryzuje się tym, że po obu stronach wału usytuowane są najkorzystniej przekładnie pasowo-zębate, z których większe koła przekładni są połączone z wałem, natomiast mniejsze koła tych przekładni połączone są z napędem znajdującym się na wale generatora energii elektrycznej, równoległym lub prostopadłym do osi obrotowego walca, obudowy przekładni są unieruchomione przez łącznik, który liną jest połączony z zakotwiczeniem. Homogenizator, silnik wodny wraz z urządzeniami aeracji i przetwarzania (konwersji) energii według wynalazku odznacza się prostą konstrukcją oraz ma niewielką liczbę elementów składowych. Konstrukcja systemu, a zwłaszcza walec i łopaty silnika wodnego zabezpieczają przed niszczeniem żywych organizmów, w tym ryb i narybku, oraz są tak rozmieszczone, że wywołują wysoki moment obrotowy, zgodnie z równanie Stokesa, niskie opory ruchu, zgodnie z zależnością Reynoldsa, a dodatkowo wspierane efektem Magnusa przyczyniają się do wysokiej sprawności działania. Pływający walec wypełniony powietrzem zamienia strumień energii cieku na ruch obrotowy dzięki łopatom osadzonym na obwodzie. Ruch obrotowy wykorzystywany jest do napędu generatora energii elektrycznej, natomiast obudowy przekładni są unieruchomione za pomocą zakotwiczenia. Rys. 5.3. Schemat konstrukcyjny zespółu roboczego homogenizatora, aeratora silnika wodnego w widoku z boku Przedmiot wynalazku przedstawiony został na rysunku przykładowego rozwiązania, na którym rysunek 5.3 przedstawia zespól roboczy w widoku z boku, natomiast rysunek 5.4 w widoku z przodu. 51 Józef Flizikowski Pływający homogenizator, aerator, silnik wodny z łopatami na obwiedni walca, składa się z samowyporowego, pływającego walca 1 wypełnionego powietrzem, w którym w środku obrotu umieszczono wał 6, zaś na obwodzie walca umieszczono łopaty 7. Układ zbierania momentu obrotowego z cieku wodnego, zbudowany jest tak, że ruch obrotowy z wału przenoszony jest przez koło pasowo-zębate 2 na zespół napędowy 3 generatora energii elektrycznej 4, a cały układ funkcjonalny zablokowany jest po obu stronach zakotwiczeniem 5. Kierunek obrotów walca 1 z łopatami 7 zależy od zwrotu przepływu cieku wodnego 8. Silnik wodny walcowy z łopatami należy do grupy kół wodnych podsiębiernych. Przedmiot wynalazku może znaleźć zastosowanie w homogenizacji, aeracji i energetyce ciekach wodnych przepływowych, w postaci niekonwencjonalnego źródła energii (odnawialnej), gdzie wymagana jest duża intensywność napowietrzania wody bez stosowania innych źródeł energii, jako zespół napędowy pojazdów wodnych napędzanych z przedniej lub tylnej osi, również do celów edukacyjnych i popularyzujących procesory energii wodnej. Rys. 5.4. Schemat konstrukcyjny zespółu roboczego homogenizatora, aeratora silnika wodnego w widoku z przodu Nowość nr 4: Rozdrabniacz do odpadów z tworzyw polimerowych Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do rozdrabniania produktów i odpadów z tworzyw polimerowych, materiałów lepko-sprężystych, w szczególności tworzyw sztucznych (w tym elastomerów) w produkcji i recyklingu. 52 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Różnorodność w zakresie ilości wsadu, kształtu oraz własności mechanicznych materiałów polimerowych, lepko-sprężystych poddawanych rozdrabnianiu spowodowała, że do rozdrabniania stosowane są różne rozwiązania konstrukcyjne rozdrabniaczy. W układach roboczych rozdrabniaczy zachodzą złożone procesy dezintegracji. Wpływ na przebieg procesu mają cechy geometryczne (kształt, wielkość), porowatość elementów rozdrabnianych oraz właściwości, które z kolei w warunkach dynamicznego rozdzielania różnią się znacznie od właściwości przy obciążeniach quasi-statycznych i pośrednich, decydują jednak o zachowaniu lub degradacji wiązań międzycząsteczkowych (np. dla struktur polimerowych). Rys. 5.5. Widok ogólny rozdrabniacza do odpadów i produktów z tworzyw polimerowych; a-ruchomy wał z zestawem pierścieni i noży, b-zestaw pierścieni nieruchomych z nożami, c-pojedynczy nóż, d-tarcza dolna połączona z ruchomym wałem i wyposażona w łopaty odrzucające Rys. 5.6. Widok ruchomego wałka z zestawem pierścieni i noży wraz z tarczą dolną; a-tarcza dolna, b-ukształtowane łopatki powodujące odrzut tworzywa rozdrobnionego, c-pierścienie wraz z nożami 53 Józef Flizikowski Złożoność zagadnień dotyczy również wpływu cech konstrukcyjnych elementów rozdrabniających (zagęszczających) oraz szereg parametrów eksploatacyjnych, na jednostkowe zużycie energii i wydajność. Najczęściej istota działania rozdrabniaczy polega na wykorzystaniu metody skrawania, ścinania i uderzania w tworzywo w celu jego dezintegracji. Przekroczenie naprężeń dopuszczalnych w tworzywie powoduje ich rozdzielenie – dezintegrację. Odpowiedni sposób rozdziału gwarantuje niski pobór mocy podczas rozdrabniania oraz zapewnia prawidłowość procesu rozdrobnienia z zachowaniem wymaganego stopnia rozdrobnienia. Rys. 5.7. Widok zestawu pierścieni zewnętrznych – nieruchomych wraz z nożami osadzonymi na obwodzie; a) widok aksonometryczny po złożeniu, b) widok rozstrzelony Wadą znanych rozwiązań konstrukcyjnych rozdrabniaczy tworzyw konstrukcyjnych jest ich mała wydajność, duże zużycie energii, wysoki poziom hałasu, niemożliwość uzyskania precyzyjnego rozkładu ziarnowego, niebezpieczeństwo silnego nagrzewania tworzywa w komorze rozdrabniacza oraz wysokie ryzyko uszkodzenia elementów roboczych – zwłaszcza noży. Celem wynalazku jest usunięcie wad i niedogodności poprzez skonstruowanie urządzenia do rozdrabniania tworzyw polimerowych, materiałów lepko-sprężystych (zwłaszcza tworzyw sztucznych) o zróżnicowanym kształcie, w którym elementami roboczymi – dezintegrującymi są noże osadzone na wewnętrznej i zewnętrznej stronie zestawu pierścieni, w ukształtowanych stożkowo przestrzeniach rozdrabniacza. Istota wynalazku polega na tym, że zespół roboczy stanowią dwa zestawy pierścieni (zewnętrznego – nieruchomego i wewnętrznego – ruchomego) wraz z osadzonymi na ich obwodach wymiennymi nożami (Rys. 5.5). W rozwiązaniu pokazanym na rysunku, zestawmoduł ruchomy składa się z zamocowanych na wale licznych pierścieni z zębami nożowymi, a średnice pierścieni dobrane są w taki sposób, aby tworzyły w przekroju poprzecznym zarys stożka ściętego w płaszczyźnie bocznej (Rys. 5.6). 54 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Noże w pierścieniach osadzone są w taki sposób, że wierzchołki noży leżących na kolejnych pierścieniach tworzą linię śrubową. Wałek wraz z zestawem pierścieni, noży i tarczy dolnej wykonuje ruch obrotowy. Zestaw pierścieni zewnętrznych wraz z nożami jest nieruchomy a średnice wewnętrzne tych pierścieni zmniejszają się od góry do dołu, przy zachowaniu stałej średnicy zewnętrznej (Rys. 5.7). Rozdrabniane tworzywo dostarczone jest do komory rozdrabniacza od góry. Dzięki siłom grawitacji wpada ono niżej i jest wciągane przez ruchome noże osadzone na pierścieniach wewnętrznych. W tym momencie zostaje zainicjowany proces rozdrabniania. W zależności od kształtu i wielkości elementu rozdrabnianego przechodzi on w dół osiągając coraz mniejsze wymiary do momentu, kiedy osiągnie wymiar umożliwiający przejście przez szczelinę między ruchomym i nieruchomym pierścieniem dolnym. Następnie, kiedy rozdrobnione tworzywo opadnie na tarczę dolną zostaje odrzucone na zewnątrz dzięki sile odśrodkowej i łopatom. Zaletą techniczną wynalazku jest to, że ukształtowanie elementów roboczych w stanie ruchu zapewnia równomierny proces rozdrabniania oraz gwarantuje łagodne przebiegi ich odkształceń i przemieszczeń. Zjawiska te wpływają na zwiększenie wydajności, zmniejszenie zużycia energii, poprawę sprawności procesu rozdrabniania. Istotną zaletą rozdrabniacza - w porównaniu z innymi dotychczasowymi rozwiązaniami - jest duża odporność urządzenia na ewentualne uszkodzenia części roboczych – co jest związane z niebezpieczeństwem przedostania się do tworzywa rozdrabnianego elementów metalowych (np. fragmenty części, w zlepy tworzyw). Dzięki niskiej prędkości obrotowej wałka (n = 60 – 180 obr/min) rozdrabniacz charakteryzuje się niskim poziomem hałasu oraz wysoką skutecznością rozdrabniania. Dzięki takiemu rozwiązaniu unika się nagrzewania tworzywa. Rozdrobnienie następuje w jednym przejściu tworzywa, od góry do dołu. Dodatkową zaletą jest możliwość mocowania noży o różnorodnej wielkości i kształcie, co umożliwi dostosowanie przestrzeni rozdrabniania do wielkości i kształtu rozdrabnianych elementów, ale również zwiększy precyzję uzyskania cząstek tworzywa pod względem rozkładu wymiarów ziaren. Zespół roboczy zastosowany w urządzeniach rozdrabniających powoduje poprawę parametrów eksploatacyjnych, zwiększenie efektywności rozdrabniania, stabilną i bezawaryjną pracę, co w konsekwencji przyczynia się do zwiększenia wydajności masowej procesu oraz spadku jednostkowego zużycia energii. Nowość nr 5: Młyn żyletkowy Przedmiotem wzoru użytkowego jest młyn żyletkowy do precyzyjnego rozdrabniania minerałów, surowców biologicznych, włóknistych, ziaren, materiałów niejednorodnych i polimerowych zwłaszcza mokrych i w zawiesinie roboczej lub użytkowej. Znane są liczne rozwiązania konstrukcyjne urządzeń do rozdrabniania, mielenia, granulowania precyzyjnego metodą suchego cięcia przestrzennego, w zawiesinie (tzw. koloidalnego), ścierania, rozcierania, skrobania, mielenia, frezowania i strugania. Urządzenia te nazywane są najczęściej, zależnie od rodzaju rozdrabnianego materiału-surowca i wymiarów produktu: młynami specjalnymi, precyzyjnymi, koloidalnymi, korundowymi, mieszarkami, 55 Józef Flizikowski homogenizatorami, granulatorami. Mielenie, rozdrabnianie w tych urządzeniach następuje pod wpływem nożycowego lub bezwładnego ścinania krawędziami igłowymi, nożowymi, bruzdowymi, otworowymi lub nierównościami stanowiącymi narzędzie robocze; tarcz, walców, stożków, bębnów przytwierdzonych wahliwie rozłącznie, lub na stałe. Liczne i pojedyncze igły, noże, walce lub tarcze i talerze z nożami, wykonują ruch obrotowy względem stałej osi obrotu. Ostrza narzędzia skrawającego posiadają najczęściej postać liniową lub sierpową – krzywoliniową, nierówności, płytek prostopadłościennych i są roboczo aktywne na jednej, lub kilku krawędziach. Wskutek oddziaływania ostrzy, krawędzi narzędzia, surowiec, materiał lub tworzywo wsadowe odcinane są w kawałkach i przechodzą bezpośrednio, lub pośrednio przez sito, do zasobnika produktu rozdrabniania (rynny, szuflady, worka, cyklonu, kontenera i in.). Wadą i niedogodnością znanych rozwiązań konstrukcyjnych rozdrabniaczy, rozcieraczy surowców biologicznych, włóknistych, materiałów niejednorodnych i wielotworzywowych poeksploatacyjnych jest mała wydajność bardzo drobnego produktu, przy dużym zużyciu: energii i elementów maszyny; powstawanie wysokiej temperatury w miejscu podziału, konieczność częstej wymiany elementów skrawających – często o dużych rozmiarach, oraz nierównomierność procesu mająca wpływ na obniżenie trwałości elementów roboczych i wymiary produktu rozdrabniania. Wynika to z faktu, że pod wpływem impulsowych połączeń narzędzi roboczych: igieł, zębów z materiałem rozdrabnianym następuje rozproszenie materii i energii na drodze dochodzenia do punktu podziału, co wiąże się z nierównomiernymi obciążeniami silnika napędowego, krawędzi skrawających materiał na założony stopień rozdrobnienia. Charakter obciążenia rozdrabniającego, prowadzącego do miejscowej dekohezji wsadu, powoduje z racji impulsowego przebiegu istotne zwiększenie ilości traconej energii, a w konsekwencji nierównomierność postaci geometrycznej i blokowanie przepływu produktu, spadek wydajności bardzo drobnego produktu, nadmierne jednostkowe zużycie energii, a przede wszystkim zużywanie i konieczność wymiany dużych zespołów roboczych w postaci tarcz i walców (bębnów). Celem wzoru użytkowego jest usunięcie znanych wad i niedogodności poprzez zaprojektowanie urządzenia do bardzo drobnego rozcinania surowców biologicznych, włóknistych materiałów niejednorodnych i wielotworzywowych o nowej konstrukcji zespołu żyletkowego, wieloelementowego młyna precyzyjnego, wyposażonej w pierścieniowe elementy wirnika i stojana, na których osadzono liczne żyletki, tak aby stanowiły naprzemiennie wręby i zęby od strony wewnętrznej (pierścienie stojana, obudowy) i zewnętrznej (pierścienie wirnika). Żyletki odpowiednio zmontowane: osadzone wahliwie lub sztywno w pierścieniach wirnika, a sztywno w pierścieniach stojana zapewniają ciągły kontakt licznych wirujących i stałych (nieruchomych) ostrzy narzędzia skrawającego, złożonego z dużej liczby krawędzi drobnych i bardzo drobnych wrębów-zębów nożowych ułożonych w obudowie, wirniku i względem siebie tak, że rozcinają równomiernie i skutecznie przemieszczający się między nimi wsad. Szczeliny powstałe między wirnikiem i stojanem; pierścieniami wirnika i stojana, a cienkimi ostrzami rozcinającymi żyletek, działają jednocześnie jako przestrzenie przepuszczające produkt rozdrabniania, a wspomaganie dodatkowym strumieniem powietrza umożliwia szybkie wyjścia produktu poza rozdrabniacz (po osiągnięciu pożądanego wymiaru produktu). Celowo wywołane zjawiska w żyletkowej przestrzeni wielopierścieniowej, wielokrawędziowego kontaktu skrawającego, wpływają na wzrost wydajności bardzo drobnego produk- 56 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE tu i obniżenie jednostkowego zużycia energii z jednoczesnym wyeliminowaniem nadmiernego zużywania dużych elementów korpusów wirników lub stojanów. Istota wzoru użytkowego polega na tym, że zespół rozdrabniający stanowią liczne pierścienie zewnętrzne i wewnętrzne z odpowiednio zamontowanymi żyletkami do rozcinania surowców biologicznych, materiałów niejednorodnych i wielotworzywowych o nowej konstrukcji młyna precyzyjnego, cienkie elementy żyletkowe na pierścieniach kształtowane są we wręby i zęby od strony wewnętrznej (pierścienie stojana, obudowy) i zewnętrznej (pierścienie wirnika). Natomiast odległość obwodowa, promieniowa i osiowa między żyletkami w pierścieniach obudowy i żyletkami wirnika stanowi przestrzeń (szczeliny i odległości) roboczą mającą wpływ na stopień rozdrobnienia oraz inne charakterystyki użytkowe procesu, a istota zastosowania bardzo cienkich narzędzi o powtarzalnym uzębieniu wewnętrznym i zewnętrznym stanowi istotę skutecznego wielocięcia wsadu, a jednocześnie możliwość szybkiej i łatwej wymiany bardzo małego elementu narzędziowego po zużyciu. Przedmiot wzoru użytkowego przedstawiony jest na rysunku schematycznym jako rysunek 5.8, pokazująca przekrój pionowy w widoku „z przodu” na otwartą przestrzeń roboczą urządzenia i rysunek 5.9 – schemat konstrukcyjny, przekrój poziomy A-A urządzenia w widoku „z góry”. 4 11 22 19 19 8 10 18 6 7 3 2 1 smarowanie 20 5 14 12 21 17 Fig. 5.8. Schemat konstrukcyjny młyna żyletkowego, przekrój pionowy w widoku „z przodu” na otwartą przestrzeń roboczą urządzenia 57 Józef Flizikowski W rozwiązaniu pokazanym na rysunku urządzenie do rozdrabniania składa się z podstawy 5, do której przymocowano obudowę 3 wraz z jej pokrywą zaopatrzoną w otwór wlotowy wsadu i powietrza 4, do wału 1 ułożyskowanego w podstawie 5 i pokrywie 12 zamocowany jest rozłącznie wirnik 2 wraz z żyletkowymi pierścieniami wewnętrznymi 6 ustalonymi tulejkami 10 i głowicą rozdzielczą 11, zestawy żyletkowe zewnętrzne 7 poprzez tuleje ustalającą 8 i tulejki dystansowe 9 osadzone są w obudowie 3, odległość pionowa między zestawem żyletkowym wewnętrznym 6, a zestawem zyletkowym zewnętrznym 7 jest szczeliną roboczą zespołu rozdrabniającego, ruch obrotowy wału 1 z wirnikiem 2 oraz z żyletkowymi zestawami wewnętrznymi 6 względem żyletkowych zestawów zewnętrznych 7 jest prędkością względną rozdrabniania, wydajność kształtowana jest na drodze od wejścia wsadu przez otwór w pokrywie 4, przestrzeni cięcia-kontaktu nożowego zestawów z żyletkami 6 i 7, przejścia przez kanał spiralny wykonany w podstawie 5 zakończony rurą styczną wylotu, aż do wyjścia produktu z tego kanału. Wydajność ta może zależeć również od specjalnego strumienia powietrza: od wlotu wsadu do wylotu produktu kształtowanego przedmuchami otworowymi wykonanymi w podstawie 5. 1 3 2 6 7 9 10 18 Rys. 5.9. Schemat konstrukcyjny młyna żyletkowego, przekrój poziomy A-A urządzenia (z rysunku 5.8) w widoku „z góry” Zespół roboczy rozdrabniacza precyzyjnego wielożyletkowego może podlegać dodatkowemu chłodzeniu, np. za pomocą gazu lub płynu chłodzącego w przestrzeni między tuleją ustalającą 8, a obudową 3. Smarowanie zespołu odbywa się przez otwór w obudowie 5 w przestrzeni utworzonej z dużego otworu w podstawie 5, wału 1 wraz z łożyskami 14 i elementami uszczelniającymi 17. Połączenia rozłączne zrealizowano za pomocą klina 18, śrub 19, 20 i 21. Do zamaskowania głowicy rozdzielczej 11 zastosowano nakładkę 22.Zaletą tech- 58 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE niczną wzoru użytkowego jest to, że wyeliminowano złożone i duże elementy rozdrabniające w postaci licznych wieńców, zębów, kołków, prętów wprowadzając drobne żyletki zintegrowane pierścieniami o właściwościach konstrukcyjnych, przetwórczych i eksploatacyjnych lepszych od wymienionych części. Ponadto, ukształtowanie, ruch względny oraz postać cienkich narzędzi o uzębieniu wewnętrznym i zewnętrznym zapewniają dobre warunki przemieszczania wsadu w przestrzeni przygotowania, rozdrabniania i wyrzutu produktu, kierując i orientując cząstkę w przestrzeni rozdrabniania zapewniają, w sposób ciągły, kontakt ostrza lub bardzo dużej liczby ostrzy – skrawających krawędzi żyletek - z surowcami w powietrzu, płynie lub zawiesinie, np. biologicznej, podlegającymi rozdrabnianiu, a przez to równomierne, łagodne przebiegi ich odkształceń i przemieszczeń w czasie rozdrabniania do zadanego wymiaru produktu, np. poniżej 10 µm (mielenie koloidalne) oraz przy innym nastawieniu szczeliny – np. poniżej 0,15 mm (mielenie drobne). Zjawiska te wpływają korzystnie na zwiększenie wydajności bardzo drobnego produktu, zmniejszenie jednostkowego zużycia energii i wyeliminowanie zużywania dużych elementów konstrukcji rozdrabniaczy, poprzez zastosowanie cienkich (o grubości, np. 0,08-0,1mm) żyletek osadzonych na pierścieniach wewnętrznych i zewnętrznych - tworzących uzębienie wewnętrzne i zewnętrzne, jako łatwo wymiennych elementów roboczych, czyli łącznie wpływają na poprawę gospodarczych, ekonomicznych i ekologicznych charakterystyk przetwórstwa. Nowość nr 6: Młyn precyzyjny wielopierścieniowy Przedmiotem wynalazku jest młyn precyzyjny wielopierścieniowy do rozdrabniania minerałów, surowców biologicznych, ziaren, materiałów niejednorodnych i polimerowych zwłaszcza mokrych i w zawiesinie roboczej lub użytkowej. Celem wynalazku jest usunięcie znanych wad i niedogodności poprzez zaprojektowanie urządzenia do rozcinania surowców biologicznych, materiałów niejednorodnych i wielotworzywowych o nowej konstrukcji zespołu wielopierścieniowego młyna precyzyjnego wyposażonej w cienkie pierścieniowe elementy kształtowane we wręby i zęby od strony wewnętrznej (pierścienie obudowy) i zewnętrznej (pierścienie wirnika). Pierścienie tak wykonane i odpowiednio zmontowane zapewniają ciągły kontakt wirującego ostrzy narzędzia skrawającego, złożonego z dużej liczby krawędzi drobnych i bardzo drobnych wrębów-zębów nożowych wykonanych w cienkich pierścieniach ułożonych w obudowie, wirniku i względem siebie tak, że rozcinają równomiernie i skutecznie przemieszczający się między nimi wsad. Szczeliny powstałe między wirnikiem i stojanem; wirnikami i stojanami, a cienkimi pierścieniami rozcinającymi działają jednocześnie jako przestrzenie przepuszczające produkt rozdrabniania, a wspomaganie dodatkowym strumieniem powietrza umożliwia szybkie wyjścia produktu poza rozdrabniacz (po osiągnięciu pożądanego wymiaru produktu). Istota wynalazku polega na tym, że zespół rozdrabniający stanowią liczne pierścienie zewnętrzne i wewnętrzne do rozcinania surowców biologicznych, materiałów niejednorodnych i wielotworzywowych o nowej konstrukcji młyna precyzyjnego, cienkie elementy pierścieniowe kształtowane są we wręby i zęby od strony wewnętrznej (pierścienie obudowy) i zewnętrznej (pierścienie wirnika). 59 Józef Flizikowski Natomiast odległość między pierścieniami obudowy (cienkimi nożami) i wirnika (również cienkimi nożami) stanowi szczelinę roboczą mającą wpływ na stopień rozdrobnienia oraz inne charakterystyki użytkowe procesu, a istota zastosowania bardzo cienkich pierścieni o uzębieniu wewnętrznym i zewnętrznym stanowi istotę wielocięcia wsadu, szybkiej i łatwej wymiany cienkiego elementu narzędziowego po zużyciu. Przedmiot wynalazku przedstawiony jest na rysunku schematycznym jako rysunek 5.10, pokazująca przekrój pionowy w widoku „z przodu” na otwartą przestrzeń roboczą urządzenia, rysunek 5.11 - schemat konstrukcyjny, przekrój poziomy A-A urządzenia w widoku „z góry”. 195 produkt + powietrze G1 1/4" 4 19 22 15 19 11 16 10 6 8 7 2 3 18 0,8 5 20 smarowniczka M6x1 60° 17 G 1 /4 " prz e dmuc h powie trz e m 3 otw. na obwodz ie 1 A kanał spiralny A 437 9 21 13 15 14 17 16 12 275 Rys. 5.10. Schemat konstrukcyjny, przekrój pionowy w widoku „z przodu” na otwartą przestrzeń roboczą urządzenia 60 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE W rozwiązaniu pokazanym na rysunku 5.10 i 5.11 urządzenie do rozdrabniania składa się z podstawy 5, do której przymocowano obudowę 3 wraz z jej pokrywą zaopatrzoną w otwór wlotowy wsadu i powietrza 4, do wału 1 ułożyskowanego w podstawie 5 i pokrywie 12 zamocowany jest rozłącznie wirnik 2 wraz z zębatymi pierścieniami wewnętrznymi 6 ustalonymi tulejkami 10 i głowicą rozdzielczą 11, pierścienie zębate zewnętrzne 7 poprzez tuleje ustalającą 8 i tulejki dystansowe 9 osadzone są w obudowie 3, odległość pionowa między pierścieniem wewnętrznym 6 a pierścieniem zewnętrznym 7 jest szczeliną roboczą zespołu rozdrabniającego, ruch obrotowy wału 1 z wirnikiem 2 oraz zębatymi pierścieniami wewnętrznymi 6 względem zębatych pierścieni zewnętrznych 7 jest prędkością względną rozdrabniania, wydajność kształtowana jest na drodze od wejścia wsadu przez otwór w pokrywie 4, przestrzeni cięcia-kontaktu nożowego pierścieni 6 i 7, przejścia przez kanał spiralny wykonany w podstawie 5 zakończony rurą styczną wylotu produktu z tej podstawy. Wydajność ta może zależeć również od specjalnego strumienia powietrza: od wlotu wsadu do wylotu produktu kształtowanego przedmuchami otworowymi wykonanymi w podstawie 5. Rys. 5.11. Schemat konstrukcyjny, przekrój poziomy A-A urządzenia w widoku „z góry” Zespół roboczy rozdrabniacza precyzyjnego wielopierścieniowego może podlegać dodatkowemu chłodzeniu, np. za pomocą gazu lub płynu chłodzącego w przestrzeni między tuleją ustalającą 8 a obudową 3. Smarowanie zespołu odbywa się przez otwór w obudowie 5 (M6x1) w przestrzeni utworzonej z dużego otworu w podstawie 5, wału 1 wraz z łożyskami 14 i elementami uszczelniającymi 17. Połączenia rozłączne zrealizowano za pomocą klina 18, śrub 19, 20 i 21. Do zamaskowania głowicy rozdzielczej 11 zastosowano nakładkę 22. 61 Józef Flizikowski Nowość nr 7: Tarcza bijakowa Przedmiotem wynalazku jest tarcza bijakowa do rozdrabniania minerałów, surowców, odpadów biologicznych, ziaren, materiałów niejednorodnych i polimerowych. Wadą i niedogodnością znanych rozwiązań konstrukcyjnych młynów, rozcieraczy surowców biologicznych, materiałów niejednorodnych i wielotworzywowych poeksploatacyjnych jest mała wydajność przy dużym zużyciu: energii i elementów maszyny; powstawanie wysokiej temperatury w miejscu podziału, konieczność częstej wymiany elementów skrawających – często o dużych rozmiarach, oraz nierównomierność procesu mająca wpływ na obniżenie trwałości elementów roboczych i wymiary produktu rozdrabniania. Wynika to z faktu, że pod wpływem impulsowych połączeń narzędzi roboczych: igieł, zębów z materiałem rozdrabnianym następuje rozproszenie materii i energii na drodze dochodzenia do punktu podziału, co wiąże się z nierównomiernymi obciążeniami silnika napędowego, krawędzi skrawających materiał na założony stopień rozdrobnienia. Rys. 5.12. Schematyczny widok „z przodu” urządzenie wraz z umiejscowieniem zastosowanej tarczy bijakowej Celem wynalazku jest usunięcie znanych wad i niedogodności poprzez zaprojektowanie tarczy bijakowej do rozcinania surowców biologicznych, materiałów niejednorodnych i wielotworzywowych o nowej konstrukcji wyposażonej w cienkie krawędziowe otwory stanowiące narzędzie robocze tarczy umieszczone na powierzchni stożkowej a na średnicy zewnętrznej umieszczono kołnierz z naciętymi zębami. Tarcza bijakowa tak wykonana i odpowiednio zamontowana zapewnia ciągły kontakt wirujących ostrzy narzędzia skrawającego, złożonego z pewnej liczby krawędzi otworów wykonanych w cienkiej tarczy bijakowej na jej powierzchni stożkowej tak, że rozcina równomiernie i skutecznie przemieszczający się wsad. Zastosowany kołnierz z naciętymi zębami 62 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE na zewnętrznej średnicy tarczy bijakowej powoduje zwiększenie stopnia rozdrobnienia wsadu oraz wywołuje powstanie zjawiska cyrkulacji materiały wsadowego. Celowo wywołane zjawiska w przestrzeni roboczej, wielokrawędziowego kontaktu skrawającego, wpływają na wzrost wydajności i obniżenie jednostkowego zużycia energii. Istota wynalazku polega na tym, że zespół rozdrabniający stanowi tarcze bijakową do rozcinania surowców biologicznych, materiałów niejednorodnych i wielotworzywowych o nowej konstrukcji wyposażonej w cienkie krawędziowe otwory stanowiące narzędzie robocze tarczy umieszczone na powierzchni stożkowej. Natomiast zastosowany kołnierz z naciętymi zębami na zewnętrznej średnicy tarczy bijakowej ma wpływ na stopień rozdrobnienia oraz inne charakterystyki użytkowe procesu, a istota zastosowania bardzo cienkiej tarczy o uzębieniu znajdującym się na powierzchni stożkowej oraz na kołnierzu stanowi istotę wielocięcia wsady, szybkiej i łatwej wymiany cienkiego elementu narzędziowego po zużyciu. Przedmiot wynalazku przedstawiony jest na rysunku schematycznym jako rysunek 5.12, pokazująca widok „z przodu” urządzenie wraz z umiejscowieniem zastosowanej tarczy bijakowej i rysunek 5.13 – schemat konstrukcyjny tarczy bijakowej. Rys. 5.13. Schemat konstrukcyjny tarczy bijakowej do rozdrabniania materiałów polimerowych, biologicznych i włóknistych W rozwiązaniu pokazanym na rysunku 5.12 i 5.13 urządzenie do rozdrabniania składa się z podstawy 8, do której przymocowano ramiona 7. Z boku jednego z ramion znajduje się panel sterowania 9, który steruje pracą silnika 1, umieszczonego na ramionach stosując połączenie przegubowe 5. Tarcza bijakowa 2 przykręcana jest nakrętką 3 do wału silnika 1. Przestrzeń robocza powstaje po zamontowaniu i ustaleniu pokrywy 4. W urządzeniu rozdrabniającym istnieje możliwość zmiany kąta nachylenia tarczy bijakowej 2 wraz z silnikiem 1, za pomocą dźwigni 6. Zaletą techniczną wynalazku jest to, że wyeliminowano pojedyncze elementy rozdrabniające w postaci noży, wprowadzając zintegrowany element w postaci tarczy bijakowej o właściwościach konstrukcyjnych, przetwórczych i eksploatacyjnych lepszych od wymienionych części. Ponadto, ukształtowanie, ruch względny oraz postać tarczy z elementami roboczymi znajdującymi się na powierzchni stożkowej i kołnierzu zewnętrznym zapewniają dobre warunki przemieszczania wsadu w przestrzeni rozdrabniania produktu, kierując i orientując cząstkę w przestrzeni rozdrabniania zapewniają, w sposób ciągły, kontakt ostrza 63 Józef Flizikowski lub dużej liczby ostrzy – skrawających krawędzi otworów i zębów - z surowcami zawartym w powietrzu, płynie lub zawiesiny, np. biologicznej, podlegającymi rozdrabnianiu, a przez to równomierne, łagodne przebiegi ich odkształceń i przemieszczeń w czasie rozdrabniania do zadanego wymiaru produktu. Zjawiska te wpływają korzystnie na zwiększenie wydajności, zmniejszenie jednostkowego zużycia energii i wyeliminowanie zużywania dużych elementów konstrukcji rozdrabniaczy, poprzez przystosowanie do zużywania cienkich tarcz bijakowych, jako łatwo wymienny element roboczy, czyli łącznie wpływają na poprawę gospodarczych, ekonomicznych i ekologicznych charakterystyk przetwórstwa. Nowość nr 8: Wielotarczowy młyn obrotowo-wibracyjny Przedmiotem wynalazku jest wielotarczowy młyn obrotowo-wibracyjny do rozdrabniania surowców, materiałów i tworzyw - zwłaszcza odpadów poeksploatacyjnych, drewna, kory drzewnej, tworzyw sztucznych, itp. Pomimo zalet, dalszy rozwój młynów obrotowo - wibracyjnych jest utrudniony z uwagi na szereg wad, a mianowicie: -Znaczne, okresowo zmienne obciążenia dynamiczne w elementach konstrukcyjnych młyna spowodowane dużym przyśpieszeniem ruchu drgającego (10-30)g (g - przyśpieszenie ziemskie) oraz dużą częstotliwością drgań – zwykle, np. 25Hz, powodujące zmęczeniowe zużywanie się elementów konstrukcyjnych młynów i konieczność stosowania w ich budowie drogich tworzyw konstrukcyjnych najwyższej jakości; -Spadek sprawności młynów przy pracy poza rezonansem wraz ze wzrostem częstotliwości drgań (niezbędnej do realizacji procesu mielenia), przy czym przy częstotliwości np. 25Hz nawet połowa dostarczonej do młyna energii może być zużyta na pracę sił tarcia w łożyskach wibratora i zamieniona na ciepło, którego odprowadzenie wymaga stosowania dodatkowych układów chłodzących; -Znaczną szkodliwość oddziaływania młynów na środowisko, a szczególnie emisja hałasu o dużym natężeniu osiągającym, np. (110-120)dB; powoduje to konieczność umieszczenia większych młynów w specjalnych dzwiękoizolacyjnych pomieszczeniach, a małych, nawet laboratoryjnych – w dzwiękoizolacyjnych osłonach; - Przenoszenie na podłoże znacznych obciążeń dynamicznych – pomimo nadrezonansowego zakresu pracy – co wymaga umieszczenia ich na dużych fundamentach, często z odpowiednią wibroizolacją. Istota wynalazku polega na tym, że zespół rozdrabniający stanowią wirujące tarcze z otworami w których na przemian – z tarczami sitująco – rozdrabniającymi - umieszczono kule o średnicy mniejszej od otworów rozdrabniająco-przepustowych, a tarcze z otworami, spełniającymi funkcję wyłącznie przepustową połączone są przez obudowę w zespół przemieszczający się dodatkowo z różną amplitudą i częstotliwością, przy czym charakterystyka przemieszczeń zależy od systemu generatora przemieszczeń, prędkość obrotowa tarcz otworowych z kulami - od silnika z przekładnią, a cały zespół roboczy związany jest z siłownikiem hydraulicznym stanowiącym jednocześnie łożysko hydrostatyczne. 64 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Rys. 5.14. Schemat konstrukcyjny młyna obrotowo-wibracyjnego: 1-silnik, 2-przekładnia mechaniczna, 3- przemieszczająca się, wibrująca obudowa młyna, 4-wał z tarczami, 5-kule tarcz obrotowych, 6-sita tarczowe (tarcze) związane z obudową młyna, 7-zasyp materiału rozdrabnianego, 8-wylot produktu rozdrabniania, 9-siłownik roboczy z łożyskiem hydrostatycznym, 10-hydrauliczny generator przemieszczeń (np. obrotowy wzbudnik drgań), 11-pas przekładni, 12-silnik pompy hydraulicznej, 13-pompa hydrauliczna, 14-zbiornik hydrauliczny, 15-przykładowy przebieg przemieszczenia siłownika hydraulicznego, x-wejście, y-wyjście produktu rozdrabniania, a-amplituda przemieszczeń, v-prędkość liniowa przemieszczania obudowy młyna, ω- prędkość kątowa wału z tarczami i kulami Przedmiot wynalazku przedstawiony jest na rysunku schematycznym jako rysunek 5.14, pokazująca rzut „z przodu” urządzenia z wielotarczowym młynem obrotowo-wibracyjnym. W rozwiązaniu pokazanym na rysunku urządzenie do rozdrabniania surowców, materiałów i tworzyw - zwłaszcza poeksploatacyjnych, drewna, kory drzewnej, tworzyw sztucznych, itp. składa się z silnika 1 napędzającego przez przekładnie 2 z pasem 11, obudowę zespołu wielotarczowego 3, w której wał 4 powiązany jest z tarczami obrotowymi z kulami 5, a tarcze 6 wykonujące ruch posuwisto-zwrotny powiązane są bezpośrednio z obudową 3. Rozdrabnianiu poddawany jest wsad x wprowadzany przez zasyp 7, który w wyniku rozdrabniania 65 Józef Flizikowski uzyskuje postać y i usuwany jest na zewnątrz za pomocą wylotu 8. Obudowa 3 rozdrabniacza wraz z tarczami nieobrotowymi uzyskuje zadane przemieszczenia liniowe za pomocą siłownika, będącego jednocześnie łożyskiem hydrostatycznym 9 i napędzanego przez hydrauliczny generator przemieszczeń 10 zasilany silnikiem 12, pompą 13 znajdującą się w zbiorniku oleju 14, a przemieszczenia pionowe zespołu wibracyjnego 3 mogą mieć postać przebiegu impulsowego, np. 15. Zespół obrotowy z kulami 5 charakteryzuje prędkość kątowa ω, a zespół wibracyjny 3 charakteryzuje amplituda przemieszczeń a i ich prędkość liniowa v. Zaletą techniczną wynalazku jest to, że ukształtowana otworowa, tarczowa część obrotowa wraz z kulami i wibracyjna część tarcz otworowych z obudową przemieszczającą się liniowo - zapewniają, w sposób ciągły, kontakt tarcz otworowych z kulami o dużej liczby powierzchni krusząco-mielących z surowcem, materiałem i tworzywem - zwłaszcza poeksploatacyjnym, drewnem, korą drzewną, tworzywami sztucznymi, itp. materiałem, w doskonale tłumionym zespole generatora hydraulicznego ułożyskowanego również hydrostatycznie, a przez to zapewniają również: łagodne przebiegi ich odkształceń i przemieszczeń w czasie rozdrabniania do wymiaru poniżej 1 µm (mielenie) oraz poniżej 1,5 mm (kruszenie) w zależności od nastawionych parametrów roboczych generatora przemieszczeń i ruchu obrotowego. Zjawiska te wpływają na zwiększenie wydajności, zmniejszenie: drgań i wibracji, jednostkowego zużycia energii i temperatury rozdrabnianego wsadu i par współpracujących ciernie, temperatury par ślizgowych i obrotowych młyna, czyli poprawę gospodarczych, ekonomicznych i ekologicznych charakterystyk przetwórstwa. 6.Teoria konstrukcji rozdrabiania Mając jako takie doświadczenie, w poszukiwaniu odpowiedzi na pytanie o pozytywny, dodatni postęp konstrukcji, można stwierdzić, że tylko dobra konstrukcja (rys.6.1) może przyczynić się do minimalizacji negatywnych skutków, następstw i efektów działania konstrukcji obiektu technicznego w środowisku. Czym jest konstrukcja maszyny? - Dobrym życiem? Rys. 6.1. Próba odpowiedzi na pytanie, w postaci obrazu rzeczywistości Czym jest konstrukcja maszyny? - życiem fizycznym? - życiem psychicznym? - życiem społecznym? - życiem naukowym? - życiem sztucznym? - życiem wirtualnym? Rys. 6.2. Obraz różnych odpowiedzi abstrakcyjnych, na pytanie rzeczywiste 66 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Czy wystarczy, że będzie to dobra konstrukcja, w znaczeniu silna, mocna. Mocna konstrukcja psychiczna konstruktora, obserwatora obiektów technicznych, czy całego społeczeństwa? A może wystarczy potęga fizyczna zaangażowana w jej materializację lub działanie? Jeżeli jej sztuczność jest bliżej sztuki niż pozorów, to może wirtualizacja zbliża ją do najwyższej jakości postaci i efektywności działania, a tym samym do dodatniego postępu! Gdzie kończy się elektrownia, jako procesor energii – konstrukcja, gdzie zaczyna strefa ochronna, a gdzie kończy i zaczyna środowisko naturalne. Czy wlot świeżego powietrza do pieca jest konstrukcją pieca, strefy ochronnej, czy środowiska. Czy wylot spalin z komina – to jego element konstrukcyjny, element strefy ochronnej, czy może samego środowiska. Jakie warunki konstrukcyjne, obiektów technicznych i środowiskowych i jednocześnie techniczno-środowiskowych, są niezbędne do wystąpienia nieokreślonego postępu dodatniego, jako stanu postulowanego? Dobra konstrukcja, dobre życie budowli, maszyny i urządzenia. Megaukłady maszynowe wraz z pomieszczeniami (konstrukcje techniczne) i technologicznym otoczeniem (konstrukcje strefy ochronnej), z dodatkowymi magaukładami technicznymi ochrony środowiska, stanowią konstrukcje techniczno-środowiskowe, np.: - elektroenergetyczne, składające się z maszyn, instalacji, pomieszczeń, kominów, pól pod sieciami napowietrznymi, składowisk popiołu, zbiorników wodnych, zabezpieczeniami przed szkodliwym oddziaływaniem na środowisko itd., - wodne, obejmujące źródła wody, naturalne i sztuczne zbiorniki, pompy i rurociągi, stacje uzdatniania, oczyszczania, zabezpieczenia przed oddziaływaniem środowiska i na środowisko, - żywnościowe, składające się z pól, obór, przetwórni i przechowalni, środków transportu, dystrybucji oraz magazynowania, maszyn i urządzeń zabezpieczających przed oddziaływaniem środowiska na żywność i żywności na środowisko. Wytwarzanie większości potrzebnych dóbr zależy również od sprawnego funkcjonowania szeregu mniejszych, lecz również złożonych układów maszynowych – systemów produkcyjnych: kombinaty handlowe, linie produkcyjne i gniazda obróbcze. Nieustanny wzrost złożoności systemów użytkowych oraz istniejących między nimi relacji sprawia, że konstruowanie stanów i wywoływanie przemian obiektów, w środowiskowych obiegach technologicznych, staje się problemem wielowarstwowym, nie dającym się rozwiązać w sposób intuicyjny. Poszukiwania nowoczesnych rozwiązań konstrukcji doprowadziły do odkrycia ważnej prawidłowości, zgodnie z którą systemy o całkowicie różnej naturze fizycznej mogą – jako obiekty projektowania – mieć szereg cech wspólnych, w szczególności mogą być opisywane tymi samymi modelami matematycznymi. Idea ta stanowi podstawę dziedziny wiedzy zwanej cybernetyką i zajmującej się: - analizą różnorodnych konstrukcji jako obiektów przemian-sterowania w sposób abstrahujący od ich fizycznej lub technicznej natury, - syntezą algorytmów sterowania tymi konstrukcjami-systemami. Techniczną realizację koncepcji teoretycznych cybernetyki umożliwia automatyka, stanowiąca zespół środków technicznych przeznaczonych do tworzenia systemów, konstrukcji sterujących konstrukcją. Do zadań tych systemów należy: - zbieranie i przetwarzanie informacji o stanie systemów użytkowych i produkcyjnych, 67 Józef Flizikowski - - - wypracowanie właściwych decyzji dotyczących zmian stanu tych systemów, realizacja wypracowanych decyzji, dokumentowanie zmian stanu systemów użytkowych. OTOCZENIE O Usługi STREFA GRANICZNA SG Yot = Xst Dobra pierwotne SYSTEM TECHNICZNY ST Odtwarzalne Yst = Xot DOBRA WTÓRNE DOBRA PIERWOTNE Nieodtwarzalne Produkty Rys. 6.3. System techniczny, strefa graniczna i otoczenie działania [32] Systemem nazywa się zbiór elementów w określony sposób ze sobą powiązanych, stanowiący całość o określonym przeznaczeniu i scharakteryzowany pewną liczbą wielkości zwanych zmiennymi systemu (rys. 6.3). Przy definiowaniu systemu istotne jest wyraźne rozgraniczenie tych elementów, które do systemu należą, od tych, które do niego nie należą, lecz które są z nim powiązane, gdyż stanowią jego otoczenie. Otoczeniem (strefą ochronną, środowiskiem) systemu nazywa się zbiór elementów, spełniających następujące warunki: - zmiany zmiennych charakteryzujących te elementy oddziałują na zmienne systemu, - zmiany zmiennych systemu oddziałują na zmienne elementów tworzących otoczenie. Sprzężenia istniejące pomiędzy systemem, a jego otoczeniem dzieli się na zmienne wejściowe systemu i zmienne wyjściowe systemu. Zmiennymi wejściowymi (wejściami) systemu nazywa się zmienne przedstawiające oddziaływanie otoczenia na system. Zmiennymi wyjściowymi (wyjściami) systemu nazywa się zmienne przedstawiające oddziaływanie systemu na otoczenie. Konstrukcja i otoczenie, które jest szczególnym przypadkiem konstrukcji, interesują nas przede wszystkim w związku z przemianami obiektów w czasie obiegów technologicznych. Ponieważ, konstruowaniu mogą podlegać wyłącznie przyszłe przebiegi czasowe zmiennych wyjściowych, realizacja konstrukcji wymaga możliwości przewidywania przebiegów czasowych zmiennych wyjściowych dla określonych przebiegów czasowych zmiennych wejściowych. Ogólnie, aby określić przebiegi czasowe zmiennych wyjściowych, należy znać oprócz przebiegów czasowych zmiennych wejściowych również wartości szeregu zmiennych tworzących stan konstrukcji w momencie początkowym. Stanem konstrukcji nazywa się zbiór wszystkich tych zmiennych konstrukcji, których znajomość w danym momencie czasu wraz ze znajomością przyszłych przebiegów czaso- 68 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE wych zmiennych wejściowych umożliwia określenie przyszłych przebiegów czasowych zmiennych wyjściowych. Zmienne tworzące stan konstrukcji nazywa się współrzędnymi stanu. Współrzędne stanu są miarą energii, wskaźnikami konstrukcji lub masy akumulowanej przez elementy konstrukcji, a liczba współrzędnych stanu jest równa liczbie niezależnych akumulatorów energii lub masy, wchodzących w skład systemu. Przedmiotem teorii konstrukcji nie są bezpośrednio rzeczywiste systemy użytkowe, produkcyjne, sterujące lub ich elementy, lecz wyłącznie ich modele matematyczne. Modelem matematycznym konstrukcji nazywa się zespół zależności matematycznych będący reprezentacją interesujących właściwości fizycznych lub etycznych (bezrobocie, choroby zawodowe) i umożliwiający przewidywanie zachowania się konstrukcji na drodze rozwiązywania określonej klasy problemów matematycznych. Uwaga: Należy stale mieć na uwadze to, że każda „konstrukcja rzeczywista” ma nieskończenie wiele różnych właściwości i może być scharakteryzowana przez nieskończenie wiele różnych zmiennych, z których tylko nieliczne są reprezentowane w wybranym przez nas modelu matematycznym. W ogólnym przypadku konstrukcja może mieć większą liczbę zmiennych wejściowych, zmiennych wyjściowych i współrzędnych stanu. Wtedy tworzy się z wymienionych zmiennych odpowiednio wektor zmiennych wejściowych (zwany krótko wejściem), wektor zmiennych wyjściowych (zwany krótko wyjściem) i wektor stanu (zwany krótko stanem). W dalszym ciągu wektory te będą oznaczane symbolami małymi półgrubymi: wejście u(t), wyjście y(t), stan x(t). Formalizację pojęcia konstrukcji można przeprowadzić na podstawie dwóch różnych modeli: - model w przestrzeni stanu, zwany również modelem mikroskopowym, gdyż opisuje on konstrukcję z uwzględnieniem mechanizmu zachodzących w niej zjawisk; - model wejściowo-wyjściowy, zwany również modelem makroskopowym lub modelem typu „czarna skrzynka”, gdyż opisuje on wyłącznie zależności wiążące przebiegi czasowe wejść i wyjść konstrukcji. Wyrażenie dla funkcji stanu można uważać za definicję stanu: stanem nazywa się taki zestaw zmiennych konstrukcji, że znajomość ich wartości x(t0) w dowolnej chwili początkowej t0 umożliwia wraz ze znajomością funkcji wejścia u(t) w przedziale [t0 , t) określenie ich wartości x(t) w dowolnej chwili końcowej t. Wyrażenie na funkcję stanu można uważać za sformułowanie zasady determinizmu: rozpatrywane konstrukcje są deterministyczne, gdyż ich stan obecny determinuje - wraz z przyszłymi wejściami - ich stan przyszły. Definicja modelu w przestrzeni stanu wymaga tylko istnienia funkcji stanu. Jej analityczne lub numeryczne wyznaczenie może być - zależne od typu systemu - bardzo skomplikowane, niemożliwe lub niepotrzebne. Stąd też dla różnych typów konstrukcji stosowane będą z reguły różne odmiany modelu w przestrzeni stanu, bardziej szczegółowe od przedstawionego i zarazem łatwiejsze do wyznaczenia oraz analizy i prostsze w zastosowaniach. Funkcja stanu i funkcja wyjścia umożliwiają wyodrębnienie w modelu konstrukcji dwóch części (rys. 6.4): - części dynamicznej, zawierającej wszystkie akumulatory (energii, masy lub informacji), której wejściami są wejścia u(t) konstrukcji i stan początkowy x(t0), a wyjściem jest stan aktualny x(t); 69 Józef Flizikowski - części statycznej nie posiadającej akumulatorów energii, masy ani informacji, której wejściami są wejścia u(t) i stan x(t), a wyjściami są wyjścia konstrukcji y(t). Z punktu widzenia potrzeb konstrukcji, podstawowe znaczenie ma szereg podziałów rozłącznych i wyczerpujących, obejmujących wszystkie systemy odpowiadające wymogom definicji: - podział na konstrukcje statyczne i dynamiczne, - podział na konstrukcje stacjonarne i niestacjonarne, - podział na konstrukcje ciągłe w czasie i dyskretne w czasie. Rys. 6.4. Składowe modelu konstrukcji [12, 32] Każda konstrukcja odpowiadająca wymogom definicji może podlegać wszystkim trzem wymienionym podziałom, a więc może np. być statyczna, niestacjonarna i ciągła, lub dynamiczna, stacjonarna i dyskretna. Oprócz wymienionych podziałów rozłącznych i wyczerpujących zachodzi potrzeba wyróżnienia kilku innych ważnych klas konstrukcji: skończonych, różniczkowych, różnicowych i liniowych. Znalezienie matematycznej identyczności konstrukcji jest efektem badań i dobrze służy rozwojowi, postępowi i innowacji stanów oraz przemian w obiegach technologicznych. Pewne przemiany przypominają sterowanie następstwami działania maszyn, inne regulację zakłóceń, zanieczyszczeń, ilości odpadów, bądź produktów zużycia, jeszcze inne służą kompensacji zakłóceń. Na przykład dla określenia doboru optymalnego rozdziału i zakresu obciążeń w systemie elektroenergetycznym potrzebne są modele statyczne przedstawiające zależności: kosztów produkcji, następstw przetwórstwa i inwestycji od wielkości mocy oddanej przez blok do sieci. Wtedy konstrukcją z otoczeniem i środowiskiem, będzie nazywany zbiór elementów E1, E2, ..., Em, powiązanych ze sobą według określonej koncepcji, wraz z relacjami między elementami R1 , R2, ..., Rm, przy czym kanałami tych powiązań płyną strumienie energetyczne i informacyjne zgodnie z planem działania. Charakterystyki elementów oraz powiązania są funkcjami wielkości środowiska oraz czasu Θ, jako zmiennej niezależnej rozwoju konstrukcji i chwili czasu procesu dynamicznego t. 70 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Oprócz tego relacje Ri zależą również od sygnałów sterowania ekonomicznego Równanie działania konstrukcji, w kierunku jej rozwoju ma postać: (6.1) gdzie: – charakterystyki działania jako wielkości wyjściowych (efektywność ekonomiczna), – charakterystyki elementów wewnętrznych, – charakterystyki powiązań elementów wewnętrznych (relacje elementów), Θ –, (t1 – t0) – czas, – sterowanie, – zakłócenia. Lewa strona równania (6.1) (modelu) opisuje właściwości procesu działania, jego cechy natury fizycznej, właściwej dla danej klasy działań. Te właściwości zależą od charakterystyk elementów E1, E2 , ..., Em, powiązań pomiędzy tymi elementami R1, R2 , ..., Rn, oraz są funkcjami Θ i t (czasu działania i procesu dynamicznego). Niewiadomymi są elementy zbioru charakterystyk H jako wielkości wyjściowych, od których zależy ocena ogólnej efektywności konstrukcji – jej niejednorodności, nieskuteczność, zmiennej wydajności, nieuzasadnionego poboru i charakteru mocy, jednostkowego zużycie energii itd. Prawa strona równania (6.1) jest opisem ingerencji wewnętrznej i zewnętrznej. Może ona zależeć od postaci świadomego oddziaływania - sterowania za pomocą sygnałów ze zbioru (wspomaganego aktywnie), oddziaływania interakcyjnego - wzajemnego oddziaływania elementów materiał - maszyna - proces technologiczny - warunki - środowisko - budowla -... , oddziaływania tensyjnego - napięcia (związanego z różnicą potencjałów), będącego przyczyną procesów wyrównawczych; względnie może również wystąpić jako zakłócenie działania systemu wyrażone przez . Najczęściej w praktyce konstrukcji występują wymienione oddziaływania jednocześnie. Przy czym sterowanie ma zazwyczaj charakter znany (zdeterminowany), natomiast zakłócenia przebiegają według praw stochastycznych. Stąd zadanie modelowego, dodatniego roz- 71 Józef Flizikowski woju konstrukcji polega głównie na transformacji postaci zakłóceń do zdeterminowanego charakteru sygnału sterującego maszyną (budowlą, pojazdem), materiałem lub procesem. Analiza równania (6.1) prowadzi do ważnych wniosków o postępie dodatnim, a nawet o prawidłowości rozwoju: -Jeśli konstrukcja nie spełnia zadania, co wyrażają niskie oceny efektywności lub niewystarczająca jakość wytworu, to przyczynami mogą być [12]: - nieprawidłowe zachowanie elementów Ei, lub błędna ich struktura Ri; - nieprawidłowe (statyczne) oddziaływanie sterownicze ; - błędna istota realizacji obiegu technologicznego i błędne charakterystyki sterujące. Wyselekcjonowanie właściwej przyczyny pozwala na ustaleniu nowych warunków w środowisku działania w i wydzielenie wielkości, według których charakterystyki winny być zmieniane. Badania doświadczalne pozwolą potwierdzić lub odrzucić hipotetyczne warunki, konstrukcje. Przedstawione przyczyny niskiej oceny efektywności zostały ujęte w sposób zbliżony do hierarchicznego, znajdują się u podstaw analizy konstrukcji, budowy i eksploatacji maszyn dla środowiska przetwarzania. Zatem maszyny i procesy technologiczne realizowane przy ich użyciu, nie powinny obciążać i szkodliwie oddziaływać na zdrowie i środowisko człowieka. Dotyczyć to może nie tylko właściwości biologicznych, czy ogólnie odżywczych, lecz również takich cech, jak struktura fizyczna, wygląd, zapach czy emisja hałasu podczas przetwórstwa. Model wspomagania badawczego konstrukcji maszyn i obiektów technicznych przetwarzania, z założenia obejmuje przestrzenie abstrakcyjne i konkretne o Ei, Ri - (rys. 6.5); - Bazy danych przemysłowych i patentowych, również hurtownie danych, - Procedury i badania symulacyjne koncepcji konstrukcyjnych elementów i struktury, - Plany badań próbek, elementów, wirtualnych struktur zespołów koncepcyjnych w zakresie właściwości mechanicznych, Badania konstrukcyjne maszyn i układów fizycznych, technicznych uzupełniające bazy wiedzy konstrukcyjnej. Sfera konkretów wiąże się z monitorowaniem stanów i przemian rozwiązania maszynowego (ściśle wg konstrukcji) w rzeczywistych, wirtualnych lub modelowych warunkach badanego lub wybranego środowiska. 72 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Rys. 6.5. Model wspomagania badawczego konstrukcji maszyn; S – start, E – koniec, Y – tak, N – nie, NI – „nie” drugiego stopnia wątpliwości, NII – „nie” odpowiedzialności globalnej. Warstwy, na których weryfikowane są poszczególne bazy, plany, procedury i badania konstrukcji dla zadanego przetwarzania, wiążą się z (rys. 6.5): -Sformułowaniem problemu, modelu matematycznego i wiedzą badacza, - Umiejętnością formułowania odpowiedzi w postaci hipotez i tworzenia koncepcji na stawiane pytania problemowe, - Wyposażeniem komputerowym w narzędzia wspomagania i weryfikacji tez oraz koncepcji konstrukcyjnych, - Potęgą, mądrością i bogactwem decyzyjnym, aż do ponoszenia odpowiedzialności za dzieło - w znaczeniu globalnym, -Monitorowaniem przetwarzania, czyli przetwarzania i wykorzystania danych. Efekty wspomagania doświadczenia, wykorzystuje się również, do budowy wiedzy o konstrukcji maszyn i o środowisku przetwarzania. Co do doświadczeń, to zauważyłem, że są tym potrzebniejsze, im dalej posuwamy się w wiedzy o konstrukcji. Na początku wystarcza badanie zmysłowe, które często wprowa- 73 Józef Flizikowski dzają w błąd, dalej, lepiej postępowi dodatniemu służą interpretacje graficzne, dalej modele matematyczne, dalej weryfikacja modeli matematycznych konstrukcji w warunkach symulacyjnych, eksperymentalnych i wdrożeniowych. Należy pamiętać, że wprowadzenie dodatkowych środków przyspiesza obieg informacji, ale jednocześnie zwiększa liczbę elementów w konstrukcji. Istnieje pewne nasycenie konstrukcji w środki wspomagania, po przekroczeniu którego, jej czas działania i dynamika maleją. Ze względu na treść informacji wyróżnia się modele, w których występują informacje [12]: - dotyczące struktury i charakterystyk konstrukcji (IS); - o jakości wytworów, obiektów rzeczywistych, maszyn (IW); - dotyczące działania maszyn (ISW). Na podstawie przeprowadzonej analizy, założeń, modelu i miar efektywności działania maszyn w obiegu technologicznym można sformułować pewne spostrzeżenia w zakresie opisu funkcjonalnego konstrukcji: Po pierwsze - opis funkcjonalny konstrukcji i charakterystyk działania w kategoriach czasu, stanu, zdarzenia, funkcji, procesu działania powinien umożliwiać odpowiedź na pytania konstrukcyjne: jakie funkcje i jakie procesy realizowane są konstrukcją? Jaka jest organizacja, koordynacja funkcji w środowisku maszyn (konstrukcji)? Jakie powinny być najbardziej pożądane przebiegi tych procesów? Czy konstrukcja (wspólnie ze środowiskiem) odpowiadają realizowanym procesom w sensie przyjętych kryteriów? W jaki sposób cechy, charakterystyki elementów (obiektów) i relacji między nimi wpływają na efektywność procesu i jakości produktu działania? Po drugie – jeśli chodzi o jakość wytworów: nie wydaje się to zgoła dziwne tym, którzy wiedzą, jak wielką liczbę automatów, robotów, cyborgów i klonów, czyli poruszających się konstrukcji, ludzka pomysłowość zdolna jest wytworzyć, posiłkując się niewielką liczbą elementów, w tym scalonych i procesorów informacji. I tu w szczególności zatrzymałem się, by wykazać, że, o ile konstrukcja maszyn może być najwymyślniejszej postaci, niekonwencjonalnych wymiarów i tolerancji, to zawsze pozostanie ona wyabstrahowana z techniki oraz jako wytwór będzie zależna od zasobów i konstrukcji środowiska. Konstrukcja, jako znak techniki, zależy od obrazu ENTROPII środowiska. Po trzecie – działanie maszyn, będzie zawsze związane z zadanym celem i podstawowym sukcesem jest osiąganie postępu dodatniego – zarówno w działaniu dla konstrukcji, działaniu samej konstrukcji oraz długoterminowych następstw jej działania. Zastąpienie działania twórcy konstrukcji maszyną, trafia na barierę współdziałania maszyny ze środowiskiem, a dokładniej jej celów konstrukcyjnych z konstrukcją środowiska. Chociaż, zastąpienia konstruktora – w sensie wspomagania jego procesu myślenia - układem maszynowym jest możliwe, a czasami przynoszące nieoczekiwane rezultaty. Jednak maszyna - jako konstrukcja twórcza – nie ułoży znaków stopnia drugiego, przedmiotu konstruowania, tak, aby po wewnętrznym poznaniu, zaproponować wynalazek świadczący o najwyższym poziomie efektywności jej działania. Konstrukcji, podobnie jak teorii, nie można sklecić z wyników badań – trzeba ją wymyślić! To ludzka, twórcza strategia funkcjonalności, jego domena sterowania stworzeniem i własnymi utworami. Nie jest zadaniem łatwym, racje istnienia wytworu nie mają, jawnie, charakteru środowiskowego (ekologicznego), a kryteria konstrukcyjne odnoszą się wyłącznie do maszyny lub pomieszczeń. 74 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Rozwój nowoczesnej techniki, jako postęp dodatni, jest uwarunkowany w dużej mierze możliwością energooszczędnego i ekooszczędnego wytwarzania, przetwórstwa surowców i materiałów energetycznych, rolno-spożywczych oraz chemicznych, wykorzystania atrakcyjnych konstrukcyjnie potencjałów recyrkulujących. I tak, patrząc postępowo na środowisko, możemy zaobserwować cztery historyczne poziomy konstrukcji technicznych w ochronie środowiska: - konstrukcja wysokich kominów i odrzucanie zanieczyszczeń jak najdalej źródła, sposób tani ale ekologicznie nie skuteczny; - konstrukcja filtrów zanieczyszczeń wychodzących z komina – sposób drogi ale skuteczny; - konstrukcyjne oszczędzanie surowców, materiałów, zasobów i źródeł – sposób skuteczny i zwalniający postęp; - konstrukcyjnie desygnowane: recyrkulacja i recykling energo-materii technologicznej – sposób skuteczny i motywujący do innowacji. Sygnalizowane poziomy rozwoju występują obecnie niezależnie, równolegle, lub jednocześnie - pomimo historycznego charakteru klasyfikacji. Będą zapewne następne poziomy rozwiązywania problemów pojawiających się na połączeniu między konstrukcjami środowiska i techniki. Najważniejszymi estymatorami postępu dodatniego są, dla: - konstrukcji - kryterium optymalnych stosunków wielkości związanych (systemotoczenie), - przetwórstwa - efektywność ekologiczna, - jakości surowców, tworzyw i materiałów – podatność, obojętność i elastyczność środowiskowa. Działanie konstrukcji obiektów wywołuje efekt sterujący ich przemianami w obiegu technologicznym, czyli wpływ na gospodarkę zasobami naturalnymi, odpadami, zanieczyszczeniem środowiska, losami: maszyn, materiałów i pozostałości po technologiach. Jak widać wpływ konstrukcji obiektów jest wszechstronny i wymaga retrospektywnego spojrzenia na to czym konstrukcja jest, a może czymś nie jest: - Przede wszystkim konstrukcja jest dziedziną wiedzy, kształtowaną historycznie od starożytnych Sumerów, o etycznym panowaniu nad przyrodą. Podstawą rozwoju i dekonstrukcji jest ruch, pomimo, że naturą konstrukcji jest działanie organicznie zawarte wewnętrznie i w jedności kompozycyjnej ze środowiskiem. Dziedzina wiedzy praktycznej, w której poznanie opiera się na znakach stopnia drugiego, a niekiedy na figurach, znakach geometrycznych i dotyczy zasobów, praw i zasad środowiska, a szczególnie wzajemnych oddziaływań konstrukcji: środowiska – strefy ochronnej – obiektów technicznych. - Już od Średniowiecza funkcjonują wypowiedzi i programy badawcze, w których jako cele nauki stawiane są potrzeby: opanowania przyrody, panowania nad przyrodą, aspektu przyrody jako celu aktywności poznawczej i praktycznej. Zwraca uwagę fakt, że spekulacja teoretyczna nie mogła być krępowana przez żadne istniejące systemy wiedzy, a istniejące od Średniowiecza teorie naukowe mają wartość względną, mogą być zastąpione przez poprawniejsze, to jest takie, które będą 75 Józef Flizikowski odpowiadać nowym osiągnięciom w zakresie wiedzy eksperymentalnej i refleksji teoretycznej konstrukcji. Uświadomienie sobie jednak wszystkich konsekwencji, płynących z tych założeń dla konstrukcji, jest dziełem współczesnych nam twórców konstrukcji. -Ruch, jako wszelkie przejście od stanu potencjalnego do stanu aktualnego, jest wszystkim, co konieczne, do powstanie konstrukcji działającej (wytworu) - generatio, jak i jej rozkładu - czyli coruptio. - Naturą konstrukcji, jako zwartości organicznej i jedności kompozycyjnej obiektów technicznych ze środowiskowymi, jest działanie ευεργεια (energia), materia i wiedza stwarza jedynie możność takiego działania. - Nauka konstrukcji jest pewnym szczególnym typem praktyki społecznej dążącej do uzyskania adekwatnego poznania rzeczywistości przyrodniczej, w celu jej wykorzystania i opanowania. - Poznanie intuicyjne konstrukcji, stanowi podstawę do czynności abstrahujących, pomijających pewne jej cechy, problemy na rzecz innych – bliższych matematyce. W tym typie poznania wykorzystywane są owe pojęcia stopnia drugiego, signa signorum, znaki znaków, sygnały sygnałów. - Geometria grecka najlepiej wyraża istotę znaków konstrukcji pierwszego stopnia, dla niektórych twórców jedynego, jak również, była ona triumfem porządku wprowadzonego przez myśl abstrakcyjną do chaosu danych bezpośredniego doświadczenia i jest w dalszym ciągu. - Pojęcie konstrukcji zawiera się w sformułowaniu: jest to zespół elementów, obiektów połączonych ze sobą w funkcjonalnie celową całość, lub zespół cech określających celowo zbudowany obiekt lub jego część. -Racje celowości konstrukcji, oprócz uzasadnień matematycznych i możliwości fizycznych, są dość mocno osadzone w obszarze etycznym. Pomimo, że odrzuca się realne istnienie relacji, które są typowymi entia rationis, wewnętrznymi tworami ludzkiego rozumu, intelektu, nie mają także rzeczywistych wzorców, nie przedstawiają żadnej wartości poznawczej, to są racjonalnym, a więc rozumnym uzasadnieniem jej istnienia oraz pracy człowieka. - Postępowania twórcze: szczególnie wynalazcze, innowacyjne, badania wdrożeniowe, zawierają często elementy olśnienia twórczego - poddawania się zabiegom weryfikacyjnym, rozwiązań lub sposobów działania dotąd nigdy nie stosowanych i nie opracowywanych w sposób sztuczny, polegają na DOBRYCH POMYSŁACH - DOMYSŁACH. - W konstruowaniu dla środowiska, a w działaniu człowieka w ogóle, postulowanym celem jest najczęściej, jednocześnie: dobro i zło (dobro + zło = nowe słowo: DZOŁBORO), jako wynik, pewien znak i obszar niemocy formułowania, osiągania potrzebnych i zbędnych celów, w oparciu o nadludzkie, higieniczne, szlachetne, precyzyjne, matematyczne, optymalne i racjonalne warunki realizacji. Dzisiaj, w sensie konstrukcji, konieczne jest rozróżnienie systemu technicznego, strefy ochronnej i otoczenia. Zasługą współczesnej nauki konstrukcji jest natomiast możliwość sformułowania wniosku: tam, gdzie istnieje opór naturalnego środowiska, działanie, oddziaływanie maszyn, urządzeń i budowli musi być zaprogramowane w konstrukcji tak, aby trwało pewien czas, przy czym długotrwałość tego działania zależy przede wszystkim od 76 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE istniejącej kultury przyrodniczej (pochłanialności), stanu ENTROPII środowiska i jakości konstrukcji (zwartości, elastyczności środowiskowej) - jej CHAOSU, jako dopełnienia roli konstrukcji, w niej miary pramaterii – przyczyny ciągle tworzonego świata. Każda żywa istota, w tym działająca konstrukcja, zależy od czynników abiotycznych środowiska, w którym żyje; chodzi tu mianowicie o światło, temperaturę, okresową zmienność czynników, wilgotność we wszystkich postaciach, czynniki chemiczne i współżyje z odpadami, jako z czynnikami abiotycznymi. Co się tyczy obyczajów środowiska konstruktorów i twórców konstrukcji, każdy upiera się tak mocno przy własnych ich rozumieniu, że mogłoby się znaleźć tylu reformatorów, ile głów, o ile by wprowadzenie jakichkolwiek zmian było dozwolone komukolwiek innemu poza tymi, których ustanowiono jako władców konstrukcji lub też którym udzielono daru prognozowania, np. TECHNOETYKOM. Jest to nie tylko pożądane dla wynalezienia niezliczonego mnóstwa koncepcji konstrukcyjnych, które by pozwoliły na korzystanie bez trudu i złych następstw z płodów ziemi i wszelkich dogodności, jakie się na niej znajdują, lecz przede wszystkim także dla zachowania zdrowia, które jest niewątpliwie naczelnym dobrem oraz podwaliną wszelkich innych dóbr tego życia. Również, co stąd wynika, jest podstawą dobrego życia i inteligentnych konstrukcji. Przykład konstrukcji wspieranej zdrowiem konstruktora i wspomaganiem sztucznej inteligencji zaprezentowano w następnej części rozprawy. Bibliografia konstrukcji w oryginałach i przekładach, w okresach wczesnych, średniowiecznych i po drugiej wojnie światowej, pod względem rozmieszczenia geograficznego i ilości, zwraca uwagę obszernością. 7. Rozwój inżynierii rozdrabniania Rozwój inżynierii rozdrabniania wymaga ciągłej, inteligentnej reakcji, adaptacji, rozgrywania w zakresie koncepcyjno - realizatorskim. Sztuczna, wspomagająca inteligencja, to również różne przestrzenie twórczości: - środowisko twórcze, jego nastroje i motywacje, - sama twórczość, badania - rozwój, konstrukcja, produkcja, środowisko, - konsumpcja dóbr twórczości, wytwarzanie rozdrabniaczy - maszyn, - upowszechnianie, dystrybucja, eksploatacja, recykling, zmiany, ochrona środowiska naturalnego, - wymiana myśli, doświadczeń, krytyka, komunikacja społeczna. Przedstawione obszary, ujęte w sposób metodyczny, znajdują się u podstaw, obejmują stany i przemiany konstrukcji, w zakresie budowy i eksploatacji maszyn. Zaproponowano ogólny intuicyjny model rozwiązań innowacyjnych konstrukcji: (7.1) 77 Józef Flizikowski gdzie: Xi - rozwiązanie innowacyjne, Nk - nowa konstrukcja, ożywiona idea, k - bazy wiedzy i techniki, stare rozwiązania, H - charakterystyki życia konkretu maszynowego, od zamysłu do „likwidacji”, R - relacje wzajemne w rozwiązaniu chwilowym, Θ - czas, e- - aktywny potencjał e-formatyczny. Przestrzenie te obejmują szczegółowo (rys. 7.1 i rys. 6.5): - bazy danych przemysłowych i patentowych, również hurtownie danych (1), - procedury i badania symulacyjne koncepcji konstrukcyjnych (2), - plany, programy badań próbek, elementów, wirtualnych zespołów w zakresie właściwości mechanicznych (3), - procedury badań konstrukcyjnych maszyn i układów fizycznych, technicznych, środowiskowych uzupełniające bazy wiedzy konstrukcyjnej (4). Podstawą sztucznego, inteligentnego działania jest architektura: konstruktor innowatorserwer (Ki-S) polegająca na następujących akcjach [4, 15]: - na komputerze konstruktora innowatora wykonywana jest aplikacja i realizowana komunikacja z użytkownikiem: centrum badań patentowych, uczelnią, producentem, eksploatatorem, ekologiem, „likwidatorem”, - serwer przechowuje i zarządza aplikacją oraz danymi, - innowator-badacz inicjuje akcję, serwer ją wykonuje, - część odpowiedzialna za przetwarzanie danych może być, w zależności od aplikacji, podzielona między twórcę i serwer w różnych proporcjach. W konsekwencji powstają narzędzia i systemy umożliwiające wyszukiwanie twórczych informacji przechowywanych w bazach danych. Pozwalają one na zapis danych wprowadzanych przez interfejs WWW. Dalszy rozwój konstrukcji rozdrabniaczy, w kierunku zasad sztucznej inteligencji, jest możliwy pod warunkiem przystosowania fizycznych zjawisk do modeli matematycznych i teorii rozdrabniania, baz i hurtowni danych (o materiałach, surowcach, konstrukcji, procesie, środowisku rozdrabniania) do obowiązujących standardów (rys.7.1, znaki: I-VIII): - sieci neuronowych (I), tj. urządzeń technicznych rozdrabniania lub algorytmów sterowania, których działanie wzorowane jest w pewnym stopniu na działaniu sieci zwierzęcych komórek nerwowych; - logiki rozmytej (II), zamiast dwóch wartości logicznych, którym w potocznym rozumieniu odpowiada prawda i fałsz: o maszynie, procesie, materiale i celu rozdrabniania, dopuszcza się istnienie nieskończenie wielu wartości, przyjmując że każda liczba rzeczywista z przedziału od 0 do 1 może być taką wartością kryterialną (np. sprawność, efektywność, nierównomierność w optymalizacji konstrukcji itd.); - systemu rozpoznawania obrazów (III), systemu umożliwiającego fizyczną identyfikację informacji o konstrukcji rozdrabniacza: właściwościach wsadu i produktu rozdrabniania, technologii przetwórstwa, celach środowiskowych - informacją symboliczną i dokonanie identyfikacji obiektów rozdrabniania na podstawie ich cech fizycznych (kształt produktu = f(kształt elementu rozdrabniającego); 78 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE - (Estymacja, ocena, szacowanie konstrukcji maszyn (w znaczeniu Life Cycle Assessment (LCA)), były zawsze i są coraz częściej formułowane celowo, tzn. w przypadku rozdrabniania dla żywienia: o ile wzrośnie strawność produktu rozdrabniania w stosunku do całych nasion (E-Ż)). - lisp (IV), języka programowania opartego na przetwarzaniu list. Wywodzącego się z badań teoretycznych nad tzw. rachunkiem lambda, który stał się podstawowym językiem sztucznej inteligencji; - systemów ekspertowych (V), programów lub zbiorów programów komputerowych umożliwiających podejmowanie złożonych decyzji lub odpowiadź na złożone pytania i potrafiących uzasadnić udzielane odpowiedzi. Systemy ekspertowe opierają się zwykle na tzw. bazach wiedzy, czyli zbiorach reguł zapisanych w formie implikacji. Bazy wiedzy są tworzone na podstawie planów badań, analizy wyników i powstają z wiedzy ekspertów-ludzi, w pewnych wypadkach mogą również być generowane automatycznie. Odpowiedzi i ich uzasadnienia tworzone są, przez zgodne z zasadami logiki manipulacje, na znanych systemowi regułach; - systemów uczących się (VI), systemów posiadających zdolność podwyższania jakości produktu, efektywności procesu rozdrabniania i cech konstrukcyjnych maszyny poprzez zadawanie rezultatów, zdobywanie nowych doświadczeń, które są przekształcane w odpowiednią reprezentację wiedzy, w wewnętrznej strukturze systemów uczących się i wykorzystywane następnie, dzięki samodzielnemu wnioskowaniu tych systemów, podczas kolejnych interakcji systemów uczących się ze środowiskiem technologicznym oraz naturalnym; - zbiorów przybliżonych (VII), odrzucenie wymogu istnienia ściśle określonych granic zbioru, który jest dokładnie zdefiniowany poprzez należące do niego elementy. Powstaje zatem możliwość zdefiniowania zbioru w oparciu o jego przybliżenie dolne i górne - np. tolerancje wymiarowe elementów maszyn. Podobnie jak w przypadku zbiorów rozmytych, przełamanie tradycyjnych aksjomatów zastosowane w przypadku zbiorów przybliżonych powoduje, że logika oparta na teorii zbiorów przybliżonych zyskuje zupełnie nowe właściwości, które czynią ją niezwykle przydatną do rozwiązywania wielu problemów wymagających inteligentnej analizy danych, poszukiwania ukrytych zależności pomiędzy danymi, a nawet podejmowania trafnych decyzji w sytuacji istnienia niepełnych lub częściowo sprzecznych przesłanek (totalnie innowacyjny). Teoria ta szeroko upowszechniła się w świecie naukowym i stanowi obecnie jedną z szybciej rozwijających się metod sztucznej inteligencji; - algorytmów genetycznych (VIII), źródłem inspiracji w rozwiązywaniu problemów stała się również sama ewolucja i właśnie na jej mechanizmach oparte są algorytmy genetyczne, a pierwotne metody to: programowanie genetyczne, programowanie ewolucyjne, genetyczne odprężanie, strategie ewolucyjne i inne [4, 15, 35]. 79 Józef Flizikowski E-Ż (I), ROZDRABNIANIE WEJŚCIE (II), WYJŚCIE (1), (III), (2), (3), (4) (IV), (V), (Ki-S) Rys. 7.1. Rozdrabniacz wielokrawędziowy w systemie przetwórczym nasion pszenżyta i pszenicy; (1)(4) – bazy rozwiązań, funkcji i modeli matematycznych, (I)-(VIII) –standardy sztucznej inteligencji, (Ki-S) –zbiór relacji: konstruktor-innowator – serwer, (E-Ż) –estymatory żywnościowej funkcji celu W tabeli 7.1 zaprezentowano przykładowe komponenty postępowania przygotowawczego do budowy obszarów baz rozwiązań, funkcji i modeli matematycznych rozdrabniania ((1)-(4)), wykorzystywane w budowie inteligentnych systemów przetwarzania nasion na cele żywieniowe. Szczególne modele matematyczne, jako zawierające redukty, merytorycznie istotne dla konstrukcji, zaprezentowano poniżej w postaci funkcji - z nazwiskiem twórcy, lub w upowszechnionej formie - zależności praktycznych. Modele baz danych (1) i (2) z tabeli 7.1: Funkcja Rittingera Jeżeli energia rozdrabniania jest proporcjonalna do nowo utworzonej, powierzchni, jak to zakłada teoria Rittingera, to prawdziwa jest następująca zależność:7 (7.2) Zależność tę można uzyskać na drodze następującego rozumowania. Załóżmy, że ziarno początkowe ma kształt sześcianu o boku D. Jego powierzchnia wynosi zatem 6D2. Jeżeli wskutek rozdrabniania nastąpi podział tego sześcianu na 8 mniejszych, każdy o boku d = D/2, to ich powierzchnia wyniesie 8∙6d2. Jeżeli współczynnik proporcjonalności pomiędzy energią a przyrostem powierzchni oznaczymy przez KRi, to całkowita energia wyniesie KRi∙(8∙6d2 - 6D2). Tu i w dalszym ciągu E jest symbolem energii (pracy) rozdrabniania. Indeks Ri oznacza teorię Rittingera, Ki – Kicka, Bo – Bonda, Br - Bracha itd. 7 80 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Tabela 7.1. Przykładowe komponenty postępowania przygotowawczego do budowy systemu inteligentnego rozdrabniania (1) Bazy danych przemysłowych i (2) Procedury i badania symulacyjne koncepcji patentowych, również hurtownie danych, np. konstrukcyjnych, np. według wymiaru produktu znane fenomeny rozdrabniania: rozdrabniania, dla zalecanej hipotezy-teorii rozdrabniania: (3) Plany, programy badań próbek, elementów, wirtualnych zespołów - w zakresie właściwości mechanicznych, np. dla znanego prawdopodobieństwa wytrzymałości na rozdrabnianie i prawdopodobieństwa generowanych obciążeń przez zespół quasiścinający: (4) Procedury badań konstrukcyjnych maszyn i układów fizycznych, technicznych, środowiskowych, np. budowa bazy wiedzy o zderzeniach podczas rozdrabniania: Energię rozdrabniania odnosimy zwykle do jednostki masy ciała, czyli uzyskane wyrażenie musimy podzielić przez ρD3 = ρ8d3. Otrzymamy więc: a gdy przyjmiemy, że KRi = KRi ∙ 6/ρ, to uzyskamy wzór (7.2). Symbol ρ oznacza oczywiście masę właściwą ciała. Podobne rozumowanie można przeprowadzić dla kul (choć w tym przypadku założenie podziału kuli na kule jest już całkowicie sztuczne) lub ziaren o innym kształcie. 81 Józef Flizikowski Funkcja Kicka Jeżeli energia konieczna do skruszenia bryły (ziarna) jest proporcjonalna do jego objętości, jak to twierdzi Kick, to aby wywołać zniszczenie (rozdrobnienie) określonej objętości materiału należy wydatkować energię EKi=KKi ∙ p, gdzie KKi jest współczynnikiem proporcjonalności, a p liczbą rozdrobnienia, prowadzącą do uzyskania produktu o wymiarach ziaren d - z nadawy o wymiarach ziaren D. Przy stałej objętości ciała pomiędzy wymiarami ziaren D i d oraz liczbą skruszeń p zachodzi związek: (D/d)3 = a p gdzie a jest miarą redukcji wymiarów przy pojedynczym skruszeniu. Możemy więc napisać, że: p = (logD ∙ logd) ∙ 3/loga = k ∙ log(D/d) i wreszcie, podstawiając EKi = KKi ∙ log (D/d) (7.3) Funkcja Bonda Bond oparł swoją „trzecią teorię rozdrabniania” o założenie, że energia zawarta w ciele stałym jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z umownie przyjętego wymiaru ziarna tego ciała. Stąd ziarno o nieskończenie dużym wymiarze ma energię równą zeru. Każde rozdrabnianie może być traktowane jako pewien fragment przemiany ziarna o wymiarze nieskończenie dużym na nieskończenie wiele ziaren o wymiarze zerowym. Stwierdzając, że w procesie rozdrabniania zawsze biorą udział grupy ziaren o różnych wymiarach, arbitralnie przyjął za wymiar ziarna reprezentującego grupę różnowymiarową, czy to nadawy czy produktu, wymiar ziarna 80-procentowego.8 Zatem „poziom energii” ciała stałego składającego się z grupy ziaren, odniesiony do jednostki masy tego ciała, jest proporcjonalny do D80-0,5, a energia uzyskane przez tę grupę ziaren, która w wyniku rozdrobnienia zmieniła wymiar D80 na wymiar d80 (energia - praca rozdrabniania) jest proporcjonalna do różnicy: (d80-0,5 - D80-0,5). Czyli inaczej energia rozdrabniania wyrazi się wzorem: (7.4) Bond określa stała KBo jako 10Wi. Wi jest to tzw. „work index” będący miarą (wskaźnikiem) odporności materiału na rozdrabnianie. Wzór Bonda przyjmuje zatem postać: Wymiar ziarna 80% (D80 - nadawa, d80 - produkt) jest to wymiar oczka sita, przez które przechodzi 80% danej grupy ziaren. Podstawą takiego przyjęcia były pewne właściwości krzywych rozkładu ziarnowego, a nie uzasadnienia energetyczne. 8 82 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE (7.5) Funkcje Bracha W roku 1962 prof. Ignacy Brach ogłosił teorię rozdrabniania, którą nazwał „hipotezą wielokrotności pracy kruszenia”. Hipoteza Bracha przyjmuje za podstawę fizyczny obraz kruszenia polegający na tym, że ciało kruche poddane obciążeniu, po przekroczeniu właściwej dla tego ciała energii odkształcenia, rozpada się na części. Pierwszym założeniem jest, że w wyniku pojedynczego rozkruszenia ziarna o wymiarze D powstają ziarna o wymiarach d1 = D/a przy czym wielkość a jest wskaźnikiem pojedynczej redukcji wymiarów ziarna i ma dla danego materiału wartość stałą. Kolejne rozkruszenia, jeżeli proces jest dalej prowadzony, dają wymiary: d2 = D/a2, d3 = D/a3 itd. Można zatem napisać, że: az = D/dz = i jeżeli z jest liczbą powtórzeń procesu, a przez i oznaczymy stopień rozdrobnienia. Drugim założeniem jest, stwierdzona na podstawie wielu badań, zależność pomiędzy jednostkową pracą rozdrabniania (odniesioną do jednostki masy) a wymiarem ziarna. Praca jednostkowa rośnie ze zmniejszeniem wymiaru ziarna zgodnie ze wzorem: (7.6) w którym E’ - praca potrzebna do jednokrotnego rozkruszenia jednostki masy ciała o wymiarach ziaren D, Co - praca potrzebna do jednokrotnego rozkruszenia jednostki masy ciała o wymiarach ziaren Do, m - wykładnik potęgowy ustalany doświadczalnie. Brach przyjmując te założenia rozpatrywał kolejne fazy kruszenia dla z powtórzeń. Tworzył się wtedy postęp geometryczny, którego suma była poszukiwaną pracą rozdrabniania jednostki masy ciała od wymiarów ziaren nadawy D do wymiarów ziaren produktu d, czyli przy stopniu rozdrobnienia: i = D/d 83 Józef Flizikowski Praca ta wyrażała się wzorem: (7.7) Należy zauważyć, że wzór ten można przekształcić do postaci: (7.8) jeżeli podstawimy za: (7.9) Funkcje Walkera9 i ich konsekwencje Obecnie wszelkie omówienia hipotez (teorii) rozdrabniania zaczyna się najczęściej od, zaproponowanego przez Walkera w 1937 r., równania różniczkowego: (7.10) w którym: E - energia (praca) rozdrabniania jednostki masy ciała, x - wymiar ziarna, C - stała zależna od właściwości tworzywa, n - wykładnik potęgowy, również zależny od materiału (n > 1), d’ - symbol różniczki (wymiar ziarna oznaczono przez x). Całkując równanie (7.10) w granicach od x1 (wymiar ziaren nadawy) do x2 (wymiar ziaren produktu) uzyskujemy zależność: (7.11) Podstawiając n = 2 uzyskujemy wzór odpowiadający teorii Rittingera (por. wzór (7.2)), podstawiając n = 1,5 wzór odpowiadający teorii Bonda (por. wzór (7.4) i (7.5)), a podstawiając n = m + 1 wzór odpowiadający hipotezie Bracha (por. wzór (7.8)). Gdybyśmy do równania Walkera (7.10) podstawili n = 1, to po zcałkowaniu otrzymalibyśmy wzór odpowiadający założeniom Kicka (por. wzór (7.3)). 9 Spotyka się również nazwę równanie Charles’a, który swoje rozumowanie oparł na tym samym równaniu 84 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Również wzór, który podał Holmes [13] (1957): (7.12) może być interpretowany jako pewne rozwiązanie równania (7.10). Holmes zaproponował, by w równaniu Bonda zastąpić wykładnik w = 0, przez wykładnik r o wartościach zawierających się w przedziale od zera do jedności i wyznaczył w badaniach wartości wykładnika r dla kilkunastu materiałów. Wartości wykładnika wyznaczone przez Holmes’a wynoszą od 0,25 do 0,73, np. dla piaskowca r = 0,66 [9, 13, 35]. Wykładnik potęgowy r, podobnie jak wykładnik m u Bracha, jest miarą szybkości wzrostu odporności na rozdrobnienie ze zmniejszaniem się wymiarów ziaren. Hukki (1962) twierdzi, że zależność pomiędzy energią rozdrobnienia, a wymiarami ziaren jest swego rodzaju połączenim teorii Kicka, Rittingera i Bonda, a zakres stosowania tych teorii zależy od wymiarów ziaren, co pokazuje rys.(2) w tabeli 7.1. Funkcje Mielczarka Traktując materiał rozdrabniany, posiadający określoną prędkość względem elementu rozdrabniającego i energię potencjalną jako układ odosobniony, można związek między energią kinetyczną materiału przed zderzeniem Ek i jego energię wewnętrzną po niesprężystym zderzeniu U wyrazić w prostej formie [30]: Ek + U = const (7.13) Zależność (7.13) podał już w 1952 roku Djingheuzian i nazywana jest termodynamiczną teorią rozdrabniania. Zależność ta może obejmować związek między powierzchnią A1 i objętością rozdrabnianych materiałów V: (7.14) gdzie: α - stała, σmax - niszczące naprężenia ściskające, E - moduł Younga Biorąc za podstawę kinetyczno-cząsteczkową teorię budowy materii oraz stwierdzenie, ze najbardziej prawdopodobne i najliczniej obserwowane mogą być stany o najwyższym prawdopodobieństwie termodynamicznym, metodą mnożników Lagrange’a dochodzi się do znanej funkcji podziału molekuł na poziomy energetyczne Maxwella-Boltzmana: (7.15) gdzie: k - stała Boltzmana, T - temperatura bezwzględna, εI , ε0 - poziom energii jednej molekuły, osiągnięty i progowy (podstawowy), ni , n - liczba molekuł na poziomie „i” oraz łączna ich ilość w rozdrabnianej substancji. 85 Józef Flizikowski Chociaż pierwotnie funkcję (7.15) wyprowadzono dla energii kinetycznej i dla cząsteczek (molekuł) gazu doskonałego, to nie ma formalnych ograniczeń, aby wykorzystać ją do opisu rozkładu molekuł rozdrobnionego ciała stałego na poziomy energii potencjalnej, wiązań międzycząsteczkowych. Wartość stałego mianownika, wykładnika zależności (7.15), można również wyrazić za pomocą uniwersalnej (kilomolowej) stałej gazowej (MR) i masy rozdrobnionej M: Związek energii przypadającej na molekułę i całej energii kinetycznej, nadanej próbce, wynika z równania (7.14), w którym wielkości ekstensywne zastąpiono właściwymi: (7.14a) gdzie: ek0 - właściwa energia kinetyczna próbki przed zderzeniem, wo - prędkość próbki ruchomej przed zderzeniem, a1 - powierzchnia właściwa rozdrobnionej próbki, ρ - gęstość materiału rozdrobnionego. Jeżeli n oznacza liczbę cząstek w 1 kg substancji rozdrobnionej, to biorąc pod uwagę odwrotnie proporcjonalną zależność między rozmiarem ziarna X i powierzchnią właściwą „a”: (7.16) można z zależności (7.14a) wyznaczyć wartość właściwej energii kinetycznej próbki przypadającej na jedną molekułę materiału rozdrobnionego: (7.14b) w której: X1 - średni wymiar ziarna produktu uzyskanego z rozbicia próbki uderzonej z prędkością „w” o idealnie sztywną ścianę. W sposób analogiczny można zapisać energię przypadającą na jedną molekułę w dowolnej i-tej klasie ziarnowej: (7.14c) 86 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE a także w klasie o największym wymiarze uziarnienia, w której energia wiązań przypadająca na cząstkę będzie najniższa i może reprezentować stan podstawowy ε0: (7.14d) Udział ziaren większych „Wi” od wymiaru rozpatrywanego oczka sita Xi (pozostałość na sicie), wg prawa termodynamiki statystycznej: (7.17) w którym: - skumulowany udział ziaren większych od Xi, - odwrotność wymiaru największych ziaren produktu. Wyżej przyjęte założenia prowadzą do zależności między minimalną „am” i średnią „a” powierzchnią właściwą polidyspersyjnego produktu rozdrabniania: (7.18) przy czym zazwyczaj stosunek wymiarów ziaren największych i najmniejszych w produkcie nie jest znany. Może być natomiast zastąpiony estymatorem będącym ilorazem średnich arytmetycznych rozmiaru oczek dwóch pierwszych i dwóch ostatnich sit zestawu: (7.19) Sito o oczkach Xmax,1 jest ostatnim, które nie wykazuje żadnej pozostałości, Xmin,2 – pierwszym sitem nie dającym przesypu. Wartości tych wymiarów można również oszacować za pomocą mikroskopu. 87 Józef Flizikowski Z równania (7.14a) wynika ponadto, że: więc, powierzchnię właściwą największych ziaren opisuje zależność: (7.20) Wymiar ziaren największych: poszukiwany, stały odjemnik w wykładniku potęgowym, dla znanej prędkości zderzenia próbki: (7.21) Zależność (7.18) umożliwia prognozę składu ziarnowego produktu rozdrabniania dużych monolitycznych ziaren, przy znanej energii kinetycznej ich ruchu względnego przed zderzeniem i znanych właściwościach fizycznych rozdrabnianego materiału. Modele bazy (3), tab.7.1: Obliczanie rodzaju i przebiegu pękania w materiałach rozdrabnianych stało się obecnie częścią składową metod i analiz wytrzymałościowych. Będzie to naturalnie obliczanie przybliżonego rodzaju dekohezji. Pękanie może przebiegać od łagodnie plastycznego do gwałtownie kruchego, czy od powolnego do szybkiego zmęczeniowego. Istnieje oczywiście duża różnorodność rodzajów pękania pomiędzy wymienionymi rodzajami. Każda całkowita dekohezja jest z punktu widzenia mechaniki destrukcyjna, z punktu widzenia przetwórstwa - pożądana. Chodzi jednak o to, by na podstawie praw i twierdzeń mechaniki przewidywać prawdopodobne obciążenia i przekroje rozdrabniania. O rodzaju dekohezji decyduje również cały splot czynników środowiskowych, z których najważniejsze są: stan naprężeń i ciśnień wewnętrznych, temperatura, prędkość obciążania i cechy zewnętrzne elementu rozdrabnianego (mechaniczne, aerodynamiczne, elek- 88 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE trostatyczne i cieplne). Również grupa czynników pozamateriałowych i pozatechnicznych, z których najważniejsze to: sposób składowania, transportu międzyoperacyjnego, nasłonecznienie wsadu. Stąd stan plastyczny czy kruchy i stany pośrednie są chwilowymi stanami materiału w danych warunkach rozdrabniania. W przypadku obciążeń rozdrabniających poniżej wytrzymałości doraźnej pękanie plastyczne lub ciągliwe jest zawsze poprzedzone makroodkształceniami plastycznymi i jest wywoływane przez poślizg (ścięcie) w płaszczyznach poślizgu. Powierzchnie pęknięć charakteryzują się układami wgłębień i wypukłości, nadającymi im przekroje plastrowe lub łuskowe. Całkowicie inaczej przebiega pękanie kruche. Rozwija się ono z prędkością nawet porównywalną z prędkością dźwięku, właściwą do danego surowca w zakresie umownie sprężystym, a więc bez odkształceń plastycznych, w kierunku normalnym do największych wydłużeń materiału. W surowcach o strukturze częściowo krystalicznej pękanie zachodzi wzdłuż określonych płaszczyzn kryształów i wzdłuż płaszczyzn łupliwości. Drugim rodzajem pękania kruchego jest pękanie po granicach ziarna, tworzące przełom międzykrystaliczny. Jednak zdecydowanie częściej występuje pękanie mieszane, tzn. częściowo kruche, a częściowo plastyczne. Z tych skrótowo nakreślonych rodzajów pękania, badanych z dużą precyzją za pomocą metod elektronooptycznych, najkorzystniejsze, w sensie rozdrabniania, jest pękanie kruche. Poszukiwania konstrukcji zespołów rozdrabniających materiały, których istotą działania byłoby wykorzystanie zalet kruchego pękania, trwają od dość dawna. Towarzyszyła im analiza warunków powstawania i rozwoju pęknięć oraz analiza pól naprężeń i odkształceń w strefie pęknięcia. Analizy te oparto o mechaniczne właściwości surowców i uzyskano rozwiązania z warunków równowagi elementów ze szczelinami oraz defektami spójności materiałowej nie wywołanymi obciążeniami zewnętrznymi. U podstaw zdecydowanej większości rozważań na temat kruchego pękania, w tym również mechaniki pękania, jest klasyczna hipoteza szczelin Griffitha (1920 r.). A.A.Griffith starał się wyjaśnić kilkurzędową różnicę pomiędzy wytrzymałością rzeczywistą ciał stałych, a obliczoną teoretycznie. Obiektem jego zainteresowań było szkło, a więc ciało bezpostaciowe. Założył on istnienie w ciałach rzeczywistych małych szczelin spiętrzających naprężenia. W swoich pracach wykorzystał wcześniejszą koncepcję C.E.Inglisa (1913 r.) o stanie naprężeń i odkształceń wokół soczewkowej, płaskiej szczeliny. Hipoteza Griffitha była wielokrotnie modernizowana. Uwzględniono zwłaszcza odkształcenia plastyczne. Jednak rdzeń hipotezy nie uległ zmianie. Według niej szczelina o długości 2l w sprężyście i równomiernie rozciąganej płycie o nieskończenie wielkich wymiarach i o jednostkowej grubości powoduje jakby odciążenie obszaru wokół szczeliny. Następuje więc spadek energii odkształcenia sprężystego o wielkość ΔUs = – πl2 σ2 /E. Wzrasta natomiast energia powierzchniowa γ konieczna do utworzenia nowej powierzchni. Energia ta wynosi 4lγ. Suma tych energii jest całkowitą energią rozwoju pęknięcia: (7.22) Po osiągnięciu maksimum dalszy rozwój pęknięcia określa energia potencjalna odkształcenia sprężystego płyty, a więc nie zachodzi potrzeba doprowadzenia energii z zewnątrz. Wtedy szczelina o długości krytycznej 2lkr jest w stanie metastabilnym i zaczyna rozwijać się 89 Józef Flizikowski samoistnie z prędkością porównywalną z prędkością dźwięku, powodując kruche pękanie. Przy czy krytycznej długości pęknięcia odpowiada naprężenie krytyczne: (7.23) Z tej zależności, uzupełnionej o całkowitą energię rozwoju pęknięcia, można wyprowadzić współczynnik podatności na dekohezję 1/K. W obliczeniach rozdrabniania elementów występuje złożony stan naprężeń wynikający z równoczesnego zginania, rozciągania, ściskania i skręcania. Mamy tu naprężenia normalne i styczne. Zakładając, że wielkości losowe naprężeń zadawanych i rozdzielających strukturę mają rozkłady normalne, można obliczyć podstawowe wskaźniki prawdopodobieństwa rozdrobnienia. Krzywą rozkładu naprężeń zadawanych p(σ) i krzywą rozkładu naprężeń doraźnych, rozdzielających p(Z) przedstawiono na rys.(3) w tab.7.1 i na rys.7.2. Krzywe mogą przecinać się w punkcie A, zależnie od naprężeń wypadkowych działających na element rozdrabniany. Wprowadzając oznaczenia dla powierzchni zakreskowanych: (7.24) można przyjąć, że dla niezależnych zmiennych losowych naprężeń prawdopodobieństwo rozdzielenia elementu spełnia nierówność: P > F1F2 (7.25) dla dowolnych wartości naprężeń zadawanych, większych od naprężeń dekohezji Z. Iloczyn pól jest prawdopodobieństwem tego, że jednocześnie σ > σA i Z < ZA wyłączając zdarzenie losowe σ > Z przy Z > ZA lub przy σ < σA, które także odpowiadają warunkom dekohezji tworzywa. Dopełnienie iloczynów prawdopodobieństw (1 – F1 ) (1 – F2 odpowiada przypadkowi dużej wytrzymałości na rozdrabnianie. Dlatego prawdopodobieństwo nierozdrobnienia spełnia nierówność Q > (1 – F1) (1 – F2) 90 (7.26) ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Na podstawie tej zależności i wcześniejszych można dokonać dopełniającej oceny rozdrobnienia: P > 1 – Q; P > F1 + F2 – F1F2 i prawdopodobieństwo rozdrobnienia F1F2 < P < F1 + F2 – F1F2 (7.27) Zakładając, że rozkłady prawdopodobieństw obciążeń i rozdrobnienia są rozkładami normalnymi o wartościach średnich oraz odchyleniach standardowych, uzyskuje się: (7.28) gdzie Φ(●)jest normalną funkcją Laplace’a, a jej wartości podane są w tablicach statystycznych. Należy zwrócić uwagę na symboliczne znaczenie takiej analizy rozdrobnienia - ze względu na rozpiętość właściwości materiałów biologicznych, ziarnowych i losowość zadawania obciążeń rozdrabniających. Rys. 7.2. Schemat do obliczeń prawdopodobieństwa rozdrobnienia elementów [20] 91 Józef Flizikowski Modele bazy (4), tabela 7.1: Dla przeanalizowania obciążeń cząstek przy rozdrabnianiu przez uderzenie swobodne posłużymy się obowiązującymi dla zjawisk zachodzących przy zderzeniu dwóch twardych ciał. W wyniku zderzenia nastąpi zmiana pędu masy bijaka oraz cząstki zgodnie ze znanym równaniem: m1(υ1p - υ1k) = m2(υ2k - υ2p), (7.29) gdzie: m1 - masa bijaka, m2 - masa cząstki, υ1p - prędkość początkowa bijaka przed uderzeniem, υ1k - prędkość końcowa bijaka po uderzeniu, υ2p - prędkość cząstki przed uderzeniem, υ2k - prędkość cząstki po uderzeniu. Prędkość cząstki przed uderzeniem można przyjąć jako równą zeru, natomiast prędkość cząstki po uderzeniu można przyjąć równą prędkości obwodowej punktu materialnego bijaka. Zatem: υ2p = 0, υ2k = υ1k = υk Możemy też napisać, że υ1p = υp . i otrzymamy się: a stąd energię kinetyczną poruszającego się bijaka przed zderzeniem z cząstką, określa zależnością: a po zderzeniu: 92 m1(υp - υk) = m2υk , ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Zgodnie z przyjętym założeniem prędkość początkowa cząstki jest równa zeru. Wobec tego przyrost energii kinetycznej cząstki w wyniku zderzenia wyniesie: Z zasady zachowania energii wynika, że E0 = Eb + Em + Ep , (7.30) gdzie: E0 - energia kinetyczna bijaka przed zderzeniem, Eb - energia kinetyczna bijaka po zderzeniu, Em - energia kinetyczna cząstki po zderzeniu, Ep - energia zużyta na wykonanie pracy odkształcenia. Stąd: Ep = E0 - (Eb + Em), a po podstawieniu odpowiednich wartości: (7.31) Wykorzystując równanie m1 (υp - υk ) = m2υk otrzymamy: Stąd po uproszczeniu: Jeszcze raz uwzględniając, że m1 (υp - υk) = m2υk, ostatecznie otrzymamy: Jeżeli m2 jest w stosunku do m1 bardzo mała, to υk ≈ υp, a wyrażenie na Ep przyjmuje postać: 93 Józef Flizikowski Zgodnie z tymi rozważaniami energia wykorzystana na wykonanie pracy użytecznej, tj. na rozdrobnienie cząstek, wyniesie: (7.32) Wzór ten został wyprowadzony przy założeniu ruchu prostoliniowego. W rzeczywistości jednak zarówno bijaki jak i cząstki poruszają się po torach krzywoliniowych zbliżonych do okręgu. Bijaki są przy tym zamocowane przegubowo do wirnika. W związku z tym należy w poprzednio podanych równaniach zastąpić masę bijaka m1 masą m1| zredukowaną względem punktu A (rys. 7.4 – tab.7.1), przez który przechodzi oś obrotu bijaka: gdzie: - promień bezwładności względem punktu A J1| - moment bezwładności bijaka względem punktu A, - promień bezwładności względem środka ciężkości J1 - moment bezwładności bijaka względem środka ciężkości S, p - odległość między środkiem ciężkości, a środkiem uderzenia, z - odległość między środkiem ciężkości, a osią obrotu bijaka, p| = p + z. Jeżeli przy zderzeniu prostym na oś sworznia zawieszenia bijaka ma nie działać żadna siła, tzn., że oś sworznia zawieszenia ma się pokrywać z chwilową osią obrotu, to powinien być spełniony warunek: Stąd 94 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE to dla p = z otrzymamy a = 2,62b, a dla p = 0,83z: a = 3b. W praktyce przyjmuje się dla bijaka a = (2 - 3)b. Wzór na energię zużytą na wykonanie pracy odkształcenia przy centralnym prostym zderzeniu z uwzględnieniem zredukowanej masy bijaka wyniesie: (7.33) Wyrażenie to odpowiada maksymalnej pracy odkształcenia przy założeniu wyłącznie odkształcenia plastycznego. W związku z tym energia zużyta na wywołanie odkształcenia trwałego będzie mniejsza od obliczonej z poprzedniego wzoru i wyniesie: (7.34) We wzorze tym k oznacza współczynnik restytucji. Ponieważ prędkość początkowa cząstki jest praktycznie równa zeru, a masa bijaka w stosunku do masy cząstki jest bardzo duża, więc wzór się uprości i przyjmie postać: (7.35) Chcąc uprościć zagadnienie zakładamy, że element rozdrabniający jest płaski, ma nieskończenie wielką masę i jest doskonale sztywny. Według Rumpfa [35] zależność pomiędzy maksymalnym naprężeniem w cząstce, a pozostałymi wielkościami wpływającymi na proces rozdrabniania można wyrazić wzorem opartym na analizie wymiarowej: gdzie: υ - prędkość zderzenia (υ ≈ υ1p ), ρ - gęstość, E - moduł sprężystości, n - pewna stała, zależna od charakteru zderzenia, B - współczynnik proporcjonalności. 95 Józef Flizikowski Przyjmując dowolny kształt ciała można stwierdzić, że siła nacisku w miejscu zderzenia zależy od masy ciała biorącego udział w zderzeniu, kształtu ciała w miejscu zderzenia i modułu sprężystości. Naprężenie w miejscu zderzenia zależy od działającej tam siły oraz od kształtu ciała. Przy założeniu, że powierzchnia ciała w miejscu zderzenia jest kulista, a promień krzywizny wynosi r, można napisać: Stąd σmax = B mn υ2n r -3n E 1-n Wprowadzając: gdzie V - objętość cząstki, otrzymamy Przy geometrycznym podobieństwie rozpatrywanych ciał wyrażenie: Na podstawie równań wyprowadzonych przez Hertza i Fopla [9, 13, 35] można wyznaczyć ogólny wzór na maksymalne naprężenie w miejscu zderzenia: (7.36) We wzorze tym oznaczają: r1,r2 - promień krzywizny obu ciał w miejscu zderzenia, υ1, υ2 - liczba Poissona dla obu ciał, E1, E2 - moduły sprężystości obu ciał (bijaka i rozdrabnianej cząstki). 96 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE Wzór ten można uprościć przyjmując, że: m1 = ∞, a zatem oraz, że E1 >> E2, a zatem Wówczas przyjmie on postać: W materiałach o małym module sprężystości występują przy zderzeniu, (7.37) podobnie zresztą jak przy obciążeniu statycznym, niewielkie naprężenia. Przedstawione modele matematyczne zagadnień fizycznych, środowiskowych, następstw i działania są znakami stopnia drugiego, celowo przetwarzanymi dla dodatniego postępu konstrukcji rozdrabniaczy materiałów biologicznych i polimerowych. Warto pokusić się o odpowiedź na pytanie o charakterystykę metodologiczną, samodzielność i zakres rozwoju nauki konstrukcji: Po pierwsze - trzymając się prostych zasad życia i rozwoju, można dotrzeć o wiele dalej w kształtowaniu rzeczywistości konstrukcyjnej aniżeli: powielając źle odkryte prawidłowości przyrody. Stąd charakterystyka metodologiczna konstrukcji jest tutaj mocno oparta o mój rozum. Po drugie - obrazy rzeczywistości zawarte w znakach pierwszego stopnia, figurach, postaciach, wymiarach, tolerancjach są podstawa działalności badawczej wiedzy o konstrukcji. Zobiektywizowany zapis wyników badań, obserwacji, kontemplacji i olśnienia podpatrywaniem przyrody, szczegółowych obliczeń jej zasobów, zachowań, działania, ruchu i potęgi są danymi dla konstrukcji. Znaki graficzno-matematyczne są więc przesłankami, a ich przetwarzanie dla konstrukcji technicznych, konstrukcji środowiskowych i konstrukcji GRANICY w STREFIE OCHRONNEJ - zabiegami poznawczych, na podstawie których może być budowana i modernizowana konstrukcja. Po trzecie - jakość życia człowieka: DZOŁBORO, bezpieczeństwo przyrody: ENTROPIA, CHAOS I DOMYSŁ, miejsce pracy i godziwa płaca za pracę; zachowanie i nie osłabianie potęgi powietrza, wody, gleby, roślin, zwierząt przez masowo eksploatowane budowle, instalacje i maszyny: TECHNOETYKA - to problemy badawcze, które rozwiązuje konstrukcja; człowiek, rodzina i jego środowisko, w tym konstrukcja środowiska, są wycinkiem jej rzeczywistości naukowej. Trzeba dokonywać uniwersalnej, globalnej wartościującej analizy i opisu twierdzeń wchodzących w skład nauki konstrukcji. Po czwarte - fizyczne podstawy szacowania bezpieczeństwa, permanentnej oceny potęgi przyrody i konkurencyjnej dla niej potęgi techniki; matematyczna, historyczna, perspektywiczna obiektywizacja zapisów logicznych, modeli, znaków przyrody i techniki; kosmiczna 97 Józef Flizikowski refleksja w kierunku bogactwa, piękna, zdrowia człowieka i jego środowiska – a więc twórczość: prawa, sposoby, zasady dokonywania systematyzacji wyników badań konstrukcyjnych budowli, maszyn, urządzeń i środowiska - to struktura tej nauki. Na całym świecie, w sensie ekonomiczno-gospodarczym, dekonstruuje i likwiduje się budowle, mosty, maszyny, urządzenia, instalacje, a nawet konstrukcje – zapominając, że: „granica jest jednym z najbardziej owocnych miejsc poznania” (Paul Tillich). Podobnie jak w przypadku możliwości dekonstrukcji atomu, nie można obecnie, zlikwidować, za pomocą najpotężniejszych środków ludzkich, elementarnej konstrukcji wszechświata - na nasze szczęście - nie znamy praw i zasad jej ożywienia. Budujemy zręby potężnej wiedzy – żeby zdobyć mądrość konstrukcyjną Stwórcy – bez sukcesu. Wiemy, że Stwórca pozostawił w środowisku swe ślady (tropos), które rozum twórcy, będącego na tropie Stwórcy, może zgłębić. Posiadamy sztukę konstrukcji – żeby wykorzystać środowisko i zasoby przyrody. Zamiast dodatniego postępu, rozwijamy konstrukcje, które szkodzą środowisku. Domyślamy się jak korzystać ze Świata jednocześnie go nie wykorzystując. Domyślamy się, dopełniamy nasze myśli o wszechświatowej, kosmicznej zwartości organicznej i jedności kompozycyjnej dzieł Stwórcy i twórcy. Domyślamy się konstrukcji, mamy coraz lepsze DOMYSŁY. Literatura [1] Al.-Zubiedy, A. (2006). Multidisc mill - research and stabilisation of the produkt. Czestochowa, Poland: Czestochowa University of Technology. [2] Bieliński, K. S. (1993). Research on power productivity of seed multidisc mill, [in Polish]. Unpublished Doctoral Dissertation, Lublin University of Technology. Lublin, Poland. [3] Bieliński, M. (2004). Technologies of blowing termoplastic, [in Polish]. Bydgoszcz, Poland: University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz. [4] Bochat, A. (2010). Theory and construction of cutting assemblies in agricultural machinery, [in Polish]. Bydgoszcz, Poland: University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz. [5] Drzymała, Z. (1992). Research and backgrounds of special mills construction, [in Polish]. Warsaw, Poland: PWN. [6] Flizikowski, J. B. (1998). Crumbing of plastics, [in Polish]. Bydgoszcz, Poland: University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz. [7] Flizikowski, J. B. (2002). Dissertation on construction, [in Polish]. Radom, Poland: ITEE. [8] Flizikowski, J. B. & co-authors (2005). Implementation project of intelligent system in special mills construction. Warsaw, Bydgoszcz, Krakow, Poland: MNiI, ATR-AGH. [9] Flizikowski, J. B. (2008). Plastic devices for Energy Engineering. Paris, France: NANOENERGY, Tapis Rouge. [10] Flizikowski, J. B. (2010a). Crumbing of porous and hyperplastic materials, [in Polish]. RECYKLING 1(109), (pp. 8-9). Poznań, Poland: Abrys Sp. z o.o.. [11] Flizikowski, J. B. (2010b). Special design of devices for corn grinding. WIEŚ JUTRA No 1/2010, Editor Wiesław Piekarski, Warsaw, Poland. [12] Flizikowski, J. B. (2011). Micro- and Nano- energy grinding, (p.301). Singapore: PAN STANFORD PUB. [13] Goldberg, D. E. (2003). Genetic algorithms and their implementation, [in Polish]. Warsaw, Poland: WNT. [14] Gorwa, A. (1986). Project and functional-constructional analysis of multidrum seed mill, [in Polish]. Unpublished Master’s Thesis, University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz, Poland. 98 ROZDZIAŁ I - INŻYNIERIA ROZDRABNIANIA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BIOMASY/ODPADÓW NA CELE ENERGETYCZNE [15] Grellmann, W. & Seidler, S. (2001). Deformation and fracture behavior of polymers. Berlin, Germany: Springer-Verlag. [16] Janowicz, A. (2010). Problems of profiling and exploiting work space of press formulating elements, [in Polish]. Problemy Eksploatacji, vol.77, no 2/2010, (pp.149-157). Radom, Poland. [17]Kamyk, W. (2008). Study on integrated system of crumbing corn seeds, [in Polish]. Unpublished Doctoral Dissertation, University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz. Bydgoszcz, Poland. [18]Lisowski, A. (red) (2009). Effect of operation of corn crumbing supporting elements versus quality of the silage, [in Polish]. Warsaw, Poland: SGGW. [19]Macko, M. (2000). Effect of Design Features of Multi-disk Unit on Usable Characteristics of Breaking up Process of Plastics Pipe Recyclates, [in Polish]. Unpublished Doctoral Dissertation, University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz. Bydgoszcz, Poland. [20]Ministry of Economy, (2009). Polish Energy Policy until 2030. Warsaw, Poland. [21]Mroziński, A. & Kikiewicz, Z. (2001). Beating of waste paper stock at different slot size between refiner discs. In International Conference on Practical Aspects of Particle Technology. HUN-Pra-PARTEC 2001, 21-24 August 2001 (pp. 385-389). Budapest, Hangary. [22]Mroziński, A. (2005). Investigation of the power consumption by the grinding unit of the fibrouspaper stock in conditions of variable working gape of disc refiner, [in Polish]. Unpublished Doctoral Dissertation, University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz. Bydgoszcz, Poland. [23]Mroziński, A. (2009). Grounds of waste paper pulp processing development in mills, [in Polish]. EKOLOGIA I TECHNIKA Vol. XVII no 4 (pp.151-158). Bydgoszcz, Poland. [24]Mroziński, S. (1986). Project and constructional analysis of new seed crumbing concept, [in Polish]. Unpublished Master’s Thesis, University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz. Bydgoszcz, Poland. [25] Niedziółka, I., Zuchniarz, A. (2006). Energy analysis of selected types of plant biomass. Motorization and Power Industry In Agriculture, [in Polish] no 8/2006 (pp. 232-237). Lublin, Poland. [26]Ostwald, M. (2005). Grounds of construction optimisation, [in Polish]. Poznan, Poland: Poznan University of Technology. [27] Pahl, M. (1994). Zerkleinerungstechnik. Rheinland, Germany: Verlag TÜV. [28] Powierża, L. (1997). Outline of bioagriculture engineering system, [in Polish]. Part I. Radom, Poland: ITEE. [29]Sadkiewicz, K. (red) (2004). Corn, flour and bread inspecting apparatus, [in Polish]. Bydgoszcz, Poland: University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz. [30]Sidor, J. (2006). Studies, models and methods of designing vibratory mills, [in Polish]. Publisher AGH ROZPRAWY MONOGRAFIE vol. 150. Krakow, Poland. [31]Sikora, R. (1996). Plastics processing, [in Polish]. Warsaw, Poland: Żak - Educational Publisher. [32]Szala, G. (2003). Research on technological seed cutting based on wheat, [in Polish]. Unpublished Doctoral Dissertation, University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz. Bydgoszcz, Poland. [33]Szala, G. & Co-authors (2007). Analysis of energy intensity of technological seed cutting, [in Polish]. Grant MNiI/UTP Warsaw / Bydgoszcz, Poland. [34] Świątkowski, J. & Flizikowski, J. B. (2010). Energy efficiency of dense soda milling, [in Polish]. Chemical Engineering and Equipment no 5/2010, (pp. 111-112). Warsaw, Poland: SIGMA-NOT Sp. z o.o.. [35] Ściążko, M., Zuwała, J. & Pronobis, M. (2006). Advantages and disadvantages of biomass co-combustion in power boilers - the first year of operational experience of co-combustion of biomass on an industrial scale, [in Polish]. Energy, vol. 621 no 3/2006 (pp. 207-220). Katowice, Poland: SEP Oficyna Wydawnicza ENERGIA Katowice. [36] Tarnowski, W. (2010). Simultaneus optimisation or polioptimalisation of the mashine and the process, [in Polish]. PROBLEMY EKSPLOATACJI, vol.77, no 2/2010, s.17-34. Radom, Poland. [37] Tyszczuk, K. (2006). Research on power productivity of milling flax grain, [in Polish]. Unpublished Doctoral Dissertation. Poznan University of Technology. Poznan, Poland. [38] Wilczyńska, B. (1995). Research on brittle material crumbing process in spiral jet mill, [in Polish]. Doctoral Dissertation, University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz. Bydgoszcz, Poland. 99 Józef Flizikowski [39]Zawada, J. & Co-authors (2005). Introduction to mechanics of machine crumbing process, [in Polish]. RadomWarsaw, Poland: ITE. [40]Ziemba, S., Jarominek, Wł. & Staniszewski, R. (1980). Problems of systems theory, [in Polish]. Wrocław, Poland: Ossolineum, PAN. [41]Zimniak, J. (2004). Analyse von Grundprozessen der Aufbereitung von Kompositwerkstoffen aus ausgewahlten Kunststoff- und Gummiabfallen, [in German]. Dissertation B, Chemnitz University of Technology. Chemnitz, Germany. 100 ROZDZIAŁ II - SPALANIE I WSPÓŁSPALANIE BIOMASY 101 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski 1. Biomasa jako paliwo Zrozumienie istoty zastosowania biomasy w elektrociepłowniach wymaga wyjaśnienia samego pojęcia biomasy. W uproszczeniu, jest to masa materii zawarta w organizmach. Podstawowe podziały wyróżniają: fitomasę, czyli biomasę roślin (m.in. drewno o niskiej wartości ekologicznej, słoma, trawy, łodygi kukurydzy), zoomasę, czyli biomasę zwierząt (odchody) oraz biomasę mikroorganizmów. Źródłem energii chemicznej biomasy są organiczne związki chemiczne. Do najważniejszych cech biomasy należą: - Dostępność – biomasa jest przede wszystkim łatwo dostępna. Dzięki temu, że składają się na nią, m.in. ziarna zbóż, gałęzie drzew, słoma, czy części roślin, dużo prościej ją uzyskać, niż np. węgiel, co pociąga za sobą mniejsze koszty niż w wypadku innych paliw; -Zerowa emisja gazów cieplarnianych – przy spalaniu biomasy emisja wszelkich gazów, w tym dwutlenku węgla, jest równa ilości, jaką roślina pobrała w procesie wzrostu, co skutkuje zerowym bilansem końcowym; -Odnawialność – biomasa jest w pełni odnawialna i ekologiczna także po spaleniu. Rośliny, w przeciwieństwie do ropy czy gazu, odrastają w stosunkowo krótkim czasie, a efekt spalania – popiół – stanowi doskonały nawóz; - Niska wartość opałowa – przy niskiej gęstości usypowej powoduje to konieczność stosowania kilkukrotnie większych objętościowo ilości biomasy w celu dostarczenia takiej samej ilości energii, jak w przypadku użycia węgla (zestawienie cech niektórych rodzajów biomasy przedstawione jest na rys. 1.1, z kolei rys. 1.2 przedstawia własności fizykochemiczne wybranych nośników energii); - Duże wymiary – Jedną z niedogodności przy używaniu biomasy są jej rozmiary, gdyż zajmuje ona dużo więcej miejsca niż tradycyjny węgiel. Na jego jedną tonę potrzebne jest 0,7 m3 powierzchni. Dla porównania – pelety zajmą 1,4 m3, zrębki 6 m3, a słona aż 12 m3; - Wysoka zawartość wilgoci w surowej biomasie – ta cecha zdecydowanie obniża wartość opałową biomasy. Logicznie uzasadnione jest jedynie podsuszanie naturalne biomasy (np. zadaszanie). Natomiast bezpośrednie podsuszenie przed spalaniem wymagałoby nakładu energii przerastającego ilość uzyskaną w wyniku spalania owego paliwa; - Wysoka zawartość części lotnych – części lotnych jest ponad 2,5-krotnie więcej niż w węglu, co powoduje zmianę warunków zapłonu, spalania i współspalania węglem; -Mała uciążliwość popiołu – zawartość popiołu w biomasie nie przekracza jednego procenta, dzięki czemu nie jest on uciążliwy, zaś jego dodatkową zaletę stanowi fakt, iż może on być zastosowany jako nawóz rolniczy [1][2][4][6]. 102 ROZDZIAŁ II - SPALANIE I WSPÓŁSPALANIE BIOMASY Rys. 1.1. Zestawienie cech niektórych rodzajów biomasy Rys. 1.2. Własności fizykochemiczne wybranych nośników energii Wyróżnia się wiele rodzajów biomasy, z których najważniejsze to: - Drewno w kawałkach – bardzo tanie, ale nadające się jedynie do zsypu ręcznego. W praktyce polecane głównie do kominków i kotłów zgazowujących; -Zrębki – zrębki to kawałki roślin energetycznych czy przycinanych gałęzi. Są bardzo tanie i jednocześnie łatwe do pozyskania. Najlepiej sprawdzają się przy średnich i dużych instalacjach. Doskonale sprawdzają się w pełni zautomatyzowanych konstrukcjach; - Wióry, zrzyny, trociny – ich największą zaletą jest cena. Są bardzo tanie do zakupienia, a jeśli pochodzą z własnej produkcji – są zupełnie darmowe. One także mogą być używane przy zautomatyzowanych instalacjach; -Ziarna zbóż – najpopularniejszym i najlepiej sprawdzającym się ziarnem jest owies - dostępny w zasadzie wszędzie, łatwy do wyprodukowania, a dzięki temu tani. Dodatkowo posiada on wysoką wartość energetyczną. Natomiast jego wadą jest konieczność stosowania specjalnie przygotowanych kotłów, gdyż te do palet i ekogroszku nie sprawdzają się; 103 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski - - Brykiety – łatwe w składowaniu, ponieważ zajmują dużo mniej miejsca niż przed przetworzeniem. Dzięki swojej gęstości, polecane są do dużych kotłowni. W czasie spalania wytwarzają minimalne ilości szkodliwych substancji. Są trwałe i nie tracą łatwo swoich właściwości opałowych. One również mogą pracować w układach zautomatyzowanych; Pelety – najbardziej przetworzona forma biomasy. Składają się ze sprasowanych pod ogromnym ciśnieniem wiórów i trocin (czasem wykorzystywana jest do tego celu również słoma). Do najważniejszych cech peletów należą: duża gęstość nasypowa, wysoka wartość energetyczna, a także niskie zasiarczenie i zapylenie. Sprawdza się w zasadzie w każdych warunkach. Bez problemu można go stosować w domowych warunkach i w wielkich, przemysłowych konstrukcjach (jeden z popularniejszych podziałów biomasy przedstawiono na rys. 1.3). [3] Rys. 1.3. Podział biomasy [1] (na podstawie [Wojciechowski 2007]) Kolejnym aspektem wartym omówienia jest proces pozyskiwania biomasy, której głównymi źródłami są: leśnictwo, rolnictwo (w tym uprawy energetyczne) oraz przemysł, z czego ten ostatni produkuje głównie sam dla siebie. Z kolei, zgodnie z rozporządzeniem Ministerstwa Gospodarki, nie należy w nieskończoność wykorzystywać zasobów leśnych do pozyskiwania biomasy. Zatem, jedynym wyjściem pozostaje skupienie się na rozwoju upraw energetycznych. W 2010 roku udział biomasy pochodzącej z upraw ma wynosić już 20 procent całości i co rok podnosić się o kolejne 10 procent, aż do osiągnięcia pułapu 60 procent w 2014 roku, co pociąga za sobą konieczność stałego rozwijania upraw energetycznych. A przy tym należy pamiętać o szeregu zagadnień logistyczno – organizacyjnych. Do aspektów, których nie wolno lekceważyć należy m.in.: odpowiedni łańcuch dostaw, przetwarzanie, przechowywanie, organizacja producentów, czy wykorzystanie istniejącej już infrastruktury i zasobow (rys. 1.4, rys. 1.5, rys. 1.6). Aby osiągnąć założony cel niezbędna jest współpraca sektora energetycznego i rolnictwa [7][8]. 104 ROZDZIAŁ II - SPALANIE I WSPÓŁSPALANIE BIOMASY Rys. 1.4. Zasoby słomy na cele energetyczne Rys. 1.5. Zasoby biomasy pozyskiwane z lasów 105 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski Rys. 1.6. Zasoby biomasy pozyskiwane z upraw energetycznych [5] [Gaj 2004] Instalacja podawania biomasy do kotła Efektywne wykorzystanie potencjału biomasy i odnawialnych źródłach energii wymaga nowoczesnej i przemyślanej instalacji. W skład takiej instalacji wchodzą: -Lej zasypowy biomasy - Przenośnik odbierający z leja zasypowego - Przesiewacz wahadłowy - Przenośnik nadziarna -Kontener nadziarna - Przenośnik podziarna - Próbobiornik biomasy i przesyp - Wagoprzenośnik -Kierunkowy lej zsypowy - Wagi węglowe. Dostarczona do elektrociepłowni biomasa jest ważona, a następnie zostaje przetransportowana na plac składowy. Po wyładowaniu składuje się ją przez okres trzech dni pod wiatą, gdzie znajduje się lej zasypowy biomasy, mający na celu zapobieżenie uciekania biomasy przy jej dozowaniu. Lej równomiernie podaje materiał na przenośnik odbierający, poprzez który biomasa trafia do przesiewacza wahadłowego. Następnie ziarna trafia kolejno do kontenera składującego i na wagoprzenośnik, na którym jest ważona zanim zostaje przeniesiona na kierunkowy lej zsypowy, z którego trafia już na odpowiedni przenośnik węglowy 106 ROZDZIAŁ II - SPALANIE I WSPÓŁSPALANIE BIOMASY (rys. 1.7 przedstawia schemat instalacji podawania biomasy; rys. 1.8, rys. 1.9, rys. 1.10 i rys. 1.11 prezentują poszczególne etapy podawania biomasy) [12]. Rys. 1.7. Schemat budowy przykładowej instalacji do podawania biomasy [31] 107 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski Rys. 1.8. Miejsce składowania biomasy Rys. 1.9. Zasyp biomasy na wagę przenośnikową 108 ROZDZIAŁ II - SPALANIE I WSPÓŁSPALANIE BIOMASY Rys. 1.10. Transport węgla i biomasy – po pierwszym przesypie Rys. 1.11. Załadunek biomasy do zasobników trzykotłowych. Po drugim przesypie mieszanka jest już prawie jednorodna [33] 109 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski 2. Procesy termochemiczne uzyskiwania z biomasy użytkowych form energii Zasadniczo wyróżnia się trzy rodzaje procesów termicznych umożliwiających pozyskanie z biomasy użytkowych formy energii. Są to: spalanie, piroliza oraz zgazowanie (rys. 2.1). Spalanie: Spalanie stanowi najbardziej pierwotny sposób uzyskiwania użytecznej energii z biomasy, który przebiega w trzech etapach. W trakcie suszenia następuje odparowanie wilgoci zawartej w cząsteczkach oraz ich nagrzanie. W czasie gazyfikacji i spalania, paliwo jest termicznie rozkładane, a procesowi temu towarzyszy wydzielanie się części lotnych. W czasie dopalania powstałego karbonizatu dochodzi natomiast do spalenia stałych produktów palnych w postaci węgla drzewnego. Spalanie jest wykorzystywane zarówno do uzyskania energii cieplnej, jak i do wytwarzania energii. W instalacjach służących do spalania biomasy możliwe jest wykorzystanie m.in. drewna kawałkowego, zrębków, trocin, czy słomy. Piroliza: Obecnie piroliza w energetyce jest uważana za przyszłościowy sposób uzyskiwania bardziej użytecznych form paliwa, ponieważ, w przeciwieństwie do spalania i gazyfikacji, jest dopiero we wczesnym stadium rozwoju. Jej produktem jest ciekłe biopaliwo zwane bioolejem, czyli złożoną miksturą utlenionych węglowodorów. Zaletą tego procesu jest większa niż przy pozostałych procesach łatwość transportowania produktu wyjściowego, co pozwala na znaczne obniżenie kosztów. Zgazowanie (gazyfikacja): Zgazowanie to przebiegający w trzech fazach proces polegający na przetworzeniu biomasy na gaz syntezowy. Na kolejne etapy składa się kolejno: suszenie biomasy, piroliza oraz właściwe zgazowanie. Z dnia na dzień można zaobserwować coraz większe zainteresowanie procesem zgazowania biomasy pochodzenia roślinnego. Szacuje się także, że w niedalekiej przyszłości pojawią się instalacje energetyczne, w których biomasa będzie zgazowywana razem z węglem, co pozwoli na dogodniejsze i bardziej efektywne prowadzenie tego procesu niż w przypadku zgazowywania jedynie biomasy [25][26][28][30]. 110 ROZDZIAŁ II - SPALANIE I WSPÓŁSPALANIE BIOMASY Rys. 2.1. Produkty termicznej konwersji biomasy [28] Współspalanie, sposób wykorzystania biomasy w elektrociepłowniach W praktyce, w energetyce, biomasę drzewną wykorzystuje się jedynie w procesie współspalania razem z węglem. Spowodowane jest to czynnikami logistycznymi, technicznymi oraz ekonomicznymi. Zasadniczo wyróżnia się trzy rodzaje współspalania: - Technologię bezpośredniego współspalania - Technologię pośredniego współspalania - Technologię współspalania w układzie równoległym [28] Technologia bezpośredniego współspalania Technologię tę preferuje się w większości polskich elektrowni, a wynika to głównie z niskich kosztów inwestycyjnych oraz dobrego rozpoznania pod kątem użytkowym. Bardzo istotną kwestią w procesie bezpośredniego współspalania jest kocioł. W tym przypadku najodpowiedniejszymi kotłami są kotły fluidalne. Według zaleceń producentów pozwalają one na współspalanie przy udziale energetycznym biomasy do 15 procent bez mo- 111 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski dyfikacji kotła. Należy jedynie dobudować zbiorniki magazynowania oraz linię podawania paliwa do kotła. Dużą zaletą takich kotłów jest także ich zdolność do spalania paliw o niskiej jakości, a także paliw odpadowych, przy jednoczesnym spełnianiu norm środowiskowych. Kocioł fluidalny (tym razem z cyrkulacją złoża) jest również najlepszy w przypadku spalania zrębków drzewnych. Jego zastosowanie umożliwia przedłużanie czasu reakcji ziaren warstwy w wyższej temperaturze, co w przypadku biomasy jest pożądane. Rys. 2.2. Schemat współspalania biomasy w technologii bezpośredniego współspalania [26] Technologia pośredniego współspalania Ta technologia, w przeciwieństwie do technologii bezpośredniego współspalania jest traktowana w energetyce zawodowej jako rozwiązanie przyszłościowe. Mimo to już częściowo znajduje w niej zastosowanie. Jednym z najmocniej obecnie rozwijanych rozwiązań związanych z tą technologią jest zabudowa przy kotle właściwym przedpaleniska. Taka technika wiąże się z niskimi kosztami inwestycyjnymi, a jednocześnie jest mało wrażliwa na zmienne właściwości fizykochemiczne spalanej biomasy. Ta metoda nie wywiera również znaczącego wpływu na ogólną sprawność kotła, bowiem w przedpalenisku istnieje możliwość spalania wszelkich niedopałkach powstałych w komorze kotła węglowego. Rys. 2.3. Uproszczony schemat kotła nadbudowanego przed paleniskiem PP 112 ROZDZIAŁ II - SPALANIE I WSPÓŁSPALANIE BIOMASY Rys. 2.4. Uproszczony schemat kotła nadbudowanego gazogeneratorem RG [26] Poza aspektami ekonomicznymi zaletą tej technologii jest także prostota całego procesu. Natomiast do negatywnych cech należy zaliczyć m.in. niską dyspozycyjność oraz problemy eksploatacyjne. Obecnie duże nadzieje pokłada się także w technice pośredniego współspalania polegającej na wspólnym zgazowywaniu biomasy drzewnej z węglem, gdzie ten ostatni służy jako stabilizator procesu (rys. 2.3 przedstawia schemat technologiczny sprzężenia kotła węglowego właśnie z taką instalacją. Z kolei na rysunku 2.2 przedstawiony jest wcześniej opisany schemat z kotła nadbudowanego przed paleniskiem). Technologia współspalania w układzie równoległym Technologia współspalania w układzie równoległym polega na rozdzieleniu technologii wykorzystujących paliwa o różnych charakterystykach fizykochemicznych. Dzięki temu energia pozyskana z biomasy może służyć, m.in. do podgrzewania wody zasilającej kocioł węglowy, co prowadzi do obniżenia kosztów. Zaletą stosowania kotłów spalających wyłącznie biomasę drzewną jest dobrze rozpoznana technika tych rozwiązań, dzięki czemu możliwe jest dokładne dopasowanie do wymagań biomasy. Dzięki temu technologia ta może być odporna np. na niejednorodne paliwo. Rys. 2.5. Uproszczony schemat współspalania w układzie równoległym [26] 113 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski Instalacje stosowane do współspalania w układzie równoległym możemy podzielić ze względu na zastosowany proces utylizacji biomasy na: -Spalanie biomasy w palenisku i wykorzystanie gazu spalinowego do podgrzewu czynnika roboczego turbiny gazowej. Dużą wadą tej technologii jest konieczność zabudowy sporego jak na uzyskiwane moce wysokotemperaturowego wymiennika ciepła. -Spalanie gazu syntezowego w komorze spalania instalacji turbiny gazowej. Gaz uzyskiwany jest przez zgazowanie lub pirolizę biomasy. Ta technologia rozpatrywana jest jako przyszłościowa dla energetyki dużego i średniego formatu. Ze względu na czynniki technologiczne i ekonomiczne, spośród technologii równoległego współspalania najodpowiedniejsze wydają się te, które przetwarzają energię chemiczną zielonego paliwa w przystosowanych do tego autonomicznych paleniskach, albo kotłach (rys. 2.5 przedstawia schemat przykładowego współspalania w układzie równoległym) [24]. Problemy występujące podczas współspalania biomasy z węglem: -Konieczność poniesienia inwestycji – stosowanie biomasy do produkcji energii cieplnej i elektrycznej wymaga poniesienia inwestycji. Elektrociepłownia musi zostać dostosowana do wymagań biomasy, m.in. poprzez zakup lub przeróbkę kotła; -Ograniczenie wydajności cieplnej kotła – kotły są przystosowywane pod określone paliwo. - Przyspieszona korozja elementów grzewczych kotła - zagrożenia korozyjne związane ze spalaniem słomy nie są jeszcze dobrze zbadane. Wiadomo jednak, że korozja ta ma przede wszystkim charakter wysokotemperaturowy i w znacznej mierze zależy od zawartości potasu i chloru w słomie. Korozja jest szczególnie intensywna, jeśli biomasa spalana jest wraz z gorszym jakościowo węglem. Zachodząca wówczas w osadzie reakcja siarkowania chlorku potasu z udziałem siarki ze spalin wyzwala gaz chlorowy, który atakuje żelazo i chrom ze stali; -Kłopoty natury logistycznej – związane przede wszystkim z koniecznością transportowania i magazynowania biomasy [27][29][34][35]. 3. Efektywność ekologiczna wykorzystania biomasy Korzyści ekologiczne wynikające z zastosowania biomasy w procesie wytwarzania energii cieplnej i elektrycznej są niepodważalne. Niezależnie od zastosowanej technologii spalania, dodatek biomasy do węgla powoduje znaczące zmniejszenie emisji dwutlenku siarki i tlenków azotu do atmosfery. A należy pamiętać, że to właśnie one są odpowiedzialne za występowanie zjawiska kwaśnych deszczów. Zdecydowanie niższa jest także emisja zanieczyszczeń organicznych, w tym wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych. Zbawienny wpływ na środowisko ma także zdolność biomasy do redukcji siarki, która występuje w węglu. Jest to szczególnie przydatna cecha w przypadku połączenia spalania biomasy z węglem wysoko zasiarczonym. O dodatkowej zalecie biomasy stanowi fakt, iż jej utylizacja wpływa na ograniczenie i spowolnienie eksploatacji paliw kopalnianych. Ponadto, biomasa nie zalega w środowisku. A warto pamiętać, że jej niewykorzystanie groziłoby zwiększeniem emisji gazów cieplarnia- 114 ROZDZIAŁ II - SPALANIE I WSPÓŁSPALANIE BIOMASY nych, m.in. metanu i dwutlenku węgla, które zostałyby uwolnione w procesach niezorganizowanej biodegradacji. Stosowanie biomasy w procesie wytwarzania energii cieplnej i elektrycznej przyczynia się także do ograniczenia procesów erozji gleby i zaburzeń stosunków wodnych. Nie bez znaczenia jest także sam fakt uprawy biomasy pod przyszłe wykorzystanie w elektrociepłowniach. Dzięki uprawianiu roślin energetycznych znacznie zwiększa się ilość asymilowanych przez rośliny zanieczyszczeń powietrza. Niewątpliwie, warto odnotować nie tylko zyski wynikające z korzystania z biomasy dla środowiska, ale również te dla samego zakładu, który się na takie działanie decyduje. Wpływa ono, bowiem na podniesienie atrakcyjności zakładu – wyróżnienie się na tle innych, co też pociąga za sobą wzrost konkurencyjności [2][6][25][27]. 4. Efektywność ekonomiczna wykorzystania biomasy Aspekt ekonomiczny wykorzystania biomasy jest niewątpliwie kwestią złożoną, w której wyróżnia się kilka podstawowych, a zarazem oczywistych cech pozytywnych. Z pewnością, pozyskanie biomasy na cele energetyczne jest o wiele tańsze niż w przypadku paliw tradycyjnych. Takie surowce jak słoma czy ziarna zbóż są łatwo dostępne, a jednocześnie proste do wyprodukowania. Kolejnym ekonomicznym plusem korzystania z biomasy jest ograniczenie wydobycia paliw kopalnianych, co prowadzi do zmniejszenia kosztów surowców wykorzystywanych energetycznie, a także, co równie, a może nawet bardziej istotne, przyczynia się do zmniejszenia liczby ofiar wśród pracowników przemysłu wydobywczego (górnicy). Bardzo istotną kwestią są również lokalne rynki pracy. Dzięki działaniu plantacji roślin energetycznych rozwija się wiele nowych sektorów gospodarki i zdecydowanie wzrasta zapotrzebowanie na nowych pracowników. A jako, że tego typu plantacje z reguły prowadzone są na glebach IV i V klasy, wykorzystywanie biomasy w sposób pośredni przyczynia się do lepszego zagospodarowania ziem. Z kolei współpraca plantatorów z firmami przetwarzającymi biomasę niesie za sobą znaczny przepływ pieniędzy, co istotnie podnosi standard życia na terenach wiejskich. Pozostając w temacie rynków pracy, nie można nie wspomnieć o rozwoju nowoczesnych technologii, które sprawiły, że wykorzystywanie biomasy na szeroką skalę jest w ogóle możliwe. To z kolei doprowadziło do pojawienia się miejsc pracy dla kadry specjalistycznej, a jednocześnie wpłynęło zdecydowanie na podnoszenie kwalifikacji przez dotychczasowych pracowników. Z globalnego punktu widzenia, potencjał energetyczny całej dostępnej biomasy, przy pełnym jej wykorzystaniu, wynosi aż 22 procent całkowitego zużycia energii pierwotnej w naszym kraju. Wnioskując, umiejętne wykorzystanie biomasy zapewni na długie lata stabilizację energetyczną państwa. W analizie aspektów ekonomicznych korzystania z biomasy przy produkcji energii użytecznej ważnym elementem jest polityka energetyczna Unii Europejskiej. Istotnym jej elementem jest sukcesywne zwiększanie udziału energii ze źródeł odnawialnych. Skutkiem tej polityki jest nałożenie przez Unię Europejską na wszystkie kraje członkowskie, w tym oczywiście Polskę, obowiązku podjęcia konkretnych działań prowadzonych w tym kierunku. Jak już wcześniej wspomniano, w Polsce ściśle określono stały poziom wzrostu udziału energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych w całkowitej produkcji energii. Uwarunkowa- 115 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski nia, głównie natury logistycznej i ekonomicznej, sprawiają, że główne rozwiązanie stanowi współspalanie węgla i biomasy. To z kolei pociąga za sobą konieczność modernizacji i unowocześniania elektrociepłowni. Zatem, tworzy się nowa, przystosowana do światowych standardów infrastruktura, zaś fachowcy, między innymi ze specjalistycznych firm zajmujących się dostosowywaniem zakładów do pojawiających się potrzeb, stają przed nowymi wyzwaniami i zadaniami. Firmy tego rodzaju zajmują się m.in.: sporządzaniem dokumentów niezbędnych do uzyskania koncesji na produkcję energii z odnawialnych źródeł energii, opracowywaniem opinii z oceną poprawności funkcjonowania systemu produkcji i bilansowania energii odnawialnej, które pozwalają na rozszerzenie zakresu działalności. Dokonują one również oceny możliwości jednoczesnego spalania paliw konwencjonalnych i odnawialnych. 5. Ekonomiczne wady wykorzystania biomasy Pozyskanie i wykorzystanie biomasy w elektrowniach niesie za sobą również niezbędne koszty oraz nakłady energetyczne. Już przy ścince i zrywce drewna pojawiają się pierwsze nakłady energii oszacowane na poziomie ok. 230 MJ/ m3 drewna, co stanowi około 4 procent energii biomasy. Kolejną kwestią jest zużycie paliw płynnych, związane z transportem biomasy. Przy założonej odległości transportu nieprzekraczającej 100 km można je szacować na zużycie ok. 3-4 litrów oleju napędowego na m3 drewna, co stanowi ok. 3 procent biomasy. Ważnym aspektem są również nakłady na uprawę roślin energetycznych. Wziąwszy pod uwagę paliwo do maszyn rolniczych, energię zużytą przy produkcji nawozów sztucznych i inne zabiegi agrotechniczne, poziom nakładów energetycznych może sięgać nawet 10 procent energii biomasy uzyskanej w wyniku uprawy. Dla porównania warto nadmienić, że energochłonność wydobycia i wzbogacania węgla oszacować można na poziomie ok. 2,5 procent energii tego paliwa. Kolejne nakłady wiążą się z przygotowaniem paliwa biomasowego oraz mieszanki biomasowo-węglowej do współspalania w kotle energetycznym. Należy wziąć pod uwagę m.in. energię elektryczną lub płynne paliwa zużywane do napędu rębaków produkujących zrębki, oraz dodatkową energię elektryczną potrzebną do napędzania młynów węglowych, które są dodatkowo obciążone. Wzrost zużycia własnego elektrowni z powodu wyżej wymienionych przyczyn szacuje się na poziomie 0,15 procent produkowanej energii, co przy pięcioprocentowym udziale biomasy przekłada się na stratę ok. 3 procent całkowitej ilości współspalanej biomasy. Straty energii zauważalne są także w układzie kocioł – turbina. W Polsce biomasa dodawana jest najczęściej do węgla w postaci surowych, niepodsuszonych zrębków, przed wprowadzeniem paliwa do młynów węglowych. Zrębki te zawierają ok. 50 procent wilgoci i charakteryzują się stosunkowo niską wartością opałową, tj. ok. 9 000 kJ/kg. Strata wylotowa przy spalaniu samej biomasy w tej postaci jest znacznie wyższa od straty wylotowej przy spalaniu węgla. Dodanie biomasy wpływa zatem, proporcjonalnie do jej udziału w mieszance paliwowej, na obniżenie sprawności kotła poprzez wzrost strat kominowych. Podsumowując, straty energii pozyskanej w lasach biomasy drzewnej potrzebne na sam proces przerobienia jej na energię użytkową są spore i mogą sięgać w Polsce nawet 40 proc. Jeszcze wyższe straty notuje się w przypadku biomasy z upraw energetycznych. Jednak należy pamiętać, że istnieją odpowiednie rozwiązania, których wdrażanie wpływa na poprawę tej sytuacji. Chodzi przede wszystkim o wykorzystanie biomasy w źródłach rozproszonych 116 ROZDZIAŁ II - SPALANIE I WSPÓŁSPALANIE BIOMASY mniejszej mocy, a najlepiej w takich, które są przystosowane do spalania biomasy jako jedynego paliwa zasilającego[27][28][31][32][36]. Literatura [1]Mirowski T., Surma T.: Paliwa biomasowe w sektorze wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w Polsce. Gospodarka surowcami mineralnymi 2008 Tom 24, Zeszyt 3/3 [2]Strzelczyk F., Wawszczak A.: Efektywność biomasy jako paliwa energetycznego. Rynek Energii – nr 5/2008 [3] Denisiuk W.: Brykiety / pelety ze słomy w energetyce. Inżynieria Rolnicza 9(97)/2007 [4] Niedziółka I., Zuchniarz A.: Analiza energetyczna wybranych rodzajów biomasy pochodzenia roślinnego. Katedra Maszynoznawstwa Rolniczego, Akademia Rolnicza w Lublinie. MOTROL 2006, 8A, str. 232–237 [5]Szlachta J.: Zasoby biomasy, zapotrzebowanie na biomasę energetyki zawodowej, transportu oraz perspektywy przyszłego lokalnego rynku energii odnawialnej. Instytut Inżynierii Rolniczej, Akademia Rolnicza we Wrocławiu [6]Rządkowski J.: Spalanie biomasy a niezależność energetyczna Polski. Rurociągi – nr 1-2/2009 [7] Madejski S.: Zielona energia. SODR, Oddział w Mikołowie, Śląskie Aktualności Rolnicze Nr 1 (230) Styczeń 2007 [8] Popczyk J.: Rola biomasy i polskiego rolnictwa w realizacji Pakietu energetycznego. Politechnika Śląska, BioEnergia ESP. Czysta Energia – luty 2008 [9]Lorenz U., Grudziński Z.: Współspalanie węgla i biomasy w energetyce – ceny koszty na przykładzie węgla brunatnego. Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN Kraków [10] Tatarek A.: Bloki ciepłownicze elektrociepłowni, Siłownie cieplne – laboratorium, Instrukcja do ćwiczenia nr 3.Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery, Politechnika Wrocławska. Wrocław, grudzień 2008 r. [11]Okulski T.: Charakterystyka wytwarzania ciepła w elektrowniach i elektrociepłowniach zawodowych, Polityka energetyczna, Tom 9 Zeszyt specjalny 2006 [12] Biuletyn informacyjny Elektrociepłownia Wybrzeże grupa EDF Nowoczesny wymiar energii. [13] www.rafako.pl [14] kotły parowe, podział urządzeń kotłowych, www.energetyka.wnp.pl - 2008-11-18 [15]Regulski B.: Znaczenie międzynarodowych i krajowych uregulowań prawnych w zakresie ochrony środowiska dla rozwoju ciepłownictwa w najbliższych latach. Izba Gospodarcza Ciepłownictwo Polskie [16]Owsianka B.: Kogeneracja wysoko sprawna. BSI Management Systems Polska. Czysta Energia – czerwiec 2007 [17]Skorek J., Kalina J.: Perspektywy rozwoju rynku technologii i urządzeń kogeneracyjnych w kontekście wdrożenia Dyrektywy CHP. Zakład Termodynamiki i Energetyki Gazowej, Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska. Warszawa 2006 [18] Błach S.: Wykorzystanie potencjału kogeneracji szansą na pokrycie wzrostu zużycia energii. Kogeneracja i współspalanie – kierunki rozwoju energetyki Poznań, 13 maja 2008 [19]Kulesa M.: Kogeneracja promocja czy likwidacja - debata Warszawa. TOE. 12 lipca 2006 r. [20] Pupka J.: Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w Polsce, www.elektroenergetyka.pl, sierpień2001 [21] Nuorkivi A.: Podrecznik dla instytucji: Skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej (CHP), Dokument udostepniony przez:Krajowa Agencje Poszanowania Energii S.A. [22] Niedokos J.: Ciepłownictwo sieciowe warunkiem rozwoju kogeneracji, Rynek Energii” – nr 5/2006 [23]Marecki J.: Politechnika Gdańska, Skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej, Wokół energetyki, luty 2005 [24] Golec T.: Współspalanie biomasy w kotłach energetycznych, Energetyka – 7-8/2004 117 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski [25] Drzybiecka N.: Ekologiczne spalanie z użyciem biomasy. W przyrodzie nic nie ginie, Nafta & Gaz Biznes – październik 2004 [26]Kubica K.: Energetyczne wykorzystanie biomasy – uwarunkowania techniczno-technologiczne. ITC Politechnika Śląska, [27] Ściążko M, Zuwała J, Pronobis M.: Zalety i wady współspalania biomasy w kotłach energetycznych na tle doświadczeń eksploatacyjnych pierwszego roku współspalania biomasy na skalę przemysłową. www.e-energetyka.pl, marzec 2006 [28]Kotowicz J., Bartela Ł.: Energetyczne wykorzystanie biomasy drzewnej - przegląd technologii, Rynek Energii – nr 6/2007 [29] Błasiak W.: Kogeneracja i współspalanie – kierunki rozwoju energetyki, Techniczne możliwości współspalania węgla z dużą ilością biomasy w kotłach energetycznych – technologia i zastosowanie, Międzynarodowe Targi Poznańskie i redakcja miesięcznika „Czysta Energia” [30]Kotowski W.: Parowy kocioł pyłowy elektrociepłowni sprzężony ze zgazowaniem mieszaniny biomasy i odpadów. Biomasa zdobywa energetykę zawodową, Energia Gigawat – 7-8/2004 [31]Szymanowicz R.: Wytwarzanie energii odnawialnej w procesie wspólnego spalania biomasy i węgla. Podstawy prawne i metodyczne koncesjonowania i rozliczania produkcji. Energopomiar Sp. z o.o., Zakład Techniki Cieplnej. Energetyka – 9/2007 [32]Zwierzchowski R.: Zasilana biomasą modułowa elektrociepłownia małej mocy. Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji, Politechnika Warszawska. Czysta Energia – nr 1/2006 [33] Elektrownia „RYBNIK” S.A. Grupa EdF, Produkcja energii w źródle odnawialnym, Poznań, 22 maja 2007 [34]Kruczek S., Skrzypczak G., Muraszkowski R.: Spalanie i współspalanie biomasy z paliwami kopalnymi. Poznań, Maj 2007 [35]Zuwała J.: Bariery technologiczne współspalania biomasy w energetyce na podstawie doświadczeń IChPW, Kogeneracja i współspalanie – kierunki rozwoju energetyki, 13 maja 2008 r., Poznań [36]Zaporowski B., Szczebrowski R., Wróblewski R.: Analiza efektywności energetycznej i ekonomicznej elektrociepłowni małych mocy opalanych biomasą, Polityka energetyczna tom 10, zeszyt specjalny 2, 2007 118 ROZDZIAŁ III - EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA PRZYGOTOWANIA, SPALANIA BIOMASY I ODPADÓW 119 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski, Adam Mroziński 1. Wprowadzenie Budowa, w tym konstrukcja, wytwarzanie, a przede wszystkim efektywna eksploatacja rozdrabniaczy polega na licznych teoriach-hipotezach rozdrabniania [1-11]. Znane hipotezy, np. Kicka, Rittingera, Bracha, Wolkera obejmują głównie związki energii, elementów statycznego rozdrabniania (częściowo pracy użytecznej) i ich cech geometrycznych (fragmentarycznie cech materiałowych). Nie uwzględniają zmiennych, zależnych od dynamiki stanów ruchu. Celem pracy jest próba określenia i opisu związku między objętościowymi przemianami ziarna (rozdrabnianego elementu) na drodze przejścia przez konstrukcję roboczego zespołu rozdrabniacza wielotarczowego. W opisie wykorzystano osiągnięcia i opisy podobnych procesów fizyko-mechanicznych, np. zużywania [9,10]. 2. Metoda opracowania Efektywność. Istotą rozwiązywanego zadania efektywności rozdrabniania układu (rys. 2.1) jest genetyczna optymalizacja rozdrabniacza i lokalna procesu rozdrabniania (wg kryteriów najwyższej efektywności i jakości), ponadto doskonalenie modelu stosowanego w algorytmach genetycznych ze względu na wsad materiałowy. Proces rozdrabniania (za [10]) możemy nazwać efektywnym, gdy wydajność techniczna i stopień rozdrobnienie rosną, a obciążenia i energia potrzebna do rozdrobnienia – maleją. Prowadzi to do wyznaczenia kryteriów optymalizacji procesu o [10]: 1. efektywnej wydajności, kw=Wt, Wt oznacza wydajność technologiczną, 2. efektywnym stopniu rozdrobnienia, kn=n, n – stopień rozdrobnienia, 3. efektywnych obciążeniach maksymalnych, maksymalnych sił rozdrabniania, 4. efektywnej energii nia). Rmax sr - wartość średnią Lr – wartość energii (lub użytecznej pracy rozdrabnia- Zgodnie z założeniem efektywności działania systemu, ważniejsza jest gęstość potencjału energii traconej na realizację funkcji użytecznych, czyli praca użyteczna na rozdrabnianie. Stąd w modelu efektywności procesu, można postulować wyższą efektywność gdy praca użyteczna rośnie i wtedy: kE=Lr, ale w rozdrabniaczach wielotarczowych, jak i innych rozdrabniaczach o efektywności decyduje intensywność rozdrabniania. Całkowity wskaźnik efektywności procesu (dla konkretnej maszyny i wsadu) przybiera postać: k = kw ∙ kn ∙ kR ∙ kE (2.1) Jeżeli proces I jest bardziej efektywny niż proces II, to kI>kII i takie przesterowanie zmiennych rozdrabniania wskazuje odejście od optimum w procesie II. Teoria efektywności rozdrabniania wielotarczowego ziarnistych materiałów biologicznych, polimerowych i włóknistych w recyklingu wymaga szczególnego spojrzenia, na cel jakiemu służy produkt rozdrabniania, czy będzie to: surowiec, tworzywo, materiał czy gotowy obiekt (rys. 2.1). 120 ROZDZIAŁ III - EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA PRZYGOTOWANIA, SPALANIA BIOMASY I ODPADÓW Rys. 2.1. Schemat rozdrabniania materiałów w recyklingu; a) mechanika otworowego rozdrabniania wielotarczowego, b) model sterowania systemem rozdrabniania; x-, y-zmienne systemu [2] Wyróżnikiem konstrukcyjno-technologicznym rozdrabniania są geometryczne, materiałowe i dynamiczne cechy materiału wsadowego, zespołu i w ogóle parametry ruchu w przestrzeni rozdrabniania, które również dobiera się na podstawie wyników badań i doświadczeń praktycznych. Na UTP w Bydgoszczy realizowano liczne badania na przykładzie: rozdrabniania wielootworowego (2-187 ostrzy), wielotarczowego (1-7 tarcz; relacje dwóch tarcz pokazano na rys. 1), ich fenomenów działania na granulaty wsadowe (ziarna zbóż, tworzyw i tworzyw z włóknem) o zmiennych średnicach zewnętrznych, w zakresie zmiennej prędkości podawania, mieszania, rozdrabniania (0,8-14,66 m/s) [1-7, 11]. Podwyższanie wydajności, stopnia rozdrobnienia i pracy użytecznej oraz zmniejszenie obciążeń na rozdrabnianie trzech materiałów ziarnistych, można więc potraktować jak zdekomponowane zadanie optymalizacji wielokryterialnej, wymagające nadrzędnej inteligentnej jednostki decyzyjnej, która dla jakości produktu określa stany i przemiany w systemie. Intensywność. Przy określaniu podstaw stabilnej efektywności rozdrabniania, jako przemian ziarna pod wpływem pracy użytecznej (lub energii całkowitej dostarczonej do układu) i ubytku jego objętości na drodze przejścia między elementami zespołu rozdrabniającego, przyjęto dwa stany, zależne od prędkości liniowej krawędzi otworów rozdrabniających [2, 5]: pierwszy – jałowy, gdzie następuje tylko przemieszczanie i mieszanie z wyłączeniem rozdrabniania (prędkość liniowa punktów na krawędziach - poniżej 0,7m·s-1), drugi – roboczy, z istotnymi inicjatorami rozdrabniania (powyżej 0,7m·s-1). Opisy polegają ponadto na przyjęciu założeń [1, 7, 11]: 1. liczne kontakty na drodze przejścia ziarna wpływają na jakość i efekt rozdrabniania, 2. rozmieszczenie otworów w tarczach zespołu rozdrabniającego stanowi linię w stożku wewnętrznym, rozpoczynającą się na średnicy początkowej (d) o skoku (s) i długości linii śrubowej (c) przyrastającej o grubość (g) i liczbę tarcz (n) do długości (C) – zakończonej stożkiem zewnętrznym krawędzi otworów, 3. relacje przemieszczania, mieszania i rozdrabniania ziarna (p-m-r) zależą, m.in. od warunków tarcia, cech konstrukcyjnych tarcz i rozmieszczenia otworów w tarczach, przy czym dynamiczne przemieszczanie elementów konstrukcji maszyny i ziaren (p=pm+pz), następuje w warunkach ruchu jałowego i obciążenia roboczego maszyny (pm=pj+pr), a ziaren – (pz=po+pp): ruchu osiowego i promieniowego w przestrzeni otworowo-tarczowej, 121 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski, Adam Mroziński 4. podczas przemieszczania i mieszania ziarna (p-m), oprócz ruchu ziaren po torze zbliżonym do linii śrubowej (pierwotnego), występuje również ich obrót wokół środka ciężkości (ruch wtórny); dynamika rozdrabniania eliminuje oba rodzaje ruchu (r), 5. rozdrabnianie, na parach krawędzi otworów między sąsiednimi tarczami, realizowane jest przez quasi-ścinanie, według podziału połówkowego, 6. przekrój otworów w tarczach uzależniony jest od zjawisk wypływu i możliwy do opisania wg teorii Kvapila [7]: Smin = K ∙ n ∙ (5 ∙ dz)2 gdzie: Smin – najmniejszy przekrój otworu, przez który przepływa swobodnie ziarno – m2, K – współczynnik doświadczalny (dla ziaren K=1,4), n – współczynnik kształtu otworów w tarczach, dla otworów okrągłych n=0,85, dz – średni wymiar ziaren – m. W obu stanach ruchu elementów rozdrabniania, a szczególnie w drugim - zależnie od kształtu ziaren i elementów rozdrabniających (otworów), ułożenia ich krawędzi skrawającej do kierunku ruchu - część krawędzi skrawa, część rysuje, a część wycina bruzdy w ziarnach. Stąd mamy do czynienia z dynamiczną, złożoną, objętościową intensywnością rozdrabniania na jednostkę drogi. Po przyjęciu stałych wartości wzorcowych ujętych współczynnikami, można intensywność rozdrabniania określić zależnością [7, 9]: (2.2) gdzie: U- ubytek objętościowy ziarna w dm³, L- droga (p-m-r) w m, P=Pj+PR– moc dostarczana do układu na pokonanie oporów ruchu jałowego i rozdrabniania w W, N- obciążenie jednostkowe normalne w MPa, cDR- współczynnik proporcjonalności w dm²·m-1·W-1, d - wysokość zastępcza krawędzi rozdrabniających mierzona prostopadle do kierunku ruchu w m, x=(ilkr/ilzk) stosunek liczby krawędzi rozdrabniających do ogólnej liczby ziaren i krawędzi na torze ruchu, H - twardość ziarna, y - współczynnik charakteryzujący względną liczbę ziaren i krawędzi, otworów w tarczach (CkR), przenoszących obciążenie (y=f(CkR). Intensywność, jest to miara ubytku początkowej objętości ziaren, na drodze od wejścia do wyjścia z zespołu wielotarczowego, na jednostkę mocy pobranej przez układ napędowy rozdrabniania. Pierwszy stan rozdrabniania wielotarczowego, gdzie następuje tylko przemieszczanie i mieszanie (vR<0,7m·s-1) nie przyczynia się do tworzenia ubytków objętościowych (U) w sposób jawny, jednak elementy rozdrabniania pokonują określoną drogę (L), a do układu dostarczana jest moc (Pj). Po przekroczeniu prędkości skutecznej (vR>0,7m·s-1), ujawniają się ubytki objętości w wyniku działania krawędzi skrawających z mocą rozdrabniania (PR) na drodze (L). Dynamiczna intensywność rozdrabniania jest wprost proporcjonalna do obciążenia jednostkowego (N) i odwrotnie proporcjonalna do twardości ziarna (H) i warunków konstrukcyjnych zespołu rozdrabniającego (Ck). Mechanizm rozdrabniania na- 122 ROZDZIAŁ III - EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA PRZYGOTOWANIA, SPALANIA BIOMASY I ODPADÓW leży interpretować w ten sposób, że ziarno o powierzchni S, przemieszczając się między krawędziami elementu rozdrabniającego, dociśnięte siłą normalną N, odkształca się sprężyście i plastycznie o szerokość b, spęczając się również na objętości (powierzchni) czołowej. Po zaniknięciu obciążenia odkształcenia maleją o wartość odkształceń sprężystych do σ1. Przyjmując charakter odkształcenia sprężystego, analogiczny jak przy wciskaniu kuli, otrzymuje się inny wzór na intensywność rozdrabniania: (2.3) gdzie: n - liczba ziaren przenoszących obciążenie normalne N, dz - średnica ziaren w m, k - współczynnik proporcjonalności w m³·m-1·W-1, E - współczynnik sprężystości (moduł Younga) w MPa. Ponieważ, dla ziaren, dokładne wyznaczenie naprężeń plastycznych i sprężystych wg (2.3) jest utrudnione, a o intensywności rozdrabniania decydują złożone procesy fizyko-mechaniczne, objętość, drogę i moc na rozdrabnianie oblicza się lub wyznacza z pomiarów. Również w modelowaniu i identyfikacji rozdrabniania ziaren w ruchu, według zależności (2.2), szczególnie w zakresie przemieszczania i mieszania ziaren, należy uwzględnić wpływ tarcia wewnętrznego. Z założenia nr 2 wynika, że przemieszczanie, mieszanie i rozdrabnianie odbywa się z tarciem i po torach (trajektoriach) śrubowych, w przestrzeni objętej dwiema liniami wodzącymi: L=C-c (miedzy zewnętrznymi i wewnętrznymi krawędziami otworów w tarczach, np. po spirali Archimedesa o równaniu biegunowym: r=aφ), wtedy: (2.4a i 2.4b) gdzie: λ - współczynnik określający wpływ tarcia wewnętrznego (μw) na prędkość przemieszczania ziaren (vp+m) w czasie tp+m przejścia przez zespół wielotarczowy [7]: D – średnica zewnętrzna przestrzeni rozmieszczenia linii śrubowej otworów w tarczach w m, d – średnica wewnętrzna przestrzeni rozmieszczenia linii śrubowej otworów w m, s – skok równy grubości tarcz - m. 123 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski, Adam Mroziński 3.Wyniki i dyskusja Postępowanie optymalizacyjno-efektywnościowe, według dwóch procedur: algorytmów genetycznych (konstrukcja rozdrabniacza), kryteriów efektywnościowych wg [Zawady, 2005], prowadzi do ujawnienia licznych koncepcji rozwiązań maszynowych (w pierwszym przypadku), różnorodnych udoskonaleń procesu rozdrabniania i całego systemu specjalnego (w drugim). Na wykresie zostały przedstawione wartości średnie Momentu Obrotowego, N·m. W przypadku wartości ujemnych zastosowano wartość bezwzględną. Wartości na osi X: 1-5 Tarcza 1; 6-10 Tarcza 2; 11-15 Tarcza 3; 16-20 Tarcza 4; 21-25 Tarcza 5 | M o me n t O b r o to wy | N m 40,000 35,000 30,000 25,000 20,000 15,000 PB I PB II PB III 10,000 5,000 0,000 0 5 10 15 20 25 30 Tarcze 1 - 5 Rys. 3.1. Moment obrotowy (praca Lr) na pięciu wałach napędowych tarcz T1 do T5 dla programów badań materiału ziarnistego biologicznego, polimerowego i włóknistego (PBI-PBIII) [11] Konstrukcja rozdrabniacza wielotarczowego RWT-05KZ powstała w oparciu o optymalizację genetyczną. Wyniki badań optymalizujących rozdrabnianie wpłynęły na udoskonalenia procedury genetycznej, parametrów ruchu (prędkości, momenty obrotowe, moce, przyspieszenia, przejścia masy itd.) oraz wskazały preferowane zastosowania technologii do konkretnego materiału (rys. 3.1, tabela 3.1). W tabeli 3.1 przedstawiono zestawienie wskaźników (kryteriów) efektywności rozdrabniania trzech materiałów ziarnistych, bez uwzględnienia intensywności. Z uwagi na znaną wartość pracy użytecznej (rys. 3.2, pomiar bezpośredni na wale każdej tarczy) do obliczeń podstawiano jej wartość średnią. 124 ROZDZIAŁ III - EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA PRZYGOTOWANIA, SPALANIA BIOMASY I ODPADÓW Tabela 3.1. Wskaźniki efektywności procesu rozdrabniania wybranych materiałów ziarnistych Kryterium stopnia rozdrobnienia Kryterium obciążeń, MPa-1 *Kryterium pracy N·m, J Całkowity wskaźnik k Stan optimum Lp. Materiał Kryterium wydajności kg·h-1 I. Ziarna zbóż 50,18 5,57 0,1149 29,9 960,234 Najlepszy PE-LD 64,80 3,68 0,0555 20,8 275,283 Dobry Granulat z włóknem drewnianym 34,20 3,75 0,0833 27,7 295,927 Lepszy II. III. Granulat *- w obliczeniach przyjęto bezpośrednią wartość pracy użytecznej kE=Lr, zamiast jej odwrotności W weryfikacji doświadczalnej efektywności z intensywnościa, przyjęto że trajektoria ruchu ziaren w przestrzeni zawartej między liniami wodzącymi stożka zewnętrznego i wewnętrznego (obwiedni rozmieszczenia otworów) jest: linia ciągłą - w zakresie przemieszczania i mieszania (stan pierwszy), ciągłą i przerywaną (na czas rozdrabniania) – w przypadku stanu drugiego (skutecznej prędkości krawędzi, np. dla żyta: vR>0,7m·s-1). Z uwagi na niską prędkość ziaren podczas przemieszczania i mieszania, zatrzymanie ziarna na czas quasi-ścinania i ewentualne przyspieszenie lotu ubytku ziarna na skutek odbicia po rozdrobnieniu, można przyjąć że drugi stan, dla uproszczenia ma: ciągłość trajektorii ruchu i czas tp+m+r=tp+m. Tabela 3.2. Wskaźniki objętościowej intensywności rozdrabniania na jednostkę drogi Prędk. Licz. Upocz. U rozdr. tarcz dm3 dm3 m·s-1 7 0,55 1 0 L* m Pj W PR W P* W IDR* dm3·m1·W-1 IDR/PR* dm3·m1·W-1 7,5 1,05 418 0 418 0 0 λ* vp+m tp+m m·s-1 s 0,6 0,14 2 1,11 1 0,001 0,6 0,11 2,1 0,23 374 8 382 1,13·10-5 54,4·10-5 3 1,11 1 0,009 0,6 0,09 1,9 0,17 360 16 376 14,1·10-5 331,8·10-5 4 1,11 1 0,020 0,6 0,17 2,3 00,39 390 37 427 12,0·10-5 138,6·10-5 5 1,11 1 0,500 0,6 0,30 3,7 1,11 405 71 476 94,6·10-5 634,4·10-5 6 1,11 1 0,850 0,6 0,82 5,3 4,35 388 120 508 38,5·10-5 162,8·10-5 7 1,11 1 1 0,6 0,67 4,9 3,283 400 130 530 57,5·10-5 234,3·10-5 *-obliczone z zależności matematycznych 125 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski, Adam Mroziński W tabeli 3.2 zestawiono dane pomiarowe, obliczeniowe i dwa stany dynamicznej intensywności rozdrabniania (IDR, IDR/PR). Pierwszy dla całkowitego poboru mocy, drugi dla mocy na „czyste” rozdrabnianie. Najwyższą intensywność dynamiczną rozdrabniania (634,43·10-5dm3·m-1·W-1) zespołem składającym się z pięciu tarcz (do 50% ubytku objętości ziarna) uzyskano po uwzględnieniu, w zależności (3.2), mocy (PR) - tylko na rozdrabnianie (Tab. 3.2, Rys. 3.3). Przy czym, po dodaniu mocy na ruch jałowy, uzyskano również najwyższą intensywność dla zespołu złożonego z pięciu tarcz, ale była to wartość ponad sześciokrotnie niższa (94,6·10-5 dm3·m-1·W-1). 700 600 500 Intensywność dyn. (Px10.-5) 400 300 200 Intensywność dyn. (PRx10.-5) 100 0 7 tarcz 4 tarcze 7 tarcz Rys. 3.3. Wskaźniki objętościowej intensywności rozdrabniania na jednostkę drogi, z uwzględnieniem mocy ruchu jałowego (P) i w odniesieniu tylko do mocy rozdrabniania (PR) Rozdrabnianie wielotarczowe ziaren żyta, w warunkach maszyny RWT-07JA, nawet dla 7 tarcz nie posiada zbyt wysokiej wartości dynamicznego wskaźnika objętościowej intensywności rozdrabniania, na jednostkę przebytej przez ziarno drogi. Natomiast zastosowanie wzoru (3.4a) – ze wskaźnikiem tarcia wewnętrznego λ jeszcze bardziej obniża wartość tego estymatora. Ocena wpływu tarcia wewnętrznego i jakości modelu (9.4b) zostanie poddana dalszym badaniom. Podobnie, miary jednostki ubytku objętości ziaren i cech granulometrycznych tego ubytku (produktu rozdrabniania). Uwzględniając intensywność rozdrabniania, uzyskuje się nowe wskaźniki efektywności (tabela 3.3): kID=k·IDR W ustaleniu wartości wskaźników, w tabeli 3.3, przyjęto uproszczenia: 1. całkowity wskaźnik efektywności jest stały - dla danego materiału i liczby tarcz uczestniczących w rozdrabnianiu; 2. wskaźnik intensywności rozdrabniania jest stały - dla badanych materiałów ziarnistych i dotyczy poboru mocy przez układ rozdrabniający (wszystkie opory); 3. stopniowanie stanu efektywności rozdrabniania, w kierunku jej stabilizacji, jest pojęciem subiektywnym i zależnym od zakresu zmienności badań własnych. O ile wskaźnik efektywności w tabeli 3.1 przyjmował wartości powyżej kilkuset, o tyle skorygowany przez wskaźnik ujmujący zjawiska intensywności rozdrabniania, przyjmuje wartości poniżej jeden (tabela 3.3, przedostatnia kolumna). 126 ROZDZIAŁ III - EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA PRZYGOTOWANIA, SPALANIA BIOMASY I ODPADÓW Tabela 3.3. Stany efektywności po uwzględnieniu zjawisk intensywności rozdrabniania materiałów Lp. Materiał Liczba Całkowity tarcz wskaźnik k Wskaźnik intensywności IDR Wskaźnik efektywności kID Stan efektywności*: 1. Ziarno zbóż 7 0 0 0 brak 2. Ziarno zbóż 2 960,234 1,13·10-5 0,0185 b. niski 3. Ziarno zbóż 3 960,234 14,1·10 -5 0,1354 niski 4. Ziarno zbóż 4 960,234 12,0·10-5 0,1152 niski 5. Ziarno zbóż 5 960,234 94,6·10 -5 0,9084 wysoki 6. Ziarno zbóż 6 960,234 38,5·10-5 0,3697 niski 7. Ziarno zbóż 7 960,234 57,5·10 0,5521 średni -5 8. Granulat PE-LD 7 0 0 0 brak 9. Granulat PE-LD 2 275,283 1,13·10-5 0,0031 b. niski 10. Granulat PE-LD 3 275,283 14,1·10 -5 0,0388 b. niski 11. Granulat PE-LD 4 275,283 12,0·10-5 0,0330 b. niski 12. Granulat PE-LD 5 275,283 94,6·10 0,2604 niski 13. Granulat PE-LD 6 275,283 38,5·10-5 0,10600 niski 14. Granulat PE-LD 7 275,283 0,1582 niski 15. Granulat z włóknem drewnianym 7 0 0 0 brak 16. Granulat z włóknem drewnianym 2 295,927 1,13·10-5 0,0038 b. niski 17. Granulat z włóknem drewnianym 3 295,927 14,1·10-5 0,0417 b. niski 18. Granulat z włóknem drewnianym 4 295,927 12,0·10-5 0,0355 b. niski 19. Granulat z włóknem drewnianym 5 295,927 94,6·10-5 0,2799 niski 20. Granulat z włóknem drewnianym 6 295,927 38,5·10-5 0,1139 niski 21. Granulat z włóknem drewnianym 7 295,927 57,5·10-5 0,1702 niski -5 57,5·10 -5 *0-brak efektywności; (0-0,10)-b. niski; (0,11-0,50)-niski; (0,51-0,90)-średni; powyżej 0,901 – wysoki 127 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski, Adam Mroziński Zalecenia wg [Zawada, 2005] są słuszne dla całkowitej energii na rozdrabnianie, w przypadku pracy użytecznej - ocena wskaźnika jest zaniżona i dodatkowo neguje rozwiązania o wyższej sprawności rozdrabniania. Stąd w procedurze wspomagania rozdrabniaczy IE-TEST-07_BIO podtrzymano wskaźniki sprawności rozdrabniania. Z tabeli 1 wynika, że konfiguracja systemu procesowego, sterowniczego, informacyjnego i logistycznego z ziarnem zbóż jest rozwiązaniem efektywnie optymalnym (lokalnie). Podobne wartości potwierdzono w tabeli 3.3, ale tylko dla 5 tarcz uczestniczących w rozdrabnianiu. Rozwiązania pozostałe: dla granulatu polimerowego i z zawartością włókna – są gorsze i nieoptymalne, o bardzo niskiej, niskiej i w przypadku 7 tarcz i ziaren zbóż – średniej efektywności, zmienne mogą podlegać jednak przesterowaniu. Ponadto wynika z tabeli 3.1 i tabeli 3.3, że konstrukcja rozdrabniacza jest najlepiej przystosowana do materiałów biologicznych. Funkcja przystosowania Największą szansę na udział w tworzeniu nowych osobników maja chromosomy o największej wartości funkcji przystosowania. W naszym przypadku funkcją przystosowania może być siła, energia, efektywność, egzergia (strawność w przypadku organizmów żywych) lub sprawność działania. Siła, energia, efektywność, egzergia (strawność) Siła: Podobnie jak we wcześniejszych badaniach własnych Zespołu badawczego, na podstawie doświadczeń można podać etapy dochodzenia do optymalizacyjnie przydatnej postaci funkcji przystosowania. Rozpoczyna się od zależności opisującej siły rozdrabniania maszynowego (PR) , ze składową: oporów ruchu jałowego (Pj), oporów skrawania (Pq-s - rozdrabniania przez quasi-ścinanie) i pewnej zwyżki od wzrostu prędkości zależnej od zjawisk dynamicznych (Pd): PR = Pj + Pq–s + Pd ; PR = kj ∙ vr + σmax ∙ Fr + ε ∙ F`r ∙ v2r (3.5) gdzie : - współczynnik oporów biegu jałowego (samego zespołu), N·s·m-1 , kj vr - prędkość liniowa rozdrabniania, m·s-1, σmax - maksymalne naprężenia w przestrzeni rozdrabniania, N·m-2 , Fr, Fr’ - przekroje rozdrabniania pierwotnego (na krawędziach otworów) i wtórnego (między powierzchniami tarcz, m2, ε - współczynnik proporcjonalności oporów dynamicznych , N·s2·m-4. Energia: Superpozycja oporów rozdrabniania umożliwia wyznaczenie kolejnego modelu, w postaci wskaźnika jednostkowego zużycia energii EE na rozdrabnianie, według zależności: (3.6) 128 ROZDZIAŁ III - EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA PRZYGOTOWANIA, SPALANIA BIOMASY I ODPADÓW gdzie: t – czas rozdrabniania przekroju zasadniczego i wtórnego w zespole wielootworowym, s ηS , ηP odpowiednio: sprawność silnika i sprawność przekładni w układzie napędowym rozdrabniacza, -. Efektywność energetyczna: Zależność (3.6), podobnie jak inne modele spotykane dotąd, nie uwzględnia specyfiki nakładów i korzyści energetycznych dzięki rozdrabnianiu, np. dla celów żywieniowych (znaczny przyrost strawności in vivo, lub tylko in vitro w wyniku rozdrabniania) lub spalania, więc zaproponowano model efektywności energetycznej maszynowego (np. wielotarczowego), uwzględniający przekroje, siły, energię, egzergię (strawność jako specyficzna miara jakości energii) i relacje przestrzenne rozdrabniania, w postaci: (3.7) gdzie: ΔEbio - wskaźnik przyrostu energii (egzergii surowca) w wyniku rozdrabniania, kJ/g, (0,40-0,48)Ebrutto, ηbio - wskaźnik (egzergii) produktu rozdrabniania, -, (0,50-0,98), ηz - wskaźnik (egzergii surowca, wsadu - całych nasion), -, (0,40-0,50), Ebrutto - energia brutto wsadu, (nasion, kJ/g, pszenżyto Ebrutto = 16,1 kJ·g-1, żyto – 15,7 MJ·kg-1, pszenica – 16,2 MJ·kg-1 , jęczmień – 15,9 MJ·kg-1 , owies – 16,5 MJ·kg-1), Mk - współczynnik krotności rozpatrywanej masy do 1 g. Egzergia (sprawność, jakość, strawność): Problem sprowadza się, więc do najwyższego piętra konstrukcyjnego maszyny - strawności biologicznej produktu rozdrabniania ηbio lub w ogólnym przypadku jakości energii – tj. funkcji celu, realizowanej dla konkretnego rozdrabniacza w zakresie: ruchu jałowego, quasi-ścinania zadanego przekroju i dynamicznych reakcji na wzrost prędkości, a kształtującego strawność produktu: (3.8) gdzie: ηbio<0,5 ηbio0,5-1,5 ηbio>1,5 - wskaźnik energii produktu rozdrabniania o ustalonych wymiarach frakcji, (0-0,999); f<0,5 f0,5-1,5 f>1,5 - wskaźnik frakcji wymiarowych produktu rozdrabniania, (0-1,00). Wyznaczenie wartości chwilowych wybranych wskaźników do zmiennych procesu rozdrabniania, konstrukcji rozdrabniacza wielotarczowego wymaga ponadto: wyznaczenia energii brutto wsadu, sprawności silnika i przekładni, pomiaru sił składowych, a na stanowi- 129 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski, Adam Mroziński sku z rozdrabniaczem RWT-5KZ – prędkości liniowych oraz precyzyjnego określenia masy - będącej przedmiotem szacowania. Nowa funkcja przystosowania: Założenia: Prędkość rozdrabniania jest gradientem, różnicą prędkości między: 1. obudową/pierwszą tarczą, pierwszą tarczą/drugą tarczą, drugą tarczą/trzecią tarczą, trzecią tarczą/czwartą tarczą, czwartą tarczą/piątą tarczą (tabela 3.4, tabela 3.5); 2. a w rzeczywistości trzeba liczyć różnice prędkości (Δvj+1/j) na poszczególnych promieniach, ponieważ różnice na promieniach mogą być w zakresie pierwszego maksimum efektywności rozdrabniania (ok. 1m·s-1), lub drugiego maksimum efektywności (7-8m·s-1), (tabela 3.5); 3. trzeba więc dobrać tak prędkości obrotowe, kątowe tarcz (czyli częstotliwości nastaw na falownikach, przemiennikach z zakresu 0-50Hz), aby występowała różnica prędkości między tarczami, odpowiadająca optymalnemu, oczekiwanemu zakresowi wysokiej efektywności procesu: np. ok.1m·s-1 lub/i ok. (7-8) m·s-1 (tabela 3.5); W poniższej tabeli 3.4 zamieszczono promienie wodzące rozmieszczenia otworów, odczytane z rysunków technicznych. Tabela 3.4. Wybrane cechy i parametry dla pięciotarczowego zespołu rozdrabniacza RWT-5KZ Cecha, parametr Tarcza I Tarcza II Tarcza III Tarcza IV Tarcza V Promień, R1, mm 85 82,4 79,5 79,5 82 Promień, R2, mm 101,5 107,4 95,5 99,5 102 Promień, R3, mm - - 110,5 114,5 117 Promień zastępczy, Rza, mm 93,3 95 96 100 102 Średnica zastępczy, Dza, m 0,186 0,190 0,192 0,200 0,204 Obwód zastępczy, Lza, m 0,586 0,597 0,603 0,628 0,642 Częstotliwość, f, Hz 25,6 25,2 25,2 23,8 23,4 Prędkość obrotowa, n, min-1 768 756 756 714 702 Prędkość obrotowa, n, s 12,8 12,6 12,6 11,9 11,7 80,38 79,12 79,12 74,74 73,46 -1 Prędkość kątowa, ω, rad·s -1 Prędkość liniowa quasi-ścinania na krawędziach otworów - w rzędach sąsiednich tarcz – obliczana jest z zależności: (3.9) 130 ROZDZIAŁ III - EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA PRZYGOTOWANIA, SPALANIA BIOMASY I ODPADÓW gdzie: ΔνL(i+1) - j / i - k - gradient prędkości liniowej między sąsiednimi tarczami lub obudową i pierwszą tarczą zespołu rozdrabniającego, m·s-1, v(i+1)-j – prędkość liniowa krawędzi rozdrabniającej w (i+1)-ej tarczy, w otworach na j-tym rzędzie, m·s-1, vi-k - prędkość liniowa krawędzi rozdrabniającej w i-tej tarczy, w otworach na k-tym rzędzie, m·s-1, D(i+1)-j, Di-k – odpowiednie średnice wodzące rzędów, (i+1)-ej tarczy, i-tej tarczy, w których rozmieszczono otwory na j-tym lub k-tym rzędzie z krawędziami rozdrabniającymi, m, ni+1 – prędkość obrotowa dalszej (od wlotu nadawy) tarczy, s-1, ni – prędkość obrotowa tarczy bliższej wlotu nadawy, s-1; Sprawność mechaniczna przeniesienia napędu: przekładnia – silnik: (3.10) gdzie: ηP – sprawność mechaniczna, -, Mi – moment obrotowy na wale tarczy, N·m, Ms – moment obrotowy na wale silnika, N·m; Przełożenie kinematyczne ik, ik=ωi / ωs, stąd ωi=ωs·ik oraz ωs= ωi/ik (3.11) gdzie: ωs – prędkość kątowa silnika, rad·s-1, ωi – prędkość kątowa i-tej tarczy, rad·s-1. Tabela 3.5. Cechy i parametry ruchu narzędzi rozdrabniających pięciotarczowego zespołu rozdrabniacza RWT-5KZ Cecha, parametr ruchu Tarcza I Tarcza II Tarcza III Tarcza IV Tarcza V Prędkość liniowa: tarcza I / obudowa rozdrabniacza ΔvI-1/O, m·s-1 +6,83* - - - - Prędkość liniowa: tarcza I / obudowa rozdrabniacza ΔvI-2/O, m·s-1 +8,16 - - - - Prędkość liniowa: tarcza II/ tarcza I, ΔvII-1/I-1, m·s-1 -0,31 -0,31(6,52) - - - Prędkość liniowa: tarcza II/ tarcza I, ΔvII-2/I-2, m·s-1 +0,34 +0,34(8,50) - - - Prędkość liniowa: tarcza III/ tarcza II, ΔvIII-1/II-1, m·s-1 - -0,23 -0,23(6,29) - - Prędkość liniowa: tarcza III/ tarcza II, ΔvIII-2/II-2, m·s-1 - -0,94 -0,94(7,56) - - 131 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski, Adam Mroziński Prędkość liniowa: tarcza III/ tarcza II, ΔvIII-3/II-2, m·s-1 - +0,24 +0,24(8,74) - - Prędkość liniowa: tarcza IV/ tarcza III, ΔvIV-1/III-1, m·s-1 - - -0,35 -0,35(5,94) - Prędkość liniowa: tarcza IV/ tarcza III, ΔvIV-2/III-2, m·s-1 - - -0,12 -0,12(7,44) - Prędkość liniowa: tarcza IV/ tarcza III, ΔvIV-3/III-3, m·s-1 - - -0,18 -0,18(8,56) - Prędkość liniowa: tarcza V/ tarcza VI, ΔvV-1/IV-1, m·s-1 - - - +0,09 +0,09(6,02) Prędkość liniowa: tarcza V/ tarcza VI, ΔvV-2/IV-2, m·s-1 - - - +0,05 +0,05(7,49) Prędkość liniowa: tarcza V/ tarcza VI, ΔvV-3/IV-3, m·s-1 - - - +0,04 +0,04(8,69) 25,6 25,2 25,2 23,8 23,4 Prędkość obrotowa, n, min 768 756 756 714 702 Prędkość obrotowa, n, s 12,8 12,6 12,6 11,9 11,7 Prędkość kątowa, ω, rad·s 80,38 79,12 79,12 74,74 73,46 Przełożenie kinematyczne, ik=ωi/ ω s, - 0,7647 0,8750 1,00 1,1429 1,3077 Prędkość obrotowa tarczy, nt, s-1 9,79 11,03 12,6 13,60 15,30 Promień, R1, mm 85 82,4 79,5 79,5 82 Promień, R2, mm 101,5 107,4 95,5 99,5 102 Promień, R3, mm - - 110,5 114,5 117 Częstotliwość, f, Hz -1 -1 -1 * Kolorem czerwonym zaznaczono różnice prędkości zbliżone do oczekiwanego optimum (maksimum efektywności) nr 1 lub nr 2 czy: Zmienne i wskaźniki modelu funkcji Prędkość liniowa vi-r krawędzi rozdrabniającej (quasi-ścinającej) r-tego rzędu i-tej tarvi-r=ni · Li-r, stąd ni=vi-r / Li-r gdzie: ni – prędkość obrotowa i-tej tarczy, s-1, Li-r – obwód działania narzędzia quasi-ścinającego r-tego rzędu i-tej tarczy, m. 132 (3.12) ROZDZIAŁ III - EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA PRZYGOTOWANIA, SPALANIA BIOMASY I ODPADÓW Nowa funkcja przystosowania, przyrostu jakości energii w wyniku rozdrabniania, ma postać: (3.13) gdzie: – prędkość średnia rozdrabniania na wybranej parze promieni wodzących rozmieszczenia otworów quasi-ścinających, ηk – końcowa, po przetwórstwie celowym, korygowana jakość energii wyzwolonej w wybranych warunkach, ηp – początkowa, bez/przed rozdrabnianiem, jakość energii wyzwolonej w wybranych warunkach. Końcową, po przetwórstwie celowym, korygowaną jakość energii wyzwolonej w wybranych warunkach, wyznacza się z uwzględnieniem wskaźników korygujących: (3.14) Wskaźniki korygujące: 1. korekcja optymalnej egzergii ηki , na poszczególnych stopniach (od wejścia do wyjścia surowca, rys. 3.4) rozdrabniania. Dla dozowania optymalnego, założono liniowy przyrost egzergii na poszczególnych stopniach rozdrabniania: (3.15) 2. korekcja w zakresie maksymalnego dozowania ze względu na zmiany intensywności dozowania. Wynika z zależności między intensywnością dozowania, a szybkością rozdrabniania. Ogólnie, poza zakresem optymalnego dozowania: im większa intensywność dozowania tym mniejszy przyrost powierzchni właściwej (na jednostkę objętości lub masy): (3.16) 3. (kierunek) zwrot gradient prędkości liniowej między sąsiednimi tarczami. Z założenia, dla rosnących gradientów prędkości tarcz od wejścia do wyjścia następuje dodatkowy efekt synergii, wzmocnienie potencjału energetycznego, odwrotnie dla malejących gradientów prędkości. Zupełne pogorszenie efektu egzergetycznego następuje przy przemiennie rosnącym i malejącym gradiencie prędkości na sąsiednich tarczach: 133 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski, Adam Mroziński (3.17) a) Pierwszy stopień rozdrabniania 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Dozow.opt Dozow.max b) Drugi stopień rozdrabniania 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Dozow.opt Dozow.max 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 c) Trzeci stopień rozdrabniania 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 134 Dozow.opt Dozow.max 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 ROZDZIAŁ III - EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA PRZYGOTOWANIA, SPALANIA BIOMASY I ODPADÓW d) Czwarty stopień rozdrabniania 1 0,8 Dozow.opt 0,6 0,4 Dozow.max 0,2 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 e) Piąty stopień rozdrabniania 1,2 1 Dozow.opt 0,8 0,6 Dozow.max 0,4 0,2 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Rys. 3.4. Zmiany egzergii ηki na kolejnych (pięciu, od a) do e)) stopniach rozdrabniania surowców biologicznych (ziaren pszenżyta) w rozdrabniaczu RWT-5KZ (Formit Grudziądz) 4. poziom wskaźnika jednostkowego zużycia energii. Straty energii na przyrost egzergii, w wyniku rozdrabniania, korygowane są liczbą (funkcją) wagi, zależnej liniowo od „energochłonności” rozdrabniania: (3.18) 5. przyrost powierzchni rozdrabniania. Dynamika przyrostu powierzchni właściwej (aktywnej energetycznie), nie jest liniowa w funkcji zmian konstrukcyjno-użytkowych w systemie, nie jest również w pełni poznana, stąd korekcja za pomocą odpowiednich współczynników wagi: (3.19) 135 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski, Adam Mroziński Estymacja: Zadanie minimalizacji odchylenia standardowego wybranego sterowania, np. wartości przekroju rozdrabniania dla grupy danych można w prosty sposób przekształcić w zadanie maksymalizacji – jest to zgodne z założonym sposobem wykorzystania/ interpretowania funkcji przystosowania: im większa jej wartość tym lepsze rozwiązanie. Z tego powodu rozwiązania gorsze (charakteryzujące się większym odchyleniem standardowym, czyli mniejszą wartością funkcji przystosowania) będą powolnie usuwane z populacji (naturalna selekcja) a osobniki, które pozostaną powinny charakteryzować się pożądanymi - z punktu widzenia kryteriów - cechami procesu proegzergetycznego rozdrabniania. W programie PSIISR.net istnieje opcja wyboru przez użytkownika sposobu liczenia odchyleń od średniej: − odchylenie standardowe, − wartość bezwzględna z połowy różnicy pomiędzy wartościami ekstremalnymi. Dodatkowym miernikiem jakości rozwiązania, w przypadku optymalizacji rozdrabniania, ze względu na cel rozdrabniania, jest wartość średnia przekroju dla wszystkich iteracji w pojedynczej symulacji. Znaczy to, że potencjalnie interesujące rozwiązanie powinno charakteryzować się minimalnymi fluktuacjami przekroju (a więc wszystkich pochodnych mechanicznych, energetycznych i sprawnościowych wskaźników) w „całkowitym czasie życia” oraz jego wysoką wartością średnią. Aby poprawić czas zbieżności do rozwiązania optymalnego w implementacji postanowiono ponadto zastosować funkcje nagrody i kary. Każde rozwiązanie, dla którego funkcja przystosowania jest ujemna lub równa zero ma szansę przetrwać do następnego pokolenia, co pozwala zachować różnorodność populacji istotną w operacjach genetycznych, poprzez ustawienie wartości funkcji dopasowania na bardzo małą liczbę (tu liczba 1). Taka wartość w obliczu uzyskiwanych wyników rzędu 106, może być postrzegana jako kara. Rozwiązania lepsze od przeciętnych są natomiast premiowane proporcjonalnie do średniej wartości ich przekroju (powierzchni, przyrostu powierzchni właściwej) rozdrabniania. 4. Podsumowanie W wyniku analizy, obliczeń i pomiarów osiągnięto cel pracy polegający na określeniu i opisach teoretycznych związku między objętościowymi przemianami ziarna (rozdrabnianego elementu) na drodze przejścia przez konstrukcję roboczego zespołu rozdrabniacza wielotarczowego. W opisie ujawniono istotne straty mocy na ruch jałowy, które dla małych rozdrabniaczy (P<5kW) istotnie zaniżają oceny dynamicznej, objętościowej intensywności transportowanego, mieszanego, a przede wszystkim rozdrabnianego ziarna. Między zmiennymi występują zależności o charakterze przyczynowo-skutkowym, których opis matematyczny (sprawności), jako model w algorytmach genetycznych wykorzystano w rozwoju konstrukcji rozdrabniacza. Model efektywności energetycznej rozdrabniania, posłużył do oceny procesu, a dodatkowo, w algorytmach genetycznych, do weryfikacji konstrukcji. 136 ROZDZIAŁ III - EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA PRZYGOTOWANIA, SPALANIA BIOMASY I ODPADÓW Literatura [1] Drzymałą Z. i zespół, 1992: Badania i podstawy konstrukcji młynów specjalnych. PWN, Warszawa [2] Flizikowski J., 2008: Rozdrabniacze żywności – konstrukcje specjalne. Inż. i Ap. Chem., 47(39), Nr 2/2008, s.19-21 [3] Flizikowski J., Kamyk W., Macko M., 2008: Grinding of elastic-plastics pipes. Inż. i Ap. Chem., 47(39), Nr 2/2008, s.24-26 [4] Flizikowski J., 2006: Doskonalenie badań i rozwoju rozdrabniaczy. Inż. i Ap. Chem., 45(37), Nr 1-2/2006, s.38-39 [5] Flizikowski J., 2005: Konstrukcja rozdrabniaczy żywności. Wyd. Ucz. ATR w Bydgoszczy [6] Flizikowski J., 2002: Rozprawa o konstrukcji. ITEE, Radom [7] Projekt implementacji inteligentnego systemu wspomagania konstrukcji młynów specjalnych, 2005; MNiI, ATR-AGH, Warszawa, Bydgoszcz-Kraków [8]Lis A., 2006: Komputerowe wspomaganie konstrukcji i analizy rozdrabniacza wielotarczowego. Praca WM ATR, Bydgoszcz [9] Hebda M., Wachal A., 1980: Trybologia. WNT Warszawa [10]Kałdoński T., 1996: Zużywanie ścierne w systemach tribologicznych typu tłok-cylinder. WAT, Rozprawa 2408/96, Warszawa [11]Zawada J. i zespół, 2005: Wprowadzenie do mechaniki maszynowych procesów kruszenia. Wydawnictwo ITE, Radom-Warszawa 137 138 ROZDZIAŁ IV - INSTRUMENTARIUM POMIAROWE W LABORATORIUM BADAŃ ROZDRABNIANIA 139 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski, Adam Mroziński W rozdziale rozwiązano problem polegający na zbudowaniu systemu pomiarowego charakterystyk użytkowych, stanów postulowanych rozdrabniania: jakości produktu, efektywności procesu, nieszkodliwości produktu i procesu. Gromadzenie, analiza i przetwarzanie danych na wskaźniki stanów oparto o wspomaganie komputerowe w środowisku oprogramowania LabVIEW. System pomiarowy obsługuje stanowiska technologiczne mielenia: precyzyjnego (RPW-11NT), obrotowo-wibracyjnego (LMOW-S2n2x2), sześciowalcowego (ZBPP-6W), wielotarczowego (RWT-7JA). Poza wyznaczaniem charakterystyk użytkowych pozwala badać, rozwijać, wnioskować i poznawać idee, konstrukcje, technologie rozdrabniania, mielenia. 1. Wprowadzenie Istotą systemu technicznego, w tym systemu pomiarowego rozdrabniania, jest zapewnienie efektywnego przepływu danych w przestrzeni rozdrabniania oraz zapewnienie odpowiednich procedur do osiągnięcia założonego poziomu poznania całego systemu technicznego, w kontekście wyszczególnionych potrzeb rozwoju, innowacji i postępu [1, 4, 5]. Jeśli proces dotyczy obróbki materiałów biologicznych (np. ziarna, pasze, żywność), ale również materiałów polimerowych, poszczególne potrzeby operacyjne muszą być odpowiednio zdefiniowane i realizacja wsparcia musi odbywać się z uwzględnieniem szczególnych właściwości materiału, konstrukcji i samego procesu [2, 3, 6, 7, 8, 9, 10, 11]. Celem opracowania jest zaproponowanie podsystemów komputerowego wspomagania badań: efektywności procesu, jakości produktu, nieszkodliwości produktu i procesu rozdrabniania w systemie o dużej złożoności. 2. Cele, stany postulowane rozdrabniania Przyczyną poszukiwania nowych warunków technicznych (nWk) są, postulowane społecznie, lepsze wartości, czyli lepsze charakterystyki użytkowe, stany postulowane SPR(Q,e,nS,t) systemu, procesu, produktu i środowiska rozdrabniania (tabela 10.1) [Tomporowski A. 2011., Flizikowski J., 2013, Flizikowski, J., 2005]: Jakość (Q,t) wsadu i przemiału (produktu, surowca) o pożądanych dalszym przetwórstwem cechach (rys. 2.1). Mierzona jest stopniem rozdrobnienia jako odpowiedź procesu rozdrabniania na zadane wartości nastawy, stany i przemiany w tym fizyko-chemiczne w maszynie i materiale w stosunku do wyniku modelowego rozważania i w oczekiwaniu na wyliczony w założeniach technologicznych produkt (zależność (2.1), (2.2)), w przeróbce mechanicznej surowców mineralnych, ceramicznych, biologicznych i chemicznych. 140 ROZDZIAŁ IV - INSTRUMENTARIUM POMIAROWE W LABORATORIUM BADAŃ ROZDRABNIANIA Rys. 2.1. Materiał wsadowy, charakterystyka granulometryczna ziaren pszenicy (d50=2,73 mm) (badania własne) Rys. 2.2. Widok stanowiska technologicznego do rozdrabniania precyzyjnego z rozdrabniaczem RPW-11TN: 1- zbiornik z nadawą (materiał do rozdrabniania), 2- wlot materiału i powietrza o wymaganym podciśnieniu, 3- zbiornik na produkt (wlot produktu i wylot powietrza do aspiratora), 4- podsystem sterowania i kontroli Do wyznaczenia średniej wielkości ziarna rozpatrywanego zbioru stosuje się siatkę Rosina-Rammlera-Bennetta, która opiera się na zależności Rosina-Rammlera-Bennetta o postaci: (2.1) gdzie: R(d) – funkcja pozostałości, do – wymiar ziarna charakteryzujący zbiór ziaren, n – wykładnik potęgowy zależności Rosina-Rammlera-Bennetta, czyli współczynnik kierunkowy prostej odpowiadającej krzywej ziarnowej przestawionej w siatce Rosina-Rammlera-Bennetta (RRB) [Sidor J., 2005]. Rozkład granulometryczny materiału wsadowego uzyskany z urządzenia pomiarowego Camsizer przedstawiono na rysunku 2.1. Wydajność całkowita: ważne są następujące rodzaje wydajności (zależność (2.3)): gwarantowane (w umowie) przez producenta czy dostawcę młyna lub układu mielącego. Są to wydajności: godzinowa, zmianowa, dobowa, tygodniowa, miesięczna, kwartalna i roczna. Eksperymentatora najczęściej interesuje wydajność godzinowa. Przez wydajność klasy użytecznej dla niniejszego rozważania rozumie się tzw. uzysk granulometryczny. 141 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski, Adam Mroziński Tabela 2.1. Wykaz zależności matematycznych dla stanów postulowanych Parametr Zależność Nr gdzie: Jakość Q - funkcja jakości jako norma w przestrzeni, np. euklidesowej, λ - stopień rozdrobnienia, odpowiedź procesu rozdrabniania, λ*- stopień rozdrobnienia, odpowiedź modelu procesu rozdrabniania. (10.2) (10.3) Wydajność (10.4) Moc Jednostkowe zapotrzebowanie energii w której Qc = const i Qm ⇒ Qc , (10.5) Efektywność: - energetyczna (10.6) - ekonomiczna - ekologiczna 142 w której: q(0;1), przy λ = const, Qm = Qmmax = const, Qc = const lub Qm ⇒ Qc, Ej ⇒ min, e - wskaźnik efektywności, N - nakłady energii, finansów, zasobów środowiskowych, Δ - przyrost korzyści energetycznych, ekonomicznych, ekologicznych. ROZDZIAŁ IV - INSTRUMENTARIUM POMIAROWE W LABORATORIUM BADAŃ ROZDRABNIANIA Nieszkodliwość dla: q(0;1), przy λ = f(n, ∆nij), (10.7) Moc czynną, pobraną w zależności od liczby użytych walców roboczych oraz od ilości zadanego na wejściu materiału. Zmienność mocy pobranej przez jednostkę napędową (silnik, przekładnie), walce rozdrabniające podczas rozdrabniania i ruchu jałowego, a także moc wynikową procesu mielenia (zależność (2.4)). Jednostkowe zapotrzebowanie energii na proces rozdrabniania. Jest to jeden z parametrów efektywności procesu mielenia (zależność (2.5)). Jest ono szczególnie ważne w procesach masowych oraz w procesach bardzo drobnego i koloidalnego mielenia. Bardzo ważnym zagadnieniem jest dobór możliwie najwyższej sprawności napędu młyna oraz urządzeń pomocniczych układu mielącego [Flizikowski J., Bieliński K., 2013; Sidor J., 2005]. Efektywność (e,t) energetyczna, ekologiczna i ekonomiczna działania nowej idei i konstrukcji młyna i innych urządzeń w instalacji czy linii technologicznej; określana jest pośrednio, wyznaczając wydajność, zapotrzebowanie mocy, emisje gazów, np. CO2, korzyści i koszty działania (zależność (2.6)). Nieszkodliwość (nS,t) oddziaływania produktu, procesu, układu procesowego (rozdrabniania) na otoczenie, środowisko i w wewnętrznych relacjach mierzona jest obniżaniem zużywania (w rozwiązaniu konwencjonalnym) nośników nieodtwarzanych i odtwarzalnych energii (w rozwiązaniu alternatywny), eliminowaniem destrukcyjności operatora i jego stanowiska, środowiska, maszyn i urządzeń technicznych (zależność (2.7)). Każde zaoszczędzenie 1 GWh energii cieplnej to zmniejszenie o 311,7 Mg emisji CO2 (137 kg/GJ), a zaoszczędzenie 1 GWh energii elektrycznej to zmniejszenie (3,08x!) o 960,2 Mg emisji CO2 (355 kg/GJ). Nieszkodliwość nośników i destrukcyjność można metodycznie również sprowadzić do wskaźników emisyjnych [Flizikowski J., Bieliński K., 2013]. Systemy pomiarowe Proces rozdrabniania wymaga dostarczenia nie tylko nadawy, ale również, ze względu na specyfikę konstrukcji i procesu, powietrza o określonych parametrach. Na rys. 2.2 przedstawiono widok stanowiska technologicznego do rozdrabniania precyzyjnego rozdrabniaczem RPW-11TN. Sam system pomiarowy obejmuje oprócz rozdrabniacza RPW-11TN, młyn obrotowowibracyjny (rys. 2.3), młyn sześciowalcowy i rozdrabniacz wielotarczowy, a przede wszystkim moduły pomiarowo-sterujące i przemienniki częstotliwości. 143 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski, Adam Mroziński Rys. 2.3. Schemat wielostanowiskowego układu sterująco-pomiarowego z przemiennikami częstotliwości, młynem obrotowo-wibracyjnym, młynem sześciowalcowym i rozdrabniaczem wielotarczowym Układ pomiarowy przeznaczony jest do sterowania zespołami napędowymi oraz rejestracji parametrów pracy następujących urządzeń: − młyn laboratoryjny 6-walcowy − rozdrabniacz tarczowy RWT-7JA − młyn wibracyjny LMOW-S2n-2x2 W budowie układu pomiarowego wykorzystano urządzenia: − zestaw komputerowy i oprogramowanie laboratoryjne LabView 2014 − układ akwizycji i sterowania LabJack − zestaw przemienników częstotliwości firmy Nord. Układ jest zbudowany z (rys. 2.3 i rys. 2.4): − jednostki przetwarzająco obliczeniowej z klawiaturą, monitorem wraz z oprogramowaniem: Windows 8.1, LabView 2014 i oprogramowaniem specyficznym w języku LabView − serwera portów szeregowych RS232 umożliwiającego komunikację z przemiennikami częstotliwości wg protokołu MOD BUS − modułu akwizycji i sterowania LabJack 6,0 szafy sterowniczej z zespołem przemienników częstotliwości 144 ROZDZIAŁ IV - INSTRUMENTARIUM POMIAROWE W LABORATORIUM BADAŃ ROZDRABNIANIA Zestaw obliczeniowo-wizualizacyjny - PC, w tym procesor: −Intel® Core™ i5-2400 (6M Cache, 3.10 GHz), ilość rdzeni 4, ilość pamięci operacyjnej 8 GB, 6 portów USB 2.0, 2 porty USB 3.0, Windows 8, obudowa przemysłowa RACK19” −Monitor 19’’ AG Neovo C-19, D-SUB, DVI, Audio, monitor 4:3 wykonany w technologii LCD z nakładką dotykową, przekątna 19 cali, rodzaj matrycy TN, rozdzielczość nominalna 1280 x 1024 piksele, rodzaj podświetlenia TFT, kontrast 60000:1, jasność 250 cd/m², wielkość plamki 0.294 Oprogramowanie LABVIEW − wersja Labview 2014 Premium Suite 779447-35 – licencja bezterminowa − producent National Instruments Rys. 2.4. Stanowisko badań rozdrabniania materiałów uziarnionych na trzech młynach: obrotowo-wibracyjnym LMOW-S2n-2x2, sześciowalcowego ZBPP, siedmiotarczowego RWT-7JA, wraz z szafa sterowniczą i pulpitem sterowniczym Oprogramowanie pomiarowo sterujące − środowisko programistyczne: LabView − sterowanie napędami poprzez 3 przemienniki częstotliwości − sterowanie w trybie on-line, płynna regulacja prędkości obrotowej, − funkcja timera − wizualizacja graficzna parametrów mierzonych procesów głównych i towarzyszących − archiwizacja mierzonych parametrów 145 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski, Adam Mroziński − interfejs graficzny operatora − wydruk parametrów pracy LABJACK U6 - wielofunkcyjny moduł wejść i wyjść analogowych i cyfrowych − wejścia analogowe 14SE lub 7DIF − rozdzielczość 16-18 bitów (zależnie od szybkości próbkowania) − próbkowanie 4-50 kHz − bufor pamięci FIFO 512-984 próbek − zakresy wejściowe ±10V, ±1V, ±0.1V − wzmacniacze instrumentalne na wejściach − wzmocnienia 1x, 10x, 100x ustawiane programowo − zakres wejściowy dopuszczalny ±12V − impedancja wejściowa 1GΩ − wyjścia analogowe 2 − 20 linii wejść/wyjść cyfrowych − zasilanie i połączenie z komputerem przez − producent LabJack USA − zabudowany w obudowie 19” Rys. 2.5. Pulpit sterowniczy z wyposażeniem: LabJack U6, zasilacze, monitor, komputer przemysłowy PC, szafa z urządzeniami sterowania 146 ROZDZIAŁ IV - INSTRUMENTARIUM POMIAROWE W LABORATORIUM BADAŃ ROZDRABNIANIA Dostępne są 3 programy uruchamiane ze skrótów na Pulpicie (rys. 2.6): − do sterowania młynem laboratoryjnym 6-walcowym − do sterowania rozdrabniaczem tarczowym RWT-7JA − do sterowania młynem wibracyjnym LMOW-S2n-2x2 Wyniki: Napęd bębnów: − Napięcie [V] − Prąd fazy U [A] − Prąd fazy V [A] − Prąd fazy W [A] − Prędkość [obr/min] −Moment obrotowy [Nm] −Moc [kW] Napęd wibratora: − Napięcie [V] − Prąd fazy U [A] − Prąd fazy V [A] − Prąd fazy W [A] − Wibracje [Hz] −Moment obrotowy [Nm] −Moc [kW] Rys. 2.6. Ikony skrótów na pulpicie, od góry: młyn obrotowo-wibracyjny, młyn sześciowalcowy, rozdrabniacz siedmiotarczowy 147 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski, Adam Mroziński Menu: −RAPORT – drukuje raport zawierający aktualne parametry pracy młyna na drukarce domyślnej (rys. 2.7) −ZAPIS – po włączeniu funkcji następuje zapis wszystkich mierzonych parametrów w pliku dyskowym. Plik ma format xls. Nazwa pliku zawiera datę i godzinę wykonania badania. Zapis odbywa się co 200 ms. W czasie zapisu pulsuje dioda LED. Dostęp do zapisanych danych z pulpitu przez skrót WYNIKI lub przez bezpośredni dostęp do katalogu c:\wyniki\ − WYJDŹ – kończy program i wyłącza napędy Przeprowadzona analiza idei i konstrukcji, np. dla przypadków przemiału ziaren pszenicy występujących w młynach walcowych, według wartości wskaźników stanów postulowanych, daje pozytywną i wysoką ocenę jego funkcjonalności. Rys. 2.7. Przykład zarejestrowanych w pliku dyskowym wyników pomiaru charakterystyk efektywności działania układu napędowego rozdrabniacza (młyna obrotowo-wibracyjnego) Postulowane stany wysokiej jakości produktu rozdrabniania (dobre rozdrobnienie dużej ilości przemiału: pszenicy - d80=0,67 mm, ryżu - 0,56 mm), efektywności energetycznej i nieszkodliwości środowiskowej – brak zanieczyszczeń metalicznych, również względem rozdrabnianych materiałów, osiągnięto w nadspodziewanie niskim zapotrzebowaniu mocy (PR=(1,08-1,11) kW - niższej od znamionowej silników), dla znaczącej wydajności masowej (Wm=(32,10-56,22) kg·h-1 - wyższej od przeciętnej, deklarowanej przez producenta dla prze- 148 ROZDZIAŁ IV - INSTRUMENTARIUM POMIAROWE W LABORATORIUM BADAŃ ROZDRABNIANIA miału). W ujęciu syntetycznym, dało to nadspodziewanie niskie jednostkowe zużycie energii (Ej=(72,26-123,32) J·g-1) i niską szkodliwość środowiskową w postaci ekwiwalentu obniżenia emisji CO2 (nS=355 kg ekw.CO2·GJ-1 zaoszczędzonej energii elektrycznej) w systemie energetyki konwencjonalnej (węglowej). Celem analizy jest określenie najbardziej prawdopodobnej wartości wielkości mierzonej oraz ocena dokładności otrzymanego wyniku. W oparciu o uzyskaną serię wyników (n) oblicza się charakterystyczne wielkości, które umożliwiają ocenę precyzji metody: - wartość średniej arytmetycznej , - odchylenie standardowe, bądź średni błąd kwadratowy wyniku „s”, - średnie odchylenie standardowe , - współczynnik zmienności metody, - przedział ufności średniej arytmetycznej. Wielkość rozrzutu wyników charakteryzuje precyzję metody. Rozrzut wyników jest to zakres pomiędzy najmniejszym, a największym otrzymanym wynikiem, natomiast gdy poszczególne wyniki bardzo mało różnią się od siebie, to metodę można zaliczyć do precyzyjnych. Dokładność metody jest to odległość otrzymanych wyników od prawdziwej wartości. Najmniejszą różnicę w wynikach, jaką jesteśmy w stanie określić nazywa się czułością metody. Pod pojęciem wykrywalności rozumie się najmniejsze stężenie graniczne, bądź też ilość wykrawanego składnika, jakie tylko można jeszcze wykryć stosując daną metodę [17]. Wartość średniej arytmetycznej określa poniższy wzór: (2.8) gdzie: xi – otrzymane wyniki, n – liczba pomiarów. Wraz ze wzrostem liczby pomiarów, dokładność średniej arytmetycznej wzrasta. Medianą nazywa się wynik środkowy, a w przypadku nieparzystej liczby wyników, wynik otrzymany po uszeregowaniu wszystkich wyników wg wielkości wzrastającej, bądź średnią arytmetyczną z dwóch środkowych wyników w przypadku parzystej liczby otrzymanych wyników. Odchylenie średnie określa powtarzalność wyników, jest to różnica pomiędzy średnią arytmetyczną absolutnych wartości poszczególnych pomiarów (xi) oraz wartości średniej ( ) [17]. (2.9) Wraz ze wzrostem dokładności pomiaru wartość maleje, a wynik pomiaru obarczony jest błędami przypadkowymi w najmniejszym stopniu. Odchylenie standardowe wykorzystywane jest do oceny błędu pojedynczego pomiaru, a określa je wzór [17]: 149 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski, Adam Mroziński (2.10) Wartości „σśr” oraz „s” są zazwyczaj bardzo zbliżone. Dla uproszczenia można przyjąć że „=0,8s”. Wielkość „n – 1” która występuje w mianowniku nazywa się liczbą stopni swobody i oznacza się ją literą „K”. Natomiast kwadrat odchylenia standardowego „s2” nazywa się dyspersją. Średnie odchylenie standardowe średniej arytmetycznej lub odchylenie średnie standardowe określa wzór: (2.11) Wariancja określana jest wzorem [17]: (2.12) Poza odchyleniem standardowym i dyspersją, przedział ufności jest bardzo ważnym parametrem matematycznym do oceny wyników: (2.13) gdzie: µ - wartość rzeczywista, t - współczynnik. Współczynnik „t” jest odczytywany z tablic wartości funkcji dla danego prawdopodobieństwa i określonej liczby stopni swobody. Przedział ufności natomiast jest przedziałem, w obrębie którego z przyjętym prawdopodobieństwem znajduje się wartość wielkości mierzonej. W czasie wykonywania pomiarów występuje rozkład błędów przypadkowych. Na osi rzędnych odkładane są wartości „x”, natomiast na osi „y”, prawdopodobieństwo otrzymania tych wielkości podczas analizy. Opierając się o wyznaczoną krzywą Gaussa można stwierdzić, że średnia arytmetyczna wszystkich pomiarów, jest najbardziej prawdopodobną wartością jaka może wystąpić, wywnioskować można również fakt iż małe odchylenia są bardziej prawdopodobne niż występowanie dużych odchyleń, a wszystkie odchylenia od średniej arytmetycznej, te dodatnie oraz te ujemne, są tak samo prawdopodobne. Podczas zwiększania średniego odchylenia standardowego, krzywa Gaussa ulega spłaszczeniu (Rys. 2.8.) [17]. 150 ROZDZIAŁ IV - INSTRUMENTARIUM POMIAROWE W LABORATORIUM BADAŃ ROZDRABNIANIA Rys. 2.8. Rozkład błędów przypadkowych Rys. 2.9. Krzywe Gaussa Jeśli dla scharakteryzowania wyniku xi, zostanie przyjęta jego liczebność pojawiania się, to zależność tej liczebności od odchylenia można wyrazić za pomocą teoretycznej funkcji tzw. gęstości prawdopodobieństwa, którą przedstawia poniższy wzór: (2.14) gdzie: δ – odchylenie standardowe. 151 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski, Adam Mroziński W przypadku normalnego rozkładu błędów z przyjętą liczbą pomiarów „n”, przedział ufności średniej wartości , można obliczyć z poniższych wzorów [17]: (2.15) gdzie: μ – rzeczywista wartość mierzona, – średnia arytmetyczna wartości z pomiarów (2.16) (2.17) (2.18) (2.19) Analiza błędów jest słuszna tylko w przypadku wykonanej dużej liczby pomiarów, natomiast w praktyce bardzo często zachodzi konieczność analizy wyników z stosunkowo małą liczną pomiarów. W takim przypadku wykorzystuje się współczynnik „t-Studenta”. Prawdopodobny bezwzględny błąd wartości średniej arytmetycznej można określić z poniższego wzoru: (2.20) gdzie: s – średni kwadratowy błąd poszczególnego pomiaru, – średni kwadratowy błąd wartości średniej arytmetycznej. Przedział ufności określa się z wzoru [17]: (2.21) Statystyczna ocena wyników umożliwia wskazanie błędu absolutnego średniej arytmetycznej oraz błędu względnego tej wartości „ ”, a także przedziału ufności z przyjętym dowolnym prawdopodobieństwem, który wskaże w jakim przedziale znajduje się wartość rzeczywista wielkości którą mierzymy [17]. (2.22) 152 ROZDZIAŁ IV - INSTRUMENTARIUM POMIAROWE W LABORATORIUM BADAŃ ROZDRABNIANIA Opracowanie wyników przeprowadzonych pomiarów polega na : 1)Zebraniu wszystkich danych z badań oraz zapisaniu ich na komputerze klasy PC. 2) Eksportowaniu danych za pomocą dostępnej opcji programu do arkusza kalkulacyjnego MS Excel. 3)Otworzenia zapisanego wcześniej arkusza kalkulacyjnego MS Excel i obliczeniu wartości średnich arytmetycznych, odchyleń standardowych oraz zweryfikowaniu statystycznej rozkładu t-Studenta poniższych wielkości: - momentu obrotowego wirnika w trakcie rozdrabniania Mc, - momentu obrotowego wirnika podczas pracy bez obciążenia Mi, - prędkości obrotowej wirnika n, - wydajności rozdrabniacza W, - zweryfikowaniu statystycznych wartości, następnie obliczeniu jednostkowego zużycia energii Er. 4) Dokonaniu powtórnych badań zasadniczych dla wielkości odrzuconych w wyniku negatywnych weryfikacji statystycznej, a następnie ponownym przeanalizowaniu ich według punktu 3. 5)Zapisaniu wyników analizy sitowej w programie bazodanowym. 6) Eksportowaniu wyników badań zasadniczych. 7) Dokonaniu analizy błędów pomiarowych. 8) Wykonaniu równań regresji wielowymiarowej dla analizowanych wartości zmiennych zależnych oraz niezależnych w programie Statistica 10 Trial. 3. Podsumowanie Cel opracowania, polegający na zaprojektowaniu i wdrożeniu nowoczesnych podsystemów komputerowego wspomagania badań: efektywności procesu, jakości produktu, nieszkodliwości produktu i procesu rozdrabniania o dużej złożoności został osiągnięty. Rozwiązano problem pomiaru, gromadzenia i analizy charakterystyk użytkowych, stanów postulowanych rozdrabniania. Gromadzenie, analiza i przetwarzanie danych na wskaźniki stanów oparto o wspomaganie komputerowe w środowisku oprogramowania LabVIEW. System pomiarowy obsługuje stanowiska technologiczne mielenia: precyzyjnego (RPW-11NT), obrotowo-wibracyjnego (LMOW-S2n2x2), sześciowalcowego (ZBPP-6W), wielotarczowego (RWT-7JA). Poza wyznaczaniem charakterystyk użytkowych pozwala badać, rozwijać, wnioskować i poznawać idee oraz konstrukcje, technologie rozdrabniania, mielenia. Istotą systemu technicznego, w tym systemu pomiarowego rozdrabniania, jest zapewnienie efektywnego przepływu danych w przestrzeni rozdrabniania oraz zapewnienie odpowiednich procedur do osiągnięcia założonego poziomu poznania całego systemu technicznego, w kontekście wyszczególnionych potrzeb rozwoju, innowacji i postępu. Obróbka materiałów biologicznych (np. ziarna, pasze, żywność), materiałów polimerowych, odpowiednie zdefiniowane celów poznania odbywa się z uwzględnieniem szczególnych właściwości materiału przetwarzanego, konstrukcji maszyny i parametrów procesu rozdrabniania. 153 Józef Flizikowski, Andrzej Tomporowski, Adam Mroziński Literatura: [1] Armstrong, J.E. Lingenfelser, L. McKinney, 2007. Appl. Eng. in Agriculture 23, nr 6, 793. [2] Flizikowski J., Bielinski K., 2013. Technology and Energy Sources Monitoring: Control, Efficiency, and Optimization. Wydawnictwo: IGI GLOBAL USA 2013; ISBN13: 9781466626645, ISBN10: 146662664X, EISBN13: 9781466626959, pp. 248. [3] Flizikowski, J., 2005. Konstrukcja rozdrabniaczy żywności. WU UTP, Bydgoszcz. [4] Flizikowski J., 2002. Mechanical engineering of grain milling. Acta Agrophysica No. 63, , p.25–37. [5] Hoffman, D. Ngonyamo-Majee, R.D. Shaver, 2010. Journal of Dairy Science nr 4, 1685 [6] Jankowski M., Tyszczuk K., Kopacz S. 2009. Algorytm optymalizacji rozdrabniania nasion oleistych z wykorzystaniem programowania genetycznego. Inżynieria i Aparatura Chemiczna, nr 2/2009, 48(40). [7]Macko M., 2011. Modeling and simulation of multi-edge comminution. Scientific monograph “Machine Modeling and Simulation”. ISBN 978-80-8075-494-5. Wyd. University of A. Dubček in Trenčin, s. 87–92. [8]Macko M., 2011. Metoda doboru rozdrabniaczy wielokrawędziowych do przeróbki materiałów polimerowych. Wydawnictwo Uniwersytetu Kazimierza Wielkiego, Bydgoszcz, ISBN 978-83-7096-821-2, ss. 177. [9]Macko M., 2011. Comminution as an important stage in recycling in Damanhuri E.: Recycling / Book 2. ISBN 978-953-307-1150-2, intechweb.org. [10] Pahl M. H., 1993. Zerkleinerungstechnik. Praxiswissen Verfahrenstechnik. Mechanische Verfahrenstechnik: Auflage, Leipzig. [11]Sadkiewicz J., 2014. Prowdrożeniowe badanie efektywności pracy wielotarczowego rozdrabniacza ziaren zbóż. Dysertacja doktorska, WIM UTP, Bydgoszcz, [12]Sadkiewicz K., Sadkiewicz J., Sadkiewicz J., 2005. Polskaja aparatura dlja issledowanji zierna, muki, i hljebobulocnyh izdielji. WU ATR, Bydgoszcz , ss.156. [13]Sidor J., 2005. Badania, modele i metody projektowania młynów wibracyj-nych. UWND AGH, Kraków. [14] Śmigielski G., Macko M., Tyszczuk K., 2013. System sterowania rozdrabniacza precyzyjnego. Pomiary, Automatyka, Kontrola. vol. 59, 10’ 2013, s. 1009-1011, ISSN 0032-4140. [15] Tomporowski A, Opielak M., 2012. Structural features versus multi-hole grinding efficiency. Eksploatacja i Niezawodność & Maintenance and Reliability 2012; 14 (3): 223-228. [16] Tomporowski A., Flizikowski J., 2013. Charakterystyki ruchowe wielotarczowego rozdrabniacza ziaren zbóż. Przemysł chemiczny 92/4(2013), Warszawa, s.498-503. [17] Tomporowski A., 2012. Ekspl. i Niezaw. – Maint. and Reliab., nr 2, 150. [18] Tomporowski A., Opielak M., 2012. Ekspl. i Niezaw. – Maint. and Reliab., nr 3, 223. [19] Tomporowski A., 2011. Inż. i Ap. Chem., nr 3, 75. [20] Tyszczuk K., 21008. Konstrukcyjno-przetwórcze sterowanie stopniem rozdrobnienia nasion gorczycy. Inżynieria i Aparatura Chemiczna, nr 2/2008, 47(39). [21] Vishwakarma R. K., Shivhare U. S., and Nanda S. K., 2012. Predicting Guar Seed Splitting by Compression between Two Plates Using Hertz Theory of Contact Stresses. Journal of Food ScienceVol. 77, Nr. 9, p. 231-239. [22]Zawada J. i zespół, 2005. Wprowadzenie do mechaniki maszynowych procesów kruszenia. Wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom/Warszawa. 154 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy 155 Marek Macko 1.Wprowadzenie Projektowanie, konstruowanie i budowa rozdrabniaczy biomasy realizowane jest po uwzględnieniu wielu kryteriów, między innymi tych, które dotyczą właściwości materiału, oczekiwanego stopnia rozdrobnienia, wymaganego sposobu rozdrabniania i innych. Spełnienie tych wymogów jest możliwe po wdrożeniu nowoczesnych narzędzi, takich jak komputerowe systemy wspomagania projektowania CAD/CAE oraz aplikacji sztucznej inteligencji AI. Narzędzia te stosowane są coraz częściej w praktyce inżynierskiej [1, 2, 3, 4, 5, 8, 10, 11, 13, 14, 18, 19,]. Cechuje je szereg zalet, takich jak: skrócenie czasu zaprojektowania nowych rozwiązań, zmniejszenie kosztów wytworzenia prototypów poprzez utworzenie modelu wirtualnego i szczegółowe badania mechanizmów wykonane w standardzie komputerowym. Rozwój metod komputerowego projektowania i badań maszyn jest ważnym czynnikiem w procesie obniżania jednostkowego zapotrzebowania energii oraz podwyższania: efektywności działania systemów przetwarzania mechanicznego, jakości przetwarzanych produktów, a przede wszystkim jakości konstrukcji zespołów maszyn przetwórczych [3, 4, 6,]. Podczas projektowania maszyn, w tym rozdrabniaczy przeznaczonych do biomasy, powstają informacje potrzebne w kolejnych etapach procesu zaspokajania potrzeb: - w projektowaniu procesu technologicznego, - w wytwarzaniu, - testowaniu, - uruchamianiu, - podczas eksploatacji. Aktualnie wszystkie z wymienionych powyżej etapów wspomagane są narzędziami komputerowymi. Okazuje się bowiem, że im większe nakłady przewiduje się na etapie projektowania (badania modelu komputerowego) tym niższe są koszty finalne wytwarzania [3]. 2. Elementy współczesnych systemów projektowania W oparciu o komputerowe metody wspomagania eksperymentu, badań, projektowania i eksploatacji maszyn możliwe staje się określenie dopuszczalnego zakresu zmiennych – cech konstrukcyjnych. Poprzez analizę procesu, symulacje komputerowe oraz eksperyment można z dużym przybliżeniem – przy zmianie cech konstrukcyjnych i relacji między tymi cechami – dla wybranej grupy maszyn, oszacować zakres zmian charakterystyk użytkowych w badaniach quasi-statycznych i modelowych. Przy projektowaniu rozdrabniaczy biomasy oczekiwanym efektem jest określenie zakresu zmienności tych cech konstrukcyjnych, przy których następuje poprawa charakterystyk użytkowych procesu. W procesie projektowo-konstrukcyjnym, w którym koncepcja nowej maszyny zostaje utrwalona na nośniku informacji, następuje przygotowanie jej do utworzenia dokumentacji konstrukcyjnej. Współczesne formy zapisu wykonane w standardzie 2D i 3D stanowią podstawę do budowy modeli mechanizmów i złożeń. Na tym etapie wykonane są zwykle wstępne analizy dynamiczne i kinematyczne, na podstawie których oczekuje się między innymi oceny poprawności konstrukcyjnej, wykrycia kolizji, doskonalenia konstrukcji poprzez modyfikację zespołów funkcjonalnych i napędowych w układach rozdrabniacza i modelu komputerowego (rys. 1). 156 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy Zapis konstrukcji Elementy maszyn Elementy maszyn Elementy maszyn Elementy maszyn Analiza kinematyczna i dynamiczna Metody elementów skończonych Model złożenia, mechanizmu przygotowany do analizy kinematycznej i dynamicznej Symulacja wytrzymałościowa Elementy maszyn Elementy maszyn Rys. 1. Etapy komputerowego projektowania maszyn Modelowy układ wyposażony w szereg sensorów podłączonych poprzez karty A/C z komputerem, służy do weryfikacji założeń konstrukcyjnych i analizy dynamicznej pod kątem zmniejszenia zapotrzebowania energii. Dane z badań wykorzystane są do uaktualnienia baz komputerowych rozwiązań maszynowych. Wszystkie utworzone modele i dokumentacja są w pełni sparametryzowane i skojarzone ze sobą. Oznacza to, że zmiana dowolnego wymiaru w dokumentacji wykonawczej powoduje automatyczną modyfikację modelu przestrzennego lub złożenia i odwrotnie, jakakolwiek zmiana w modelu jest automatycznie przenoszona na wszystkie skojarzone dokumenty. 3. Metodyka projektowania rozdrabniaczy biomasy W zaproponowanej metodyce projektowania ustalane są warunki użyteczności maszyny określone przez cechy konstrukcyjne maksymalizujące sprawność i wydajność oraz minimalizujące zapotrzebowanie mocy, jednostkowe zapotrzebowanie energii, rozproszenie energii, moment obrotowy, prędkości kątowe, liniowe i obrotowe: Ck , = f ( η , W , Ne↓, EΤ ↓, Μ ↓, ω ↓, v ↓, n ↓) gdzie: Ck - rozwiązanie zadania projektowo-konstrukcyjnego rozdrabniacza biomasy. W metodyce wykorzystuje się elementy symulacji komputerowej. Symulacja komputerowa ma na celu odtworzenie przebiegu badanego procesu na podstawie jego modelu matematycznego za pomocą komputera oraz zbadanie wpływu otoczenia (sygnały wejściowe) i wewnętrznych właściwości obiektu (parametry procesu) na charakterystyki obiektu. 157 Marek Macko Kolejność działań symulacyjnych zawiera zwykle następujące zadania [3, 17]: - określenie cech symulacji (sformułowanie problemu), - utworzenie modelu fizycznego (koncepcyjnego), - określenie zmiennych i parametrów, - wybór narzędzi, - utworzenie modelu matematycznego, - utworzenie i uruchomienie modelu komputerowego, - weryfikacja modelu symulacyjnego, - określenie programu badań komputerowych, - przeprowadzenie eksperymentów komputerowych, - ocena wyników, - wizualizacja wyników obliczeń (również animacja komputerowa), - opracowanie wniosków, - opracowanie sprawozdania. Rys. 2. Wygląd modelowego stanowiska badawczego procesów maszynowych wykonanego w standardzie 3D (SolidWorks) Współczesne systemy projektowania, dzięki olbrzymim możliwościom obliczeniowym komputerów i oprogramowania, stwarzają szerokie pole zastosowań, których celem jest poszukiwanie nowych i poprawa istniejących rozwiązań konstrukcyjnych. Wybrane wyniki i analizy z prowadzonych prac w takim ujęciu, można znaleźć w wielu pracach [2, 7]. Bardzo często, etapem początkowym jest utworzenie koncepcji konstrukcyjnych rozdrabniaczy, wersji studialnych do wstępnej weryfikacji (rys. 3). 158 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy Rys. 3. Studialne wersje układów dezintegrujących do biomasy; w układzie pionowym i poziomym wałka napędowego. Wersje układów rozdrabniaczy wykonane jako złożenia (SolidWorks) Na podstawie analizy różnorodnych koncepcji dokonuje się wyboru grupy dedykowanych rozwiązań konstrukcyjnych. Często stosowanymi układami, szczególnie w przypadku biomasy, są rozdrabniacze nożowe, otworowe i bijakowe [6, 8, 9, 20]. Dla rozdrabniacza wielootworowego przedstawiono kolejne fazy przemieszczania dwóch sąsiednich tarcz (rys. 4). Natomiast na rys. 5 zaprezentowano model złożenia rozdrabniacza bijakowego przygotowanego w aplikacji SolidWorks. W oparciu o ten model przedstawino na kolejnych rysunkach analizy wartości momentu obrotowego i prędkości elementów roboczych (rys. 6). Badania wykonano dla czterech różnych prędkości obrotowych. Rys. 4. Koncepcja oraz interpretacje geometryczne wzajemnego przemieszczania się tarcz rozdrabniacza wielootworowego 159 Marek Macko Zespół rozdrabniacza bijakowego składa się z 7 rzędów pojedynczych podzespołów rozdrabniających, z których każdy jest montowany oddzielnie na wał napędowy rozdrabniacza. Każdy z nich składa się z 8 bijaków. W całkowitym układzie do rozdrabniania używanych jest 56 bijaków. Długość pojedynczego bijaka nie przekracza 90 mm a jego grubość 5 mm. Zastosowanie stopniowych zakończeń bijaków wpływa pozytywnie na efektywność rozdrabniania. Pierwsze próby wykonano przy prędkości obrotowej 290 obr/min i 435 obr/min, próbka numer 1 została wprowadzona do leja zasypowego, a następnie uruchomiono symulację. Czas badania ustalono na 1 sekundę. Rys. 5. Widok głowicy rozdrabniacza bijakowego – a): 1- obudowa zewnętrzna, 2- lej zasypowy, 3- obudowa przód, 4- bijak, 5- układ odprowadzający rozdrobniony materiał, 6- element mocowania bijaków, 7- sito, 8- płyta intensyfikująca. Widok zespołu bijaka – b) Do analizy przyjęto następujące wymiary próbki o średnicy zewnętrznej 12 mm. 160 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy Rys. 6. Widok okna programu SolidWorks/CosmosMotion dla próbki nr 1, wraz z wykresami momentów zarejestrowanych na wałku wyjściowym przy prędkości obrotowej 290 obr/min – a), 435 obr/min – b), 580 obr/min – c) oraz 725 obr/min –d) Po przeprowadzeniu analizy istnieje możliwość weryfikacji sposobu, w jaki próbka dostaje się do komory rozdrabniającej oraz w jaki sposób zostanie obciążona elementami rozdrabniającymi (krawędziami roboczymi w przestrzeni między nożem a płytą intensyfikującą). Z badań symulacyjnych wynika, że przy prędkościach 580 obr/min i 725 obr/min jest większe prawdopodobieństwo aby próbka wpadała do komory rozdrabniającej i jednocześnie występował skuteczny kontakt z bijakiem. Badania wykazują również znaczny wpływ prędkości obrotowej na wartość momentu obrotowego. W tym celu sporządzono wykres maksymalnych wartości momentów obrotowych występujących w próbce i porównano je do pola przekroju danej próbki. Wykresy wielkości momentu obrotowego i pola przekroju są umieszczone poniżej (rys.7). 40000 wartość m om entu obrotowego 35000 30000 25000 Prędkość 290 obr/min Prędkość 435 obr/min 20000 Prędkość 580 obr/min Prędkość 725 obr/min 15000 10000 5000 0 1 2 3 4 5 6 Numer próbki Rys. 7. Przebieg maksymalnych wartości momentów obrotowych występujących w badanych próbkach 161 Marek Macko Porównując dane na wykresach zauważyć można że największe zmiany amplitudy wartości momentu obrotowego zachodzą przy prędkościach 435 i 580 obr/min, a najmniejsze przy 290 i 725 obr/min. Uzyskanie zbliżonych do rzeczywistych wartości wymaga precyzyjnego określenia parametrów wejściowych (rys. 8). Rys. 8. Pola dialogowe ustalenia parametrów wejściowych w programie SolidWorks i Cosmos/Motion: przyspieszenie i siła a) dane materiałowe, b) określenie współczynników tarcia Na etapie weryfikacji konstrukcji wykorzystuje się aplikacje do symulacji wytrzymałościowych. Często wykorzystywaną jest metoda elementów skończonych (MES) [3, 21]. Na jej podstawie weryfikuje się obszary, w których występuje koncentracja naprężeń. Na rys. 9 zaprezentowano przykładowy widok próbki poddanej naprężeniom w modelowym zestawie rozdrabniacza nożowego. Rys. 9. Rozkład naprężeń w próbce poddanej obciążeniom podczas jednokrotnego ścinania 162 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy 4. Aplikacje AI w projektowaniu rozdrabniaczy 4.1. Systemy ekspertowe w konstruowaniu rozdrabniaczy w inżynierii żywności Stosowanie systemów ekspertowych (SE) należy historycznie do najstarszych aplikacji z zakresu sztucznej inteligencji - funkcjonujących z powodzeniem również w naukach technicznych. Problematyka SE obejmuje wiele zagadnień do rozwiązania, począwszy od akwizycji wiedzy, ekspertów dziedzinowych, poprzez zagadnienia związane z jej strukturalizacją, kodyfikacją oraz oceną poprawności. Wśród tych zagadnień wyróżnić można problematykę weryfikacji baz wiedzy, mającą bezpośredni wpływ na jakość bazy wiedzy, a co za tym idzie, na jakość docelowego systemu ekspertowego [1, 2, 14, 18, 22]. Zaproponowano w pracy system CAKE (ang. Computer-Aided Knowledge Engineering), będący elementem pakietu SPHINX, który został utworzony jako narzędzie wspomagające inżyniera wiedzy w procesie tworzenia i rozwijania aplikacji, uruchamianych z poziomu systemu ekspertowego PC-Shell [14, 22]. Dostarczono tu rozbudowane mechanizmy edycji i kontroli poprawności bazy wiedzy, system CAKE umożliwia szybkie i wygodne zaprojektowanie struktury bazy oraz zdefiniowanie wszystkich jej elementów, zabezpieczając jednocześnie przed trudnymi do wychwycenia błędami. Użytkownik zwolniony jest z konieczności dokładnego zaznajamiania się ze składnią obowiązującego języka opisu wiedzy oraz korzystania z zewnętrznych edytorów tekstu w celu stworzenia aplikacji eksperckiej. Istotnym z punktu widzenia jakości systemu jest akwizycja wiedzy rozumiana jako proces pozyskiwania, gromadzenia i strukturalizowania wiedzy dziedzinowej niezbędnej do realizacji baz wiedzy systemu ekspertowego. Ważną rolę w realizacji systemu ekspertowego odgrywają eksperci dziedzinowi, stanowiący najczęściej źródło wiedzy. Chociaż coraz większą rolę odgrywają systemy automatycznego pozyskiwania wiedzy z danych (rys.10). Większość zrealizowanych dotychczas systemów ekspertowych wykorzystuje do reprezentowania wiedzy reguły. Systemy, wykorzystujące jako podstawę reprezentacji wiedzy reguły nazywane są systemami regułowymi. Powszechność tego sposobu reprezentowania wiedzy wynika z wielu zalet takiego formalizmu. Głównymi zaletami jest jego prostota i ogólność. Rys. 10. Ogólna struktura typowego systemu ekspertowego 163 Marek Macko Obszarem zastosowań dla systemów ekspertowych są złożone problemy konstrukcyjne, diagnostyczne i decyzyjne realizowane w oparciu o często fragmentaryczną, nie w pełni określoną wiedzę. Zaproponowano, w ramach prac własnych, w oparciu o metodykę akwizycji i zarządzania danymi o procesie rozdrabniania tworzyw sztucznych – projekt systemu, w którym zebrane dane posłużą do budowy i uaktualnienia zintegrowanych baz w obrębie systemu ekspertowego zorientowanego na poszukiwanie konstrukcji rozdrabniacza o najwyższym współczynniku sprawności. Zrealizowano, między innymi, etap badań zorientowany na projektowanie rozdrabniaczy do tworzyw polimerowych z zastosowaniem SE [14]. Impulsem do podjęcia prac nad utworzeniem wspomnianego systemu był fakt posiadania wielu rozproszonych baz wiedzy o procesie rozdrabniania (głównie badania własne), konstrukcji rozdrabniaczy oraz tworzywach rozdrabnianych. Pierwotna implementacja wykorzystania baz wiedzy obejmowała przede wszystkim wyniki dotyczące rozdrabniania wielokrawędziowego. Metodyka badań oparta została o elementy sztucznej inteligencji – w tym systemy ekspertowe, wyróżniające się między innymi tym, że występuje tutaj: - jawna interpretacja wiedzy i oddzielenie jej od procedur sterowania, - zdolność wyjaśniania znalezionych przez system rozwiązań problemów, - przetwarzanie wiedzy wykorzystujące głównie przetwarzanie symboli, w mniejszym zaś stopniu przetwarzanie numeryczne, - do rozwiązania problemów wykorzystywane są głównie różne metody rozumowania (wnioskowania), w mniejszym zaś stopniu algorytmy. Reguły powinny być czytelne dla użytkowników końcowych aplikacji, co ma duże znaczenie dla powodzenia praktycznych zastosowań technologii systemów ekspertowych. Jednocześnie ta cecha ułatwia wprowadzenie mechanizmów wyjaśnień, które w niektórych obszarach zastosowań mają ogromne znaczenie praktyczne. Reguły ułatwiają przyrostową budowę bazy wiedzy i powiększanie jej (doskonalenie) w miarę zdobywanych doświadczeń oraz wyników weryfikacji praktycznej. Dotychczasowe wyniki badań pod kątem oceny wpływu wybranych cech konstrukcyjnych zespołu quasi-ścinającego na charakterystyki użytkowe procesu rozdrabniania biomasy w określonych zakresach dla maszyny, procesu i materiału wskazują na występowanie określonych cech, przy których należy się spodziewać poprawy efektywności procesu. Do opisu wiedzy wykorzystano język opisu bazy wiedzy systemu PC-Shell, który służy do formalnego opisu wiedzy eksperckiej z określonej dziedziny. Językami tego typu posługują się przede wszystkim inżynierowie wiedzy. Ich podstawowym zadaniem jest pozyskanie wiedzy od specjalisty, stosując różne techniki wypracowane przez teorię i praktykę dziedziny systemów ekspertowych i zakodowanie jej za pomocą jakiegoś języka formalnego. W systemie wykorzystywane są również symbole, będące tu ciągami znaków, rozpoczynającymi się od małej litery, po której może nastąpić dowolny ciąg znaków złożony z liter i cyfr oraz znaku ‘_’. Nazwy zmiennych zbudowane są podobnie jak symbole, z tą różnicą, że muszą rozpoczynać się od dużej litery. Trójka obiekt-atrybut-wartość, w pełnej postaci, ma następującą składnię: atrybut ( obiekt ) operator_relacji liczba lub atrybut ( obiekt ) = łańcuch_znakowy lub atrybut (obiekt ) = zmienna 164 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy Typowym źródłem w architekturze tablicowej jest baza wiedzy. W obecnej wersji PCShell umożliwia wykorzystanie w jednej aplikacji do dziesięciu różnych baz wiedzy, ujętych w formie źródeł wiedzy. Formalną strukturę opisu źródła wiedzy przedstawiono w temacie deklaracji. Rys. 11. Deklaracja źródeł wiedzy w module głównym Opis bazy wiedzy w systemie PC-Shell jest podzielony na pięć bloków: blok opisu plików, faset, reguł, faktów oraz sterowania. Obowiązkowe jest wystąpienie przynajmniej jednego bloku-faktów lub reguł. Ogólną strukturę opisu bazy wiedzy przedstawiono na rysunku poniżej. Nazwa_bazy_wiedzy jest dowolnym symbolem. knowledge base nazwa_bazy_wiedzy sources opis_źródeł end; facets opis_faset end; rules opis_reguł end; facts opis_faktów end; control program end; end; Rys. 12. Ogólna struktura opisu bazy wiedzy 165 Marek Macko Odwołanie do źródeł może nastąpić w programie (blok control) za pomocą instrukcji getSource i freeSource oraz solve. Nie jest możliwe ładowanie i uruchamianie źródeł jako samodzielnych baz wiedzy. Dozwolone jest natomiast wykorzystywanie tego samego źródła wiedzy przez wiele różnych aplikacji, które wykorzystują go do rozwiązania tego samego podproblemu. A ktualnie system ekspercki, na podstawie danych zapisanych w odpowiednim źródle wiedzy, jest w stanie określić efektywność energetyczną wybranego procesu oraz przedstawić jego ocenę jakościową (ocena dobra, ocena zadowalająca, ocena niezadowalająca). W obecnej wersji system działa interaktywnie. Dostępne źródła wiedzy dotyczą rozdrabniaczy wielokrawędziowych. Planowane jest poszerzenie źródeł wiedzy o inne rozwiązania konstrukcyjne rozdrabniaczy. 4.2. Wspomagana genetycznie inżynieria rozdrabniania biomasy Zrobotyzowane, zautomatyzowane, zmechanizowane, czy też zaawansowane układy maszynowe nie posiadają znamion życia i rozwoju: zdolności reprodukcji, samosterowania, ani regeneracji - zdolności będących regułą funkcjonowania pospolitych – prymitywnych i wulgarnych organizmów żywych. Można jednak założyć, że maszyny żyją przez potęgę, mądrość, bogactwo, zdrowie i czucie piękna twórców maszyn, żyją przez inżyniera-twórcę: „ja jestem, ja myślę o konstrukcji maszyny działającej według modelu matematycznego, więc – ona jest, żyje, ze mnie i mną” [7], osiąga cele, przekształca energię, reguluje i posiada wiele warstw-pięter obiektowych, problemowych i strukturalnych [7, 8, 10, 11]. Inspirację powstania metody algorytmów ewolucyjnych (genetycznych) stanowiła ewolucja naturalna, którą można zdefiniować jako tendencję doskonalenia, wymuszaną przez środowisko. Algorytmy genetyczne, jako metody rozwiązywania problemów za pomocą symulowanej ewolucji, korzystają z terminologii pochodzącej bezpośrednio z nauk biologicznych [1, 2, 7, 8]. W naukach technicznych motywację do podjęcia prac nad algorytmami ewolucyjnymi stanowiły ograniczenia metod optymalizacji [4]. Wykazano, że algorytmy ewolucyjne mogą być odpowiednim narzędziem do przeszukiwania przestrzeni rozwiązań celem wyboru najlepszych z nich ze względu na przyjęte kryterium. W pracach wykorzystano dwa mechanizmy ewolucji: wariację i selekcję. Pierwszą do koncypowania, w kierunku poszukiwań różnorodności rozwiązań konstrukcyjnych, jako mechanizm powodujący zwiększenie różnorodności populacji (przez mutację, krzyżowanie). Drugą – optymalizacyjnie, jako, że w selekcji powoduje się zmniejszanie różnorodności populacji (drogą naturalnego wymierania słabych rozwiązań i przez powielanie twórcze, płciowe – lepiej przystosowane rozwiązania produkują więcej potomstwa). Organizacją układów żywych, w tym i konstrukcji, rządzą następujące zasady [ 10, 11]: - celowości, - energii minimum (działania), - autoregulacji i - piętrowej konstrukcji. Celowość wykazuje nie tylko rozdrabniacz, cały organizm, ale każda jego część wypełniająca pewną funkcje w dynamicznym układzie zdolnym do powielania funkcji. Zasada energii minimum wyraża się w tym, że wszystkie reakcje zachodzące w rozdrabniaczu, organizmie przebiegają zawsze w kierunku zmniejszenia energii swobodnej. 166 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy Regulacja dokonuje się poprzez zmiany szybkości wzajemnych oddziaływań, wyrównywania potencjałów, reakcji chemicznych przy rozdrabnianiu. Piętrowa konstrukcja polega na tym, że każdy układ rozdrabniający, biologiczny zbudowany jest z elementów (jednostek), które połączone są w jednostki następnego rzędu itd. od molekuł po populacje organizmów. Zatem każda jednostka zbudowana jest z podjednostek, podjednostki te ze swych podjednostek itd. [11]. Model wspomagania genetycznego konstrukcji Wspomaganie genetyczne konstrukcji wielotarczowych rozdrabniaczy nasion oparto na: - genetycznej transformacji wiedzy o inżynierii rozdrabniaczy, - osiągnięciach modelowania mechaniki i energetyki rozdrabniania, - informatycznych algorytmach i programach ewolucji, innowacji i estymacji genetycznej, - wyprowadzeniu wyników estymacji, jako konstrukcyjnych koncepcji rozdrabniaczy, - dialogu algorytmów genetycznych i twórcy ze standardami wspomagania konstrukcji, - prezentacji technologicznie elastycznego dokumentu konstrukcyjnego rozdrabniacza. Genetyczna transformacja: Żeby mówić o życiu maszyn trzeba zdekodować ustabilizowane pojęcia genetyki i zaproponować, na potrzeby rozwoju konstrukcji, słowa obejmujące “genetykę maszyn” oraz odpowiadające im modele (np. wg tabeli 1). Tabela. 1. Terminy genetyczne i ich odpowiedniki w algorytmach genetycznych oraz maszynowych Genetyka Algorytmy genetyczne AG Genetyka maszyn AM Model matematyczny, symbol przydatny w AG Chromosom Ciąg kodowy Zespół, podzespół Obciążenia, moc, energia, funkcja Gen Cecha, znak, detektor Element, część, materiał Wytrzymałość, trwałość, zużycie Allel Wariant cechy Postać, wymiar, tolerancja, wartość cechy Geometryczny, materiałowy, dynamiczny, stopień uproszczenia Locus Pozycja Wzajemne relacje elementów, zespołów, maszyn Ramię, odległość, droga, bezwładność, tarcie, sprężystość, czas, Genotyp Struktura Konstrukcja Jakościowy, ilościowy, zapis konstrukcji Fenotyp Zbiór parametrów, rozwiązanie, punkt Geometryczna, materialna, działaniowa Wałek, łożysko, polimer, warstwa wierzchnia, rdzeń Epistaza Nieliniowość Stany i przemiany Modele eksploatacyjne, awarie, teorie katastrof 167 Marek Macko Mechanika i energetyka rozdrabniania: Na podstawie doświadczeń można podać integron - zależność opisującą siły rozdrabniania maszynowego (PR), ze składową: oporów ruchu jałowego (Pj), oporów skrawania (odkształceń trwałych, dekohezji, rozdrabniania przez quasi-ścinanie (Pq-s)) i pewnej zwyżki od wzrostu prędkości zależnej od zjawisk dynamicznych (Pd). Wyznaczenie wartości chwilowych integronu konstrukcji rozdrabniacza wielotarczowego wymaga ponadto: wyznaczenia energii brutto wsadu, sprawności silnika i przekładni, pomiaru sił składowych i prędkości oraz precyzyjnego określenia masy - będącej przedmiotem szacowania. Ewolucja-innowacja genetyczna: W praktyce innowacyjnej stosowane są algorytmy genetyczne wg operacji: reprodukcja, krzyżowanie, mutacja. Reprodukcja to proces, w którym indywidualne ciągi kodowe zostają powielone w stosunku zależnym od wartości, jakie przybiera dla nich funkcja celu. Po zakończeniu reprodukcji dokonywane jest krzyżowanie proste (simple crossover), które przebiega w dwóch etapach. W pierwszej fazie kojarzone zostają w sposób losowy ciągi z puli rodzicielskiej w pary. Następnie, każda para przechodzi proces krzyżowania również w sposób losowy. W algorytmie genetycznym mutacja polega na sporadycznej (tj. zachodzącej z niewielkim prawdopodobieństwem), przypadkowej zmianie wartości elementu ciągu kodowego. Jakość i przebieg procesu rozdrabniania można w jednoznaczny sposób scharakteryzować poprzez określenie wartości: cech i stopnia rozdrobnienia materiału, wydajności urządzenia oraz nakładów energetycznych. Niektóre geny wchodzące w skład chromosomu rozdrabniania (rys.13) można bezpośrednio wyizolować z chromosomów charakteryzujących poszczególne rozwiązania konstrukcyjne. Kolejne geny chromosomu będą zależne od rodzaju materiału poddawanego rozdrabnianiu. Rozwój systemu rozdrabniania następuje w wyniku zastosowania efektywnych estymatorów integronu. P R O C E S SCW SM SG CW WW GU KNU WTZ HW RZR WSR PKI SDW SOP SZR SR WD NE CR PR MU SPR SWP OW NB MO PK TW TP TPR WTW Rys. 13. Chromosom wielotarczowego rozdrabniania ziaren zbóż: SCW – skład chemiczny wsadu, SM – struktura materiału (wsadu), SG – skład granulometryczny wsadu, CW – cechy wytrzymałościowe wsadu, WW – wilgotność wsadu, GU – gęstość usypowa wsadu, KNU – kąt naturalnego usypu wsadu, WTZ – współczynnik tarcia ziaren, HW – higroskopijność wsadu, RZR – rodzaj zespołu roboczego, WSR – wielkość szczeliny rozdrabniającej, PKI – parametry kinematyczne, SDW – sposób dozowania (podawania) wsadu, SOP – sposób odbioru produktu, SZR – stopień zużycia elementów rozdrabniacza, SR – stopień rozdrobnienia, WD – wydajność procesu, NE – nakłady energetyczne, CR – czas rozdrabniania, PR – praca rozdrobnienia, MU – moc użyteczna, SPR – sprawność rozdrabniania, SWP – średnia wielkość cząstki produktu, OW – obciążenia własne, NB – nierównomierność biegu, MO – momenty obrotowe, PK – prędkości kątowe elementów skrawających, TW – temperatura wsadu, TP – temperatura produktu, TPR – temperatura przetwarzania wsadu, WTW – współczynnik tarcia wewnętrznego [11] 168 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy Pod względem genetycznym populacja składa się z osobników tworzących pulę genów, która stanowi materiał i obiekt proinnowacyjnej ewolucji (rys.14). Miarą przystosowania (dopasowania) danego osobnika w populacji jest funkcja przystosowania. Funkcja ta pozwala ocenić osobnika i na tej podstawie wybrać osobniki najlepiej przystosowane – zgodnie z ewolucyjną zasadą selekcji naturalnej. Wartość takiej funkcji w każdej iteracji, wyznaczana jest na podstawie wzoru (algorytmu) stanowiącego trzon optymalizacji. Nowa populacja osobników stanowiących zbiór potencjalnych rozwiązań, tworzona jest na podstawie funkcji dopasowania [10, 11]. W modelach tych zostały wykorzystane wartości: naprężeń w materiale, przebiegów chwilowych sił - odkształceń pojedynczych i kolektywów ziaren, energii brutto surowca i produktu rozdrabniania, sprawności układu napędowego i sił rozdrabniania maszynowego. Program IE_TEST-07_BIO. Program IE_TEST-07_BIO jest systemem inteligentnego wspomagania konstrukcji młynów wielotarczowych [10]. W programie został zastosowany model matematyczny, który wykorzystywany jest przez algorytmy genetyczne do optymalizacji konstrukcji młyna wielotarczowego w następującym zakresie zmiennych cech: - liczba tarcz i otworów w pierwszym rzędzie, - liczba rzędów i liczba otworów w pierwszym rzędzie, - „rozwiązanie zbliżone do ideału”, - maksymalna liczba otworów w pierwszym rzędzie tarczy (R1T1), - optymalna liczba otworów w pierwszym rzędzie pierwszej tarczy. Rys. 14. Schemat działania algorytmu genetycznego i procedury IE_TEST-07_ BIO [10] 169 Marek Macko Rys. 15. Genetyczne wspomaganie konstrukcji Wyprowadzenie koncepcji: Algorytmy genetyczne zostały zaimplementowane w kodzie programu Java. Charakteryzują je dwie podstawowe informacje konfigurowalne z poziomu programu: - wielkość populacji, - liczba generacji. Zalety stosowania algorytmów genetycznych: - przetwarzają zakodowaną wartość parametrów, - rozwiązanie jest szukane z pewnej populacji punktów, - wykorzystywana jest tylko funkcja celu, - stosowane są probabilistyczne metody wyboru. Procedura IE_TEST-07_BIO wyprowadza genetycznie i dosłownie na ekran „najlepszą postać konstrukcyjną...” (rys. 16), która w rzeczywistości jest propozycją, koncepcją konstrukcyjną podlegającą analizie inżynierskiej. 170 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy Rys. 16. Cechy „optymalnego” rozwiązania konstrukcyjnego, koncepcji wielotarczowego rozdrabniacza ziaren zbóż wg algorytmu genetycznego IE_TEST-07_BIO [10] Dialog wspomagania: Celowe staje się zapewnienie możliwości wymiany danych pomiędzy wykorzystywanymi aplikacjami inżynierskimi. W związku z tym został opracowany translator danych, zwany dalej aplikacją FB, wykorzystujący element pośredni, jakim jest wybrany arkusz kalkulacyjny. Aplikacja FB pozwala na tworzenie projektowanego urządzenia w tzw. trybie on line. Szczególną uwagę poświęcono wykorzystaniu zjawiska synergii, czyli nadaniu uzyskanym wynikom programów IE_TEST-07_BIO, MS EXCEL i SOLID EDGE, SOLIDWORKS, wartości inżynierskich [10, 11], w zakresie wykonania modeli 3D oraz dokumentacji płaskiej. Arkusz kalkulacyjny. Arkusz kalkulacyjny Microsoft Excel został wykorzystany jako element pośredniczący komunikacji, o zmiennych cechach konstrukcyjnych szczególnego rozwiązania, wartościach (postaci, wymiarze, tolerancji) i jednostkach, między programem IE_TEST-07_BIO ze środowiskiem MCAD UGS Solid Edge V15. Tu może nastąpić ingerencja logiczna (wg racji i kryteriów konstrukcyjnych) z poziomu nakładki FB. Program Solid Edge - w środowisku MCAD UGS Solid Edge V15 został wykonany element roboczy – tarcza (rys. 17). Model tarczy jest obiektem w pełni parametrycznym. Dzięki temu możliwe jest przeprowadzenie edycji kształtu wartości zawartych w tabeli zmiennych. Parametry modelowanej tarczy podlegające edycji zostały sprzęgnięte z odpowiednimi komórkami arkusza kalkulacyjnego. Umożliwiło to edycję jej modelowanych cech, jako obiektu przestrzennego w arkuszu kalkulacyjnym. Na rys. 17 przedstawiono dodatkowo, tablicę zmiennych oraz zakorzenione w arkuszu kalkulacyjnym dane zarządzające wartościami parametrów geometrycznych modelu 3D. 171 Marek Macko Rys. 17. Elastyczna, proinnowacyjna, konstrukcyjna dokumentacja wykonawcza. Przykładowe wyniki wspomagania genetycznego dotyczą: ziaren pszenicy, pięciotarczowego zespołu roboczego rozdrabniacza, napędzanego silnikiem elektrycznym (NS=3,5kW) o zmiennej sprawności (ηS(0,56;0,93)) i przekładnią pasowo-zębatą (ηP(0,85;0,91) [7] A lgorytmy genetyczne posiadają wiele właściwości istotnych dla procesów proinnowacyjnego przekształcania wiedzy. Bywają nazywane „algorytmami ostatniej szansy”, ponieważ pozwalają uzyskać olśniewające koncepcje konstrukcyjne nawet w tych przypadkach, gdy brak jest wystarczającej pomysłowości na efektywne rozwiązanie problemu innymi metodami [18]. Niewątpliwą ich zaletą są możliwości dokonywania optymalizacji wielokryterialnej, modelowania bardzo złożonych procesów a także zdolności do wykrywania reguł o wysokiej jakości [18]. Zaprezentowano wyniki badań wstępnych, potwierdzających możliwość zbudowania chromosomu systemu rozdrabniania, dla założeń o cyklu życia maszyn i wykorzystania algorytmów genetycznych w proinnowacyjnej budowie rozdrabniaczy. Wykazano, że aplikacja FB jest innowacyjnie merytorycznym sprzężeniem algorytmu IE_TEST-07_BIO, przez MS EXCEL, ze środowiskiem MCAD UGS Solid Edge V15. Według algorytmu można zarządzać innowacjami konstrukcji rozdrabniaczy, cechami elementów (tarcz), generowaniem zarówno modeli przestrzennych jak i płaskich, posługując się środowiskiem pośrednim, jakim jest arkusz kalkulacyjny. Organizacją i rozwojem układów technologicznych do rozdrabniania rządzą następujące zasady: celowości działania, energii (działania) minimum, autoregulacji (nawet, jeśli jest to tylko możliwość zrealizowania podziału materii) i piętrowej konstrukcji, co można sprowadzić do miar, wskaźników i modeli stabilizacji chwilowych przekrojów rozdrabniania, czyli 172 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy zwiększenia równomierności działania, a dalej do podwyższenia efektywności energetycznej przetwórstwa. Integron rozdrabniania złożony jest z jednostek o rozmiarach powierzchniowo, siłowo i energetycznie dobrze określonych i chwilowych strukturach prawie identycznych, co z założenia wypełnia warunek zastosowania procedur algorytmu genetycznego. Obszarem rozwiązania, modernizującego komputerowe wspomaganie odnowy genetycznej konstrukcji rozdrabniaczy wielotarczowych w warunkach telefonu komórkowego (telefoniczne wspomaganie koncypowania konstrukcji (TAAD)) było m.in. zaprojektowanie i wykonanie [11]: - interfejsu użytkownika, - menu, z poziomu którego będzie można, m.in.: określić kryteria optymalne, skonfigurować parametry algorytmu genetycznego, skonfigurować parametry maszyny, procesu, materiału, - podprogramu zapisującego na serwer lub do pliku otrzymane wyniki z przeprowadzonej optymalizacji, - podprogramu Midletu wyświetlającego wyniki przeprowadzanych obliczeń wraz z ilustracją graficzną w postaci wykresów. Midlet został testowany na emulatorze J2ME Wireless Toolkit. Narzędzie to zawiera większość funkcji sterowania aplikacją zwaną Midletem, które odpowiadają innym telefonom komórkowym. W związku z tym, że emulator J2ME Wireless Toolkit współpracuje z narzędziem do edycji kodu źródłowego i zawiera szereg dodatkowych możliwości (tworzenie plików *.jad i *.jar), stąd na nim testowano aplikację. Jak większość aplikacji w telefonach komórkowych, tak i ten Midlet zawiera początkowy obraz z tytułem programu, listę dostępnych funkcji w postaci listy z ikonami w menu głównym (rys. 18 i rys. 19). Rys. 18. Ekran telefonu z tytułem programu wspomagania konstrukcji rozdrabniaczy wielotarczowych TAAD-IE [11]. Rys. 19. Ekran telefonu z ustawieniem opcji realizacji wspomagania TAAD-IE [11]. 173 Marek Macko Efektem przeprowadzonych symulacji są histogramy z symulacją przekrojów quasi-ścinania (rys. 20). Rys. 20. Histogramy z symulacją przekrojów quasi-ścinania dla wybranych wariantów liczby tarcz, liczby rzędów otworów w tarczy i liczbą otworów w pierwszej tarczy. Prooptymalne koncypowanie genetyczne Głównym celem Midletu jest wspomaganie konstrukcji rozdrabniaczy wielotarczowych z zastosowaniem standardowego algorytmu genetycznego (AG, GA w języku angielskim) [10]. Nie wykorzystano jednak gotowych pakietów GA. Napisano własną klasę Genetico, która w pełni realizuje działania optymalizacyjne w programie [10]. Po wyborze opcji START PROGRAMU pojawia się ekran z możliwością wyboru czterech funkcji: O Programie, Wspomaganie, Dane, Wykres. Użytkownik ma możliwość wyboru jednej z opcji: -O Programie - informacje dotyczące programu, - Wspomaganie - możliwość konfiguracji danych związanych z algorytmem genetycznym i aktywacji procesu wspomagania obliczeń, - Dane –wybór jednej z trzech opcji zmiennych inżynierii rozdrabniania (Materiał, Maszyna i Proces) i na uzupełnianie pól danymi, wśród opcji menu podręcznego znajduje się możliwość wyboru ustawień domyślnych, - Wyniki - prezentacja wartości liczbowych z wynikami obliczeń, - Wykres – opcja ta zawiera menu niższego rzędu Pokaż, po wyborze której pojawia się ekran z wykresem prezentującym dane wpisane przez użytkownika w opcji „Dane”; możliwa jest prezentacja kilku parametrów dostępnych w menu podręcznym, 174 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy -Rozwiązanie zadania – cechy konstrukcyjne prooptymalnej koncepcji konstrukcji. Midlet zawiera interfejs użytkownika utworzony za pomocą interfejsu programistycznego - API - niskiego poziomu, jak i API wysokiego poziomu. W Midlecie dwukrotnie odwołano się do API niskiego poziomu. Pierwszy raz w momencie tworzenia ekranu początkowego. Drugie odwołanie do API niskiego poziomu nastąpiło w momencie tworzenia wykresów prezentujących wyniki graficznie (Rys. 21). Rys. 21. Prezentacja graficzna wyników badań w programie TAAD-IE [10] Prezentacja jest wywoływana z jednym argumentem, który jest obiektem innej klasy niskopoziomowego API – Graphics. Klasa ta dostarcza środków, które pozwalają na rysowanie linii, prostokątów i łuków, obszarów wypełnionych kolorem, a także na odtwarzanie tekstu na ekranie urządzenia. Rozwiązanie suboptymalne konstrukcji Na rysunku 22 przedstawiono wyniki uzyskane podczas pracy z programem TELETEST-10_GRAN uruchomionym na emulatorze komputera klasy PC. Celem optymalizacji są wszystkie parametry pakietu roboczego, dlatego w menu „Parametry alg. gen.” wszystkie elementy zostały zaznaczone. 175 Marek Macko Rys. 22. Rozwiązanie suboptymalne dla zespołu składającego się z 10 tarcz Badania symulacyjne rozdrabniaczy wielokrawędziowych Rozdrabniacze wielokrawędziowe charakteryzują się tym, że dzięki odpowiedniemu ukształtowaniu geometrii otworów w tarczach, bębnach lub listwach możliwe jest poprzez nadanie relacji wzajemnego ruchu między nimi rozdrabnianie między sąsiednimi krawędziami [6, 12, 15, 16]. W rozdrabniaczach wielokrawędziowych, analogicznie jak w rozdrabniaczach nożowych, główną operacją jest cięcie. Jest ono wynikiem współpracy noża ruchomego (tarczy, bębna), wykonującego ruch obrotowy oraz noża stałego osadzonego w obudowie urządzenia rozdrabniającego (rys. 23). W czasie cięcia obrotowego element tworzywowy oparty jest na powierzchni natarcia noża stałego. Problemem w sensie konstrukcyjnym jest problem odpowiedniego kształtowania przestrzeni roboczej maszyny – rozdrabniacza, w celu otrzymania produktu rozdrabniania o żądanym kształcie przy minimalnych nakładach energetycznych i zachowaniu wysokiej jakości produktu rozdrabniania. W rozdrabnianiu podaje się parametr jakim jest wartość jednostkowego zużycia energii procesu jako miara energii potrzebnej na rozdrobnienie 1 kg masy tworzywa i jest związana z zagadnieniem sprawności procesu. 176 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy Rys. 23. Widok ogólny rozwiązań konstrukcyjnych rozdrabniaczy wielokrawędziowych w układzie bębnowym (a) i tarczowym (b) przygotowanych do badań symulacyjnych. Do identyfikacji i oceny właściwości produktów rozdrabniania w oparciu o wybrane techniki rozdrabniania wielokrawędziowego biomasy przyjęto odpowiedzi konstrukcji – ze zbioru dopuszczalnego: maksymalizujące (sprawność, wydajność, stopień rozdrobnienia) lub minimalizujące (zapotrzebowanie mocy, jednostkowe zużycie energii, rozproszenie energii, moment obrotowy, prędkości kątowe, liniowe i obrotowe) wartości wybranych charakterystyk użytkowych [15,16]. Dzięki zastosowaniu komputerowych metod wspomagania eksperymentu, projektowania i eksploatacji rozdrabniaczy, w zintegrowanym systemie możliwe staje się określenie dopuszczalnego zakresu zmiennych – cech konstrukcyjnych rozdrabniacza w warunkach laboratoryjnych [8, 15]. Dla potrzeb obiektywnej oceny pod kątem efektywności wykorzystano układ pomiarowy, w którym istnieje możliwość rejestracji wartości chwilowych momentu obrotowego i chwilowej prędkości obrotowej wału napędowego (rys. 24). Stanowisko zostało zaprojektowane w taki sposób aby możliwa była zmiana zespołu roboczego (układu nożowego, tarczowego, bijakowego) a także zmiana położenia w układzie od poziomego do pionowego. Rys. 24. Widok rozdrabniacza laboratoryjnego RL-2005/T-W z silnikiem o mocy 3 kW 177 Marek Macko W prezentowanym rozwiązaniu zastosowano jeden z wariantów trzech tarcz umiejscowionych w komorze rozdrabniacza. Tarcza nr 2 została osadzona na wale ruchomym podczas gdy tarcze nr 1 i 3 unieruchomiono (rys. 25). Rys. 25. Układ tarcz rozdrabniacza laboratoryjnego Na podstawie analizy geometrycznej przeprowadzonej w aplikacjach CAD zaproponowano tarcze z kształtem otworów i ich rozmieszczeniem wg zaproponowanej geometrii (rys. 26): Rys. 26. Wybrane warianty geometryczne tarcz rozdrabniacza. 178 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy Implementacja algorytmu CutMAG W algorytmie zastosowano hybrydowe podejście do optymalizacji łączące klasyczne algorytmy genetyczne (AG) z optymalizacją morfologiczną (M) tworząc innowacyjne podejście do optymalizacji konstrukcji tarcz tnących (Cut) rozdrabniacza wielotarczowego. Danymi wejściowymi jest populacja osobników, z których każdy reprezentowany jest przez układ tarcz tnących. Funkcja przystosowania osobnika obliczana jest jako średnia przystosowania każdej z tarcz uzupełniona o informację opisującą zależność pomiędzy obiema tarczami. Sposób liczenia wartości funkcji jest tak dobrany by w procesie ewolucji dążyć do jej maksymalizacji: F(t)= FT1(t) + FT2(t) + FT1T2(t) FTx= FPW(t)+ FMIN(t) + FMINO(t) gdzie: F(t) – wynikowa funkcja przystosowania, FT1(t), FT2(t) – funkcje przystosowania odpowiedniej tarczy, FT1T2(t) – funkcja dopasowania układu tarcz, FPW(t) – funkcja powierzchni otworów, FMIN(t) – funkcja minimalnej szerokości materiału, FMINO(t) – funkcja minimalnego otworu. Jako sposób selekcji obrano zmodyfikowaną metodę koła ruletki, co pozwoli w przyszłości może poprawić jeszcze bardziej sprawność algorytmu przez zastosowanie lepszych metod. Operatory krzyżowania i mutacji opisane zostały w kolejnych paragrafach. Algorytm kończy się gdy w populacji pojawi się osobnik o wartości funkcji przystosowania niemniejszej niż założona. W wypadku braku takiego osobnika, gdyby algorytm osiadł na ekstremum lokalnym, działanie zakończy się automatycznie po przekroczeniu 10000 populacji. Warto jeszcze dodać, że zaproponowane podejście spełnia postulat J.H.Holland’a i reprezentuje klasyczny algorytm bez pamięci, cechujący się bezpowrotnym nadpisaniem (zastąpieniem) populacji rodziców populacją dzieci. Struktury bazowe algorytmu Algorytm optymalizacji konstrukcji tarcz tnących jest algorytmem genetycznym. W porównaniu do klasycznego algorytmu genetycznego widać różnice w pojawiającym się bloku „Optymalizacji morfologicznej” (rys. 27). Wzmiankowane tam przekształcenia morfologiczne podobne są nieco do filtrów, z tym, że element obrazu nie jest modyfikowany zawsze lecz tylko jeśli spełniony jest określony warunek. Tego typu warunkowa modyfikacja tylko tej części punktów obrazu, których otoczenie jest zgodne z elementem strukturalnym, pozwala na szczególnie precyzyjne planowanie przekształceń. 179 Marek Macko Rys. 27. Algorytm CutMAG - optymalizacji ewolucyjnej tarcz rozdrabniacza biomasy. Do klasycznych przekształceń morfologicznych można zaliczyć dylatację, erozję oraz ich kombinacje jakimi są otwarcie i domknięcie. Przekształcenia te okazały się przydatne w rozwiązaniu problemu tarcz tnących, gdyż w wyniku operacji krzyżowania i mutacji niektóre tarcze posiadały liczne niewielkie otwory, które co prawda możliwe są do wykonania przy użyciu dzisiejszych laserowych obrabiarek, ale celowość tych działań byłaby wątpliwa. Omówione wcześniej operacje erozji i dylatacji mają niestety określone wady. Zmieniają one w sposób wyraźny pole powierzchni przekształcanych obszarów. Erozja powoduje ich zmniejszenie a dylatacja zwiększa. Aby wyeliminować te wady wprowadzono przekształcenia będące złożeniem poprzednich. Są nimi wspominane poprzednio otwarcie i zamknięcie, które można zdefiniować w następujący sposób: otwarcie = erozja + dylatacja zamknięcie = dylatacja + erozja Operator selekcji Rozkład wyników selekcji osobników powinien korespondować z rzeczywistym rozkładem, jaki występuje w świecie realnym. Zatem zbytni determinizm nie jest zjawiskiem pożądanym. Mimo iż selekcja ma przebieg losowy, to jednak przeprowadza się ją w taki sposób aby osobniki o największej wartości funkcji przystosowania miały największe szanse 180 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy na wybranie do reprodukcji. W procesie wyboru nowej populacji zgodnie z rozkładem prawdopodobieństwa, określonym na wartościach funkcji dopasowania, używa się obrazu ruletki o wielkości pól wprost proporcjonalnej do wartości funkcji przystosowania. Postępowanie takie, jak już wspomniano, nazywane jest metodą koła ruletki. Metoda ta wzmiankowana była już wcześniej, jednakże jako że stanowi ona podstawę do modyfikacji użytej w algorytmie LDGen wskazane wydaje się przytoczenie większej ilości szczegółów. Poniżej zamieszczono kolejne kroki tej metody selekcji: - obliczyć wartość funkcji dopasowania eval(vi) dla każdego chromosomu vi, gdzie i ∈ [1,max_pop] - obliczyć całkowite dopasowanie populacji - obliczyć prawdopodobieństwo wyboru pi każdego chromosomu vi, gdzie i ∈ [1,max_pop] - obliczyć dystrybuantę qi dla każdego chromosomu vi, gdzie i ∈ (1,max_pop) - wygenerować losową liczbę rzeczywistą r z zakresu [0,1] - jeżeli r<q1, to wybrać chromosom vi; jeżeli nie, to wybierz chromosom vi, gdzie i ∈ [2,max_pop], dla którego zachodzi qi-1<r≤qi Rysunek 28 przedstawia wizualizację metody koła ruletki. Jak widać nazwa ma pewne uzasadnienie w schematycznym rysunku opisywanym w literaturze. Wyszukiwanie osobnika realizowane jest na tarczy ruletki wykalibrowanej proporcjonalnie do wskaźników przystosowania jakie osiągają poszczególne chromosomy. 181 Marek Macko Rys. 28. Wizualizacja metody „koła ruletki” Poniżej przedstawiono postać zmodyfikowaną klasycznej metody koła ruletki. - obliczenie wartości funkcji dopasowania sila(vi) dla każdego osobnika vi, gdzie i ∈ [1,max_pop], - obliczenie sumy wszystkich wartości funkcji przystosowania - poprawienie własności generatora pseudolosowego poprzez przeskalowanie F=F*100, - sortowanie osobników w porządku rosnącym względem funkcji przystosowania - losowanie liczby całkowitej z zakresu [0,F] 182 , ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy - wybranie pierwszego osobnika, który spełni poniższą zależność Selekcja chromosomów przeznaczonych do reprodukcji odbywa się zgodnie ze zmodyfikowana metoda koła ruletki. De facto proces selekcji przebiega zgodnie z poniższym schematem: - - - - - obliczenie sumy wszystkich wartości funkcji przystosowania. for(int i=0;i<max_pop;i++) { suma=suma+ ptr_P[i].sila; } przesunięcie w dalszy zakres wartości sumy. Dzieje się tak po to, aby generator liczb pseudolosowych mógł zadziałać w sposób bardziej zbliżony do rzeczywistej losowości. suma=suma*100; sortowanie chromosomów wg wartości funkcji przystosowania. Chodzi o uzyskanie porządku rosnącego. losowanie liczby z przedziału [0, suma] w celu wyodrębnienia osobnika. traf =random(suma); na koniec następuje wybranie osobnika wg poniższego wzoru. for(i=0;i<max_pop;i++) {suma=suma+ptr_P[i].sila; if(traf<=suma*100) {ptr_P[i].rodzic++; wynik= ptr_P[i]; break; }} Należy przy tym dodać, że sytuacja przypomina np. oś odciętych naznaczoną podziałką. Zaczynając od zera w stronę sumy następuje sprawdzenie czy wylosowana poprzednio liczba mieści się w przedziale. Jeżeli jest większa, poszukiwanie jest kontynuowane, jeżeli nie, oznacza to iż wyselekcjonowano osobnika do prokreacji. Wizualizacja metody koła ruletki przedstawiona w poprzednim paragrafie oparta była o zestaw danych zawarty w poniższej tabeli. Na tych samych danych, dla lepszego zobrazowania, oparto wizualizację zmodyfikowanej metody koła ruletki. Wizualizację tą przedstawia ostatni rysunek poniżej (rys. 29). 183 Marek Macko ilość [%] a 18 10 b 45 25 c 9 5 d 27 15 e 54 30 f 27 15 Przykładowy zestaw danych do selekcji Wizualizacja zmodyfikowanej metody „koła ruletki” Rys. 29. Wizualizacja zmodyfikowanej metody „koła ruletki” Operatory krzyżowania i mutacji Rdzeniem metody jest zastosowaniem adekwatnych do problemu operatorów krzyżowania i mutacji. Krzyżowanie dwóch tarcz przedstawiają rys. 30 do rys. 32. Układ tarcz został opisany i przedstawiony w rozdziale drugim. Krzyżowanie następuje pomiędzy tarczami na odpowiadających sobie pozycjach. Nie implementowano losowego doboru tarcza z pary ani nie analizowano jego wpływu na zbieżność algorytmu ale może to być przedmiotem dalszych badań. W efekcie krzyżowania otrzymuje się tarczę widoczną na kolejnym rysunku. W celu optymalizacji kształtu otworów tnących, można użyć zaimplementowanych operacji morfologicznych. Rys. 30. Dane wejściowe do krzyżowani 184 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy Rys. 31. Efekt krzyżowania Poniższy rysunek przedstawia tą samą tarczę na czterech etapach przetwarzania. W punkcie A znajduje się „surowy” efekt krzyżowania. Widać tam małe otwory, których wykonanie, mimo iż możliwe technicznie, nie ma praktycznego zastosowania. Punkt B przedstawia tarczę po optymalizacji morfologicznej, a konkretnie po operacji domknięcia. Rysunek C pokazuje miejsca (otwory), które ulegną zniwelowaniu w efekcie mutacji. Efekt tego zabiegu można zobaczyć na rysunku D. Rys. 32. Kolejne stany tarczy rozdrabniacza 185 Marek Macko Głównym celem zrealizowanych badań jest ocena przydatności systemów z zakresu CAD/CAE wykorzystujących metodę elementów skończonych i umożliwiających przeprowadzenie analiz kinematycznych wykonanego w systemie CAD rozdrabniacza bijakowego. Cel osiągnięto dzięki analizie wyników badań wykonanych na rozdrabniaczu wirtualnym, utworzonym w pakiecie SolidWorks. Należy wspomnieć, że wyniki uzyskane w symulacjach komputerowych obarczone są błędem wynikającym z nieprecyzyjnego ustawienia parametrów początkowych. Dodatkowo zastosowane są uproszczenia przy budowie modelu bryłowego a następnie definiowaniu modelu symulacji komputerowej. W wyniku badań i ich analiz stwierdzono, potrzebę stosowania tego typu oprogramowania przy opracowywaniu konstrukcji rozdrabniaczy. Programy tego typu umożliwiają wykrycie kolizji budowanych złożeń. Podsumowując, należy stwierdzić, że nie można się tylko ograniczać do badań symulacyjnych, ale należy zawsze uzupełnić je badaniami laboratoryjnymi. Nie powinny być one dla projektanta końcowymi wynikami tylko wyznacznikiem do dalszych badań. W dalszych symulacjach należałoby zwrócić uwagę na dokładność wykonania modeli bryłowych oraz specyfikację badanego procesu. Mimo obiecujących efektów działania algorytmów genetycznych można rozważyć poprawę sprawności metody. Udoskonalenia te mogą pójść w dwóch kierunkach. Pierwszy pozostając w domenie AG wymagać będzie użycia metod selekcji cechujących się większym determinizmem. Drugi, wydaje się ciekawszy, skoro problem rozwiązują algorytmy genetyczne to ciekawe jak poradzą sobie z nim inne metody optymalizacyjne AI. Na szczególną uwagę zasługują potencjalne zastosowanie ACO i optymalizacji rojem cząstek. Weryfikacja koncepcji i własnych rozwiązań konstrukcyjnych rozdrabniaczy biomasy Koncepcje rozdrabniaczy wielokrawędziowych i żyletkowych, opracowanych i rozwijanych w zespole UTP/UKW w Bydgoszczy, ulegają ciągłej modernizacji i weryfikacji funkcjonalnej [6, 7, 15]. Celem zmian konstrukcji oraz modyfikacji procesu rozdrabniania jest uzyskanie pewnego stanu użyteczności, sprawności i nieszkodliwości. Norma ISO 9241 z 1998 definiuje użyteczność, jako miarę wydajności, efektywności i satysfakcji użytkownika, z jaką dany produkt może być używany, dla osiągnięcia konkretnych wyznaczonych wcześniej celów. Zespół autorów przyjął założenie, iż ten cel osiągnąć można przez poszukiwanie nowych konstrukcji narzędzia, materiału narzędzia i odniesionego do tych elementów procesu, w tym przypadku procesu rozdrabniania precyzyjnego. Jak wynika z przeprowadzonych badań studialnych i doświadczeń własnych, możliwe jest zaprogramowanie eksperymentu pozwalającego na poznanie i opis szczegółowych zależności prowadzących do przemysłowego rozwoju proinnowacyjnej konstrukcji, procesu i przemysłowego wykorzystania materiału biologicznego w aspekcie efektywności rozdrabniania ocenianej wybranym wskaźnikiem - istotnym dla konkretnych zastosowań np. wskaźnikiem sedymentacji dla potrzeb paszowych (mieszanina z wodą), wskaźnikiem ubytku tłuszczu i olejków dla wybranych potrzeb. Rozdrabniacz wielokrawędziowy opiera się na konstrukcji złożonej, opartej o innowacyjne rozwiązanie narzędzi tnących [6]. Uzyskane pozytywne efekty rozdrabniania oleistych materiałów biologicznych dały podstawę do modyfikacji konstrukcji, ale również pozwoli- 186 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy ły na zmianę warunków procesu rozdrabniania. Na rys. 33 zaprezentowano możliwy zbiór elementów i zależności w procesie rozdrabniania. Rozdrabniacze wielokrawędziowe charakteryzują się tym, że dzięki odpowiedniemu ukształtowaniu geometrycznemu otworów w tarczach, bębnach lub listwach możliwe jest, poprzez nadanie relacji wzajemnego ruchu między nimi, rozdrabnianie między sąsiednimi krawędziami. Rys. 33. Wzajemne relacje geometryczne płaskowników z otworami rozdrabniacza wielokrawędziowego i nadawy (dla kąta ostrza 90o): a) oznaczenie momentów i obciążeń; Fs – siła ścinania, Mb–moment zastępczy, FH – siła prostopadła do kierunku przemieszczenia płaskowników, FV – siła styczna, FRH, FRV – siły reakcji na krawędziach listwy, s – szczelina, b) naprężenia występujące w próbce dla przemieszczenia płaskowników na odległość 75% grubości próbki; τ - naprężenia styczne, σ – naprężenia normalne W rozdrabnianiu wielokrawędziowym, analogicznie jak w przypadku rozdrabniaczy nożowych, główną operacją jest cięcie – wynik współpracy krawędzi elementów ruchomych (w tarczach lub w bębnach), wykonujących ruch obrotowy oraz krawędzi noża stałego osadzonego w obudowie urządzenia rozdrabniającego. Podczas quasi-ścinania obrotowego element tworzywowy oparty jest na powierzchni natarcia noża stałego. Należy tak dobrać parametry zasilania (dozowania wsadu) i cechy ruchu tarcz–narzędzi rozdrabniających, aby zostały zrealizowane: quasi-ścinanie oraz podstawowe funkcje: przemieszczanie i rozdrabnianie w przestrzeni między otworami. W przypadku realizacji tylko jednej z wymienionych funkcji, wskazania energetyczne są niemiarodajne. Innym problemem jest zanik funkcji rozdrabniania w ogóle i sprzeczne rozwiązanie w sensie wysokiej użyteczności (równomierności). 187 Marek Macko Weryfikujące badania laboratoryjne Stanowisko laboratoryjne zbudowano według własnej koncepcji w ramach projektów badawczych Komitetu Badań Naukowych oraz w ramach projektu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego (Badania procesu rozdrabniania tworzyw polimerowych i materiałów biologicznych w kierunku podwyższenia efektywności energetycznej. Ramę i układ napędowy wykonano w taki sposób, aby możliwy był pomiar momentów obrotowych i prędkości kątowych w dowolnym ustawieniu wałka napędowego (od pionowego do poziomego). Zaproponowano taką budowę stanowiska, w którym układ napędowy wraz z czujnikami pomiarowymi stanowi zintegrowaną bazę do prowadzenia badań z zastosowaniem różnych typów układów dezintegrujących. Wykorzystuje się wówczas końcówkę wału maszynowego, na którym osadzane są układy robocze rozdrabniacza (Rys. 34). Rys. 34. Widok uniwersalnego stanowiska badawczego rozdrabniacza biomasy, z możliwością weryfikacji różnych układów rozdrabniających. Program badań Dla prędkości 1300, 1700 i 2100 obr/min zrealizowano badania przy zmiennych wartościach siły docisku materiału (nadawy) do tarczy i bębna: 50 i 100 kN. Badania weryfikujące zrealizowano według planu dla pozostałych dwóch próbek przy prędkościach 500, 900, 1700 i 2100 obr/min. Na podstawie wyników – wartości średnich –sporządzono wykresy zapotrzebowania mocy i momentu obrotowego w zależności od prędkości obrotowej i siły docisku dla trzech rodzajów próbek (rys. 35 do 38). 188 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy Rys. 35. Wpływ prędkości obrotowej na zapotrzebowanie mocy podczas rozdrabniania biomasy 1; 1 – rozdrabniacz tarczowy z otworami walcowymi, 2 – rozdrabniacz tarczowy z otworami wielokątnymi, 3 – rozdrabniacz bębnowy 1,6 1,4 1,3 1,2 1,1 kW Zapotrzebowanie mocy, 1,5 3 1 0,9 0,8 400 900 1400 1900 Prędkość obrotowa, obr/min Rys. 36. Wpływ prędkości obrotowej na zapotrzebowanie mocy podczas rozdrabniania biomasy 2, seria 1 – rozdrabniacz tarczowy z otworami walcowymi, seria 2 – rozdrabniacz tarczowy z otworami wielokątnymi, seria 3 – rozdrabniacz bębnowy 189 Marek Macko Rys. 37. Wpływ prędkości obrotowej na zapotrzebowanie mocy podczas rozdrabniania biomasy 3, 1 – rozdrabniacz tarczowy z otworami walcowymi, 2 – rozdrabniacz tarczowy z otworami wielokątnymi, 3 – rozdrabniacz bębnowy Rys. 38. Wpływ prędkości obrotowej na moment obrotowy podczas rozdrabniania biomasy 4, 1 – rozdrabniacz tarczowy z otworami walcowymi, 2 – rozdrabniacz tarczowy z otworami wielokątnymi, 3 – rozdrabniacz bębnowy 190 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy 5. Weryfikacja środowiskowa projektowania rozdrabniaczy biomasy Zagadnienia zrównoważonego rozwoju, ochrony środowiska i potencjalnych wpływów w całym okresie życia wyrobu, począwszy od pozyskania surowców poprzez produkcję i użytkowanie rozdrabniaczy, aż do ich końcowego składowania lub gospodarczego wykorzystania, stanowią aktualny temat. Przykładami skutecznej realizacji założeń jest m.in. stosowanie metod LCA, LCM, IPP, DfE [9]. Analizie z użyciem metody LCA mogą być poddawane zarówno produkty, procesy obejmujące pełny cykl życia lub przedsięwzięcia towarzyszące tym procesom, w tym wydobycia surowców mineralnych, analizę energochłonności poszczególnych faz procesu z jednoczesnym uwzględnieniem czystości pozyskiwania energii, zapotrzebowania wody, emisji odprowadzanych do wody, gleby i powietrza, możliwości utylizacji zużytych wyrobów, czyli narodzin produktu aż do ostatecznej utylizacji lub przetworzenia czyli „śmierci”. Znanych jest wiele aplikacji, które realizują w/w założenia [9]. Już na etapie projektowania wykorzystywane są rozwiązania, których zadaniem jest pomoc w zakresie doboru najlepszego scenariusza charakteryzującego produkt o wysokim poziomie ekologiczności. Jedną z aplikacji przeznaczoną dla projektantów jest SolidWorks Sustainability. Pozwala na oszacowanie cyklu życia elementów i mechanizmów maszyn i urządzeń. Grupę maszyn, która podlega wysokim wymaganiom środowiskowym są rozdrabniacze biomasy. W ramach prowadzonych badań dokonano próby oceny wpływu na środowisko konstruowania wybranych elementów rozdrabniacza laboratoryjnego. Do analizy wykorzystano model rozdrabniacza laboratoryjnego ULR-2,0/2004 wykonany w standardzie 3DCAD (SolidWorks) (Rys. 39). Rys. 39. Model rozdrabniacza laboratoryjnego wraz z komponentami wybranymi do analizy środowiskowej Oszacowano wpływ na środowisko wybranych elementów rozdrabniacza: podpory silnika, tarczy z otworami, podstawy pod układ napędowy i podstawy rozdrabniacza. W aplikacji SolidWorks Sustainability pierwszym zadaniem w procesie oszacowania jest wybór materiału, z którego wykonano element rozdrabniacza. Zaproponowano stal narzędziową do wykonania tarczy i stal konstrukcyjną do pozostałych części. Wybór alternatywnych ma- 191 Marek Macko teriałów pozwala na porównanie klasy materiału, współczynnika rozszerzalności cieplnej, ciepła właściwego, masy właściwej, współczynnika sprężystości wzdłużnej, współczynnika sprężystości poprzecznej, współczynnika przewodzenia ciepła, współczynnika Poissona, wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności. Na wykonanie tarczy poszukiwano stali porównywalnych pod względem: współczynnika rozszerzalności cieplnej i wytrzymałości na rozciąganie. Rezultaty porównania przedstawiono na rys. 40 wskazując na istotny wpływ na środowisko udział materiału, transportu, produkcji i końca żywotności przy założeniu frezowania jako dominującego rodzaju obróbki Rys. 40. Dobór materiału na wykonanie tarczy i podpory oraz wpływ tego wyboru na środowisko Zielony kolor na wykresie oraz niższe wartości na wykresie wskazują, że wybrany materiał jest lepszym z punktu widzenia ochrony środowiska niż materiał pierwotny, reprezentowany przez czarną linię bazową. Następna opcja przewiduje wybór regionu produkcji (kontynent) oraz wykorzystania wyrobu. Uzyskane informacje przedstawione są na wykresach kołowych w odniesieniu do węgla, energii, powietrza i wody. Efektem przeprowadzonej analizy jest wskazanie na końcowy scenariusz wyrobu (rys. 41). Komponenty mogą być poddane recyklingowi, przeznaczone na składowisko odpadów lub spalone. Podaje się wówczas wskaźniki dotyczące zapotrzebowania na węgiel, zapotrzebowania na energię, zakwaszenie powietrza i eutrofizację wody. 192 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy Rys. 41. Porównanie dwóch rodzajów stali narzędziowej: 60WCrV7 (słupki górne – kolor zielony) oraz 32CrMoV12-28 (słupki dolne – kolor czarny) pod kątem wskaźników emisji dwutlenku węgla, eutrofizacji wody, zakwaszenia powietrza, całkowitego zapotrzebowania energetycznego Dane są generowane do raportu końcowego w postaci wykresów kołowych. Na rys. 42 przedstawiono orientacyjne wskaźniki oddziaływania na środowisko tarczy z otworami, a na rys. 43 podstawy rozdrabniacza. 193 Marek Macko Rys. 42. Fragment raportu końcowego dla tarczy z otworami Rys. 43. Fragment raportu końcowego dla podstawy rozdrabniacza 6. Podsumowanie Poznanie i opis wpływu cech konstrukcyjnych zespołu dezintegrującego na charakterystyki użytkowe procesu rozdrabniania biomasy wspomagany narzędziami komputerowymi CAD/CAE oraz AI opiera się na krytycznej analizie istniejącego stanu wiedzy oraz na wynikach badań własnych. Wyniki analizy stanu wiedzy pozwalają dobrać zmienne „użytecz- 194 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy ności” konstrukcji rozdrabniacza uniwersalnego i ich wskaźniki. Funkcje obiektów badań, wspomagane zasobem wiedzy merytorycznej pozwalają na opis jakościowy – w kierunku budowy modeli matematyczno-logicznych. Dzięki temu w rozdrabnianych obiektach możliwe stają się analizy rozkładu naprężeń przy wykorzystaniu MES, jak również utworzenie ujednoliconej formy zapisu i gromadzenia danych o konstrukcji rozdrabniaczy uniwersalnych. Konstrukcje rozdrabniaczy biomasy podlegają ciągłemu rozwojowi a innowacje zmierzają w kierunku osiągania coraz to lepszych charakterystyk użytkowych (rys. 44). Ważnym czynnikiem w obszarze projektowania – innowacji w zakresie rozdrabniaczy są elementy transformacji wiedzy. Za podejmowaniem tego typu prac przemawia fakt, że około 80% całkowitych nakładów na rozwój innowacji przewidziany jest w obszarze badań modeli komputerowych. Pozostałe 20% to obszar przewidziany na wytworzenie wersji prototypowej [3]. Konieczność prowadzenia badań w takim ujęciu staje się jeszcze bardziej widoczna w obszarze projektowania i badań rozdrabniaczy, w którym planowanie eksperymentu dzięki komputerowemu wspomaganiu jest jednym z pierwszych etapów. W pracy wskazano na potrzebę i celowość realizacji badań symulacyjnych rozdrabniaczy biomasy, w których możliwość generowania złożonych sposobów generowania obciążeń przy zachowaniu jednolitego systemu pomiarowego jest ogromną zaletą. Rys. 44. Elementy systemu badań symulacyjnych rozdrabniaczy Analiza wyników przekrojów i obciążeń w aplikacjach TEST-4-TPTS oraz IE_TEST07_BIO umożliwiła określenie wstępnych relacji wymiarowych tarcz i bębnów dla znanych właściwości materiałowych. Stanowi to początkowy etap doboru cech konstrukcyjnych w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy. Symulacje mają charakter uniwersalny, ponieważ zakres danych wejściowych został poszerzony o dodatkowe moduły opisujące właściwości 195 Marek Macko nadawy i produktu rozdrabniania oraz kryteria procesu. Dodatkowo symulacje przeprowadzone w środowisku SolidWorks umożliwiły weryfikację najkorzystniejszych warunków wytrzymałościowych podczas jednokrotnego rozdrabniania przy wykorzystaniu MES. Określono obszary intensywnych obciążeń w próbce. Np. w zakresie symulacji rozdrabniacza laboratoryjnego wskazano na zróżnicowane wartości siły kontaktowej występującej podczas rozdrabniania w przedziale prędkości obrotowych 200-500 obr/min dla wariantu tarczowego i bębnowego. Aplikacje sztucznej inteligencji z powodzeniem wykorzystano do doboru konstrukcji rozdrabniaczy wielotarczowych biomasy oraz do projektowania/doboru kształtu otworów w tarczach quasi-ścinających. Celem jest adaptacja nowoczesnych metod projektowania w poszukiwaniu innowacyjnych rozwiązań konstrukcyjnych przestrzeni rozdrabniacza. Założono, że wiedza pochodząca z realizacji prac badawczych w zakresie symulacji, badań jednokrotnego rozdrabniania oraz z badań laboratoryjnych może zostać skodyfikowana i ułatwić dobór rozwiązania konstrukcyjnego w zależności od właściwości nadawy. Na tym etapie korzystano ze szkieletowego systemu ekspertowego Sphinx produkcji firmy AITECH. W poszukiwaniach geometrycznych tarcz rozdrabniacza wielokrawędziowego wykorzystano aplikacje algorytmów genetycznych. Opracowano program tAG_Project1, w którym na podstawie metod selekcji, krzyżowania i mutacji generowano konstrukcje tarcz o zdefiniowanych cechach geometrycznych. Obecnie istnieją technologie, w których skomplikowany kształt otworów nie stanowi trudności jego wykonania. Uzasadnia to rozważenie wdrożenia tej metody do projektowania rozdrabniaczy. W metodzie, której algorytm przedstawiono na rys. 25 wyróżnia się 5 etapów. Pierwszy z nich to wstępna ocena podatności materiału na rozdrabnianie. Na tej podstawie określa się wymaganą wartość maksymalną sił niezbędnych do wywołania naprężeń niszczących w próbce. W drugim etapie wdrażane są procedury komputerowe obciążeń i przekrojów oraz aplikacji sztucznej inteligencji. W oparciu o modele numeryczne rozdrabniania określa się zakres wymaganych cech konstrukcyjnych, szczególnie tarcz i bębnów. Na tym etapie ocenie zostaje poddana koncepcja roboczej przestrzeni rozdrabniacza wielokrawędziowego biomasy. Trzeci etap jest weryfikacją eksperymentalną podatności materiału polimerowego na jednokrotne rozdrabnianie w warunkach statycznych i dynamicznych. Realizacja tego etapu wymagała przygotowania stanowiska badawczego wyposażonego w układ pomiarowy do rejestracji przemieszczeń, odkształceń i obciążeń. Określono zakres obciążeń dla różnych cech geometrycznych narzędzi wielokrawędziowych. Czwarty etap stanowią badania eksperymentalne rozdrabniania w warunkach rozdrabniacza laboratoryjnego ULR-2,0/2004. W badaniach określono zakres prędkości obrotowych, przy których następuje rozdrabnianie o wysokim poziomie skuteczności. Tak jak w badaniach rozdrabniania jednokrotnego niezbędne jest posiadanie bogatego instrumentarium badawczego. W piątym etapie uwzględniono wszystkie dotychczasowe płaszczyzny badań rozdrabniania wielokrawędziowego i dodatkowo uwzględniono środowiskowe aspekty projektowania, konstruowania i użytkowania rozdrabniaczy. Zaproponowana metoda wdrożeń aplikacji komputerowych w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy zawiera innowacyjny, koncepcjotwórczy i oryginalny sposób opisu matematycznego charakterystyk i wskaźników materiałowych oraz parametrów rozdrabniania w kierunku uzyskania produktu o postaci i wymiarach pożądanych dalszym wykorzystaniem. Bazy danych o cechach wsadu, produktu, maszyny i procesu rozdrabniania odpowiadają postulatowi zintegrowanego podejścia do: minimalizacji energii, precyzyjnego produk- 196 ROZDZIAŁ V - Narzędzia CAD/CAE oraz AI w projektowaniu rozdrabniaczy biomasy tu po rozdrobnieniu, samosterowania systemu na maksymalizację funkcji rozdrabniania i minimalizację nakładów towarzyszących podczas transportu, mieszania, zagęszczania; piętrowej konstrukcji samego modelu integracji tworzywowej systemu oraz korzyści maszynowych do rozdrabniania biomasy. Metoda ma duże znaczenie praktyczne w zakresie odkrywania nowych konstrukcji oraz technologii i powinna być dalej rozwijana. Literatura [1] Banachowski L., Diks K., Rytter W. : Algorytmy i struktury danych WNT 2003. [2]Chan Felix T.S., K.C. Au, L.Y. Chan, T.L. Lau: Using genetic algorithms to solve quality-related bin packing problem. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 23 (2007), 71-81. [3]Chlebus E.: Techniki komputerowe CAx w inżynierii produkcji. WNT, Warszawa 2000. [4] De Jong K.A.: Learning with genetic algorithms: on overview, Machine Learning, vol. 3. [5] Farzanegan A., S.M. Vahidipour: Optimization of comminution circuit simulations based on genetic algorithms search metod. Minerals Engineering 22 (2009) 719-726. [6] Flizikowski J.: Rozdrabnianie tworzyw sztucznych, Wyd. ATR, Bydgoszcz 1998. [7] Flizikowski J., Bieniaszewski W., Macko M.: Integron and innovation algorithm of the cereal grain grinder construction. Proceedings of the TMCE 2006, Ljubljana, Slovenia. [8] Flizikowski J., Kamyk W.: Algorytmy genetyczne w konstrukcji rozdrabniaczy wielotarczowych ziarna kukurydzy. Inżynieria Maszyn 22, Bydgoszcz, 2005. [9] Flizikowski J.: Projektowanie środowiskowe maszyn. WMN - ATR Bydgoszcz 1998. [10] Flizikowski J.B., Flizikowski A.: Integron – element inteligentnego rozwoju konstrukcji rozdrabniaczy. VIISeminarium PKiS, Bydgoszcz-Białystok, 2003, s.19-20. [11] Flizikowski J.B., Kamyk W.: Chromosomy algorytmów inżynierii rozdrabniania. Inżynieria Maszyn vol.22, Wyd. ATR-SAWO, Bydgoszcz 2004, s.155-158. [12] Flizikowski J.B., Tyszczuk K., Dyrda K.: Rozdrabniacz precyzyjny biomateriałów ziarnistych. Inżynieria Maszyn vol.22, Wyd. ATR-SAWO, Bydgoszcz 2004, s.203-206. [13] Goldberg D.E.: Algorytmy genetyczne i ich zastosowanie. WNT Warszawa, 2003. [14]Macko M., Flizikowski J., Zych G.: Konstruowanie rozdrabniaczy w recyklingu z zastosowaniem systemów ekspertowych - Recykling Materiałów Polimerowych: Nauka – Przemysł. Toruń 2003. [15]Macko M.: Aspekty poboru mocy w rozdrabniaczach wielokrawędziowych. Inżynieria i Aparatura Chemiczna, Gliwice, 4/2006. IZACAX 45 (37), s. 103-104. [16]Macko M.: Modeling and simulation of multi-edge comminution. Scientific monograph “Machine Modeling and Simulation”. ISBN 978-80-8075-494-5. Wyd. University of Alexander Dubček in Trenčin, s. 87–92. [17]Mazurkiewicz A.: Transformacja wiedzy w budowie i eksploatacji maszyn. Wyd. ITE Radom 2002. [18]Rutkowska D., Piliński M., Rutkowski L.: Sieci neuronowe, algorytmy genetyczne i systemy rozmyte. PWN, Warszawa 1999. [19] Quagliarella D.[et al.]: Genetic algorithms and evolution strategy in engineering and computer science: recent advances and industrial applications. John Wiley & Sons, Chichester, 1998. [20]Opielak M.: Wybrane zagadnienia rozdrabniania materiałów w przemyśle rolno-spożywczym Wyd. AR Lublin, 1997. [21] Tarnowski W.: Podstawy projektowania technicznego. PWN 1997. [22]Materiały informacyjne zintegrowanego pakietu sztucznej inteligencji – SPHINX 4.0. 197 198