inżynieria rozdrabniania biomasy

Komentarze

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

Podobne dokumenty