авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Технология и пресс для производства топливных гранул из стеблей подсолнечника

На правах рукописи

Волков Дмитрий Сергеевич ТЕХНОЛОГИЯ И ПРЕСС ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТОПЛИВНЫХ ГРАНУЛ ИЗ СТЕБЛЕЙ ПОДСОЛНЕЧНИКА Специальность 05.20.01 – Технология и средства механизации сельского хо зяйства (по техническим наук

ам)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Зерноград 2012 2 Диссертация выполнена в ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» и ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государст венная агроинженерная академия».

Научный консультант: академик РАСХН, Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Долгов Игорь Асонович (ФГБОУ ВПО ДГТУ)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Краснов Иван Николаевич (ФГБОУ ВПО АЧГАА, проф. кафедры) доктор технических наук, старший научный сотрудник Тищенко Михаил Андреевич (ГНУ СКНИИПТИМЭСХ Россельхозакадемии, зав. лабораторией) Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет (г. Ставрополь)

Защита состоится «19 » апреля 2012 года в часов на заседании диссертационного совета ДМ 220. 001.01 при ФГБОУ ВПО «Азово Черноморская государственная агроинженерная академия» по адресу:

347740, г. Зерноград Ростовской области, ул. им. Ленина, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО АЧГАА.

Автореферат разослан «19» марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Н.И. Шабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Подсолнечник является высокорослым растением, из биомассы которого полезно используются только маслосемена, массовая доля которых составляет всего лишь 8-10 %. Известны научные исследова ния по использованию в качестве корма зерновых отходов послеуборочной обработки маслосемян. Практически используется в качестве добавок к ком бикормам шрот – отходы после отжима масла. Остальная биомасса в количе стве до 90% не используется, засоряет и затрудняет обработку полей.

В современном мире обостряются вопросы энергообеспечения. Иско паемые виды топлива по прогнозам специалистов через пару столетий будут исчерпаны. В тоже время твердое биотопливо используется человеком с пер вобытных времен. В последнее время все большую популярность приобрета ет производство топливных гранул и брикетов из возобновляемых видов сы рья, в том числе отходов сельскохозяйственного и деревообрабатывающего производства.

Поэтому разработка технологии безотходной переработки всей биомас сы подсолнечника является актуальной задачей.

Цель исследования: разработать технологический процесс безотход ной переработки биомассы подсолнечника с производством из полевых от ходов (стебли, корзинки) топливных гранул и обосновать параметры и режим работы пресса для их изготовления.

Объект исследования. Процесс переработки полевых отходов подсол нечника в топливные гранулы и шестеренный пресс для их изготовления.

Предмет исследования. Закономерности формирования твердых гра нул из измельченных стеблей и корзинок подсолнечника.

Научная новизна состоит в обоснованных параметрах технологическо го процесса сбора отходов подсолнечника в поле, предварительной подго товки сырья и производства топливных гранул шестеренным прессом, новиз на совершенствования которого подтверждена патентом на полезную модель № 90733, реализация которой позволила:

изучить физико-механические, теплофизические свойства измельчен ных отходов подсолнечника и исследовать их влияние на процесс формиро вания топливных гранул;

установить зависимости удельных затрат энергии и качества получае мых гранул от гранулометрического состава, влажности и температуры из мельченных отходов подсолнечника, получить математическую модель про цесса подготовки сырья к гранулированию;

обосновать подачу сырья и частоту вращения матрицы шестеренного пресса для изготовления качественных топливных гранул.

Практическая значимость работы заключается в разработанной без отходной технологии выращивания подсолнечника с переработкой его поле вых отходов в топливные гранулы и обоснованном режиме работы пресса для их изготовления, использование которой позволяет:

получить дополнительный доход от выращивания подсолнечника пу тем переработки засоряющих поле отходов в топливные гранулы;

очистить поля от стеблей и корзинок подсолнечника;

изготавливать гранулы из измельченных отходов подсолнечника с ми нимальными затратами энергии и с должным качеством на шестеренном прессе с модернизированной матрицей (патент №90733 на полезную модель);

получить дополнительный годовой экономический эффект от исполь зования разработанной технологии, который сопоставим со стоимостью ос новной продукции от выращивания подсолнечника (стоимости маслосемян).

На защиту вынесены следующие основные положения:

физико-механические и теплофизические свойства измельченных отходов подсолнечника;

закономерности сжатия измельченных отходов подсолнечника;

модель подготовки (кондиционирования) отходов подсолнечника к прессованию;

параметры и режим работы шестеренного пресса для изготовле ния топливных гранул;

дополнения к методике инженерного расчета пресса.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО «Донской государственный технический университет» и ФГОУ ВПО «Азово Черноморская государственная агроинженерная академия». Разработанная технология и рекомендации по результатам исследований проверены в про изводственных условиях холдинга ООО «ЮгАгроХолдинг» и ООО « Дон МаслоПродукт» Ростовской области.





Публикация результатов исследования. Результаты исследований опубликованы в 6-ти печатных работах, из которых 4-ре статьи в изданиях из перечня ВАК и патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введе ние, пять глав, общие выводы, библиографический список из 128 наименова ний, в том числе 15 на иностранных языках, и приложения.

Работа изложена на 150 страницах текста, содержит 31 рисунок, 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, объект и предмет исследований, научная новизна. Представлены основные положения, вынесенные на защиту.

В первой главе «Анализ исследований технологического процесса производства топливных гранул и брикетов из биосырья и прессового обору дования. Цель и задачи исследования» рассмотрены перспективы расшире ния объемов производства топливных гранул и обзор нормативных актов, анализ технологического процесса производства топливных гранул из био сырья, обзор оборудования для производства топливных гранул и брикетов, анализ результатов научных исследований процессов производства твердых гранул из сыпучего сырья растительного происхождения, обзор и анализ ис следований режима работы прессующих устройств, анализ исследований шестеренных грануляторов.

Вопросам уплотнения растительных материалов посвящены исследова ния Горячкина В.П., Алферова С.А., Пустыгина М.А., Особова В.И., Долгова И. А., Некрашевича В.Ф., Фарбмана Г.Я., Мельникова С.В., Николаева Д.И., Подкользина Ю.В., Скальвейта Х., Буссе В., Батлера Й.Л., Макколли Х. Ф., Гиакомелли Е. и других.

Уплотнению бурых углей и торфа посвящены работы Наумовича В.М., прессованию металлических порошков - Ждановича Г.М. Уплотнению измельченной массы растений, фракционированию и использованию жома, сока и пасты растений посвящены работы Фомина В.И., Пройдак Н.И., Но викова И.П., Пири Н.В. и других.

Выводы из осуществленного обзора литературных источников следующие:

- общая теория формирования твердых гранул из сыпучего сырья разработа на в достаточной степени - конструктивно-технологические схемы устройств для прессования расти тельных материалов весьма многообразны, однако среди них для производ ства топливных гранул из измельченных стеблей подсолнечника наиболее предпочтительны шестеренные прессы;

- исследования шестеренных прессов известны в области гранулирования рассыпных кормов, что вызывает необходимость в обосновании парамет ров и режима работы в сфере производства топливных гранул из резко от личающегося сырья и по совершенно другим нормативным требованиям к качеству готовой продукции;

- сложившейся общепризнанной технологии производства топливных гра нул нет;

- производство топливных гранул из стеблей подсолнечника не отражено в литературных источниках.

Научная гипотеза. Изучив и целенаправленно усилив свойства сы пучего сырья образовывать плотное тело на основе теории межмолекуляр ного прилипании Дерягина, можно определить показатели рационального технологического процесса, а также обосновать параметры и режим рабо ты пресса для изготовления топливных гранул из полевых отходов под солнечника.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить физико-механические и теплофизические свойства измельчен ных стеблей подсолнечника и определить их влияние на процесс формиро вания твердых гранул из рассыпной массы измельченных стеблей подсол нечника.

2. Оптимизировать параметры состояния сырья, подготовленного к прес сованию в гранулы, в направлении ресурсосбережения процесса.

3. Обосновать параметры матрицы и прессующего вальца, а также опре делить область рационального режима работы пресса.

4. Разработать дополнения к методике расчета шестеренного пресса и оценить экономическую целесообразность практического использования технологии и пресса для производства топливных гранул из полевых отхо дов подсолнечника.



Во второй главе «Теоретическое обоснование производства топлив ных гранул из полевых отходов подсолнечника шестеренным прессом вы давливающего типа» приведен аналитический анализ вопросов технологии переработки полевых отходов подсолнечника и работы шестеренного пресса, не освещенные в работах предыдущих исследователей.

Параметрическая модель технологического процесса учитывает пре емственность операций и изменение свойств сырья от операции к операции (рис.1).

Т1 Т1 Т2 Т Гранули Скашива- Измельчение рование ние и и сушка L1 L L0 Lгр транспор M M0 M1 M2 Mгр тирование Mсж Рисунок 1- Параметрическая модель технологического процесса переработки полевых отходов подсолнечника в топливные гранулы В модели применены обозначения: T1, T2, T3 - температура полевых от ходов подсолнечника на различных этапах технологического процесса;

l 0, l1, l 2 - размер частиц по гранулометрическому составу, исходное состояние в поле, после скашивания и измельчения, после дробления перед прессовани ем;

l гр - размеры топливных гранул;

M 0, M 1, M гр, M сж - масса отходов подсол нечника в поле, масса измельченного сырья после досушивания и дробления, масса готовых гранул, масса сжигаемых гранул в процессе досушивания сы рья и его нагрева перед прессованием;

n1, y1 - кинематические и конструк тивные параметры уборочного средства;

n2, y 2 - кинематические, тепловые и конструктивные параметры измельчителя и дробилки;

n 2, P, y 3 - кинематиче ские, силовые и конструктивные параметры пресса и охладителя с упаков щиком.

Входными параметрами полевых отходов подсолнечника являются масса стеблей и корзинок на корню M 0, характерный размер стеблей и кор зинок l 0, температура T1, насыпная масса 0. С этими параметрами полевые отходы подсолнечника подвергаются скашиванию, например, силосоубороч ным комбайном с накоплением в тележку с сеткой, например, 2ПТС-40. По левые отходы подсолнечника транспортируются в виде измельченной массы с размерами частиц l1 и насыпной массой, при температуре окружающего воздуха T1 и количестве M 0.

На пункте переработки вначале сырье подвергается операциям кондиционирования. Влажность доводится до 10-12%, размер частиц до 2- мм, температура доводится до 373 0К.

В третьем блоке подготовленная масса гранулируется, выходной продукт отсортировывается, крошка возвращается на повторное прессование, готовые гранулы охлаждаются и упаковываются. Часть готовых гранул ис пользуется в теплогенераторе с целью досушивания сырья и нагрева его пе ред прессованием.

Из морфологического анализа растений подсолнечника баланс состав ных частей можно отобразить равенством:

(1) Mб Mc Mk M где M б - биологическая масса растений на 1 га посевов, кг;

M с - масса маслосемян, кг;

M к - масса корзинок, кг;

M 0 - масса листостебельной части, составляющая полевые отходы подсолнечника, кг.

Из всех категорий полезным продуктом является растительное масло.

Жмых используется на корм. Лузга вывозится на свалку. Отходы маслосемян в результате послеуборочной очистки не используются. Корзинки после вы молачивания и листостебельная часть растений разбиваются дисковыми бо ронами по всей поверхности поля и засоряют почву, так как плохо заделыва ются во время пахоты и долго не перегнивают.

С точки зрения безотходности технология переработки всей биомассы растений подсолнечника должна выглядеть так:

М б М м М ж М кг М тг, (3) где M кг - масса кормовых гранул, кг;

M тг - масса топливных гранул.

В таком случае из переработки выпадают лишь корни растений.

Масса полевых отходов подсолнечника, которую можно использовать для изготовления топливных гранул Mi k M0, (4) где k - коэффициент учета потерь при скашивании стеблей.

Масса изготовленных топливных гранул равна массе подготовленного сырья ( M 1 ). Если использовать гранулы для теплогенератора вместо газа или дизельного топлива, то масса товарных гранул уменьшится на величину из расходованной части.

Обоснование кондиционирования полевых отходов подсолнечника перед гранулированием. Полевые отходы подсолнечника представляют собой стеб ли подсолнечника и вымолоченные корзинки. Измельченная их смесь явля ется объектом прессования. Поэтому эффективность процесса гранулирова ния в решающей степени зависит от физико-механических свойств прессуе мого материала. Задача оптимизации является экстремальной и компромисс ной. При этом учитывались две функциональные зависимости:

Wуд = F(i, T, l, ), (5) K = f(i, T, l, ), и (6) где Wуд - удельная работа сжатия, Дж/кг;

i - влажность смеси, %;

Т - темпе ратура, 0К;

l - длина частиц измельченных стеблей и корзинок подсолнечни ка, м;

К - крошимость гранул, %.

Обоснование производительности и конструктивных параметров пресса. Производительность пресса в первом приближении можно опреде лить по формуле S0 L Z, (7) q t обр где q производительность, кг/с;

S 0 площадь поперечного сечения одного канала прессования, м2;

L длина каналов прессования, м;

плотность монолита в канале прессования, кг/м3;

Z 0 число каналов прессования;

коэффициент заполнения каналов прессования, учитывающий использование живого сечения;

t обр время пребывания сырья в канале прессования, с.

Стандартное исполнение зубчатого венца матрицы и прессующего вальца может поднять долю площади каналов прессования до 50%. В на стоящей работе разработан способ фрезерования зубчатого венца по схеме «впадина-впадина-зуб», приводящий к увеличению суммарной площади ка налов прессования до 2/3 (67%). Корректирующая проверка должна прово диться по целому числу шагов зацепления на делительной окружности.

Анализ условий вовлечения сырья в зону сжатия, времени его обработ ки и обоснование длины канала прессования. Рабочая частота вращения мат рицы определяется из условия n min n раб n max, (8) где nmin - минимальная частота вращения матрицы, об/мин;

n max - мак симальная частота вращения матрицы, об/мин.

Время обработки материала от момента захвата материала до оконча ния формирования гранул и отделения ее от матрицы можно представить суммой t t сж t пр, (9) где t - общее время обработки, с;

t сж - время сжатия материала, с;

t пр время продвижения сжатых порций вдоль канала прессования, с.

Сжимающая сила направлена перпендикулярно поверхности вальца, то есть по направлению радиуса вальца (рис. 2).

Время сжатия сж, (10) Rм t сж Fм где сж- угол прессования, рад;

F угловая скорость вращения матри R Nм в цы, рад/с.

Время продвижения материала по N каналу зависит от его длины, тол м щины порции, и частоты продви гающих воздействий L nk t пр К или Х 60 L K, (11) t пр X n k где L K - длина канала прессования, м;

n - число оборотов матрицы за Рисунок 2.– Схема сил в прессе минуту, об/мин;

k - число проталкивающих воздействий за 1 оборот (число пресс сующих вальцов, размещенных внутри матрицы);

X - толщина единичной сжатой порции сырья, впрессованной в канал зубом вальца, м.

Мощность для прессования в кольцевых грануляторах определяется формулой :

N ПР 10 3 FТР СР Z У, (12) Z 0 сж где Z У – число каналов прессования в пределах угла сж, Z У.

Мощность электродвигателя учитывает условия холостого хода маши ны и КПД составляющих ее механизмов:

N ПР N ХХ, (13) N ДВ ТР где N XX –мощность холостого хода;

ТР и ДВ – КПД трансмиссии и двигателя.

В третьей главе «Программа и методика экспериментального исследо вания процесса изготовления топливных гранул из полевых отходов подсол нечника» представлены программа и методики экспериментальных исследо ваний.

Программой экспериментов предусматривалось:

- определить физико-механические и теплофизические свойства из мельченных полевых отходов подсолнечника, влияющие на осуществление операций разрабатываемого технологического процесса;

- экспериментально проверить закономерности сжатия измельченных отходов подсолнечника и определить численные значения констант основ ных зависимостей;

- оптимизировать физико-механические свойства измельченных поле вых отходов подсолнечника по минимальным затратам на формирование гранул;

- обосновать рациональный режим работы гранулятора.

Теплофизические характеристики определены методом плоского зон да. В результате проведения опытов определялись: максимум температуры нагретого материала Тсмакс ;

температура пустого зонда в момент его погру жения в материал Тзмакс;

время цикла Ц;

температура зонда Тзмин в момент, когда был максимум температуры исследуемого материала. Расчеты произ водились с учетом температуры материала Тс в начале опыта.

По известному Ц определялся коэффициент температуро = x2 /2 ц, проводности (14) где х — расстояние от зонда до точки измерения температуры исследуемого материала, м;

Ц — время от погружения зонда в исследуемый материал до достижения материалом максимума температуры в точке измерения, с.

Теплоемкость материала определялась по формуле x 1 А, (15) ln q ln Ц ln T ln c ln Q 4 Ц 2 где Q - количество теплоты, отдаваемое пластиной зонда материалу, Дж;

а - коэффициент температуропроводности, м/с;

T - разность между на чальной и конечной температурой зонда, °С;

А — постоянная величина, оп ределяемая формой и размерами зонда;

q - ускорение свободного паде ния, м / с 2.

Количество теплоты Q, отдаваемое зондом материалу, определялось из Q m n c n T Зmax TЗmin, выражения (16) где mn — масса пластины зонда, кг;

сп - теплоемкость материала, из которого сделана пластина зонда, Дж/(кг-°С);

TЗmax - температура нагрева зон да, °С;

TЗmin - температура зонда в конце опыта, °С.

Постоянная величина А определялась по формуле ln, (17) A ln 2 ln S где S — площадь пластины зонда, м.

Теплопроводность исследуемого материала определялась из выражения: c. (18) Оптимизация технологических свойств измельченных полевых отходов подсолнечника по минимальным затратам энергии на формирование гранул проводилась в лабораторных условиях на гидравлическом прессе ОКС 1671М. Пресс оснащен тензометрическим штемпелем, камерой прессования с упором и измерительной аппаратурой. Для определения зависимости удель ной работы сжатия от влажности, длины частиц и температуры сырья приня та методика планирования трехфакторного эксперимента с ортогональным планом второго порядка (табл. 1).

По полученным диаграммам (рис. 3) определялись значения усилия сжатия и хода штемпеля. Работа сжатия пересчитывалась на 1 кг сжимаемого сырья: Wуд = Sгр p x / m, где Sгр – площадь графика Р = f(x), мм2;

p – мас штаб силы сжатия, Н/мм;

х – масштаб перемещений, м/мм;

m – масса сжи маемой порции, кг.

Таблица 1 - Факторы и уровни их варьирования Обозначение Ед. Уровни факторов Фактор натур. кодиров. измер. -1,215 -1,0 0 +1,0 +1, Влажность i х1 % 5,4 6 9 12 12, 4,4 5 8 11 11, Длина частиц l х2 мм (Д5) (Д6) (Д9) (Д12) (Д13) Температура T х3 С 18 25 59 93 П Р, Рисунок 3 - Образец диаграммы и пробы гранул Гранулятор (рис. 4) состоит из матрицы 1 и расположенного внутри нее прессующего вальца 2. Матрица приводится во вращение от электро двигателя 3 через ременную передачу 4 и вертикальный вал 5. Прессую щий узел заключен в кожух 6, сверху которого установлена загрузочная горловина 7. Нож 8 отделяет готовые гранулы. Плужок 9 разравнивает сырье.

Рисунок 4 – Гранулятор с экспериментальной матрицей В четвертой главе «Анализ результатов экспериментального исследо вания производства гранул из полевых отходов подсолнечника» приведены результаты экспериментов.

Получены следующие результаты исследования свойств полевых отходов подсолнечника. Относительная влажность составила 8 — 10 %. Значение объемной массы измельченного подсолнечника 98 кг/м 3 для сырья с частицами 2,5 мм и 123 кг/м 3 для сырья с частицами 8 мм. Угол есте ственного откоса исследуемого продукта при изменении грануломет рического состава проб оставался примерно одинаковым и нахо дился в пределах 30-31°.

Результаты определения коэффициента трения по стали показали, что в диапазоне температуры от 5 до 25 оС и в пределах влажности от 8 до 20% для среднего размера частиц 2,5мм коэффициент трения в покое равен 0,51 ±0,01, а в движении 0,47±0,01. Для среднего размера 8мм коэффици ент трения в покое равен 0,62 ±0,01, а в движении 0,53±0,01.

С ростом температуры массы со средним размером частиц 2,5мм от 18 С до 30 0 С увеличиваются коэффициент температуропроводности от -2 -2 2 - 17,2·10 до 25,0·10 м /с, коэффициент теплопроводности от 5,4·10 до 7,3·10-2 Вт/(м·град) и теплоемкость от 16,9 до 23,2 Дж/(кг·град).

При увеличении температуры массы со средним размером частиц 8мм от 18 0 С до 30 0 С происходит увеличение коэффициента температуропровод ности от 15,0·10-2 до 21,7·10-2 м2/с, коэффициента теплопроводности от 5,1·10-2 до 6,7·10-2 Вт/(м·град) и теплоемкости от 15,6 до 19,2 Дж/(кг·град).

Установленная зависимость теплофизических свойств измель ченных полевых отходов подсолнечника от температуры объяснима тем, что вязкость некоторых компонентов подсолнечника (растительных смол и эфирных масел, воды) с повышением температуры снижается.

Закономерности сжатия отходов подсолнечника проверялись при об работке диаграмм. Определены значения постоянных величин в уравнении сжатия (а и Р0): Р0= 0,325 МПа, =5,673.

Формулы описывают процесс с погрешностью не более 5,6%.

ряд 1 – 2,5мм;

ряд 2 – 8мм Рис.5 График зависимости давления сжатия и плотности прессовки Результаты оптимизации физико-механических свойств исходной из мельченной массы полевых отходов подсолнечника. При исследовании влия ния влажности, длины частиц и температуры на удельную работу сжатия сырья и крошимость производимых гранул получены следующие регресси онные уравнения в кодированных обозначениях:

для удельной работы сжатия y1 = 31,38 - 4,110x1 + 0,4625x2 - 0,9196x3 - 0,4700x1x2 + 0,545x1x3 + 0,40x2x 3+ 2,134x21;

(19) 1,4572 0, F расч 1,298 Fтабл 2, 1,1219 (20) для крошимости гранул:y2=9,08-3,0496x1-0,767x2-0,2963x3+0,475x21.(21) 0,5883 0, Критерий Фишера Fрасч 1,933 Fтабл 2,125. (22) 0, Рисунок 5 - По верхность удельной работы сжатия под солнечника при тем пературе 59оС (Х3= Удельная работа 35-40 0).

сжатия, кДж/кг 35 Обработка 30- 25-30 данных проведена по V-критерию, по кри 9,8 терию Кохрена, по 8, доверительному ин 7, 6,2 Длина 6 тервалу с критерием 7 8 5 частиц,мм 9 10 11 Стьюдента и по кри Влажность, % терию Фишера.

Удельная работа уменьшается с повышением влажности сырья и с уменьшением размера частиц (рис. 5).

Качество гранул улучшается с увеличением влажности и уменьшением размера частиц в исследованном диапазоне.

Анализируя зависимости (20) и (21), можно сделать вывод, что мини мальное значение удельной работы сжатия при удовлетворительном качестве гранул (крошимость менее 10%) составляет 30...35 кДж/кг и соответствует влажности от 7,5 до 8,0% отходов подсолнечника размером частиц 5…6.мм.

Раскодированное уравнение удельной работы сжатия полевых отходов подсолнечника имеет вид Wуд=59,9137–5,1364i–0,5080l+0,4843T+0,0993 il–0,0220 iT–0, lT+0,2371 i2, (23) а для крошимости гранул К = 20,9727 – 1,9665 i – 0,2557 l – 0,0087 T + 0,0528 i2, (24) о где влажность в %, длина частиц в мм и температура в С.

Рис. 6 - Повер хность отклика, ха рактеризующая Удельная работа сжатия, кДж/кг удельную работу 40- сжатия полевых от 35- ходов подсолнеч 30- ника с длиной час 30 25- тиц 10..11мм (Х2= 70 Температура, 25 град. Цельсия 0,8697) 1 3 5 7 9 Влажность, % Уравнения (23) и (24) используются при определении условий конди ционирования исходной массы для подготовки измельченных полевых отхо дов подсолнечника к прессованию с целью минимизации удельной работы сжатия.

Оценить целесообразность подогрева массы перед прессованием мож но сравнением затрат энергии на увеличение температуры и экономией удельной работы сжатия полевых отходов подсолнечника. По данным фак торного эксперимента снижение удельной работы сжатия сырья при нагреве массы на 1 градус составляет в среднем 53,31 Дж/кг.град. Теплоемкость из мельченных отходов подсолнечника составляет от 17 до 22 Дж/кг.град. От сюда следует вывод о том, что с точки зрения экономии затрат энергии на операцию сжатия сырья специальная технологическая операция подогрева массы перед прессованием целесообразна. Тем не менее, с экономической точки зрения включение в технологию специальной операции по подогреву массы перед прессованием до высоких температур необходимо обосновать сравнением эксплуатационных затрат с учетом не только стоимости электри ческой и тепловой энергии, но и затрат на здание, оборудование, их содержа ние и оплату труда дополнительных работников. Из соотношения значений сэкономленной энергии и удельной теплоемкости материала следует вывод, что коэффициент полезного действия комплекта нагревательного оборудо вания должен быть не менее 32-41%.

Режим работы гранулятора определен двухфакторным эксперимен том с изменением числа оборотов от 200 до 250 за минуту и подачи сырья от 40 до 60 г/с. Критериями оценки (отклика) явились производительность по массе качественных гранул и качество гранул, исчисляемое их крошимо стью.

Для надежности результата 0,95 уравнения производительности пресса (ФТЕСТ=0,998) и крошимости гранул (ФТЕСТ=0,993) подтверждено сходимо стью расчетных и опытных данных.

Два уравнения в совокупности являются математической моделью процесса гранулирования на данном грануляторе:

У1= 174,8443+37,9167Х1+18,13Х2+4,95Х1Х2+1,759Х12+1,742Х Z1=6,0999+2,666Х1+1,25Х2+0,8Х1Х2+0,0607Х12+0,0605Х22. (25) Рисунок 8 – Компромиссная задача выбора рационального режима работы гранулятора.

Для определения зоны рациональных значений па раметров режима работы, применен графический метод двухмерных сечений. На ри сунке 8. представлены одно временно изолинии произво дительности гранулятора и крошимости гранул Анализируя изображение двухмерных сечений поверхностей произво дительности гранулятора и крошимости гранул (рис. 8), рациональной зоной следует признать диапазон в правой верхней области изображенного про странства до изолинии крошимости гранул 10%.

В раскодированном виде уравнения выглядят:

Q1 =0,018 q2+0,003 n2+0,0198 q n-2,423 q-1,518 n+229, К1=0,0006q2+0,0001n2+0,0032qn-0,513q-0,1532n+23,85. (26) Рекомендуемыми параметрами и режимом работы являются:

Диаметр делительной окружности матрицы, мм Сечение каналов прессования, мм 9х Модуль зубчатого венца, мм Схема фрезерования «впадина-впадина-зуб» Число каналов прессования Коэффициент перфорации матрицы, % Диаметр прессующего вальца, мм Подача сырья, г/с 58… Число оборотов матрицы, об/мин 244… Производительность гранулятора, кг/ч 221… Энергоемкость процесса, кВт·ч/т Уравнения дополняют методику расчета грануляторов шестеренного типа. Они способствуют выбору конкретных значений технологических, ки нематических и конструкторских параметров при проектировании прессов этого типа для производства топливных гранул из полевых отходов подсол нечника.

Технологический процесс производства топливных гранул из полевых отходов подсолнечника включает следующие операции.

1. Скашивание стеблей подсолнечника в поле силосоуборочным ком байном после обмолота корзинок. Одновременно со скашиванием стебли измельчаются и масса загружается в закрытую сеткой тележку. Таким обра зом, полевая операция создает сырьевую массу из полевых отходов подсол нечника с размерами частиц 60-80мм. Влажность массы зависит от погодных условий, однако, в результате полевых наблюдений влажность стеблей в пе риод уборки подсолнечника равна 10-14% и только после дождя на второй день повышалась до 20-22%. Температура в этот период в Ростовской облас ти от 17 до24оС.

2. Транспортирование сырьевой массы к стационарному пункту пере работки отходов подсолнечника в топливные гранулы. Перевозку массы можно осуществить агрегатами в составе колесных тракторов класса 1,4т и тележек-кормовозов, например 2ПТС-100. Параметры массы не изменяются.

Насыпная масса сырья составляет около 100кг/м3.

3. Прием сырья на пункте переработки. Масса выгружается в приемный бункер, например, измельчителя зеленой массы (ИЗМ) из комплекта обору дования АВМ-1,5. Сырье подвергается доизмельчению и направляется в дро билку молотковую, например, ДКУ-1М. Если влажность сырья более 12%, то масса вначале досушивается в барабанной низкотемпературной сушилке и после этого направляется на измельчение в дробилке. Параметры сырьевой массы после измельчителя зеленой массы: размер частиц 20-30мм, темпера тура и влажность не изменяются.

4. Досушивание массы перед дроблением. Процесс и оборудование подробно неразработаны. Рекомендуется низкотемпературная сушилка с ис пользованием подогретого воздуха от твердотопливного теплогенератора, чтобы в качестве топлива использовать отходы подсолнечника в рассыпном или гранулированном виде. Параметры массы: влажность не более 12%, тем пература порядка 70-80оС.

5. Дробление отходов подсолнечника. Молотковыми дробилками из мельчить до частиц от 6 до 8мм и сразу же подать в пресс. Температура мас сы несколько снизится до 40-50оС.

6. Прессование сырьевой массы в гранулы шестеренным гранулятором.

Гранулы 9х9х20мм, плотность 1000-1100кг/м3, насыпной массой 600 650кг/м3. Влажность от 10 до 12%, температура 30-35оС.

7. Сортировка и возврат крошки на повторное гранулирование. Пнев мотранспортирующее устройство с использованием отработавшего воздуха в теплогенераторе и сушилке для использования принципа регенерации тепло ты.

8. Затаривание кондиционных гранул и хранение.

В пятой главе «Дополнения к методике инженерного расчета пресса и экономическая эффективность производства топливных гранул из отходов подсолнечника» представлены дополнения к методике инженерного расчета шестеренного пресса и результаты технико-экономической оценки практиче ского использования результатов исследований.

Стоимость дополнительной продукции с 1 га посева подсолнечника определена по цене топливных гранул, сопоставленной с ценой угля на осно ве пропорциональности теплотворной способности. По предложенной техно логии безотходной переработки подсолнечника стоимость дополнительной продукции составит 23,35 тысяч рублей с 1 га посевов.

Переработка полевых отходов подсолнечника в топливные гранулы шестеренным прессом обеспечивает годовую экономию в сумме 77469, рублей по сравнению с использованием кольцевого пресса.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Относительная влажность подсолнечника составила 8 – 10 % и при благоприятных погодных условиях не требуется дополнительного досушива ния сырья перед его измельчением и прессованием. Угол естественного откоса исследуемого продукта при изменении гранулометрического состава проб оставался примерно одинаковым и находился в преде лах 30-31°. Среднее значение объемной массы измельченного под солнечника составляет при среднем размере частиц 2,5 мм 123 кг/м3, при увеличении среднего размера частиц до 8 объемная масса уменьшается до кг/м3. Это указывает на необходимость сжимать исходное сырье в 9-11раз, чтобы получить гранулы плотностью 900-1000 кг/м3. Вторым следствием яв ляется потребность в большеобъемных транспортных средствах для доставки отходов подсолнечника на пункт переработки. Для среднего размера частиц 2,5мм коэффициент трения в покое равен 0,51 ±0,01, а в движении 0,47±0,01. Для среднего размера 8мм коэффициент трения в покое равен 0,62 ±0,01, а в движении 0,53±0,01.

2. При исследовании теплофизических свойств подсолнечника установлено, что с увеличением температуры и среднего размера частиц подсолнеч никовой массы теплофизические показатели увеличиваются.

Коэффициент температуропроводности равен для фракции 2,5мм от 17,2·10-2 до 25,0·10-2 м2/с, для фракции 8мм соответственно от 15,0·10-2 до 21,7·10-2 м2/с. Коэффициент теплопроводности составил от 5,4·10-2 до 7,3·10-2 и от 5,1·10-2 до 6,7·10-2 Вт/(м·град) для фракций соответственно 2, и 8мм. Теплоемкость полевых отходов подсолнечника равна от 16,9 до 23, Дж/(кг·град) в диапазоне температуры от 18 до 30оС для размера частиц 2,5мм;

теплоемкость полевых отходов подсолнечника равна от 15,6 до 19, Дж/(кг·град) в диапазоне температуры от 18 до 30оС для размера частиц 8мм.

3. Формование топливных гранул из полевых отходов подсолнечника рекомендуется при размере частиц 8мм, влажностью 12-14%, температуре 50-60оС. Давление прессования составляет 50 МПа для достижения плотно сти топливных гранул 1000-1100кг/м3, удельная работа сжатия составляет кДж/кг при крошимости гранул не более 10%. Полученная математическая модель поведения сырья в процессе сжатия (формулы 4.3) позволяет рассчи тать технологические параметры и оценить энергоемкость операции сжатия отходов подсолнечника до необходимой плотности с допустимой крошимо стью готовых гранул.

4. Аналитические зависимости. полученные для определения произво дительности гранулятора в функции параметров зубчатой матрицы и зубча того прессующего вальца, подтверждаются экспериментальными данными с погрешностью от 5,9 до 26 %.

5. Режим работы гранулятора описывается математической моделью, составленной из двух уравнений: функции производительности и функции крошимости гранул в зависимости от частоты вращения матрицы и подачи сырья (4.8 и 4.7). Область компромиссного решения задачи оптимизации по наибольшей производительности при допустимом уровне крошимости гра нул соответствует частоте вращения матрицы 239-244 об/мин и подаче сырья 58-60 г/с.

6. Рациональный режим работы шестеренного пресса соответствует подаче сырья 58-60 г/с, частоте вращения матрицы 239-244об/мин. Произво дительность шестеренного пресса с горизонтальной матрицей диаметром 180мм и внутренним прессующим зубчатым вальцом составит 226 кг/ч при энергоемкости технологического процесса 23 кВт·ч/т (без учета затрат энер гии на холостой ход пресса).

7. Технологический процесс производства топливных гранул из поле вых отходов подсолнечника рекомендуется в следующей последовательно сти операций с их параметрами: скашивание стеблей в поле силосным ком байном с первичным измельчением до частиц 60-80мм с погрузкой в боль шеобъемные тележки-кормовозы 2ПТС-100;

транспортирование к стацио нарному пункту переработки с выгрузкой в приемный бункер измельчителя зеленой массы (ИЗМ) от комплекта оборудования АВМ-1,5;

измельчение массы до размера частиц 20мм;

дробление молотковой дробилкой до частиц 8мм;

прессование шестеренным прессом при влажности 12-14%;

пневмосор тирование гранул с отделением крошки и возврат ее на повторное гранули рование;

упаковка и хранение гранул.

При влажности сырья более 14% масса из ИЗМ подается на досушива ние в барабанную низкотемпературную сушилку с подогревом теплоносите ля (воздух) в теплогенераторе, работающем на сыпучих или гранулирован ных отходах подсолнечника.

8. Разработанная методика инженерного расчета гранулятора для про изводства топливных гранул учитывает отличительные признаки малогаба ритного гранулятора и физико-механические свойства материала.

9. Экономический эффект от внедрения результатов исследований со ставляет 77469,4 руб. за один год использования пресса, при снижении удельной материалоемкости с 2,54 до 0,99 кг/т. Срок окупаемости капиталь ных вложений – 0,14 года. Cтоимость дополнительной продукции составит 23,35 тысяч рублей с 1 га посевов.

ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ В изданиях из перечня ВАК 1. Волков Д.С. Определение рационального режима работы грану лятора шестеренного типа [Текст]/Д.С. Волков, А.В. Щербина// Вестник Донского государственного технического университета – Ростов-на-Дону, 2009. Том 9, №4 (43). – С. 724 – 727.

2. Волков Д.С. Результаты оптимизации технологических свойств сырья перед гранулированием [Текст]/ Д.С. Волков// Естественные и техни ческие науки – г. Москва, 2011. № 3 (53) – С.417 – 420.

3. Волков Д.С. Технология переработки биомассы подсолнечника [Текст] /Д.С. Волков// Механизация и электрификация в сельском хозяйстве – г. Москва, 2011. № 5 – С.31-32.

4. Волков Д.С. Оптимизация параметров гранулирования отходов подсолнечника [Текст] /Д.С. Волков// Технологии и средства механизации в сельском хозяйстве – г.Москва, 2011. № 7 – С.29-30.

В описаниях патентов 5. Волков Д.С. Патент №90733 «Сборная матрица шестеренного гранулятора кормов» [Текст] /Д.С. Волков, В.И. Щербина, А.В. Щербина, А.Н. Шишин, В.Ф. Яламов// RU 90733 U1, МПК В30В 11/00. Опубл. 20. 01.

2010. Бюл. №2.

В сборниках трудов 6. Волков Д.С. Результаты экспериментального определения рацио нального режима работы шестеренного гранулятора [Текст] / Д. С. Волков, В.И. Щербина, А.В. Щербина, Ж В. Матвейкина, А.Н. Шишин// Вестник аг рарной науки Дона – Зерноград, 2008. Вып. 4. – С. 91-94.

7. Волков Д.С. Перспективы производства топливных гранул и бри кетов из биосырья [Текст]/ //Совершенствование процессов и технических средств в АПК. Сб. н. т. Вып. 8, – Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2009. - С.

75 – 76.

_ В печать 14.03.2012.

Формат 60х84/16. Бумага тип №3. Офсет.

Объем 1,0 усл.п.л. Заказ № 112. Тираж 100 экз. Цена свободная.

Издательский центр ДГТУ Адрес университета и полиграфического предприятия:

344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1.



 


Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.