dr in¿. Ryszard KULIG, dr hab. Grzegorz £YSIAK Katedra Eksploatacji Maszyn Przemys³u Spo¿ywczego e-mail:
Uniwersytet Przyrodniczy
Streszczenie
W pracy przedstawiono wyniki badañ oddzia³ywania œrednicy otworów sit rozdrabniacza bijakowego na parametry charakteryzuj¹ce proces rozdrabniania s³omy rzepakowej. Badania przeprowadzono przy zastosowaniu zestawu sit o œrednicy otworów 4, 5, 7, 10 i 12 mm. W szczególnoœci wyznaczono sk³ad granulometryczny materia³u po rozdrobnieniu oraz wydajnoœæ i energoch³onnoœæ procesu rozdrabniania.
rozdrabnianie, œrednica otworów sit, rozdrabniacz bijakowy, s³oma rzepakowa, badania S³owa kluczowe:
ryszard.kulig@up.lublin.pl
WP£YW ŒREDNICY OTWORÓW SIT
ROZDRABNIACZA BIJAKOWEGO NA
EFEKTYWNOŒÆ ROZDRABNIANIA S£OMY
RZEPAKOWEJ
Wprowadzenie
Materia³ i metodyka
W ostatnich latach wyj¹tkowym zainteresowaniem w kon-tekœcie produkcji kompaktowanych biopaliw sta³ych cieszy siê s³oma [1-4]. Do celów energetycznych - ze wzglêdu na korzy-stny sk³ad pierwiastkowy - szczególnie nadaje siê s³oma rzepakowa. Mo¿liwoœæ jej zagospodarowania w tym kierunku jest o tyle wa¿na, i¿ najczêœciej nie znajduje ona innego wykorzystania i przeznaczana jest na zaoranie.
W procesach wytwarzania formowanych biopaliw sta³ych zachodzi koniecznoœæ rozdrabniania s³omy do rozmiarów cz¹stek, których wielkoœæ umo¿liwia prawid³owy przebieg aglomerowania [5]. Przyk³adowo, podczas produkcji granulatu wymagane jest zwykle dostosowanie stopnia rozdrobnienia surowca do wielkoœci œrednicy otworów matrycy. Z przepro-wadzonych w tym zakresie badañ wynika, ¿e czynnik ten ma wp³yw zarówno na energoch³onnoœæ aglomerowania, jak te¿ na jakoœæ gotowego produktu [6-9].
Powszechnie wiadomo, i¿ rozdrabnianie surowców rolniczych (a zw³aszcza w³óknistych) wi¹¿e siê z ponoszeniem wysokich nak³adów energetycznych [10]. W przypadku s³omy proces ten najczêœciej realizowany jest z zastosowaniem rozdrabniaczy bijakowych. Jednym z najwa¿niejszych para-metrów, wp³ywaj¹cych na przebieg rozdrabniania w tego typu urz¹dzeniach, jest œrednica otworów sit opasuj¹cych wirnik. W g³ównej mierze decyduje ona o stopniu rozdrobnienia i, co siê z tym wi¹¿e, ponoszonych nak³adach energetycznych.
Maj¹c na uwadze powy¿sze, celem niniejszych badañ jest okreœlenie wp³ywu œrednicy otworów sit rozdrabniacza na parametry procesu rozdrabniania s³omy rzepakowej.
Surowiec pochodzi³ z kampanii ¿niwnej 2012 roku. S³oma przed zebraniem z pola poddana zosta³a procesowi wiêdniêcia, który polega³ na oddzia³ywaniu zmiennych warunków atmosferycznych przez okres 3 tygodni. W tym czasie s³oma uleg³a wysuszeniu i nastêpnie zosta³a pociêta na sieczkê o d³u-goœci oko³o 1 cm. Tak przygotowany surowiec (o œredniej wilgotnoœci 12%) rozdrabniano w rozdrabniaczu H-950 wyposa¿onym w sita o wymiarach otworów 4, 5, 7, 10 i 12 mm. Dla tak rozdrobnionego materia³u okreœlono gêstoœæ w stanie zsypnym (zgodnie z PN-EN 15103:2010) oraz sk³ad
granu-lometryczny, który pos³u¿y³ do wyznaczenia œredniego wymiaru cz¹stek po rozdrobnieniu. Sk³ad granulometryczny surowca wyznaczono zgodnie z PN-EN 15149-2:2011 przy wykorzystaniu laboratoryjnego przesiewacza SASKIA Thyr 2 i zestawu sit o wymiarach oczek: 4; 2,5; 1,6; 1,0; 0,8; 0,63; 0,4; 0,315; 0,1 mm. Czas trwania odsiewu wynosi³ dwie minuty. Po przesianiu ka¿d¹ klasê wymiarow¹ wa¿ono na wadze WPE 300. Œredni wymiar cz¹stek (modu³ rozdrobnienia) obli-czono ze wzoru:
[mm],
gdzie: - œredni wymiar cz¹stek, [mm]; - œredni wymiar otworów dwóch s¹siednich sit, mm; - iloœæ cz¹stek zatrzy-manych na danym sicie, [%]; - liczba stosowanych sit.
Wydajnoœæ rozdrabniania ( ) wyznaczono okreœlaj¹c masê rozdrobnionego surowca ( ) otrzyman¹ w czasie ( 10 min. Wydajnoœæ rozdrabniania obliczano wed³ug wzoru:
[kg·h ].
W celu okreœlenia jednostkowych nak³adów energii rozdrabniania ( ) wyznaczano wartoœæ mocy czynnej ( ) zu¿ywanej przez rozdrabniacz w tym samym przedziale czasowym, w którym badano wydajnoœæ. Pomiar i rejestracjê mocy wykonano miernikiem parametrów sieci typu Vega 76 wyposa¿onym w cêgi pomiarowe HT96U.
Energoch³onnoœæ obliczono wed³ug wzoru:
[kJ·kg ].
Wyniki badañ sk³adu granulometrycznego, uzyskanego w nastêpstwie rozdrobnienia s³omy rzepakowej przy u¿yciu sit o ró¿nej œrednicy otworów przedstawiono na rys. 1 oraz w tab. 1. d h Z n Q m t) E P sr r r Ä -1 -1 Wyniki badañ 100 1 å × = = = n i i sr Z h d 60 × D = t m Q r r t t r m dt t P E ò = 2 1 ) (
TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA 3/2013
Otrzymane wyniki wskazuj¹, ¿e w przypadku stosowania sit o œrednicy otworów 4 i 5 mm, najwiêksza iloœæ rozdro-bnionego materia³u (odpowiednio 90,04 i 92,39%) zawiera siê w przedziale od 0,1 do 1,6 mm. Natomiast w odniesieniu do sit o œrednicy otworów 7 i 10 mm jest to przedzia³ obejmuj¹cy zakres od 0,4 do 2,5 mm (zawartoœæ 88,39 i 84,9% rozdro-bnionego materia³u). Z kolei dla sita o œrednicy otworów 12 mm, najwiêksza iloœæ materia³u (92,1%) przypada na przedzia³ od 0,4 do 4,0 mm. Przy czym w odniesieniu do poszczególnych klas wymiarowych najwiêcej materia³u znajduje siê w klasie 1,0-1,6 mm w przypadku sit 4 i 5 mm (odpowiednio 35,44 i 39,88%) i w klasie 1,6-2,5 mm dla sit o œrednicy otworów 10 i 12 mm (odpowiednio 34,48 i 43,48%). Natomiast dla sita 7 mm najwy¿sz¹ zawartoœæ materia³u zaobserwowano zarówno dla klasy 1,0-1,6 mm (33,96%) jak i 1,6-2,5 mm (32,16%). Warto równie¿ odnotowaæ, i¿ nieza-le¿nie od zastosowanych sit, za ka¿dym razem zawartoœæ materia³u w zakresie wielkoœci cz¹stek od 0,4 do 2,5 mm nosi co najmniej 75%, a dla sita 7 mm jest ona najwy¿sza i wy-nosi a¿ 88,39%. Fakt ten jest o tyle istotny, i¿ wed³ug danych literaturowych [5-7] do aglomerowania (a przede wszystkim granulowania) najlepiej nadaj¹ siê surowce o rozdrobnieniu drobnym i œrednim, co odpowiada wielkoœci cz¹stek z wy¿ej wspomnianego zakresu (0,4-2,5 mm).
Z danych zestawionych w tab. 2 wynika, i¿ œredni wymiar cz¹stek surowca ( ) w zale¿noœci od œrednicy otworów u¿ytych sit w rozdrabniaczu ( ) waha siê w przedziale od 0,85 do 1,93 mm. Natomiast gêstoœæ materia³u w stanie zsypnym zmienia siê od wartoœci 108,20 do 67,34 kg·m . Tak wiêc wzrost œredniego wymiaru cz¹stek powoduje zmniejszanie siê gêstoœci nasypowej rozdrobnionego materia³u, a stwierdzona zale¿noœæ przyjmuje charakter liniowy.
Rys. 1. Sk³ad granulometryczny rozdrobnionej s³omy rzepa-kowej (Z) dla ró¿nych wielkoœci otworów sit rozdrabniacza Fig. 1. Particle size distribution of ground oilseed rape straw (Z) at various hammer mill screen sizes
d
d sr
ot
-3
Œrednica otworów sit [mm] Klasa wymiarowa [mm] 4 5 7 10 12 <0,1 6 1,4 0,57 0,46 0,38 0,1÷0,315 12,28 10,08 5,56 2,04 1,96 0,315÷0,4 4,56 4,08 2,12 2,64 1,52 0,4÷0,63 20,12 18,28 9,16 6,76 4,24 0,63÷0,8 9,48 14,24 7,6 9 3,96 0,8÷1 8,16 5,68 5,51 4,38 4,32 1÷1,6 35,44 39,88 33,96 30,28 20,06 1,6÷2,5 2,32 4 32,16 34,48 43,48 2,5÷4 1,64 2,36 3,36 8,32 16,04 >4 0 0 0 1,64 4,04
Tab. 1. Zawartoœæ poszczególnych klas wymiarowych rozdrobnionej s³omy rzepakowej [%] dla ró¿nych wielkoœci otworów sit rozdrabniacza
Table. 1. Share of size fractions of oilseed rape straw [%] at various hammer mill screen sizes
klasa wymiarowa [mm]
udzia³
cz¹stek,
Z[%]
Tab. 2. Œredni wymiar cz¹stek surowca (d ) i gêstoœci w stanie zsypnym ( ) dla ró¿nych œrednic otworów sit rozdrabnia-cza (d )
Table 2. Mean particle size (d ) and bulk density ( ) for various hammer mill screen sizes (d )
d Q
Rys. 2. Wp³yw œrednicy otworów sit rozdrabniacza (d ) na wydajnoœæ rozdrabniania s³omy rzepakowej (Q)
Fig. 2. Correlation between the hammer mill screen sizes (d ) and grinding output of oilseed rape straw (Q)
Rys. 3. Wp³yw œrednicy otworów sit rozdrabniacza (d ) na energoch³onnoœæ rozdrabniania s³omy rzepakowej (E ) Fig. 3. Correlation between the hammer mill screen sizes (d ) and grinding energy consumption of oilseed rape straw (E )
sr n ot sr n ot ot ot ot ot r ot r ñ ñ
Oddzia³ywanie œrednicy otworów sit ( ) na wydajnoœæ ( ) rozdrabniania s³omy rzepakowej zobrazowano na rys. 2. Stwierdzono wprost proporcjonalne zale¿noœci miêdzy rozpatrywanymi parametrami. W badanym przedziale wraz ze zwiêkszaniem siê œrednicy otworów sit, wydajnoœæ procesu zwiêksza siê od wartoœci 27,29 do 71,57 kg·h .-1
Parametr dot[mm] Ø 4 0,85 108,2 Ø 5 0,96 99,23 Ø 7 1,38 89,12 Ø 10 1,59 78,45 Ø 12 1,93 67,34 dsr n [mm] [kg m ñ · -3] wydajnoœæ rozdrabniania [kg/h] œrednica otworów [mm] œrednica otworów [mm] energoch³onnoœæ [kJ/kg]
Z kolei na rys. 3 zilustrowano wp³yw œrednicy otworów sit rozdrabniacza ( ) na energoch³onnoœæ procesu ( ). W tym przypadku zaobserwowano odwrotnie proporcjonalne zale¿noœci miêdzy analizowanymi parametrami. W wyniku zwiêkszania œrednicy otworów sit nastêpuje zmniejszenie jednostkowych nak³adów energii rozdrabniania od wartoœci 149,60 do 50,15 kJ·kg .
Na podstawie przeprowadzonych badañ mo¿na przedsta-wiæ nastêpuj¹ce wnioski:
1. Wykazano, i¿ sk³ad granulometryczny rozdrobnionego materia³u zale¿y istotnie od wielkoœci otworów sit w roz-drabniaczu. Przy czym niezale¿nie od stosowanych œrednic, najliczniejsz¹ grupê wymiarow¹ stanowi¹ cz¹stki zawarte w klasach wymiarowych 1,0-1,6 mm i 1,6-2,5 mm. Najwy¿sza zawartoœæ odnosi siæ do sita ¨7 mm i wynosi œrednio 66,12%.
2. Stwierdzono, ¿e wraz ze wzrostem œrednicy otworów sit zwiêksza siê wartoœæ œredniego wymiaru cz¹stek surowca po rozdrobnieniu oraz zmniejsza siê wartoœæ gêstoœci materia³u w stanie zsypnym. Dla skrajnych wartoœci œrednic stwierdzony wzrost parametru wynosi œrednio 127%, a spadek gêstoœci wynosi przeciêtnie -38%.
3. Wydajnoœæ procesu rozdrabniania s³omy rzepakowej roœnie wraz ze zwiêkszaniem siê œrednicy otworów stosowanych sit. W analizowanym przedziale na skutek zmiany œrednicy z wartoœci 4 mm na 12 mm, œredni przyrost wydajnoœci wynosi 162%.
4. Wzrost œrednicy otworów sit w rozpatrywanym przedziale powoduje zmniejszanie wartoœci jednostkowych nak³adów energii rozdrabniania przeciêtnie o -67%.
d E d ot r sr -1 Wnioski Bibliografia
[1] Adamczyk F., Fr¹ckowiak P., Mielec K., Koœmicki Z.: Problematyka badawcza w procesie zagêszczania s³omy przeznaczonej na opa³. Journal of Research and Application in Agricultural Engineering, 2005, 50(4), 5-8.
[2] Fiszer A.: Badania porównawcze wspó³czynnika trwa³oœci brykietów ze s³omy. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, 2008, 53(3), 69-71.
[3] Adapa P., Tabil L., Schoenau G.: Compaction characteristics of barley, canola, oat and wheat straw. Biosystems Engineering, 2009, 104, 335-344.
[4] Adamczyk F., Fr¹ckowiak P., Zbytek Z.: Sposoby wykorzystania biomasy sta³ej na cele energetyczne. Czêœæ 2. S³oma i odpady rolnicze. Technika Rolnicza-Ogrodnicza-Leœna, 2010, nr 6. [5] MacMahon M.J., Payne J.D.: The Pelleting Handbook.
Borregaard Lignotech, Sarpsborg Norway, 1991.
[6] Kulig R., Laskowski J.: Okreœlenie zale¿noœci miêdzy stopniem rozdrobnienia nasion roœlin str¹czkowych a parametrami procesu granulowania. In¿ynieria Rolnicza, 2002, 7a, 155-163.
[7] Kulig R., Laskowski J.: Nak³ady energii w procesie granulowania œrut pszenicy o ró¿nym stopniu rozdrobnienia. Motrol, 2006, tom 8A, 187-192.
[8] Kulig R., Laskowski J.: The effect of preliminary processing on compaction parameters of oilseed rape straw. Teka Commission of Motorization and Energetics in Agriculture, 2011, vol. 11, 209-217.
[9] Mani S., Tabil L.G., Sokhansanj S.: Effects of compressive force, particle size and moisture content on mechanical properties of biomass pellets from grasses. Biomass and Bioenergy, 2006, 30(7), 648-654.
[10] Laskowski J., £ysiak G., Skonecki S.: Mechanical properties of granular agro-materials and food powders for industrial practice. Part II. Material properties in grinding and agglomeration. Centre of Excellence for Applied Physics in Sustainable Agriculture AGROPHYSICS, Institute of Agrophysics PAS, Lublin, 2005, 159 ss.
INFLUENCE OF HAMMER MILL SCREEN SIZE ON GRINDING PARAMETERS
OF OILSEED RAPE STRAW
Summary
The paper presents results of the research on the influence of hammer mill screen sizes on grinding parameters of oilseed rape straw. The experiments were conducted using 4, 5, 7, 10 and 12 mm screen diameters. Energy consumption and output during grinding as well as particle size distribution were evaluated.
: grinding, screen sizes, hammer mill, oilseed rape straw, experimentation Key words
Podrêcznik pt. adresowany jest do szerokiego grona
pracowników dydaktycznych i s³uchaczy uczelni przyrodniczych oraz u¿ytkowników
maszyn rolniczych. Zawarto w nim podstawowe informacje z przedmiotu ”Technika
rolnicza i eksploatacja maszyn rolniczych” wyk³adanego na ww. Uczelniach. Problematyka wyk³adów tego przedmiotu obejmuje charakterystykê szerokiego i niezwykle ró¿norodnego asortymentu maszyn i urz¹dzeñ technicznych. Wyczerpuj¹ce omówienie czy opisanie ca³oœci materia³u jest niemo¿liwe. Z tych te¿ wzglêdów w podrêczniku przedstawiono œciœle wyselekcjonowane partie materia³u -informacje podstawowe oraz te, które s¹ dzie³em autorów lub powsta³y przy znacz¹cym ich udziale. St¹d te¿, pomimo ¿e podrêcznik ma charakter pozycji dydaktycznej, nosi znamiona pracy monograficznej. Materia³ uzupe³niaj¹cy stanowi literatura zamieszczona na koñcu ka¿dego z rozdzia³ów.
MASZYNY ROLNICZE
tel. 061 87-12-200; fax 061 879-32-62;
e-mail: office@pimr.poznan.pl; Internet: http://www.pimr.poznan.pl Wydawca:
Bran¿owy Oœrodek Informacji Naukowej, Ekonomicznej i Normalizacyjnej Przemys³owy Instytut Maszyn Rolniczych
60-963 Poznañ, ul. Staro³êcka 31
TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA 3/2013
