M.C. de Graaf 2013.TEL.7747
Viability study of an energy-recovery system for belt conveyors 7
Summary
Modern society largely depends upon conveyor belts. Men use these devices every day, often without even realizing it. They are for instance used to transport coal from mines to power plants, powering the world. This application has resulted in very large, long and powerful systems consisting of several conveyor belts. The power required to drive all these belts is however quite substantial. In order to reduce the energy required to drive these systems a new promising development was recently presented on a conference in Germany. In the paper that was presented here the possibility was investigated whether or not a solid state material driven turbine connected to the conveyor belt could reduce the power that had to be absorbed from the net.
The purpose of this report has been to investigate and determine whether or not this concept is viable. Although the idea is basically hundreds of years old dating back to the water wheel, no prior research could be found. Initially the concept seems to be very promising since for smaller conveyor systems it could save up to about 50% of the energy requirements. Not every system might be best suited for the application of this concept though. Observing the available space and the behavior of the material under the given operating conditions could indicate some issues which will lower the efficiency of the turbine. Determining the location and shape of the turbine is fairly easy with the use of several equations which have already proven their validity in other applications. The same is true for the transmission. Once the desired drive is selected the required ratio and strength (torque) can be determined either manually or with the help of DEM programs (recommended). In the ideal situation the design process would end here and the turbine is ready to be build and installed. In real life this ideal situation doesn’t exists though and problems occur when the conveyor belts operating conditions vary (even slightly). Many of these varying operating conditions can be expressed as a varying belt speed, which is the biggest problem. A varying belt speed namely result in both a different discharge trajectory, which means the turbines location has to be altered, as well as a different required transmission ratio. These problems are responsible for the fact that when a direct coupling is desired a CVT has to be used, or a detached coupling has to be used. Both of these solutions are more expensive then the simple direct coupling solutions. Nevertheless this is almost irrelevant because the price of all these systems is negligible compared to the costs of the wear tiles which protect the turbine.
The high price of these tiles combined with the little savings made by the turbine as a result of the low price for electricity lead to the conclusion that this concept is not economically viable. Companies might still want to consider this concept in order to become more sustainable and reduce their electricity usage but they have to keep in mind that this solution costs more money than it generates. Since it is a shame to immediately write off an ecologically promising concept like this because of the economical issues, it is recommended that the results regarding wear of the test facility set up by the authors of the original paper are analyzed carefully. These results should then be used to optimize the turbine shape in cooperation with a manufacturer of wear tiles so that the economical downside to this concept might disappear.
M.C. de Graaf 2013.TEL.7747
Viability study of an energy-recovery system for belt conveyors 8
Summary (in Dutch)
De huidige maatschappij is sterk afhankelijk van het gebruik van transportband systemen. Hoewel men dit vaak niet door heeft, maakt iedereen hier dagelijks gebruik van. Zo worden deze systemen gebruikt om kolen uit de mijn naar de energie centrale te transporteren, waar deze worden omgezet in stroom. Deze toepassing heeft geresulteerd in zeer grote, lange en krachtige systemen bestaande uit meerdere transportbanden. Deze systemen vragen echter veel energie. Om energie te besparen is onlangs een nieuw concept gepresenteerd op een conferentie in Duitsland. De gepresenteerde paper onderzocht de mogelijkheid om met een bulk materiaal aangedreven turbine verbonden met de transportband de energie opname van de transportband van het energienet terug te dringen. Het doel van dit verslag is om te beoordelen of het hierboven beschreven concept realiseerbaar is. Hoewel het idee zelf al honderden jaren oud is, daterend tot aan het waterrad, konden er geen eerdere onderzoeksresultaten gevonden worden. Op het eerste gezicht is het concept veelbelovend aangezien de energie besparing voor kleine systemen kan oplopen tot wel 50%. Niet elk systeem is echter even geschikt voor dit concept. De beschikbare ruimte en hoe het materiaal zich in de turbine gedraagt kan namelijk het rendement van de turbine verlagen. Het bepalen van de locatie en de vorm van de turbine is vrij gemakkelijk te doen door formules toe te passen die al gevalideerd zijn in andere toepassingen. Hetzelfde geldt voor de overbrenging. Nadat een keuze voor de soort overbrenging is gemaakt kunnen de verhouding en het koppel handmatig worden bepaald, of met behulp van een EEM programma (aanbevolen). In een ideale situatie zou de ontwerpcyclus hier stoppen en de turbine gebouwd en geinstalleerd kunnen worden. In de realiteit bestaat deze ideale situatie echter niet en treden er problemen op doordat sommige parameters (lichtelijk) in grote variëren. De meeste van deze varierende grootheden kunnen worden beschouwd als een variatie van de bandsnelheid, welke het meest zorgelijk is. Een varierende bandsnelhied resulteert namelijk in zowel een veranderende baan van het materiaal, welke een andere positie van de turbine vereist, alsmede mogelijk een andere overbrengingsverhouding. Deze problemen leiden ertoe dat een directe transmissie alleen werkt met een CVT, of dat er een onafhankelijke transmissie moet worden gebruikt. Deze beide opties zijn duurder dan de simpelere directe transmissies. Dit is echter niet van groot belang aangezien de prijs van alle opties verwaarloosbaar is ten opzichte van de kosten van de slijtage-tegels die de turbine beschermen.
De hoge prijs van de slijtage-tegels vergeleken met de lage besparingen die de tubine opbrengt als gevolg van de lage electriciteits kosten leidt tot de conclusie dat dit concept niet economisch haalbaar is. Bedrijven kunnen echter nog altijd overwegen om dit concept toe te passen om zo hun ecologische imago te verbeteren en hun electriciteits verbuik te reduceren. Aangezien het zonde is om een
concept met zulke veelbelovende ecologische waarde direct af te schrijven wordt er aanbevolen dat de resultaten met betrekking tot slijtage van de testopstelling van de auteurs van de originele paper zorgvuldig worden geanalyseerd. De resultaten die hieruit volgen dienen dan gebruikt te worden om in samenwerking met een producent van slijtage-tegels het turbine ontwerp te optimaliseren zodat het economische nadeel mogelijk verdwijnt.
