CC BY
11УДК 622.331.002.5
яблонев А.л.
Яблонев Александр Львович, д. т. н., зав. кафедрой гидравлики, теплотехники и гидропривода Тверского государственного технического университета, Тверь. alvovich@mail.ru.
гусева А.м.
Гусева Анна Михайловна, старший преподаватель кафедры ТМО Тверского государственного технического университета (ТвГТУ). guseva_ann@mail.ru.
Yablonev A.L.
Yablonev Aleksandr L., Dr. sc., Prof., Head of the Chair of Hydraulics, Heat Engineering and Hydraulic Drive, Tver State Technical University.
Guseva A.M.
Guseva Anna M., Senior Lecturer of the Department of TMO Tver State Technical University.
исследование энергоемкости формования кускового торфа
Аннотация. Добыча кускового торфа фрезфор-мовочными машинами - самая энергозатратная операция во всем технологическом цикле производства. Данное исследование посвящено изучению режимов формования торфа с целью снижения энергоемкости процесса без потери качества куском. Авторами в лабораторных условиях произведено опытное диспергирование и формование торфа шнековым прессом при ряде изменяющихся параметров. В ходе исследования определялись влага сырья, полезная мощность, производительность пресса, удельная энергия процесса. Результаты исследования выявили рациональные режимы работы пресса, состоящие из сочетания скорости вращения шнека, диаметра мундштука и шага витков шнека.
Ключевые слова: кусковой торф, формование, энергоемкость, шнековый пресс, диспергирование, мундштук, коэффициент напора.
study of the energy intensity of sod peat forming
Abstract. The extraction of sod peat with milling-forming machines is the most energy-intensive operation in the entire technological production cycle. This investigation is devoted to the study of peat forming modes in order to reduce the energy consumption of the process without losing the quality of sod peat. Experimental dispersion of peat forming with a screw press under a number of changing parameters was carried out by the authors in laboratory conditions. In the course of the study, the moisture of the raw material, the useful power, productivity of the press and the specific energy of the process were determined. The results of the study revealed the rational operating modes of the press, consisting of a combination of the screw rotation speed, the diameter of the nozzle and the step turns of the screw.
Key words: sod peat, forming, energy consumption, screw press, dispersing, nozzle, pressure factor.
Введение
Производство торфа фрезформовочным методом призвано ликвидировать дефицит коммунально-бытового топлива в районах, где нет газа, на основе использования местных источников сырья. Запасы торфа в России огромны, и по самым скромным подсчетам и оценкам, составляют около 35 % мировых. Уже сегодня в отдельных регионах торф составляет в местном энергобалансе значительную часть, а его сжигание, проводимое в современных котельных установках с использованием принципа «кипящий слой», является рентабельным и конкурентоспособным по сравнению с привозными углями, мазутом и даже со сверхлимитным газом [1]. Это легкое (плотность в навале до 500 кг/м3) и безопасное для перевозки любым видом транспорта топливо, имеющее теплотворную способность 3200 Ккал/кг при содержании влаги 33 % [2]. Схожая ситуация с использованием местных возобновляемых источников энергии из-за постоянного удорожания газа и в зарубежных странах [3].
Фрезформовочный метод добычи кускового торфа основан на применении навесной, прицепной или полунавесной на колесный трактор машины, осуществляющей щелевое фрезерование торфяной залежи на глубину до 550 мм, формование торфа шнековым прессом, выстилку куска на картовое поле через многопоточный мундштук в виде цилиндров или волнистого расстила для последующей естественной сушки. Щелевое фрезерование и формование - самые энергоемкие операции (около 50 % эксплуатационных расходов и около 25 % от общей себестоимости продукта) во всем технологическом цикле производства торфа фрезформовочным методом. Производительность таких машин (рис. 1) составляет до 40 м3/ч [4].
£11 d
d
Як t**
Рис. 1. Добыча торфа фрезформовочной машиной Fig. 1. Extraction of peat by milling-forming machine
В связи с изложенным, а также учитывая, что в настоящее время в России ведутся работы над проектированием различных модификаций фрезформовочных машин, представляется актуальным данное исследование, целью которого является изыскание путей снижения энергоемкости диспергирования и формования торфа без потери куском прочностных характеристик.
Методика исследования
В шнековых прессах одновременно сочетаются несколько функций: транспортирование материала, его резание-перетирание-раздавливание, сжатие, гомогенизация и формование [5]. Поэтому по длине напорной трубы пресса условно можно выделить зоны, в которых реализуются все перечисленные функции. Причем торф, как и любой другой материал, попавший в загрузочную воронку шнекового пресса, постепенно продвигается по напорной трубе к мундштуку, тщательно перемешивается и перерабатывается, приобретая все большую однородность по дисперсности и влаге. В результате таких механических воздействий, переработанный торф принимает свойства -аморфность, пластичность, а после формования и сушки - прочность и высокую плотность. Производительность, необходимая мощность, удельный расход энергии и качество готового торфа зависят при прочих равных условиях от степени переработки торфомассы [6].
В качестве критериев формуемости торфяного сырья можно выделить: возможность достаточно легкого развития в торфе пластических деформаций; сохранение куском приданной в мундштуке формы; достижение куском плотности, позволяющей проведение последующих операций; недопустимость наличия у торфяного куска после формования и сушки макродефектов (трещин), снижающих его механическую прочность и ухудшающих товарный вид готового топлива [7].
Из природных факторов на прочность кускового торфа влияют степень разложения, содержание гумуса и пр.; из технологических -степень переработки, достигнутая плотность, размер куска и др. Катионный и групповой состав различных видов торфа является следствием торфообразовательных процессов, которые наряду со степенью разложения и дисперсностью определяют структурообра-зование куска [8]. Верховой торф средней и высокой степени разложения более пласти-
чен, чем насыщенный катионами низинныи. В низинном торфе происходит структурооб-разование на основе взаимодействия через поливалентные катионы, в центральных зонах куска развивается повышенное давление, что способствует образованию микротрещин [8]. Наилучшим, с точки зрения формуемости, является верховой торф, а многочисленные исследования показали, что он должен иметь начальное содержание влаги w = 82-84 % и степень разложения Я = 25-35 %.
Но недостаточно изученными остаются вопросы о режимах формования - скорости вращения шнека, шаге витков шнека, соотношении площадей живого сечения напорной трубы и мундштука.
С целью разрешения вышепоставленных вопросов был проведен лабораторный эксперимент по формованию комплексного верхового торфа степенью разложения Я = 25-30 % при среднем содержании влаги w = 83,44 %. Содержание влаги определялось по стандартной методике путем высушивания навески торфа с помощью анализатора влажности ЭЛВИЗ 2С. Поскольку в фрезформовочной машине во время экскавации из залежи перед попаданием в шнековый пресс торф измельчается, все торфяное сырье было подвергнуто предварительному диспергированию с ручным отсевом древесных включений. Формование проводилось на лабораторной установке (рис. 2), схема которой представлена на рис. 3 [9].
Асинхронный 3-фазный электродвигатель переменного тока мощностью 10 кВт с частотой вращения ротора 1480 об/мин, 5-скоро-стная коробка передач и цилиндрический редуктор с передаточным отношением /ред = 4,25 позволяли изменять частоту вращения шнека пресса от 55,81 до 429,86 об/мин. Пресс комплектовался тремя мундштуками внутренним диаметром - 52, 60 и 92 мм и двумя шнеками с шагом витков 5 = 50 и 110 мм (рис. 4) [10].
В процессе экспериментов проводилось исследование работы шнекового пресса в холостом и нагруженном состоянии на 5 режимах, соответствующих 5 различным скоростям в коробке передач. Вычисление мощности, необходимой для привода пресса на холостом ходу и под нагрузкой (Ыхх и Ы, Вт, соответственно) производилось по зависимостям:
Nxx = 3UIxxcosç, N = 3UIcosç,
(1) (2)
где и - напряжение в одной из фаз электродвигателя, В; I - сила тока в одной из фаз электродвигателя, А; cosф - коэффициент полезной мощности асинхронного двигателя (для установленного на шнековом прессе двигателя = 0,88).
Полезная мощность Ып, Вт, определялась как разница полной мощности и мощности холостого хода:
Nn = N - Nx
(3)
Скорость выхода формованного торфа из мундштука , м/с, оценивалась по прикреплен-
Т
2 5 6 7
Рис. 3. Схема лабораторного шнекового пресса: 1 - электродвигатель; 2 - муфта соединительная;
3 - коробка передач; 4 - редуктор цилиндрический;
5 - опорные подшипники шнека; 6 - напорная труба (цилиндрический корпус); 7 - шнек;
8 - цилиндрический мундштук
Fig. 3. Laboratory screw press scheme: 1 - electric motor; 2 - clutch connective; 3 - gearbox;
4 - cylindrical reducer; 5 - mains bearings;
6 - pressure pipe (cylindrical body); 7 - screw; 8 - cylindrical nozzle
Рис. 2. Лабораторный шнековый пресс Fig. 2. Laboratory screw press
Рис. 4. Сменные мундштуки и шнеки для пресса Fig. 4. Replacement nozzles and press screws
ному к мундштуку шаблону длиной L = 0,15 м и секундомеру (рис. 5).
Рис. 5. Процесс формования торфа Fig. 5. Peat forming process
Производительность пресса Q, м3/с, рассчитывалась по формуле:
Qnd2
= V-
4 ,
(4)
где d - диаметр установленного мундштука, м.
Энергоемкость процесса диспергирования и формования А, Дж/м3, определялась по зависимости:
А = *
(5)
После формования на различных режимах куски торфа были разложены в специальные кюветы и подвергнуты сушке в мягком режиме на протяжении 25 суток до достижения среднего равновесного содержания влаги w = 23,12 %.
По окончанию сушки объемным методом с использованием цифрового штангенциркуля ШЦЦ 1-150-0,01 с точностью 0,01 мм и весов «Асот JW-1» с точностью 0,1 г была произведена оценка плотности кусков, полученных на различных режимах. Все опыты проведены с 6-кратной повторяемостью [11].
Результаты исследования
После проведенных расчетов и их анализа с отсевом промахов были получены графические зависимости энергоемкости от частоты вращения шнека при различных установленных мундштуках диаметром d и шнеках с шагом витком 5 (рис. 6, 7).
Для всех представленных зависимостей получены уравнения регрессии с коэффициентами детерминации В2.
Как видно из рис. 6 и 7, энергоемкость формования напрямую зависит от частоты вращения и шага витков шнека, соотношения площадей живого сечения напорной трубы и мундштука. В проведенном исследовании энергоемкость изменялась от 0,88 до 3,42 МДж/м3, причем минимальное ее значение во всех экспериментах приходится на диапазон скорости вращения шнека 220-320 об/мин [12].
Среди прочих способов управления энергоемкостью в производственном процессе проще изменять количество и размеры мундштуков. Учитывая факт, что напор создается шнеком
♦ d=52 мм d=60 мм d=92 мм
0 100 200 300 400 500
Частота вращения шнека, об/мин
Рис. 6. Зависимость энергоемкости формования от частоты вращения шнека с шагом витков S=110 мм
Fig. 6. Dependence of the energy intensity of forming on the frequency of screw rotation with the screw step of 110 mm
о ч
3 2,5 2 1,5 1
0,5
<f
/
\ y = 4E- 05x2 - 0,0214 R2 = 0,0044 + 4,211?
.................... У~в2Е ................. V 05x2 - 0,0115 0,941 x + 274^.
y = 8E-
06x2 - 0,0044 R2 = 0,8679 + 1,4744
d=52 мм ■ d=60 мм d=92 мм
100 200 300 400
Частота вращения шнека, об/мин
Рис. 7. Зависимость энергоемкости формования от частоты вращения шнека с шагом витков S = 50 мм
Fig. 7. Dependence of the energy intensity of forming on the frequency of screw rotation with the screw step of 50 mm
3,5
0
еще в напорной части трубы и продолжается в мундштуке, испытывая противодавление, для описания степени уплотнения торфа в иных условиях и использования метода геометрического подобия предлагается ввести понятие «коэффициент напора», кн, который представляет собой отношение площадей живых сечений напорной трубы и мундштука:
кн —
Р2-ч1н d2
(6)
где О - внутренний диаметр напорной трубы; dвн - наружный диаметр трубы, являющейся основой для спирали шнека; d - диаметр мундштука.
В исследовании применялся шнековый пресс с параметрами О = 102 мм, dвн = 49 мм. В этом случае коэффициенты напора кн составили для мундштуков диаметром 52, 60 и 92 мм соответственно 2,96, 2,22 и 0,95 [9-12].
Для оценки сходства или различия статистических показателей зависимостей, представленных на рис. 6 и 7 и подверженных влиянию случайных факторов, обусловленных различными значениями шага витков шнека, применялся метод проверки статистических гипотез [13, 14]. На начальном этапе была выдвинута нулевая гипотеза, состоящая в предположении, что генеральные средние исследованные зависимости совпадают. При этом энергоемкость определяется общим для двух случаев набором факторов. Критериями сравнения служила статистика 1^1 с учетом объемов выборок п110 и п50, параметра с и числа степеней свободы /П0 и /50:
!*! =
\Aao~
-D
с =
"110
110
—^£>110 + ;г-05о' Лцо «50
f
110 ■
'110
- 1,
(7)
(8) (9)
£>50 =
_ T.(A]50-AS0)2
/so
(12)
где Ai110 и Aj50 - точечные значения энергоемкости при формовании шнеками с шагом витков соответственно 110 и 50 мм.
Сравнению были подвергнуты две выборки значений энергоемкости, полученные при формовании с мундштуком внутренним диаметром 60 мм, шнеком с шагом витков 110 и 50 мм. В этом случае n110 = n50 = 5; /110 = f50 = 4. Расчет статистических характеристик выборок сведен в табл.
Таблица. Расчет статистических характеристик энергоемкости формования кускового торфа шнеками с шагом витков 110 и 50 мм
Table. Calculating the statistical characteristics of the energy intensity of forming sod peat by screws with a step of screw 110 and 50 mm
Аа№ МДж/м3 Ai110 А110 (Ai110 А110)2
2,42671 0,586904 0,344456
2,02381 0,184004 0,033857
1,61818 -0,221626 0,049118
1,47085 -0,368956 0,136129
1,65948 -0,180326 0,032517
2 А110 = 9,19903; Л110 = 1,839806 2(A,110 - А1ю)2 = 0,596077
D110 = 0,149019
Aj50, МДж/м3 Aj50 А50 (Ai50 - A50)2
2,15752 0,582396 0,339185
1,79009 0,214966 0,046210
1,17864 -0,396484 0,157200
1,29905 -0,276074 0,076217
1,45032 -0,124804 0,015576
2 А50 = 7,87562; Л50 = 1,575124 2(4-50 - A50)2 = 0,634388
D50 = 0,158597
Статистика и параметр с, определенные по зависимостям (7) и (8), составили:
|1,839806-1,575124! пе-ПЛ
\V\ = -■==......= 1,0671,
J5
149019 0,158597
/50 = П50 - 1, (10)
где Л110 и Л50 - средние значения энергоемкости по двум выборкам; D110 и D50 - несмещенные оценки дисперсий по двум выборкам:
Х(-^1110~-^110)2 г л 1 ->
но — , (11)
/110
0,149019
С = 0,149019 0,158597' = 0,48443.
5 5
Состоятельность нулевой гипотезы на уровне значимости а = 0,05 проверялась сравнением рассчитанного значения статистики 1^1 с ее табличным значением М (с; /110; /50; а). Если
табличное значение статистики превышает рассчитанное по формуле (7), то нулевая гипотеза принимается. В рассматриваемом случае М (с; Лю; /50; а) = М (0,48443; 4; 4; 0,95) « 2,33 [13]. Поскольку табличное значение статистики выше рассчитанного, нулевая гипотеза принимается. Можно считать, что на энергоемкость формования кускового торфа различными шнеками с шагом витков 110 и 50 мм влияют одни и те же факторы, а сравниваемые средние являются оценками одной и той же генеральной средней.
Оценка плотности кусков производилась после сушки в мягком теневом режиме до среднего содержании влаги 23,12 %, и показала, что в зависимости от частоты вращения шнека плотность меняется по логарифмическому закону (рис. 8, 9).
d = 50 мм d = 60 мм d = 92 мм
0 100 200 300 400 500
Частота вращения шнека, об/мин
Рис. 8. Зависимость плотности кускового торфа от частоты вращения шнека с шагом витков S = 110 мм при диаметре мундштука d
Fig. 8. Sod peat density dependence of frequency of rotation of the screw with step turns S = 110 mm under the nozzle diameter d
1080 1060 1040 1020 1000 980 960 940
§ 5
I *
d = 52 мм d = 60 мм d = 92 мм
0 100 200 300 400 500
Частота вращения шнека, об/мин
Рис. 9. Зависимость плотности кускового торфа от частоты вращения шнека с шагом витков S = 50 мм при диаметре мундштука d
Fig. 9. Sod peat density dependence of frequency of rotation of the screw with step turns S = 50 mm under the nozzle diameter d
Учитывая тот факт, что минимальная энергоемкость формования наблюдается при скорости вращения шнека 220-320 об/мин, для скорости 270 об/мин (середина интервала) был построен график зависимости конечной плотности кускового торфа от энергоемкости формования (рис. 10).
1060 1050 1040 1030 1020 1010 1000 990 980 970
k = 2,96
S = 50 мм
k = 2 22 k = 2,9 6
Ч S = 110 мм
k = 2,22
k = 0,95
k = 0 ,95
0,9 1,4 1,9
Энергоемкость формования, МДж/м3
Рис. 10. Зависимость плотности кускового торфа от энергоемкости формования при скорости вращения шнека n = 270 об/мин
Fig. 10. Sod peat density dependence of energy intensity at a rotation speed of screw n = 270 RPM
Как следует из полученной зависимости, интенсивность роста плотности куска при увеличении энергоемкости заметно падает при изменении кн с 2,22 до 2,96. Но уже при коэффициенте напора 2,22 плотность кускового торфа получается выше, чем кондиционная [15]. Поэтому формование при коэффициенте напора кн = 2,22 можно считать из трех рассмотренных режимов самым рациональным.
Обсуждение, выводы
Проектирование и использование фрезфор-мовочных машин в рациональных режимах позволит уменьшить потери торфа при производстве и снизить удельные энергозатраты без потери куском плотности, а соответственно и прочности.
По результатам работы можно сделать следующие выводы.
1. Энергоемкость при формовании торфа напрямую зависит от трех параметров формующего агрегата: частоты вращения и шага витков шнека, соотношения площадей живого сечения напорной трубы и мундштука.
2. Для всех исследованных режимов существует некий минимум энергоемкости при формовании, приходящийся на область 220-320 об/мин шнека, который можно
2,4
объяснить следующим. Энергоемкость -это не затраченная энергия, а отношение полезной мощности к производительности, т. е. удельная характеристика. Интенсивность роста производительности выше, чем интенсивность роста мощности, необходимой для производства куска, до определенной частоты вращения шнека. Выше этой частоты начинается неустановившееся движение материала (частицы материала прекращают двигаться только в осевом направлении и все больше начинают вращаться вместе со шнеком) [16]. Это приводит к изменению интенсивностей роста производительности и необходимой мощности, в результате чего повышается энергоемкость процесса, что ведет, соответственно, к повышению износа рабочего органа пресса.
3. Во всех проведенных опытах энергоемкость процесса изменялась от 0,88 до 3,42 МДж/м3.
4. Интенсивность изменения удельных энергозатрат выше при установке мундштука меньшего диаметра. По мере увеличения диаметра мундштука интенсивность изменения удельных энергозатрат падает.
5. Большая производительность и меньшее время формования всегда соответствуют большему шагу витков шнека. Большая необходимая мощность на формование соответствует установленному мундштуку меньшего диаметра. Большая энергоемкость в исследованной зоне при прочих равных условиях соответствует использованию шнека с большим шагом, что объясняется большей нагрузкой на виток и большей производительностью механизма.
6. Полученная в ходе экспериментов плотность кусков после всех режимов формования и сушки превышает плотность, которую можно достигнуть для данного вида торфа в полевых условиях (до 800 кг/м3), что можно объяснить мягким режимом сушки и ручным управлением всем процессом. Вместе с тем, следует отметить, что наиболее рациональным режимом представляется частота вращения шнека n = 220-320 об/мин при коэффициенте напора кн = 2,22 и шаге витков шнека S = 0,5D.
Библиографический список
1. Горячев В.И., Михеев И.И., Яблонев А.Л., Фомин K.B. Выбор пресса для обезвоживания торфа в технологии фракционирования торфяного сырья гидроразмывом // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 201В. - № S38. - С. 22-30. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-7-38-22-30.
2. Яблонев А.Л., Гусева А.М., Жуков Н.М. Добыча и использование кускового торфяного топлива для арктических условий // Труды Инсторфа. - 201В. - № 17 (70). - С. 4б-49.
3. Misnikov O.S. Basic Technologies and Equipment Used for Peat Deposits Development in Foreign Countries // E3S Web of Conferences «III-d International Innovative Mining Symposium», 201В. - Vol. 41. - P. 0104б. DOI: 10.1051/e3sconf/20184101046.
4. Яблонев А.Л. Проектирование торфодобывающих предприятий. - Тверь: ТвГТУ 201б. - 1б4 с.
5. Тимофеева Д.В., Попов В.П., Антимонов C.B., Зинюхина А.Г. Разработка конструкции шнека типового пресс-экструдера // Вестник ОГУ - 2014. - № 9. - С. 220-22S.
6. Горячев В.И., Зюзин Б.Ф., Михеев И.И., Кази-чев И.Н. Технологический комплекс производства кускового топливного торфа с комбинированной сушкой // Труды Инсторфа. - 201б. - № 13 (бб). - С. 2В-32.
7. Зюзин Б.Ф., Фомин Д.С. О влиянии физико-механических свойств исходного торфа на процесс механического диспергирования // Труды Инсторфа. - 2013. - № 7 (б0). - С. 49-S2.
В. Михайлов A.B., Большунов A.B., Кремчеев Э.А., Епифанцев K.B. Требования к торфяному сырью для производства окускованного топлива // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2012. - № 4. - С. S9-63.
9. Яблонев A.Л., Гусева A^. Экспериментальное обоснование рациональных режимов производства кускового торфа // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2019. - № 2. - С. 1б3-171. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-02-0-163-171.
10. Яблонев А.Л., Гусева А.М. Определение энергоемкости процесса формования кускового торфа // Вестник ТвГТУ Серия «Технические науки». - 2019. - № 1. - С. 36-45.
11. Яблонев А.Л., Гусева А.М. Обоснование параметров шнекового пресса для добычи кускового торфа // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: Мат-лы XVII Междун. научно-техн. конф. «Чтения памяти В.Р. Ку-бачека» / Под общ. ред. Ю.А. Лагуновой. Екатеринбург, 4-5 апреля 2019 г. - Екатеринбург: УГГУ 2019. - С. 172-175.
12. Yablonev A., Guseva A. Justification of Screw Press Rational Parameters and its Working Modes during Sod Peat Extraction by Milling-
Forming Method // E3S Web of Conferences «IV-th International Innovative Mining Symposium», 2019. - Vol. 105. - P. 01033. DOI: doi. org/10.1051/e3sconf/201910501033.
13. Богатое Б.А., Копенкин В.Д. Математические методы в торфяном производстве. -М.: Недра, 1991. - 240 с.
14. Вентцель Е.С., ОвчаровЛ.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. - М.: Наука, 1988. - 480 с.
15. Справочник по торфу / Под ред. А.В. Лазарева и C.C. Корчунова. - М.: Недра, 1982. - 760 с.
16. Соколов М.В., Клинков А.С., Ефремов О.В. и др. Автоматизированное проектирование и расчет шнековых машин: монография. -М.: Машиностроение-1, 2004. - 248 с.
