ĆWICZENIE. BADANIE PARAMETRÓW PRACY ROZDRABNIACZY: a) bijakowego, b) tarczowego, c) wielotarczowego, d) gniotownika

Transkrypt

1 1 ĆWICZENIE BADANIE PARAMETRÓW PRACY ROZDRABNIACZY: a) bijakowego, b) tarczowego, c) wielotarczowego, d) gniotownika 1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z rodzajami maszyn rozdrabniających oraz przekazanie umiejętności dokonywania pomiarów głównych parametrów pracy tych maszyn. Metody i sposoby rozdrabniania oraz konstrukcje podstawowych rozdrabniaczy wraz z opisem zasady działania i metodyki badań stanowią zakres ćwiczenia. 2. Podstawy teoretyczne Rozdrabniaczem nazywa się podział materiału na części pod wpływem zewnętrznych sił mechanicznych. Rozdrabnianie znajduje podstawowe zastosowanie w takich przemysłach jak: wydobywczy, chemiczny, rolno-spożywczy, farmaceutyczny i wiele innych. Proces ten jest bardzo energochłonny. Rocznie, światowe zużycie energii na ten cel wynosi około 350 mld kwh. W zależności od konstrukcji elementów roboczych maszyn rozdrabniających rozróżnia się następujące sposoby rozdrabniania (rys. 20.1): zgniatanie, rozłupywanie, zginanie. rozrywanie, uderzenie, ścinanie i ścieranie. Rys Sposoby rozdrabniania: a) zgniatanie, b) rozłupywanie, c) zginanie, d) uderzanie, e) rozrywanie, f) ścinanie, g) ścieranie Miarą efektów procesu rozdrabniania jest tzw. stopień rozdro-bnienia: D i = d [ - ] (20.1) gdzie: i - stopień rozdrobnienia, D - charakterystyczny wymiar ziarna przed rozdrobnieniem w m, d - charakterystyczny wymiar ziarna po rozdrobnieniu w m.

2 Średni stopień rozdrobnienia i śr określa się jako stosunek średniej wielkości ziaren surowca do średniej wielkości ziaren produktu. Dsr i śr = d sr [ - ] (20.2) Średnią wielkość zbioru ziaren jako produktu rozdrobnienia oblicza się ze wzoru: x /d x i/di d śr = [m] (20.3) gdzie: d i - wymiary ziaren poszczególnych frakcji, x i - odpowiadające im udziały masowe odniesione do całkowitej masy rozdrobnionego materiału. Siły zewnętrzne działające na materiał w celu jego rozdrobnienia muszą pokonać siły spójności (kohezji) wiążące cząstki danego materiału. Wymaga to wykonania określonej pracy rozdrabniania. Zagadnienie to było przedmiotem wielu badań, w wyniku których powstało szereg hipotez, np.: Kick a, Rittingera, Bonda, Charlesa, Bracha. Jednak praktyczna przydatność tych opracowań do wyznaczania pracy rozdrabniania jest ograniczona ze względu na wąski zakres zastosowania. W zależności od uzyskiwanego stopnia rozdrabniania i początkowej wielkości cząstek operację rozdrabniania można sklasyfikować w/g podziału przedstawionego w tabeli Jeżeli rozdrabnianiu poddawany jest materiał o dużych wymiarach cząstek, rozdrabnianie należy przeprowadzić w kilku etapach. Tabela Klasyfikacja rodzajów rozdrabniania Wielkość cząstek Rodzaj rozdrabniania przed rozdrobnieniem Stopień rozdrobnienia Wstępne średnie Drobne Bardzo drobne 50,mm 5-50, mm , mm ,µm Ultra drobne 5-50, µm Koloidalne 5, µm 100 Maszyny rozdrabniające dzieli się na następujące grupy: a) do rozdrabniania wstępnego - łamacze, kruszarki, niektóre typy młynów, b) do rozdrabniania średniego - stożkowe, bijakowe, walcowe, c) do rozdrabniania drobnego - udarowe, walcowe, gniotowniki. d) do rozdrabniania bardzo drobnego - tarczowe, kulowe, e) do rozdrabniania ultradrobnego i koloidalnego - strumieniowe, tarczowe, prętowe. i i 3 2

3 3 A. Rozdrabniacze bijakowe Rozdrabniacze bijakowe należą do grupy rozdrabniaczy udarowych. Swoją popularność zawdzięczają uniwersalizmowi w zastosowaniu do różnych surowców, prostej budowie i obsłudze. Schematyczna budowa rozdrabniacza bijakowego została przedstawiona na rys Rys Schemat i budowa rozdrabniacza bijakowego Przebieg procesu jest tu następujący: Dozowany surowiec przemieszcza się grawitacyjnie przez kosz zasypowy 1 do przestrzeni 2, w której pracuje wirnik 3 zaopatrzony w bijaki 4. Przestrzeń 2, która jest ograniczona cylindrycznym sitem 5, tworzy tzw. komorę rozdrabniania. Tu na cząstki surowca oddziaływuje siła zderzeń z bijakami 4, które przekazują im energię zużywaną na ich podział i nadanie prędkości głównie w kierunku sita 5. W rezultacie zderzeń z powierzchnią sita następuje dalszy ich podział oraz ponowne odbicie w kierunku strefy działania bijaków. Cykl ten powtarza się tak długo, aż redukowane wymiary cząstek osiągną wartość mniejszą od otworów w sicie. Wówczas następuje ich przemieszczenie przez otwory na zewnątrz maszyny - do urządzenia odbiorczego. Prędkość obwodowa bijaków wynosi od m/s, natomiast wydajność stosowanych rozdrabniaczy zawiera się w przedziale od 1-30 t/h. Konstrukcja tych maszyn umożliwia szybka wymianę sita w celu zastosowania różnych średnic otworów, co w konsekwencji pozwala na uzyskanie różnych stopni rozdrobnienia. Rozdrabniacze bijakowe posiadają pewne niedogodności, wśród których najistotniejsze to: duża energochłonność, wytwarzanie znacznej ilości frakcji pylistej w produkcie, nagrzewanie się materiału w trakcie procesu oraz wysoki poziom hałasu. B. Rozdrabniacze tarczowe Rozdrabniacze tarczowe stanowią najstarszą grupę maszyn rozdrabniających. Działają w oparciu o ścieranie i ścinanie materiału. Schematyczną budowę rozdrabniacza tarczowego przedstawiono na rys

4 4 Rys Schematyczna budowa rozdrabniacza tarczowego: 1 kosz zasypowy, 2 zastawka regulująca dopływ surowca, 3 tarcza nieruchoma, 4 tarcza napędzana, 5 wał napędzany, 6 otwór wlotowy, 7 podajnik ślimakowy Składa się on z kosza zasypowego z zastawka regulującą dopływ surowca, zespołu rozdrabniającego i układu napędowego. Zespół rozdrabniający składa się z dwóch współpracujących tarcz, żeliwnych lub stalowych, z których jedna jest nieruchoma, druga natomiast osadzona na wale napędzanym silnikiem. Obydwie tarcze mają odpowiednio uprofilowaną powierzchnię roboczą, a szczelina między nimi zwęża się w miarę zwiększania odległości od osi tarcz. Materiał przeznaczony do rozdrobnienia wprowadzony jest przez otwór wlotowy za pomocą podajnika ślimakowego napędzanego przez ruchomą tarczę. W części centralnej duża szczelina umożliwia swobodny napływ surowca i ruch w kierunku promieniowym odśrodkowym. Podział cząsteczek następuje na skutek łamania, ścierania i ścinania na profilowanych powierzchniach. Regulacja szczeliny między tarczami umożliwia uzyskanie produktu o pożądanej granulacji. Do podstawowych wad tych maszyn należy zaliczyć: kosztowną technikę wytwarzania tarcz, małą wydajność, nagrzewanie się materiału w trakcie procesu. C. Rozdrabniacze wielotarczowe Schematyczna budowa takiego rozdrabniacza została przed-stawiona na rys Istota pracy rozdrabniacza wielotarczowego do materiałów ziarnistych polega na wykorzystaniu zjawiska quasi-ścinania i na tym, że rozdrabniacz składa się z tarcz roboczych osadzonych

5 współ-osiowo na wale, przy czym w tarczach są otwory z krawędziami rozdrabniającymi rozmieszczone na średnicach narastających od wejścia do wyjścia materiału z przestrzeni rozdrabniania, a różnica prędkości między sąsiednimi tarczami jest prędkością rozdrabniania. Proces rozdrabniania przebiega tu następująco: masa ziaren umieszczona w koszu zasypowym (nie wymaga dozowania) jest uwalniana zasuwą i przemieszcza się do przestrzeni roboczej tj. wnętrza otworów w których w sferze kontaktu z kolejną tarczą następuje rozdrobnienie ziaren przez ich ścinanie. Proces realizowany jest tak długo, aż wymiar cząstek jest mniejszy od szczeliny między tarczami. Materiał rozdrobniony przemieszcza się grawitacyjnie na zewnątrz maszyny. Rozdrabniacz wielotarczowy jest konstrukcją opracowana w ATR w Bydgoszczy, oryginalną i nowoczesną. Charakteryzuje się małą prędkością obrotową elementów roboczych 1-10 m/s przez co niweluje typowe wady rozdrabniaczy innych konstrukcji, takie jak: nagrzewanie się materiału w trakcie procesu, wytwarzanie znacznej ilości frakcji pylistej, nadmierna hałaśliwość i inne. 5 Rys Schematyczna budowa rozdrabniacza wielotarczowego: 1 kosz zasypowy, 2 pakiet tarcz roboczych, 3 wal ustalający, m 1 masa wsadu, m 2 strumień masy produktu rozdrabniania, M - moment obrotowy D. Gniotowniki Schematyczna budowa gniotownika została przedstawiona na rys Składa się on z dwóch walców o średnicy mm sprzężonych ze sobą za pomocą przekładni zębatej o przełożeniu równym jedności. Skutkiem tego jest ruch obrotowy w przeciwnych kierunkach z tą samą prędkością obrotową.

6 Do jednego z walców doprowadzony jest napęd za pomocą przekładni pasowej. Elementy robocze osadzone są w łożyskach tocznych chronionych, a całość zabudowana jest blaszaną obudową, której górną część stanowi kosz zasypowy. Prędkości obrotowe walców zawierają się w przedziale obr/min, natomiast wydajności wynoszą do 500 kg płatków na godzinę przy poborze mocy ok. 7,5 kw. 6 Rys Schematyczna budowa gniotownika: 1 walec szybkoobrotowy, 2 walec wolnoobrotowy, 3 silnik, 4 przekładnia zębata, 5 przekładnia pasowa, 6 obudowa, 7 łożysko przesuwne, 8 pokrętło regulacji szczeliny roboczej Proces roboczy odbywa się tu poprzez wciąganie i zgniatanie ziarna w szczelinę między walcami. 3. A, B, C, D Opis stanowiska laboratoryjnego Stanowisko laboratoryjne składa się z następujących elementów (rys. 20.6): a) rozdrabniacza określonego typu (A, B, C, D), b) zbiornika z ziarnem zbożowym, c) wagi laboratoryjnej, d) czasomierza, e) przesiewacza laboratoryjnego, f) watomierza. Rys Schemat stanowiska laboratoryjnego rozdrabniaczy:

7 W1 główny włącznik trójfazowy, W2 włącznik układu pomiarowego parametrów sieci, K komputer, SE silnik elektryczny napędowy, R rozdrabniacz (a - tarczowy, b - bijakowy, c -wielotarczowy, d - gniotownik) 4. A, B, C, D Przebieg ćwiczenia a) odważyć masę m = 3 kg ziarna i umieścić w koszu zasypowym rozdrabniacza, b) uruchomić rozdrabniacz z jednoczesnym włączeniem czasomierza (pomiar t), c) określić pobór mocy w trakcie realizacji procesu: P = 3 U I cosϕ (W) gdzie: U napięcie prądu, (V) I natężenie prądu, (A) cosϕ - współczynnik mocy silnika napędowego d) po zakończonym rozdrabnianiu próbki odczytać czas trwania procesu i unieruchomić rozdrabniacz, e) produkt rozdrobnienia umieścić w przesiewaczu i dokonać analizy sitowej A, B, C, D Analiza wyników i wnioski Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów bezpośrednich dokonać obliczeń i określić: a) wydajność rozdrabniacza jako stosunku masy próbki do czasu rozdrabniania: Q = m/t (kg/h) b) wartość średnia poboru mocy przez rozdrabniacz w trakcie procesu, c) określić Jednostkowe Zużycie Energii (JZE) gniotownika przez odniesienie mocy rzeczywistej do wydajności gniotownika: P t JZE = m (kwh/kg) d) wykonać wykres składu granulometrycznego produktu (opis w ćwiczeniu nr 10), e) dokonać analizy uzyskanych rezultatów i sformułować wnioski. 6. A, B, C, D Literatura [20.1] Dmitrewski I.: Teoria i konstrukcja maszyn rolniczych tom III. PWRiL Warszawa [20.2] Flizikowski J., Bieliński M., Bieliński K.: Podwyższenie energetycznej efektywności wielotarczowego rozdrabniania nasion zbóż na paszę. ATR, Bydgoszcz [20.3] Grochowicz J.: Technologia produkcji mieszanek paszowych. PWRiL Warszawa 1985