WPŁYW GEOMETRYCZNYCH PARAMETRÓW OTWORU I ŚREDNICY ZASTĘPCZEJ MATERIAŁU ROŚLINNEGO NA OBJĘTOŚCIOWE NATĘśENIE PRZEPŁYWU

Transkrypt

1 ElŜbieta Kusińska, Paweł Olejarczyk WPŁYW GEOMETRYCZNYCH PARAMETRÓW OTWORU I ŚRENICY ZASTĘPCZEJ MATERIAŁU ROŚLINNEGO NA OBJĘTOŚCIOWE NATĘśENIE PRZEPŁYWU Streszczenie. Przestawiono wyniki pomiaru natęŝenia przepływu materiału roślinnego o zmiennej zawartości woy w zaleŝności o śrenicy hyraulicznej otworu i śrenicy zastępczej wybranych nasion i ziaren. Materiał roślinny stanowiły nasiona łubinu i rzepaku oraz ziarna owsa. Otwory wysypowe charakteryzowały się zmiennym kształtem, wielkością i połoŝeniem. Zawartość woy w baanym materiale wynosiła o 0,089 o 0,15 kg (kg s.m.) -1. Rozmiar śrenicy hyraulicznej otworów wahał się o,0 o 11, cm, a śrenicy zastępczej materiału o 1, o,7 mm. Baania natęŝenia przepływu przeprowazono na skalę laboratoryjną. Uzyskane wyniki baań poano analizie statystycznej. Wykazała ona istotny wpływ na wyniki baań natęŝenia przepływu kształtu i połoŝenia otworu, jego śrenicy hyraulicznej oraz śrenicy zastępczej materiału. Słowa kluczowe: ziarno, natęŝenie przepływu, zawartość woy, śrenica hyrauliczna otworu, śrenica zastępcza materiału WSTĘP W technice rolniczej mamy o czynienia z materiałami ziarnistymi, takimi jak: ziarno zbóŝ oraz proukty jego rozrobnienia, nasiona innych roślin uprawowych, pasze przemysłowe, cukier i szereg innych. Materiał ziarnisty stanowi zbiór inywiualnych cząstek stałych pozostających we wzajemnym kontakcie, przy czym przestrzenie mięzy cząstkami wypełnione są gazem lub cieczą [Ewalt i Buelow 193]. Istotne znaczenie la przebiegu wielu operacji technologicznych mają takie właściwości fizyczne jak: gęstość usypowa, granulacja, współczynnik tarcia, twarość, wilgotność i inne [Horabik 001]. latego waŝne jest ich okłane poznanie. Pewne właściwości baanych cząstek moŝna wyrazić w oniesieniu o śrenicy zastępczej [Molena 1998]. Znajomość właściwości materiałów sypkich jest niezbęna o opracowania prawiłowego przebiegu operacji technologicznych [Schwees 1985]. Jeną z często spotykanych operacji technologicznych jest wypływ materiału roślinnego ze zbiorników. Był on przemiotem baań Browna r hab. ElŜbieta Kusińska, Katera InŜynierii i Maszyn SpoŜywczych, mgr inŝ. Paweł Olejarczyk, Katera Eksploatacji Maszyn Przemysłu SpoŜywczego Akaemii Rolniczej w Lublinie

2 WPŁYW GEOMETRYCZNYCH PARAMETRÓW OTWORU I ŚRENICY i Richarsona [190], Changa i in. [198, 1988], Ewalta i Buelowa [193], Fowlera i Glastonbury ego [1959], Gregory ego i Felera [1987], Moyseya i in. [1988] oraz Beverloo i in. [191]. Na postawie wyników baań opracowano amerykańską normę ASAE 7.1 [1993], która zaleca obliczanie natęŝenia przepływu przez poziome i pionowe otwory z następującego wzoru: n Q = C o A (1) gzie: Q objętościowe natęŝenie przepływu, m 3 h -1, A powierzchnia otworu, cm, śrenica hyrauliczna otworu, cm, C o współczynnik, którego wartości la niektórych zbóŝ i nasion są poane w normie, m 3 (cm (n+) h) -1, n wykłanik potęgi (w większości przypaków o wartości o 0,5 o 1,0). Z baań Kusińskiej i Olejarczyka [003a, b] wynika, Ŝe objętościowe natęŝenie przepływu zaleŝy równieŝ w uŝym stopniu o zawartości woy w materiale oraz poło- Ŝenia otworu. Uzyskane wyniki z eksperymentów znacznie róŝniły się o obliczonych na postawie normy. Mogło to być spowoowane róŝnicami we właściwościach fizycznych mięzy polskimi i amerykańskimi omianami. W celu okłaniejszego opisania tego procesu przeprowazono baania natęŝenia przepływu nasion i ziaren o zróŝnicowanym kształcie i wymiarach oraz róŝnej zawartości woy przez poziome otwory okrągłe i kwaratowe, połoŝone centrycznie i niecentrycznie. MATERIAŁ I METOY Baany materiał roślinny stanowiły nasiona łubinu Ŝółtego omiany Piast i rzepaku omiany Star oraz ziarna owsa omiany ragon. Nasiona rzepaku naleŝą o nasion małych i okrągłych, nasiona łubinu Ŝółtego są uŝe i mają znaczną sferyczność, a ziarna owsa są typowym przykłaem ziarna połuŝnego, o nieuŝej sferyczności. Zawartość woy w baanym materiale wynosiła 0,089, 0,0 i 0,15 kg (kg s.m.) -1. Pomiary objętościowego natęŝenia przepływu przez otwory przeprowazono na stanowisku baawczym w warunkach laboratoryjnych. Głównym elementem stanowiska był walcowy zbiornik płaskoenny o śrenicy 3,5 cm i wysokości 79 cm, który był wyposaŝony w komplet wymiennych en z otworami o wymaganym kształcie i połoŝeniu. W baaniach zastosowano otwory okrągłe o śrenicach,0; 5,; 8,0 i 11, cm oraz otwory kwaratowe o wymiarze boku równym śrenicom otworów okrągłych. Otwory usytuowane były centrycznie i niecentrycznie. Oległość otworu połoŝonego niecentrycznie o ściany zewnętrznej zbiornika była jenakowa i wynosiła 7 mm. Cała konstrukcja opierała się na stalowym statywie zapewniającym stabilność zbiornika. Po zbiornikiem głównym znajował się zbiornik pomocniczy, o którego po otwarciu zasuwy przesypywano ziarno. Zbiornik górny napełniano ziarnem o jenakowej objętości (70 m 3 ), następnie czekano 5 gozin w celu uzyskania ustabilizowanej struktury materiału i otwierano zasuwę otworu wylotowego. Czas przepływu mierzono z okłanością 0,01 s. Pomiary przeprowazono w pięciu powtórzeniach. Objętościowe natęŝenie przepływu określano ze wzoru:

3 11 ElŜbieta Kusińska, Paweł Olejarczyk gzie: Q objętościowe natęŝenie przepływu, m 3 h -1, V objętość przesypanego materiału, m 3, t czas przesypywania, s. V Q = 300 () t W baaniach uwzglęniano objętość surowca, który nie uległ wysypaniu ze zbiornika. okonano oznaczeń właściwości fizycznych surowca zgonie z obowiązującymi normami, takich jak: gęstość utrzęsiona i usypowa, kąt zsypu i usypu, masa 00 nasion. Pomiary te przeprowazono w trzech powtórzeniach. oatkowo określono wymiary geometryczne la 0 nasion o przyjętych poziomach zawartości woy, obliczono śrenicę równowaŝną i sferyczność weług równania Mohsenina. WYNIKI BAAŃ I ICH ANALIZA W tabeli 1 przestawiono wyniki baań właściwości fizycznych i geometrycznych materiału w zaleŝności o przyjętych zawartości woy. Zaobserwowano, Ŝe wraz ze wzrostem zawartości woy w materiale wzrastała wielkość kąta usypu i zsypu oraz masa 00 nasion. Następował równieŝ wzrost śrenicy zastępczej materiału i współczynnika sferyczności przy jenoczesnym spaku wartości gęstości usypowej i gęstości utrzęsionej. Najmniejszą śrenicę zastępczą miały nasiona rzepaku (1, 1, mm), a największą łubinu (,3,7 mm). NajniŜszym współczynnikiem sferyczności cechował się owies (0,3 0,0), a największym rzepak (0,9 0,98). Największą gęstością usypową i utrzęsioną charakteryzował się łubin, a najmniejszą owies. Tabela 1. Właściwości geometryczne i fizyczne nasion rzepaku, łubinu oraz ziaren owsa Table 1. Geometrical an physical proprieties of rapesee, lupine an oats grain Zawartość woy kg (kg s.m.) -1 mm sf Masa 00 nasion Gęstość g cm -3 Kąt eg g usypowa utrzęsiona usypu zsypu Rzepak Łubin Owies 0,089 1, 0,9 3,505 0,3 0,55 9 0,0 1, 0,97 3,70 0,3 0, ,15 1, 0,98,085 0,19 0, ,089,3 0,7 130,59 0,775 0,8 17 0,0, 0,7 135,0 0,75 0, ,15,7 0,77 138,93 0,73 0, ,089, 0,3 31,57 0,59 0, ,0,7 0,37 3,88 0,90 0,53 0,15 5,3 0,0 33,581 0,8 0,51 7

4 WPŁYW GEOMETRYCZNYCH PARAMETRÓW OTWORU I ŚRENICY Q [m 3 h -1 ] pona 8 [cm] [mm] 7 Rys. 1. ZaleŜność natęŝenia przepływu ziarna przez otwór okrągły (umieszczony centrycznie) o śrenicy otworu i śrenicy zastępczej ziarna Fig. 1. The relationship between flow rates of grain through circular orifice (situate in the center) from orifice iameter an substitute iameter of grain 0 Q [m 3 h -1 ] pona 8 [cm] [mm] 7 Rys.. ZaleŜność natęŝenia przepływu ziarna przez otwór okrągły (umieszczony przy ścianie) o śrenicy otworu i śrenicy zastępczej ziarna Fig.. The relationship between flow rates of grain through circular orifice (situate near wall) from orifice iameter an substitute iameter of grain

5 118 ElŜbieta Kusińska, Paweł Olejarczyk 0 Q [m 3 h -1 ] pona 8 [cm] [mm] 7 Rys. 3. ZaleŜność natęŝenia przepływu ziarna przez otwór kwaratowy (umieszczony centrycznie) o śrenicy równowaŝnej otworu i śrenicy zastępczej ziarna Fig. 3. The relationship between flow rates of grain through square orifice (situate in the center) from orifice iameter an substitute iameter of grain 0 Q [m 3 h -1 ] pona 8 [cm] [mm] 7 Rys.. ZaleŜność natęŝenia przepływu ziarna przez otwór kwaratowy (umieszczony przy ścianie) o śrenicy otworu i śrenicy zastępczej ziarna Fig.. The relationship between flow rates of grain through square orifice (situate near wall) from orifice iameter an substitute iameter of grain

6 WPŁYW GEOMETRYCZNYCH PARAMETRÓW OTWORU I ŚRENICY Wyniki pomiaru natęŝenia przepływu materiału w zaleŝności o śrenicy zastępczej przez otwory o róŝnym kształcie i rozmiarze, umieszczone centrycznie lub niecentrycznie, przestawiono na rys. 1. Większe wartości natęŝenia otrzymano poczas przepływu przez otwory kwaratowe niŝ okrągłe, co jest zgone z anymi literaturowymi, z uwagi na większą powierzchnię otworów kwaratowych. Większe przepływy opowiaały otworom centrycznym niŝ niecentrycznym. Największe wartości natęŝenia przepływu (30,8 m 3 h -1 ) otrzymano poczas przepływu nasion rzepaku o śrenicy zastępczej = 1, mm przez kwaratowy otwór centryczny o wymiarze 11, cm, a najmniejsze przy przepływie nasion łubinu (1,0 m 3 h -1 ) o =,7 mm przez okrągły otwór niecentryczny o śrenicy cm. Uzyskane wyniki baań poano analizie statystycznej programem Statistica 5.1. Analiza wariancji wykazała, Ŝe na natęŝenie przepływu wybranych nasion i ziaren istotny wpływ wywierają śrenica zastępcza materiału, zawartość woy, śrenica hyrauliczna otworu i połoŝenie otworu. Natomiast istotnego wpływu na uzyskane wyniki baań nie mają następujące właściwości fizyczne zastosowanych surowców: sferyczność, masa tysiąca nasion, gęstość usypowa i utrzęsiona oraz kąt usypu i zsypu. Z wyników przestawionych na rysunkach 1 wynika, Ŝe na objętościowe natęŝenie przepływu barzo uŝy wpływ wywiera śrenica hyrauliczna otworu, o czym świaczy wysoka wartość współczynnika korelacji mięzy tymi wartościami r = 0,9 0,97. Zwiększenie śrenicy hyraulicznej otworu powouje wzrost natęŝenia przepływu, co jest oczywiste. Natomiast wzrost śrenicy zastępczej materiału powouje spaek wartości objętościowego natęŝenia przepływu, co potwierza ujemna wartość współczynnika korelacji (r = -0,9-0,7). Śrenica zastępcza materiału wywiera znacznie mniejszy wpływ na wartości natęŝenia przepływu niŝ śrenica hyrauliczna otworu. Zastosowanie estymacji nieliniowej pozwoliło na opasowanie funkcji matematycznych o rezultatów baań. o analizy wybrano funkcję wykłaniczą. Wyprowazono równania w formie zalecanej przez ASAE 7.1: Q oc 0,38 = 0,08 (3) R =0,985. 0,9 Q on = 0,097 () R =0,9. 0,79 Q kc = 0,071 (5) R =0,97 Q kn 0,518 = 0,005 () R =0,98 gzie: Q oc objętościowe natęŝenie przepływu przez okrągły otwór centryczny, m 3 h -1, Q on objętościowe natęŝenie przepływu przez okrągły otwór niecentryczny, m 3 h -1, Q kc objętościowe natęŝenie przepływu przez kwaratowy otwór centryczny, m 3 h -1,

7 0 ElŜbieta Kusińska, Paweł Olejarczyk Q kn objętościowe natęŝenie przepływu przez kwaratowy otwór niecentryczny, m 3 h -1, A powierzchnia otworu, cm, śrenica hyrauliczna otworu, cm, R współczynnik eterminacji. W ASAE 7.1 przykłaowo poane są wartości współczynników C o i n tylko la kukuryzy, pszenicy, sorgo, rzepaku i lnu o określonych wilgotnościach. Wartości C o wynoszą o 0,08 la lnu o 0,09 la sorgo. Wykłanik potęgi n mieści się w przeziale o 0,0 la sorgo o 0,8 la kukuryzy. la rzepaku o wilgotności o o % C o = 0,055, a n = 0,70. NatęŜenie przepływu pozostałych materiałów ziarnistych oblicza się zgonie z barzo ogólnie przestawionymi zaleceniami. Wyniki eksperymentalne otrzymane la wybranych gatunków mają mniejsze wartości o normatywnych. MoŜe to być związane z właściwościami fizycznymi. latego postanowiono wyprowazić oatkowe równania, uwzglęniające wpływ śrenicy zastępczej ziarna na natęŝenie przepływu, na którą istotnie wpływa zawartość woy. Są one następujące: Q oc 0,3 = 0,175 (7) R =0,97 Q on 0, = 0,15 (8) R =0,975 Q kc 0,9 = 0,181 (9) R =0,978 Q kn 0,31 = 0,3 () R =0,977 gzie: śrenica zastępcza materiału, mm. Wszystkie wyprowazone równania cechują się barzo wysokimi współczynnikami eterminacji. Za najbarziej opowienie równania, uwzglęniające zarówno czynniki wywierające istotny wpływ na natęŝenie przepływu wybranego materiału ziarnistego, jak i zalecenia normatywne, naleŝy przyjąć zaleŝności (7), (8), (9) i (). WNIOSKI 1. Właściwości fizyczne nasion i ziaren zaleŝą o poziomu zawartości woy. Wraz ze wzrostem zawartości woy rośnie wartość kąta usypu i zsypu, wzrasta takŝe masa 00 nasion, śrenica równowaŝna oraz sferyczność nasion, maleje zaś wartość gęstości utrzęsionej i usypowej.

8 WPŁYW GEOMETRYCZNYCH PARAMETRÓW OTWORU I ŚRENICY Na objętościowe natęŝenie przepływu materiału roślinnego wypływają istotnie: śrenica hyrauliczna otworu, śrenica zastępcza materiału, zawartość woy oraz połoŝenie otworu. Większe natęŝenia przepływu uzyskano la otworów połoŝonych centrycznie niŝ niecentrycznie. 3. NatęŜenie przepływu wybranych surowców moŝna opisać z uŝą okłanością w zaleŝności o pola powierzchni otworu, śrenicy hyraulicznej otworu oraz śrenicy zastępczej materiału. Wartości natęŝenia przepływu rosną wraz ze zwiększeniem śrenicy hyraulicznej otworu i maleją wraz ze wzrostem śrenicy zastępczej materiału. PIŚMIENNICTWO 1. ASAE 7.1, 1993: Flow of grain an sees trough orifices. ASAE Stanars.. Beverloo W.A., Leniger H.A., Van e Vele J., 191: The flow of granular solis through orifices. Chem. Eng. Sci., 15, 0-9,. 3. Brown R.L., Richars J.C., 190: Profile of flow of granules through apertures. Trans. Inst. Chem. Eng., 38, Chang S.C., Converse H.H., 1988: Flow rates of wheat an sorghum through horizontal orifices. Trans. of ASAE, 31(1), Chang C.S., Converse H.H., Lai F.S., 198: Flow rate of corn through orifices as affecte by moisture content. Trans. of ASAE, 7(5), Ewalt.J., Buelow F.H., 193: Flow of shelle corn through orifices in bin wall. Mich. Agr. Expt. Sta. Quart. Bul.,, Fea J., 1977: Zaklay mechaniky partikularnych latek. Acaemia, Praha. 8. Fowler R.T., Glastonbury J.R., 1959: The flow of granular solis through orifices. Chem. Eng. Sci.,, Gregory J.M., Feler C.B.,1987: Equation escribing granular flow through circular orifices. Trans. of ASAE, 30(), Horabik J., 001: Charakterystyka właściwości fizycznych roślinnych materiałów sypkich istotnych w procesach skłaowania. Acta Agrophysica, Kusińska E., Olejarczyk P., 003a: NatęŜenie przepływu nasion łubinu przez otwory. InŜynieria Rolnicza, 7(9), Kusińska E., Olejarczyk P., 003b: Wpływ parametrów geometrycznych otworów na natę- Ŝenie przepływu nasion rzepaku. Acta Agrophysica, 83, Molena M., 1998: Wpływ struktury złoŝa nasion na stan napręŝenia. Acta Agrophysica,. 1. Moysey E. B., Lambert E. W., Wang J., 1988: Flow rates of grains an oilsees through sharp-ege orifices. Trans. of ASAE, 31(1), Schwees J., 1985: Influence of wall friction on silo esign in process an structural engineering. German Chem. Eng., 3, Wilms H., 1977: The rate of ischarge of coarse granular materials from conical mass flow hoppers. Chem. Eng. Sci., 3, 7-55.

9 ElŜbieta Kusińska, Paweł Olejarczyk INFLUENCE CAUSE BY ORIFICES OF GEOMETRICAL PARAMETERS AN EQUIVALENT IAMETER OF VEGETABLE MATERIAL ON VOLUME FLOW RATE Summary. This paper presents results flow rates of vegetable material at various moisture content, in epens on hyraulic iameter of orifices an substitute iameter chosen sees an grains. The vegetable material exemplify lupine an rape sees an oats grain. The orifices were characterize by various shape, size an position. Moisture content was amounte from kg (kg.b.) -1 to 0.15 kg (kg.b.) -1 in research materials. Size of hyraulic iameter of orifices were amounte from.0 to 11. cm an size of substitute iameter of material from 1. to.7 mm. The research of rates flow currie out on a laboratory scale. Obtain results put on the test statistical analysis which prove essential influence of shape, position, hyraulic iameter of orifices an substitute iameter of material on results measure flow rates. Key wors: grain, flow rate, moisture content, hyraulic iameter of orifices, substitute iameter of material. Recenzent: prof. r hab. Anrzej Roszkowski