LISOVACIA TEPLOTA, LISOVACÍ TLAK, VLHKOSŤ MATERIÁLU A ICH VZÁJOMNÉ VZŤAHY

Transcript

1 LISOVACIA TEPLOTA, LISOVACÍ TLAK, VLHKOSŤ MATERIÁLU A ICH VZÁJOMNÉ VZŤAHY Peter Križan Pri výrobe moderných energonosičov je veľmi dôležité poznať vplyv jednotlivých faktorov, ktoré vplývajú na výslednú kvalitu výliskov. V tomto príspevku som sa rozhodol popísať tri z týchto faktorov: lisovaciu teplotu, lisovací tlak a vlhkosť vstupného materiálu. Budem sa snažiť popísať aj vzťahy medzi nimi. Kľúčové slová: lisovacia teplota, lisovací tlak, vlhkosť materiálu, zhutňovanie, experimentálny výskum ÚVOD Normy DIN a ŐNORM M 7135, ktoré definujú terminológiu výliskov a stanovujú rozmery energonosiča, definujú aj chemicko-termické aj mechanické ukazovatele kvality výliskov. Do skupiny chemicko-termických ukazovateľov patria: vlhkosť výlisku, obsah popola, výhrevnosť, obsah dusíka, obsah síry, obsah chlóru, a obsah stopových prvkov. Medzi mechanické ukazovatele patria hustota výlisku, pevnosť v tlaku a oter. Hustota výliskov je veľmi dôležitá z hľadiska manipulácie, rýchlosti horenia, stability výlisku atď. Výlisky musia byť súdržné, inak by vznikali trhliny, praskliny a oddeľovali sa jemné častice, čo nie je prípustné. Norma DIN popisuje aj postup pri stanovení hustoty výliskov. Norma ŐNORM M 7135 udáva hodnotu hustoty výliskov skupín HP1 (pelety z dreva) a RP1 (pelety z kôry) viac ako 1,12 kg/dm 3, pri ostatných výliskov musí mať hustota hodnotu viac ako 1 kg/dm 3. Pevnosť brikety je maximálny tlak na raznicu, ktorý vznikne pri tlakovej skúške za stanovených podmienok. Pre skúmanie pevnosti valcových brikiet v tlaku sú vhodné dve základné skúšky skúška rozštepom (tlak pôsobí na briketu uloženú v horizontálnej polohe) a skúška pevnosti v jednoduchom tlaku (tlak pôsobí na briketu uloženú vo vertikálnej polohe). Oter je najdôležitejší ukazovateľ kvality peliet. Norma ŐNORM M 7135 udáva maximálnu dovolenú hodnotu oteru len pre skupiny HP1 a RP1, a to AR max = 2,3%. Tento ukazovateľ je dôležitý z hľadiska zamedzeniu vzniku prachových častíc v procese automatizovanej dopravy peliet. Metóda na stanovanie oteru peliet je jednoduchá a rýchla. Uvedené ukazovatele nám budú v experimentoch hodnotiť vplyvy rôznych parametrov vplývajúcich na kvalitu výliskov. V tomto príspevku by som chcel popísať 3 parametre a ich vzájomné vzťahy, ktoré majú podľa môjho názoru najväčší vplyv na výslednú kvalitu výliskov. Sú to lisovacia teplota, lisovací tlak a vlhkosť vstupného materiálu. LISOVACIA TEPLOTA Lisovacia teplota má významný vplyv na kvalitu a pevnosť výliskov. Tento parameter rozhoduje o vylučovaní lignínu z bunečnej štruktúry dreva. Lignín je veľmi dôležitý pri procese zhutňovania, pretože v lisovanom materiáli je jeho funkciou spájať vlákna a účinkuje aj ako spevňovací faktor celulózových molekúl v rámci bunkových stien. Čím viac lignínu materiál obsahuje a čím viac ho dokážeme uvoľniť, tým vyššia je kvalita výliskov, pretože lignín dodáva materiálu pevnosť hlavne v tlaku. Lignín sa uvoľňuje len pri určitej lisovacej teplote, ktorú musíme zabezpečiť, aby celý proces zhutňovania mohol fungovať. Dostatočná teplota pre plastifikáciu lignínu je asi 12ºC, táto teplota však závisí aj od druhu lisovaného materiálu. Na obr. 1 si môžeme všimnúť závislosť pevnosti brikety od lisovacieho tlaku. Vidíme, že nie je dôležité dvíhať lisovaciu teplotu čo najvyššie. Graf nám dokazuje, že optimálna lisovacia teplota je v strednej časti závislosti, ak je teplota mimo tejto oblasti výlisok sa stáva nestabilný, má nízku pevnosť čo spôsobuje rýchlejší rozpad pri horení, výlisok horí kratší čas. Pri nižších teplotách je vylisovanie kvalitného výlisku nepravdepodobné a pri veľmi vysokých teplotách nastáva vysoký únik prchavých látok, prípadne lisovaný materiál môže začať horieť. So zvyšujúcou sa teplotou pri konštantnom tlaku rastie pevnosť brikety, avšak ako som už uviedol vyššie, iba do určitej hodnoty. Ing. Peter Križan, Strojnícka fakulta STU Bratislava, Nám.Slobody 17, Bratislava , peter.krizan@stuba.sk / 53 /

2 3 25 pevnosť brikety [MPa] lisovacia teplota [ ºC] Obr. 1 Závislosť pevnosti brikety σp [MPa] od teplota lisovania T [ C], pri konštantnom lisovacom tlaku p = 1 MPa, vlhkosti materiálu wr = 2% a veľkosti frakcie cca 1mm. [1] LISOVACÍ TLAK Je najdôležitejší faktor, ovplyvňujúci hlavne pevnosť výliskov. Pevnosť výlisku je vyššia pri zhutňovaní kde pôsobia vyššie tlaky. Rastie až do medze pevnosti zhutňovaného materiálu. Pevnosť výlisku vplýva na trvanlivosť výliskov, pretože s nárastom pevnosti klesá náchylnosť na nasávanie atmosférickej vlhkosti pri dlhšom skladovaní. Tento faktor, lisovací tlak, je z hľadiska komplexného rozboru alebo výskumu veľmi zaujímavý a zároveň veľmi komplikovaný faktor. Na vylisovanie kvalitného výlisku je nutné v lisovacej komore zabezpečiť tzv. maximálny lisovací tlak. Tento pozostáva z tlaku potrebného na lisovanie a z tlaku potrebného na posunutie už zlisovaného výlisku resp. výliskov. Na tieto tlaky navyše vplývajú rôzne parametre, napr. druh lisovaného materiálu, teplota v lisovacej komore (tzv. lisovacia teplota), teplota lisovaného materiálu (ak materiál pred lisovaním predhrejeme dosiahneme kvalitné, normou predpísané výlisky už pri nižších tlakoch), a v neposlednom rade aj dĺžka, priemer a tvar lisovacej komory, a tiež spôsob lisovania. Spôsob lisovania má vplyv na rozloženie vrstiev vo výlisku a teda na pevnosť výlisku. Na obr. 2 vidíme závislosť hustoty výliskov od tlaku pri lisovaní nahriatej vzorky na T=2 C a pri lisovaní nenahriatej vzorky o izbovej teplote T=2 C. Môžeme tvrdiť, že pri nahrievaní sa podarilo vylisovať výlisky s lepšou hustotou, a tým pádom kvalitnejšie už pri nižších tlakoch. Ohrev materiálu pri lisovaní znižuje tlak potrebný na lisovanie na požadovanú hustotu výliskov, výlisky nebudú vykazovať trhlinovatosť a budú vykazovať stálosť tvaru a objemu. Na obr. 3 môžeme vidieť vplyv druhu materiálu T=2 C hustota [kg.m-3] T=2 C tlak [MPa] Obr. 2 Závislosť hustoty výliskov ρ[kg.m-3] od tlaku p [MPa], pri lisovaní nahriatej vzorky na teplotu T = 2 C a pri lisovaní vzorky o izbovej teplote T=2 C [2] / 54 /

3 16 14 hustota [kg.m-3] S D tlak [MPa] Obr. 3 Závislosť hustoty ρ[kg.m-3] od tlaku p [MPa] pre pelety so smrekových pilín (S) a dubových pilín (D) [2] VLHKOSŤ LISOVANÉHO MATERIÁLU Ak chceme vedieť vyrábať kvalitné výlisky ako to predpisujú normy, musíme poznať aj vplyv vlhkosti materiálu. Na obr. 4 a na obr. 5 sú uvedené závislosti hustoty výlisku a pevnosti výlisku od vlhkosti lisovaného materiálu. Každá z týchto závislostí je získaná pri lisovaní iného druhu materiálu, dokonca pri lisovaní rozdielnych typov materiálov, pri lisovaní drevných pilín a pri lisovaní zmesi koksu a hnedého uhlia. Napriek tomu majú závislosti podobný charakter. Môžeme preto povedať, že vlhkosť závisí aj od lisovaného materiálu, ale nepredpokladáme veľké rozdiely v hodnote optimálnej vlhkosti. Nevieme však exaktne označiť túto optimálnu hodnotu vlhkosti. Na základe znalostí a skúseností sa javí vlhkosť 1-18% vhodná pre zhutňovanie a potvrdzujú to aj závislosti na obr. 4 a obr. 5. Ak je vlhkosť lisovaného materiálu veľmi malá a naopak veľmi veľká, t.z. mimo intervalu (1-18%), častice materiálu nie sú súdržné a výlisok sa rozpadáva. Výskumy a experimenty dokázali, že vlhkosť má vplyv na plastifikáciu lignínu. Teplota mäknutia lignínu však závisí aj od druhu dreviny z ktorej je izolovaný a aj od metódy izolácie. Vplyv obsahu vody na teplotu sklovitého prechodu lignínu je znázornený na obr. 6. Teplota fázového prechodu lignínu z tuhého do plastického stavu je priamoúmerná jeho molekulovej hmotnosti a nepriamoúmerná obsahu vlhkosti. 2,5 Hustota brikety (kg.dm3) 2 1,5 1, Vlhkosť materiálu (%) Obr. 4 Závislosť hustoty brikiet od vlhkosti materiálu Obr. 5 Závislosť pevnosti výlisku od vlhkosti materiálu (drevné piliny) [3] (zmes koksu a hnedého uhlia) [3] / 55 /

4 Obr. 6 Vplyv vlhkosti na teplotu mäknutia smrekového lignínu [4] VZŤAHY MEDZI TLAKOM, TEPLOTOU A VLHKOSŤOU Tla k [MPa] Teplota [ C] smrek dub slama trst Obr. 7 Závislosť lisovacieho tlaku od lisovacej teploty pri lisovaní rôznych druhov materiálov [5] Vzťah medzi teplotou a tlakom nám znázorňuje závislosť na obr.7. Môžeme si všimnúť lisovanie rôznych druhov materiálov, avšak charakter závislosti sa veľmi nezmenil. Druh lisovaného materiálu ovplyvňuje kvalitu výlisku, ale výrazným spôsobom nevplýva na vzťah medzi lisovacím tlakom a teplotou. Tlak a teplota idú v procese zhutňovania spolu bok po boku, ak zvýšime veľkosť tlaku môžeme si dovoliť mierne znížiť teplotu, a naopak ak zvýšime teplotu môžeme mierne znížiť tlak. Je však všeobecne známe, že je lacnejšie a tým pádom výhodnejšie pridávať do procesu zhutňovania teplo ako zvyšovať tlak. Pri návrhu nových konštrukcií zhutňovacích strojov by sa malo vychádzať z predpokladu nižších tlakov a vyšších teplôt resp. vyššieho množstva dodávaného tepla. Experimentálnym výskumom, na ktorý sa na katedre pripravujeme, zistíme optimálne hodnoty tlaku a teploty vzhľadom na normou zadanú hustou a pevnosť výlisku. Vzťahy medzi vlhkosťou, tlakom a teplotou sú však trošku iné. Ak nastavíme optimálnu teplotu aj tlak a nebudeme mať optimálnu hodnotu vlhkosti, výlisok nebude kompaktný a bude sa rozpadávať. Teplota síce pôsobí na plastifikáciu lignínu v lisovanom materiály a tlakom sme schopný zabezpečiť samotné zhutnenie, ale ak má lisovaný materiál vysokú vlhkosť, unikajúca voda vo forme pary trhá výlisok. Ak je vlhkosť veľmi nízka (cca pod 1%), na to aby sme dosiahli kvalitný výlisok musíme zabezpečiť podstatne vyššiu teplotu aj vyšší tlak, čo je už veľmi nerentabilné. Určitú vlhkosť lisovaný materiál musí mať, lebo inak pri zhutnení nedochádza k spekaniu materiálu čo zabezpečuje tiež súdržnosť častíc materiálu vo výlisku. Optimálna hodnota vlhkosti bude tiež predmetom experimentálneho výskumu. / 56 /

5 ZÁVER Samozrejme pri zhutňovaní sú dôležité aj ďaľšie parametre. Tieto budú tiež predmetom môjho experimentálneho výskumu. Experimentmi získame nové poznatky v oblasti tlakových pomerov vznikajúcich počas lisovacieho procesu, ako závislosť lisovacieho tlaku od lisovacej teploty p=f(t), závislosť lisovacieho tlaku od vlhkosti lisovaného materiálu p=f(w r ), závislosti hustoty a pevnosti výlisku od lisovacieho tlaku, lisovacej teploty, vlhkosti lisovaného materiálu ρ=f(p), ρ=f(t), ρ=f(w r ), σ=f(p), σ=f(t), σ=f(w r ). Taktiež zistíme aj vplyv jednotlivých konštrukčných zmien (dĺžka a kuželovitosť kanála) vykonaných na lisovacej komore na tieto parametre. Na nasledujúcom obrázku 8 je znázornená metodika vyhodnocovania hodnôt získaných experimentálnym výskumom. Na základe týchto poznatkov bude možné navrhnúť modifikovaný matematický model zhutňovania drevného odpadu, ktorý bude zohľadňovať aj zmeny vplyvov popísaných parametrov. l??? Obr. 8 Metodika vyhodnocovania nameraných údajov POUŽITÁ LITERATÚRA [1] KRIŽAN, P.: Analýza procesu zhutňovania a konštrukcií zhutňovacích strojov, Písomná práca dizertačnej skúšky, KVT SjF STU Bratislava, 69 str., 25 [2] BEJDA, J., MIKLÚŠOVÁ, V.: Vlastnosti peliet z dezintegrovaných fytosurovín, Acta Montanistica Slovaca, ročník 7 (22), str. 4-43, [3] KRIŽAN, P.: Experimentálny výskum faktorov vplývajúcich na kvalitu výlisku, In.:Zborník z Medzinárodnej konferencie TOP 26, Častá-Papiernička, str , ISBN X [4] SOLÁR, R.: Zmeny lignínu v procesoch hydrotermickej úpravy dreva, Vedecká štúdia 1/1997/A, TU Zvolen, 1997 [5] KÁDÁROVÁ,J.: Výskum procesu zhutňovania biomasy, In: Zborník z odborného seminára BRIKETOVANIE A PELETOVANIE 24, str. 44 5, Bratislava 24 [6] KRIŽAN, P.: Vlhkosť materiálu faktor, ktorý veľkou mierou ovplyvňuje kvalitu výlisku pri zhutňovaní, In: Časopis Výrobné inžinierstvo, číslo 4, ročník V., 26, str , ISSN / 57 /

6 / 58 /