Дисертації та Реферати дисертацій
Постійне посилання на фондhttps://repository.lntu.edu.ua/handle/123456789/476
Переглянути
1 результатів
Результати пошуку
Item type:Дисертація, Удосконалення засобу оброблення біомаси стебел сільськогосподарських культур(Луцьк : ЛНТУ, 2025) Фомич, Михайло ІвановичДисертаційна робота присвячена удосконаленню засобу оброблення біомаси стебел сільськогосподарських культур. У ній вирішено нове наукове завдання, що полягає в обґрунтуванні раціональних параметрів процесу ущільнення біомаси стебел сільськогосподарських культур у компактні паливні рулони шляхом розроблення пресувальної камери змінного об’єму та вдосконалення способу збирання біомаси для підвищення ефективності її переробки. У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та поставлено задачі дослідження. Описано наукову новизну, практичне значення отриманих результатів та наведено особистий внесок здобувача у проведених дослідженнях. Наведено відомості щодо апробації та опублікування результатів наукових досліджень, структуру та обсяг дисертаційного дослідження. Метою дослідження є підвищення якості ущільнення біомаси стебел сільськогосподарських культур у компактні паливні рулони шляхом обґрунтування раціональних параметрів та режимів роботи засобу оброблення й вдосконалення способу збирання біомаси. Мета досягнута за рахунок вирішення таких задач: розробки класифікації залишків біомаси стебел сільськогосподарських культур, видів твердого біопалива з них та засобів для їх оброблення; обґрунтування параметрів пресувальної камери змінного об’єму та дослідження взаємодії підпружинених роликів з біомасою стебел сільськогосподарських культур під час формування компактних паливних рулонів; поглиблення досліджень фізико–механічних властивостей стебел льону, колосових зернових культур та їх подрібненої маси, розробки математичної моделі процесу ущільнення біомаси стебел сільськогосподарських культур для визначення 3 раціональних параметрів формування компактних паливних рулонів у пресувальній камері змінного об’єму; вдосконалення способу збирання біомаси стебел сільськогосподарських культур, дослідження якісного та кількісного складу викидів димових газів під час спалювання нового твердого біопалива; визначення комплексного показника якості твердого біопалива та економічного ефекту впровадження розробленої камери змінного об’єму для формування компактних паливних рулонів. Об'єкт дослідження – спосіб збирання, процес формування компактних паливних рулонів та робочі органи обладнання для ущільнення біомаси стебел сільськогосподарських культур. Предмет дослідження – вплив конструктивних і технологічних параметрів процесу та засобів ущільнення біомаси стебел сільськогосподарських культур на якості формування компактних паливних рулонів. На основі проведених досліджень обґрунтовано раціональні параметри пресувальної камери змінного об’єму для формування паливних рулонів із біомаси стебел льону та колосових зернових, визначено вплив тиску ущільнення та вмісту стебел льону в біомасі на щільність паливних рулонів, а також встановлено якісні характеристики та екологічні показники використання отриманого біопалива. Як наслідком: – вперше розроблено математичну модель, що описує процес регулювання ущільнення біомаси стебел із різним пропорційним вмістом льону та колосових зернових у пресувальній камері змінного об’єму шляхом зміни режимів пресування, що дозволяє прогнозувати якісні характеристики готових паливних рулонів. – вперше запропоновано спосіб збирання, який забезпечує можливість часткового біологічного сільськогосподарських культур. саморозкладу стеблових компонентів – вперше досліджено вплив пропорційного співвідношення біомаси льону та колосових зернових у складі твердого палива на ефективність згоряння та екологічні показники викидів. 4 Вдосконалено конструкцію пресувальної камери змінного об’єму шляхом оптимізації параметрів пружин стиску та роликів на основі трьох фаз формування, що сприяє досягненню більшої щільності та структурної стабільності компактних паливних рулонів. Подальшого розвитку набуло дослідження впливу механічних характеристик стебел льону та колосових зернових на процес їх подрібнення, що дає змогу раціонально обирати параметри обладнання для оброблення біомаси. У першому розділі проаналізовано основні тенденції розвитку виробництва колосових зернових та технічних культур, розглянуто походження, види, властивості залишків (стебел) сільськогосподарських культур, напрями використання біомаси стебел сільськогосподарських культур, у тому числі для виготовлення твердого палива, розглянуто конструкції існуючих машин для оброблення біомаси стебел сільськогосподарських культур, тобто для пресування та брикетування, проаналізовано результати теоретичних та експериментальних досліджень властивостей стебел льону, колосових зернових культур. Проаналізовано існуючі дослідження конструктивних рішень машин для ущільнення соломи стебел. Проте багато питань залишаються недослідженими, а саме: не узагальнено в єдиній класифікації інформацію щодо залишків стебел, видів твердого біопалива з них та засобів для їх виробництва; не досліджено процес формування компактних паливних рулонів з різним складом біомаси стебел сільськогосподарських культур у стаціонарному засобі оброблення; не проведено порівняння фізико–механічних властивостей стебел льону, колосових зернових культур та їх подрібненої маси, не досліджено якісний та кількісний склад викидів димових газів під час спалювання твердого біопалива; не проводилась комплексна оцінка якості твердого біопалива з різним складом біомаси стебел сільськогосподарських культур. Це вимагає теоретичного та експериментального дослідження взаємодії робочих органів вдосконаленої пресувальної камери змінного об’єму з біомаси стебел сільськогосподарських культур в процесі її ущільнення та скручування у компактні паливні рулони, а також оцінки якості та екологічності отриманого твердого біопалива. 5 У другому розділі наведено програму досліджень, обґрунтувано класифікацію залишків біомаси стебел сільськогосподарських культур, визначено види палива, теоретично проаналізовано процес формування паливних рулонів із біомаси стебел сільськогосподарських культур у камері пресування змінного об’єму. Для підвищення ефективності компактних паливних рулонів обгрунтовано конструкцію камери пресування змінного об’єму, що забезпечує рівномірне ущільнення компактних паливних рулонів за рахунок підбору раціональних параметрів пружин. Конструкція камери пресування змінного об’єму включає систему підпружинених роликів, що змінюють своє положення під дією сили ущільнення, дозволяючи рівномірно розподілити тиск по всій площі рулону. Пружинний механізм регулювання притискної сили змінює свою жорсткість залежно від ступеня ущільнення рулону, забезпечуючи поступове збільшення тиску на біомасу. При надходженні біомаси в камеру пресування змінного об’єму вона рівномірно розподіляється та ущільняється під дією обертових роликів. В процесі формування компактних паливних рулонів ролики змінюють своє положення, регулюючи силу ущільнення, що забезпечує необхідну щільність рулону. Після завершення процесу ущільнення гідроциліндр вивільняє сформований рулон, після чого камера пресування змінного об’єму переходить у вихідний стан для початку наступного циклу. Встановлено, що при мінімальній допустимій щільності компактного паливного рулону ρ = 80,1 кг/м³ раціональні параметри пружин стиску складають: жорсткість C₁ = 2100 Н/м, C₂ = 3500 Н/м, C₃ = 2500 Н/м, а нормальна сила притискання роликів становить 1353 Н. При максимальній допустимій щільності компактного паливного рулону ρ = 139,3 кг/м³ раціональні параметри пружин стиску складають: жорсткість C₁ = 4550 Н/м, C₂ = 5750 Н/м, C₃ = 5350 Н/м, а нормальна сила притискання роликів – 2684 Н. Запропоновано вдосконалену конструкцію камери пресування змінного об’єму та спосіб часткового збирання біомаси стебел сільськогосподарських культур. Вдосконалена конструкція камери пресування змінного об’єму включає в себе встановлення двох нескінченних транспортерних стрічок, одна з яких подає 6 матеріал в п’яти–роликову камеру змінного об’єму, друга виконує роль транспортування готових компактних паливних рулонів, п’яти роликів (вальців), розташованих на підпружинених рамках, гідроциліндра, який при готовності компактного паливного рулону опускає два ролики (одну з рамок), який в свою чергу дозволяє рулону звільнити кам, обмежувальної планки, пружин стиску, які забезпечують необхідну щільність компактних паливних рулонів, електродвигуна який приводить в рух ролики та транспортерну стрічку за допомогою клинових пасів. Спосіб часткового збирання біомаси стебел сільськогосподарських культур включає в себе удосконалення конструкції підбирача–подрібнювача, що передбачає наявність трьох розгалужень розподільника, що забезпечує можливість вибіркового збирання частини біомаси стебел сільськогосподарських культур. Такий підхід дозволяє одночасно залишати частину подрібненої біомаси на полі для повернення поживних речовин у ґрунт, а іншу частину – спрямовувати на збирання для подальшого використання, зокрема як сировини для виготовлення паливних матеріалів. У третьому розділі показано опис обладнання та методик проведення експериментальних досліджень. Вони включають методику визначення вологості біомаси стебел сільськогосподарських культур, компактних паливних рулонів, паливних брикетів; дослідження впливу пружних властивостей біомаси стебел сільськогосподарських культур на процес відновлення; визначення зусилля подрібнення біомаси стебел сільськогосподарських культур; метод математичного планування експерименту визначення щільності компактних паливних рулонів із різним пропорційним вмістом льону та колосових зернових; методику пресування зразків компактних паливних рулонів із різним пропорційним вмістом льону та колосових зернових; методику дослідження екологічності згорання паливних брикетів за допомогою спектрофотометра; методику випробувань отриманих видів твердого палива; метод комплексної оцінки якості компактних паливних рулонів. У четвертому розділі показано результати реалізації програми експериментальних досліджень. Наведені характеристики досліджуваних зразків 7 сільськогосподарських культур – озимої пшениці, льону олійного, льону довгунця які вирощенні на дослідних ділянках ЛНТУ, Володимир–Волинського ЦПО, фермерського господарства Агротрейд ПСС за період 2021–2024 рр. Охарактеризовано вегетаційний період рослин, технічна довжина, діаметр стебла, врожайність насіння та соломи. Отримано подрібненні залишки стебел пшениці та льону олійного з метою виготовлення ПБ. Отримано зразки готового твердого палива, описано їх геометричні параметри та вміст складових частин БССК у ПР. Визначено вологість стебел сільськогосподарських культур після збирання основного врожаю, яка становить для пшениці озимої – 21,7%, льону–олійного 27,3. Визначено вологість стебел сільськогосподарських культур після зберігання на полі протягом 5 днів: за середньодобової температури 20–24°C та без опадів склала для пшениці озимої 12,9%, льону–довгунця 16,8%, льону олійного 14,6%. Вологість стебел сільськогосподарських культур суттєво знижується після вилежування на полі, що сприяє зменшенню витрат на сушіння та підвищує ефективність використання сировини у виробництві паливних матеріалів. Визначено вологість компактних паливних рулонів під час їх виготовлення, що склала для компактних паливних рулонів складом Л75/П25 – 9,1-11,0%, Л50/П50 – 8,7-10,0, Л25/П75 – 8,3 9,0. Вимірювання вологості компактних паливних рулонів свідчить про її рівномірне розподілення. Додавання соломи колосових зернових до складу рулонів знижує загальну вологість. Використання соломи колосових зернових як складової частини біомаси стебел сільськогосподарських культур є більш ефективним для зниження вологості, що може зменшити витрати на сушіння та покращити енергетичні характеристики кінцевого продукту. Результатом дослідження змін вологості компактних паливних рулонів за різних умов стало те, що тривале зберігання ПР у сухому приміщенні протягом одного місяця з вологістю 40-60% та температурою 20-24 °C сприяє поступовому її зменшенню, що покращує їхні енергетичні характеристики. Водночас короткострокове зберігання у сирому середовищі призводить до інтенсивного вбирання вологи, що може негативно впливати на якість палива та його горючі властивості. Отже, для мінімізації небажаного підвищення вологості компактних паливних рулонів доцільно забезпечити їхнє 8 зберігання в умовах із контрольованими параметрами вологості та температури. Надмірний вміст льону призводить до збільшення вологості, що впливає на кінцеві показники якості. Дослідження процесу скручування, вплив пружних властивостей стебел сільськогосподарських культур на її відновлення показав, що після дії навантаження стебла сільськогосподарських культур змінюють свої геометричні розміри. Варто зазначити, що після зняття навантаження стебла відновлюють свої розміри не повністю, їх товщина зменшується на 10-15%. Результати досліджень підтверджують доцільність максимального руйнування стебел сільськогосподарських культур на всіх етапах збирання для формування компактних паливних рулонів без обв’язування. Зменшення пружних властивостей стебел льону та пшениці сприяє досягненню необхідної щільності компактних паливних рулонів під час та після їхнього формування. Завдяки більш вираженим релаксаційним властивостям стебел пшениці їх доцільно подрібнювати до менш дрібніших частинок і використовувати як наповнювач у складі компактних паливних рулонів. Водночас стебла льону доцільно застосовувати як в’яжучий компонент для забезпечення структурної стабільності рулонів. Дослідження зусилля подрібнення стебел колосових культур та льону показує, що зусилля різання стебел сільськогосподарських культур суттєво залежить як від вологості матеріалу, так і від відстані від кореня. Для льону олійного при вологості 15,6% зусилля різання пучка з п’яти стебел зменшується з 7,5 Н (біля кореня) до 5,1 Н (верхня частина), а при вологості 54,2% — з 6,2 Н до 3,9 Н. У льону–довгунця аналогічна тенденція: при вологості 19,4% зусилля для п’яти стебел змінюється від 7,8 Н до 5,7 Н, при 56% — від 6,4 Н до 3,4 Н. Найбільші зусилля різання спостерігались у стебел пшениці. Для озимої пшениці при вологості 12,1% зусилля різання пучка з п’яти стебел зменшується з 47,4 Н до 32,7 Н, а при 56,8% — з 32,1 Н до 19,9 Н. Дослідження щільності компактних паливних рулонів методом математичного планування експерименту підкреслює значний потенціал біомаси стебел сільськогосподарських культур. Регресійний аналіз показує, що досягнення 9 щільності від 110 до 130 кг/м³ потребує тиску ущільнення 0,40–0,55 МПа та об’єму подачі 0,65–0,75 м³ погонного метра БССК залежно від співвідношення стебел льону з стеблами пшениці або іншими матеріалами. Вищий вміст стебел льону через його волокнисті властивості вимагає підвищеного тиску для забезпечення рівномірної щільності та когезії матеріалу. На основі проведених досліджень спектрів витяжок залишків горіння зразків твердих паливних матеріалів можна зробити висновок, що додавання більшого вмісту соломи пшениці до паливних брикетів зразка Л25/725 впливає на зміну характеристик зольного залишку, зокрема збільшує кількість нерозчинних компонентів і змінює спектральні властивості витяжки. Збільшення вмісту льону в паливних брикетах збільшує значення пропускання Л75/П25, що свідчить про більш однорідну структуру продуктів згоряння. Водночас зразок Л50/П50 демонструє більшу схожість із контрольним зразком деревини, що вказує на оптимальні характеристики для процесу згоряння. Усі досліджені зразки витяжок із зольних залишків продуктів горіння паливних брикетів із біомаси стебел сільськогосподарських культур є екологічно безпечними та не містять значної кількості небезпечних домішок. Під час експериментальних досліджень згоряння твердого палива із біомаси стебел сільськогосподарських культур, зокрема паливних брикетів з льону та соломи, було визначено якісний та кількісний склад димових газів за допомогою газоаналізатора Testo 340. Результати показали зниження викидів СО та NOx зі збільшенням частки соломи в паливі, при цьому зменшуючи теплопродуктивні показники, проте результати свідчать про екологічну доцільність такого палива. Результати промислового випробування у котельні на базі ЛНТУ підтвердили ефективність використання твердого палива – компактних паливних рулонів із біомаси стебел сільськогосподарських культур. Зокрема, при співвідношенні Л75/П25 досягнуто найкращих показників теплопродуктивності – 0,420 Гкал/год, для співвідношення Л50/П50 – 0,394 Гкал/год, на останньому місці співвідношення Л25/П75 – 0,367 Гкал/год. 10 Пропорційне співвідношення льону та пшениці у складі паливного рулону значно впливає на екологічні показники викидів. Збільшення частки пшениці сприяє зниженню викидів CO та NOX, що покращує екологічну ситуацію. Водночас оптимальне співвідношення для досягнення компромісу між ефективністю згоряння, тепловим ККД та екологічними показниками становить Л50/П50 або Л75/П25. Вибір конкретного складу має враховувати як екологічні вимоги, так і економічні розрахунки. У п’ятому розділі наведено значення комплексних показників якості, які становили 0,84, 0,98 і 1,05 для варіантів Л75/П25, Л50/П50 і Л25/П75 відповідно. Склад Л25/П75 досяг найвищого комплексного показника якості, що вказує на те, що він забезпечує найкращий баланс між ефективністю згоряння та рівнем викидів. Хоча щільність ПР нижча порівняно зі звичайним деревним паливом, а вміст сірки трохи вищий, ніж у дубових дровах, загальні викиди менші. Це свідчить про те, що компактні паливні рулони, незважаючи на те, що вони виробляються із біомаси стебел сільськогосподарських культур, забезпечують збалансовану ефективність спалювання та прийнятні екологічні показники. Аналіз економічної ефективності використання паливних рулонів із різним співвідношенням льону до соломи колосових зернових показує, що найбільший економічний ефект досягається при складі 75% льону та 25% соломи пшениці – Л75/П25. Якщо сировина закуповується, економія для складу ПР Л75/П25 становить від 31 927,63 грн до 38 817,63 грн за опалювальний сезон. У випадку, коли сировина не закуповується, економія значно зростає – до 603 837,63 грн за сезон.