胡建軍 1, 雷廷宙 2, 沈勝強 3, 郭前輝 1, 劉軍偉 4, 李在峰4
(1.河南農業大學機電工程學院, 河南鄭州450002; 2.河南省科學院, 河南鄭州450008; 3.大連理工大學能源與動力學院, 遼寧大連116026; 4.河南省生物質能源重點實驗室, 河南鄭州450008)
摘要: 對5種秸稈顆粒冷態壓縮成型過程進行開式試驗研究, 將其壓縮成型過程分為鬆散, 過渡, 壓緊和推移4個階段, 回歸了不同階段的壓力方程, 採用Matlab軟體計算出整個壓縮成型過程中的比能耗值. 以小麥秸稈為例, 採用二次回歸通用旋轉組合設計, 建立了壓縮速度, 物料含水率2個因素與比能耗的數學模型, 結果表明, 壓縮速度的影響比含水率大, 且二者均為負效應.
0引言
目前,國內外秸稈壓縮成型技術的成型工藝主要分為常溫濕壓成型, 熱壓成型, 炭化成型和冷態壓縮成型4種, 成型方式分為 '閉式' 壓縮和 '開式' 壓縮2種 [1], [2], 常見的成型設備主要包括螺旋擠壓式成型機, 活塞衝壓式成型機和壓輥式顆粒成型機 [3]. 無論哪種壓縮成型技術, 比能耗均是考察壓縮成型工藝設計是否合理的重要性能指標之一. 比能耗是指在單位時間內生產成型燃料所消耗的能量與該段時間內生產的成型燃料質量的比值. 壓縮成型所需的能耗主要由2部分組成: 克服物料與成型部件內壁摩擦所消耗的能量和物料變形所消耗的能量[4], [5].
壓輥式顆粒成型機具有能耗低, 產量高, 原料適應性強等優點, 因而成為當前研究和開發的熱點. 但市場上銷售的壓輥式顆粒成型機的設計不盡合理, 造成其比能耗較高, 大大制約了其工業化應用的程度. 為此, 本研究採用萬能試驗機和自製的 '開式' 壓縮成型裝置, 對5種秸稈的 '開式' 顆粒冷態壓縮過程進行比能耗試驗, 研究壓縮速度, 含水率等因素對比能耗的影響規律, 選取最佳壓縮成型參數, 為壓輥式顆粒成型機的工業優化設計提供參考依據.
1試驗原料與裝置
1.1試驗原料
試驗原料為鄭州市郊區常見5種秸稈 (小麥秸稈, 玉米芯, 玉米秸稈, 稻草和棉花秸稈) . 首先採用微型粉碎機將原料粉碎, 清除原料裡的雜質, 然後將原料放入馬弗爐中, 在105℃下乾燥8h後分類封存. 待原料溫度降至室溫時, 根據試驗需要進行配水試驗, 按照不同含水率將原料分別封存於黑色塑料袋中.
1.2試驗裝置
本試驗所用儀器為WDW- 50型微機控制電子萬能試驗機, 試驗額定壓力為50kN, 橫樑移動速度為2~ 200mm/min. 針對壓輥式顆粒成型機的特點, 專門設計了一套 '開式' 顆粒壓縮成型試驗裝置 (圖1) [6], 其中套筒內徑為15mm, 模具內徑為10mm, 模具長徑比為5.2, 模具開口錐度為450.
試驗前先進行秸稈原料預壓處理, 使原料填滿套筒. 啟動萬能試驗機程序, 即可自動生成每次試驗的壓力和活塞位移曲線圖.
2試驗結果及分析
2.1壓縮成型特性曲線
由試驗結果可知, 雖然壓縮成型條件不同, 但它們的壓縮成型特性曲線均存在著相同的變化規律 (圖2) .
由圖2可知, 秸稈顆粒冷態壓縮成型過程比較複雜. 為便於計算比能耗數據, 本研究將壓縮成型特性曲線定義為4個階段, 即鬆散階段 (oa區間) , 過渡階段 (ab區間) , 壓緊階段 (bc區間) 和推移階段 (cd區間) . 在鬆散階段和過渡階段, 物料主要發生彈性變形, 在壓緊階段物料主要發生塑性變形, 在推移階段物料主要發生彈粘性變形[7].
2.2比能耗計算
本研究採用壓強和位移構成的曲線面積經換算後計算比能耗, 壓杆在物料壓縮成型過程中所作的功可按下式近似計算[8]:
比能耗的具體計算步驟: 提取不同壓縮成型條件下的試驗數據, 按照不同壓縮成型區間分別進行回歸分析, 得出每個區間的壓強回歸方程, 代入式 (1) 中, 採用Matlab軟體計算出能耗數值, 然後通過式 (2) 即可得出比能耗. 5種秸稈原料在不同壓縮成型條件下的比能耗數據見表1.
由表1可以看出, 雖然同一種秸稈原料在不同壓縮成型條件下的比能耗有所差異, 但都存在相同的變化規律, 即當原料含水率一定時, 隨著壓縮速度的增加, 比能耗逐漸減小; 當壓縮速度一定時, 隨著含水率的增加, 比能耗也相應減小. 不同秸稈原料的比能耗差異較大, 其中稻草比能耗變化範圍最大, 玉米芯次之, 小麥秸稈, 玉米秸稈和棉花秸稈的比能耗比較接近且較小, 說明當冷態壓縮成型的工藝參數 (如物料含水率和壓縮速度) 在一定範圍變化時, 稻草和玉米芯的適應性較差, 壓縮成型效果不佳.
2.3比能耗回歸模型
從5種秸稈顆粒冷態壓縮成型試驗結果可知, 壓縮速度和物料含水率對比能耗的影響較大. 為了進一步研究壓縮速度和含水率對比能耗的影響程度, 現以小麥秸稈為例, 採用二次回歸通用旋轉組合設計, 建立小麥秸稈的比能耗二次回歸模型.
2.3.1試驗方法
試驗設計的因素水平編碼見表2.
2.3.2試驗結果
壓縮速度和物料含水率對比能耗影響的結果見表3.
表3中, z0, z1, z2為單因素水平, z1z2, z12, z22為兩因素交互作用水平, yi為響應變數.
2.3.3回歸係數計算
2.3.4回歸方程檢驗
由於設計中各因素均經無量綱線性編碼處理, 且各一次項回歸係數bj之間, 各交互項, 平均項的回歸係數間均是不相關的, 因此可以由回歸係數絕對值的大小來直接比較各因素對比能耗的影響. 本試驗中壓縮速度的影響比含水率大, 且二者均為負效應.
3結論
①秸稈顆粒冷態壓縮成型過程可分為鬆散階段, 過渡階段, 壓緊階段和推移階段, 在鬆散階段和過渡階段物料主要發生彈性變形, 壓緊階段物料主要發生塑性變形, 推移階段物料主要發生彈粘性變形.
②當同一秸稈原料的含水率 (在本試驗的研究範圍內) 一定時, 隨著壓縮速度的增加, 比能耗逐漸減小; 當壓縮速度一定時, 隨著含水率的增加, 比能耗也相應減小.
③在本試驗選用的5種秸稈原料中, 稻草和玉米芯的比能耗變化範圍最大, 說明這2種秸稈原料對工藝參數變化的適應性差, 壓縮成型效果不佳.
⑤壓縮速度和含水率對 '開式' 壓縮成型裝置的比能耗有不同的影響, 其中壓縮速度的影響比含水率大, 且二者均為負效應.
參考文獻:
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