Ім'я файлу: ДИПЛОМНАЯ_РАБОТА_ТОПЛИВНІЫЕ_БРИКЕТЫ (2).doc
Розширення: doc
Розмір: 2916кб.
Дата: 14.11.2022
скачати
Розширення: doc
Розмір: 2916кб.
Дата: 14.11.2022
скачати
2. МАТЕРІАЛИ. МЕТОДИ ЛАБОРОТОРНОГО ДОСЛІДЖЕННЯ
2.1. Вихідна сировини.
Вихідною сировиною для виробництва паливних брикетів було обрано опале листя з деревини роду «Кльон», «Дуб», «Каштан».
Зв’язуючим матеріалом було обрано крахма́л (C6H10O5)n – суміш полісахаридів амілози та амілопектини, мономером яких є альфа-глюкоза.
2.2. Програма лабораторного дослідження.
Програма лабораторного дослідження складалася з послідовних етапів та представлена у вигляді структурної схеми, що наведена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Програма лабораторного дослідження
За схемою (див. рис. 2.1), на першому етапі безпосередньо відбувається збір сировини для виготовлення палива. У нашому випадку це опале листя таких дерев як дуб, каштан і клен, але до технології підійдуть будь-які, висушені листя дерев.
Після збору сировини на його потрібно підготувати до подальших процесів, а саме його подрібнення. За своєю суттю листя вже суха, але частина зайвої вологи в ній, все ж, буде. Для цього в схемі (див. рис. 2.1) існує етап «Підготовка».
На цьому етапі проходить висушування листя від зайвої вологи і приведення її в кондицію абсолютно сухих і хрустких в руках (при стисненні) листя. У нашому випадку висушування проходило в провітрюваній лабораторії, при кімнатній температурі (+18-20 °С) протягом трьох тижнів.
Після того, як листя досягає необхідної, сухий кондиції її необхідно усереднити між собою – етап «Усереднення». На цьому етапі відокремлюється в деяких листках (каштан, дуб) стебла від площини листя з подальшим усередненням між собою отриманої сировини.
Наступний етап - це «Подрібнення». Для цього було використане фарфорову ступку з товкачем (див. рис. 2.2), в якій подрібнював листя до розміру, біля 100 мкм.
Рис. 2.2. Ступка з товкачем
Далі, наступним етапом є «Перемішування», є змішування сировини разом зі зв’язуючим матеріалом. Як раніше говорилося, для даної технологи виробництва брикетів не використовується такі речовини, які необхідно нагрівати, що б досягти правильної змочуваності сировини. Але необхідна присутність води в процесі виробництва.
Як зв’язуючий матеріал, використовується розчин клейстеру з крохмалю з невеликою концентрацією (6-7 %). Щоб змішати листя з розчином я використовував пластикові стаканчики 0,25 дм3 (див. рис. 2.3, а), а в ролі мішалки був фарфоровий шпатель (див. рис. 2.3, б).
а) б)
Рис. 2.3. Прилади для приготування суміші:
а) стакан; б) шпатель
Для виміру необхідної кількості крохмалю я використовував електричні ваги з точністю до 0,0001. Для виміру води - шприц медичний, об’ємом 0,02 см3.
Змішування проходило в наступній послідовності:
1) Замір необхідної кількості вихідних матеріалів на вагах і забір води шприцом;
2) Додавання і сухе змішування крохмалю з листям;
Додавання в суміш листя з крохмалем води зі шприца;
Якісне і повне перемішування всіх матеріалів;
Після всіх процедур, проведених з матеріалом, залишивши його на 10 хв. для більш повного змочування і просочування розчином зв’язуючого матеріалу, переходили до основного етапу процесу виготовлення брикетів – «Пресування», яке здійснювалося за допомогою лабораторної установки (див. рис. 2.4), яка складалася з гвинтового пресу з можливим навантаженням по тиску до 25 МПа; динамометру Токарєва (див. рис. 2.5) та металевого пуансону.
Рис. 2.4. Схема лабораторної установки: 1 – прес; 2 – пуансон;
3 – проба; 4 – динамометр
Пуансон використовувався для надання правильної форми брикету та складався з залізної трубки з внутрішнім діаметром в 32 мм та поршню того самого діаметру.
Рис. 2.5. Динамометр Токарєва
Пресування проходило в кілька етапів:
Завантаження в форму замішаного і готового до пресування сировини;
Установка на дно преса форми з сировиною;
Установка, зверху сировини, циліндричного бруса;
Інсталяція динамометра між поршнем преса і залізним брусом, закріплення його в даній позиції легким притисненням преса;
Початок пресування. Набір тиску поршня, за коштами плавного, постійного вкручування гвинта і спостереженням за показниками динамометра.
Пресування. На моменті зупинки прокручування показника стрілки динамометра або по виявленню неможливості подальшого закручування гвинта пресуючої установки – пресування закінчують. Далі, не викручуючи гвинта установки і тим самим залишаючи все під максимальним тиском, засікаємо 7-10 хвилин і очікуємо. У цей момент під великим тиском відбуваються фізичні деформації структури листка під необхідну форму за рахунок сил Ван-дер-Ваальса. А так само при такому тиску з листя, змішаної з водою, можуть виділятися різні смоли, в тому числі і лігнін, який в нашому випадку буде сприяти інтенсифікації процесу пресування і, частково, виконувати роль додаткового сполучного.
Кінець пресування. Після закінчення 10 хвилин викручуємо гвинт преса, прибираючи динамометр і брус, знімає форму з тарілки Преса.
Акуратно витягаємо спресований брикет.
Процесування, по-суті, завершено. Основна частина вологи вийшла з брикету під час 10-хвилинної паузи при пресуванні, а разом з нею і 10-15% крохмалю. Надалі, при повторному використанні тієї ж води, є місце додаванню меншої кількості крохмалю (на 5-10 %), так як вода вже буде збагачена від попередніх циклів.
Але на цьому процес виготовлення брикету ще не закінчений, сам по собі він має потрібну форму, але ще не володіє достатньою міцністю для комфортного зберігання або транспортування.
Для більш повного завершення процесу виготовлення паливних брикетів з листя нам необхідно висушити виготовлений матеріал від залишкової вологи, тим самим зміцнивши його і зробивши більш легкозаймистим.
Для даного етапу "Сушка" в нашій методиці використовувався спочатку сушильна шафа при 100-110 °С на 30 хвилин, а після висушування з доступом повітря, при кімнатній температурі і нормальної вологості протягом 12-24 год.
Етап «Сушка» є заключним у виробництві брикетів, після чого, вони повністю готові до використання.
Після отримання продукту на етапі «Дослідження» необхідно виявити його якісні характеристики, що б поглянути на його конкурентоспроможність в порівнянні з аналогічними технологіями і так само порівняти з традиційними видами палива.
2.3. Методи лабораторного дослідження.
До числа основних показників якості, які необхідно визначати при виробництві паливних брикетів, відносяться:
Міцність.
Щільність.
Теплота згоряння.
Умови зберігання.
2.3.1. Випробування міцності на стискання паливних брикетів
Міцність продукту, характеризує його придатність до транспортування, це впевненість в цілісності продукту при зберіганні аж до моменту використання це впевненість в тому, що продукт не втратить форму при звичайному падінні з невеликої висоти.
В даній роботі досліджувалася міцність отриманих паливних брикетів при стисненні, так як цей показник буде максимально характеризувати ті фактори, які можуть статися з продуктом після того як його почнуть транспортувати або зберігати.
Для визначення максимального тиск стиснення до моменту руйнування форми паливного брикету, використовувалася лабораторна установка, яка складалася з гідравлічного пресу та динамометру (див. рис. 2.6).
Рис. 2.6. Знімок лабораторної установки: а) зовнішній вигляд установки;
б) розташування досліджуваного паливного брикету
Процес проведення випробувань на міцність складався із наступної послідовності:
- для початку необхідно виставити прес в початкове, для робочого ходу, положення. Це здійснюється викручуванням гвинта регуляції подачі масла і спуску поршня в низ пресу;
- після установки в початкове положення прес ми інсталюємо динамометр так, щоб між ним і верхньою тарілкою пресу було невелику відстань, в яке здатний поміститися досліджуваний зразок;
- закручуємо гвинт подачі масла в робоче положення пресу і інсталюємо досліджуваний зразок;
- після, методом роботи важелем преса плавно створюємо тиск для зламу зразка, спостерігаючи за показаннями динамометра;
- при виявленні критичного спотворення у формі, зламі або руйнуванні структури на дрібні частини, дослідження вважається закінченим, а показання динамометра в цей момент вказують на максимальний опір матеріалу стисненню.
2.3.2. Визначення густини паливного брикету.
Також важливим показником якісного брикету є його густина, так як, фактично, вона показує наскільки спресованим вийде паливний брикет. Скільки листя вмістить в себе певний обсяг тієї чи іншої форми.
Для розрахунку густини, безпосередньо брикету, необхідно знати його об’єм і масу.
Маса готового, висушеного брикету визначається на високоточних, електричних вагах (до 0,0001), а об’єм розраховується за наступною формулою:
2.1)де R – радіус циліндра, мм;
h – висота циліндра, мм.
Высоту и радиус паливного брикету знаходили за допомогою штангенциркуля.
2.3.3. Визначення нижчої теплоти згоряння.
Найважливішою характеристикою паливних брикетів є нижча температура згоряння. Даний показник характеризує теплову віддачу брикету з урахуванням витрат тепла на випаровування вологи.
Варто відзначити, що в даній ситуації теплоти згоряння однієї лише листя недостатньо, що б повною мірою охарактеризувати, наскільки високий показник теплоти згоряння брикету. Справа в тому, що в суміші брикету присутній так само крохмаль, який має свої показники, і в залежності від концентрації його в брикеті, він буде вносити відповідні зміни в даний показник.
Найбільш точно теплота згоряння твердого і рідкого палива визначається експериментально в спеціальному приладі – калориметричній бомбі (див. рис. 2.7). Сутність калориметричного методу визначення теплотворної здатності палива Qб (по бомбі) полягає в спалюванні навішування палива Mt в адіабатичному режимі в середовищі стисненого кисню і розрахунку теплового ефекту. Теплота, що виділяється при горінні палива, поглинається водою.
Знаючи масу води Мв, по зміні її температури Δt обчислюють теплоту згоряння з рівняння теплового балансу, яке в спростованому вигляді виглядає наступним чином:
(2.2)де, Сp – ізобарна теплоємність води при середній температурі, кДж/(кг*°С).
Калориметр являє собою посудину з двома оболонками: зовнішньої і внутрішньої, – тобто оболонка калориметра являє собою закритий двостінний бак з кришкою. Внутрішня порожнина між оболонками заповнюється водою, забезпечуючи практично нульовий теплообмін з навколишнім середовищем (адіабатичний режим).
Калориметрична бомба являє собою сталевий стакан, в кришці якого є два отвори: одне для заповнення бомби киснем, інше – для випуску продуктів згоряння. У центрі бомби розташовані два електроди, на які для займання палива подається напруга 6-12 В.
Рис. 2.7. Знімок колориметру
Калориметрична бомба поміщається в калориметричний посудину, заповнений водою. Для вирівнювання температури всередині судини передбачається вертикальна мішалка, яка приводиться в дію від електродвигуна.
Для визначення зміни температури води в калориметрі служить лабораторний метастатичний термометр Бекмана, розрахований на вимірювання температури в діапазоні від 0°С до 5 °С і з ціною поділки 0,01 °С.
2.3.4. Визначення умов зберігання.
Умови зберігання паливних брикетів виходять з умов зберігання вихідного матеріалу. Так як у нас самі листя висушені, спресовані і відокремлені від вологи, то стає ясним, що в першу чергу брикет необхідно ізолювати від прямих попадань дощових опадів, або зберігання в місцях з підвищеною вогкістю.
Високі температури при зберіганні брикетам не страшні, але при цьому підвищується пожежонебезпека приміщення де вони зберігаються. Також, слід уникати великих перепадів температур при зберіганні паливних брикетів, що, у свою чергу, може призвести до осипання верхніх шарів пресованих брикетів.
Оптимальні умови зберігання отриманих паливних брикетів досліджувалися у лабораторних умовах у інтервалі температур від 20 °С до 100 °С, а також, при зберіганні в умовах з відносної вологістю до 95%.
Досліджуючи впливу умови зберігання включали у себе нагрівання паливних брикетів в сушильній шафі в інтервалі температурі від 25°С до 100 °С, з подальшою оцінкою зовнішнього вигляду брикету; здійснення нагрівання паливного брикету до 100°С та його охолодження до -10°С з подальшою оцінкою зовнішнього вигляду брикету та встановлення кількості циклів «нагрівання-охолодження»; розташування сухого паливного брикету, протягом 6 годин у ексикаторі дно якого, заповненого водою, з подальшою оцінкою зміни геометричних розмірів брикету – його висота (Нзм, мм) і діаметру (Dзм, мм) за наступними формулами:
Нзм=((Н2-Н1)/Н1)*100% (2.3)
де Н1 – висота паливного брикету до випробування, мм;
Н2 – висота паливного брикету після випробування, мм.
Dзм=((D2-D1)/D1)*100% (2.4)
де D1 – діаметр паливного брикету до випробування, мм;
D2 – діаметр паливного брикету після випробування, мм.
1 2 3 4 5 6