ALEKSANDRO STULGINSKIO UNIVERSITETAS
ŽEMĖS ŪKIO INŽINERIJOS FAKULTETAS
Žemės ūkio inžinerijos ir saugos institutas
Andrius Milašius
KUKURŪZŲ GRŪDŲ TRUPINIMO TYRIMAS
Magistro studijų baigiamasis darbas
Studijų sritis: Technologijos mokslai Studijų kryptis: Gamtos išteklių technologijos Studijų programa: Biomasės inžinerija
Akademija, 2014
Magistratūros baigiamųjų darbų vertinimo komisija: Patvirtinta Rektoriaus 2014 m. balandžio 6 d. įsakymu Nr. 144 – PA
Pirmininkas: Europos žemės ūkio inžinierių draugijos narys, prof. habil. dr. Bronius KAVOLĖLIS;
Nariai: 1. Žemės ūkio inžinerijos fakulteto prodekanas, Energetikos ir biotechnologijos inžinerijos ir saugos instituto doc. dr. Egidijus ZVICEVIČIUS.
2. Jėgos ir transporto mašinų inžinerijos instituto doc. dr. Algirdas JANULEVIČIUS
3. Žemės ūkio inžinerijos ir saugos instituto doc dr. Atanas SAKALAUSKAS.
4. UAB „Vižerna“ direktorius, inž. Žydrūnas GRENCEVIČIUS.
Mokslinis vadovas doc. dr. Sigitas Petkevičius, Aleksandro Stulginskio universitetas
Recenzentas doc. dr. Anicetas Strakšas, Aleksandro Stulginskio universitetas
Instituto direktorius prof. dr. Dainius Steponavičius, Aleksandro Stulginskio universitetas
Oponentas doc. dr.Prof habil.. dr. Algirdas Jonas Raila, Aleksandro Stulginskio universitetas
2
ALEKSANDRO STULGINSKIO UNIVERSITETAS ŽEMĖS ŪKIO INŽINERIJOS FAKULTETAS ŽEMĖS ŪKIO INŽINERIJOS IR SAUGOS INSTITUTAS
Magistratūros studijų baigiamasis darbas Kukurūzų grūdų trupinimo tyrimas
Autorius: Andrius Milašius Vadovas: Sigitas Petkevičius Kalba – lietuvių
Darbo apimtis – 49 p. Lentelių skaičius – 11 Paveikslų skaičius – 32 Naudota informacijos šaltinių – 26 Priedų skaičius – 2
Santrauka
Tirtas kukurūzų frakcijų kiekio pasiskirstymo priklausomybė nuo atstumų dydžio tarp trupintuvo valcų. Tyrimai atlikti 2013-2014 metais Aleksandro Stulginskio universitete. Tyrimo objektas – diskinių valcų trupintuvas-traiškytuvas, kurio našumas iki 15 t.h-1. Valcai – apvalūs, -1 dantyti, sukimosi dažnis ns = 4000 min . Trupintuvą-traiškytuvą sudaro keturi valcai, dvi poros – pakopos. Trupintuvo diskiniams valcams sukti, reikalinga aktyvioji galia, matuota elektros energijos tinklo analizavimo prietaisu ME-MI2492 („Metrel“). Frakcijų atskyrimui buvo naudojami penki sietai: 3,5 mm; 3 mm; 2,4 mm; 2 mm; 1 mm. Iš viso gautos šešios frakcijos. Valcų atstumas kito nuo 4,5 iki 6 mm pirmos pakopos ir nuo 1,5 iki 3 mm antrosios pakopos. Tyrimais nustatytas žymus, frakcijų didesnių nei 3,5 mm, kiekio didėjimas. Grūdų drėgniui sumažėjus pastebėtas galios poreikio padidėjimas esant minimaliems atstumams tarp valcų. Apdorojus duomenis nustatytas esminis skirtumas tarp frakcijų didesnių nei 3,5 mm kiekio procentinės dalies, esant santykiniam grūdų drėgniui ωg1=37,77±0,5% ir frakcijų kiekio kai drėgnis ωg3=33,25±0,88%. Reikšminiai žodžiai: Trupinimas, kukurūzai, frakcijos, bioetanolis, atsinaujinanti energija.
3
ALEKSANDRAS STULGINSKIS UNIVERSITY FACULTY OF AGRICULTURAL ENGINEERING INSTITUTE OF AGRICULTURAL ENGINEERING AND SAFETY
Master theses Corn grain crushing studies
Author: Andrius Milašius Supervisor: Sigitas Petkevičius Language – Lithuanian
Pages – 49 p. Tables – 11 Pictures – 32 Sources of literature – 26 Annexes – 2
Summary
Studied corn fraction pattern on the cracker rolls gap wide. Investigations were carried out in 2013-2014 at Aleksandras Stulginskis University. Research object was a disc roller crusher, with a capacity of up to 15 t.h-1. Rollers - rounded, toothed, rotation speed n = 4000 min -1. Crusher consists of four rolls, two pairs in all. Crusher disc rolls turn required active power, measured electricity network analysis device ME- MI2492 ( Metrel ) sievs was used in five screens: 3.5 mm; 3 mm; 2.4 mm; 2 mm; 1 mm. A total of six groups. The results demonstrated significant groups larger than 3.5 mm, the increase in volume. Grain moisture decreased observed a increase in power consumption at the minimum roller distance. After processing the data a fundamental difference been set between the groups of larger than 3,5 mm the percentage of grain moisture ωg1 = 37.77 ± 0.5% and the volume fraction when humidity ωg3 = 33.25 ± 0.88 %. Key words: Breaking; maize; fractions; bioethanol; renewable energy.
4
TURINYS
ĮVADAS ...... 8
1. INFORMACIJOS ŠALTINIŲ ANALIZĖ ...... 9
1.1 Atsinaujinanti energija ...... 9
1.2. Biodegalai ...... 12
1.2.1. Bioetanolis ...... 13
1.2.2. Bioetanolio gamyba ...... 15
1.3. Kukurūzai (Zea mays) ...... 18
1.4. Smulkinimas ...... 20
1.4.1. Smulkinamų dalelių dydis. Susmulkinimo laipsnis ...... 21
1.4.2. Išorinė apkrova ...... 22
1.4.3. Energijos poreikis ir dalelių dydis ...... 23
1.4.4. Faktoriai įtakojantys smulkinimą ...... 26
2. EKSPERIMENTINIAI TYRIMAI ...... 27
2.1. Tyrimo tikslas ir uždaviniai ...... 27
2.2. Tyrimo objektas ...... 27
2.3. Tyrimo metodika ...... 28
3. TYRIMO REZULTATAI ...... 32
3.1. Grūdų drėgnis ...... 32
3.2. Grūdų priemaišos ...... 33
3.3. Grūdų geometriniai rodikliai ...... 34
3.4. Grūdų frakcijų pasiskirstymas ...... 39
3.4.1. Bandymai kai I pakopos valcų atstumas li pastovus o II pakopos kinta ...... 39
3.4.2. Bandymai kai II pakopos valcų atstumas li pastovus o I pakopos kinta ...... 42
3.6. Galios poreikis ...... 45
IŠVADOS ...... 46
LITERATŪROS SĄRAŠAS ...... 47
5
SIMBOLIŲ, SANTRUMPŲ AIŠKINAMASIS ŽODYNAS
ŠMT Šlapiojo malimo technologija; SMT Sauso malimo technologija;
CO2 Anglies dvideginis; TNKH Termiškai neapdoroto krakmolo hidrolizė; D m Vidutinis medžiagos dalelės skersmuo prieš smulkinimą; d m Vidutinis medžiagos dalelės skersmuo po smulkinimo; V m3 Vidutinis medžiagos dalelės tūris prieš smulkinimą; 3 Vsm m Vidutinis medžiagos dalelės tūris po smulkinimo; a m3 Tūrinis smulkinimo laipsnis; i m3 Smulkinimo laipsnis; l m Gabalinių medžiagų ilgis; b m Gabalinių medžiagų plotis; h m Gabalinių medžiagų aukštis; di1 m sieto, pro kuri prabyrėjo matuojamoji frakcija i skylučių skersmuo; di2 m sieto, ant kurio liko matuojamoji frakcija i skylučių skersmuo; di m Viso ėminio tirto sietiniu klasifikatoriumi vidutinis skersmuo; m1,...mi...mn kg medžiagos kiekvienos frakcijos kiekis; n vnt. Frakcijų skaičius; E J Smulkinimui reikalinga energija;
CR,CK,CB Ritingerio, Kipčevo-Kiko, Bondo konstanta; 3 x1, x2 m Dalelių tūris prieš ir po smulkinimo; 2 x1t, x2t m Dalelės dydis atitinkamai prieš ir po smulkinimo; C Konstanta priklausomai nuo nagrinėjamo atvejo; N Koeficientas; -1 ns min Apsisukimų dažnis per minutę; ds mm Skersmuo; wg % Grūdų drėgnis; mv kg Išgarinto vandens masė; mdk kg Drėgnų kukurūzų masė; 6 w1, w2, w3 % Pirmo, antro ir trečio bandymo drėgnis; k vnt. Grūdų klasių skaičius; l mm Grūdų klasių intervalo ilgis; xmax; xmin mm Minimalus ir maksimalus grūdo matmuo imtyje; zj Laplaso funkcijos argumentas; x j mm J-osios klasės grūdų vidurkis; σ mm Standartinis nuokrypis; mg1,g2,g3 kg Paduodamos grūdų masės kiekis; lI,II mm Valcų atstumas; n>3,5...<1 % Frakcijų procentinė dalis; . -1 p1,2,3 kg s Grūdų padavimo kiekis per laiką atitinkamai 1, 2, bei 3 bandymo metu; t1,2,3 s Sutrupinimo laikas atitinkamai 1, 2, bei 3 bandymo metu;
R0,05 Statistinė mažiausio patikimo skirtumo riba.
7
ĮVADAS
Vis auganti žmonių populiacija reikalauja vis daugiau ir daugiau energetinių ir maisto resursų. Norint sumažinti energijos suvartojimą ieškomi nauji atsinaujinančios energijos šaltiniai bei tobulinamos senos atsinaujinančios energijos išteklių panaudojimo technologijos ir būdai. Atsinaujinančioji energija gaunama iš natūralioje aplinkoje esančių nuolatinių ar periodinių energijos srautų. Šiuo metu didžioji energijos poreikių dalis tenkinama naudojant iškastinį organinį ar branduolinį kurą (Genutis ir kt., 2008a). Naudojant atsinaujinančios energijos potencialą mažinama šiltnamio efektą sukeliančių dujų CO2 emisija. Maisto pramonėje naudojama daug įvairių technologinių procesų, kurie yra labai neefektyvūs ir energijai imlūs. Siekiant sumažinti energijos suvartojimą maisto pramonėje, ieškomos naujo mažai energijai imlios technologijos bei efektyvesni gamybos procesai. Viena tokia technologija bendrai naudojama tiek atsinaujinančios energijos išteklių paruošimo technologijoje tiek maisto pramonės srityje yra smulkinimas. Smulkinimas - vienas seniausių žmonijai žinomų medžiagos apdorojimo būdų. Pirmieji smulkinimo įrankiai buvo du akmenys tarp kurių buvo suspaudžiama smulkinama medžiaga. Nuo to laiko smulkinimo būdų bei įrankių padaugėjo. Buvo sukurti įvairaus tipo smulkintuvai kurių veikimo principas yra paremtas vienokia ar kitokia deformacijos rūšimi. Norint pasiekti rezultatų smulkinimo technologijos tobulinimui, būtinas tolimesnis šios technologijos nagrinėjimas. Reikia atlikti kuo daugiau bandymų ir analizių smulkinamos medžiagos atžvilgiu bei pačio smulkinimo proceso. Šiame darbe trumpai apžvelgiamas atsinaujinančios energijos potencialas, viena iš sparčiai besivystančios atsinaujinančios energijos rūšies, tai yra bioenergijos, žaliavų panaudojimo galimybės bei paruošimo technologijos. Analizuojama glaustai smulkinimo teorija ir jos pagrindai. Bandymai atliekami norint nustatyti frakcijų pasiskirstymą prie skirtingų atstumų tarp valcų diskų.
8
1. INFORMACIJOS ŠALTINIŲ ANALIZĖ
1.1 Atsinaujinanti energija
Energija, šiuolaikinio pasaulio kertinis akmuo. Be elektros prietaisų ir be transportų priemonių neįsivaizduojamas šiandieninis pasaulis. Augant žmonių skaičiui atitinkamai auga ir energijos poreikis (1.1 pav.).
1.1 pav. Pasaulio gyventojų skaičiaus ir energijos poreikių augimas (Kadžiulienė, 2011).
1.2 pav. Energijos suvartojimas Lietuvoje (Kadžiulienė, 2011).
Padidėjus energijos suvartojimui ir pradėjus mažėti iškastinio kuro atsargoms, imta plėtoti seniai primirštą, bet neužmirštą atsinaujinančios energijos potencialą. Atsinaujinančioji energija gaunama iš natūralioje aplinkoje esančių nuolatinių ar periodinių energijos srautų. Atsinaujinantys energijos šaltiniai yra gamtos ištekliai, kurių atsiradimą ir atsinaujinimą sąlygoja
9 gamtos procesai. Pirminiais atsinaujinančios energijos šaltiniais laikomi saulės, žemės gelmių ir gravitacinė energija. Energetiniu požiūriu reikšmingiausia yra Saulės energija (1.3 pav.) (Genutis ir kt., 2008b).
1.3 pav. Saulės energijos panaudojimo būdai ir technologijos (Genutis ir kt., 2008b).
Labai didelį potencialą ir perspektyvas turi fotosintezės produktas – biomasė. Panaudojus mechaninį, cheminį, termocheminį ar biocheminį perdirbimą, galima išgauti įvairių rūšių kurą (kietąjį, skystąjį ir dujinį), kuris naudojamas šiluminės ir elektros energijos gamybai bei transporte (Genutis, 2008). Biomasė – žemės ūkio (įskaitant augalinės ir gyvulinės kilmės medžiagas), miškų ūkio ir kitų susijusių pramonės šakų produktai ir atliekos ar šių produktų bei atliekų biologiškai skaidoma dalis, taip pat pramoninių ir buitinių atliekų biologiškai skaidoma dalis iš kurių gaunamos biodujos ar biokuras, bei biodegalai (1.4 pav.) (Genutis, 2008).
10
1.4 pav. Biomasės panaudojimas (Lietuvos biomasės energetikos asociacija, 2008).
Didžiausia atsinaujinančios energijos plėtojimo priežastis yra jos aplinkosauginė vertė. Pavyzdžiui, deginamas biokuras ir biodegalai išskiria anglies dioksidą, kuris vėliau sunaudojamas augalų fotosintezei. Todėl laikoma, kad biomasę naudojant energetikoje, gaunama nulinė CO2 tarša. Atsinaujinantieji energijos ištekliai paprastai būna vietiniai. Todėl plėtojant atsinaujinančiąją energetiką stiprinamas vidinis energetinis ir ekonominis potencialas, didinama energetinė nepriklausomybė (Litbioma, 2008). Biodegalų sunaudojimą Lietuvoje lemią įsipareigojimai ES. Europos Komisija 2008 m. valstybėms narėms pateikė naują klimato kaitos ir energetikos sritis reguliuojančiu teisės aktu paketą, kuriame yra atsinaujinančių energijos išteklių vartojimo skatinimo direktyva. Joje numatytas privalomas reikalavimas Lietuvai iki 2020 m. pasiekti, kad energija iš atsinaujinančių šaltinių (žalioji energija) sudarytu 23% (Directive 2009/28/EC 2009) (Vasarevičius, 2011). Biodegalų suvartojimo kitimas Lietuvoje vis labiau auga, ypač biodyzelinio kuro bei bioetanolio sunaudojimas (1.5 pav).
11
1.5 pav. Biodegalų suvartojimas Lietuvoje (Kadžiulienė, 2011).
Įtakos turi ir nuolat didėjanti dyzelinio kuro paklausa, palyginus su benzinu, bei nuolat kylanti naftos, taip pat ir mineralinių degalų kaina. Plečiant biodegalų gamybą ir naudojimą, sukuriamos papildomos darbo vietos žemės ūkyje ir perdirbimo pramonėje, taip pat žemės ūkio gamyboje didėja produkcijos dalis, skirta ne maisto reikmėms. Tam, kad pagamintume 200 tūkst. t bioetanolio, reikėtų apie 278 tūkst. ha javų pasėlių, o šiuo metu javais apsėta 1000,3 tūkst. ha, t.y. apie ketvirtadalį visų javų pasėlių plotų. Lietuvos ariamos žemės pasėlių potencialas – 3,2 mln. ha. Lietuva yra viena iš lyderių (užima antrą vietą) tarp ES šalių pagal vienam gyventojui tenkantį biomasės kiekio potencialą (Vasarevičius, 2011). Galimybės plačiau naudoti energetinėms reikmėms vietinius išteklius – Lietuvoje išgaunamą naftą, durpes ir cheminių procesų energiją – yra itin ribotos, todėl atsinaujinančių energijos išteklių platesnis naudojimas yra labai reikšmingas (Lietuvos biomasės energetikos asociacija, 2008).
1.2. Biodegalai
Biodegalai yra iš biomasės gaminamas kuras, paprastai naudojamas kaip kuras transportui. Dyzelino ir benzino analogai biodyzelinas ir bioetanolis – labiausiai paplitusios jo rūšys. Biodyzelinas paprastai gaminamas iš augalinių aliejų ar gyvulinės kilmės riebalų (Lietuvoje – iš rapsų aliejaus), o bioetanolis – iš krakmolo ar cukraus turinčių žaliavų (Lietuvoje – daugiausia iš kvietrugių ar kviečių). Šiuo metu pasaulyje didžioji biodegalų dalis pagaminama iš maistinių kultūrų – javų, runkelių, sojų, cukranendrių, rapsų, palmių ir pan. „Antrosios kartos“ biokurą galima gaminti iš bet kokios biomasės, įskaitant šiukšles ir dumblius (Dzenajavičienė, 2011). 12
Biokuras laikomas neutraliu CO2 emisijos atžvilgiu. Jį organizuotai deginant nedidina bendros emisijos CO2. Visas CO2 kiekis gautas sudeginus augalinės kilmės kurą yra suvartojamas naujai augančių augalų, kai tuo metu CO2 atsirandantis naudojant iškastinį kurą (tai yra naftą, dujas, akmens anglį) lieka atmosferoje sudarydamas nuolat didėjantį anglies dvideginio prieaugį (1.6 pav.) (Tekorius, 2009).
1.6 pav. CO2 emisijos rodikliai deginant skirtingą kurą (Tekorius, 2009).
Dėl ekonominių paskatų daugelyje šalių siekiama bent dalį importuojamos naftos pakeisti biokuru kurį jos gali pasigaminti pačios. Tai taip pat aktualu ir dėl to, kad pagrindinė biokuro žaliava yra atsinaujinanti biomasė (Tekorius, 2009).
1.2.1. Bioetanolis
Pirmą karta bioetanolis buvo panaudotas dar 1860 metais JAV. 1925 metais buvo pradėtas naudoti Vokietijoje, o apie 1935 metus ir Lietuvoje. 10% bioetanolio ir benzino mišinys buvo naudojamas antrojo pasaulinio karo metais, bet dėl sumažėjusių mineralinių degalų kainų pasibaigus karui, jis buvo išstumtas iš rinkos (Tekorius, 2009). Šiuo metu bioetanolis yra labiausiai paplitę biodegalai pasaulyje. Esant įprasto benzino sudėtyje iki 20% bioetanolio, nebūtini techniniai variklio pakeitimai, nesumažėja variklio galia.
13
Norint naudoti aukštesnės koncentracijos bioetanolį, reikalingi variklio pakeitimai. Modifikuotuose varikliuose, prisiderinančiuose prie degalų, bioetanolio dalis gali sudaryti iki 85% ar net iki 100% viso degalų kiekio. Šių degalų energetinė vertė sudaro 2/3 benzino vertės, todėl jo suvartojamas kiekis yra didesnis (Vasarevičius, 2011). Bioetanolis sutrumpintai vadinamas E85, yra etilo alkoholio pagrindu gaminamas kuras, kuriame yra 85 %. etanolio ir 15 proc. benzino. Visoje ES visose parduodamose benzino rūšyse turi būti iki 10 % etanolio. Lietuvoje pagal LST EN 228 standarto reikalavimus etanolio benzine galimas kiekis iki 5 % bioetanolio. Galima naudoti ir E85, susidedančius iš 85 % bioetanolio ir 15 % benzino, tačiau tam reikia variklio kuris būtų pritaikytas tokios didelės bioetanolio koncentracijos kurui. Bioetanolis yra augalinės kilmės produktas, gaminamas iš augalinės žaliavos: cukraus turinčios žaliavos: cukranendrės, cukriniai runkeliai, krakmolo turinčios žaliavos: bulvės, grūdai, lignoceliuliozė - mediena, šiaudai. Naudojant bioetanolį E85 į aplinką patenka mažiau kenksmingo anglies monoksido, angliavandenių bei kitų teršalų. 5 % mišinys taršą apytikriai sumažina apie 2,5–3,0 %. 100 % bioetanolio naudojimas taršą sumažintų 50–60%, lyginant su tradiciniu iškastiniu kuru. E85 – tai aplinką tausojantys degalai. Juos naudojant į atmosferą išskiriama 80 % mažiau anglies dvideginio – šilumą sulaikančių dujų, kurios sukuria šiltnamio efektą, negu naudojant įprastinį kurą (1.1 lentelė) . Be to, augalai, naudojami kaip žaliava bioetanolio gamybai, sugeria anglies dvideginį, tokiu būdu mažindami šių dujų koncentraciją atmosferoje (Bioetanolis,2013).
1.1 lentelė. Automobilio, varomu grynu etanoliu, deginių emisijos (Tekorius, 2009). Emisijos, g/kg Teršalai Etanolis Benzinas Angliavandeniliai CH 0,07 0,09 Anglies monoksidas 0,6 0,53 Azoto oksidai NOX 0,13 0,4
Augant alternatyvių energijos šaltinių poreikiui Europos Sąjungoje, vis didesnę reikšmę įgyja degalai iš atsinaujinančių žaliavų. Bioetanolis – antroji biodegalų rūšis pagal gamybą Europoje. Jis sudaro 18,5 % visų pagaminamų biodegalų. 2007 m. bendroji bioetanolio gamyba ES padidėjo apie 70 %, palyginti su 2004 m. gamybos apimtimis, ir viršijo 700 tūkst. t (Lietuvos biomasės energetikos asociacija, 2008). Bioetanolis yra vienas iš perspektyviausių degalų, galinčių pakeisti naftos produktus, rūšių. Jo panaudojimą automobilių varikliuose iš dalies stabdo tai, kad Europoje pagamintas
14 bioetanolis pasižymi aukštais gamybos kaštais, kurie vidutiniškai siekia 0,51 €.l-1 (Kažemėkas ir kt., 2006). Daugiausia etanolio kaip biokuro pagaminama Vokietijoje (1.2 lentelė).
1.2 lentelė. Bioetanolio kiekis pagaminamas Europoje (Kažemėkas, 2006). Bioetanolio produkcija ES, GWh Nr. Šalis 2005 2006 1. Vokietija 978 2554 2. Ispanija 1796 2382 3. Prancūzija 853 1482 4. Švedija 907 830 5. Italija 47 759 6. Lenkija 379 711 7. Vengrija 207 201 8. Lietuva 47 107 9. Nyderlandai 47 89 10. Čekijos respubika 0 89 11. Latvija 71 71 12. Suomija 77 0
Numatyta, kad bendrajame Lietuvos energetikos balanse biodegalai sudarys ne mažiau kaip 20%. Apie pusė šio kiekio turėtų atitekti bioetanoliui, t.y. etilo alkoholiui. Paprastai jis gaminamas iš cukraus turinčių žaliavų (cukrinių runkelių), krakmolo turinčių žaliavų (bulvių, grūdų) arba lignoceliuliozės (medienos ir šiaudų). Tai labiausiai pasaulyje paplitusi biodegalų rūšis (Jutkauskas, 2008).
1.2.2. Bioetanolio gamyba
Javų grūdai daugiausia naudojami maisto pramonėje bei pašarų gamybai. Tačiau javų grūdai turi didelį krakmolo kiekį savo sudėtyje, dėl šios priežasties jie plačiai naudojami ir biokuro gamyboje ir kitose biologinio tipo produktuose. Etanolis yra vienintelė biokuro rūšis gaminama pramoniniais tikslais iš javų grūdų dideliais kiekiais (Drapcho ir kt., 2008). Krakmolo kiekis esantis populiariausių javų sudėtyje bei etanolio išeiga pateikti 1.2 lentelėje.
1.3 lentelė. Krakmolo kiekis bei teorinė etanolio išeiga (Drapcho ir kt., 2008). Pašariniai grūdai Krakmolas, % Išeigos kiekis, l/kg Kukurūzai 72 (65-76) 0,52 Kviečiai 77 (66-82) 0,55 Miežiai 57 (55-74) 0,41
Europoje ir Australijoje kviečiai yra pirminė ir viena pagrindinių žaliavų naudojama etanolio gamyboje. Cukriniai runkeliai dar vienas etanolio žaliavos šaltinis Europos Sąjungoje. 2004 15 metais ES narės cukrinių runkelių išaugino 181 mln. tonų ir tik 1 mln. tonų buvo panaudota etanolio gamyboje, tai sudarė 0,6 %. bendros masės. Tačiau cukrinių runkelių panaudojimas ES sparčiai augą dėl 2006, Europos cukraus rinkos organizacijos pateiktų reformų, kurios numato subsidijas cukrinius runkelius auginantiems kaip žaliavą, etanolio kaip biokuro gamybai. Reforma taip pat numato, ūkininkui auginančiam cukrinius runkelius etanolio gamybai, netaikyti cukrinės produkcijos kvotų. Cukrinius runkelius vidutiniškai sudaro nuo 16 iki 18% cukraus, šis rodiklis truputi didesnis nei cukranendrių. Nustatyta jog ES etanolio būtų galima pagaminti 86 l.h-1. Potenciali etanolio išeiga iš cukrinių runkelių labai skiriasi atsižvelgiant į regionus. Ši išeiga kintą nuo mažos 2964 l.t-1 Lietuvoje iki didelės 7980 l.t-1 Prancūzijoje. Kukurūzai yra pagrindinė etanolio gamybos žaliava JAV ir Kanadoje. Daugiau nei 95 % šiuo metu gaminamo etanolio JAV yra gaminama iš kukurūzų. Kanadoje 85 proc. etanolio gaunama iš kukurūzų. JAV yra daugiausia kukurūzų užauginanti šalis pasaulyje 2005 metais 280 mln. tonų buvo išauginta vien tik Jungtinėse Amerikos valstijose Kinija yra antroji pagal išauginamų kukurūzų kiekį pasaulyje. Kinijoje 2005 metais buvo išauginta 130 mln. tonų kukurūzų. Vienas penktadalis užaugintų grūdų masės buvo panaudota pramonėje, o iš šito kiekio 40% buvo naudojama etanolio gamybai. Kukurūzų paklausa etanolio gamyboje Kinijoje išaugo tiek, jog Kinijos valdžia priėmė nutarimą kuris suvaržė tolimesnį etanolio gamybos technologijų tobulėjimą (Darpcho, 2008). Jungtinių Amerikos valstijų žemės ūkio energetikos departamentas ir Argonne nacionalinė laboratorija atliko daugybe bandymu nustatant energijos balanso pasiskirstymą etanolio gamyboje. Nustatytą jog galonas etanolio išskiria daugiau energijos nei reikia, iškastinio kuro sunaudojamos energijos, jį išgauti. Tyrimai rodo jog etanolį išgaunant pasitelkiant ŠMT (šlapio malimo technologija) ir SMT (sauso malimo technologija) procesą, etanolis generuoja 67% daugiau energijos nei sunaudojama jį gaminant. Šis rodiklis turėjo didžiulę įtaką etanolio gamybos augimui. Šiuo metu vienas populiariausių iškastinio kuro rūšis yra benzinas, kuris generuoja 20% mažiau energijos nei sunaudojama jam pagaminti. Daugiausia bioetanolio pagaminama SMT proceso pagrindu, bendras išgaunamas bioetanolio kiekis sudaro 67%, o ŠMT pagrindu išgautas etanolis sudaro 33%. Labiausia paplitę du etanolio iš kukurūzų gamybos technologijos procesai, tai šlapiasis malimas (angl. wet milling) sutrumpintai ŠMT bei sausasis (angl. dry milling) SMT. Šiuolaikinės technologijos ir gamybos technologijos, leidžia pasiekti apie 9,5 l etanolio jį išgaunant šlapiojo malimo technologijos būdu, bei 10,6 l naudojant SMT būdą iš vieno bušelio (1 bušelis = 35,24 kg).
16
SMT procesas sukurtas išgauti kuo didesnį kiekį etanolio fermentacijos procesu metu iš kukurūzo šerdies. SMT procesas susideda iš penkių pagrindinių pakopų: 1 – malimas, 2- virimas, 3 – suskystinimas, 4 – cukrėjimas, 5 – fermentacija. SMT proceso metu gaminant etanolį, kukurūzo gemalas nėra atskiriama nuo išorinio kukurūzo branduolio. Visas kukurūzas yra sumalamas į smulkių frakcijų miltus su plaktukiniu malūnu, po to sumaišomas su vandeniu, toks mišinys vadinamas milasa (Bothast, Schlicher, 2005). Siekiant pagaminti etanolį iš krakmolo fermentinės hidrolizės įprastinio SMT proceso metu išgaunamas fermentacijai tinkamas cukrus vykdant dvi pakopas. Pirmoji pakopa yra suskystinimas su stabilia a-amilaze , kuri išlieka stabili prie aukštos temperatūros, gaunami dekstrinai, bei inkubacinė pakopa gliukomilazės – cukrinimo. Temperatūros ir laiko santykis priklauso nuo gavimo būdo. Labai aukštos temperatūros siekiančios 165 OC suskystinimas trunka 3 – 5 min, o aukštos temperatūros 90OC suskystinimo proceso metu virimas vyksta 1-3 val. Išvirta ir suskystinta milasa atšaldoma iki 60 OC, tada pradedamas sucukrinimo etapas į milasą įmaišoma gliukomilazės, susidaro gliukozė kuri fermentuojama mielių (lot. Saccharomyces cerevisiae) pagalba į etanolį. Grynas etanolis išgaunamas garinimo metodu iš gauto distiliato (Lamsal, 2012).
1.7 pav. Sauso malimo technologijos principinė schema (Ganti S., 2009).
17
Smulkinti kukurūzus į labai smulkias frakcijas nepatartina dėl didelių energetinių bei galios sąnaudų, tai taip pat pablogintų kietųjų dalelių atskyrimą po fermentacijos, to pasekmė būtų gerokai tirštesnė skystųjų žlaugtų fazė, o tai gali paveikti jų kokybę po išgarinimo. Valciniai smulkintuvai naudojami ir kukurūzų trupinimui .Valcinis kukurūzų trupinimas skiriasi nuo plaktukinio smulkinimo. Skiriasi ne tik susmulkintos frakcijos dalelių dydžiu, šis smulkinimo būdas suardo dalelės vientisumą (dalelės sienas, membranas, proteinų matricas, krakmolo granules ir t.t). Etanolio išeiga iš kai kurių valcais sutrupintų frakcijų yra panaši arba net didesnė už plaktukinio smulkintuvo susmulkintas kukurūzų frakcijas, nepaisant to jog dalelių dydis yra nuo 10 iki 15 kartų didesnis (Lamsal ir kt., 2011). Suskystinimas yra energijai imlus procesas, šio proceso metu sunaudojama maždaug 10-20% energijos, vėliau gaunamos iš etanolio, jį išgaunant. Krakmolo hidrolizė žemesnėje temperatūroje leistų išvengti energetinių nuostolių, toks procesas vadinamas termiškai neapdoroto krakmolo hidrolizė TNKH. Šis etanolio gamybos etapas nėra naujas ir jam sukurtos ne viena fermentinių bakterijų grupė. Nepaisant to, šis būdas pradėtas taikyti gana nesenai. Dingus suskystinimo procesui, fiziologinis TNKH fermentų kontaktas su kukurūzuose esančiu krakmolu tampa vienu pagrindinių faktorių. Esant mikro įtrūkimų deficitui ant kukurūzo grūdo, fermentai turi patys susikurti kelią galimybei pasiekti kukurūzo branduolyje esanti krakmolą. Toks procesas realiai neįmanomas dėl kukurūzo struktūros, nes poros esančio ant kukurūzo gemalo yra 7 – 10 kartų mažesnės nei a-amilazė (4 nm) bei gliukomilazės molekulės ( 8-10 nm). Esant šiems faktoriams, reikalingas kukurūzo mechaninis apdirbimas po kurio atsirastų ertmės- įtrūkimai leisiantys padidinti ir paspartinti cukrėjimo procesą naudojant TNKH. Dydžio sumažinimas ir fizinis sužalojimas paspartina cukrėjimo procesą dėl didesnio dalelių paviršiaus ploto (Lamsal, Johnson, 2012).
1.3. Kukurūzai (Zea mays)
Paprastasis kukurūzas (lot. Zea mays, angl. Maize, vok. Mais) – miglinių (Poaceae) šeimos kukurūzų (Zea) genties augalas. Daugelis istorikų teigia jog kukurūzai buvo sukultūrinti Techukanos slėnyje Meksikoje. Olmekai ir Majai augino daug įvairių kukurūzo rūšių visoje Mesoamerikoje. 2500 m. pr. Kr. kukurūzai paplito po visą JAV teritoriją. Iš Amerikos kukurūzų grūdai į Europą buvo atvežti tik penkiolikto amžiaus pabaigoje (Adomavičienė,2013). Kukurūzo grūdo branduolį sudaro keturios pagrindinės dalys: perikarpis, gemalas (embrionas), endosperma ir žiedkotis. Didžioji dalis kukurūzų branduolio sudaryta iš endospermos, net 82%, 12% sudaro gemalas, 5% perikarpis ir 1% žiedkotis. Nuo endospermos 18 struktūros labai priklauso grūdo mechaninis stiprumas. Kukurūzo endospermą sudaro dvi dalys: miltinė ir suragėjusi endospermos dalis (1.8 pav.). Suragėjusios endospermos struktūra yra kieta ir sudaryta iš tankiai sudėliotų krakmolo rutuliukų, kuriuos tarpusavyje jungia rišamoji medžiaga proteinas.
1.8 pav. Kukurūzo branduolio (Adomavičienė, 2013).
Kukurūzai paplito po visą pasaulį dėl savo savybės prisitaikyti prie įvairaus klimato ir sąlygų. Gliukoze praturtintos veislės auginamos žmonių naudojimui, o dauguma kitų veislių yra auginamos ir naudojamos kaip pašarai ir cheminė žaliavos šaltinis (Seniūnas, 2013). Kukurūzas dažniausiai siekia 2,5 m aukštį, užfiksuoti atvejai kai kukurūzas užauga iki 12 m aukščio. Kukurūzo kotas panašus į bambuko, kuris sudarytas iš atskirų tarpubamblių, lapai vidutiniškai yra iki 9 cm pločio ir iki 120 cm ilgio (Maize, 2014). Kukurūzas labai plačiai auginamas visame pasaulyje ir jo nukuliami kiekiai lenkia visas kitas grūdines kultūras auginamas pasaulyje (1.9 pav.).
1.9 pav. Vidutinis kukurūzų derlius kg.h-1 pasaulyje (Maize, 2014).
19
Daugiausia kukurūzų nukuliama JAV, čia kukurūzų derlius sudaro 40% viso pasaulinio derliaus. Kita didelė dalis užauginama Kinijoje, Brazilijoje, Meksikoje, Indonezijoje, Indijoje, Prancūzijoje ir Argentinoje. Pasaulyje 2009 metais kukurūzų derlius siekė apie 817 mln. tonų, daugiau nei kviečių (682 mln. tonų) ar ryžių (678 mln. tonų) (Maize, 2014). Europos Sąjungos šalyse užauginama 66,6 mln. t grūdų. Lietuvoje kukurūzų plotai grūdams 2005 m. užėmė 1,6, o 2011 m. – 7,1 tūkst. ha. Vidutinis grūdų derlius siekia 6,7, o stambiuose ūkiuose apie 10 t ha-1 (Adomavičienė, 2013). Virš 159 mln. hektarų pasaulyje užsieti kukurūzais, vidutinis derlingumas 5t/ha. Kukurūzų derlingumas kuo toliau tuo labiau didėja pastaraisiais metais (Maize, 2014).
1.4. Smulkinimas
Tai medžiagos suardymas iki reikiamo dydžio. Dažniausiai smulkinamos kietosios medžiagos (Novošinskas, 2012). Įvairių medžiagų dydžio mažinimas arba smulkinimas yra labai svarbus įvairiuose technologiniuose procesuose. Pats procesas apibūdinamas kaip kietųjų kūnų smulkinimas į mažesnes daleles – frakcijas nepakeičiant jų fizinės būsenos (Balaz, 2008). Smulkinimas skirstomas į trupinimą ir malimą (1.10 pav.). Šių procesų parametrai pateikti 1.4 lentelėje (Novošinskas, 2012).
1.10 pav. Smulkinimo būdų klasifikacija.
20
1.4 lentelė. Smulkinimo procesų klasifikacija (Novošinskas, 2012).
1.4.1. Smulkinamų dalelių dydis. Susmulkinimo laipsnis
Medžiagos dalelių dydis smulkinimo metu kinta. Pokytis įvertinamas medžiagos smulkinimo laipsniu ir kitais smulkinimo rodikliais (Novošinskas, 2012). Linijinis medžiagos smulkinimo laipsnis i: D i , (1.1) d čia D – vidutinis medžiagos dalelės skersmuo prieš smulkinimą m; d – vidutinis medžiagos dalelės skersmuo po smulkinimo m.
Smulkinimo efektyvumas vertinamas tūrinio smulkinimo laipsniu a (Novošinskas, 2012). V a , (1.2) Vsm čia V – vidutinis medžiagos dalelės tūris prieš smulkinimą m3; 3 Vsm – vidutinis medžiagos dalelės tūris po smulkinimo m . Vidutinis medžiagos dalelės skersmuo trupinimo atveju apskaičiuojamas kaip skersmuo rutulio, kurio tūris toks pat kaip ir smulkinamos arba susmulkintos dalelės. Tuomet dalelės skersmuo apskaičiuojamas pagal šią formulę (Novošinskas, 2012)..
6 D 3 V , (1.3)
Tuomet tūrinis smulkinimo laipsnis a (Novošinskas, 2012): D3 3 V 6 D 3 a 3 3 i . (1.4) Vsm d d 6
21
Stambių, sudėtingos formos gabalinių medžiagų gabaritai paprastai nustatomi matuojant jų plotį b, ilgį l ir aukštį h. Tokios medžiagos vidutinis skersmuo apskaičiuojamas pagal šią lygtį (Novašinskas, 2012).
D 3 l b h . (1.5)
Smulkių medžiagų gabalų vidutinis skersmuo nustatomas sijojant. Persijota pro skirtingų sietų rinkinį medžiaga suskirstoma į skirtingo stambumo frakcijas. Kiekvienos frakcijos vidutinis gabalų dydis (Novošinskas, 2012). d d d i1 i2 , (1.6) i 2
čia di1 – sieto, pro kuri prabyrėjo matuojamoji frakcija i skylučių skersmuo,m;
di2 – sieto, ant kurio liko matuojamoji frakcija i skylučių skersmuo, m.
Viso ėminio, kuris buvo tiriamas sietiniu klasifikatoriumi vidutinis skersmuo (Novošinskas, 2012).
d1 m1 d 2 m2 d3 m3 di m3 d n mn di , (1.7) m1 m2 m3 mn
čia m1, m2, m3, ...mi...mn – medžiagos kiekvienos frakcijos kiekis, kg; n – frakcijų skaičius. Medžiagos smulkinimo laipsnis priklauso nuo pradinių gabalų dydžių. Mažėjant šiems gabalams susmulkinimo laipsnis didėja nuo 3 iki 1000 ir daugiau (Novošinskas, 2012).
1.4.2. Išorinė apkrova
Veikiant išorinei mechaninei apkrovai F medžiagoje atsiranda gniuždymo, tempimo, lenkimo, sukimo, kirpimo įtempimai. Medžiaga suyra, kai įtempimai medžiagoje viršija medžiagos stiprumo (trapios medžiagos) arba takumo ribą (plastinės medžiagos) bet kuriame medžiagos taške (Novošinskas, 2012). Pagal išorinės apkrovos pobūdį medžiaga gali būti smulkinama ją veikiant keturių pagrindinių deformacinių apkrovų: 1 – gniuždant, 2 – trinant, 3 –veikiant smūginei apkrovai (daužant), 4 – veikiant smūginei (susidūrimo) apkrovai (1.11 pav.) (Bhatt, Agrawal, 2007). Ilgastiebės ir labai elastingos medžiagos (vaistažolės, žolių stiebai, šakniavaisiai) smulkinamos pjaustant (Novošinskas, 2012).
22
Mechaninio medžiagos apdorojimo tipas taipogi daro įtaką dalelių dydžiui bei geometriniai formai. (Balaz, 2008).
1.11 pav. Mechaninės apkrovos tipai naudojami smulkinant: A-1 gniuždymas; A-2 Trintis; A-3 Smūgis (daužant); A- 4 Smūgis (susidūrimas) (Bhatt, 2007).
Gniuždymas (suspaudimas) – metodas kurio metu medžiaga smulkinama pasitelkus slėgimo jėgą. Trintis (trupinimas) – šio proceso metu medžiaga taip pat veikiama išorinės apkrovos, bet darbiniai paviršiai juda vienas kito atžvilgiu sukeldami šlyties įtempimus medžiagoje, ko pasekmė medžiagos susmulkinimas. Smūgis (daužant, susidūrimas) –smūginė apkrova atsiranda kai dalelė būdama rimties būsenoje yra paveikiama tam tikro objekto, judančio dideliu greičiu arba kai dalelė dideliu greičiu trenkiasi į nejudamą paviršių. Kiekvieno atvejo metu dalelė susmulkinama į smulkesnes frakcijas. Paminėtina tai jog smūginės deformacijos pobūdžio smulkinimo metu gaunama daugiau smulkių frakcijų nei lyginant su gniuždymo deformacija (Bhatt, Agrawal, 2007). Veikiant išorinei apkrovai F, priklausomai nuo medžiagos smulkinimo būdo, medžiagoje atsiranda normaliniai ir tangentiniai įtempimai. Kai nors viename trapių medžiagų medžiagos taške, šie įtempimai viršija medžiagos stiprumo ribą σb, arba plastinių medžiagų – takumo ribą
σt, medžiaga suyra suformuodama naujus paviršius (Novošinskas, 2012).
1.4.3. Energijos poreikis ir dalelių dydis
Smulkinimas – imlus energijai procesas. Smulkinimo metu energija naudojama medžiagos molekulinės sankabos jėgoms , trinčiai mašinos detalėse ir kitur nugalėti . Smulkinimo metu tik 5% elektros energijos generuojamos galios sunaudojama kietųjų dalelių smulkinimui (Novašinskas, 2012; Balaz 2008). Smulkinimas naudojamas norint gauti atitinkamo dydžio ir formos daleles siekiant padidinti smulkinamos medžiagos skerspjūvio plotą, kuris įtakoją tokius procesus kaip cheminės reakcijos greitį, sorbciją, bendrą proceso našumą ir t.t. Smulkinimas ne
23 tik padidina medžiagos skerspjūvio plotą, bet tuo pačiu padidina santykinį medžiagos aktyviosios reakcijos plotą (Balaz, 2008). Šis reakcijos ploto padidėjimas labai didelis. Jei susmulkintume kubo formos dalelę į keturias vienodas dalis, tai tokios dalelės vienos kraštinės plotas prilygtų ¼ pradinės dalelės kraštinės ploto. Specifinis paviršiaus plotas padidėja n – kartų. Susmulkintų dalelių plotas padidėja n2 – kartų, o kampų skaičius išauga n3 – kartų (Balaz, 2008) (1.12 pav.).
1.12 pav. Smulkinimas. Paviršiaus ploto didėjimas (Novašinskas, 2012; Balaz 2008).
Smulkinimo metu sunaudojamos elektros energijos kiekiai yra daugiametė tyrimų tema ir tikslas. Šiuo klausimu ganėtinai daug literatūros ir atliktų tyrimų, tačiau paminėti vertą P.Ritingerio, Kirpičiovo ir Kiko bei Bondo teorijas. Smulkinimo energija nustatoma remiantis trimis pagrindinėmis smulkinimo teorijomis. Šios teorinės bei empirinės formulės ir buvo pasiūlytos P. Ritingerio, V. Kirpičiovo vėliau F. Kiko bei F. Bondo dar žinomos kaip „ Trys smulkinimo teorijos“ bei jų bendra formuluotė buvo pasiūlyta V. Valkerio (Novošinskas, 2012; Balaz, 2008). P. Ritingeris teigė jog energija reikalinga kietųjų kūnų smulkinimui yra tolygiai proporcinga šio proceso metu gautų dalelių paviršiaus plotui (Novašinskas, 2012; Balaz 2008; Bahatt, 2007).
1 1 E C R , (1.8) x2t x1t čia E – smulkinimui reikalinga energija, J;
CR – Ritengerio konstanta; 2 x1t – pradinis dalelės dydis, m ; 2 x2t – dalelės dydis po smulkinimo, m .
Tačiau P. Ritingerio teorija neatsižvelgia į energijos nuostolius atsirandančius dėl dalėlės plastinės deformacijos metu atsirandančių vidinių medžiagos įtempimų. Šiems įtempimams
24 nugalėti sunaudojami kelis kart didesni energijos kiekiai nei reikalingi naujo skerspjūvio ploto formavimui. Remiantis plastinės deformacijos analizės teorija, Kirpičiovas ir vėliau Kikas teigia jog energija reikalinga smulkinimui yra tiesiogiai proporcinga santykiui tarp smulkinamos masės tūrio ir smulkinimo metu gautų dalelių tūrio (Novošinskas, 2012; Balaz 2008; Bahatt, Agrawal, 2007). x 1 E CK ln , (1.9) x2
čia CK – Kripičiovo ir Kiko konstanta; 3 x1 ir x2 – dalelių tūris prieš ir po smulkinimo, m .
Pagrindinis šios teorijos trūkumas yra tai jog energija reikalinga 10 µm dydžio dalelę susmulkinti iki 1 µm dydžio dalelių yra tokio pat didumo kaip ir energija reikalinga 1 m rieduliui susmulkinti iki 10 cm blokų. Ši teorija nėra taikytina medžiagas smulkinant į labai smulkias frakcijas. Bondas pasiūlė daug praktiškesnę teoriją kurioje teigiama jog bendras energijos kiekis sunaudojimas smulkinimui yra atvirkščiai proporcingas šakniai ištraukai iš dalelių dydžio (Balaz 2008; Bahatt, Agrawal, 2007).
1 1 E C , (1.10) B x2 x1
čia CR – Bondo konstanta; 2 x1 – pradinis dalelės dydis, m ; 2 x2 – dalelės dydis po smulkinimo, m .
Akivaizdžiai matyti jog šios teorijos neįvertina dalelių frakcijų pasiskirstymo, neatsižvelgia į dalelių tarpusavio sąveiką bei neįvertina energijos sąnaudų plastinei deformacijai nugalėti smulkinant plastiškas medžiagas. Daug bandymų bei skaičiavimų buvo atliktą bandant apjungti visus tris minėtus atvejus. Prieita prie sprendimo jog visi trys atvejai gali būti naudojami kaip integralai bendros diferencialinės lygties (Jankovic ir kt., 2010; Bhatt, Agrawal, 2007). dE 1 C , (1.11) dx x N čia C – konstanta priklausomai nuo nagrinėjamo atvejo; N – koeficientas (Kiko-Kirpičevo N=1, Ritingerio N=2, Bondo N=1,5).
25
1.4.4. Faktoriai įtakojantys smulkinimą
Medžiagos forma neturi jokios įtakos smulkinimo procesui. Vieni pagrindinių faktorių įtakojantys smulkinimo proceso efektyvumą yra medžiagos kietumas, stiprumas bei drėgnis. Kietumas. Kietumas yra medžiagos paviršiaus savybė išlaikyti savo formą ir buvusius matmenis, nepakitusius veikiant išorinei apkrovai. Mineralų ir medžiagų kietumui apibūdinti sutartinai naudojama Moso skalė. Naudojantis, šia skale kietumas vertinamas nuo 1 iki 10 balų, kur 2 būtų apibūdinamas gipsas kaip trapus, o 10 būtų vertinamas deimantas. Medžiagoms virš 7 balų sunku padaryti įbrėžimą su labai aštriu daiktu (pvz. peiliu). Apibendrinat, kuo medžiaga kietesnė tuo ją sunkiau susmulkinti. Stiprumas. Stiprumas – medžiagos savybė atlaikyti išorines apkrovas nepakeičiant savo vientisumo. Medžiagos stiprumas kažkuriais atvejais yra daug svarbesnė savybė nei kietumas, minkšta bet stipri medžiaga gali kelti daugiau problemų ją smulkinant nei kieta ir biri. Drėgnis. Medžiagos drėgnis įtakoja daugelį veiksnių turinčių įtaką smulkinimo efektyvumui, tokius kaip kietumas, stiprumas ir t.t. Medžiagos sąlyginai turėtų būti sausos arba šlapios. Dažniausiai vandens kiekis medžiagoje turėtų būti mažesnis nei 5 proc. jei medžiaga malama sausuoju būdu ir daugiau nei 50% jei malama šlapiuoju. (Bahatt, Agrawal 2007).
26
2. EKSPERIMENTINIAI TYRIMAI
2.1. Tyrimo tikslas ir uždaviniai
Tyrimo tikslas: Nustatyti trupinamų kukurūzų grudų frakcijų kiekio pasiskirstymo priklausomybę nuo atstumo tarp valcų. Išsikelti tokie tyrimo uždaviniai: 1. Nustatyti fizinius ir geometrinius kukurūzų grūdų rodiklius (ilgį, plotį, aukštį bei drėgnį). 2. Sutrupinti kukurūzų grūdus prie skirtingų diskinių valcų trupintuvo-traiškytuvo valcų atstumų, keičiant juos 0,5 mm žingsniu. 3. Gautą sutrupintą frakcijų kiekį, prie skirtingų nustatymų, suskirstyti į skirtingo dydžio frakcijas naudojant skirtingo dydžio sietus. Gautas frakcijas pasverti. 4. Apdoroti gautus duomenis statistinės analizės metodais ir pateikti išvadas.
2.2. Tyrimo objektas
Tyrimo objektas – tai diskinių valcų trupintuvas-traiškytuvas (2.1 pav.), kurio našumas iki 15 t/h. Tokio didelio našumo trupintuvai naudojami pramoninėje gamyboje. Valcai – apvalūs, -1 dantyti, juos suka du 15 kW varikliai 6, jų sukimosi dažnis yra vienodas – ns = 4000 min . Sukamasis judesys perduodamas diržine perdavą 7. Trupintuvą-traiškytuvą sudaro keturi valcai 1, dvi poros – pakopos.
2.1 pav. Trupinimo-traiškymo įrenginys „Mega Cracker“ principinė schema: 1 – diskinis volas; 2 – skriemulys; 3 – užkrovimo anga; 4 – padavimo sklendė; 5 – padavimo srauto reguliavimo sklendės; 6 – elektros variklis; 7 – trapeciniai diržai (3 vnt.); 8 – nukrovimo anga; 9 – trupintuvo 27 rėmo konstrukcija; 10 – trapeciniai diržai (3 vnt.); 11 – saugiklių ir jungiklių blokas; 12 – apsauga.
Minimalus pirmosios pakopos valcų atstumas 1,5 mm, o maksimalus nebuvo nustatinėjamas. Antrosios pakopos valcų atstumas 3,7 mm, bet bandymai buvo atliekami su baziniu 4 mm valcų atstumu. Užkrovimo angos tūris 50 litrų. Laisvojo byrėjimo angos 5 plotis gali būti keičiamas sklendėmis nuo 0 mm iki 100 mm, angos ilgis – 900 mm. Diskinių valcų skersmuo d=200 mm. Valcų ilgis 900 mm (2.2 pav.).
2.2 pav. Trupinimo-traiškymo įrenginys „Mega cracker“: a - (I – pirma volų pakopa; II – antra volų pakopa; III padavimo anga). b - diskiniai valcai.
2.3. Tyrimo metodika
Kukurūzų grūdų masė buvo išvalyta sietu (2.3 pav.), kurio skylių skersmuo ds = 35 mm. Su šiuo sietu rankiniu būdu buvo atskiriamos įvairios stambios priemaišos, tokios kaip kukurūzų burbuolių liekanos bei burbuolių plaušelių priemaišos. Stambios priemaišos sudarė 3,42% ±1,1% kukurūzų masės.
28
2.3 pav. Sietas su apvaliomis skylutėmis (sieto matmenys: 450x400x10).
Atlikus pirminį sijojimą – valymą, kukurūzų grūdai susveriami. Grūdai buvo sveriami svarstyklėmis (2.4 pav.), kurių maksimalus sveriamos masės dydis 60 kg ± 0,02 g., o minimalus 400 g ± 20 g. Gautas masės kiekis buvo dalinamas iš atliekamų bandymų skaičiaus (8 bandymai su skirtingais atstumais tarp valcų) tokiu būdu nustatoma vienkartinė paduodamų kukurūzų grūdų masė, kuri kito nuo 25 kg iki 35 kg. Vidutinis paduodamos kukurūzų masės dydis buvo 9,5 kg.s-1.
. 2.4 pav. Elektroninės svarstyklės ,,CAS DB-1H“.
Prieš pradedant bandymus iš bendros kukurūzų grūdų masės buvo paimtas 10 kg mėginys dar kartą nustatyti procentinę grūdų priemaišų dalį. Priemaišomis (šiukšlėmis) buvo laikomi grūdai pažeisti pelėsio, sužaloti bei kitos įvairios priemaišos. Priemaišos buvo atrenkamos rankomis. Iš šitų išvalytų grūdų buvo paimti penki ėminiai grūdų drėgniui nustatyti. Kukurūzų grūdų drėgnis nustatomas remiantis standarto LST 1530:2004 reikalavimais. Paimti ėminiai buvo patalpinami į džiovinimo spintą „Memmert“ Model 100-800 (Memmert GmbH, Vokietija) ir
29 laikomi 24 val. Drėgniui nustatymui ėminys džiovinamas 105°C temperatūroje. Grūdų drėgnis apskaičiuojamas pagal šia formulę (Balandis, 2007)
mv wg 100 , (2.1) mdk
čia wg – grūdų drėgnis, %;
mv – vandens masė, kg;
mdk – drėgnų kukurūzų masė, kg.
Nustatant grūdų geometrinius rodiklius buvo išmatuota 350 grūdų imtis. Matuojami dydžiai buvo grūdų ilgis, plotis ir storis. Matavimai atlikti slankmačiu M07042 kurio sisteminė paklaida ±0,02 mm, o padalos vertė 0,1 mm. Paėmus visus reikiamus ėminius, trupinimui paruošta kukurūzų grūdų masė buvo supilama į padavimo angą ( 2.1 pav., 3). Paeiliui vienas po kito paleidžiami abu 15 kW varikliai. Varikliams pasiekus darbinį greitį ir nusistovėjus apsisukimams, maksimaliai praveriama sklendė (2.1 pav., 4) ir trupinimui paruošta masė pro padavimo angą buvo tiekiama į trupintuvą. Masė buvo sutrupinama per 9-11 sekundžių, priklausomai nuo valcų atstumų nustatymų. Padavimo angos dydis buvo nustatytas priartėjimo būdu, t.y. pradedama nuo didžiausio tarpo 36 mm ir baigiama mažiausiu 0 mm. Po kiekvieno trupinimo paimami gautų sutrupintų grūdų ėminiai, kurių masė 0,5 kg. Gautos frakcijos (2.4 pav.) prie atskirų valcų nustatymų buvo suskirstomos į atskiro dydžio frakcijas naudojant sietus Frakcijų atskyrimui buvo naudojami penki sietai: 3,5 mm; 3 mm; 2,4 mm; 2 mm; 1 mm. Iš viso gautos šešios frakcijos. Frakcijos: 1- didesnės nei 3,5 mm; 2 – nuo 3,5 iki 3,25 mm; 3 – nuo 3,25 iki 2,8 mm; 4 – nuo 2,8 iki 2 mm; 5 – nuo 2 iki 1 mm; 6 – mažesnės nei 1 mm.
2.5 pav. Frakcijos. Kairėje nuo 2 mm iki 2,4 mm dydžio frakcijos, dešinėje didesnės nei 3,5 mm.
30
Gautos frakcijos pasveriamos elektroninėmis svarstyklėmis „SCALTEC SPO 51“ maksimali apkrova 310±0,01 g. Kiekvieno ėminio frakcijų atskyrimas pakartojamas 3 kartus. Frakcijų ėminio masė 0,18 kg. Didžiausios frakcijos (>3,5 mm) buvo vizualiai vertinamos ir nustatomas jų sužalojimas. Nesužalotų grūdų nebuvo pastebėta, todėl nevertintas jų procentinis dydis frakcijoje. Trupintuvo-traiškytuvo diskiniams valcams sukti, reikalinga aktyvioji galia, matuota elektros energijos tinklo analizavimo prietaisu ME-MI2492 („Metrel“) (2.6 pav.). Prietaiso matavimo ribos 0÷150 kW, padalos vertė – 0,1 kW, galios matavimo paklaida – ±3% nuo nustatytos reikšmės.
2.6 pav. Trijų fazių elektros energijos tinklo analizatoriaus „Metrel“ bendras vaizdas (a) ir jungimo schema (b): 1 – nulinis laidas, 2 – trijų fazių srovės matavimo laidai; 3 – trijų fazių įtampos matavimo laidai; 4 – trijų fazių elektros energijos tinklo analizatorius.
Pagal analizatoriaus užfiksuojamus duomenis buvo nustatyta trupinimo trukmė. Pagal trupinimui supiltą grūdų masės kiekį ir laiką paskaičiuojamas paduodamas masės kiekis kg.s-1
31
3. TYRIMO REZULTATAI
3.1. Grūdų drėgnis
Grūdų drėgnis buvo nustatomas prieš kiekvieną bandymą. Bandymai buvo atliekami šaltuoju metu laikotarpiu. Nustatytas vidutinis grūdų drėgnis bandymo laikotarpiu wg = 36% .Grūdų drėgnio duomenys pateikti 3.1- 3.3 lentelėse. 3.1 lentelė. Grūdų drėgnio skaičiavimo duomenys 2013 m. gruodžio 7d.
Pilno indelio masė Pilno indelio masė Tusčio indelio Dregnų grudų Sausų grudų Sntykinis Data 2013.12.07 drėgnų grūdų, g sausų grūdų, g masė, g masė, g masė, g drėgnis, % 1 65,39 52,83 19,08 46,31 33,75 37,21 2 64,80 52,55 19,92 44,88 32,63 37,54 Ėminio 3 58,90 46,75 14,61 44,29 32,14 37,80 Nr. 4 57,80 45,55 13,46 44,34 32,09 38,17 5 56,89 44,97 13,71 43,18 31,26 38,13 Aritmetinis vidurkis 60,76 48,53 - 44,60 32,37 37,77 Aatskiro matavimo standarinis nuokrypis 4,03 3,85 - 1,14 0,91 0,40 Vidurkio standartinis nuokrypis 1,80 1,72 - 0,51 0,41 0,18 Pasikliauties intervalas 5,00 4,78 - 1,41 1,13 0,50
3.2 lentelė. Grūdų drėgnio skaičiavimo duomenys 2013 m. gruodžio 15 d.
Pilno indelio masė Pilno indelio masė Tusčio indelio Dregnų grudų Sausų grudų Sntykinis Data 2013.12.15 drėgnų grūdų, g sausų grūdų, g masė, g masė, g masė, g drėgnis, % 1 56,61 46,53 19,9 36,71 26,63 37,85 2 53,62 43,09 14,56 39,06 28,53 36,91 Ėminio 3 55,33 44,46 15,08 40,25 29,38 37,00 Nr. 4 50,39 40,59 13,92 36,47 26,67 36,75 5 53,68 43 13,68 40 29,32 36,43 Aritmetinis vidurkis 53,93 43,53 - 38,50 28,11 36,99 Aatskiro matavimo standarinis nuokrypis 2,34 2,18 - 1,80 1,37 0,53 Vidurkio standartinis nuokrypis 1,04 0,97 - 0,80 0,61 0,24 Pasikliauties intervalas 2,90 2,70 - 2,23 1,70 0,66
3.3 lentelė. Grūdų drėgnio skaičiavimo duomenys 2014 m. sausio 19 d. Pilno indelio masė Pilno indelio masė Tusčio indelio Dregnų grudų Sausų grudų Sntykinis Data 2014.01.19 drėgnų grūdų, g sausų grūdų, g masė, g masė, g masė, g drėgnis, % 1 50,2 41,39 14,7 35,5 26,69 33,01 2 48,9 40,1 14 34,9 26,1 33,72 Ėminio 3 52,3 42,98 14,6 37,7 28,38 32,84 Nr. 4 52,4 42,9 15,1 37,3 27,8 34,17 5 47,9 39,56 13,9 34 25,66 32,50 Aritmetinis vidurkis 50,34 41,39 - 35,88 26,93 33,25 Aatskiro matavimo standarinis nuokrypis 2,01 1,57 - 1,58 1,14 0,68 Vidurkio standartinis nuokrypis 0,90 0,70 - 0,71 0,51 0,30 Pasikliauties intervalas 2,49 1,95 - 1,96 1,42 0,85
32
Gruodžio 7 d. atlikti bandymai su grūdais kurių drėgnis buvo w1 = 37,77±0,5%. Gruodžio 15 d. atlikti bandymai su grūdais kurių drėgnis buvo wg2 = 36,99±0,66%. Sausio 19 d. atlikti bandymai su grūdais kurių drėgnis buvo wg3 = 33,25±0,85%. Tyrimais nustatyta jog grūdų drėgnis kito einant laikui (3.1 pav). Tam turėjo įtakos neįprastai šiltas oras gruodžio mėnesį bei sausio pradžioje (LHM, 2014).
40 37,77 38 36,99
36 % 2013.12.07 34 33,25 2013.12.15
Drėgnis, 32 2014.01.19 30
28 1 bandymas 2 bandymas 3 bandymas
3.1 pav. Grūdų santykinio drėgnio diagrama.
Grūdų drėgnis apskaičiuotas naudojant 2.1 formulę.
3.2. Grūdų priemaišos
Nors prieš malant kukurūzus buvo atliktas grūdų valymas stambiu sietu (2.3 pav.), smulkios priemaišos liko neatskirtos. Atskyrus priemaišas prieš malimą nustatyta jog jos sudarė vidutiniškai 10±0,9 % (3.2 pav).
10%
Švarūs grūdai Priemaišos
90%
3.2 pav. Priemaišų procentinė dalis kukurūzų grūduose.
Bandymai buvo atliekami su 10 proc. priemaišų kiekiu ir visi gauti rezultatai pateikti neatmetus procentinės priemaišų dalies.
33
3.3. Grūdų geometriniai rodikliai
Išmatavus 350 grūdų imtį pasinaudojant statistinį duomenų apdorojimo būdą nustatyta jog vidutinis grūdo ilgis lygus 10±0,09 mm, plotis 8±0,08, o storis 4±0,06 mm (3.3 pav). Statistinių rodiklių suvestinė 3.4 lentelėje.
12 10,0±0,09 10 8,0±0,08 8
6 4,0±0,06 4
2
0 Ilgis Plotis Storis
3.3 pav. Grūdų geometrinių matmenų vidutiniai matmenys.
Iš gautų rezultatų matyti jog grūdai sąlyginai maži. Tokio tipo kukurūzų grūdai daugiausia naudojami pašarui.
3.4 lentelė. Grūdų statistiniai duomenys. Ilgis Plotis Storis Aritmetinis vidurkis 10,0 8,0 4,0 Standartinis matavimo 0,84 0,71 0,60 nuokrypis Standartinis vidurkio nuokrypis 0,05 0,04 0,03 Stjudento koeficientas 1,97 1,97 1,97 Pasikliauties intervalas 0,09 0,08 0,06 Aritmetinis vidurkis ir 10±0,09 8±0,08 4±0,06 pasikliauties intervalas
Atlikus statistinę grūdų matmenų skirstymą į ilgio (3.4 pav.), pločio (3.5 pav.) bei storio (3.6 pav.) klases matyti jog didžiąją dalį grūdų imties sudarė tie kurie pateko į 9,38÷9,82 mm, 9,83÷10,28 mm bei 10,29÷10,73 mm ilgio klases. Šių ilgio klasių kukurūzų grūdai sudarė atitinkamai 18%, 21,14% bei 21,14 % (3.5 lentelė). Bendras šių klasių kukurūzų grūdų skaičius n = 198 vnt. Tokio ilgio grūdai sudarė beveik 2/3 visos grūdų imties.
34
3.4 pav. Kukurūzų grūdų ilgio klasių histograma.
Suskirsčius gautus duomenis į pločio klases matyti jog didžiąją dalį sudarė grūdai kurie pateko į 7,41÷7,83 mm, 7,84÷8,27 mm bei 8,27÷8,77 mm pločio klases. Šių ilgio klasių kukurūzų grūdai sudarė atitinkamai 22%, 22,86% bei 20,29 % (3.6 lentelė). Bendras šių klasių kukurūzų grūdų skaičius n = 228 vnt. Tokio pločio grūdai sudarė daugiau nei 2/3 visos grūdų imties.
3.5 pav. Kukurūzų grūdų pločio klasių histograma.
Nustatyta jog didžiąją dalį grūdų sudarė kurie pateko į 3,32÷3,72 mm, 3,73÷4,13 mm bei 4,14÷4,54 mm storio klases. Tokio storio kukurūzų grūdai sudarė atitinkamai 26%, 35,71% bei 35
16,57 % (3.7 lentelė). Bendras šių klasių kukurūzų grūdų skaičius n = 274 vnt. Tokio pločio grūdai sudarė daugiau nei 2/3 visos grūdų imties.
3.6 pav. Kukurūzų grūdų storio klasių histograma.
Išmatuota 350 grūdų imtis į klases buvo suskirstyta pasitelkiant Sturgeso formulę (Jasinskas ir kt., 2010). k 3,32 lg(n) 1, (3.1) čia k – klasių skaičius, vnt.
Klasės intervalas l nustatomas pasinaudojus tokia formulę (Jasinskas, 2010): x x l max min , (3.2) k čia l – intervalo ilgis mm;
xmax – maksimalus grūdo matmuo, mm;
xmin – minimalus grūdo matmuo, mm.
36
3.5 lentelė. Kukurūzų grūdų ilgio klasių bei statistinių duomenų suvestinė. Ilgio Grūdų Grūdų Grūdų Grūdų Vidurkio Vidurkio Normaliojo skaičius procentas Stjudento Tikėtinas grūdų Statistika Klasės matmens standartinis standartinis pasikliauties Vidurkis ir skirsnio dėsnio Intervalas j-ojoje j-ojoje koeficientas skaičius j-tojoje T Nr. vidurkis, nuokrypis nuokrypis sj, intervalas, pasikliautis funkcijos reikšmė klasėje klasėje t klasėje nj, vnt. arba χ xj , mm σj, mm mm mm f(zj) nj, vnt nj, % 1 8÷8,46 12 3,43 8,22 0,13 0,04 2,20 0,08 8,22±0,08 0,04 7,57 2,59 2 8,47÷8,91 28 8,00 8,70 0,16 0,03 2,05 0,06 8,65±0,06 0,12 21,97 1,66 3 8,92÷9,37 40 11,43 9,16 0,10 0,02 2,02 0,03 9,13±0,03 0,24 44,60 0,47 4 9,38÷9,82 63 18,00 9,63 0,14 0,02 2,00 0,03 9,55±0,03 0,36 67,68 0,32 5 9,83÷10,28 61 17,43 10,07 0,12 0,01 2,00 0,03 9,93±0,03 0,40 75,31 2,72 6 10,29÷10,73 74 21,14 10,48 0,12 0,01 1,99 0,03 10,40±0,03 0,34 65,04 1,23 7 10,74÷11,19 43 12,29 10,93 0,12 0,02 2,02 0,04 10,84±0,04 0,22 42,37 0,01 8 11,2÷11,64 22 6,29 11,36 0,13 0,03 2,08 0,06 11,27±0,06 0,11 21,38 0,02 9 11,65÷12,10 7 2,00 11,87 0,14 0,05 2,45 0,13 11,84±0,13 0,04 6,85 0,00 Iš viso: 350 100 ------352,77 9,02
3.6 lentelė. Kukurūzų grūdų pločio klasių bei statistinių duomenų suvestinė. Pločio Grūdų Grūdų Grūdų Grūdų Vidurkio Vidurkio Normaliojo skaičius procentas Stjudento Tikėtinas grūdų Statistika Klasės matmens standartinis standartinis pasikliauties Vidurkis ir skirsnio dėsnio Intervalas j-ojoje j-ojoje koeficientas skaičius j-tojoje T Nr. vidurkis, nuokrypis nuokrypis sj, intervalas, pasikliautis funkcijos reikšmė klasėje klasėje t klasėje nj, vnt. arba χ xj , mm σj, mm mm mm f(zj) nj, vnt nj, % 1 6,1÷6,53 8 2,29 6,36 0,18 0,06 2,36 0,15 6,36±0,15 0,03 6,83 0,20 2 6,54÷6,97 15 4,29 6,81 0,12 0,03 2,14 0,06 6,81±0,06 0,11 22,72 2,62 3 6,98÷7,40 47 13,43 7,13 0,10 0,02 2,01 0,03 7,14±0,03 0,20 43,00 0,37 4 7,41÷7,83 77 22,00 7,58 0,14 0,02 1,99 0,03 7,52±0,02 0,35 73,40 0,18 5 7,84÷8,27 80 22,86 8,04 0,12 0,01 1,99 0,03 7,93±0,02 0,40 84,20 0,21 6 8,27÷8,70 71 20,29 8,44 0,12 0,01 1,99 0,03 8,33±0,02 0,32 67,98 0,13 7 8,71÷9,13 36 10,29 8,91 0,09 0,02 2,03 0,03 8,76±0,04 0,17 35,48 0,01 8 9,14÷9,57 9 2,57 9,36 0,09 0,03 2,31 0,07 9,09±0,07 0,06 12,78 1,12 9 9,58÷10,00 7 2,00 9,77 0,14 0,05 2,45 0,13 9,63±0,13 0,02 3,48 3,57 Iš viso: 350 100 ------349,87 8,40
37
3.7 lentelė. Kukurūzų grūdų storio klasių bei statistinių duomenų suvestinė. Storio Grūdų Grūdų Grūdų Grūdų Vidurkio Vidurkio Normaliojo skaičius procentas Stjudento Tikėtinas grūdų Statistika Klasės matmens standartinis standartinis pasikliauties Vidurkis ir skirsnio dėsnio Intervalas j-ojoje j-ojoje koeficientas skaičius j-tojoje T Nr. vidurkis, nuokrypis nuokrypis sj, intervalas, pasikliautis funkcijos reikšmė klasėje klasėje t klasėje nj, vnt. arba χ xj , mm σj, mm mm mm f(zj) nj, vnt nj, % 1 2,9÷3,31 20 5,71 3,20 0,11 0,02 2,09 0,05 8,22±0,08 0,1453319 35,09 6,49 2 3,32÷3,72 91 26,00 3,53 0,07 0,01 1,99 0,02 8,65±0,06 0,2741817 66,20 9,29 3 3,73÷4,13 125 35,71 3,94 0,10 0,01 1,98 0,02 9,13±0,04 0,3926737 94,82 9,61 4 4,14÷4,54 58 16,57 4,36 0,09 0,01 2,00 0,02 9,55±0,03 0,3489649 84,26 8,18 5 4,55÷4,96 29 8,29 4,75 0,09 0,02 2,05 0,03 9,93±0,03 0,1995530 48,18 7,64 6 4,97÷5,37 11 3,14 5,13 0,06 0,02 2,23 0,04 10,40±0,03 0,0771090 18,62 3,12 7 5,38÷5,78 10 2,86 5,54 0,08 0,02 2,26 0,06 10,84±0,03 0,0172815 4,17 8,14 8 5,79÷6,19 4 1,14 5,88 0,10 0,05 3,18 0,16 11,27±0,06 0,0036075 0,87 11,24 9 6,2÷6,60 2 0,57 6,45 0,05 0,03 12,71 0,42 11,84±0,08 0,0001173 0,03 137,21 Iš viso: 350,0 100,0 ------352,25 200,92
Tikėtinas grūdų skaičius j-oje klasėje gautas pasinaudojant Gauso skirstinio dėsnio funkcija (Jasinskas, 2010):
2 z j 2 1 f z j e , (3.3) 2
čia zj – Laplaso funkcijos argumentas. x x z j , mm; (3.4) j
čia x j - j-osio klasės grūdų matmens vidurkis, mm; σ – kiekvieno atskiro pamatavimo standartinis nuokrypis, mm.
38
3.4. Grūdų frakcijų pasiskirstymas
3.4.1. Bandymai kai I pakopos valcų atstumas li pastovus o II pakopos kinta
Pirmas bandymas. Kiekvieno bandymo prie skirtingų valcų atstumų buvo imamas 700 ±45,6 g ėminys iš kurio buvo paimtos trys, vidutiniškai 180±0,4 g, imtys ir atliekamas frakcijų atskyrimas. Bandymas buvo atliktas 2013 m. gruodžio 7 d. Grūdų drėgnis buvo wg1 =
37,77±0,5%. Trupinimui paduodama grūdų masė buvo mg1 = 25 kg. Vidutinis sutrupinimo laikas . -1 t1 = 10,25±0,69 s. Vidutinis grudų tiekimas buvo p1 = 2,4±0,17 kg s . Bandymo metu buvo keičiamas II pakopos (2.1 pav.) valcų lII atstumas nuo 1,5 iki 3 mm. Atlikus frakcijų suskirstymą ir duomenis apdorojus statistinės analizės metodais matyti frakcijos, didesnės nei 3,5 mm, staigus procentinio kiekio augimas (3.7 pav). Esant I pakopos valcų atstumui lI = 4 mm, o II pakopos lII = 3 mm, bendras frakcijos didesnės nei 3,5 mm kiekis sudaro n3,5 = 30,3 proc. bendros imties masės, tai yra beveik 1/3 imties masės.
30
2
n = 2,8l - 2,5l + 11,5 %
R² = 0,95
n, 25
n = -3,3l2 + 11,9l + 17,5 kiekis R² = 0,84 20
n = 0,5l2 - 6,8l + 30,3 R² = 0,99 15
n = 1,7l2 - 12,9l + 33,8 daleliu masės daleliu R² = 0,97 n = -1,4l2 + 7,1l + 2,9 10 R² = 0,97
Frakcijos n = -0,4l2 + 2,8l + 4,9 R² = 0,99 5 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25 II pakopos valcų atstumas l, mm >3,5 mm Nuo 3,5 iki 3,25 mm Nuo 3,25 iki 2,8 mm Nuo 2,8 iki 2 mm Nuo 2 iki 1 mm 1 mm >
3.7 pav. Grūdų frakcijų kiekio pasiskirstymas esant I pakopos valcų atstumui pastoviam (lII = 4 mm) kai drėgnis wg = 37,77±0,5%.
Iš gauto grafiko matyti jog frakcijos kurių dydis svyruoja nuo 1 mm iki 2 mm ir frakcijos mažesnės nei 1 mm turi tendenciją mažėti. Didinant I pakopos atstumą frakcijų procentinė dalis tolygiai mažėja. Frakcijos, kurių dydis kinta nuo 1 iki 2 mm, pirmo bandymo metu kai I pakopos valcų atstumas lI = 4 mm, o II pakopos lII = 1,5 mm sudarė n1-2 = 21,32 % bendros imties masės, 39 o paskutinio bandymo metu kai I pakopos valcų atstumas lI = 4 mm, o II pakopos lII = 3 bendroji procentinė imties dalis siekė tik n1-2 = 14,37 %. Šios frakcijos kiekis sumažėjo trečdaliu. Stambiausių frakcijų, kurių dydis 2,8 mm ir kinta iki 3,5 mm, kiekio padidėjimas tolygus ir nežymus. Frakcijos kurių dydis kinta nuo 2 iki 2,8 mm procentinės imties kiekio dalies kitimas išlieka tolygus keičiant valcų II pakopos atstumą nuo lII = 1,5 iki lII = 2,5 mm ir sudaro didžiąją dalį frakcijų. Nustačius II pakopos atstumą lII = 3 mm, frakcijų nuo 2 iki 2,8 mm kiekis įgauna tendenciją staigiai mažėti. Esant I pakopos valcų atstumui lI = 4 mm, o II pakopos lII = 3 mm, bendras frakcijos nuo 2 iki 2,8 mm kiekis sudaro n2-2,8 = 23,4 %.
Antras bandymas. Bandymas buvo atliktas 2013 m. gruodžio 14 d. Grūdų drėgnis buvo wg2
= 36,99±0,66%. Trupinimui paduodama grūdų masė buvo 35 kg. Vidutinis sutrupinimo laikas t2 . -1 = 11,5±0,42 s. Vidutinis grūdų tiekimas buvo p2 = 2,9±0,11 kg s . Šių bandymu metu nustatyta frakcijų procentinės dalies didėjimo ir mažėjimo tendencija vienoda (3.8 pav.). Bandymo metu buvo keičiamas II pakopos (2.1 pav.) valcų atstumas lII nuo 1,5 iki 3 mm.
35
n = 3,4l2 + 0,01l - 0,5 , % ,
n R² = 0,99 30 n = -2,9l2 + 6,9l + 30,1
R² = 0,98 kiekis kiekis
25 n = 4,4l2 - 26,7l + 56,1 R² = 0,99 20 n = -2,4l2 + 13,3l - 6,8 R² = 0,99
dalelių masės dalelių 15
n = 0,4x2 - 8,5l + 31,2 10 R² = 0,99 n = -2,8l2 + 14,9x - 10,04 Frakcijos R² = 0,95 5 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25 II pakopos valcų atstumas l, mm >3,5 mm Nuo 3,5 iki 3,25 mm Nuo 3,25 iki 2,8 mm Nuo 2,8 iki 2 mm Nuo 2 iki 1 mm 1 mm >
3.8 pav. Grūdų frakcijų kiekio pasiskirstymas esant I pakopos valcų atstumui pastoviam (lII = 4 mm) kai wg = 36,99±0,66%.
Atlikus duomenų statistinį apdorojimą pastebėta jog padidinus paduodamą masę ir pailgėjus sutrupinimo laikui frakcijų didesnių nei 3,5 mm procentinė dalis, esant II p-os valcų atstumas lII
= 1,5, o I p-os lI = 4mm, ženkliai pasikeitė. Pirmo bandymu metu n<3,5 = 13,6%, o antro bandymo metu n<3,5 =7,3%. Ženkliai kito ir frakcijos kurių dydis kinta nuo 2 iki 2,8 mm. Šios frakcijos dalelių kiekis pirmo bandymo metu buvo n2-2,8 =28,23%, o antro bandymo metu n2-2,8 =34,25%. Stambiausių frakcijų, kurių dydis 2,8 mm ir kinta iki 3,5 mm, kiekio sumažėjimas nežymus lyginant su pirmu bandymu. 40
Trečias bandymas. Bandymas buvo atliktas 2014 m. sausio 19 d. Grūdų drėgnis buvo wg3 =
33,25±0,85%. Trupinimui paduodama grūdų masė buvo mg3 =35 kg. Vidutinis sutrupinimo . -1 laikas t3 = 8±1,12 s. Vidutinis grūdų padavimas buvo p3 = 3,18±0,62 kg s . Šių bandymu metu nustatyta frakcijų procentinės dalies didėjimo ir mažėjimo tendencija beveik nesiskiria nuo pirmo bandymo metu gautų duomenų (3.9 pav.). Bandymo metu buvo keičiamas II pakopos (2.1 pav.) valcų atstumas lII nuo 1,5 iki 3 mm.
36,00
31,00
n = -1,6l2 + 5,4l + 25,6
, % ,
R² = 0,5
n 26,00 n = 4,4l2 - 6,1l + 2,4 R² = 0,94 21,00 kiekis n = 4,7l2 - 30,8l + 65,6 16,00 R² = 0,99
2 masės
n = 0,8l - 13,7l + 44,9
ų R² = 0,98 11,00
n= -5,5l2 + 27,7l - 23,5 daleli R² = 0,98 ų 6,00 n = -2,7l2 + 17l - 16,5 R² = 0,98 1,00
Frakcij 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25 II pakopos valcų atstumas l, mm >3,5 mm Nuo 3,5 iki 3,25 mm Nuo 3,25 iki 2,8 mm Nuo 2,8 iki 2 mm Nuo 2 iki 1 mm 1 mm > 3.9 pav. Grūdų frakcijų kiekio n pasiskirstymas esant I pakopos valcų atstumui pastoviam (lII = 4 mm) kai wg = 33,25±0,85%.
Nustatytas ženklus frakcijų kiekio n pasiskirstymas. Bandymas buvo atliktas po ilgesnio laiko tarpo per kurį bandymui naudojami grūdai išdžiūvo. Grūdų drėgniui esant wg3 = 33,25 %, o
II pakopos atstumui lII = 1,5, frakcijų mažesnių nei 1 mm ir frakcijų ne didesnių kaip 2,8 mm sudarė didžiąją dalį frakcijų imties kiekio. Atitinkamai frakcijų kiekis n2-2,8 = 30,63 %, n1-2 =
29,69 %, bei n<1 = 26,66 %. Nors smulkiųjų frakcijų kiekis dar daugiau išaugo sumažėjus drėgniui, bet lyginant frakcijų kurių dydis kinta nuo 2 iki 2,8 mm trečio bandymo procentinę išraišką su antro bandymo, matyti nežymus sumažėjimas. Atitinkamai frakcijos antro bandymo n2-2,8 = 34,25 % ir trečio bandymo n2-2,8 = 30,63 %. Iš grafiko matyti ryškus smulkių frakcijų, mažesnių nei 1 mm ir ne didesnių už 2,8 mm bei frakcijų didesnių nei 2,8 mm, pasiskirstymas.
41
3.4.2. Bandymai kai II pakopos valcų atstumas li pastovus o I pakopos kinta
Pirmas ir antras bandymas. Pirmas bandymas buvo atliktas 2013 m. gruodžio 7 d. Grūdų drėgnis buvo. Trupinimui paduodama grūdų masė buvo mg1 = 25 kg. Vidutinis sutrupinimo . -1 laikas t = 10,25±0,69 s. Vidutinis grūdų padavimas buvo p1 = 2,4±0,17 kg s .
Antras bandymas buvo atliktas 2013 m. gruodžio 14 d. Grūdų drėgnis buvo wg2 =
36,99±0,66%. Trupinimui paduodama grūdų masė buvo mg2 = 35 kg. Vidutinis sutrupinimo . -1 laikas t2 =11,5±0,42 s. Vidutinis grudų padavimas buvo p2 = 2,9±0,11 kg s .
Bandymų metu buvo keičiamas I pakopos (2.1 pav.) valcų atstumas lI nuo 4,5 iki 6 mm. . -1 Nors antro bandymu metu būta didesnio padavimo kiekio p1 = 2,9±0,11 kg s , tai neturėjo ženklios įtakos rezultatams, todėl analizei pateiktas tik 2 bandymo grafikas (3.10 pav.).
35
n = 0,1l2 - 1,8l + 39,5
30 R² = 0,18 n = -0,4l2 + 3,8l + 14,8 R² = 0,09 25 n = 1,6l2 - 18,5l + 70,7 R² = 0,2 20 n = 1,2l2 - 12,1l + 40,1 R² = 0,5 15 n = -1,5l2+ 16,5l - 37,3 R² = 0,3 10
n = -1,07l2 + 12,17l - 27,8 Frakcijos kiekis procentais n, % n, procentais kiekis Frakcijos R² = 0,83 5 4,25 4,5 4,75 5 5,25 5,5 5,75 6 6,25 I pakopos valcų atstumas l, mm >3,5 mm Nuo 3,5 iki 3,25 mm Nuo 3,25 iki 2,8 mm Nuo 2,8 iki 2 mm Nuo 2 iki 1 mm 1 mm > 3.10 pav. Grūdų frakcijų kiekio n pasiskirstymas esant I pakopos valcų atstumui pastoviam (lI = 1,5 mm) kai wg = 36,99±0,66%.
Iš grafiko matyti jog frakcijų kitimo tendencijos yra tolygios. Vyraujanti frakcija yra nuo 2 iki 2,8 mm dydžio dalelės.
42
3.5 Statistiškai patikimas skirtumas
Statistinio duomenų apdorojimo metu nustatyta mažiausia patikimo skirtumo riba pasitelkiant Stjudento statistikos T testu (Jasinskas, 2010). Mažiausio statistinio skirtumo ribą nustatoma frakcijoms didesnėms nei 3,5 mm pirmo ir trečio bandymo metu. Šio dydžio frakcijų kiekio kitimas didžiausias. Atlikus skaičiavimus nustatyta jog tarp pirmo bandymo duomenų yra esminis skirtumas kai skirtingas II pakopos valcų atstumas išskyrus frakcijų kiekį kai II pakopos valcų atstumas lII kinta nuo 2 iki 2,5 mm, o drėgnis yra ωg1=37,77±0,5% esant mažiausiai skirtumo ribai R0,05(1) = 3,14 %. Tarp trečio bandymo duomenų tai pat yra statistiškai patikimas esminis skirtumas esant mažiausiai skirtumo ribai R0,05(3) = 2,97 % (3.11 pav.).
3.11 pav. Frakcijų didesnių nei 3,5 mm kiekis 1 bandymo metu kai drėgnis ω = 37,77±0,5% ir 2 bandymo metu kai drėgnis ω = 33,25±0,88%. Tarp tokia pat raide a pažymėtų stulpelių nėra statistiškai patikimo skirtumo.
Lyginant pirmo ir trečio bandymo duomenis tarpusavyje kai skirtingas drėgnis ω, bet valcų atstumas l tas pats, vyrauja statistiškai patikimas esminis skirtumas esant mažiausiai skirtumo ribai R0,05(1ir3) = 3,14 %.
43
Atlikus bandymus iš gautų duomenų nustatyta vyraujanti frakcija nuo 2 iki 2,8 mm. Ši frakcija, bandymo metu dažniausiai sudarydavo didžiausią procentinę imties kiekio dalį. Šio dydžio frakcijos procentinė dalis turėjo tendencija kisti mažiausiai. Atlikus skaičiavimus nustatyta jog tarp pirmo bandymo duomenų yra esminis skirtumas, kai II pakopos valcų atstumas didėja, išskyrus nėra statistiškai patikimo skirtumo, kai mažiausia patikimo skirtumo riba R0,05(1) = 2,01 % išskyrus frakcijų kiekį kai II pakopos valcų atstumas lII lygus 1,5 ir 3 mm. Tarp šių rodiklių yra patikimas statistinis skirtumas (3. 12 pav.).
3.12 pav. Frakcijų didesnių ne didesnių nei 2,8 ir ne mažesnių kaip 2 mm kiekis 1 bandymo metu kai drėgnis ωg1=37,77±0,5% ir 2 bandymo metu kai drėgnis ωg3=33,25±0,88.% Tarp tokia pat raide pažymėtų stulpelių nėra statistiškai patikimo skirtumo.
Patikimas, trečio bandymo duomenų skirtumas, yra tarp frakcijų gautų, kai II pakopos valcų atstumas lII = 1,5 ir frakcijų gautų prie sekančių nustatymų, tai yra kai lII = 2, 2,5, 3 mm. Patikimo skirtumo nėra tarp d ir e raide pažymėtų stulpelių kai mažiausia patikimo skirtumo riba
R0,05(3) = 2,92 %. Lyginant pirmo ir trečio bandymo duomenis tarpusavyje kai skirtingas drėgnis, bet valcų atstumas tas pats, vyrauja statistiškai patikimas esminis skirtumas esant R0,05(1ir3) = 2,31 %.
44
3.6. Galios poreikis
Bandymo metu užfiksuota reikalinga galia, išaugo beveik trečdaliu, kai drėgnis ωg3 =
33,25±0,88%, o valcų atstumas lI = 1,5 mm, galia reikalinga traiškytuvui-trupintuvui sukti lygi
P1 = 31,85 kW (3.13 pav.).
35,00 31,85 30,00 28,34 26,24 25,42 25,00
22,42 20,61 19,53 20,00 18,98 19,74 19,69 17,61 17,19
15,00 Galia, kW Galia, 10,00
5,00
0,00 4 - 1,5 4-2 4-2,5 4-3 I ir II pakopos valcų atstumas l, mm ω = 37,77±0,5% ω = 36,99±0,66% ω = 33,25±0,88%
3.13 pav. Galios poreikis priklausomai nuo grūdų drėgnio ir valcų atstumų lI ir lII nustatymų.
Keičiant I pakopos atstumą tarp valcų, galios poreikis mažėja.
35
30 32,48 32,02 31,62 31,70 25 22,70 23,75 23,25 22,30 20 21,70 21,75 20,25 20,30
15 Galia, kW Galia, 10
5
0 4,5-1,5 5-1,5 5,5-1,5 6-1,5 I ir II pakopos valcų atstumas l, mm
ω = 37,77±0,5% ω = 36,99±0,66% ω = 33,25±0,88%
3.14 pav. Galios poreikis priklausomai nuo grūdų drėgnio ir valcų atstumų lI ir lII nustatymų.
Bandymo metu užfiksuota reikalinga galia beveik nekito kai didinamas I pakopos valcų atstumas (3.14 pav.).
45
IŠVADOS
1. Nustatyti kukurūzų grūdų geometriniai rodikliai: vidutinis grūdo ilgis lygus 10±0,09 mm, plotis 8±0,08, storis 4±0,06 mm ir drėgnis 36 %. Grūdų ilgis bei plotis pasiskirstęs pagal normaliojo skirstinio dėsnio funkciją, o storis pagal Gauso skirstinio dėsnio funkciją.
2. Pirmo bandymo kukurūzų grūdų drėgnis ωg1 = 37,77±0,5%, antro bandymo ωg3 =
36,99±0,66%, o trečio ωg3 = 33,25±0,88%,. 3. Kai I-os pakopos valcų atstumas yra pastovus, o II-os pakopos didėja nuo 1,5 mm iki 3,0 mm, tai labiausiai didėja stambiausios frakcijos (>3,5 mm) kiekis. Esant II-os pakopos valcų atstumui pastoviam, o I-os pakopos didėja nuo 4,5 mm iki 6,0 mm, sutraiškytų grūdų kiekiai frakcijose beveik nekinta.
4. Kai drėgnis ωg3 = 33,25±0,88%, o atstumas tarp valcų lI = 1,5 mm, galia reikalinga
trupintuvui-traiškytuvui sukti lygi P1 = 31,85 kW. Didinant atstumą tarp valcų galios poreikis mažėja.
5. Kukurūzų grūdų drėgniui esant ωg1 = 37,77±0,5%, keičiant II pakopos valcų atstumą, tarp gauto, frakcijų nuo 2 iki 2,8 mm, kiekio nėra statistiškai patikimo skirtumo esant
esminio skirtumo ribai R0,05=2,01%, išskyrus kai atstumas tarp valcų lII = 3 mm. 6. Grūdų sutrupinimo laipsnį labiausiai įtakoja II-os pakopos valcų atstumas.
7. Grūdų trupinimo galios poreikį įtakoją grūdų drėgnis wg.
46
LITERATŪROS SĄRAŠAS
1. Adomavičienė S. 2013. Skirtingos brandos kukurūzų grūdų ir burbuolių atsparumas pusiau statinėms apkrovoms. Magistratūros studijų baigiamasis darbas. Aleksandro Stulginskio universitetas. Kaunas-Akademija. 43 p. 2. Apžvalgos. 2014. Lietuvos hidrometeorologijos tarnyba prie Aplinkos ministerijos. [Žiūrėta 2014 05 04] Prieiga per internetą:
15. Jasinskas A. D. Steponavičius, E. Šarauskis, P. Šniauka, E. Vaiciukevičius, R. Zinkevičius. Žemės ūkio mašinų Laboratoriniai darbai. Lietuvos žemės ūkio universitetas. Akademija, 110 p. 16. Jatkauskas J., Vrotniakienė V. Maisto medžiagų šaltinis – grūdų žlaugtai. Mano ūkis. 2008. [Žiūrėta 2014 04 26] Prieiga per:
48
MOKSLINIO DARBO APROBACIJA
Tyrimų rezultatai paskelbti mokslinėje konferencijoje: Milašius A., Račiūnas P. Grūdų smulkinimo tyrimas diskinių valcų smulkintuvu. Mokslinė konferencija „Jaunasis mokslininkas“. Akademija 2014 04 24.
Tyrimų rezultatai paskelbti mokslo leidinyje: Milašius A., Račiūnas P. Grūdų smulkinimo tyrimas diskinių valcų smulkintuvu. Agroinžinerija ir energetika. 2014, Nr. 19, P. 80-83.
49