ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta strojní Ústav výrobních strojů a mechanismů Horská 3, 128 00 Praha Prezentace diplomové práce: Konstrukce polohovacího zařízení pro rozměrné svařence Student: Školitel: Konzultant: Zadavatel: Klíčová slova: Anotace: Radek Pařízek Doc.Ing. Stanislav Maňas, CSc Ing.Martin Štér Doc.Ing. Stanislav Maňas, CSc briketovací lisy, hydraulický pohon, lisovací jenotka Diplomová práce řeší návrh technologického postupu pro briketování dřevného odpadu, pohon lisovací jednotky a konstrukci briketovacího lisu. Cíle práce: Keyword: Annotation: Target of work: Návrh konstrukce briketovacího lisu a optimalizace hydraulického pohonu Positioner design for enormous weldments briquetting press, hydraulic drive, briquetting unit Thesis is engaged in technologic process of briquetting wood waste, drive of the pressing unit and construction of the briquetting press. Project of construction briquetting press andoptimalization hydraulic drive Úvod Cílem mé diplomové práce bylo navrhnout technologický postup pro briketování dřevného odpadu, navrhnout konstrukční řešení tohoto lisu, nosnou soustavu briketovacího lisu a optimalizovat pohon lisu. Technologie zhutňování jsou známé více než 130 roků. První patent na výrobu dřevěných briket je z roku 1864. Dřevěné brikety byly používané v USA již před 75-ti lety. Jedna z nejlepších palivových briket byla vyráběná a prodávaná jako pres-to-log od roku 1933. 1) Vhodnými technologiemi pro úpravu dřevného odpadu je jeho lisování při vysokém tlaku a teplotě bez přidání pojiva. Peletováním nebo briketováním můžeme získat ušlechtilé palivo ve tvaru a stavu vhodném pro transport, skladování a jeho energetické využití. Síla při lisování závisí na druhu lisovaného materiálu, vlhkosti a velikosti jeho částí. Lisovací sílu získáváme z hydraulického nebo mechanického pohonu. Výhoda lisů s hydraulickým pohonem je tichý provoz a relativně jednoduchá konstrukce. Nevýhodou jsou vysoké lisovací tlaky na briketovaný materiál (80-180MPa) způsobující opotřebení hydrauliky, které se projeví unikáním oleje a zároveň má nepříznivý vliv na životnost stroje. Cena mechanického lisu je z důvodu použití rotačních částí vysoká oproti tomu životnost stroje nízká. Dřevný odpad nebo-li také biomasa může do 5-10 let pokrývat až 10% potřeb České republiky při výrobě tepla a elektřiny jako přední obnovitelný energetický zdroj. Do určité míry může nahradit hnědé uhlí na venkově a snížit
i spotřebu zemního plynu. V určitých oblastech však může substituovat až 100% energetických zdrojů pro výrobu tepla a to může mít značný význam pro výrobce i spotřebitele paliva. Pro dopravu rozměrných balíků biomasy nebo dřevní štěpky se považuje za výhodnou vzdálenost do cca 60km. Pelety a brikety z dřevného odpadu se naproti tomu mohou vzhledem ke svým vlastnostem (vysoká hustota, kompaktnost) dopravovat na libovolnou vzdálenost buď volně, v pytlích nebo ve vacích. Vývoj směřuje ke standardizaci biopaliv do několika základních forem, mezi které patří např. balíky stébelnin, brikety, standardní dřevní štěpky. Světový trend ukazuje, že perspektivní formou budou i pelety v několika kvalitativních a cenových druzích. Za reálné se považuje i spalování kusového paliva (polínka, brikety) v účinných dřevozplyňujících kotlích. V této době je možné zavést domácí výrobu briket, pelet pro vlastní spotřebu. Je to samozřejmě spojeno s otázkou výhodnosti výroby. Briketovací lis je velkou vstupní investicí a výrobní náklady nejsou také zanedbatelné, beru-li spotřebu elektrické energie lisovacího stroje, dovoz materiálu a nutnost předsušení briketovaného materiálu. Sledujeme-li vývoj v České republice, zjistíme, že mnoho truhláren nakupuje briketovací lisy a vyrábí dřevné brikety z odpadového materiálu, který není třeba před briketováním dosušovat. Také mnoho pil již zavedlo výrobu briket (např. briketovací lis RUF ve spojení s bubnovou sušárnou s kotlem na odpadové dřevo). Tyto produkce pracují s vlhkým dřevným odpadem cca 40% vlhkosti, který je třeba dosušit na min 12%-15% vlhkosti. Pokud briketují materiál s větším obsahem vlhkosti, brikety nejsou kompaktní a rozsýpají se. Je možné takové brikety koupit na každé benzínové stanici 10-15kg/70kč. V poslední době je rozhodující výše ceny nad kvalitou dodávaného zboží. A tedy dovoz dřevných briket ze Slovenské republiky není zanedbatelný a svou bezkonkurenční cenou bude dále stoupat. V České republice je možné získat na zavedení produkce biopaliv podporu ve formě dotací. Není jasné, vstupují-li dotace do tohoto podnikání jako faktor výhodnosti. V konstrukci briketovacích lisů, jsou důležitými vlastnostmi výkon stroje (tzn. Výroba kg/hod) a zároveň celkový elektrický příkon stroje. Je důležité, aby dřevná briketa byla slisována úměrnou silou, byla kompaktní, skladovatelná a měla určitou trvanlivost i ve vlhkém prostředí. Je možné dimenzovat briketovací lis na maximální briketovací sílu 1MN, abychom dosáhli největšího poměru zhutnění a hustoty nad 1,2kg/dm 3, kdy zvýšíme i výhřevnost až na 20MJ/kg. Toto je ale neefektivní způsob, musíme se snažit o dostačující poměr zhutnění, kompaktnosti ku energetické náročnosti lisování.
Konstrukce briketovacího lisu Briketovací lis BLIS VAR1 Konečná podoba navrženého stroje ve variantách BLIS VAR1 a BLIS VAR2. Varianta lisu BLIS VAR1 je navržena pro briketování dřevných briket. Lisovací aparát má hydraulický pohon. Tato jednotka s jednostrannou pístnicí dosahuje výrobní výkon přes 100 kg/hod cca 200 briket o rozměrech 8,5 cm průměr na 8,5 cm délky. Elektrický příkon celého briketovacího lisu včetně asynchronních motorů šnekového dopravníku a míchání násypky je cca 6 kw. Konstrukce stroje splnila předpoklad viz kapitola 5 Návrh hydraulického agregátu. Jak z předchozích kapitol vyplývá, stroj je sestaven ze základních uzlů: lisovací jednotka, pracovní hydromotor, hydraulický agregát, šnekový dopravník, násypka a míchání. BLIS VAR1 popis Základní charakteristika navrženého stroje:konstrukce lisovací jednotky, rámu, násypky je svařovaná. Pohon lisovacího mechanismu je hydraulický. Spuštění stroje je prováděno ručně pomocí řídícího panelu a ovládání je řízeno dále programovatelným relé. Na výstup vylisovaných briket je možné zapojit směrovací trubku a brikety dále připravit pro další operaci balení i uskladnění. Max. jmenovitá síla na briketu v lisovací zápustce je F m = 0,5 MN. Přípustná velikost lisované štěpky cca 15 mm. Na tuto délku je navrhnutý šnek dopravující štěpku do plnící komory.
BLIS VAR1 popis BLIS VAR1
Briketovací lis BLIS VAR2 Varianta lisu BLIS VAR2 je navržena pro briketování dřevných briket. Lisovací aparát má hydraulický pohon. Tato jednotka s oboustrannou pístnicí dosahuje výrobní výkon přes 200 kg/hod cca 400 briket o rozměrech 8,5 cm průměr na 8,5 cm délky. Elektrický příkon celého briketovacího lisu včetně asynchronních motorů šnekového dopravníku a míchání násypky je cca 6,5 kw. Konstrukce stroje splnila předpoklad viz kapitola 5 Návrh hydraulického agregátu. Jak z předchozích kapitol vyplývá, stroj je sestaven ze základních uzlů:lisovací jednotky, pracovní hydromotor, hydraulický agregát, šnekový dopravník, násypka a míchání. V této variantě je použitý pracovní hydromotor s oboustrannou pístnicí. Na příruby hydromotoru jsou instalovány lisovací jednotky. Takto navržená konstrukce je z důvodu využití zpětného chodu hydromotoru pro pracovní operaci.
Obr. 0.1 BLIS VAR2 popis Závěr Cílem mé diplomové práce bylo navrhnout briketovací lis. Zařízení pro briketování dřevného odpadu tzn. hoblin, pilin, štěpky. Konstrukční návrh celého stroje je řešen jako sestavná studie celého lisu a zabývá se optimalizací hydraulického pohonu lisu. V diplomové práci jsem řešil všechny zadané úlohy a snažil jsem se netradičním způsobem navrhnout konstrukci, která by se odlišovala od ostatních konstrukcí strojů majících podobné funkce. Navrhl jsem technologický postup pro briketování, hydraulický pohon s možností zapojení multiplikátoru pro zvýšení dolisovacího tlaku v koncových polohách a nosnou soustavu lisu. Dále jsem řešil kritické uzly soustavy z hlediska pevnostního. Svařenec lisovací jednotky, který je namáhán dynamickou tahovou silou byl početně zkontrolován a za použití metody MKP vyhodnocen jako vyhovující z hlediska únavy. Konstrukce stroje byla navržena s ohledem na možnosti školy. A to z hlediska jednoduchosti ovládání, výroby a omezené kapacity školních laboratoří. Na základě parametrů, kterých řešený stroj dosahuje, mohu konstatovat, že plně vyhovuje podmínkám v zadání DP a podmínkám vyplývajícím ze srovnání s doposud vyráběnými briketovacími lisy s hydraulickým pohonem o stejném výrobním výkonu např firmy RUF, Briklis, CF Nilesen. Při porovnání je energeticky méně náročnější. Konečná podoba navrženého stroje je ve variantách BLIS VAR1 a BLIS VAR2. Varianta lisu BLIS VAR1 je navržena pro briketování dřevných briket. Lisovací aparát má hydraulický pohon. Tato jednotka s jednostrannou pístnicí dosahuje výrobní výkon přes 100 kg/hod cca 200 briket o rozměrech 8,5 cm průměr na
8,5 cm délky. Elektrický příkon celého briketovacího lisu včetně asynchronních motorů šnekového dopravníku a míchání násypky a je cca 6 kw. Konstrukce stroje splnila předpoklad viz. kapitola 5 Návrh hydraulického agregátu. Z předchozích kapitol vyplývá, že stroj je sestaven ze základních uzlů: lisovací jednotka, pracovní hydromotor, hydraulický agregát, šnekový dopravník, násypka a míchání. Konstrukce varianty lisu BLIS VAR2 vychází také ze stejných předpokladů a liší se pouze použitím hydromotoru s oboustrannou pístnící a velikostí násypky. Tato jednotka s oboustrannou pístnicí dosahuje výrobní výkon přes 200 kg/hod cca 400 briket o rozměrech 8,5 cm průměr na 8,5 cm délky. Elektrický příkon celého briketovacího lisu včetně asynchronních motorů šnekového dopravníku a míchání násypky je cca 6,5 kw. Konstrukce stroje splnila předpoklad viz kapitola 5 Návrh hydraulického agregátu. Stejně jako u VAR1 je stroj sestaven ze základních uzlů: Lisovací jednotky, pracovní hydromotor, hydraulický agregát, šnekový dopravník, násypka a míchání. V této variantě je použitý pracovní hydromotor s oboustrannou pístnící. Na příruby hydromotoru jsou instalovány lisovací jednotky. Takto navržená konstrukce je z důvodu využití zpětného chodu hydromotoru pro pracovní operaci. Vývoj směřuje ke standardizaci biopaliv do několika základních forem - balíků stébelnin, briket, standardní dřevní štěpky, ale světový trend ukazuje, že perspektivní formou budou pelety v několika kvalitativních a cenových druzích. Za reálné se považuje i spalování kusového paliva (polínka, brikety) v účinných dřevozplyňujících kotlích. Design stroje je účelový. Použití obdobného designu by určitě našlo v této době uplatnění, neboť tvar stroje začíná být také z jedním parametrů určující objem poptávky po daném stroji.. Uvedené zařízení je možné použít i v jiných jednodušších halách a provozech. Je určeno pro střední výrobu. Pokud by se toto zařízení používalo v třísměnných a nepřetržitých provozech, bude nutné zapojit k hydraulickému agregátu externí chlazení oleje. Produkce dřevných briket je zanedbatelná a pochybuji o návratnosti investic briketovacího stroje, pokud ceny těchto strojů mají rostoucí charakter a životnost je téměř shodná s návratností lisovacího stroje. V případě, že bych se dále zabýval konstrukcí strojů pro zpracování biomasy, zvolím si jako téma diplomové práce konstrukci peletovacího stroje.