Model přesunu energie při štěpkování

Úvod

Optimalizace provozních a konstrukčních parametrů strojů zásadně ovlivňuje energetickou náročnost, ekonomickou efektivnost a ekologické aspekty prováděných prací. Při řešení problémů optimalizace technologických a technických parametrů energetických systémů vycházíme po stránce analytických rozborů i po stránce experimentálních sledováních sledování důsledně z principu, který jsme pracovně nazvali princip minimaxu (Janeček, 1996). Působní principu minimaxu je obecného charakteru a vyjadřuje vazby mezi vstupy do libovolného systému. Vstupy mají energetický a materiálový charakter. U systémů vyšší hierarchie jsou uvažovány i vstupy pracovních sil.

Materiál a metody

Cílem práce bylo formulovat a verifikovat matematický model umožňující analyzovat vliv provozních a konstrukčních parametrů štěpkovače z hlediska měrné spotřeby energie, ekonomiky provozu a ekologických vlivů. Matematický model je formulován pro energetický prostředek, který aktivně zpracuje určitý materiálový tok (dřevní biomasu apod.) a pasivně působí na zpracovaný materiálový tok (dopravu biomasy).

Výsledky a diskuse

Rovnice přenosu energie

Při odvození pro přenos energie vycházíme z blokového schématu na obr. 1.

V blokovém schéma znamená:

• A_mlc - elementární práce nutná k překonání celkového pasivního odporu mechanických převodů na trakčním ústrojí [J]
• η_mlc - účinnost mechanických částí trakčního ústrojí [-]
• dA_δ- elementární práce nutná k překonání prokluzu trakčního ústrojí [J]
• η_δ - prokluzován účinnost [-]
• dA_ν - elementární práce nutná k překonání pasivních odporů trakčního ústrojí [J]
• η_f - valivá účinnost [-]
• dA_m2c - elementární práce nutná k překonání celkového pasivního odporu mechanických a hydraulických převodů na pracovní orgány [J]
• η_m2c - účinnost přenosu energie z energetického zdroje na pracovní orgány [-]
• dA_n - elementární práce nutná k překonání pasivního odporu mechanického nebo hydraulického převodu energie z energetického zdroje na pracovní stroj [J]
• η_n - účinnost přenosu energie z energetického zdroje na pracovní stroj [-]
• dA_ppl - elementární práce potřebná k překonání pasivních odporů pomocných částí [J]
• η_ppl - účinnost pasivních orgánů napomáhající toku energie štěpkovačem [-]
• dA_ap - elementární práce potřebná k překonání pasivních odporů aktivních orgánů přenosu energie na štěpkovači [J]
• η_ap - účinnost aktivních orgánů přenosu energie na štěpkovači [-]
• dA_H - celková elementární práce využitá na tah agregátu [J]
• dA_S - celková elementární práce využitá na aktivní zpracování hmoty [J]
• dA_C - dA_SC = dA₁ [J] (1)
• dA_C - dA_HC = dA₂ [J] (2)

kde:

• dA_C - celková elementární práce [J]
• dA_HC - elementární práce dodaná trakčnímu ústrojí [J]
• dA_SC - elementární práce nutná k pohonu aktivních částí pracovních orgánů [J]
• dA₁ - celková elementární práce nutná k pohonu trakčního ústrojí [J]
• dA₂ - celková elementární práce nutná k pohonu aktivních částí pracovních orgánů štěpkovače [J]

Jednotlivé elementární práce můžeme vyjádřit vztahy :

• dA_m1c = dA₁ (1-η_m1c) [J] (3)
• dAd = dA1 (1-η_δ ) . η_m1c [J] (4)
• dA_ν = dA1 (1-η_f ) . η_m1c . η_δ [J] (5)
• dA_m2c = dA₂ (1-η_m2c) [J] (6)
• dA_n = dA₂ (1-η_n ) . η_m2c [J] (7)
• dA_pp1 = dA₂ (1-η_pp1 ) .η_m2c . η_n [J] (8)
• dA_p = dA₂ (1-η_ap) . η_m2c . η_n . η_pp1 [J] (9)

Platí:

• dA₁ = dA_m1c + dA_δ + dA_ν + d_AH [J] (10)
• dA₂ = dA_m2c + dA_n + dA_pp1 + d_AS [J] (11)

Celkovou účinnost přenosu energie můžeme vyjádřit vztahem na obrázku 2: 

Zavedením celkové mechanické účinnosti stroje η_SC a úpravou rovnice (12) dostaneme pro celkovou účinnost přenosu energie vztah na obrázku 3:

V rovnici (13) je:

• η_SC = η_m2c . η_n . η_ap . η_pp1 [-] (14)
   

Přenos a transformace energie štěpkovačem

Jestliže samochodný štěpkovač pracuje kontinuálně můžeme celkovou účinnost přenosu energie η_C a měrnou práci štěpkovače Q vyjádřit vztahy na obrázku 4:

V rovnici (15) a (16) je:

• F_sd - užitečný odpor valení samochodného štěpkovače způsobený převáženou hmotou [N]
• F_t - valivý odpor energetického měniče [N]
• Q - měrná práce štěpkovače vztažená na jednotku objemu zpracované hmoty[J.m^-3]
• p_S - střední kontaktní tlak v dosedací ploše pneumatiky [N.m^-2]

Stopa štěpkovače

Rovnice závislosti mezi středním a kontaktním plakem p_sv dosedací ploše pneumatiky a jejím zahloubením t má tvar:

• p_s = k . tⁿ [N.m^-2] (17)

kde:

• t - zahloubení pneumatiky [m]
• n - exponent závislý na stupni plasticity povrchu porostu [-] obrázek 5

 

• k - součinitel závislý na stupni plasticity zeminy [J.m^-4] V tab. 1 jsou uvedeny doporučené součinitelé k závislé na stupni plasticity zeminy

Při stanovení funkční závislosti mezi zatížením pneumatik mobilního lesního výrobního systémů a hloubkou vytvoření stopy t_A,B pneumatiky vycházíme ze vztahu na obrázku 6:

• Y_A,B - normální reakce na přední, zadní nápravu mobilního systému [N]
• b_A,B - šířka přední, zadní pneumatiky [m]
• l_A,B - délka otisku přední, zadní pneumatiky [m]

Závěr

Analýza vytvořeného matematického modelu prokázala dominantní vlivy výkonnosti pracovního stroje, jeho hmotnosti a charakteru půdy na sledované provozní parametry a konstrukční vlastnosti štěpkovače. Výsledky prvních výpočtů a experimentů ukázaly, že změny analyzovaných parametrů v rozmezí 5-10 % se odrážely na změnách měrné spotřeby energie, ekonomie provozu a sledovaných ekologických aspektech o 40 - 50 %.

Poděkování

Tyto výsledky byly získány s přispěním grantového projektu NAZV Ministerstva zemědělství ČR „QH920 88 – Stanovení standardů výrobních procesů v lesním hospodářství “.

Literatura

• JANEČEK, A.: Optimalizace struktury a postupů lesních výrobních systémů v lesním hospodářství. Praha: Lesnická fakulta České zemědělské univerzity v Praze, 1996, 120 s.
• JANEČEK, A.: Deterministický model štěpkovače optimalizující parametry z hlediska energetiky, ekonomiky a těžebně dopravní eroze. Praha ČZU v Praze, 2003, 35 s. (Uživatelská příručka zpracovaná v rámci výzkumného úkolu QC 0117 NAZV Mze ČR).

Tweet

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu

Biometan se vyplatí a má budoucnost