Biyokütlenin mineral enerjiye kıyasla kül, azot ve kükürt gibi zararlı maddeler açısından daha düşük değerlere sahip olması nedeniyle, büyük rezervler, iyi karbon aktivitesi, kolay tutuşma ve yüksek uçucu bileşenler gibi özelliklere sahiptir. Bu nedenle, biyokütle çok ideal bir enerji yakıtıdır ve yanma dönüşümü ve kullanımı için çok uygundur. Biyokütle yakıldıktan sonra kalan kül, fosfor, kalsiyum, potasyum ve magnezyum gibi bitkilerin ihtiyaç duyduğu besin maddeleri açısından zengindir, bu nedenle tarlaya geri kazandırılmak üzere gübre olarak kullanılabilir. Biyokütle enerjisinin muazzam kaynak rezervleri ve benzersiz yenilenebilir avantajları göz önüne alındığında, şu anda dünyanın dört bir yanındaki ülkeler tarafından ulusal yeni enerji geliştirme için önemli bir seçenek olarak görülmektedir. Çin Ulusal Kalkınma ve Reform Komisyonu, "12. Beş Yıllık Plan Döneminde Mahsul Samanının Kapsamlı Kullanımına İlişkin Uygulama Planı"nda, saman kullanım oranının 2013 yılına kadar %75'e ulaşacağını ve 2015 yılına kadar %80'i aşmayı hedefleyeceğini açıkça belirtmiştir.
Biyokütle enerjisini yüksek kaliteli, temiz ve kullanışlı enerjiye dönüştürmek, acilen çözülmesi gereken bir sorun haline gelmiştir. Biyokütle yoğunlaştırma teknolojisi, biyokütle enerjisi yakma verimliliğini artırmanın ve taşımayı kolaylaştırmanın etkili yollarından biridir. Şu anda, yerli ve yabancı pazarlarda dört yaygın yoğunlaştırma ekipmanı türü bulunmaktadır: spiral ekstrüzyon partikül makinesi, pistonlu presleme partikül makinesi, düz kalıp partikül makinesi ve halka kalıp partikül makinesi. Bunlar arasında, halka kalıp pelet makinesi, çalışma sırasında ısıtmaya gerek olmaması, hammadde nem içeriği için geniş gereksinimler (%10 ila %30), yüksek tek makine çıktısı, yüksek sıkıştırma yoğunluğu ve iyi şekillendirme etkisi gibi özellikleri nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, bu tip pelet makinelerinin genellikle kolay kalıp aşınması, kısa kullanım ömrü, yüksek bakım maliyetleri ve zahmetli değiştirme gibi dezavantajları vardır. Yazar, halka kalıp pelet makinesinin yukarıdaki eksikliklerine yanıt olarak, şekillendirme kalıbının yapısında yepyeni bir iyileştirme tasarımı yapmış ve uzun kullanım ömrü, düşük bakım maliyeti ve kolay bakım sağlayan bir set tipi şekillendirme kalıbı tasarlamıştır. Bu arada, bu makalede kalıplama işleminin çalışma süreci boyunca mekanik bir analizi yapılmıştır.
1. Halka Kalıplı Granülatör için Kalıp Yapısının Tasarımında İyileştirme
1.1 Ekstrüzyon Şekillendirme Prosesine Giriş:Halka kalıplı pelet makinesi, halka kalıbın konumuna bağlı olarak dikey ve yatay olmak üzere iki tipe ayrılabilir; hareket şekline göre ise iki farklı hareket şekline ayrılabilir: sabit halka kalıplı aktif baskı silindiri ve tahrikli halka kalıplı aktif baskı silindiri. Bu geliştirilmiş tasarım, esas olarak hareket şekli olarak aktif baskı silindiri ve sabit halka kalıplı halka kalıplı partikül makinesini hedeflemektedir. Esas olarak iki parçadan oluşur: taşıma mekanizması ve halka kalıplı partikül mekanizması. Halka kalıp ve baskı silindiri, halka kalıplı pelet makinesinin iki temel bileşenidir; halka kalıbın etrafına dağıtılmış birçok şekillendirme kalıbı deliği bulunur ve baskı silindiri halka kalıbın içine monte edilmiştir. Baskı silindiri, tahrik miline bağlıdır ve halka kalıp sabit bir brakete monte edilmiştir. Mil döndüğünde, baskı silindirini de döndürür. Çalışma prensibi: Öncelikle, taşıma mekanizması ezilmiş biyokütle malzemesini belirli bir partikül boyutuna (3-5 mm) getirerek sıkıştırma odasına taşır. Ardından, motor ana mili döndürerek baskı silindirinin dönmesini sağlar ve baskı silindiri sabit bir hızda hareket ederek malzemeyi baskı silindiri ile halka kalıp arasında eşit şekilde dağıtır; bu da halka kalıbın malzemeyle, baskı silindirinin malzemeyle ve malzemenin malzemeyle sıkışmasına ve sürtünmesine neden olur. Sıkıştırma sürtünmesi sürecinde, malzemedeki selüloz ve hemiselüloz birbirine bağlanır. Aynı zamanda, sıkıştırma sürtünmesiyle oluşan ısı, lignini doğal bir bağlayıcıya dönüştürerek selüloz, hemiselüloz ve diğer bileşenlerin daha sıkı bir şekilde birbirine bağlanmasını sağlar. Biyokütle malzemelerinin sürekli doldurulmasıyla, şekillendirme kalıbı deliklerinde sıkıştırma ve sürtünmeye maruz kalan malzeme miktarı sürekli artar. Aynı zamanda, biyokütle arasındaki sıkıştırma kuvveti sürekli artar ve kalıplama deliğinde sürekli olarak yoğunlaşarak şekillenir. Ekstrüzyon basıncı sürtünme kuvvetinden daha büyük olduğunda, biyokütle halka kalıbın etrafındaki kalıplama deliklerinden sürekli olarak dışarı atılır ve yaklaşık 1 g/cm³ kalıplama yoğunluğuna sahip biyokütle kalıplama yakıtı oluşur.
1.2 Kalıpların Aşınması:Pelet makinesinin tek makine çıktısı büyüktür, nispeten yüksek otomasyon derecesine ve hammaddeye güçlü uyarlanabilirliğe sahiptir. Çeşitli biyokütle hammaddelerinin işlenmesinde yaygın olarak kullanılabilir, biyokütle yoğunlaştırılmış yakıtların büyük ölçekli üretimine uygundur ve gelecekteki biyokütle yoğunlaştırılmış yakıt sanayileşmesinin gelişim gereksinimlerini karşılar. Bu nedenle, halka kalıplı pelet makinesi yaygın olarak kullanılmaktadır. İşlenen biyokütle malzemesinde az miktarda kum ve diğer biyokütle dışı safsızlıkların bulunma olasılığı nedeniyle, pelet makinesinin halka kalıbında önemli aşınma ve yıpranmaya neden olma olasılığı yüksektir. Halka kalıbının hizmet ömrü, üretim kapasitesine göre hesaplanır. Şu anda Çin'de halka kalıbının hizmet ömrü sadece 100-1000 ton arasındadır.
Halka kalıbın arızalanması esas olarak aşağıdaki dört olayda meydana gelir: ① Halka kalıp bir süre çalıştıktan sonra, şekillendirme kalıbı deliğinin iç duvarı aşınır ve açıklık artar, bu da üretilen şekillendirilmiş yakıtın önemli ölçüde deformasyonuna neden olur; ② Halka kalıbın şekillendirme kalıbı deliğinin besleme eğimi aşınır, bu da kalıp deliğine sıkıştırılan biyokütle malzemesinin miktarında azalmaya, ekstrüzyon basıncında azalmaya ve şekillendirme kalıbı deliğinin kolayca tıkanmasına yol açarak halka kalıbın arızalanmasına neden olur (Şekil 2); ③ İç duvar malzemeleri aşındıktan sonra boşaltma miktarı keskin bir şekilde azalır (Şekil 3);
④ Halka kalıbının iç deliğinin aşınmasından sonra, bitişik kalıp parçaları arasındaki duvar kalınlığı L incelir ve bu da halka kalıbının yapısal dayanıklılığının azalmasına neden olur. En tehlikeli bölümde çatlaklar oluşma eğilimi artar ve çatlaklar uzamaya devam ettikçe halka kalıbının kırılması olayı meydana gelir. Halka kalıbının kolay aşınmasının ve kısa hizmet ömrünün ana nedeni, şekillendirme halka kalıbının mantıksız yapısıdır (halka kalıbı, şekillendirme kalıp delikleriyle bütünleşiktir). İkisinin bütünleşik yapısı şu sonuçlara yol açar: Bazen halka kalıbının sadece birkaç şekillendirme kalıp deliği aşındığında ve çalışamaz hale geldiğinde, tüm halka kalıbının değiştirilmesi gerekir; bu da sadece değiştirme işinde zahmete neden olmakla kalmaz, aynı zamanda büyük ekonomik israfa ve bakım maliyetlerinin artmasına da yol açar.
1.3 Kalıplama Kalıbının Yapısal İyileştirme TasarımıPelet makinesinin halka kalıbının kullanım ömrünü uzatmak, aşınmayı azaltmak, değiştirmeyi kolaylaştırmak ve bakım maliyetlerini düşürmek için, halka kalıbının yapısında yepyeni bir iyileştirme tasarımı gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Tasarımda gömülü kalıplama kalıbı kullanılmış olup, iyileştirilmiş sıkıştırma odası yapısı Şekil 4'te gösterilmiştir. Şekil 5, iyileştirilmiş kalıplama kalıbının kesit görünümünü göstermektedir.
Bu geliştirilmiş tasarım, esas olarak aktif basınç silindiri ve sabit halka kalıbı hareket formuna sahip halka kalıplı partikül makinesini hedeflemektedir. Alt halka kalıbı gövdeye sabitlenmiştir ve iki basınç silindiri bir bağlantı plakası aracılığıyla ana şafta bağlanmıştır. Şekillendirme kalıbı alt halka kalıbına (geçme bağlantısı kullanılarak) gömülmüştür ve üst halka kalıbı cıvatalar vasıtasıyla alt halka kalıbına sabitlenmiş ve şekillendirme kalıbına kenetlenmiştir. Aynı zamanda, basınç silindirinin yuvarlanmasından ve halka kalıbı boyunca radyal olarak hareket etmesinden sonra şekillendirme kalıbının kuvvet nedeniyle geri tepmesini önlemek için, şekillendirme kalıbını üst ve alt halka kalıplarına sırasıyla havşa başlı vidalarla sabitlenmiştir. Malzemenin deliğe giriş direncini azaltmak ve kalıp deliğine girişini daha kolay hale getirmek için, tasarlanan şekillendirme kalıbının besleme deliğinin konik açısı 60° ile 120° arasındadır.
Geliştirilmiş kalıp yapısı, çoklu çevrim ve uzun hizmet ömrü özelliklerine sahiptir. Parçacık makinesi bir süre çalıştığında, sürtünme kaybı nedeniyle kalıp açıklığı genişler ve paslanır. Aşınmış kalıp çıkarılıp genişletildiğinde, diğer özelliklerdeki parçacıkların üretimi için kullanılabilir. Bu sayede kalıpların yeniden kullanımı sağlanır ve bakım ve değiştirme maliyetlerinden tasarruf edilir.
Granülatörün kullanım ömrünü uzatmak ve üretim maliyetlerini düşürmek için, basınç silindiri, 65Mn gibi iyi aşınma direncine sahip yüksek karbonlu yüksek manganezli çelikten üretilmiştir. Şekillendirme kalıbı, Cr, Mn, Ti vb. içeren alaşımlı karbürlenmiş çelik veya düşük karbonlu nikel krom alaşımından yapılmalıdır. Sıkıştırma odasının iyileştirilmesi sayesinde, çalışma sırasında üst ve alt halka kalıplarının maruz kaldığı sürtünme kuvveti, şekillendirme kalıbına kıyasla nispeten küçüktür. Bu nedenle, sıkıştırma odası için malzeme olarak 45 çelik gibi sıradan karbon çeliği kullanılabilir. Geleneksel entegre şekillendirme halka kalıplarına kıyasla, pahalı alaşımlı çeliğin kullanımını azaltarak üretim maliyetlerini düşürebilir.
2. Halka kalıplı pelet makinesinin şekillendirme kalıbının çalışma süreci sırasında mekanik analizi.
Kalıplama işlemi sırasında, kalıplama kalıbında oluşan yüksek basınç ve yüksek sıcaklık ortamı nedeniyle malzemedeki lignin tamamen yumuşar. Ekstrüzyon basıncı artmadığında, malzeme plastikleşmeye uğrar. Plastikleşmeden sonra malzeme iyi akar, bu nedenle uzunluk d olarak ayarlanabilir. Şekillendirme kalıbı bir basınçlı kap olarak kabul edilir ve şekillendirme kalıbı üzerindeki gerilim basitleştirilir.
Yukarıdaki mekanik hesaplama analizinden, kalıp içindeki herhangi bir noktadaki basıncı elde etmek için, o noktadaki çevresel gerilmenin belirlenmesi gerektiği sonucuna varılabilir. Daha sonra, o konumdaki sürtünme kuvveti ve basınç hesaplanabilir.
3. Sonuç
Bu makale, halka kalıplı peletleme makinesinin şekillendirme kalıbı için yeni bir yapısal iyileştirme tasarımı önermektedir. Gömülü şekillendirme kalıplarının kullanımı, kalıp aşınmasını etkili bir şekilde azaltabilir, kalıp çevrim ömrünü uzatabilir, değiştirme ve bakımı kolaylaştırabilir ve üretim maliyetlerini düşürebilir. Aynı zamanda, çalışma süreci boyunca şekillendirme kalıbı üzerinde mekanik analizler yapılmış ve gelecekteki araştırmalar için teorik bir temel sağlanmıştır.
Yayın tarihi: 22 Şubat 2024