1.4: Пресування біомаси - ущільнення та енергетичні вимоги
- Page ID
- 28769
Шахаб Сохансандж, к.т.н., P.Eng.
Університет Саскачевану
Саскатун, Саскачеван, Канада
| Ключові умови |
| Ємність поля | Щільність тюків | Кругле пресування |
| Матеріальна ємність | Зберігання тюків | Квадратне пресування |
Змінні
Вступ
Важливим питанням біоенергетичної системи на основі біомаси є транспортування сировини з поля на переробний об'єкт. Пресування, яке є щільною упаковкою біомаси в керовану форму, має важливе значення, оскільки це енерговитратний процес, який визначає ефективність біоенергетичної системи. Щільність тюків є найважливішим фактором, що впливає на логістику (кількість транспортних засобів, обсяг зберігання, тривалість використання) та вартість (робоча сила та енергія) збирання та доставки біомаси на біопереробний завод. Якщо біомаса не упакована до достатньої щільності, енергія, необхідна для транспортування, може перевищувати викид енергії процесами біоконверсії. У цьому розділі розглядаються два типи прес-підбирачів, круглі та квадратні; взаємозв'язок між щільністю біомаси та енергією, необхідною для виготовлення тюків; та плюси та мінуси різних типів тюків. У розділі розглядаються правильні методи обробки тюків з метою мінімізації втрат сухих речовин при зберіганні.
Поняття
Внесок енергії і сили в якість життя незамінний. Країни, які користуються високою якістю життя, - це ті, які споживають найбільше енергії на душу населення. Паливо генерує енергію для управління заводами, мобілізації моторизованого транспорту, а також для обігріву та охолодження будівель. До шістнадцятого століття більша частина енергії надходила або безпосередньо від сонця, або опосередковано шляхом спалювання біомаси, переважно деревини та іншої рослинної сировини. Впровадження вугілля принесло нову еру в промисловому розвитку. До дев'ятнадцятого століття нафта і газ зробили революцію в промисловому розвитку.
Розвиток сільського господарства відбувався паралельно з експлуатацією нових джерел енергії. Фермери відмовилися від нерозривних практик землеробства та перейняли енергетичне обладнання, як трактори та культиватори. Фермери, які використовували ручний інструмент для зрізання та укладання врожаю в полі, почали використовувати машини, які змогли виконувати ці завдання більш ефективно. Розроблено велике обладнання для підготовки землі, аплікатори добрив та засоби захисту рослин, а також нове обладнання для збору врожаю, обробки та транспортування. Це стало можливим завдяки таким продуктам викопного палива, як бензин і дизель.
Інструменти механізації, що працюють на викопному паливі, щоб виробляти достатню кількість їжі та одягу для людства донині. На жаль, використання викопного палива призвело до деяких несподіваних наслідків. Додатковий вуглекислий газ (CO 2) та інші гази, що виділяються при спалюванні викопного палива, збільшували концентрацію парникових газів в атмосфері, що впливають або сприяють впливу зміни клімату. З часом викопне паливо стане дорогим для фермерів через обмежену доступність та політичні штрафи за спричинення небажаних викидів забруднюючих повітря. Збільшилася увага на відновлюваних джерелах енергії як на альтернативу витісненню викопного палива в суспільстві. Наприклад, біомасу можна використовувати набагато ефективніше, ніж звичайне спалювання як сировину для виробництва біопалива.
Промисловість виробництва сільськогосподарського обладнання розробила ряд машин для збирання та післязбиральної обробки зерна, фруктів та овочів. Залишки, такі як соломка та листя, традиційно мали невелику фінансову цінність, тому промисловість не розробила багато машин для експлуатації цілих культур або залишків, натомість зосередившись на вилученні лише цінної частини сільськогосподарських культур, таких як зерно та фрукти. Решту врожаю, таку як солома, листя та гілки, залишалися на полі здебільшого невикористаними.
З кінця ХХ століття з'явився попит на обладнання для збору та упаковки соломи, трав та цілих рослин, що збіглося з іншими розробками, такими як обмеження на спалювання залишків (через якість повітря) та експлуатацію консерваційних систем обробки ґрунту. Промисловість сільськогосподарського обладнання розробила обладнання, таке як прес-підбирачі, для збору цілих рослин, соломки та трав у круглі або квадратні пакети набагато більшої щільності, ніж це може бути досягнуто пасивним укладанням матеріалу. Щільні тюки займають менше місця для зберігання та транспортування біомаси.
ущільнення
Пресування є найбільш використовуваним методом ущільнення та пакування біомаси на фермі (рис. 1.4.1). Щільність - маса біомаси в тюку, поділена на обсяг тюка:
\[ \rho=\frac{M}{V} \]
де ρ = щільність (кг/м 3)
M = маса тюка (кг)
V = об'єм тюка (м 3)
Щільність тюків зазвичай коливається від 140 до 240 кг/м 3 в залежності від типу біомаси і тиску, що використовується на біомасі при формуванні тюка. Щільність тюків впливає на вартість пресування та доставки біомаси до місця її використання. Збирання, зберігання, транспортування та переробка можуть сприяти до 50% вартості біоенергетичної сировини (Shinners and Friede, 2018), тому це важливий фактор при експлуатації системи. Транспортне обладнання має максимальний обсяг і масу (корисне навантаження) на причіп, тому оптимізація щільності тюків мінімізує транспортні витрати. Створення щільного тюка вимагає потужності для формування тюка і потужності для його транспортування під час експлуатації. Тюки можуть бути укладені в місці на фермі перед транспортуванням на біоенергетичний об'єкт. Для енергетичних застосувань щільні тюки, як правило, транспортуються до гранулювання, де тюки розбиваються і повторно ущільнюються в більш щільні гранули.
Ряд культур біомаси тюковані, такі як люцерна (Medicago sativa), тимофія (Phleum preense), трави в цілому (Poaceae), пшениця (Triticum spp.), кукурудза/кукурудза (Zea mays) та соя (Glycine max). Посіви біомаси можуть збиратися як цілі рослини (скошені) або відокремлені в полі за допомогою зернозбирального комбайна, який розщеплює зерно з іншого рослинного матеріалу. Незалежно від врожаю, при різанні в полі матеріал, який буде укладатися тюком, залишають у вигляді вітрового ряду (лінійний ворс матеріалу низької щільності паралельно напрямку руху машини). Матеріали зазвичай залишають у віконному ряду для висихання. Ідеальний вміст вологи для безпечного пакетування та зберігання залежить від врожаю, але зазвичай становить менше 30%. Можуть бути втрати через руйнування, якщо вміст вологи в полі занадто низький, або обладнання повинно витрачати енергію без потреби, якщо занадто вологе. Волога біомаса може зіпсуватися через ріст грибків та бактерій під час зберігання, що може перешкоджати процесам переробки для виготовлення біопалива. Залежно від погоди, тривалість часу, коли рослина залишається в полі для висихання, становить від декількох годин до декількох днів. Коли готовий, прес-підбирач забирає матеріал з віконного ряду, щоб сформувати тюки. Сучасні прес-підбирачі мобільні, тобто обладнання переміщається по полю.
Вибір між круглими або квадратними тюками визначає ряд факторів. Круглі тюки є кращими у вологіших регіонах, оскільки вони можуть пролити дощ. Квадратні тюки є кращими в сухих регіонах, оскільки вони краще укладають. У Північній Америці менші ферми, як правило, використовують круглі прес-підбирачі, а більші ферми, як правило, використовують великі квадратні прес-підбирачі. У таблиці 1.4.1 наведені деякі характеристики прес-підбирачів, що працюють на північноамериканських фермах. У деяких країнах, таких як Ірландія, дрібні фермери, як правило, віддають перевагу невеликим квадратним тюкам, оскільки їх легше обробляти після виготовлення.
| Категорії тюків | Розміри (ширина × глибина × довжина для квадрата; діаметр × глибина для круглого) | Маса (кг) | Розмір ферми | Продуктивність | Типова вартість ($/год) |
|---|---|---|---|---|---|
|
Малий квадрат |
356 × 457 × 914 мм |
24 |
Невеликі фермерські господарства |
Низький |
120 |
|
Великий квадрат |
914 × 1219 × 2438 мм |
435 |
Великі ферми |
Високі |
250 |
|
Маленький круглий |
1219 × 1219 мм |
228 |
Невеликі фермерські господарства |
Середній |
130 |
|
Великий круглий |
1829 × 1829 мм |
769 |
Великі ферми |
Високі |
150 |
Квадратне пресування
Квадратний прес-підбирач (рис. 1.4.2) складається з механізму підбору (1) для підйому біомаси з вітрового ряду і подачі її в подають валки (2). Набір ножів на обертовому колесі (3) розрізає біомасу до заданої довжини. Пітман важіль (5) з'єднує маховик (4) ексцентрично (поза центром) з плунжером (6). Таке розташування перетворює обертання маховика в зворотно-поступальний рух, для переміщення плунжера вперед-назад в камері тюка.
Потужність, необхідна для формування тюка, надходить від відбору потужності трактора (ВВП). Кожне обертання занурює біомасу, коли вона потрапляє в камеру пресування. Поршень зворотно-поступального руху стискає сипучий матеріал, утворюючи тюк. Процес подачі сіна в камеру тюка і його стиснення повторюють до утворення тюка. Щільність тюка визначається регулюванням підпружинених або гідравлічних верхніх і нижніх натяжних штанг на камері тюка. Колесо для вимірювання тюків (8) обертається, коли тюк рухається через камеру тюків.
Довжина тюка регулюється регулюванням кількості обертань вимірювального колеса. Механізм обв'язки (9) синхронізований з рухом плунжера. Коли плунжер знаходиться в задньому положенні і біомаса повністю стискається, набір голок подає шпагат до механізму обв'язки. У міру того, як шпагат захоплюється механізмом зав'язування, голки втягуються, і тюк зав'язується. Після стиснення та зв'язування тюк викидається з камери тюків. Квадратні тюки зазвичай виробляються в декількох розмірах (табл. 1.4.1), а вага залежить від конструкції прес-підбирача, типу біомаси та вмісту вологи, але зазвичай становить від 24 до 908 кг.
На малюнку 1.4.3 показана схема миттєвих вимог до потужності для квадратного прес-підбирача (PAMI, 1990). Пікові вимоги до потужності є результатом дії плунжера. У типових культурах люцерни середня споживана потужність коливалася від 23 до 30 кВт, тоді як миттєва пікова потужність становила 110 кВт. Середні вимоги до потужності дишло для буксирування прес-підбирача в польових умовах варіювалися від 5 до 8 кВт і досягли максимуму 20 кВт на м'яких або горбистих полах. Для повного використання потужності прес-підбирача PAMI (1990) рекомендує трактор з мінімальним номіналом відбору потужності 68 кВт (90 к.с.). Трактор з потужністю 83 кВт (110 к.с.) буде потрібно в горбистих умовах.
Круглий пресування
Круглий прес-підбирач (рис. 1.4.4) формує біомасу в циліндричний тюк. Рулонний прес-підбирач збирає біомасу з вітрового ряду, використовуючи пальцеві зуби, виготовлені з пружинної сталі або міцного поліетиленового матеріалу, і закочує біомасу всередині тюкової камери за допомогою широких роликів або ременів.
Рулонний прес-підбирач випускається двох типів. Ті, у кого камера фіксованого розміру, використовують ролики фіксованого положення (рис. 1.4.5а), а ті, у кого змінна камера, використовують гнучкі ремені (рис. 1.4.5b). Фіксована камера робить тюки з м'яким сердечником. Змінна камера робить тюки з твердим сердечником. Тюк з м'яким сердечником є «дихаючим», тобто пористість достатня для того, щоб тюк продовжував сушити, коли він залишається в полі. Розмір тюка залишається фіксованим розміром камери. У змінній камері серія пружин і висувних важелів забезпечує щільний тюк утворюється від серцевини до кола. Оператор встановлює діаметр тюка і цільову масу для досягнення необхідної щільності. Після формування тюка припиняють поступальний рух машини і приплив біомаси. Шпагат або сітка обертається по колу тюка за допомогою рухомого плеча. Після того, як сітка оточила тюк достатньо разів, щоб підтримувати форму та достатньо утримувати матеріал, руки повертаються у початкове положення, а шпагат або сітчасті нитки зрізаються. Сітчаста обгортка покриває більшу площу поверхні тюка, запобігаючи втратам матеріалу і легко зберігаючи форму тюка.
Після того, як тюк сформований і загорнутий, він викидається з камери тюків. Деякі прес-підбирачі мають гідравлічні «кікери», а інші пружинні або покладаються на прядіння тюка, щоб згорнути тюк з камери. Після того, як тюк був викинутий з прес-підбирача, задні двері в камеру закриваються, і машина починає рухатися вперед, приймаючи біомасу, поки наступний тюк не буде готовий. Великі круглі прес-підбирачі зі змінною камерою зазвичай виробляють тюки діаметром від 1,2 до 1,8 м і шириною до 1,5 м, вагою від 500 до 1000 кг, залежно від розміру, матеріалу та вмісту вологи. Типова щільність круглих тюків коливається від 140 кг/м 3 до 180 кг/м 3.

(a) Фіксована конфігурація камери

(b) Змінна конфігурація камери
\(\PageIndex{5}\):Малюнок Два типи прес-підбирачів, (а) фіксована камера і (б) змінна камера (Freeland and Bledsoe, 1988).
На малюнку 1.4.6 показані типові вимоги до потужності відбору потужності та дишла для рулонного прес-підбирача John Deere 535 при матеріальній потужності 16,1 т/год (PAMI, 1992). Миттєва потужність, записана трактором, наноситься на вагу тюка, щоб показати збільшення споживаної потужності під час формування кожного тюка. Криві - це середнє значення вимірюваних даних відбору потужності, які варіювалися від 5 до 8 кВт без навантаження до максимум 32 кВт у люцерні для повнорозмірних тюків. Потужність відбору потужності сильно залежить від матеріальної ємності (т/год). Вимоги до потужності дишла при 11,5 км/год становили близько 8 кВт, коли тюк досяг повного розміру. Хоча максимальні вимоги до кінських сил не перевищували 38 кВт, потрібна додаткова потужність для задоволення інших польових умов, таких як м'які та горбисті поля. Виробник запропонував трактор потужністю 56 кВт (75 к.с.) для повного використання потужності прес-підбирача.
Оцінка ефективності пресування
Стандарти ASABE EP496 та D497 (Стандарти ASABE, 2015a, b) визначають продуктивність польового обладнання з точки зору потужності поля та матеріальної ємності.
Ємність поля
Потужність поля кількісно визначає швидкість обробки земель (площа за одиницю часу) як:
\[ C_{a}=\frac{SWE_{f}}{10} \]
де C a = площа поля, покрита за одиницю часу (га/год)
S = середня швидкість поля техніки під час збирання врожаю (км/год)
W = ефективна ширина (м)
E f = ефективність поля (десяткова) (табл. 1.4.2)
Швидкість поля, S, може коливатися від 4 до 13 км/год (табл. 1.4.2). Цей діапазон являє собою мінливість в польових умовах, яка впливає на швидкість руху обладнання.
Ефективна ширина, W, - ширина, над якою працює машина. Він може бути ширшим або вужчим, ніж вимірювана ширина машини залежно від конструкції, способу використання машини в польових умовах з іншим обладнанням, а також досвіду та майстерності оператора. Ефективна ширина може бути визначена шириною зрізу косарки перед прес-підбирачем, коли колісний граблі збирає скошений урожай у валок для підбирача.
Ефективність поля, Е ф (табл. 1.4.2) - відношення продуктивності машини в польових умовах і теоретичної максимальної продуктивності. Ефективність поля пояснюється неможливістю використання теоретичної робочої ширини машини, втраченим часом через відсутність навичок оператора, часті зупинки та польові характеристики, що спричиняють перебої в регулярній роботі. Поїздки на поле та з поля, капітальний ремонт, профілактичне обслуговування та щоденні сервісні заходи не включаються в розрахунки польового часу або ефективності поля.
Ефективність поля не є постійною для конкретної машини, але залежить від розміру та форми поля, схеми польової роботи, врожайності, вологості врожаю та інших умов. Більшість часу, втраченого в польових умовах, відбувається через поворот і холостий хід, час обробки матеріалів, очищення засміченого обладнання, регулювання машини, мастило і заправка. Круглі прес-підбирачі мають нижчу ефективність, ніж квадратні прес-підбирачі, оскільки форма круглого тюка робить обробку, транспортування та зберігання тюка неефективними порівняно з обробкою квадратного тюка (Kemmerer and Liu, 2011).
| Устаткування для збору біомаси | Ефективність поля | Швидкість поля | Зауваження | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Діапазон (%) | Типовий (%) | Дальність (км/год) | Типовий (км/год) | ||
|
Малий квадратний прес-підбирач |
60—85 |
75 |
4.0—10.0 |
6.5 |
Тюки малих та середніх розмірів |
|
Великий квадратний прес-підбирач |
70—90 |
80 |
6,5—13,0 |
8.0 |
Тюки середнього та великого розміру |
|
Великий круглий прес-підбирач |
55-75 |
65 |
5.0—13.0 |
8.0 |
Комерційні круглі тюки |
Матеріал Ємність
Матеріальна ємність являє собою масу врожаю в тюк на годину, і розраховується з використанням потужності поля (С а) і урожайності поля:
\[ C_{m}=C_{a}Y \]
де C m = матеріальна ємність (т/год)
Y = середня врожайність поля (т/га); це кількість біомаси, яка зрізається і поміщається в валок, готовий до тюкування, а не загальна надземна біомаса в полі.
Для сільськогосподарських культур, вирощених для цілей енергопостачання, зазвичай зрізається і тюкується не більше 50% надземної біомаси. На практиці врожайність (Y) може становити 25— 30% від загальної надземної біомаси. Решта 70— 75% біомаси залишають у полі з метою збереження ґрунту. Видалення більш високого відсотка також може забрати небажаний бруд і сторонній матеріал разом з біомасою.
Енергетичні вимоги
Щільність тюків, яку можна досягти, залежить від технічних характеристик машини (її розмірів та ефективності) та механічної енергії, яка може подаватися на прес-підбирач.
Енергетичні вимоги для квадратних тюків
Ми починаємо з визначення тиску та щільності, щоб розрахувати енергію та потужність, щоб зробити квадратний тюк.
Тиск, Р, розраховується з використанням сили над площею,
\[ P = F/A \]
де A = площа, на яку чиниться сила (м 2)
\(f= \text{force (kN)}\)
Сила (кН) виходить від маси (М, кг),
\[ F= M (\text{kg}/1000) \times g \ (\text{m/}s^{2}) \]
де g = прискорення за рахунок сили тяжіння (9,81 м/с 2).
Вимога в потужності пов'язана з щільністю тюків. Зв'язок визначається спочатку співвідношенням тиску до щільності, потім обчисленням енергії від сили проти зміщення, і, нарешті, оцінкою потужності з часу швидкості енергії.
Для першого кроку загальновживаним рівнянням для співвідношення тиску та щільності є (Ван Пельт, 2003; Афзалінія та Роберж, 2013):
\[ P = (\frac{1}{k} \rho)^{1/n} \ \ \ _{k,n \ > \ 0} \]
| Урожай біомаси | к | п |
|---|---|---|
|
Стовер |
29.48 |
0,330 |
|
Пшенична солома |
38.79 |
0,293 |
|
Свертграсс |
100.99 |
0.137 |
де P = тиск, що чиниться плунжером (кПа)
k і n = позитивні константи
\( \rho = \text{density (kg/}m^{3}) \)
Хофштеттер і Лю (2011) запропонували значення k і n для кількох культур (табл. 1.4.3).
Під час формування тюка початкова щільність дорівнює нулю (порожня камера) і неухильно зростає до максимально можливої щільності з урахуванням тиску плунжера.
Наступним кроком буде розрахунок енергії від сили і зміщення. Загальна витрата енергії, необхідної для виготовлення тюка, розраховується шляхом інтеграції площі під кривою тиску-зміщення від 0 до P max. Ця інтеграція дає вхідну енергію на одиницю маси (Е) за один хід плунжера, щоб сформувати те, що відомо як пластини. Рівняння 1.4.7 являє собою інтеграцію сили проти переміщення:
\[ E= \int_{0}^{P_{max}} (\frac{1}{\rho})dP \]
де P = тиск (кН/м 2)
E = споживана енергія на одиницю маси (кДж/кг)
Підставляємо ρ з рівняння 1.4.6 та інтегруємо виходи:
\[ E= \frac{1}{(1-n)k}P_{max}^{(-n+1)} \]
Заміна P max на ρ max дозволяє оцінити питому енергію, Е (кДж/кг):
\[ E=\frac{1}{(1-n)k}(\frac{1}{k}\rho_{max} \ ^{\frac{1-n}{n}}) \]
При виготовленні квадратного тюка кожен хід плунжера робить пластину товщиною близько 51 мм. Для виготовлення тюка 915 мм знадобиться близько 19 ударів. Для повного тюка необхідна енергія, (Е оп, кДж), може бути розрахована з E, помноженого на кінцеву масу тюка,
\[ E_{op} = E \times M \]
Для останнього кроку потужність (енергія в одиницю часу), необхідна для виготовлення одного тюка, розраховується множенням питомої енергії (Е) на матеріальну ємність (С м)
\[ P_{opt}=\frac{C_{m}E_{op}}{3.6e} \]
де P opt = теоретична потужність для роботи квадратного прес-підбирача (кВт)
e = коефіцієнт корисної дії, що пояснює неефективність передачі потужності від ВВП до прес-підбирача
На практиці ASABE Standard D497 (ASABE Standards, 2015a) передбачає, що для запуску прес-підбирача потрібно близько 4 кВт, тому ця потужність повинна бути додана до P opt.
Енергетичні вимоги для круглих тюків
Для рулонного прес-підбирача ASABE Engineering Practice EP 496 (ASABE Standards, 2015b) рекомендує оцінити робочу потужність прес-підбирачів та інших обертових машин, використовуючи:
\[ P_{op}=a+bW+cF_{w} \]
де P op = відбір потужності, необхідний для роботи рулонного прес-підбирача (кВт)
W = робоча ширина прес-підбирача (м)
F w = швидкість подачі матеріалу, волога маса (т/год)
a, b і c = параметри, специфічні для машини (табл. 1.4.4)
| Тип прес-підбирача | а (кВт) | б (кВт/м) * | c (кВтг/т) |
|---|---|---|---|
|
Малий квадрат |
2.0 |
0 |
1.0 |
|
Великий квадрат |
4.0 |
0 |
1.3 |
|
Велика кругла, змінна камера |
4.0 |
0 |
1.1 |
|
Велика кругла фіксована камера |
2.5 |
0 |
1.8 |
|
* Ненульові значення повідомляються для таких машин, як косарки та граблі. |
|||
Порівнюючи вимоги до потужності, Tremblay et al. (1997) виявили, що прес-підбирач із змінною камерою вимагав середньої потужності ВВП 10,2 кВт порівняно з прес-підбирачем з фіксованою камерою, який вимагав середньої потужності ВВП 13,3 кВт. Крім того, пікова потужність відбору потужності була значно меншою для змінної камери (14,5 кВт) порівняно з нерухомою камерою (37,5 кВт). Це означає, що для роботи прес-підбирача з фіксованою камерою зазвичай потрібно набагато більший трактор. Для гнучкої роботи з точки зору необхідного трактора та розміру та щільності тюків, гнучкий камерний круглий прес-підбирач є, мабуть, найкращим варіантом.
Енергетичні вимоги для витягування прес-підбирача
Потужність, необхідна для приводу трактора і буксирування прес-підбирача, визначається з сили тяги (D, кН):
\[ D=r\ m\ g\ /\ 1000 \]
де r = відношення, опір руху
m = маса витягнутого обладнання і його навантаження (кг)
g = постійна прискорення гравітації = 9,81 м/с 2
Опір руху - це додаткова сила тяги, яка повинна бути включена в вимоги до обчислювальної потужності. Значення опору руху залежать від габаритів транспортного колеса, тиску в шині, типу грунту і вологості грунту. Коефіцієнти опору руху визначені в ASAE S296 (Стандарти ASABE, 2018). Значення r можна оцінити за допомогою (Стандарти ASABE, 2015a):
| Стан поверхні | Б н | сл | Дишло X d [a] |
|---|---|---|---|
|
Твердий бетон |
80 |
0,04—0,08 |
0,88 |
|
твердий грунт |
55 |
0,08—0,10 |
0,77 |
|
Грунт просапний |
40 |
0.11—0.13 |
0,75 |
|
М'який грунт |
20 |
0.14—0.16 |
0,70 |
|
[a] X d представляє відношення тягової потужності до потужності відбору потужності. Перераховані значення призначені для 4-колісних тракторів. |
|||
\[ r=\frac{1}{B_{n}}+0.04+\frac{0.5sl}{\sqrt{B_{n}}} \]
де B n = коефіцієнт індексу грунту (табл. 1.4.5)
sl = десяткове значення, що представляє прослизання коліс трактора (Таблиця 1.4.5)
З огляду на швидкість і тягу сили (кН), тягова потужність розраховується за допомогою:
\[ P_{d}=\frac{DS}{3.6} \]
де P d = тяга трактора (тяга) потужність (кВт)
S = середня швидкість руху прес-підбирача вперед (км/год)
Додатки
Обробка та зберігання тюків
Укладання тюків
Після виготовлення тюків їх потрібно зняти з поля, перш ніж земля може бути підготовлена до наступного врожаю. Трактори та навантажувачі, оснащені захватними пристроями, забирають і завантажують тюки на причіп для транспортування поза полем. Потім тюки укладають або поруч з полем або на центральному місці зберігання за допомогою трактора або навантажувача. HSE (2012) рекомендує будувати штабелі на твердому, сухому, рівному, вільно дренируючому грунті, який повинен бути відкритим і добре провітрюваним, подалі від повітряних електричних стовпів. Рекомендується використання каменів або щебеню на землі під стеком, щоб зробити його рівним і зупинити воду, що піднімається в стек. Сайт повинен бути подалі від будь-яких потенційних пожежних небезпек та джерел займання з хорошим доступом до дороги, щоб тюки могли безпечно транспортуватися до та з штабелю. Повинно бути достатньо місця, щоб трактори, причепи та інші транспортні засоби мали достатньо місця для маневру.
На малюнку 1.4.7 показана правильна конфігурація укладання квадратних тюків і круглих тюків, з широкою основою, яка звужується, коли стек стає вище. Максимальна висота укладання не повинна бути більше, ніж в 1,5 рази більше ширини підстави. Як правило, рекомендується укладання не більше 10 тюків на твердих поверхнях і 8 тюків на м'яких поверхнях. Квадратні тюки необхідно укладати при цьому кожен ряд зміщений від ряду нижче, щоб між ними не було суцільного зазору. Круглі тюки укладаються в піраміду з меншою кількістю тюків в кожному напрямку, ніж у шарі нижче. Зовнішні круглі тюки потребують чурка на кожному з тюків в найнижчому шарі, щоб запобігти їх розкочування (рис. 1.4.7). Як і у випадку з квадратними тюками, круглі тюки повинні бути укладені, щоб покрити зазор між двома тюками знизу.
Після формування стопки вага кожного тюка стає проблемою для стійкості палі. Вага великого тюка може коливатися від 300 кг до понад 500 кг. Тюки вгорі натискають на нижні тюки, викликаючи їх повільну деформацію. Ступінь деформації тюків залежить від щільності і вологості, а також від тривалості їх перебування в штабелі. Більш низька щільність і більш висока вологість тюк має тенденцію деформуватися більше, ніж більш висока щільність і сушарка тюка.
Втрата сухої речовини
Вміст вологи під час тюкування відіграє важливу роль у величині втрат сухої речовини, які можуть статися під час тюкування та пізніше при зберіганні. Для листової біомаси, такої як люцерна, рекомендований вміст вологи для пресування становить менше 30%, а для зберігання менше 15% до 20%; однак для більш тривалого зберігання кращим є менший вміст вологи від 10% до 12%. Квадратні тюки, як правило, втрачають менше вологи, ніж круглі тюки, але незалежно від форми, важливо зробити тюки якомога ближче до цільової вологості.
Втрати можуть бути механічними і мікробними. Механічні втрати в основному виникають під час обробки тюків, наприклад, побудови штабеля або видалення тюків зі штабелю. Деяке фізичне видалення біомаси (відоме як вилуговування) також може відбуватися через промивання дощем. Крім того, вуглеводи в свіжозрізаній зеленій біомасі можуть розпастися до CO 2, води та тепла.
Найбільш поширена втрата сухої речовини обумовлена активністю мікробів, що викликає погіршення стану рослинного матеріалу і втрату сухої речовини. Зростання мікробів на біомасі безпосередньо пов'язаний з вмістом вологи. Суха біомаса адсорбує вологу від дощу при впливі і стає господарем для розвитку цвілі. Покриття і тривалість зберігання впливають на втрати сухих речовин (табл. 1.4.6). Наприклад, втрати сухої речовини від непокритого тюка на землі можуть становити від 5% до 20% протягом 9 місяців зберігання. Якщо термін зберігання збільшується до 12-18 місяців, втрати сухої речовини можуть збільшитися до 20% до 35% маси тюків. Зберігання тюків під дахом обмежить втрати до 2% до 5%. Дослідження показують, що немає великої різниці між втратою сухої речовини для круглих тюків проти квадратних тюків при зберіганні в аналогічних умовах (Wilcke et al., 2018).
| Спосіб зберігання | Термін зберігання (міс.) | ||
|---|---|---|---|
| Від 0 до 9 | Від 12 до 18 | ||
|
земля |
Покриті брезентом |
5—9 |
10—15 |
|
Викрито |
5—20 |
20—35 |
|
|
Підвищений |
Покриті брезентом |
2-4 |
5—10 |
|
Викрито |
3—15 |
12—35 |
|
|
Сарай |
Закритий |
~2 |
2—5 |
|
Відкриті сторони |
2—5 |
3—10 |
|
Діапазон втрат сухих речовин (табл. 1.4.6) обумовлений відмінностями клімату, типу культури та початкової вологості біомаси. Тим не менш, ці цифри хороші для прийняття рішення про вид системи зберігання, яку слід вибрати для тюків. З точки зору капітальних витрат зберігання на землі є найменш витратним, а зберігання в закритому сараї - найдорожче.
Фактори прийняття рішень для квадратних та круглих тюків
Вибір круглих або квадратних тюків залежить від декількох факторів, включаючи види сільськогосподарських культур, які підлягають тюку, регіональні кліматичні умови, обсяг врожаю, що збирається, типи зберігання, потужність трактора та доступні допоміжні послуги. Ключові переваги та недоліки круглих і квадратних тюків наведені в таблиці 1.4.7.
Приклади
| Квадратний тюк | Круглий тюк |
|---|---|
| переваги | переваги |
|
• Більш ефективно використовує простір при транспортуванні та зберіганні • Краще збереження форми під час зберігання • Простіше укладати |
• Більша доступність прес-підбирачів та вантажно-розвантажувального обладнання • Нижча ціна на прес-підбирачі • Більша здатність проливати воду, якщо тюки зберігаються непокритими |
| недоліки | недоліки |
|
• Більше поглинання вологи тюками, що зберігаються без кришки |
• Менш ефективне використання простору при перетягуванні та зберіганні тюків • Тенденція до того, що тюки втрачають форму під час зберігання |
Приклад\(\PageIndex{1}\)
Приклад 1: Польова та матеріальна ємність
Проблема:
Поле сіна обрізають за допомогою дискової косарки, що обрізає 5 м валів. Після декількох днів сушіння роторні граблі використовують для намотування сіна для пресування. Розрахуйте потужність поля та матеріальну потужність трьох прес-підбирачів: малого квадратного, великого квадратного та круглого для врожайності 7 т/га сіна. Яку машину ви б обрали?
Рішення
Ефективна ширина становить 5 м, оскільки це ширина валка косарки. Обчисліть ємність поля за допомогою рівняння 1.4.2 та матеріальної ємності за допомогою рівняння 1.4.3:
\( C_{a}=\frac{SWE_{f}}{10} \)(Рівняння\(\PageIndex{2}\))
\( C_{m}=C_{a}Y \)(Рівняння\(\PageIndex{3}\))
де C a = площа поля, покрита за одиницю часу (га/год)
S = середня швидкість поля техніки під час збирання врожаю (км/год)
W = ефективна ширина (м)
E f = ефективність поля (десяткова)
C m = матеріальна ємність (т/год)
Y = середня врожайність поля (т/га)
Використовуйте типові значення з таблиці 1.4.2 для швидкості та ефективності кожного типу прес-підбирача. У таблиці 1.4.8 наведено вхідні значення та результати розрахунку потужності поля та матеріальної ємності. Великий квадратний прес-підбирач може обробляти найбільшу площу на годину, тому він також може обробляти найбільшу масу на годину. Таким чином, при типових значеннях швидкості та ефективності великий квадратний прес-підбирач був би обраний, якби єдиними критеріями були поле та матеріальна ємність.
| Прес-підбирач | Ширина зрізу, W (м) |
Швидкість поля, S (км/год) |
Ефективність поля, Е f (%) |
Ємність поля, С а (га/год) |
Урожайність, Y (т/га) |
Продуктивність матеріалу, С м (т/год) |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
Малий квадратний прес-підбирач |
5 |
6.5 |
75 |
2.44 |
7 |
17.06 |
|
Великий квадратний прес-підбирач |
5 |
8.0 |
80 |
3.20 |
7 |
22.40 |
|
Рулонний прес-підбирач |
5 |
8.0 |
65 |
2.60 |
7 |
18.20 |
Приклад\(\PageIndex{2}\)
Приклад 2: Максимальна щільність і маса тюка
Проблема:
Фермер виготовляє квадратні тюки кукурудзяного стебла з вологістю 35% (волога маса). Розміри стисненого тюка складають 914 мм × 1219 мм × 2438 мм. Визначте максимальну щільність і масу кожного тюка, враховуючи еквівалент маси сили, що чиниться на поперечному перерізі (914 мм × 1219 мм) тюка становить 20 тонн (т).
Рішення
Максимальна щільність - це функція максимального тиску, що чиниться на тиск, що чиниться на поперечний переріз тюка. Спочатку розрахуйте зусилля на поперечний переріз тюка (Рівняння 1.4.5), використовуючи заданий еквівалент маси сили як 20 т, що становить 20 000 кг, а прискорення за рахунок сили тяжіння як 9,8 м/с 2:
\( F= M\ (\text{kg/1000)} \times g\ (\text{m}/s^{2}) \)(Рівняння\(\PageIndex{5}\))
\( F= 20000 \times 9.8/1000 = 196 \text{ kN} \)
Розрахуйте тиск, що чиниться на поперечний переріз тюка, використовуючи Рівняння 1.4.4:
\( P=F/A \)(Рівняння\(\PageIndex{4}\))
\( P= 196 \text{ kN}/ (0.914 \times 1.219 \ m^{2}) = 175.92 \text{ kPa} \)
Обчисліть щільність тюка, вирішивши Рівняння 1.4.6 для ρ, використовуючи значення k і n з таблиці 1.4.3:
\( P_{max} = (\frac{1}{k}\rho)^{1/n} \ _{k,n \ >\ 0} \)(Рівняння\(\PageIndex{6}\))
\( \rho=kP^{n}=29.48(175.92)^{0.33}=162.1 \text{kg/}m^{3} \)
Масу тюка можна розрахувати по щільності і габаритам тюка:
\( M = \rho V = 162.1 \text{ kg/}m^{3} \times (0.914 \times 1.219 \times 2.438 m^{3}) = 440.32 \text{kg} \)
Приклад\(\PageIndex{3}\)
Приклад 3: Питома та робоча енергія
Проблема:
Для прес-підбирача, зазначеного в прикладі 1.4.2, розрахуйте питому енергію прес-підбирача і, виходячи з цього, робочу енергію, необхідну для виготовлення одного тюка.
Рішення
Розрахуйте питому енергію за допомогою рівняння 1.4.9:
\( E = \frac{1}{(1-n)k}(\frac{1}{k}\rho_{max}\ ^\frac{1-n}{n}) \)(Рівняння\(\PageIndex{9}\))
\( = \frac{1}{(1-0.33)29.48}(\frac{162.36}{29.48}) ^\frac{1-0.33}{0.33} \)
Тепер обчисліть робочу енергію за допомогою Рівняння 1.4.10:
\( E_{op}=E\times M \)(Рівняння\(\PageIndex{10}\))
\( E_{op}= 1.62 \text{ kJ/kg} = 713.32 \text{ kJ} \)
Приклад\(\PageIndex{4}\)
Приклад 4: Робоча потужність
Проблема:
Для прес-підбирача в прикладах 1.4.2 та 1.4.3 передача потужності від відбору потужності трактора до прес-підбирача не буде на 100% ефективною. Припускаючи 50% ефективності передачі потужності від трактора до прес-підбирача, оцініть робочу потужність, яка повинна подаватися на прес-підбирач.
Рішення
Оцініть теоретичну робочу потужність, P opt, використовуючи рівняння 1.4.11, при e = 0,50:
\( P_{opt}=\frac{C_{m}E_{op}}{3.6e} \)Рівняння\(\PageIndex{11}\))
\( P_{opt}=\frac{(22,400 \text{ kg/h}) \times 1.62 \text{ kJ/kg}}{(3600 \text{ s/h})(0.50)} = 20.16 \text{ kW} \)
Застосовуючи твердження ASABE D497 про те, що для роботи машини потрібно близько 4 кВт, коли вона порожня, P opt:
\( P_{opt}= 20.16+4=24.16 \text{ kW} \)
Приклад\(\PageIndex{5}\)
Приклад 5: Вимоги до потужності круглого прес-підбирача
Проблема:
Фермер має можливість використання круглого прес-підбирача з нерухомою камерою, робочою шириною 2 м, забором корму 18,2 т/год та масою 15 800 кг, що виробляє тюки діаметром 1,83 м, шириною або глибиною 1,83 м та щільністю 180 кг/м 3. Обчисліть (а) потребу в потужності для круглого прес-підбирача з фіксованою камерою, (б) тягового зусилля машини та (c) тягну потужність трактора, необхідну для витягування машини через поле.
Рішення
- (a) Рівняння 1.4.12 може бути використано для оцінки потреби в потужності. Тюк шириною майже 2 м буде розглядатися як великий тюк (табл. 1.4.1), тому параметри для рівняння 1.4.12 можна взяти з таблиці 1.4.4 відповідно:
\( P_{opt}= a+bW+cF \)(Рівняння\(\PageIndex{12}\))
\( P_{opt}= 2.5+(0 \times 2)+(1.8 \times18.2)= 35.26 \text{kW} \)
- (b) Сила тяги машини може бути розрахована за допомогою рівняння 1.4.13:
\( D = r\ m\ g / 1000 \)(Рівняння\(\PageIndex{13}\))
- Спочатку обчисліть опір руху, r, використовуючи Рівняння 1.4.14 зі значеннями з таблиці 1.4.5. Припустимо, що машина працює на м'якій поверхні грунту і з середнім прослизанням. Таким чином, з таблиці 1.4.5, B n = 20, sl = 0,15 (середнє значення 0,14 і 0,16):
\( =\frac{1}{B_{n}}+0.04+\frac{0.5sl}{\sqrt{B_{n}}} \)(Рівняння\(\PageIndex{14}\))
\( r=\frac{1}{20}+0.04+\frac{0.5(0.15)}{\sqrt{20}} = 0.16771 \)
- Далі розрахуйте масу тюка плюс прес-підбирач:
- Об'єм тюка: V = π r 2 L = 3,14 (0,915 м) 2 (1,83 м) = 4,814 м 3
- Маса тюка: М = V ρ = 4,814 м 3 × 180 кг/м 3 = 866,5 кг
- Маса тюка плюс прес-підбирач: м = 866,5 + 15,800 = 16,666,5 кг
- Підстановка значень у рівнянні 1.4.13 дає тягу сили прес-підбирача:
\( D = r\ m\ g\ / 1000 = (0.16771 \times 16,666.5 \times 9.81) /1000 = 27.4 \text{ kN} \)
- (c) З тягового зусилля обчислити потужність тяги, P d, для заданої швидкості, S, використовуючи рівняння 1.4.15:
\( P_{d}=\frac{D(\text{kN})S(\frac{km}{h})}{3.6} \)Рівняння\(\PageIndex{15}\))
\( P_{d}=\frac{27.4(\text{kN})8(\frac{km}{h})}{3.6} = 60.89 \text{ kW} \)
Приклад\(\PageIndex{6}\)
Приклад 6: Втрата сухої речовини
Проблема:
Стопка круглих тюків з прикладу 1.4.5 повинна зберігатися із середньою вологістю 15% (волога маса). Оцініть втрати сухої речовини від тюків при покритті брезентом та зберіганні на землі протягом 9 місяців та 18 місяців.
Рішення
Волога маса тюка становить 866,5 кг (розрахована в прикладі 1.4.5). Розрахуйте суху масу тюка, використовуючи задану середню вологість 15% (волога маса основи):
\( \text{Bale dry mass} = 866.5 \times (1-0.15)=736.53 \text{ kg} \)
Припустимо втрати сухої речовини середнього класу з таблиці 1.4.6, або відсоток сухої маси 7,5% протягом 9 місяців і 12,5% протягом 18 місяців. Використовуйте значення відсотків втрати сухої маси для розрахунку втрат сухої речовини:
\( \text{Dry matter loss after 9 months} = 736.53 \times (0.075)=55.2 \text{ kg} \)
\( \text{Dry matter loss after 18 months} = 736.53 \times (0.125)=92.1 \text{ kg} \)
Зображення Кредити
Малюнок 1. Крона. (КК по 4.0). (2020). Ілюстрація квадратний прес-підбирач обробки соломи. Використовується з письмового дозволу. Отримано з https://www.krone-northamerica.com/.
Малюнок 2. Крона. (КК по 4.0). (2020). Операція вбудованого квадратного прес-підбирача. Використовується з письмового дозволу. Отримано з https://www.krone-northamerica.com/.
Малюнок 3. Сохансань, С. (CC by 4.0). Експериментальний сюжет потужності в квадратному прес-підбирачі.
Малюнок 4. Крона. (КК по 4.0). (2020). Рулонний прес-підбирач виготовляє циліндричний тюк. Використовується з письмового дозволу. Отримано з https://www.krone-northamerica.com/.
Малюнок 5. Фріланд і Бледсе. (КК до 1.0). (1988). Два типи рулонних прес-підбирачів. Отримано з публікацій ASABE Транзакції.
Малюнок 6. Сохансань, С. (CC By 4.0). Вимірюється потужність для формування круглих тюків.
Малюнок 7. Приклади укладання великих квадратних тюків і круглих тюків. Квадратний тюк фото адаптовано з фону видалено: Надано Райлі Шмідт, Barr-Ag Inc. Альберта. Кредит на зображення круглого тюка: Евелін Сімак/Стек тюків соломи/CC BY-SA 2.0. (Подробиці ліцензії можна знайти тут: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:A_stack_of_straw_bales_-_geograph.org.uk_-_1501535.jpg)
Посилання
Афзалінія, С., & Роберж, М. Моделювання співвідношення тиск-щільність у великому кубічному прес-підбирачі. Агріч Дж. Науковий. Технол. , 15 (1), 35-44.
Стандарти ASABE. (2015а). ASAE D497.7 MAR2011 (R2015): Дані управління сільськогосподарською технікою. Сент-Джозеф, М.І.: ASABE. http://elibrary.asabe.org
Стандарти ASABE. (2015b). ASAE EP496.3 FEB2006 (R2015) Cor.1: Управління сільськогосподарською технікою Сент-Джозеф, Мічіган: ASABE. http://elibrary.asabe.org
Стандарти ASABE. ANSI/ASAE S296.5 DEC2003 (R2018): Загальна термінологія тяги сільськогосподарських тягових і транспортних пристроїв і транспортних засобів. Сент-Джозеф, М.І.: ASABE. http://elibrary.asabe.org
Фріланд, Р.С., Бледсо Б.Л. (1988). Енергія, необхідна для формування великих круглих тюків сіна - ефект операційної процедури та типу камери прес-підбирача. Транс. АСАЕ, 31 (1), 63-67. http://dx.doi.org/10.13031/2013.30666.
Хофштеттер, Д., і Лю, Дж. (2011). Потреба в потужності та енергоспоживання стиснення тюків. Папір ASABE № 1111266, Святий Йосип, MI: ASABE.
ВОНА (2012). Безпечна робота з тюками в сільському господарстві. Виконавчий директор з охорони праці 05/12 INDG125 (rev3). 10 сторінок. Отримано з https://www.hse.gov.uk/pubns/indg125.pdf.
Кеммерер, Б., Лю Дж. (2011). Великі квадратні пакетування та ефективність обробки тюків - тематичне дослідження. Агрік. Науковий. , 3 (2), 178-183. http://dx.doi.org/10.4236/as.2012.32020.
Лемус Р. Зберігання сіна: Втрати сухої речовини та зміни якості. Отримано з http://pss.uvm.edu/pdpforage/Materials/CuttingMgt/Hay_Storage_DM_Losses_MissSt.pdf.
ПАМІ (1992). Звіт про оцінку 677. Прес-підбирач рулонний John Deere 535. Отримано з http://pami.ca/pdfs/reports_research_updates/(4a)%20Balers%20and%20Baler%20Attachments/677.PDF.
ПАМІ (1990). Звіт про оцінку 628. Прес-підбирач квадратний Vicon MP800. Отримано з http://pami.ca/pdfs/reports_research_updates/(4a)%20Balers%20and%20Baler%20Attachments/628.PDF.
Шиннерс, К., і Фріде Дж. Енергетичні потреби для збору та ущільнення біомаси. Енергій, 11 (4), 780. http://doi.org/10.3390/en11040780.
Трембле, Д., Савойя, П., & Лефа, Q. (1997). Вимоги до потужності та характеристики тюків для прес-підбирача з фіксованою та змінною камерою. Канадський Agric. англ. , 39 (1), 73-75. Отримано з https://pdfs.semanticscholar.org/cb81/3812beeb7dcee3ecd34e5dbf39617869b8a6.pdf.
Ван Пелт Т. Ущільнення біомаси кукурудзи, сої та люцерни. Агрік. англ. Міжн. Рукопис ЕЕ 03 002. Отримано з https://pdfs.semanticscholar.org/8d9f/46c0431869b9f2b8edbedb4fcc5e657b7ac2.pdf.
Вілке, В., Куомо, Г., Мартінсон, К., & Фокс, К. (2018). Збереження цінності сухого зберігається сіна. Отримано з https://extension.umn.edu/forage-harvest-and-storage/preserving-value-dry-stored-hay.
