ilustracnyVýroba ušľachtilých biopalív je vhodným smerom na zhodnocovanie biomasy a iných energetických odpadov. Jednou z technológií, ktorá premieňa biomasu na biopalivá s požadovanými vlastnosťami, je briketovanie. Poznáme tri základné briketovacie technológie – mechanickú, hydraulickú a závitovú.

Závitovkové briketovacie lisy jednoznačne vytvárajú najkvalitnejšie brikety. Výhodou tohto druhu briketovania je, že na rozdiel od iných technológií je briketa vytváraná v kontinuálnom procese. Súčasné konštrukcie závitových briketovacích lisov majú niekoľko zásadných nevýhod. Medzi tieto patrí najmä vysoké opotrebenie konca závitovky, nízka životnosť axiálneho ložiska, prenos vysoké krútiaceho momentu cez malý priemer hriadeľa závitovky, nutnosť zahrievania rotujúcej závitovky počas rozbehu stroja a naopak jej chladenie v priebehu prevádzky.
Niektoré z uvedených nedostatkov sme riešili v predchádzajúcich prácach. Jedná sa napríklad o materiálovú alebo geometrickú optimalizáciu závitovky [1], modulárnu konštrukciu závitovky s vymeniteľnou koncovkou [2], eliminácia nadmerného zaťaženia axiálneho ložiska chrbtovým usporiadaním dvoch závitoviek [3,4]. Niektoré nedostatky, ako je nadmerné zaťaženie hriadeľa závitovky, či jej ohrev alebo chladenie pri rotácii, nie je možné pri kinematike klasického závitovkového lisu odstrániť. Cieľom predloženého príspevku je popis nového závitovkového briketovacieho lisu a verifikácia navrhnutého princípu na funkčnom modely.

Moderné palivá
Celosvetový trend nahradzovania fosílnych palív obnoviteľnými zdrojmi energie ovplyvňuje aj smerovanie výskumu výrobných strojov v oblasti aglomerácie materiálov. Biomasa a organické odpady predstavujú vysoko potenciálny obnoviteľný zdroj energie s účinnými možnosťami skladovania a prepravy tejto energie.
Štáty Európskej únie ročne spotrebujú viac ako 30 miliónov takýchto palív, ale v týchto štátoch sa vyprodukuje asi len 50 %, zvyšok tvorí import. Napríklad v Nemecku, Dánsku a Rakúsku dosahuje import po týchto biopalivách viac ako 70 %. Na druhej strane, v súčasnosti sa dosiahla určitá hranica v energetickej náročnosti na tuhé obohatené biopalivá z biomasy, pretože ich cena mnohokrát nie je komerčne porovnateľná s použitím fosílnych palív.
Cena ušľachtilých biopalív sa zvyšuje v dôsledku prídavných nákladov na prepravu palív a najmä nákladom na energiu na ich výrobu. Zníženie týchto nákladov je možné iba použitím nových pokrokových progresívnych technológií a nových konštrukcií strojných zariadení potrebných na produkciu. V procese zvyšovania celkovej efektivity a znižovania účinkov na životné prostredie sa objavila objektívna potreba vykonania výskumu v oblasti spracovania biomasy a jej transformácie na tuhé ušľachtilé palivo.
Známe technológie transformácie biomasy na biopalivá s požadovanými vlastnosťami sú briketovanie a peletovanie. Spoločným znakom týchto technológií je lisovanie suroviny pod určitým tlakom, aby výlisky dosiahli požadovanú pevnosť, hustotu a tvar.

Stav vo výrobe zhutňovacích strojov
Na celom svete bol zaznamenaný obrovský pokrok vo využívaní zhutňovacích technológií na výrobu tuhých ušľachtilých biopalív. Tieto stroje musia byť ekonomicky efektívnejšie s dlhou životnosťou pracovných častí.

Medzi dominantné problémy výrobcov tuhých ušľachtilých biopalív patria:
- rôzne, často nekvalitné výlisky (hustota, oter, pevnosť…) z dôvodu nedostatočnej znalosti procesu,
- nadmerné opotrebovanie aktívnych častí zhutňovacích strojov a zariadení,
- nepresné matematické modely, pomocou ktorých sú lisovacie stroje navrhnuté,
- tvary foriem nie sú optimálne, pretože výlisky sa v súčasnosti vyrábajú vo forme kvádra, tvaru písmena e (brikety) alebo valcovitého tvaru (brikety a pelety). Tieto tvary nie sú optimálne z hľadiska automatického dodávania do spaľovacieho procesu,
- nedostatok čistej drevenej biomasy núti výrobcov hľadať nové primárne alebo druhotné suroviny vhodné na výrobu ušľachtilých biopalív. Patria sem poľnohospodárske suroviny, vyseparovaný biologický priemyselný alebo separovaný komunálny odpad.
Zhutňovacie stroje nie sú skonštruované pre tieto materiály, a preto dochádza k ich preťaženiu, poruchám a skráteniu životnosti, ako aj k vyšším nákladom na jednotku výroby alebo k ich predimenzovaniu, pretože stroje nemajú optimalizovaný výkon pohonu. To všetko vedie k zvýšenému spotreby energii, čo ďalej vedie k zvyšovaniu cien takýchto biopalív.

Potreba výskumu
V súčasnosti je potrebné vyvinúť a zaviesť do praxe vysoko efektívne zhutňovacie stroje s predĺženou životnosťou ich funkčných častí a zariadení optimalizované na základe presných matematických modelov odvodených z experimentov a strojové zariadenia s nízkymi energetickými a prevádzkovými nákladmi na jednotku zhutneného materiálu. Vďaka takémuto zvýšeniu efektívnosti a zníženiu výrobných nákladov bude možné vyrábať biopalivo za nízke ceny, vďaka čomu bude mať použitie takýchto strojov širšie uplatnenie a náklady na nové palivá budú konkurencieschopné s fosílnymi palivami. Toto je nástroj na dosiahnutie jedného z hlavných cieľov Európskej únie – zvýšenie implementácie obnoviteľných zdrojov energie.
Súčasnosť zámerov projektu potvrdzuje neustále sa zvyšujúci záujem o výrobu nosičov energie, zvyšujúci sa počet používateľov pece na biomasu na výrobu tepla, ako aj pokračujúci rast výroby a spotreby tuhých ušľachtilých biopalív v Európe a na celom svete.
Z uvedených briketovacích lisov, na závitovkových lisoch je možné produkovať brikety s najvyššou kvalitou. Výhodou tohto princípu briketovania je, že na rozdiel od iných technológií sa briketa vytvára kontinuálne. Použitie závitových lisov má celý rad pozitívnych atribútov. Brikety dosahujú vysokú hustotu a dajú sa vyrábať v rôznych tvaroch a veľkostiach. Strojové zariadenie nie je hlučné a nevytvára vibrácie porovnateľné s inými mechanickými lismi. Napriek uvedeným a nepopierateľným výhodám tejto technológie a vhodnosti jej foriem, takéto stroje takmer neexistujú.

* * * * *
Súčasné konštrukcie závitových briketovacích lisov majú niekoľko štrukturálnych nevýhod.
Medzi tieto patrí:
- vysoké opotrebovanie konca skrutky,
- nízka životnosť axiálnych ložísk,
- nutnosť zahrievania rotujúcej závitovky zvnútra počas spustenia stroja,
- nutnosť chladenia rotujúcej závitovky zvnútra počas prevádzky,
- vysoký krútiaci moment na malý priemer hriadeľa závitovky (časté ulomenie hriadeľa).
* * * * *

Popis princípu lisu
Výsledkom analýzy problémov klasických závitovkových briketovacích lisov je návrh novej obrátenej kinematiky závitovkového briketovacieho lisu. Podstata navrhovaného riešenia zhutňovacieho stroja s „obrátenou kinematikou“, [5], (SK 288712) spočíva v tom, že rotačnou časťou stroja je teleso, v ktorom je pevne namontovaná závitovka a v strede rotačného bubna je upevnený nehybný tŕň. Rotačný pohyb vykonáva lisovacia komora, ktorej dôležitou súčasťou je závitovka. A na druhej strane zhutňovací nástroj, ktorý v tomto prípade nazývame tŕň, je pevne držaný v ráme stroja a nevykonáva žiadny pohyb.
Zhutňovací stroj s obrátenou kinematikou sa skladá z troch hlavných konštrukčných častí – lisovacej komory, rotačnej závitovky pevne spojenej s rotujúcou komorou a pevného lisovacieho nástroja, tŕňa.

Obr. 1: Možné kombinácie navrhovaného patentového riešenia
1a valcové telo postupné stúpanie skrutky valcový tŕň
a) valcové telo, postupné stúpanie skrutky, valcový tŕň
1b valcovité telo konštantné stúpanie skrutky kužeľovitý tŕň
b) valcovité telo, konštantné stúpanie skrutky, kužeľovitý tŕň
1c kónické teleso konštantné stúpanie skrutky valcový tŕň
c) kónické teleso, konštantné stúpanie skrutky, valcový tŕň

Každý z troch hlavných konštrukčných prvkov môže byť v rôznych verziách. Lisovacia komora môže mať valcový tvar r (obr. 1a, obr. 1b), alebo kužeľový tvar (obr. 1c). Závitovka môže mať konštantné (obr. 1b, obr. 1c) alebo progresívne stúpanie (obr. 1a). Samotný stacionárny tŕň môže byť tiež valcový (obr. 1a, obr. 1c) alebo kužeľový (obr. 1b), pričom priemer kužeľa sa zväčšuje v smere toku materiálu.
Variabilnú konštrukciu lisu s rotačnou lisovacou komorou a stacionárnym nástrojom podľa patentu SK 288712 tvorí valcová alebo kónická lisovacia komora (1) s výkyvným uložením v jeho axiálnej osi, na ktorej vnútornom kryte je pevne pripevnená držaná otvorená ortogonálna alebo klinogonálna skrutkovica (2) s progresívnym alebo konštantným sklonom.
V osi valcovitej alebo kónickej lisovacej komory (1) je pevne pripevnený valcový alebo kónický stacionárny nástroj (4) v ráme (3). Lisovacia komora (1) je hnací mechanizmus (5) spojený s pohyblivou jednotkou (6) buď priamo, alebo prostredníctvom prevodovky. Navrhované možnosti vytvorenia ôsmich základných kombinácií riešení pre lisovací stroj s inverznou kinematikou, (tab. 1).

Tab 1 Kombinatorika riešenia
Tab. 1: Kombinatorika riešenia

Zhutňovací stroj s obrátenou kinematikou prináša množstvo výhod:
- Nízka potreba energie vďaka rotujúcemu bubnu. Pri rotácii väčšieho priemeru stačí nižší krútiaci moment na výrobu lisovacej sily rovnako veľkej ako v prípade konvenčného prístroja,
- Jednoduchšie konštrukčné riešenie pre chladenie / ohrev lisovacieho stroja vďaka tuhej nehybnej montáži,
- Konštrukcia eliminuje opotrebovanie predných častí závitovky viac ako pri klasickom dizajne. V navrhovanom riešení nie je hrot stacionárneho nástroja formovaný, neotáča sa a nachádza sa vo fáze procesu, ktorú je možné nazvať kalibrovaním / zhutňovaním.
- Ložiská, na ktorých je namontovaná rotačná kompresná komora, nie sú axiálne zaťažené, pretože sila pôsobí v kriticky malom priemere.

Výroba funkčného modelu
Výroba funkčného modelu bola náročná. Najväčším problémom bolo rozhodnutie, pre ktorý z možných variantov sa rozhodnúť. Základnú konštrukciu funkčného modelu sme pritom navrhli tak, aby bolo možné meniť tak samotnú lisovaciu komoru, ako aj valcový alebo kónický stacionárny nástroj. Najproblémovejšou súčiastkou, ktorú sme vyrábali, bola práve lisovacia komora s pevnou závitovkou na vnútornej strane. Pri návrhu technológie výroby sme zistili, že vlastne takúto komoru nie je možné vyrobiť klasickými technológiami trieskového obrábania. Komoru by bolo možné vyrobiť napríklad aditívnou technológiou alebo odlievaním. Pri výrobe z kovového prášku na 3D tlačiarni ale nie je zaručená požadovaná pevnosť a pri výrobe komory odlievaním z oceľoliatiny by bola jednak forma veľmi náročná, z vnútornej strany na závitoch by mohli vznikať lunkre a nebolo by možné dokončiť povrch závitovky. Rozbor technológie výroby trieskovým obrábaním ukázal, že lisovacia komora s vnútorným závitom musí byť vyrobená minimálne z dvoch kusov, (obr. 2).

Obr. 2: Pohľad na lisovaciu komoru
2a rozobraná komora
a) rozobraná komora
2b zmontovaná komora
b) zmontovaná komora

Testovanie funkčného modelu
Prvé skúšky potvrdili, že navrhnutý princíp lisu je správny. Materiál sa v lisovacej komore posúval a formoval sa do výsledného tvaru brikety. Svedčí o tom aj kontrolná demontáž jednej polovice lisovacej komory, (obr. 3a). Na strane druhej, aj keď mal na výstupe z komory požadovaný tvar (obr. 3b), v dôsledku malej hustoty výlisku sa po opustení lisovacej komory svojvoľne rozpadol. Druhým veľmi dôležitým výsledkom prvých skúšok je nedostatočné dávkovanie suroviny na vstupe do lisovacej komory a zlé posúvanie výlisku v komore.
Na základe následnej analýzy sme dedukovali nasledovné príčiny nízkej hustotu výlisku a jeho zlého posúvania v lisovacej komore. Identifikovali sme tri možné príčiny nedostatočného zhutňovania danej suroviny. Je to nesprávna konštrukcia lisovacej závitovky, nízke frekvencie otáčania komory, nedostatočný kužeľ brzdiaceho strmeňa a malý otvor vstupného hrdla.

Obr. 3: Pohľad na lisovanú surovinu
3a pohľad do demontovanej časti komory
a) pohľad do demontovanej časti komory
3b surovina vystupujúca z komory
b) surovina vystupujúca z komory

Nízka hustota výlisku
Je spôsobená konštantným stúpaním závitovky v lisovacej komore a nedostatočným plnením suroviny na vstupe do lisovacej komory. Podľa Johansonovej teórie platí pre pomer hustoty ρ a objemu V pred a po lisovaní nasledovný vzťah:

rov1

K tomu aby sme dosiahli požadovanú hustotu výlisku ≥ 1 kg/dm3. Podľa druhu zhutňovanej suroviny je žiadúce zmenšenie objemu

rov2

To sa dá dosiahnuť kombináciou progresívneho stúpania závitovky a kužeľovitosťou stredového tŕňa. Pri zohľadnení náročnosti výroby prvej verzie lisovacej komory so závitovkou sme hľadali a navrhli nový spôsob výroby lisovacej komory tak, aby bolo možné pri jednotlivých variantoch meniť veľkosť stúpania závitovky. Komora sa skladá zo závitnice (obr. 4a) a hrubostennej rúry s hrdlami (obr. 4b).

Obr. 4: Nová závitovková komora
4a vyrobená závitnica
a) vyrobená závitnica
4b pohľad do lisovacej komory
b) pohľad do lisovacej komory

Zmena konštrukcie plnenia lisovacej komory
Ďalším z konštrukčných úprav, ku ktorým sme pristúpili, bola zmena spôsobu plnenia lisovacej komory spracovanou surovinou. Pôvodný návrh uvažoval s plnením komory z vrchu, pričom vektor vstupu suroviny a os rotácie lisovacej komory pritom vytvárali 90° uhol. Pôvodne sme navrhovali plnenie z čela lisovacej komory avšak z konštrukčného hľadiska to nie je možné. Optimálny je z nášho pohľadu vstup suroviny z boku pod uhlom stúpania závitovky, (obr. 5).

Obr. 5: Vstupná časť modelu
5a vstupný frézovací závit
a) vstupný frézovací závit
5b nový vstup do lisovacej komory
b) nový vstup do lisovacej komory

Úprava stredového tŕňa
Ďalším problémom konštrukcie, ktorý riešime, je brzdenie lisovanej suroviny stredovým tŕňom tak, aby sa lisovaná surovina nepretáčala, ale posúvala v lisovacej závitovke. Aby bola táto podmienka splnená, musí byť trenie medzi stredovým tŕňom a surovinou vyššie ako je trenie medzi surovinou a závitovkou. Keď sa nám podarí túto podmienku splniť, surovina sa nebude otáčať v závitovke, ale sa bude posúvať rovnobežne s osou rotácie smerom k výstupu z lisovacej komory. Ako už bolo spomenuté, nevýhodou navrhnutého riešenia je malý kužeľ stredového tŕňa. Podstatou navrhnutej konštrukčnej úpravy stredového tŕňa je vyfrézovanie pozdĺžnych drážok na tŕň (obr. 6b), tak aby sa čo v najväčšej miere zabránilo pretáčaniu suroviny.

Obr. 6: Tŕň
6a pôvodné riešenie tŕňa 6b pozdĺžne drážky v tŕni
a) pôvodné riešenie tŕňa b) pozdĺžne drážky v tŕni

Záver
Na základe uvedených skutočností sme v súčasnosti navrhli tri základné úpravy funkčného modelu závitovkového zhutňovacieho stroja s obrátenou kinematikou. Za účelom zlepšenia technológie zhutňovania sme navrhli a realizujeme tri úpravy:
- úpravu konštrukcie lisovacej komory s možnosťou jednoduchšej výroby možnosťou jednoduchšej zmeny stúpania lisovacej závitovky,
- úpravu konštrukcie a zmenu orientácie vstupnej plniacej komory tak, aby sme dosiahli požadované množstvo plnenej suroviny,
- úpravu samotného stredového tŕňa tak, aby sme dosiahli posúvanie zhutňovanej suroviny v závitovke bez možnosti jej pretáčania, tým že do existujúceho tŕňa sme vyfrézovali pozdĺžne drážky. Súčasne prebieha teoretická analýza určenia veľkosti trenia, ktoré musí byť vyššie medzi tŕňom a surovinou ako medzi závitovkou a surovinou. To je základný predpoklad na fungovanie nového princípu zhutňovacieho stroja

Na základe dosiahnutých skúšok konštatujeme, že ciele riešeného projektu za rok 2021 boli splnené z pohľadu vykonaných konštrukčných prác. Až ďalšie skúšky ukážu ako uvedené úpravy prispejú k zlepšeniu procesu lisovania. Paralelne s výrobou a úpravou jednotlivých častí funkčného modelu sa začali realizovať aj skúšky zhutňovania rôznych druhov surovín. Veríme, že nepriaznivá pandemická situácia negatívne neovplyvní hlavne množstvo experimentálnych skúšok, pretože už tri mesiace nemôžeme vykonávať experimentálne skúšky v laboratóriách a na realizáciu úprav a skúšok máme len šesť zostávajúcich mesiacov.

Poďakovanie
Výskum uvedený v tomto dokumente je výsledkom projektu č. APVV-18-0505 „Vývoj originálnej konštrukcie zhutňovacieho lisu s obrátenou kinematikou“ financovaného Slovenskou agentúrou pre výskum a vývoj.

text/foto Prof. Ing. Ľubomír Šooš, PhD., Ing. Jozef Babics, Ing. Iveta Čačková, PhD., Ing. Viliam Čačko, PhD., Strojnícka fakulta STU Bratislava;
Prof. Ing. Pavel Kováč, PhD., University of Novi Sad, Faculty of Technical Sciences

Literatúra
[1] ŠOOŠ, Ľubomír. Research and development of the new progressive construction press machines. In Renewable Energy: Technologies and Applications. 1. vyd. Londýn: IntechOpen, 2021, S. 303 – 327. ISBN 978-1-83881-000-9. Ľ. Šooš, S. Korgo, The Effect of Wood Humidity on Briquet Quality, 5th Conference on Environment and Mineral Processing (part. 2), pp. 577-583, 2002
[2] KRIŽAN, Peter – ŠOOŠ, Ľubomír – POKUSOVÁ, Marcela – MATÚŠ, Miloš. Materiály pre nástroje zhutňovacích strojov. 1. vyd. Bratislava F.X. spol. s r.o. 2017. 257 s. ISBN 978-8089313-62-4.
[3] MATÚŠ, Miloš – KRIŽAN, Peter – BENIAK, Juraj – ŠOOŠ, Ľubomír. Equipment for research of parameters in compression and extrusion of materials. In Research Inventy: International Journal of Engineering And Science. Vol. 11, No. 1 (2021), s. 35 – 41. ISSN 2278-4721 (e).
[4] ŠOOŠ, Ľubomír – KOLLÁTH, Ľudovít – KOVAČ, Pavel – ONDEROVÁ, Iveta. Zhutňovací stroj s obrátenou kinematikou. In Vykurovanie 2021 [elektronický zdroj]: zborník prednášok z 29. medzinárodnej vedecko-odbornej konferencie na tému – Alternatívne zdroje energie pre budovy s takmer nulovou potrebou energie. Horný Smokovec, Vysoké Tatry, 21. – 25. jún 2021. 1. vyd. Bratislava: Slovenská spoločnosť pre techniku prostredia, 2021, S. 275 – 280. ISBN 978-80-89878-72-7.
[5] ŠOOŠ, Ľubomír – ŠTEFANKA, Marek – ONDRUŠKA, Juraj – KRIŽAN, Peter – MATÚŠ, Miloš. SK 288712 Zhutňovací stroj s rotujúcim bubnom a nehybným tŕňom. https://wbr.indprop.gov.sk/WebRegistre/Patent/Detail/5022-2015
[6] ŠOOŠ, Ľubomír – ŠTEFANKA, Marek – ONDRUŠKA, Juraj – KRIŽAN, Peter – MATÚŠ, Miloš. UV 7380 Zhutňovací stroj s obrátenou kinematikou
https://wbr.indprop.gov.sk/WebRegistre/UzitkovyVzor/Detail/5011-2015