基于生物质碾压成型机理的成型能耗影响因素研究

论文摘要

生物质固体成型技术可使松散的生物质致密化,变低品位能源为中上等品味能源,已成为规模化利用生物质能源的一种有效途径。但是目前该技术发展存在一些瓶颈,如微观机理研究的欠缺、产品设备能耗过高、设备寿命短等问题,因此,开展相关生物质固体成型技术的研究对于生物质能源的广泛利用具有重要意义。本文以生物质压块成型机为研究对象,以降低生物质压块机能耗为总线,从生物质物料的成型微观机理、环模的静态力学特性及结构参数着手,探求了物料的生物构造、理化性质以及微观力学特性对成型过程的影响规律,提出了碾压成型机理,从微观机理方面降低了生物质成型机能耗；通过成型区受力分析,以求获得最佳环模结构参数；之后基于大变形弹塑性理论,分析生物质成型过程的弹塑性特性,借助于ANSYS有限元分析软件对成型过程进行非线性接触静力学模拟,揭示了物料在成型过程的流变特性及环模与物料的应力应变规律,不仅验证了之前微观机理的正确性,同时为设备结构的优化提供理论依据；最后搭建物料压缩成型试验台,获得了物料成型时最佳的成型条件与工艺参数并验证了有限元模拟结果的正确性。课题以生物质成型的微观机理与大变形弹塑性理论为基础,采用静力学分析、有限元模拟以及现场实验多种研究手段,从物料特性、环模设备结构参数、成型工艺条件多角度探讨如何降低生物质成型能耗。最终,基于应力偏张量理论,提出了碾压成型机理,即增大物料所受的偏张量,促使物料更好地滑移、摩擦、交织,从而减少成型能耗；采用静力学分析方法,获得成型区可实现制块的最佳攫入角与物料高度,得到环模与压辊的直径比及间隙调整准则,并且详尽分析了基于碾压成型机理的物料受力情况,通过对比分析碾压成型与传统方法下物料变形后的微观结构,验证碾压成型机理的正确性；通过有限元模拟计算,揭示了环模成型过程中物料的流变规律,得到物料轴向应力分布规律以及物料所受摩擦力随时间变化图,为生物质成型设备的优化奠定了理论基础；最后采用电子万能实验机,对影响成型的环模转速、环模长径比与环模开口角度以及物料含水率等成型条件与工艺参数进行试验分析,获得了降低生物质成型机能耗的最佳参数。

论文目录

• 目录
• Contents
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究意义
• 1.3 成型技术国内外研究现状
• 1.3.1 压缩成型压力与压缩密度关系研究
• 1.3.2 压缩成型过程中的流变学研究
• 1.3.3 影响压缩成型的主要因素及成型模具研究
• 1.3.4 比能耗的研究
• 1.4 存在问题
• 1.5 课题研究内容
• 第二章 生物质固体成型微观机理
• 2.1 生物质固体成型微观机理
• 2.1.1 生物质的基本构造
• 2.1.2 生物质的化学性质
• 2.1.3 成型过程中生物质内部粒子形变规律
• 2.1.4 成型过程中力学性质
• 2.1.5 成型过程的粘接机制
• 2.2 玉米秸秆原料特性
• 2.3 本章小结
• 第三章 环模的力学特性及对结构的影响
• 3.1 低能耗秸秆压块成型设备工作过程简介
• 3.2 环模压块成型机工作原理
• 3.3 环模压块机能量消耗形式
• 3.4 环模压块机制块的力学条件分析
• 3.4.1 攫入角β的确定
• 3.4.2 物料层高度确定
• 3.5 成型区受力状况
• 3.5.1 环模受力
• 3.5.2 压辊受力
• 3.5.3 物料受力
• 3.6 环模与压辊尺寸分析
• 3.6.1 环模压辊直径比
• 3.6.2 环模与压辊工作间隙
• 3.7 成型过程力学分析
• L与径向压应力F_R的关系'>3.7.1 轴向压应力F_L与径向压应力F_R的关系
• L与径向压应力F_R沿原料运动方向上的分布规律'>3.7.2 轴向压应力F_L与径向压应力F_R沿原料运动方向上的分布规律
• 3.8 碾压成型受力规律
• 3.9 本章小结
• 第四章 生物质压缩成型过程有限元模拟
• 4.1 有限元法简介
• 4.2 弹塑性有限元法
• 4.2.1 弹塑性变形理论
• 4.2.2 生物质形变流变准则
• 4.2.3 弹塑性本构关系
• 4.2.4 成型过程非线性接触
• 4.3 环模几何模型的建立
• 4.4 选取单元类型及定义材料参数
• 4.5 建立接触副
• 4.6 施加载荷并求解
• 4.7 模拟结果分析
• 4.7.1 物料的流动变形
• 4.7.2 物料的应力和应变
• 4.7.3 接触部分摩擦力分布情况
• 4.7.4 环模开口角度对压缩成型效果的影响
• 4.8 本章小结
• 第五章 生物质压块能耗实验研究
• 5.1 实验材料与方法
• 5.1.1 生物质原料
• 5.1.2 实验装置
• 5.1.3 实验方法
• 5.2 试验结果与分析
• 5.2.1 不同的压缩速度下的成型实验结果
• 5.2.2 不同含水率下的成型实验结果
• 5.2.3 不同长径比下压缩成型实验结果
• 5.2.4 不同环模口锥度下压缩成型实验结果
• 5.3 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表