NICOLAE FARCAŞ
UTILAJE TEHNOLOGICE
Şef de lucrări dr.ing. NICOLAE FARCAŞ
UTILAJE TEHNOLOGICE
Bucureşti 2006
Prefaţă
CUPRINS
1. NOŢIUNI INTRODUCTIVE Utilajele din industria alimentară şi alimentaţie publică sunt maşini de lucru utilizate pentru efectuarea unor operaţiuni diversificate în cadrul procesului de producţie. Aceste maşini trebuie să îndeplinească o serie de condiţii: - realizarea unor operaţiuni de calitate superioară; - consumuri energetice reduse iar costurile pe unitatea de produs să fie cât mai mici; - posibilitatea creşterii gradului de automatizare a unor operaţiuni din cadrul proceselor de producţie; - creşterea productivităţii muncii; - deservirea utilajelor să fie cât mai facilă; - utilajele să fie prevăzute cu aparatură de măsură şi control a funcţionării acestora; - liniile tehnologice să fie prevăzute cu dispozitive de siguranţă care să permită blocarea lor în cazul defectării unei maşini. Clasificarea utilajelor tehnologice se poate face după următoarele criterii principale: a). După ciclul de lucru se împart în: - maşini şi utilaje cu acţiune sau funcţionare continuă; - maşini şi utilaje cu acţiune sau funcţionare periodică. b). După tipul acţiunii se împart în: - maşini şi utilaje cu acţiune mecanică asupra produsului (cu schimbarea formei şi dimensiunilor); - maşini şi utilaje cu acţiuni fizico-chimice ale produselor). c) După gradul de automatizare se împart în: - maşini şi utilaje fără elemente de automatizare la care cea mai mare parte din operaţiuni sunt realizate prin intervenţia omului (încărcare, descărcare, deplasare, etc);
-
maşini şi utilaje semiautomate la care procesele tehnologice sunt realizate automat iar procesele auxiliare (transport, control) sunt realizate manual; - maşini şi utilaje automate la care atât procesele tehnologice cât şi cele auxiliare sunt realizate automat. d) După tipul operaţiunii executate se împart în: - maşini şi utilaje pentru mărunţire; - maşini şi utilaje pentru amestecare; - maşini şi utilaje pentruspălare; - maşini şi utilaje pentrudozare; - maşini şi utilaje pentru ambalare; - etc. e) După numărul de operaţiuni executate se împart în: - maşini individuale (care execută o singură operaţiune); - maşini complexe (care execută operaţiuni complexe). Sistema de maşini trebuie să acopere toate operaţiunile din cadrul procesului de producţie. Această sistemă se bazează pe analiza unor factori: - tehnico – organizatorici – gruparea raţională a agregatelor de producţie, mecanizarea proceselor de producţie, automatizarea controlului, etc; - tehnologici – proprietăţile materiei prime, caracterul proceselor de producţie; - energetici – echilibrul permanent între material şi energie. Fluxul tehnologic reprezintă circulaţia continuă a materiei prime, în succesiunea operaţiilor dintr-un proces de producţie. După caracterul producţiei continue se deosebesc: - fluxuri pe o singură linie – în care dintr-un anumit tip de materie primă se fabrică un singur tip de produs finit omogen; - fluxuri pe mai multe linii – cu o linie principală şi mai multe linii auxiliare.
Utilajul reprezintă totalitatea uneltelor, aparatelor, maşinilor, etc., necesare pentru efectuarea unei anumite lucrări din cadrul procesului de producţie. Linia tehnologică reprezintă un ansamblu de maşini de lucru, instalaţii şi mijloace de transport, dispuse în ordinea succesiunii operaţiilor de fabricare.
MATERIALE UTILIZATE ÎN CONSTRUCŢIA ŞI EXPLOATAREA UTILAJELOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARĂ Materialele folosite în construcţia şi exploatarea utilajelor tehnologice sunt în general materiale metalice şi nemetalice. Pe lângă acestea, în exploatarea utilajelor se mai folosesc combustibilii şi lubrifianţii. Astfel, materialele utilizate se împart în : Materiale metalice: - feroase ; - neferoase. Materiale nemetalice. Combustibili şi lubrifianţi. Recunoaşterea materialelor se face după proprietăţile lor şi anume : proprietăţi fizice : -luciul ; -culoarea ; -structura ; -conductibilitatea termică şi electrică – proprietatea materialelor metalice de a conduce căldura şi electricitatea ; -dilatabilitatea – însuşirea materialelor metalice de a-şi mări volumul la creşterea temperaturii ; -fuzibilitatea – însuşirea materialelor metalice de a se topi. proprietăţi chimice : -oxidarea – reacţia prin care o substanţă se combină cu oxigenul. proprietăţi mecanice : -duritatea – caracterizează rezistenţa opusă de materialul metalic la pătrunderea în el a unui corp cu o duritate mai mare ; -maleabilitatea – proprietatea unor materiale de a se deforma permanent, fără fisurare (ex. laminarea în foi subţiri) ; -tenacitatea – proprietatea unui material metalic de a prezenta deformaţii plastice mari, înainte de a se rupe ;
-elasticitatea – proprietatea unui material metalic deformabil de a reveni la forma şi dimensiunile iniţiale ; -rezistenţa – proprietatea materialelor solide de a se opune acţiunilor mecanice care tind să le deformeze sau să le rupă (rezistenţa la forfecare, compresiune, întindere, răsucire, etc) ; -rezistenţa la coroziune – proprietatea unui material de a se opune acţiunilor distructive ale agenţilor fizico-chimici din exterior ; -rezistenţa la uzură – proprietatea materialelor de a se opune distrugerii prin frecare ; -plasticitatea – proprietatea materialelor de a nu reveni la forma iniţială după deformare. proprietăţi tehnologice : -forjabilitatea – proprietatea unui material metalic de a se deforma fără fisurare sub influenţa unor acţiuni de ciocănire sau presare (la cald sau la rece) ; -sudabilitatea – proprietatea materialului metalic de a putea fi sudat. etc. 2.1. Materiale metalice feroase Aceste materiale sunt reprezentate prin fonte şi oţeluri. Fonta reprezintă un aliaj fier – carbon (Fe + C) care conţine între 1,7-6,67 % C. Pe lângă acestea mai cuprinde elemente însoţitoare (Mn, Si, P şi S) sau de aliere (Cr, Ni, Mo, Cu, Al, Mg, etc.). Se obţine din minereurile de fier în urma topirii acestora. Fonta se utilizează ca materie primă pentru obţinerea oţelurilor şi a pieselor turnate. Fontele se clasifică în : fonte ordinare (fonta cenuşie, fonta albă, fonta maleabilă şi fonta cu grafit nodular) ; fonte speciale sau aliate (fontele refractare, antifricţiune şi înalt aliate) ; Fonta cenuşie (fonta cu grafit lamelar) datorită grafitului ce intră în compoziţia sa se prelucrează uşor prin aşchiere, este rezistentă la uzură , coroziune şi compresiune. Din ea se obţin piese prin turnare.
Fonta albă are o mare duritate şi fragilitate şi un conţinut bogat în siliciu şi mangan. Din ea se obţin piese prin turnare, care trebuie să aibă suprafeţe dure. Fonta maleabilă (fonta cu grafit în cuiburi) se obţine din fonta albă în urma unei încălziri la temperaturi ridicate urmată de o răcire lentă (procedeu de maleabilizare. Din ea sunt relizate piese care trebuie să aibă rezistenţă mare la şoc, presiune şi oboseală. Fonta cu grafit nodular este o fontă superioară obţinută prin modificarea compoziţiei chimice a fontei cenuşii (adăugare de elemente grafitizante). Din ea sunt realizate piese importante care au calităţi apropiate cu a celor din oţel (arbori, roţi dinţate, etc). Fonta refractară are un conţinut mare de Cr, Mn şi Si , fiind utilizată pentru obţinerea pieselor care trebuie să reziste la temperaturi ridicate şi la oxidare. Fonta antifricţiune are un conţinut ridicat de Cr, Ni, Mn, Mo, Al, Mg, Cu şi Si. Din ea sunt realizate piese cu rezistenţă mare la uzură (cilindri, arbori, etc). Fonta înalt aliată are în compoziţie Ni, Si, Al şi este utilizată în construcţia unor repere din instalaţiile de prelucrare a vinului, industria chimică şi alimentară. Oţelul reprezintă un aliaj fier – carbon (Fe + C) care are un conţinut de 0,04 – 1,7 % C. Se obţine din fontă prin oxidarea acesteia. Din oţel se obţin piese prin turnare, laminare, forjare, prelucrare prin aşchiere, etc. Oţelurile se împart în : -oţeluri de uz general (oţeluri carbon) utilizate la obţinerea majorităţii reperelor de la tractoare şi maşini agricole (ex. oţeluri pentru scule, oţeluri pentru ţevi, oţeluri pentru arcuri, oţeluri rezistente la coroziune, oţeluri refractare, etc.). -oţeluri aliate cu Ni, Cr, Si, Co, W, Mn, Ti, Va, Al, Cu, pentru îmbunătăţirea proprietăţilor mecanice, fizice şi chimice. Sunt utilizate pentru obţinerea unor piese cu rezistenţă mare la uzură, oxidare, şi temperaturi ridicate. Pentru îmbunătăţirea proprietăţilor pieselor din oţel, acestea pot fi supuse unor tratamente termice şi termochimice.
Tratamentele termice aplicate pieselor din oţel sunt următoarele : călirea, revenirea, recoacerea. Călirea este tratamentul termic aplicat pieselor din oţel pentru mărirea rezistenţei şi a durităţii. Tratamentul constă în încălzirea pieselor la o temperatură de 800 – 850 0 C, urmată de o răcire bruscă în apă, ulei sau soluţie de săruri. Revenirea este tratamentul termic aplicat pieselor din oţel după ce au fost călite, pentru înlăturarea tensiunilor interioare şi micşorarea fragilităţii. Tratamentul constă în încălzirea pieselor la temperaturi de 300 – 350 0 C, urmată de o răcire lentă în aer. Recoacerea este tratamentul termic aplicat pieselor din oţel turnate, laminate sau forjate pentru anularea tensiunilor interioare în vederea executării altor prelucrări. Tratamentul constă în încălzirea pieselor la temperaturi de 800 – 900 0 C urmată de o răcire lentă. Tratamentele termochimice aplicate pieselor din oţel sunt următoarele : cementarea, nitrurarea, cromizarea, aluminizarea, etc . Aceste tratamente se execută pentru mărirea durităţii şi rezistenţei la uzură, coroziune. Tratamentele constau în modificarea compoziţiei chimice a straturilor superficiale ale pieselor din oţel. Piesele se încălzesc la temperaturi de 900 – 1000 0 C în medii bogate în carbon, azot, sau alte substanţe. Grosimea stratului îmbogăţit va fi în funcţie de durata de încălzire. 2.2. Materiale metalice neferoase În construcţia şi exploatarea utilajelor tehnologice sunt utilizate materiale metalice neferoase reprezentate prin metale neferoase (cuprul, staniul, zincul, aluminiul, plumbul,etc.) şi aliaje neferoase (bronzul, alama, duraluminiul, aliajul antifricţiune). Cuprul (Cu) sau arama este un metal neferos de culoare roşiatică, maleabil, ductil, cu o foarte bună conductibilitate electrică şi termică şi rezistent la coroziune. Este utilizat pentru confecţionarea conductorilor electrici, conductelor, garniturilor,
etc., şi ca element de aliere în obţinerea bronzurilor, alamei şi duraluminiului. Staniul (Sn) este un metal neferos de culoare alb - argintie, maleabil, ductil şi rezistent la coroziune. Se foloseşte la cositorirea tablelor din oţel, material de aport pentru lipirea moale şi ca element de aliere pentru obţinerea bronzului şi aliajului antifricţiune. Zincul (Zn) este un metal neferos de culoare alb – albăstruie, maleabil în intervalul de temperatură de 100 – 150 0 C, cu rezistenţă mare la coroziune. Este utilizat pentru acoperiri galvanice ale tablelor din oţel (tablă zincată) şi ca element de aliere în obţinerea alamei. Aluminiul (Al) este un metal neferos de culoare argintie, cu o foarte bună conductibilitate termică şi electrică, greutate specifică mică, rezistent la solicitări mecanice şi la oxidare. Este utilizat pentru confecţionarea conductorilor electrici, conductelor, pieselor turnate, etc. Plumbul este un metal neferos de culoare cenuşiu – albăstruie, maleabil şi rezistent la coroziune. Este folosit la confecţionarea conductelor, fabricarea plăcilor pentru acumulatorii electrici şi la obţinerea aliajelor antifricţiune. Bronzul este un aliaj neferos de culoare alb – roşcat, obţinut din Cu şi Sn. Este folosit la realizarea lagărelor cu frecare de alunecare (cuzineţi, bucşe) iar prin alierea cuprului cu Al, Zn, Pb, Ni, rezultă bronzurile speciale. Alama este un aliaj neferos de culoare roşie – gălbuie, obţinut din Cu şi Zn. Este utilizată la confecţionarea conductelor, recipienţilor, robineţilor şi ca material de aport la lipirea tare (alămire). Duraluminiul este un aliaj neferos obţinut din Al şi Cu, cu o mare rezistenţă mecanică, folosit la realizarea blocurilor motoare, chiulase, pistoane. Aliajul antifricţiune se obţine prin alierea unor metale neferoase precum Sn, Pb, Zn, Sb. Cele mai utilizate aliaje antifricţiune sunt cele pe bază de Sn şi Pb, din care se obţin lagărele.
2.3. Materiale nemetalice În construcţia de utilaje tehnologice se folosesc următoarele materiale nemetalice : lemnul, sticla, pielea tehnică, cauciucul, fibrele textile, masele plastice, hârtia şi cartonul, materiale ceramice, ferodoul, klingheritul, ebonita, lacurile şi vopselurile, etc. Lemnul se utilizează la confecţionarea ambalajelor din agricultură, platformelor , a unor piese de la maşinile agricole şi combustibil pentru foc. Este un material higroscopic, supus putrezirii şi arderii, cu masă specifică mică, se prelucrează uşor şi rezistă bine la şocuri. Sticla este o topitură de silicaţi răcită brusc. Se utilizează pentru obţinerea de geamuri, recipienţi, lămpi, faruri, etc. Este un material transparent, fără conductibilitate termică şi electrică. Pielea tehnică obţinută din pielea animalelor (în general de bovine), prelucrată prin tăbăcire. Se utilizează pentru confecţionarea curelelor de transmisie, garniturilor de etanşare, membranelor,etc. Cauciucul natural sau sintetic este folosit la confecţionarea anvelopelor, benzilor transportoare, curelelor de transmisie, învelişurilor pentru cablurile electrice, garniturilor, etc. Este caracterizat prin elasticitate, rezistenţă bună la rupere şi nu este higroscopic. Fibrele textile sunt utilizate pentru confecţionarea elementelor de filtrare, curelelor de transmisie, benzilor transportoare, garniturilor de etanşare. Ele pot fi de origine vegetală (bumbac, cânepă), de origine animală (păr, lână) şi de origine minerală (azbest). Masele plastice sunt utilizate pentru obţinerea unei mari diversităţi de organe de maşini. Din mase plastice se realizează roţi dinţate, tuburi flexibile, flanşe, robinete, izolatori electrici, organe de lucru ale maşinilor agricole. Materialele plastice sunt reprezentate prin policlorura de vinil, polietilena, polistirenul, bachelita, textolitul, etc.
Hârtia şi cartonul sunt utilizate la obţinerea de garnituri, elemente de filtrare, etc. Sunt obţinute din celuloză prin prelucrarea materialelor vegetale. Materialele ceramice sunt folosite la realizarea unor elemente electroizolante. Au masă specifică redusă şi duritate mare. Ferodoul se obţine din azbest şi inserţii metalice neferoase. Are un coeficient de frecare mare, rezistent la temperatură şi uzură. Din el sunt realizate discurile de fricţiune ale ambreiajelor şi frânelor. Klingheritul este un amestec de azbest (70 %) şi cauciuc (30 %), fiind utilizat la realizarea garniturilor de etanşare (garnitura de chiulasă). Ebonita este obţinută prin amestecul cauciucului brut cu plastifiante şi sulf. Este un material electroizolant, utilizat pentru confecţionarea unor carcase electroizolante, piese turnate, tuburi, bare, roţi dinţate, etc. Lacurile şi vopselurile sunt folosite pentru acoperirea suprafeţelor din metal şi lemn pentru a le proteja de acţiunea corozivă a agenţilor fizici şi chimici.
3. ORGANE DE MAŞINI ŞI MECANISME UTILIZATE ÎN CONSTRUCŢIA ŞI EXPLOATAREA UTILAJELOR TEHNOLOGICE 3.1. Aspecte generale Organul de maşină reprezintă partea componentă a unui utilaj sau maşină, cu rol funcţional bine definit şi care stă la baza construcţiei de subansamble. Organele de maşini pot fi alcătuite dintr-o singură piesă sau dintr-o structură mai complexă formată din mai multe elemente simple. Organele de maşini pot fi împărţite în următoarele grupe: 1. Organe de maşini pentru asamblări - demontabile (şuruburi, pene, caneluri, etc); - nedemontabile (nituri, sudare, lipire); - elastice (arcuri). 2. Organe de maşini pentru susţinerea mişcării de rotaţie (lagăre, arbori, osii); 3. Organe de maşini pentru transformarea mişcării (mecanismul bielă-manivelă, mecanismul cu camă, mecanismul cremalieră, etc). 4. Organe de maşini pentru transmiterea mişcării de rotaţie (transmisii cu roţi de fricţiune, transmisii cu curele, transmisii cu roţi dinţate, transmisii cu lanţuri). 5. Organe de maşini pentru mecanismele de cuplare (cuplajele). 3.2. Organe de maşini pentru asamblări filetate – şuruburile În cele mai multe dintre situaţii, îmbinarea filetată cuprinde: şurubul, piuliţa şi elementul de asigurare împotriva desfacerii accidentale. Piuliţa poate lipsi atunci când înşurubarea se face direct în elementele asamblării.
Şurubul este format dintr-un cap de diferite forme (hexagonal, pătrat, eliptic, cilindric, tronconic, înecat) şi o tijă cu o porţiune filetată. Filetul şurubului este caracterizat printr-o serie de parametrii: pas, profil şi adâncime. Pasul filetului reprezintă distanţa parcursă de un punct de pe filet, pe direcţia generatoarei, la rotirea şurubului cu 3600. Profilul filetului poate fi: dreptunghiular, pătrat, trapezoidal (pentru transmiterea mişcării) triunghiular (pentru şuruburile de fixare). Şuruburile pot fi prevăzute cu filetul pe stânga sau pe dreapta, cu unul sau mai multe începuturi. Piuliţele pot avea şi ele forme diferite: hexagonală, pătrată, crenelată, fluture, etc. Ele prezintă un filet interior care trebuie să aibă aceleaşi valori ale parametrilor în vederea realizării unei îmbinări şurub-piuliţă. Pentru asigurarea împotriva desfacerii sunt utilizate diferite elemente reprezentate prin: piuliţa crenelată şi cuiul spintecat, şaibele plate şi elastice, contrapiuliţa, etc. 3.3. Asamblări demontabile prin pene Sunt organe de maşini utilizate pentru solidarizarea a doi arbori aflaţi unul în prelungirea celuilalt sau pentru asamblarea roţilor pe arbori. Asamblările prin pene se împart în două categorii: - pene transversale – se montează perpendicular pe axele elementelor îmbinate; - pene longitudinale – se montează paralel cu axul arborelui. După modul în care transmit momentul de torsiune, penele se împart în: - pene paralele şi pene disc – care transmit prin formă; - pene înclinate – care transmit prin frecare;
-
pene tangenţiale – care transmit prin formă şi prin frecare. 3.4. Asamblări demontabile prin caneluri
Canelurile sunt canale practicate pe arbore (pe direcţia longitudinală) şi în butucul roţilor şi se folosesc pentru solidarizarea roţilor, tamburilor pe arbori. Se întâlnesc trei forme standardizate de caneluri (profile): - profil dreptunghiular (au cea mai mare răspândire pentru asamblări fixe şi mobile); - profil triunghiular (numai pentru asamblări fixe); - profil evolventic (corespunzător profilului dinţilor roţilor dinţate). 3.5. Asamblări nedemontabile prin intermediul niturilor Niturile sunt organe de maşini pentru asamblări nedemontabile (acele îmbinări la care pentru desfacere se distruge organul de îmbinare). Un nit este format dintr-o tijă cilindrică care prezintă la extremitate un cap iniţial, de forme diferite (semirotund, cilindric, semiînecat, tronconic, înecat, etc). În urma operaţiunii de nituire se formează cel de-al doilea cap denumit cap de închidere. Operaţiunea de nituire se poate realiza prin suprapunerea pieselor ce urmează a fi îmbinate sau prin dispunerea lor cap la cap cu ajutorul unor eclise. După destinaţie, niturile se împart în 3 categorii: - nituri de rezistenţă; - nituri de etanşare; - nituri de rezistenţă şi etanşare. 3.6. Asamblarea nedemontabilă prin sudare
Sudarea reprezintă procedeul de îmbinare nedemontabilă cu sau fără material de aport, prin aducerea suprafeţelor elementelor de îmbinat la starea de topire. Se întâlnesc mai multe procedee de sudură, respectiv: - sudura electrică; - sudura oxiacetilenică; - sudura cu plasmă; - sudura prin presiune; - sudura cu laser; - sudura cu flux de electroni. Sudura este folosită în construcţiile metalice, construcţiile de maşini şi utilaje, etc. Din punct de vedere al metodei folosite, îmbinările sudate se împart în: - îmbinări sudate prin dispunere cap la cap; - îmbinări sudate de colţ; - îmbinări prin puncte. 3.7. Asamblări nedemontabile prin lipire Lipirea este un procedeu de asamblare nedemontabilă prin intermediul unui material de adaos, adus în stare topită şi care difuzează în stratul de suprafaţă al elementelor îmbinate. În funcţie de materialul de adaos folosit, lipiturile se împart în 2 categorii: - lipirea moale (temperatura de topire de până la 4500C, şi se folosesc aliaje pe bază de SnPb, SnPbAg); - lipirea tare (temperatura de topire este cuprinsă între 450 şi 9000C şi se folosesc aliaje CuZn, aliaje pe bază de Ag şi Au sau Ni). Ca metode de lipire, întâlnim: - metoda prin suprapunere; - metoda circulară. 3.8. Asamblarea elastică prin intermediul arcurilor
Arcurile sunt organe de maşini folosite pentru a realiza legături elastice între diferite părţi ale maşinilor, utilajelor. Sunt confecţionate din oţeluri speciale pentru arcuri sau din aliaje neferoase sau din cauciuc. Din punct de vedere al destinaţiei, domeniului de utilizare şi tipul solicitării, arcurile se împart astfel: - arcuri pentru exercitarea unei forţe elastice permanente (ex. Arcurile contactelor electrice); - arcuri de amortizare (suspensii, fundaţii); - arcuri pentru limitarea forţelor (supape de siguranţe); - arcuri pentru măsurarea forţelor (dinamometre); - arcuri pentru acumularea de energie (arcurile ceasurilor, întrerupătoarelor); - arcuri pentru reglarea forţelor (supape de reglare a presiunii). Din punct de vedere constructiv se împart în: arcuri elicoidale, spirale, conice, lamelare, disc, bare de torsiune, etc. După solicitarea la care sunt supuse se împart: - arcul lamelar – solicitare la încovoiere; - arcul spiral – solicitare la torsiune; - arcul bară de torsiune – solicitare la încovoiere şi răsucire; - arcul elicoidal – solicitare la compresiune, tracţiune, torsiune. 3.9. Lagărele Lagărele sunt organe de maşini utilizate pentru sprijinirea arborilor aflaţi în mişcare de rotaţie. Clasificarea lagărelor se poate face după următoarele criterii: După frecarea ce apare între elementele componente se împart în: - lagăre cu frecare de alunecare; - lagăre cu frecare de rostogolire; - lagăre combinate. După direcţia solicitării din lagăr se împart :
- lagăre radiale; - lagăre axiale; - lagăre radial-axiale. Lagărele cu frecare de alunecare se împart în: - lagăre cu frecare uscată; - lagăre cu frecare fluidă (hidrodinamice, hidrostatice, combinate). Un lagăr cu frecare de alunecare este format din corp, capac, cuzinet sau bucşă, organe de asamblare şi dispozitiv de ungere (orificiu de ungere). Între fusul arborelui şi partea interioară a lagărului se dispune o peliculă de lubrifiant. Lagărele cu frecare de rostogolire (rulmenţi) se caracterizează prin faptul că frecarea dintre fus şi lagăr se face prin intermediul corpurilor de rulare. Un lagăr cu frecare de rostogolire este format dintr-un inel interior, inel exterior, corpurile de rulare şi colivia. Corpurile de rulare pot avea formă sferică, cilindrică, tronconică, aciculară, etc. 3.10. Arbori şi osii Arborii şi osiile sunt organe de maşini ale mişcării de rotaţie. Spre deosebire de osii, arborii transmit momente de torsiune şi cuplu de forţe. Arborii se clasifică după următoarele criterii: După formă: - arbori drepţi; - arbori cotiţi; - arbori flexibili. După poziţia lor: - arbori orizontali; - arbori verticali; - arbori înclinaţi. La un arbore distingem ca părţi componente: fusurile (zonele pe care se sprijină arborele) şi locaşurile de calare (zonele arborelui pe care se montează alte organe de maşini).
Osiile sunt elemente de rezemare pentru alte organe de maşini aflate în mişcare de rotaţie. Osiile pot fi: - fixe; - mobile (se rotesc odată cu organele de maşini pe care le sprijină). 3.11. Mecanisme Mecanismele sunt cupluri cinematice utilizate pentru transmiterea şi transformarea mişcării. Principalele mecanisme utilizate la utilajele tehnologice sunt reprezentate prin: - mecanismul bielă-manivelă – care transformă mişcarea rectilinie alternativă în mişcare de rotaţie sau invers; - mecanismul cu camă – transformă mişcarea de rotaţie în mişcare rectilinie alternativă; - mecanismul cu şurub şi piuliţă – transformă mişcarea de rotaţie în mişcare rectilinie alternativă; - mecanismul cu cremalieră – transformă şi transmite mişcarea de rotaţie în mişcare rectilie alternativă sau invers; - mecanismul cu excentric – transformă mişcarea de rotaţie în mişcare de translaţie. 3.12. Organe de maşini pentru transmiterea mişcării de rotaţie Aceste organe de maşini sunt reprezentate prin: - transmisii cu roţi de fricţiune; - transmisii prin curele; - transmisii cu roţi dinţate; - transmisii cu lanţuri. Transmisii cu roţi de fricţiune. Roţile de fricţiune transmit momente de torsiune prin frecare, prin contactul direct al acestora. Sunt utilizate pentru transmiterea de puteri mici între arbori apropiaţi iar mişcarea nu se transmite cu precizie.
După forma roţilor, aceste transmisii se împart în: - transmisii cu roţi de fricţiune cilindrice paralele; - transmisii cu roţi de fricţiune cilindrice perpendiculare; - transmisii cu roţi de fricţiune conice; - transmisii cu roată şi tambur. Raportul de transmitere a mişcării – it – se poate calcula cu relaţia: It = n1/n2 = D2/D1 În care: n1, n2 – turaţiile roţilor; D1, D2 – diametrele roţilor. Transmisii prin curele. Aceste organe de maşini transmit momente de torsiune prin frecarea ce apare dintre roată şi curea. Se foloseşte atunci când distanţa dintre arbori este mare, mişcarea nu trebuie transmisă cu precizie. După profilul curelei în secţiune, curelele pot fi: - rotunde (circulare); - late (dreptunghiulare); - trapezoidale. După modul de aşezare (dispunere) a curelei, aceste transmisii se împart în: - transmisii cu curea deschisă; - transmisii cu curea încrucişată; - transmisii cu curea îndoită în unghi. Raportul de transmitere a mişcării se calculează cu relaţia: It = n1/n2=D2/D1 Transmisii cu roţi dinţate (angrenaje). Aceste organe de maşini sunt utilizate pentru transmiterea mişcării între doi arbori. Transmiterea mişcării prin roţi dinţate se realizează când distanţa între arbori este mică, forţa de transmisie este mare iar mişcarea trebuie transmisă cu precizie. Angrenajele se clasifică după următoarele criterii: După poziţia roţilor se împart în:
- angrnaje exterioare; - angrenaje interioare. După poziţia arborilor se împart în: - angrenaje cu arbori paraleli şi roţi dinţate cilindrice; - angrenaje cu arbori concurenţi şi roţi dinţate conice; - angrenaje încrucişate cu şurub şi roată melcată. După poziţia dinţilor, roţile dinţate se împart în: - roţi cu dinţi drepţi; - roţi cu dinţi înclinaţi; - roţi cu dinţi curbi. O roată dinţată este formată din butuc, disc şi dantură. Dantura roţii dinţate este caracterizată printr-o serie de parametrii reprezentaţi prin profilul şi lungimea dinţilor, înălţimea şi grosimea dinţilor, pasul, modulul şi numărul de dinţi. Pasul danturii roţii reprezintă distanţa dintre un plin şi un gol, măsurată pe circumferinţa primitivă (corespunzătoare diametrului primitiv – Dp) şi se calculează cu relaţia: P = πDp/z În care Dp- diametrul primitiv sau de divizare; z– numărul de dinţi al roţii dinţate. Modulul reprezintă lungimea ce revine pe diametrul de divizare pentru un dinte al roţii şi se calculează cu relaţia: m = p/π Raportul de transmitere a mişcării se calculează cu relaţia: It = n1/n2=Dp2/Dp1=z2/z1 Transmisii prin lanţuri. Aceste transmisii se folosesc atunci când distanţa dintre arbori este mare şi mişcarea trebuie transmisă cu precizie. O astfel de transmisie este formată din lanţ şi roţi de lanţ (pinioane). Sunt utilizate mai multe tipuri de lanţuri din care cele mai reprezentative sunt
următoarele: lanţuri cu eclise, cu zale articulate, cu zale turnate, cu zale ovale, etc.
3.13. Organe de maşini pentru mecanismele de cuplare – cuplaje Cuplajele sunt organe de maşini folosite ca elemente de legătură între doi arbori aflaţi unul în prelungirea celuilalt sau sub un anumit unghi. Mai sunt utilizate şi pentru protecţia contra suprasolicitării organelor antrenate. Cuplajele se clasifică astfel: - cuplaje permanente fixe şi mobile; - cuplaje intermitente comandate (ambreiaje) şi automate. Ca tipuri constructive întâlnim: cuplajele cu flanşă, în cruce, cu craboţi, cuplaje cardanice, cu bile, etc.
4. SURSE DE ENERGIE FOLOSITE ÎN INDUSTRIA ALIMENTARĂ, ALIMENTAŢIE PUBLICĂ Principalele forme de energie utilizate sunt reprezentate de energia mecanică, energia termică, energia electrică, luminoasă, hidraulică, pneumatică. Aceste surse de energie sunt transformate succesiv dintr-o formă în alta până în faza finală în care sunt folosite pentru un anumit proces de producţie. 4.1. MOTOARE TERMICE CU ARDERE INTERNĂ, ÎN 4 TIMPI Motoarele sunt maşini de forţă care transformă o energie oarecare în energie mecanică, în scopul efectuării unui lucru mecanic util. În cazul motorului termic, energia termică este transformată în energie mecanică. Motoarele termice cu ardere internă se clasifică după următoarele principale criterii : a) după procedeul de aprindere a combustibilului : -motoare cu aprindere prin scânteie – MAS; -motoare cu aprindere prin comprimare – MAC. b) după procedeul de admisie : -motor cu admisie normală; -motor cu admisie forţată. c) după modul de realizare a ciclului sau numărul de rotaţii ale arborelui cotit în care se realizează ciclul motor :
-motor în 2 timpi – la care ciclul de funcţionare se realizează la două curse ale pistonului, respectiv o rotaţie a arborelui cotit; -motor în 4 timpi – la care ciclul de funcţionare se realizează la patru curse ale pistonului, respectiv două rotaţii ale arborelui cotit. d) după natura agentului de răcire : -motor răcit cu lichid; -motor răcit cu aer. e) după numărul de cilindrii : -motor monocilindric; -motor policilindric. f) după poziţia cilindrilor : -motor în linie; -motor în “V”; etc. Un motor termic cu ardere internă funcţionează corespunzător unui ciclu motor. Ciclul motor reprezintă succesiunea proceselor termice care se repetă periodic în interiorul cilindrului. Cursele pistonului în care se realizează ciclul motor se numesc faze sau timpi de funcţionare. Ciclul motor comportă următoarele faze: timpul 1 – pistonul se deplasează de la PMI la PME iar prin deschiderea supapei de admisie, în cilindru este aspirat aer proaspăt (la MAC) şi respectiv amestec carburant (la MAS). Acest timp se numeşte admisie. timpul 2 – pistonul se deplasează de la PME la PMI, ambele supape sunt închise şi are loc comprimarea aerului (la MAC) respectiv comprimarea amestecului carburant (la MAS). La sfârşitul acestei faze este introdus combustibilul în interiorul cilindrului (la MAC), respectiv producerea scânteii electrice (la MAS). Acest timp este denumit comprimare. timpul 3 – Prin arderea combustibilului rezultă gazele de ardere, care în destinderea lor, imprimă pistonului o mişcare de la PMI la PME. Aceasta este singura fază în care se produce lucru mecanic util. La această fază ambele supape sunt închise. Acest timp este denumit detentă.
timpul 4 – pistonul se deplasează de la PME la PMI, iar prin deschiderea supapei de evacuare, gazele de ardere sunt evacuate în atmosferă. Acest timp se numeşte evacuarea. PMI – punct mort interior; PME – punct mort exterior; MAC – motor cu aprindere prin comprimare; MAS – motor cu aprindere prin scânteie. Motorul termic cu ardere internă este format din mecanisme şi sisteme, reprezentate prin: - mecanismul motor sau mecanismul bielă-manivelă; - mecanismul de distribuţie a gazelor; - sistemul de alimentare; - sistemul de ungere; - sistemul de răcire; - sistemul de supraalimentare; - sistemul de aprindere (la motoarele MAS). Mecanismul motor asigură spaţiul necesar desfăşurării proceselor de lucru ale motorului, contribuind la transformarea căldurii rezultată prin arderea combustibilului în lucru mecanic util şi la transformarea mişcării rectilinii alternative a pistoanelor în mişcare de rotaţie continuă la arborele cotit. Mecanismul motor este din părţi fixe şi părţi mobile. Părţile fixe ale mecanismului motor sunt : blocul carter (suportul de prindere a componentelor motorului), cilindrii motorului (asigură spaţiul necesar proceselor de lucru ale motorului) şi chiulasa (etanşarea cilindrilor la partea superioară). Părţile mobile ale mecanismului motor sunt: grupa piston (pistonul propriu zis, segmenţii şi axul pistonului - asigură etanşarea cilindrului şi permite evoluţia fluidului motor în cilindru), biela (realizează legătura între piston şi arborele motor), arborele motor (cumulează energia mecanică obţinută în cilindrii motorului şi o cedează mecanismelor şi sistemelor auxiliare sub formă de mişcare de rotaţie) şi volanta (uniformizează mişcarea de rotaţie a arborelui motor şi permite pornirea motorului).
Mecanismul de distribuţie a gazelor comandă închiderea şi deschiderea orificiilor de admisie şi evacuare în vederea schimbului de gaze cu exteriorul, la momente precis determinate de timp şi în ordinea de funcţionare a motorului. Este format din: galerii de admisie şi evacuare şi un mecanism de comandă (la distribuţia superioară acesta cuprinde următoarele elemente: arbore cu came, tacheţii, tijele împingătoare, culbutorii, axul culbutorilor, supapele de admisie, supapele de evacuare şi transmisia). Arborele cu came comandă deschiderea supapelor de admisie şi de evacuare. Tacheţii primesc mişcarea de la camele arborelui şi împreună cu acestea transformă mişcarea de rotaţie în mişcare rectilinie alternativă. Tijele împingătoare transmit mişcarea primită de la tacheţi către culbutori. Culbutorii acţionează asupra supapelor în vederea deschiderii orificiilor de admisie şi de evacuare. Supapele realizează închiderea şi deschiderea orificiilor de admisie şi de evacuare. Arcurile pentru supape realizează închiderea orificiilor acţionând asupra supapelor. Sistemul de alimentare al motoarelor termice cu aprindere prin comprimare păstrează o anumită cantitate de combustibil în imediata apropiere a motorului, filtrează componentele amestecului carburant pe care le introduce în cilindrii motorului la momente precis determinate de timp şi în ordinea de funcţionare a motorului. Sistemul de alimentare este format din filtru de aer, galerie de admisie şi elementele circuitului de combustibil: rezervor, pompă de alimentare, filtre de combustibil, pompă de injecţie, regulator de turaţie, injectoare, conducte de joasă şi de înaltă presiune, conducte de retur a surplusului de motorină. Rezervorul stochează cantitatea necesară de combustibil pentru funcţionarea motorului.
Pompa de alimentare asigură trecerea combustibilului din rezervor la pompa de injecţie, învingând rezistenţa opusă de filtrele de combustibil. Filtrele de combustibil şi de aer asigură curăţarea componentelor amestecului carburant, de impurităţi. Pompa de injecţie asigură presiunea de injecţie a combustibilului şi dozează cantitatea de combustibil în funcţie de sarcina motorului. Injectorul pulverizează combustibilul în interiorul cilindrului. Regulatorul de turaţie are rolul de a menţine turaţia constantă a motorului indiferent de sarcina acestuia prin modificarea debitului de motorină. Sistemul de ungere al motoarelor termice cu ardere internă asigură o peliculă de lubrifiant între suprafeţele aflate în contact ale unor subansamble mobile cu scopul reducerii frecării şi uzurii, contribuind în acelaşi timp la răcirea şi spălarea pieselor cu care vine în contact lubrifiantul. Cel mai răspândit tip de sistem este cel cu ungere mixtă, care cuprinde următoarele elemente: baia de ulei, pompa de ulei, filtrul de ulei, radiatorul de ulei, canalele şi conductele pentru ulei. Baia de ulei stochează cantitatea de ulei necesară pentru ungerea motorului. Pompa de ulei asigură presiunea necesară şi ciculaţia lubrifiantului în sistem. Filtrul de ulei realizează curăţarea lubrifiantului de impurităţile rezultate în urma frecării. Radiatorul de ulei asigură schimbul de căldură cu mediul ambiant. La acest sistem o parte din piese se ung prin presiune (lagărele paliere şi manetoane ale arborelui motor, lagărele paliere ale arborelui cu came şi culbutori) iar altă parte prin stropire (supapele, tijele împingătoare, tacheţii şi camele).
Sistemul de răcire al motoarelor termice cu ardere internă asigură răcirea pieselor motorului care se încălzesc datorită arderii combustibilului în interiorul cilindrului (cilindrii, pistoane şi chiulasă), menţinând o temperatură optimă de funcţionare. Cel mai răspândit sistem este cel cu răcire indirectă (căldura este preluată de un lichid şi apoi cedată mediului ambiant), cu circulaţie forţată şi cu termostat. Părţile componente principale ale acestui sistem de răcire sunt următoarele: radiatorul de apă, ventilatorul, pompa de apă, termostatul, cămaşa de răcire a cilindrilor şi cămaşa de răcire a chiulasei. Radiatorul de apă stochează cantitatea necesară de lichid utilizată pentru răcirea motorului şi realizează schimbul de căldură cu mediul ambiant. Ventilatorul realizează intensificarea răcirii, absorbind un curent de aer prin miezul radiatorului. Pompa de apă asigură circulaţia forţată a lichidului de răcire în sistem. Termostatul menţine constantă temperatura lichidului. Cămăşile de răcire sunt spaţii necesare pentru circulaţia lichidului, practicate în blocul cilindrilor şi în chiulasă. Supraalimentarea motoarelor termice cu ardere internă permite introducerea unei cantităţi suplimentare de aer în cilindrii motorului, injecţia şi arderea completă a unei cantităţi suplimentare de combustibil, în vederea creşterii puterii motorului. Sistemul de supraalimentare este format din următoarele elemente: turbină, suflantă, ax turbosuflantă, galerie de admisie şi galerie de evacuare. Turbina transformă energia gazelor de evacuare ale motorului în energie mecanică sub formă de mişcare de rotaţie. Suflanta are rolul de a antrena aerul din atmosferă către interiorul cilindrului, fiind acţionată de turbină. Sistemul de aprindere are rolul de a realiza scânteia electrică necesară aprinderii amestecului carburant, la momente precis determinate de timp şi în ordinea de
funcţionare a motorului de tip MAS. Cel mai răspândit tip de sistem de aprindere este cel cu baterie şi transformator care cuprinde următoarele părţi componente: bateria de acumulatori, transformatorul, coloana ruptor-distribuitor, condensatorul, bujiile, conductorii electrici de joasă şi înaltă tensiune. Bateria de acumulatori reprezintă sursa de curent de joasă tensiune. Transformatorul realizează transformarea curentului de joasă tensiune în curent de înaltă tensiune. Coloana ruptor-distribuitor realizează întreruperea curentului de joasă tensiune şi distribuirea către bujii a curentului de înaltă tensiune. Condensatorul captează curenţii de autoinducţie care tind să distrugă ruptorul. Bujia realizează scânteia electrică necesară aprinderii amestecului carburant. 4.2. COMBUSTIBILI ŞI LUBRIFIANŢI UTILIZAŢI ÎN EXPLOATAREA UTILAJELOR TEHNOLOGICE Combustibilii principali, folosiţi în exploatarea utilajelor tehnologice se clasifică în : - combustibili clasici – benzina şi motorina şi petrolul; - combustibili neconvenţionali - metanolul, etanolul şi uleiul de rapiţă; Benzina este un combustibil folosit la motoarele cu ardere internă cu aprindere prin scânteie (MAS). Proprietăţile principale ale benzinei sunt: neutralitatea (proprietatea de a fi neutră din punct de vedere chimic), stabilitatea chimică (de a nu-şi modifica structura chimică), volatilitatea şi antidetonanţa (arderea combustibilului la o viteză normală de 15 – 20 m/s). Caracteristica principală a benzinei este reprezentată de cifra octanică care arată tendinţa benzinei de a nu produce fenomenul de detonaţie (o viteză de propagare a flăcării de 1500 – 2000 m/s).
Cifra octanică a benzinei (CO), se determină prin compararea probei de benzină date, cu un amestec etalon format din izooctan (care are tendinţă mică de detonaţie) şi heptan (care are tendinţă mare de detonaţie). Procentul de izooctan din amestecul etalon care se comportă la fel ca benzina dată reprezintă cifra octanică a combustibilului. Proprietăţile antidetonante ale benzinei pot fi îmbunătăţite prin adăugarea unor substanţe denumite aditivi (alcooli). Motorina este un combustibil folosit la motoarele cu ardere internă cu aprindere prin compresie (MAC). Principalele proprietăţi ale acestui combustibil sunt următoarele: neutralitatea, stabilitatea chimică, pulverizare bună, temperatură de fierbere ridicată şi capacitatea de se autoaprinde (autoaprinderea motorinei datorită temperaturii şi presiunii ridicate din interiorul cilindrului) . Caracteristicile motorinei sunt reprezentate prin cifra cetanică şi temperatura punctului de congelare. Cifra cetanică (CC) arată tendinţa motorinei de a se autoaprinde. Se determină prin compararea motorinei date cu un amestec etalon format din cetan (care se autoaprinde uşor) şi alfametilnaftalenul (care se autoaprinde greu). Procentul de cetan din amestecul etalon care se comportă ca motorina dată reprezintă cifra cetanică a combustibilului. A doua caracteristică a motorinei este reprezentată de temperatura punctului de congelare (temperatura la care combustibilul trece din starea fluidă în starea semifluidă). Metanolul este un combustibil folosit la motoarele cu ardere internă cu aprindere prin scânteie, ca înlocuitor pentru benzină. El se obţine din subsanţe uscate (lemn, cărbune), din gaze naturale şi din petrol. Etanolul este un combustibil folosit ca înlocuitor pentru benzină pentru motoarele termice cu ardere internă cu aprindere prin scânteie. Se obţine prin distilarea unor produse (napi, cartofi, legume, fructe, trestie de zahăr, etc.). Uleiul de rapiţă este un combustibil vegetal utilizat la motoarele termice cu ardere internă cu aprindere prin comprimare putând fi folosit atât sub formă de ulei brut (obţinut
prin presare la rece) sau sub formă de ulei rafinat şi esterizat (metil-ester). Lubrifianţii sunt substanţe lichide sau solide folosite pentru micşorarea frecării dintre piesele subansamblelor mobile şi pentru reducerea uzurii acestora. După starea de agregare lubrifianţii se clasifică în : -lichizi (uleiuri); -solizi (vaseline sau unsori consistente). Uleiurile se clasifică după origine în : -uleiuri minerale; -uleiuri sintetice; -uleiuri vegetale. După destinaţie uleiurile se clasifică în : -uleiuri de motor; -uleiuri de transmisii; -uleiuri pentru instalaţii hidraulice. Principalele proprietăţi ale uleiurilor sunt următoarele: vâscozitatea (proprietatea uleiului de a se opune curgerii), onctuozitatea (proprietatea uleiului de a adera la suprafeţele metalice ale pieselor şi de a forma o peliculă rezistentă la presiunea de contact), stabilitatea chimică (proprietatea uleiului de a nu-şi schimba compoziţia chimică), rezistenţa la oxidare (proprietatea uleiului de a nu se oxida în timpul funcţionării motorului), punctul de inflamabilitate (este temperatura la care uleiul începe să ardă). Uleiurile de motor au vâscozitatea cuprinsă între 0-50 grade Engler (8 clase de vâscozitate) şi au indicativul M. Sunt utilizate de regulă uleiurile multigrad în condiţii diferite de temperatură a mediului ambiant. Uleiurile de transmisie sunt utilizate pentru ungerea transmisiilor (cutii de viteze, multiplicatoare de turaţie, reductoare planetare, etc) şi au indicativul T. Sunt rezistente la presiuni de contact ridicate şi au vâscozitate mai ridicată decât cele de motor (3 clase de vâscozitate de la 75 la 90). Uleiurile hidraulice utilizate în instalaţiile hidraulice ale utilajelor sunt caracterizate prin vâscozitate scăzut şi rezistenţă la temperaturi şi presiuni ridicate.
Vaselinele (unsorile consistente) reprezintă suspensii coloidale ale acizilor graşi în uleiuri minerale. Caracteristica principală ale acestor vaseline este reprezentată prin temperatura punctului de picurare care arată temperatura la care aceste substanţe trec din starea solidă în starea lichidă. 4.3. SURSE REGENERABILE DE ENERGIE Consumurile tot mai mari de energie provenite din combustibilii fosili, care se produce la costuri din ce în ce mai mari, a determinat găsirea şi utilizarea unor energii noi, regenerabile. În prezent pot fi utilizate energii regenerabile furnizate de agricultură (biomasa şi biogazul) şi energii furnizate din afara procesului de producţie agricolă (energia solară, eoliană, geotermică, etc). 4.3.1. Biomasa Biomasa cuprinde totalitatea reziduurilor producţiei vegetale care pot fi transformate în energie sub diferite forme (bioalimentară, mecanică, termică). Valorificarea energetică a biomasei este important a fi realizată în unităţile agricole unde aceasta se produce, astfel fiind eliminat transportul produselor agricole reziduale la distanţe mari. Biomasa poate fi valorificată diferit ca sursă de energie: -sub formă de combustibili solizi care se folosesc pentru încălzirea încăperilor, adăposturilor pentru animale, uscarea produselor agricole. În acest scop se folosesc o serie de materiale precum lemnul şi reziduurile din lemn, paiele, cocenii, ciocălăii, tulpinile de floarea soarelui şi porumb, etc. -sub formă de combustibili lichizi utilizaţi la funcţionarea motoarelor termice şi care sunt reprezentaţi prin bioetanol (obţinut din sorg zaharat, topinambur, floarea soarelui), biometanol (obţinut din plop) şi biodiesel (sub formă de ulei obţinut din rapiţă).
Utilizarea biomasei prezintă următoarele avantaje: - folosirea şi vânzarea produselor reziduale poate aduce venituri în exploataţiile agricole; - nu necesită folosirea de terenuri agricole suplimentare; - rezolvă parţial încălzirea locuinţelor în zonele de câmpie lipsite de pădure, cu cheltuieli minime; - producerea biomasei nu este limitată teritorial, ea rezultând pe orice teren agricol. Utilizarea biomasei prezintă şi dezavantaje: - are putere calorică scăzută; - randament scăzut în instalaţiile de ardere, datorită faptului că biomasa conţine substanţe volatile. Se recomandă folosirea unor instalaţii cu două camere de ardere astfel încât în camera secundară să fie arse substanţele volatile (ex. energia termică obţinută prin arderea a 5 Kg paie = energia obţinută prin arderea a 1 Kg combustibil lichid); - cheltuieli sporite cu colectarea, transportul şi depozitarea biomasei. 4.3.2. Biogazul Biogazul este un gaz care conţine 55 % CH4 şi 45 % CO2 , obţinut prin fermentaţia substanţelor organice (dejecţiile de la animale, reziduurile vegetale) sub acţiunea bacteriilor anaerobe, la o temperatură cuprinsă între 30–60 0 C. Pentru obţinerea biogazului materia organică trebuie diluată cu apă şi ţinută la fermentaţie între 7–21 zile. În procesul de fermentaţie este nevoie să fie consumată o anumită cantitate de energie calorică care reprezintă aproximativ 30% din energia conţinută în biogaz. Biogazul rezultat are o putere calorică de aproximativ 20 – 24 MJ / m3 iar prin purificare (eliminare CO2, H2S şi NH3) poate ajunge până la 36 MJ / m3 şi poate fi utilizat ca înlocuitor al motorinei la motoarele termice cu aprindere prin comprimare. Avantajele utilizării biogazului sunt următoarele :
obţinerea de combustibil cu cheltuieli minime; neutralizarea dejecţiilor de la animale se face cu cheltuieli minime. Producerea şi utilizarea biogazului prezintă şi dezavantaje : - cantitatea mică de gaz obţinută, variabilă în timp (de la o vacă prin colectarea şi fermentarea dejecţiilor, în 40 zile se obţin 1,6 m3 de biogaz); - cheltuieli de investiţii mari, recuperabile într-o perioadă mare de timp; - pentru creşterea randamentului sunt necesare echipamente de purificare a biogazului brut şi funcţionarea continuă a instalaţiei prin utilizarea a două fermentatoare. -
4.3.3. Energia solară Energia solară reprezintă o sursă imensă de energie. În agricultură este utilizată pentru uscarea seminţelor, încălzirea adăposturilor, încălzirea apei, etc. Astfel, această formă de energie poate fi transformată în energie mecanică, termică, chimică şi electrică. Captarea energiei radiante solare se poate face prin intermediul unor instalaţii reprezentate prin captatoare solare (cu focar sau plane, captatoare cu celule foto voltaice). Utilizarea energiei solare prezintă o serie de avantaje : - este o sursă de energie inepuizabilă; - este disponibilă chiar la locurile unde există cerere de energie, fără să fie nevoie de sisteme de distribuţie; - este o energie nepoluantă, uşor de supravegheat şi fără riscuri de accidentare pentru utilizatori; - se obţine energie la costuri mici. Prezintă şi dezavantaje : - în funcţie de condiţiile meteo, energia solară nu poate fi utilizată în orice moment al zilei;
-
energia radiantă solară este variabilă, în funcţie de anotimpuri.
4.3.4. Energia eoliană Energia eoliană este una din cele mai vechi forme de energie utilizate în procesele de producţie a bunurilor materiale. În ţara noastră înainte de apariţia energiei fosile, a avut o mare dezvoltare folosirea morilor de vânt pentru măcinat şi pompat apa. În prezent energia eoliană este utilizată pentru alimentările cu apă în mediul rural, pentru producerea energiei electrice în zonele unde nu există reţea electrică, pentru acţionarea pompelor din cadrul instalaţiilor de irigat, în zonele de câmpie cu vânt puternic. Avantajele pe care le prezintă utilizarea energiei eoliene sunt următoarele : - este gratuită, inepuizabilă şi nepoluantă; - vântul bate în perioada în care este mare nevoie de energie : iarna pentru încălzit, primăvara şi toamna când rezervele de apă din sol sunt reduse şi această energie poate fi folosită pentru acţionarea instalaţiilor de pompare din cadrul sistemelor de irigaţii. Dezavantajele utilizării acestei forme de energie sunt : - vânturile au un caracter aleator (intensitatea, direcţia şi durata cunosc variaţii mari) şi pentru folosirea energiei eoliene sunt necesare instalaţii de stocare; - viteza minimă a vântului trebuie să fie de 3 m/s pentru a putea acţiona turbina eoliană; - cost ridicat al instalaţiilor datorate înălţimii lor. Pentru transformarea energiei eoliene în energie mecanică sunt folosite turbinele eoliene. Clasificarea turbinelor se face după următoarele criterii : după numărul de pale. -turbine multipale – pornesc uşor la viteze mici, dar puterea nu creşte odată cu viteza vântului;
-turbine cu 2-3 pale – pornesc greu la viteze mari ale vântului, dar puterea creşte odată cu viteza vântului. după poziţia axului turbinei. -cu ax orizontal; -cu ax vertical (Savonius). 4.3.5. Energia geotermică Energia geotermică se utilizează pentru încălzirea încăperilor (sere, solarii), încălzirea apei în adăposturile de animale, menţinerea procesului de fermentaţie la producerea biogazului, pentru uscarea şi industrializarea produselor agricole. Avantajele utilizării acestei forme de energie sunt următoarele : - este o energie nepoluantă; - nu necesită instalaţii speciale pentru convertirea ei în alte forme de energie. Dezavantajele utilizării energiei geotermice sunt : - folosirea energiei geotermice este restricţionată în zonele unde sunt amplasate instalaţiile de foraj; - conţinutul în minerale ale apei geotermale poate coroda instalaţia de distribuţie; - utilizarea apei geotermale este însoţită de zgomot şi emanaţii de gaze; - costuri ridicate pentru captarea ei. 4.4. UTILIZAREA ENERGIEI ELECTRICE ÎN AGRICULTURĂ Energia electrică este o formă intermediară de energie care poate fi transformată în alte forme de energie: mecanică, termică, luminoasă, etc. Energia electrică este folosită pentru mecanizarea proceselor de producţie din agricultură :
prepararea hranei animalelor; alimentarea cu apă; evacuarea dejecţiilor de la animale; la instalaţiile de muls; la instalaţiile de iluminat, încălzit; la instalaţiile de condiţionare şi prelucrare a produselor agricole; - etc. Energia electrică este obţinută în centralele electrice cu ajutorul unor maşini electrice denumite generatoare. Energia mecanică necesară pentru acţionarea generatoarelor provine din transformarea altor forme de energie (calorică, hidraulică, nucleară). Energia electrică poate fi asigurată din sistemul energetic naţional sau din surse proprii (grupuri electrogene, microhidrocentrale, turbine eoliene). Reţeaua de producere, transport şi distribuţie cuprinde următoarele elemente : - generatoare sincrone de curent alternativ trifazat; - transformatoare ridicătoare de tensiune; - liniile electrice de înaltă tensiune (110, 220, 400 KV); - transformatoare zonale coborâtoare de tensiune; - liniile electrice de tensiune medie (10, 15, 20 KV); - transformatoare coborâtoare de tensiune, de alimentare; - reţeaua de distribuţie la consumatori (220, 380 V). În figura 11 este prezentată schema producerii, transportului şi distribuţiei energiei electrice. În timpul transportului energiei electrice se înregistrează pierderi datorate efectului termic la trecerea curentului prin conductor. Căldura produsă la trecerea curentului electric printr-un conductor se exprimă prin relaţia : -
Q = I2 R T,
(J)
(19)
în care : I = intensitatea curentului electric (A); R = rezistenţa electrică a conductorului (Ω);
T = timpul (s).
Fig.11. Schema producerii, transportului şi distribuţiei energiei electrice. 1. generator; 2. transformator ridicător de tensiune; 3. transformator zonal, coborâtor de tensiune; 4. transformator de alimentare, coborâtor de tensiune; 5. consumator electric (motor electric trifazat ); 6. consumator electric monofazat. Pentru ca pierderile de energie electrică să fie cât mai mici trebuie ca intensitatea curentului să fie cât mai mică. Astfel, la aceeaşi putere pentru ca intensitatea curentului să fie mică trebuie ca valoarea tensiunii să fie mare. Puterea curentului electric reprezintă produsul dintre intensitate şi tensiune şi este dată de relaţia : P = I U, (KVA)
(20)
în care : U = tensiunea curentului electric. Pentru pierderi minime de energie este nevoie ca transportul să se facă la tensiuni mari. Transformatoarele electrice (figura 12) de curent alternativ sunt aparate statice care modifică valorile mărimilor electrice (tensiunea şi intensitatea) dintr-un circuit electric şi care funcţionează pe principiul inducţiei electromagnetice. Ele pot fi : - monofazice;
-
trifazice.
Fig.12. Schema unui transformator electric 1. miez magnetic; 2. înfăşurare primară; 3. înfăşurare secundară; ns1. numărul de spire al înfăşurării primare; ns2. numărul de spire al înfăşurării secundare. Raportul de transformare este dat de relaţia : K=
U1 I 2 ns1 = = U 2 I1 ns 2
(21)
Transformatoarele electrice pot fi : - ridicătoare de tensiune (ns1 < ns2); - coborâtoare de tensiune (ns1 > ns2). Maşinile electrice produc şi utilizează energia electrică pentru alimentarea unor consumatori electrici sau acţionarea unor dispozitive de lucru. Maşinile electrice se împart în : maşini electrice de curent alternativ - sincrone; - asincrone; maşini electrice de curent continuu.
Generatoarele sincroane de curent electric alternativ trifazat sunt maşini rotative care transformă energia mecanică în energie electrică. Generatorul electric este format dintr-un inductor şi un indus. El funcţionează pe baza principiului inducţiei electromagnetice, potrivit căruia într-un conductor electric supus acţiunii unui câmp magnetic variabil, se induce o tensiune electromotoare. Variaţia câmpului magnetic poate fi provocată fie prin mişcarea inductorului fie a indusului. În practică sunt utilizate : - generatoare electrice cu rotor indus; - generatoare electrice cu stator indus. Tensiunea electromotoare indusă se calculează cu relaţia : E = B l v, (V)
(22)
în care : B = inducţia electromagnetică; l = lungimea conductorului electric; v = viteza periferică a conductorului electric. Frecvenţa curentului electric (f) se calculează cu relaţia : F=
np , (Hz) 60
(23)
în care : n = turaţia rotorului n=
60 f 60x50 = = 1500 rot/min; p 2
(24)
p = numărul de perechi de poli a unei înfăşurări induse; Frecvenţa curentului electric alternativ indus este proporţională cu turaţia rotorului şi cu numărul de perechi de poli ai unei înfăşurări induse. Frecvenţa curentului electric alternativ are o valoare standardizată (f = 50 Hz) şi de aici rezultă că turaţia generatorului trebuie să fie menţinută constantă.
Pentru producerea inducţiei magnetice, în practică se utilizează inductorul electromagnetic, prevăzut cu miez magnetic şi înfăşurare de excitaţie, alimentată cu curent continuu. După modul de alimentare pot fi : - generatoare electrice cu excitaţie independentă (separată); - generatoare cu autoexcitaţie (alimentate cu curent de la bornele indusului, după ce curentul alternativ a fost redresat în curent continuu). Generatorul sincron de curent alternativ trifazat, cu rotor indus, cu autoexcitaţie este format dintr-un stator (inductor) şi rotor (indus). Statorul este prevăzut cu o carcasă care are la interior mai multe piese polare peste care se aplică bobinajele, legate între ele, formând înfăşurarea de excitaţie. Această înfăşurare este alimentată cu curent continuu obţinut prin redresarea unei părţi din curentul alternativ. Rotorul este alcătuit dintr-un arbore, miez din tole de oţel electrotehnic şi cele trei înfăşurări rotorice induse. Pe rotor sunt amplasate patru inele colectoare, cu perii. Fiecare înfăşurare este legată cu un capăt la un inel colector. Celelalte capete ale înfăşurărilor, rămase libere sunt legate între ele şi prinse la cel de-al patrulea inel colector. Pentru funcţionarea generatorului este nevoie de acţionare prin intermediul unui motor. Generatorul sincron de curent alternativ trifazat, cu stator indus şi excitaţie separată. Rotorul (inductorul) generatorului este format dintr-un arbore de antrenare pe care sunt amplasate mai multe perechi de poli. Bobinele polilor electromagnetici sunt legate între ele formând înfăşurarea de excitaţie, alimentată cu curent continuu produs de un generator de curent continuu (echipament anex), denumit şi excitatrice. Statorul (indusul) este prevăzut cu o carcasă care are la interior un miez din tole de oţel în a cărui degajări sunt amplasate cele trei înfăşurări induse.
Motoarele electrice sunt maşini electrice care transformă energia electrică în energie mecanică. Motoarele electrice se clasifică astfel : motoare electrice de curent alternativ trifazat. - motoare electrice sincrone; - motoare electrice asincrone : -trifazate (cu rotor în scurtcircuit şi cu rotor bobinat); -monofazate (cu rotor în scurtcircuit şi cu colector); motoare electrice de curent continuu. - cu excitaţie în derivaţie; - cu excitaţie în serie; - cu excitaţie mixtă. Cele mai utilizate motoare sunt cele de curent alternativ trifazat, asincrone, datorită simplităţii constructive şi fiabilităţii ridicate. Motoarele electrice, asincrone, trifazate sunt formate dintr-un stator şi un rotor. Statorul acestor motoare produce câmpul magnetic învârtitor. Este format dintr-o carcasă prevăzută la interior cu un miez din tole de oţel în a cărui degajări sunt dispuse cele trei înfăşurări inductoare. Capetele înfăşurărilor sunt scoase la cutia de borne. Rotorul bobinat este format dintr-un arbore care prezintă în partea centrală un miez de oţel şi înfăşurările rotorice. Trei capete ale înfăşurărilor sunt scurtcircuitate iar celelalte legate la inelele cu perii colectoare. Rotorul în scurtcircuit este alcătuit dintr-un arbore, miezul de oţel şi înfăşurările rotorice scurtcircuitate la ambele capete prin două inele de contact. Funcţionare. Statorul este alimentat de la reţea cu curent alternativ trifazat care va produce în înfăşurările statorice un câmp magnetic învârtitor care se va roti cu turaţia:
ns = 60
f , (rot / min) p
(25)
Acest câmp magnetic va induce în înfăşurările rotorice un curent electric care va produce un câmp magnetic. Interacţiunea dintre cele două câmpuri magnetice va determina apariţia unei forţe electromotoare ce pune în mişcare rotorul. Acesta tinde să se rotească cu aceeaşi turaţie cu al câmpului magnetic învârtitor, dar rămâne în urmă. Acest fenomen se numeşte alunecare iar motorul electric se numeşte asincron, pentru că turaţia rotorului este mai mică decât turaţia câmpului magnetic învârtitor (alunecarea are valori de 2–8 %). Legarea la reţeaua electrică a motoarelor electrice asincrone, trifazate, se face în funcţie de tensiunea de linie a reţelei electrice şi de tensiunea pe care o suportă înfăşurările statorice. Motoarele electrice se pot lega la reţeaua electrică, în stea şi în triunghi. În figura 13 este prezentată schema legării motoarelor trifazate în stea iar în figura 14 schema legării în triunghi.
Fig.13. Schema legării în stea la reţeaua electrică Ul = tensiunea de linie; Uf = tensiunea de fază.
La legarea în stea triunghi Uf = Ul.
Uf = Ul /
3 iar la legarea în
Motorul electric este prevăzut cu o plăcuţă indicatoare unde se precizează modul de conectare la reţea şi tensiunea pe care o poate suporta o înfăşurare statorică (ex :Y/Δ ►220/380 V).
Fig.14. Schema legării în triunghi la reţeaua electrică R, S, T – fazele reţelei; A, B, C şi x, y, z – capetele înfăşurărilor statorice. Cele mai utilizate metode de pornire a motoarelor electrice asincrone, trifazate sunt: pornirea în stea – triunghi; pornirea cu reostat. Pornirea stea – triunghi este cel mai des utilizată şi are drept scop reducerea curentului de pornire prin micşorarea tensiunii de alimentare pe faza statorului. Pornirea cu reostat se aplică numai la motoarele cu rotorul bobinat, situaţie în care rezistenţa reostatului este legată în serie cu înfăşurarea rotorului. Astfel se diminuează curentul de pornire în condiţiile unui cuplu ridicat.
