2.2 Выбор уровней варьирования факторов при планировании эксперимента

Для обработки данных при разработке технологии производства утеплительных плит из соломы зерновых культур, наиболее подходящей является методика активного планирования эксперимента, которая имеет ряд достоинств по сравнению с другими способами [16, 17, 23, 32, 46, 51-53, 68, 71,77,80].

Одним из важнейших этапов при применении методики активного планирования эксперимента является предварительное изучение объекта исследования и выбор уровней варьирования факторов.

Из литературных источников [1, 61, 72, 85] выяснили, что основными факторами, влияющими на процесс производства плит из соломы, являются: •

усилие прессования, определяющее плотность получаемого материала; •

температура нагрева, влияющая на изменение свойств клейких веществ, содержащихся в соломе; •

время выдержки в прессе при определенном давлении и температуре; •

влажность исходного сырья.

Выбор уровня варьирования усилия прессования

Зависимость плотности от усилия прессования описывается уравнением предложенным В.И Особовым [36].

Р = С-{е°^) -1), (2.2)

где С, [кПа] и а, [м3/кг] - коэффициенты, зависящие от свойств материала; е - основание натурального логарифма; ро - начальная плотность,

о <2

кг/м ; р - конечная плотность, кг/м .

Данное уравнение называют главной кривой сжатия слоя соломы. На рисунке 2.3 представлен график данной функции.

плотность соломы, кг/м3

Рисунок 2.3 - Главная кривая сжатия слоя соломы

Для использования плит из соломы в качестве утеплителя они должны обладать определенной прочностью, необходимой для транспортировки и закладки при строительстве. Но, так как дополнительные связующие не добавляются, то увеличение прочности в значительной степени может быть связано только с увеличением плотности соломы в брикете [1, 3]. А это в свою очередь ведет к увеличению коэффициента теплопроводности, что нежелательно для теплоизоляционного материала.

Для того, чтобы найти усилие прессования для получения плит из соломы независимо от других факторов, необходимо определить зависимость от этого усилия прочности и коэффициента теплопроводности.

Рассмотрев ряд образцов из соломы, спрессованной до различной прочности, определили, что приемлемой для транспортировки плит

Л

утеплителя является плотность от 420 до 525кг/м [62]. Дальнейшее увеличение плотности явно отрицательно скажется на способности сохранять тепло [14, 27].

Из уравнения главной кривой сжатия (2.2) определили усилие прессования, при котором получена такая плотность.

Принимаем С = 260 кПа; а = 0,004 м /кг; р0 = 30кг/м , тогда:

Р(420) = 260 • (2,7°'004(420-30) - 1)« 1000кН/м2 (2.3)

Р(525) = 260.(2,7°'004(525-30)- 1)«1600^/Л«2 (2.4)

Из графика уравнения главной кривой сжатия (рисунок 2.3) видно, что участок от 1000 до 1600кН/м2 можно представить в виде прямой линии. Ошибка при этом будет не более ошибки опыта. Тогда зависимость плотности от усилия прессования на участке от 1000 до 1600кН/м2 с достаточной точностью можно аппроксимировать уравнением следующего вида:

p = k-P + b (2.5)

-j

где р - плотность, кг/м ; knb- коэффициенты;

P - усилие прессования, кН/м ;

Для нахождения значений коэффициентов к и b составили систему уравнений.

1420 = к • 1000 + 61 [525 = к-1600 + b J

Выразив из первого уравнения b и подставив во второе, получили:

Ъ = 420-1000

525 = к • 1600 + (420 -1000 • к) 600 -к = 105 к = 0,175

Ъ = 420 -1000 • 0,175 = 245 Зависимость плотности от усилия прессования в пределах от 1000 до 1600кН/м2:

(2.7)

р - 0,175 -JP 4-245 На рисунке 2.4 представлен график данной функции.

1700

о т- см со

(N П ^ Ю

ч- •ч-

плотность, кг/м3

Рисунок 2.4 - Зависимость плотности от усилия прессования на участке от 1000 до 1600кН/м2

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

Справедливо предположить, что прочность получаемых плит из соломы прямо пропорциональна плотности. И с учетом того, что приращение плотности невелико также можно выразить линейной зависимостью.

П = кх • р + Ъх (2.8)

где Я - прочность полученных брикетов;

kj и b] ~ некоторые коэффициенты.

о

Проведя проверку, получили, что при плотности 420кг/м плита имеет прочность 0,75Мпа или 750кПа, а при 525кг/м3 - 1,05Мпа или 1050кПа. Отсюда составили систему уравнений:

Г750 = кх -420 + ЬХ 1

[1050 = ^ - 525 н- (2-9)

Проведя преобразования, получили:

=750-420-^ 1050 = 525 • кх + 750 - 420 • кх 105=1050-750 кх = 2,86

Ъх =750-420-2,86 = -451,2

Зависимость прочности от плотности:

Я = 2,86-/7-451,2 (2.10)

На рисунке 2.5 представлен график зависимости прочности плит от плотности соломы.

Зная зависимость прочности от плотности, выразили зависимость прочности от усилия прессования. Для этого в выражение 2.10 подставляем вместо р зависимость ротР (выражение 2.7).

П = 2,86 • (0,175 • Р + 245) - 451,2 Я = 0,5 • Р+700,7 - 451,2

П = 0,5 • Р + 249,5 (2.11)

На рисунке 2.6 представлен график зависимости прочности плит от усилия прессования соломы на участке от 1000 до 1600 кН/м2.

1100 1050 1000

S 950

і

? 900

§

I 850

о. с

800 750 700 о т- т— см см со со •ч- м- ю ю см оо ю со Г-- 00 О) о CM м- "Sf ?ч- ю in ю плотность брикета, кг/м1 1,100 1,050 1,000 0,950 1 0,900 § 0,850 | 0,800 0,750 0,700 0,650 0,600

Рисунок 2.5 - Зависимость прочности плиты из соломы от плотности

о о о о о о о о о о о о со см со Tf о со см со о о о т— т— см со со тс ю со т— т— ч— т— X— т— т— V т— т— т—' усилие прессования, кН/м2 Рисунок 2.6

— Зависимость прочности плиты из соломы от усилия прессования Известно, что чем больше плотность материала, тем больше коэффициент теплопроводности [6], то есть материал с большой плотностью лучше проводит тепло и это является отрицательным качеством для теплоизоляции [81]. Поэтому необходимо установить зависимость коэффициента теплопроводности от плотности материала, в нашем случае соломы.

Принимаем, что в небольших пределах изменения плотности, зависимость от нее коэффициента теплопроводности имеет линейный характер. Тогда можно записать:

Л = к2-р + Ъ2 (2.12)

где X - коэффициент теплопроводности;

р - плотность брикета;

И Ь2 ~ Коэффициенты.

Проведя проверку получили, что при плотности 420кг/м3 плита имеет теплопроводность 0,081Вт/м-К, а при плотности 525кг/м - 0,088Вт/м-К. Для нахождения значений коэффициентов составили следующую систему уравнений:

0,081 = к2> 420 + Ь2\

* 0,088 = к2- 525+ b2 J (2ЛЗ)

Проведя преобразования, получили:

Ь2 =0,081-420 -к2 525 • к2 + 0,081 - 420 • к2 = 0,088 105 -к2 =0,088-0,081 = 0,007 к2 = 66,67 10"6

Ъ2 = 0,081 - 420 • 66,67 • 10~6 = 0,053

Отсюда нашли зависимость коэффициента теплопроводности от плотности:

Я = 66,67 • 10^ • р + 0,053 (2.14)

На рисунке 2.7 представлен график зависимости коэффициента теплопроводности соломенной плиты от плотности соломы.

СМСОчЗ-ЮСОГ^СООіОт-СМ

плотность соломы, кг/м3

Рисунок 2.7 - Зависимость коэффициента теплопроводности плиты от

плотности соломы Далее выразили зависимость теплопроводности от усилия прессования.

Для этого в уравнение 2.14 вместо р подставили выражение 2.7. Л = 66,67 • 10"6 • (0,175 • Р + 245) + 0,053 = 11,67 • 10"6 • Р+ 0,016+ 0,053 и получили зависимость коэффициента теплопроводности плиты от усилия прессования соломы:

Я = 11,67 • 10 ~6 • Р + 0,069 (2.15)

График данной функции представлен на рисунке 2.8

0,089 0,088

ъе.

I 0,087

Р

§ 0,086

X %

о 0,085

Q. С 0

1

0,084

I- X

I 0,083

S

f 0,082 о о о о о о о о о о о о о со см 00 тГ о со см со 4J- о о о т— т— см со со т ю со ч— т— т— X— т— т— ч— т— т— т— т— усилие прессования, кН/м2

0,081 0,080

Рисунок 2.8 - Зависимость коэффициента теплопроводности плиты от

усилия прессования соломы Затем определили зависимость между прочностью и теплопроводностью плиты для нахождения оптимального соотношения между ними. Для этого в уравнение 2.15 подставили выражение 2.11. Я = 11,67 • 10"6 • (2 • Я - 499)+0,069 = 23,34 • Ю-6 • Я + 0,063 и получили зависимость теплопроводности от прочности:

Л = 23,34 • 10-6 Я + 0,063 (2.16)

График данной функции представлен на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 - Зависимость коэффициента теплопроводности плиты от

прочности

Получили, что при прочности 1,05МПа соломенная плита будет иметь теплопроводность, равную 0,0875Вт/м-К. Данная прочность недостаточна для использования утеплительных плит. В свою очередь камышитовая плита имеет коэффициент теплопроводности равный 0,105Вт/м-К. Поэтому есть возможность изготовить соломенные плиты с большей прочностью и с коэффициентом теплопроводности менее 0,105Вт/м-К. Применение нагрева при прессовании даст возможность увеличить прочность за счет склеивания соломы [40, 82, 61, 88].

По уравнению 2.15 нашли усилие прессования, при котором можно получить данное значение коэффициента теплопроводности.

прочность брикета, кПа

0,088

s 0,087

"P

00

? 0,086 о о z

5 0,085

ID О Q.

о 0,084 ц

с ф

t 0,083 z Ф s

s 0,082 -8- -8-

о 0,081 0,080 2

«1500кН/м

Р =

Л-0,069 _ 0,087-0,069 11,67-10-6 ~~ 11,67-10"6 А так как при усилии прессования ниже 1000кН/м2 брикеты из соломы имеют низкую прочность и непригодны для транспортировки и закладки, то уровень варьирования усилия прессования составил от 1000 до 1500кН/м2

Выбор уровня варьирования температуры нагрева

Есть сведения [72, 25, 26], что эффект склеивания соломы осуществляется за счет лигнина, содержащегося в соломе, и происходит это уже при нагревании до 80°С.

Лигнин - (от лат. lignum - дерево, древесина), сложное полимерное соединение, содержащееся в клетках сосудистых растений. [12, 13, 58-62, 70] Относится к инкрустирующим веществам оболочки растительной клетки [84]. Отложение лигнина в клеточных оболочках вызывает одревеснение клеток и увеличивает их прочность. Одревесневшие клеточные оболочки обладают ультраструктурой, которую можно сравнить со структурой железобетона: микрофибриллы целлюлозы по своим свойствам соответствуют арматуре, а лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, - бетону. Химическое строение лигнина не установлено окончательно. Молекула состоит из продуктов полимеризации ароматических спиртов; основной мономер - конифериловый спирт:

СИ— СН CHgGH

Кислотность - 1.9 2.2.

Кроме того, лигнин содержит редуцирующие вещества, полисахариды метоксильных, карбоксильных и фенольных групп, золы и кислоты. Лигнин содержит 78 - 97% органического сырья.

Лигнин - аморфное вещество жёлто-коричневого цвета; нерастворим в воде и органических растворителях; окрашивается основными красителями и даёт цветные реакции, характерные для фенолов [85]. Строение молекулы лигнина представлено на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11- Строение молекулы лигнина

При пиролизе (нагрев соломы без доступа воздуха) происходит термическая деструкция лигнина. Термическое разложение лигнина начинается при температуре выше 150°С. Продуктами распада являются водный дистилят (~20%), смола (~15%), древесный уголь (~55%).

Автор [61] показывает, что при температуре 150 - 200°С происходит следующая химическая реакция лигнина, представленная на рисунке 2.12. В качестве продуктов начальных реакций образуются группировки эпоксида (оксирана).

За счет размягчения лигнина при нагреве и выделении эпоксидных остатков и происходит склеивание соломы. ОСНз

-С-

I

-С-

ОСНз

Н-С-0

I

I о

н-с-он

но

t н-с/

Т ОСНз

он

^ГОСНз

он

Рисунок 2.12 - Реакция лигнина при нагревании.

Экспериментально установлено, что при 160°С солома начинает тлеть. Поэтому величина температуры нагрева в экспериментах составила от 80 до 160°С.

Выбор уровня варьирования времени выдержки соломы в прессе

Нижний предел времени выдержки был выбран исходя из времени, необходимого для прогрева всего слоя прессуемой соломы и составил 8 мин., а верхний предел выбран исходя из минимальных потерь производительности процесса, и составил 15мин. Отсюда интервал варьирования времени выдержки составил от 8 до 15мин.

Выбор уровня варьирования влажности соломы

Средняя влажность убираемой в поле соломы [14] составляет 16 - 18%, а солома в стогах высыхает до 12%, поэтому интервал варьирования влажности составил от 12 до 18%.

Уровни варьирования факторов и их кодированные значения представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1- Уровни варьирования факторов и их кодированные значения. Уровни варьирования Факторы Кодированное значение факторов Температура нагрева Усилие прессования Время выдержки Влажность х, х2 Х3 Х4 t °С

•-наг? ъ Р, кН Т, МИН Ф,% нижний уровень 80 1000 8 12 - - - - верхний уровень 160 1500 15 18 + + + + нулевой уровень 120 1250 12 15 0 0 0 0 Исходя из выбранных уровней варьирования факторов, получили математическую модель с ограничениями по минимальным и максимальным значениям факторов.

<< | >>
Источник: Мишин Михаил Михайлович. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ УБОРКИ НЕЗЕРНОВОЙ ЧАСТИ УРОЖАЯ С РАЗРАБОТКОЙ РЕЖИМОВ И ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УТЕПЛИТЕЛЬНЫХ ПЛИТ / Диссертация. 2004

Еще по теме 2.2 Выбор уровней варьирования факторов при планировании эксперимента:

  1. § 2. Критерии выбора. Подготовка и проведение экспериментов
  2. ГЛАВА 2. СОСТОЯНИЕ И ФАКТОРЫ РАЗВИТИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО РЕСУРСА НА СУБРЕГИОНАЛЬНОМ УРОВНЕ В СОВРЕМЕННОЙ РОССИИ
  3. § 11.3.1. Выбор приоритетных направлений обновления и повышения отдачи факторов производства*
  4. Д. JI. Медоуз ОШИБКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРИ ВЫБОРЕ ПРОЕКТОВ НИОКР
  5. Объективные критерии при определении уровня вознаграждения и статуса работника
  6. Статья 1211. Право, подлежащее применению к договору при отсутствии соглашения сторон о выборе права
  7. 16.8. ЭФФЕКТИВНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИ ОГРАНИЧЕННЫХ РЕСУРСАХ ПЕРВИЧНЫХ ФАКТОРОВ
  8. 45. ФАКТОРЫ, КОТОРЫЕ НЕОБХОДИМО УЧИТЫВАТЬ ПРИ СОСТАВЛЕНИИ РЕКЛАМНОГО БЮДЖЕТА
  9. 16.6. ЭФФЕКТИВНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИ НЕОГРАНИЧЕННЫХ РЕСУРСАХ ПЕРВИЧНЫХ ФАКТОРОВ
  10. Бужгеева Елена Михайловна Учет национальных факторов при психологическом сопровождении ЕГЭ
  11. ФАКТОРЫ И ТЕНДЕНЦИИ ТРАНСФОРМАЦИЙ В МОЛДОВЕ ПРИ СМЕНЕ МОДЕРНИЗАЦИОННОГО ПРОЕКТА (КУЛЬТУРНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ) А.К. Папцова
  12. ВИТРИНА УПРАВЛЯЕМОЙ ДЕМОКРАТИ (выборы без выбора в Башкортостане)
  13. 20 Можно ли изымать тиражи печатных СМИ (не являющихся двойниками существующих СМИ) в период выборов для обеспечения административного производства по нарушению законодательства о выборах?
  14. Эксперимент
  15. Эксперимент
  16. Эксперимент
  17. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
  18. 3.2.3. Проведение эксперимента.