Inmateh i - 2009

JANUARY - APRIL

Bucharest, vol 27, No.1/2009 ISSN: 1583 – 1019

LUCRARI

STIINTIFICE (INMATEH)

Vol. 27, No.1 /2009 LUCRĂRI ŞTIINłIFICE (INMATEH)

2

Managing Editorial Board Editor Chief Pirnă Ion, General Manager - INMA Bucharest, Prof.on.Dr.Eng., SR I, Corresponding member of ASAS, [email protected]

Scientific Secretary Ganea Ioan, INMA Bucharest, Dr.Eng., TDE II; [email protected] Official translator Barbu Mihaela, INMA Bucharest, Prof. English, French

Assistant Editor Vlădu Ń Valentin, Head of Testing Department - INMA Bucharest, Dr.Eng., SR III; [email protected]

Editorial Board � Gângu Vergil, ASAS, Prof.on.Dr.Eng., SR I, Member of ASAS � Bria Nicolae, ASAS, Prof.on.Dr.Eng., SR I, Member of ASAS � Cojocaru Iosif, INMA Bucharest, Prof.on. Dr.Eng., SR I � Brătucu Gheorghe, TRANSILVANIA University from Braşov, Prof. Dr.Eng. � Cândea Ioan, TRANSILVANIA University from Braşov, Prof.Dr.Eng., Corresponding member of ASAS � Popescu Simion, TRANSILVANIA University from Braşov, Prof.Dr.Eng., Member of ASAS � Mitroi Adrian, USAMV Bucharest, Prof. Dr.Eng. � Boruz Sorin, University from Craiova, Lecturer Dr.Eng. � Biri ş Sorin, Polytechnic University of Bucharest - Biotechnical Engineering Faculty, Assoc. Prof. Dr.Eng. � Paraschiv Gigel, Polytechnic University of Bucharest - Biotechnical Engineering Faculty, Assoc. Prof. Dr.Eng. � Maican Edmond, Polytechnic University of Bucharest - Biotechnical Engineering Faculty, Lecturer Dr.Eng � Bungescu Sorin, USAMVB Timişoara, Assoc. Prof. Dr.Eng. � Muraru Vergil, INMA Bucharest, Dr.Eng., SR I � Nedelcu Mihail, INMA Bucharest, MSc. Eng., TDE II

INMATEH - Agricultural Engineering , vol. 27, no. 1/2009

NATIONAL INSTITUTE OF RESEARCH-DEVELOPMENT FOR MACHINES AND

INSTALLATIONS DESIGNED TO AGRICULTURE AND FOOD INDUSTRY - INMA Bucharest

6 Ion Ionescu de la Brad Bd, sector 1, Bucharest

Three times a year ISSN: 1583 - 1019 Edited: INMA Bucharest


1

CONTENTS / CUPRINS

Pag.

1. PRESENT AND FUTURE IN THE FIELD OF ALTERNATIVE ENER GY USE

/ PREZENT ŞI PERSPECTIVE ÎN DOMENIUL UTILIZĂRII ENERGIILOR ALTERNATIVE Assoc.Prof.Dr.Eng. S.Şt. Biriş1) , Assoc.Prof.Dr.Eng. G. Paraschiv1), Lecturer Dr.Eng. E. Maican1),

As. Msc.Eng. N. Ungureanu1), As.Msc.Eng. M. Manea1 , Dr.Eng. V. VlăduŃ2) 1)Universitatea „Politehnica” din Bucureşti, 2)INMA Bucureşti

3

2. STUDIES, RESEARCHES AND RESULTS REGARDING THE BIOGA S OBTAINING AND USING / STUDII, CERCETĂRI ŞI REZULTATE PRIVIND OBłINEREA ŞI UTILIZAREA BIOGAZULUI

Prof.on.Dr.Eng. Ion Pirnă, Prof.on.Dr.Eng. Vergil Gângu, Dr.Eng. Valentin VlăduŃ - INMA Bucureşti -

11

3. MECHANIZATION TECHNOLOGY FOR DEEP DECOMPACTION AND AERATION OF DEFECTIVE SOILS, CONCOMITANTLY WITH THE ADMINISTRATION OF NUTRITIVE ELEMENTS

/ TEHNOLOGIE DE MECANIZARE PENTRU DECOMPACTAREA ŞI AERAREA ÎN PROFUNZIME A SOLURILOR DEFICITARE, CONCOMITENT CU ADMINISTRAREA DE ELEMENT E NUTRITIVE

Prof.on.Dr.Eng. Iosif COJOCARU, Dr.Eng. Nicolae CONSTANTIN, Prof.on.Dr.Eng. Ion PIRNA, Dr. Eng Eugen MARIN - INMA Bucureşti,

Dr.Eng. Alexandru COCIU - INCDA Fundulea

19

4. DYNAMICS OF THE AIR FLOW MIXED WITH STRAW CEREAL SE EDS / / DINAMICA CURENTULUI DE AER ÎN AMESTEC CU SEMIN łELE DE CEREALE PĂIOASE

MSc. Eng. Dragoş Manea – INMA Bucharest Prof. Dr. Eng. Ioan Cândea –Transilvania University from Braşov

24

5. DETERMINATION OF THE QUALITATIVE INDEX OF THE EQUIP MENT FOR MICROBIAL INOCULANTS APPLICATION / DETERMINAREA INDICILOR CALITATIVI DE LUCRU AI ECH IPAMENTULUI PENTRU APLICAT INOCULAN łI MICROBIENI

MSc. Eng. Dragoş Manea, Dr. Eng. Iosif Cojocaru, Dr. Eng. Eugen Marin - INMA Bucharest -

32

6. RESEARCHES REGARDING THE MANUFACTURING OF A MACHINE FOR CHEMICAL FERTILIZERS AND AMENDMENTS SPREADING, MA-3.6

/ CERCETĂRI PRIVIND REALIZAREA UNEI MA ŞINI PENTRU ADMINISTRAT ÎNGRĂŞĂMINTE CHIMICE ŞI AMENDAMENTE, MA-3,6 Dr.Eng. LucreŃia POPA, Eng. Vasilica ŞTEFAN - INMA Bucureşti

Eng. Livian Victor ANDREI, Eng. Gicu GURAN - SC MAT SA Craiova

39

7. RESEARCHES ON THE REDUCTION OF FUEL CONSUMPTION IN CASE OF AUTOMATIC SYSTEMS FOR POSITION CONTROL USE / CERCETĂRI PRIVIND REDUCEREA CONSUMULUI DE COMBUSTIBIL ÎN C AZUL UTILIZĂRII SISTEMELOR AUTOMATE DE

REGLAJ DE POZIłIE Assoc.Prof.Dr.Eng. G. Paraschiv1), Lecturer Dr.Eng. G. Muşuroi1), As.Msc.Eng. N. Ungureanu1), Assoc.Prof.Dr.Eng. S.Şt. Biriş1) ,

Dr.Eng. V. VlăduŃ2), Dr.Eng. E. Marin2) 1)”Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti, 2)INMA Bucureşti

44

8. RELEVANT CHARACTERISTICS OF ALTERNATIVE LIQUID FUEL S AIMED AT DIESEL ENGINES EXPLOITATION IN POLYCARBURATION DUTY

/ PROPRIETĂłILE RELEVANTE ALE COMBUSTIBILILOR LICHIZI ALTERNATI VI VIZAłI PENTRU EXPLOATAREA MOTOARELOR DIESEL ÎN REGIM POLICARBURAT

Dr.Eng. Mircea Adrian Nicolescu - INMA Bucureşti -

50

9. VARIANTS TACKLED IN POLYCARBURATION PRACTICE OF DIE SEL ENGINES DESIGNED TO BE FED WITH DIESEL OIL / VARIANTE ABORDABILE ÎN PRACTICA POLICARBUR ĂRII MOTOARELOR DIESEL CONSTRUITE PENTRU ALIMENTAREA CU MOTORINĂ

Dr. Eng. Mircea Adrian Nicolescu - INMA Bucharest, Romania -

56

10. INSTALLATION FOR SOLAR DRYING OF SEWAGE SLUDGE / INSTALAłIE PENTRU USCAREA SOLARĂ A NĂMOLULUI DE EPURARE

Dr.Eng. Markus BUX – Hohenheim University,Stuttgart, Germany Prof.Dr.Eng. Adrian MITROI, drd.Eng. Liliana CÎRLAN - USAMV Bucharest

Dr.Eng. Tilo CONRAD, Dr.Eng. Steffen RITTERBUSCH - Thermo-System Industrie&Trocknungstechnik, Germany

63

11. THE INFLUENCE OF TEMPERATURE ON THE ORGANIC SUBSTRA TUM IN THE PRODUCTION OF BIOGAS / INFLUENłA TEMPERATURII ŞI A SUBSTRATULUI ORGANIC ÎN PRODUC łIA DE BIOGAZ

Lecturer Ph.D.Eng. Dobre Paul, Assoc. Prof.Ph.D.Eng. Farcaş Nicolae - USAMV Bucharest

Stud. Găgeanu Iuliana - Management Faculty USAMV Bucharest

70

12. CONSTRUCTIVE TYPES OF ADAPTORS FOR THE RAW VEGETABL E OIL USED AT DIESEL MOTORS / TIPURI CONSTRUCTIVE DE ADAPTOARE PENTRU UTILIZARE A ULEIULUI VEGETAL CRUD LA MOTOARELE DIESEL

Lecturer Ph.D.Eng. Dobre Paul - USAMV Bucharest Assoc. Prof.Ph.D.Eng. Farcaş Nicolae - USAMV Bucharest

Student Găgeanu Iuliana - Management Faculty USAMV Bucharest

76


2

13. EOLIAN POWER GENERATION FOR AGRICULTURAL INSTALLATI ONS IN REMOTE AREAS / GENERAREA ENERGIEI EOLIENE PENTRU INSTALATII AGRI COLE ÎN ZONE IZOLATE

Eng. Dragoş TĂNASE – Politehnica University Bucureşti (România) Eng. PhD student Andreea BORITU – Politehnica University Bucureşti (România) Eng. PhD student Camelia NICULIłĂ – Transilvania University Braşov (România)

Eng. PhD student Andrei BENCZE – Transilvania University Braşov (România) Prof. Dr. Eng. Ioan CANDEA – Transilvania University Braşov (România)

81

14. POSSIBILITIES OF USING SOLID BIOMASS, AGRICULTURAL AND FORESTRY FOR REDUCING POLLUTION SOIL AND WATER / POSIBILITĂłI DE UTILIZARE A BIOMASEI SOLIDE, AGRICOLE ŞI FORESTIERE PENTRU REDUCEREA POLUĂRII SOLULUI ŞI APEI

Eng. Danciu Aurel, Dr. Eng. VlăduŃ Valentin, Eng. Voicea Iulian, Eng. Postelnicu Elena - INMA Bucharest, Romania -

86

15. CFD STUDY REGARDING THE MAXIMUM TORQUE VARIATION WI TH WIND SPEED, ON A SAVONIUS TYPE TURBINE / STUDIU CFD PRIVIND VARIAłIA CUPLULUI MAXIM CU VITEZA VÂNTULUI, LA O INSTALA łIE EOLIANĂ TIP SAVONIUS

Dr. Eng. Edmond MAICAN1, Dr. Eng. Sorin-Ştefan BIRIŞ1, Dr. Eng. Valentin VLĂDUł2, Eng. Bianca DAVID, Dr. Eng. Mihai BAYER1,

1 “POLITEHNICA”University of Bucharest 2 Institutul NaŃional de Cercetare-Dezvoltare pentru Maşini şi InstalaŃii destinate Agriculturii şi Industriei Alimentare – INMA Bucureşti

93

16. SOILS MAPPING INFORMATION SYSTEM / SISTEM INFORMAłIONAL PENTRU CARTAREA SOLURILOR

Dr. Eng. V. Muraru, Dr.Eng. I. Pirnă, math. P. Cârdei, Dr. Eng. C. Ionel-Muraru, student T. Ticu - INMA Bucharest, Romania -

98

17. SOME INVESTIGATION OF EFFICIENT FIELD WORK FOR TRAC TOR GUIDANCE SYSTEM AND SEEDER USING GPS NAVIGATION / INVESTIGAłII PRIVIND CÂMPUL DE LUCRU EFICIENT PENTRU SISTEMUL DE GHIDARE A UNUI TRACTOR ŞI

SEMĂNĂTOARE FOLOSIND NAVIGA łIA GPS Atanas Atanasov*, Keiichi Inoue**, Valentin Vlădut***

*University of Rousse, Bulgaria; **National Agricultural Research Center for Hokkaido Region, Lowland Crop Rotation Research Team, Sapporo, Japan

***National Research - Development Institute for Machines and Installations Designed to Agriculture and Food Industry

104

18. INFLUENCE OF AUTOMATION OF THE CONDITIONED EQUIPMEN TS OVER THE WHEAT MILLING PROCESS / INFLUENłA AUTOMATIZĂRII ECHIPAMENTELOR DE CONDIłIONAT ASUPRA PROCESULUI DE MĂCINAT GRÂUL

Dr.Eng. Professor, Gheorghe Brătucu - Transilvania University of Braşov -

110

19. RESEARCHES CONCERNING THE SOLAR ENERGY UTILIZATION TO THE CONSERVATION THROUGH DRYING OF THE FRUITS AND VEGETABLES

/ CERCETĂRI PRIVIND UTILIZAREA ENERGIEI SOLARE LA CONSERVARE A PRIN USCARE A LEGUMELOR ŞI FRUCTELOR Dr. Professor Gheorghe Brătucu,

PhD. Student IonuŃ CăpăŃînă - Transilvania University of Braşov -

117

20. MEASURES AND MATHEMATICAL MODELS FOR SOIL COMPACTIO N / MĂSURI ŞI MODELE MATEMATICE PENTRU COMPACTAREA SOLULUI

Math. P. Cârdei, Dr. Eng. V. Muraru, Dr. Eng. C. Muraru - Ionel, Eng. R. Sfiru - INMA Bucharest, Romania -

125

21. EXPERIMENTAL RESEARCH ON TEXTURE HOMOGENEITY FIRMNE SS OF THE PULP APPLES / CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND OMOGENITATEA FERMIT ĂłII TEXTURII PULPEI MERELOR

Prof.dr.Eng Căsăndroiu Tudor; Drd.Eng. Ivănescu Daniela - U.P. Bucureşti Assoc.Prof.Dr.Eng. Vintilă Marian – ICDIMPH Bucureşti

131

22. INDEPENDENT DISK HARROWS FOR STUBBLE-TURN AND READY GERMINATION, ALL TYPES OF SOIL, DESIGNED 120÷÷÷÷220 HP TRACTORS / GRAPA CU DISCURI INDEPENDENTE PENTRU DEZMIRISTIT SI PREGATIT PATUL GERMINATIV, PE TOATE TPURILE

DE SOL, DESTINATĂ TRACTOARELOR DE 120 ÷÷÷÷220CP Dr. Eng. Nicolae CONSTANTIN, Prof.on Dr. Eng. Iosif COJOCARU, Prof. Dr. Eng. Ion PIRNA,

Dr.Eng. Vasile NITESCU - INMA Bucureşti Eng.Ion LEU - MAT Craiova

139

23. EXPERIMENTAL ASSESSMENT OF THE SOIL HILLSLOPE LOSSE S BY EROSION CAUSED BY WATER ACTION / ESTIMAREA EXPERIMENTALA A PIERDERILOR DE SOL PE VER SANTI, PRIN EROZIUNE, DATORITA ACTIUNII APEI

Dr. Eng. V. Herea1), Math. P. Cârdei2), Dr. Eng. V. Muraru2), Dr. Eng. C. Muraru-Ionel2)

1)ICDVV Valea Călugărească, Romania; 2)INMA Bucharest, Romania

144


3

PRESENT AND FUTURE IN THE FIELD OF ALTERNATIVE ENER GY USE /

PREZENT ŞI PERSPECTIVE ÎN DOMENIUL UTILIZĂRII ENERGIILOR ALTERNATIVE

Assoc. Prof.Dr.Eng. S. Şt. Biri ş1), Assoc. Prof.Dr.Eng. G. Paraschiv 1), Lecturer Dr.Eng. E. Maican 1), As.Msc.Eng. N. Ungureanu 1), As.Msc.Eng. M. Manea 1), Dr.Eng. V. Vl ădu Ń2)

1)”Politehnica” University of Bucharest, Romania, 2)INMA Bucharest, Romania

Abstract. “Alternative energy” or “renewable energy” represents the energy derived from a wide variety of resources, having the ability to renew. Researcher Mark Jacobson of Standford University established a ranking of alternative energy sources considered to be promising. In descending order, these are: wind energy, concentrated solar energy (mirrors heating a water tower), geothermal energy, tidal energy, solar panels, wave energy, hydroelectric dams. Biofuels obtained from corn and vegetable waste are last on that list, along with nuclear energy and „clean” coal. As presented in this paper, Romania’s situation is still inadequate regarding the use of „clean” energy. Europe has 34.000 MW installed in eolian turbines, while in Romania only 900 kW are in function. Currently, in Europe are around 14 million m2 of solar-thermal panels, while Romania has less than 4.000 m2. These are just two examples that highlight the ways Romania must follow. This paper presents an ample and realistic analysis of the technical-economical and ecological efficiency on the use of alternative energy sources and of the interesting perspectives regarding their use, including in the agriculture and food industry. Key words: alternative energy, clean energy, biofuel, biodiesel INTRODUCTION Excessive use of fossil fuel energy (oil, gas, coals), characteristic for the past century, has had disastrous effects on the environment, more harmful than any other human activity in history, which led to the accumulation of harmful gases into the atmosphere, which started processes (some irreversible) such as: thinning of the ozone layer, global warming, etc. Therefore, the use of alternative energy sources becomes more important at present. These sources, such as the sun or wind, basically can’t be exhausted and therefore are called renewable energy sources. They cause far less emissions, reduce chemical, thermal and radioactive pollution and are available worldwide. They are also known as alternative or unconventional energy sources. Researcher Mark Jacobson of Standford University has recently established the ranking of alternative energy sources considered to be promising. In descending order, these are: 1) wind energy 2) concentrated solar energy (mirrors heating a water

tower) 3) geothermal energy 4) tidal energy 5) solar panels 6) wave energy 7) hydroelectric dams 8) biofuels 9) nuclear energy 10) „clean” coal. Despite the successes achieved in the development of energy production technologies from renewable energy sources, the cost of electricity produced from these resources is still higher than the cost of electricity generated from the fossil fuels combustion. The cost of

Rezumat. Prin “energie alternativă” sau “energie regenerabilă” se înŃelege energia derivată dintr-o largă diversitate de resurse, având capacitatea de a se reînnoi. Cercetătorul Mark Jacobson de la Universitatea Standford a stabilit un clasament al surselor de energie alternativă considerate promiŃătoare. Acestea, în ordine descrescătoare, sunt: energia eoliană, energia solară concentrată (oglinzi ce încălzesc un turn de apă), energia geotermală, energia mareelor, panouri solare, energia valurilor, baraje hidroelectrice. Biocombustibilii din porumb şi resturi de plante se găsesc în coada acestei liste, alături de energia nucleară şi de cărbunele „curat”. Aşa cum este prezentată şi în cadrul acestei lucrări, situaŃia din România este încă una necorespunzătoare în ceea ce priveşte utilizarea energiei „curate”. În Europa există 34.000 MW instalaŃi în turbine eoliene, în timp ce în România sunt în funcŃiune doar 900 kW. În Europa există în prezent circa 14 milioane m2 de panouri solar-termale, în timp ce în România sunt mai puŃin de 4.000 m2. Acestea sunt doar două exemple care evidenŃiază căi de urmat şi în România. În cadrul prezentului articol este realizată o analiză amplă şi realistă a eficienŃei tehnico-economice şi ecologice la utilizarea surselor alternative de energie şi a perspectivelor interesante în ceea ce priveşte utilizarea acestora inclusiv în agricultură şi industrie alimentară. Cuvinte cheie: energie alternativă, energie curată, biocombustibil, biodiesel INTRODUCERE Folosirea excesivă a energiei din combustibili fosili (petrol, gaz, cărbuni), caracteristică ultimului secol, a avut efecte dezastruoase asupra mediului, mai dăunătoare decât orice altă activitate umana din istorie, care a condus la acumularea de gaze nocive în atmosferă, ceea ce a declanşat procese (unele ireversibile) precum: subŃierea stratului de ozon, încălzirea globală, etc. De aceea, utilizarea unor surse alternative de energie, devine tot mai importantă în prezent. Aceste surse, precum soarele sau vântul, practic nu se consumă, ele reprezentând surse de energie regenerabilă. Acestea produc emisii mult mai puŃine, reduc poluarea chimică, termică, radioactivă şi sunt disponibile oriunde pe glob. Mai sunt cunoscute şi ca surse alternative sau neconvenŃionale. Cercetătorul Mark Jacobson, de la Universitatea Standford, a stabilit recent un clasament al surselor de energie alternativă considerate promiŃătoare. În ordine descrescătoare, acestea sunt:

1) energia eoliană 2) energia solară concentrată (oglinzi ce încălzesc

un turn de apă) 3) energia geotermală 4) energia mareelor 5) panouri solare 6) energia valurilor 7) baraje hidroelectrice 8) biocombustibili 9) energia nucleară 10) cărbunele „curat”.

În ciuda succeselor obŃinute în dezvoltarea tehnologiilor de producere a energiei din surse energetice regenerabile costul energiei electrice obŃinute din aceste resurse rămâne încă mai mare decât costul energiei electrice generate prin arderea combustibililor fosili. Costul energiei electrice


4

the electricity produced from renewable resources may be reduced by taking into account the indirect costs required for the production of energy (environmental depollution, medical costs, energy security). The use of renewable energy has improved a lot lately due to the direct governmental support. Romania has an important potential of resources for renewable energy, but, for their recovery, the following requirements must be met: overcoming the main barriers on the development of renewable energy sources (costs, systems efficiency), the alignment to the specific EU reglementations and procedures, the integration of renewable systems in the national energetical systems. WIND ENERGY Wind energy is a source of renewable energy generated by wind power. Wind energy recovery began with the first global oil crisis, in the "70 and in the "90 has returned to the foreground due to the environmental impact of the pollution generated by fossil fuels. At the end of 2006, worldwide, the total capacity of wind generators was 73.904 MW, representing about 1% of worldwide electricity. In some countries the amount of wind energy in the total energy consumption is significant, respectively: Denmark (23%), Spain (8%), Germany (6%).

obŃinută din resurse regenerabile poate fi însă micşorat dacă se iau în calcul şi costurile indirecte necesare producerii energiei (depoluarea mediului, costuri medicale, securizare energetică). Gradul de utilizare a energiilor regenerabile s-a îmbunătăŃit mult în ultimul timp datorită sprijinului guvernamental direct. România are un potenŃial important al resurselor de energie regenerabilă, dar, pentru valorificarea acestora trebuie îndeplinite următoarele cerinŃe: depăşirea principalelor bariere în calea dezvoltării surselor regenerabile de energie (costuri, eficienŃă a sistemelor), alinierea la reglementările şi procedurile specifice UE, integrarea sistemelor regenerabile în sistemele energetice naŃionale. ENERGIA EOLIANĂ Energia eoliană este o sursă de energie regenerabilă generată de puterea vântului. Valorificarea energiei eoliene a început odată cu prima criză mondială a petrolului, în anii ”70, iar în anii ”90 a revenit în prim plan din cauza impactului asupra mediului generat de poluarea cu combustibilii fosili. La sfârşitul anului 2006, capacitatea totală pe plan mondial a generatoarelor eoliene era de 73904 MW, reprezentând circa 1% din necesarul mondial de energie electrică. În unele Ńări ponderea energiei eoliene în consumul total de energie este semnificativ, respectiv, în Danemarca (23%), Spania (8%), Germania (6%).

Fig. 1 - Eolian turbines / Turbine eoliene

Romania’s situation is still inadequate regarding the use of „clean” energy. Europe has 34.000 MW installed in eolian turbines, while in Romania only 900 kW are in function. For Romania have been identified five wind areas (Fig. 2), depending on the environmental and topographic conditions, taking into account the level of the energy potential at an average height of 50 m. Researches shows that in our country the wind energy potential is most favorable on the Black Sea coast, in the mountain areas and in Moldova or Dobrogea’s plateaus.

SituaŃia din România este încă necorespunzătoare în ceea ce priveşte utilizarea energiei „curate”. În Europa există 34.000 MW instalaŃi în turbine eoliene, în timp ce în România sunt în funcŃiune doar 900 kW. Pentru România au fost identificate cinci zone eoliene (Fig. 2), în funcŃie de condiŃiile de mediu şi topografice, luând în considerare nivelul potenŃialului energetic la înălŃimea medie de 50 m. Din cercetări rezultă că la noi în Ńară potenŃialul energetic eolian este cel mai favorabil pe litoralul Mării Negre, în zonele montane şi podişuri din Moldova sau Dobrogea.

Fig. 2 - Map of eolian potential for Romania / Harta potenŃialului eolian al României

[http://www.energii-regenerabile.ro/]


5

CONCENTRATED SOLAR ENERGY ABENGOA SOLAR company has developed, between 2001 and 2005, near Sevilla, the first private solar plant in Europe, based on the PCS technology (concentrated solar power). The system is based on a field having 624 orientable mirrors and a 115 m height tower (Fig. 3). Solar radiation is concentrated towards a receiver located on top of the tower. The cooling fluid circulates through the tower in order to be converted into steam, which will then expand in a turbine coupled to a generator for electrical energy production.

ENERGIA SOLARĂ CONCENTRATĂ Compania ABENGOA SOLAR a dezvoltat în perioada 2001-2005 lângă Sevilla prima centrală solară privată din Europa care are la bază tehnologia PCS (puterea concentrata a soarelui). Sistemul este bazat pe un câmp de 624 de oglinzi orientabile şi un turn de 115 m înălŃime (Fig. 3). RadiaŃia solară este concentrată către un receptor aflat în partea superioară a turnului. Fluidul de răcire circulă prin turn cu scopul de a fi transformat în abur care apoi se va destinde într-o turbină cuplată la un generator pentru producerea energiei electrice.

Fig. 3 - PCS system / Sistem PCS

GEOTHERMAL ENERGY Is the energy from the heat contained in fluids and underground rocks. This energy is clean and renewable, and it can be used for homes heating, raising plants in greenhouses, drying crops, heating water in fish farms, milk pasteurization or to produce electricity or for balearic resorts use. Geothermal reservoirs are located a few kilometers deep in the earth's crust (Fig. 4). For example, steam powered plants are using high temperature water – over 182 °C. The vapours put in to function the turbines, generating electricity. There are no significant toxic emissions, and carbon dioxide, nitrogen dioxide and sulfur traces appearing are 50 times lower than in plants using fossil fuels. Europeans have proposed to double their production of energy from geothermal source by 2010, so that this type of energy will increase its share in total energy consumed in Europe from 6%, as it is today, to 12 %.

ENERGIA GEOTERMALĂ Reprezintă energia provenită din căldura conŃinută în fluidele şi rocile subterane. Această energie este nepoluantă şi regenerabilă, putând fi utilizată pentru încălzirea locuinŃelor, creşterea plantelor în sere, uscarea recoltelor, încălzirea apei în crescătoriile de peşti, pasteurizarea laptelui, pentru producerea de energie electrică sau pentru utilizare în staŃiunile baleare. Rezervoarele geotermale se găsesc la câŃiva kilometri în adâncul scoarŃei terestre (Fig. 4). Spre exemplu, uzinele pe bază de aburi folosesc apa la temperaturi foarte mari - mai mult de 182 °C. Vaporii pun în funcŃiune turbinele şi generează electricitate. Nu există emisii toxice semnificative, iar urmele de dioxid de carbon, dioxid de azot şi sulf care apar sunt de 50 de ori mai mici decât în uzinele ce utilizează combustibili fosili. Europenii şi-au propus ca, până în 2010, să-şi dubleze producŃia de energie din sursa geotermală, astfel încât acest tip de energie să îşi crească ponderea în totalul energiei consumate în Europa de la 6%, cât e în prezent, la 12%.

Fig. 4 - DistribuŃia zonelor geotermale în Europa / Geothermal areas distribution in Europe

TIDAL AND WAVE ENERGY Tides occur regularly in certain coastline areas worldwide, with amplitudes which can sometimes reach 14-18 m, the minimum amplitude required for this energy to be rationally recovered being 8 m. Those natural conditions

ENERGIA MAREELOR ŞI A VALURILOR Mareele se produc cu regularitate în anumite zone de litoral de pe glob, cu amplitudini care pot să ajungă uneori la 14-18 m, amplitudinea minimă necesară pentru a putea fi valorificată raŃional această energie fiind de 8 m. Astfel de condiŃii naturale se


6

can only be found in 20 zones (Atlantic coast of France, Great Britain, USA, Canada, Northern Australia and Eastern China). If it could be fully recovered, this form of energy could produce, in tidal motive plants (Fig. 5) about 100.000 times more electricity than that produced in all the hydro-electric plants functioning today worldwide.

regăsesc doar în 20 de zone (Ńărmul atlantic al FranŃei, Marii Britanii, SUA, Canadei, Nordul Australiei, Estul Chinei). Dacă ar putea fi valorificată integral, această formă de energie ar putea produce în centrale mareomotrice (Fig. 5) de circa 100.000 de ori mai multă energie electrică decât cea produsă în toate hidrocentralele aflate în funcŃiune în prezent pe glob.

Fig. 5 - The world’s first tidal turbine, from England / Fig. 6 - Plant for wave energy capture / Prima turbină mareică din lume din Anglia Centrală de captare a energiei valurilor

Wave energy is also renewable, having a great potential in areas with waves throughout the year or on the seas and oceans. Portugal, Scotland or the UK have special programs to convert wave energy into electricity. The system achieved by the english company Orecon is a combination of landmark/sea platform (Fig. 6), having special pressure chambers in which the force of waves that hit the platform is converted into electricity by a turbine. The platform will produce about 1,5 megawatts. Studies have shown that wave energy could provide 5% of the total energy requirements of the planet. SOLAR PANNELS Sun can be considered as the most important source of energy for our planet, which, unlike other usual energy sources, could provide all the energy required by the modern industrialized society, worldwide, for a undefined future. Figure 7 shows Romania’s public map for solar energy potential.

Energia valurilor este de asemenea regenerabilă, având un potenŃial foarte mare în zonele cu valuri pe tot parcursul anului sau în largul mărilor şi oceanelor. Portugalia, ScoŃia sau Marea Britanie au programe speciale de conversie a energiei valurilor în energie electrică. Sistemul realizat de firma engleză Orecon este o combinaŃie de baliză/platformă maritimă (Fig. 6), dotată cu camere de presiune speciale în care forŃa valurilor ce lovesc platforma este transformată în electricitate de către o turbină. Platforma va produce în jur de 1,5 megawati. Din studii rezultă că energia valurilor poate asigura 5% din necesarul total de energie al planetei. PANOURI SOLARE

Soarele poate fi considerat drept cea mai importantă sursă de energie pentru planeta noastră, care, spre deosebire de alte surse de energie obişnuită, ar putea să asigure întreaga cantitate de energie de care are nevoie societatea industrializată modernă, la scară mondială, pentru un viitor indefinit. În figura 7 este prezentată harta publică a potenŃialului energetic solar al României.

Fig. 7 - Romania’s map for solar energy potential [ICPE, ANM, ICEMENERG, 2006] / Harta potenŃialului energetic solar al României [ICPE, ANM, ICEMENERG, 2006]

Thermo-solar technologies use the heat from sun rays to produce hot water, electricity or to heat homes. Thermo-solar applications can be simple residential heating water systems (Fig. 8) or even complex plants that generate electricity. According to the scheme in Figure 8, the solar collector, consisting of voided tubes, captures solar radiation and converts it into heat, transmitting it to a heat

Tehnologiile termo-solare utilizează căldura razelor de soare pentru a produce apă caldă, energie electrică sau pentru încălzirea locuinŃelor. AplicaŃiile termo-solare pot fi simple sisteme rezidenŃiale de încălzire a apei (Fig. 8) sau chiar staŃii complexe de generare a energiei electrice.

Conform schemei din figura 8, colectorul solar, compus din tuburi vidate, captează radiaŃia solară şi o transformă în energie termică, transmiŃând-o la un schimbător de


7

exchanger. The heated thermal agent (antifreeze) is circulated by the pump through the coil inside the tank. Cold water takes up the heat from the coil and it can be used as hot running water or for heating. The solar collector shown in Figure 9 is used for hot water preparation during March to October. It is made of individual voided tubes that transfer solar radiation by convection, into the mass of water from the tank. Therefore, the accumulation tank is mounted on top of the solar panel. Water from the voided tubes heats, reduces its density and rises in the tank, being replaced by an equivalent volume of cold water with higher density. The void from the glass tubes provides an effective thermoisolation, heat losses outwards being very small.

căldură. Agentul termic încălzit (antigel) este circulat de pompă prin serpentina din interiorul rezervorului. Apa rece preia căldura de la serpentină şi poate fi folosită ca apă caldă menajeră sau pentru încălzire. Colectorul solar din figura 9 se utilizează pentru prepararea apei calde în perioada martie - octombrie. Este construit din tuburi vidate individuale ce transferă radiaŃia solară, prin convecŃie, în masa apei din rezervor. Din acest motiv rezervorul de acumulare este montat în partea superioară a panoului solar. Apa din tuburile vidate se încălzeşte, îşi reduce densitatea şi se ridică în rezervor, fiind înlocuită de un volum echivalent de apă rece, cu densitate mai mare. Vidul din tuburile de sticlă asigură o termoizolare eficientă, pierderile de căldură spre exterior fiind extrem de mici.

Photovoltaic panels convert the solar radiation into electricity. The efficiency of such panels is between 8-20%, depending on the absorbtion degree of solar radiation. Quite low efficiency of current photovoltaic panels is mainly due to the fact that, from the visible solar spectrum, only a small part of the wave frequency of light radiation is converted into electricity.

Panourile fotovoltaice transformă radiaŃia solară în energie electrică. Randamentul unor asemenea panouri este cuprins între 8-20%, în funcŃie de gradul de absorbŃie a radiaŃiei solare. EficienŃa destul de scazută a panourilor fotovoltaice actuale este în principal datorată faptului că din spectrul solar vizibil doar o mică parte de frecvenŃe de undă a radiaŃiilor luminoase sunt transformate în electricitate.

Fig. 8 - Thermo-solar system / Sistem termo-solar Fig. 9 - Solar collector / Colector solar

HYDROELECTRIC DAMS They are part of hydroelectric plants, converting the mechanical energy of water into electricity (Fig. 10). Worldwide, capturing the energy of flowing water is one of the main sources to obtain electricity. Hydroelectric dams, in addition to their main role in electricity production, also have an important role into regulate the level of rivers and prevent flooding. The negative effects of these dams are: stopping the natural migration routes of some aquatic species (such as sturgeon migration on the Danube), reducing rivers biodiversity, blocking the sediment brought by rivers into barrier lakes, etc.

BARAJE HIDROELECTRICE Intră în componenŃa hidrocentralelor realizând transformarea energiei mecanice a apei în energie electrică (Fig. 10). Pe plan mondial, captarea energiei apelor curgătoare reprezintă una dintre principalele surse de obŃinere a energiei electrice. Barajele hidroelectrice, pe lângă rolul lor predilect de obŃinere a energiei electrice, au şi importantul rol de regularizare a nivelului râurilor şi de prevenire a inundaŃiilor. Efectele negative ale acestor baraje constau în: obturarea căilor de migraŃie naturală a unor specii acvatice (cum este cazul migraŃiei sturionilor pe Dunăre), reducerea biodiversităŃii fluviilor, blocarea sedimentelor aduse de râuri în lacurile de acumulare, etc.

Fig. 10 - Hydroelectric plant / Centrală hidroelectrică

BIOFUELS Oleaginuos plant processing to produce liquid fuels has been seen in the last years as one of the viable alternatives to

BIOCOMBUSTIBILII Procesarea unor plante oleaginoase pentru obŃinerea de combustibili lichizi a fost privită în ultimii ani ca una dintre


8

the classic hydrocarbons based fuels. Biofuels have enjoyed considerable political support in the last years, the U.S. and Europe assigning datas for their introduction on the market and for the gradual replacemen of oil. Experts in environmental and energy have expressed their concern about biofuels, and last year, the EU began to reconsider its position. According to researcher Mark Jacobson, ethanol based biofuels will be more harmful to human health, flora and fauna, water resources and soil than current fossil fuels. Technical plants cultivation for biofuels leads to the reduction of the area planted with cereals, due to better prices obtained by farmers for technical plants. This fact has a major contribution in the increasement of world prices for food. Burning biofuels does not actually reduce the emissions of greenhouse effect gases. In some states, technical plants cultivation is made through the destruction of large natural areas (tropical and equatorial forests, etc.). In Figures 11 and 12 are presented two complete plants for oil production as feedstock for biodiesel from oilseeds (rapeseed, sunflower, etc.), and processing. Methanol is stored in an airtight container, being recovered at the end of each processing. Glycerol is collected in order to be processed for recovery or burning in special burners or steam generators. The fuel produced is filtered in two stages to ensure smooth operation of diesel engines. Residues obtained by centrifugation for methylesters purification can be used as fertilizer.

alternativele viabile la combustibilii clasici pe bază de hidrocarburi. Biocombustibilii s-au bucurat de un sprijin politic considerabil în ultimii ani, SUA şi Europa stabilindu-şi date pentru introducerea lor pe piaŃă şi înlocuirea treptată a petrolului. ExperŃii în mediu şi energie şi-au exprimat însă îngrijorarea faŃă de biocombustibili, iar UE a început să-şi regândească poziŃia anul trecut. Potrivit cercetătorului Mark Jacobson, biocombustibilii pe bază de etanol vor dăuna mai mult sănătăŃii umane, florei şi faunei, resurselor de apă şi solului decât combustibilii fosili actuali. Cultivarea plantelor tehnice din care se obŃin biocombustibilii conduce la reducerea suprafeŃelor cultivate cu cereale, datorită preŃurilor mai bune obŃinute de către fermieri din plantele tehnice. Acest fapt contribuie major la creşterea preŃurilor mondiale la alimente. Arderea biocombustibililor nu reduce de fapt emisiile de gaze cu efect de seră. Cultivarea plantelor tehnice în unele state se face prin distrugerea unor suprafeŃe mari de zone naturale (păduri tropicale şi ecuatoriale, etc). În figurile 11 şi 12 sunt prezentate două instalaŃii complete de obŃinere a uleiului ca materie primă pentru biodiesel din seminŃe oleaginoase (rapiŃă, floarea soarelui, etc.), respectiv de procesare. Metanolul este stocat într-un recipient etanş, fiind recuperat la finalul procesării fiecărei tranşe. Glicerolul este colectat pentru procesare în vederea valorificării sau arderii în arzătoare speciale sau generatoare de abur. Carburantul obŃinut este filtrat în două etape pentru a asigura o funcŃionare fără probleme a motoarelor diesel. Reziduurile obŃinute prin centrifugare pentru purificare a metilesterilor poate fi utilizat ca fertilizator.

Fig. 11 - AGERATEC system for oil obtaining for biofuel / Sistem AGERATEC de obŃinere a uleiului pentru biocombustibil

Fig. 12 - AGERATEC processor for biodiesel / Procesor AGERATEC pentru biodiesel


9

A special category of biofuels is biogas, which is in fact a mixture of gases, mainly methane, resulting from the decomposition of living matter. In many cities of the world were built, in recent decades, large collectors of organic matter (scrap waste, waste from farm animals). This organic matter decomposes, and from its decomposition results biogas, which is collected. Then, methane is separated from the gas, entering in the energetic system (Fig. 13).

O categorie specială a biocombustibililor o reprezintă biogazul, care este de fapt un amestec de gaze, în principal metan, rezultate din descompunerea materiei vii. În multe oraşe ale lumii au fost construite în ultimele decenii mari colectoare de materie organică (resturi menajere, deşeuri ale fermelor de animale). Această materie organică se descompune, iar din această descompunere rezultă biogazul, care este colectat. Din acesta se separă apoi metanul, care intră în sistemul energetic (Fig. 13).

Fig. 13 - Scheme of biogas production and recovery / Schema de obŃinere şi de valorificare a bigazului

NUCLEAR ENERGY Along with the first atom-powered electric plants, have also arised controversies regarding the use of energy produced from the decomposition of radioactive material. During the years, newer and more performant generations of electronuclear plants have appeared. Electricity from nuclear sources represented in 2007 approximately 15% of the worldwide total. Major controversies related to the construction and use of atom-powered electric plants are primarily based on on their safety, as well as on the means and storage places of radioactive waste. CLEAN COAL Coal remains the best known energy reserve on Earth. Most of the world states (China, USA, Australia, etc.), are getting today most of the electricity needed by coal burning. The major problem of coal use is related to the volume of pollutant emissions. Therefore, in the last decade have been created technologies called "clean", which capture most of these emissions. Even the use of "clean" coal is controversial, because many researchers argue that the reduction of pollutant emissions is virtually impossible. Issues related on clean coal technologies also concerns the high costs of thermo-electric plants retechnology. CONCLUSIONS Through a strategy of Romania’s energy development, it can be provided increased safety in the energy supply and limitation of energy resources imports, in terms of accelerated economic development. This requirement can be achieved, on one hand, by implementing a sustained policy of energy conservation, increasing energy efficiency leading to the decoupling of economic development rate from the energy consumption development, while increasing the value of renewable energy. The recovery of the potential of renewable energy sources gives real prerequisites for achieving some strategic goals regarding the increasing of the security in energy supply by diversifying the sources and reducing the share of energy resources imports, the sustainable development of energy sector and environmental protection. Renewable energy sources can contribute to the

ENERGIA NUCLEARĂ Odată cu primele centrale atomoelectrice, au apărut şi controversele legate de utilizarea energiei rezultate din descompunerea materiei radioactive. În decursul anilor au apărut generaŃii din ce în ce mai noi şi mai performante de centrale electronucleare. Energia electrică provenită din surse nucleare reprezenta în anul 2007 aproximativ 15 % din totalul de pe glob. Controversele majore legate de construirea şi utilizarea centralelor atomoelectrice privesc în principal siguranŃa acestora, precum şi modalităŃile şi locurile de depozitare a deşeurilor radioactive. CĂRBUNELE CURAT Cărbunii rămân rezerva energetică cea mai bine cunoscută de pe Terra. Majoritatea statelor lumii (China, SUA, Australia, etc.), îşi obŃin şi astăzi cea mai mare parte a energiei electrice necesare prin arderea cărbunilor. Problema majoră a utilizării carbunilor este legată de volumul mare al emisiilor poluante. De aceea, în ultimul deceniu au fost create tehnologii numite “curate”, care captează cea mai mare parte a acestor emisii. Utilizarea, chiar şi “curată” a cărbunilor este controversată, pentru că numeroşi cercetători pretind că această reducere a emisiilor poluante este practic imposibilă. Problemele legate de tehnologiile curate ale cărbunilor privesc în bună măsură şi costurile ridicate ale retehnologizării centralelor termoelectrice. CONCLUZII Printr-o strategie de dezvoltare energetică a României se poate asigura creşterea siguranŃei în alimentarea cu energie şi limitarea importului de resurse energetice, în condiŃiile unei dezvoltări economice accelerate. Această cerinŃă se poate realiza, pe de o parte, prin implementarea unei politici susŃinute de conservare a energiei, creşterea eficienŃei energetice care să conducă la decuplarea ritmului de dezvoltare economică de evoluŃia consumului de energie, concomitent cu creşterea gradului de valorificare a surselor regenerabile de energie.

Valorificarea potentialului surselor regenerabile de energie conferă premise reale de realizare a unor obiective strategice privind creşterea siguranŃei în alimentarea cu energie prin diversificarea surselor şi diminuarea ponderii importului de resurse energetice, respectiv, de dezvoltare durabilă a sectorului energetic şi protejarea mediului înconjurator. Sursele regenerabile de energie pot contribui la


10

gratification of current needs of heating in certain under-privileged (rural) areas. To valorify the economical potential of renewable energy sources, in competitive energy market conditions, it is necessary to adopt and implement some policies, tools and specific resources. In "2001/77/EC Directive", of 27 September 2001, on "Promotion of electricity produced from renewable sources, on single energy market", it is set the strategic objective regarding the contribution of renewable sources in the total primary energy resources, which should be up to 12% in 2010. In Romania also, the share of renewable energy sources in total consumption of primary resources, in 2010, will have a level of about 11%, and in 2015 to 11,2%.

BIBLIOGRAPHY 1. Ceauşu S., Improved system for solar energy capture,

EcoSapiens, 29.03. 2009 2. Stănică A., On alternative energy resources of

humanity, HotScience, HotNews.ro, 8.01.2009. 3. http://.www.energieverde.wordpress.com 4. http://www.panourisolare.net/ 5. http://ro.altermedia.info/stiintatehnologie/introducere-

in-energia-geotermala_3077.html 6. http://www.energianoastra.ro/index.php?id=17 7. http://www.agir.ro/univers-

ingineresc/captarea_si_conversia_energiei_valurilor_1485.html

8. http://www.ecomagazin.ro/energia-valurilor-o-sursa-inepuizabila-la-dispozitia-omenirii.

satisfacerea nevoilor curente de încalzire în anumite zone (rurale) defavorizate. Pentru valorificarea potenŃialului economic al surselor regenerabile de energie, în condiții concurenŃiale ale pieŃei de energie, este necesară adoptarea şi punerea în practică a unor politici, instrumente şi resurse specifice. În "Directiva 2001/77/EC", din 27 septembrie 2001, privind "Promovarea energiei electrice produsă din surse regenerabile, pe piaŃa unică de energie", se stabileşte obiectivul strategic privind aportul surselor regenerabile în consumul total de resurse energetice primare, care trebuie să fie de 12%, în anul 2010. Şi în România, ponderea surselor regenerabile de energie în consumul total de resurse primare, în anul 2010, urmează să aibă un nivel de circa 11%, iar în anul 2015 de 11,2%. BIBLIOGRAFIE 1. Ceauşu S., Un sistem îmbunătăŃit de captare a energiei

solare, EcoSapiens, 29.03. 2009 2. Stănică A., Despre resursele alternative de energie ale

omenirii, HotScience, HotNews.ro, 8.01.2009. 3. http://.www.energieverde.wordpress.com 4. http://www.panourisolare.net/ 5. http://ro.altermedia.info/stiintatehnologie/introducere-in-

energia-geotermala_3077.html 6. http://www.energianoastra.ro/index.php?id=17 7. http://www.agir.ro/univers-

ingineresc/captarea_si_conversia_energiei_valurilor_1485.html

8. http://www.ecomagazin.ro/energia-valurilor-o-sursa-inepuizabila-la-dispozitia-omenirii


11

STUDIES, RESEARCHES AND RESULTS FOR OBTAINING AND U SING BIOGAS /

STUDII, CERCETĂRI ŞI REZULTATE PRIVIND OBłINEREA ŞI UTILIZAREA BIOGAZULUI

Prof.on.dr.ing. Ion Pirn ă, prof.on.dr.ing. Vergil Gângu, dr.ing. Valentin Vl ădu Ń - INMA Bucure şti -

Abstract. The raw material subjected to the anaerobic fermentation process represents another important factor of biogas production. The quantitative and qualitative influence on biogas production is determined by the content of biodegrading organic matter in the raw material that is being exposed to the microorganism action, by the C/N ratio, pH, and humidity. Keywords: alternative energy, clean energy, biofuel, biodiesel INTRODUCTION Romania is currently dependent on imported energy supply (oil + gas) at 60%. The integration of Romania stipulates that by 2020, energy needs produced from renewable sources (biomass, solar, wind, geothermal) are up to 24% of total energy produced. At this time the actual contribution of renewable in national energy balance is insignificant (unquantifiable). Diversion technologies to produce energy and control the risks it presents. Conservation and enhancement of resources, reducing emission of carbon monoxide, the development of renewable energy.

Rezumat. Materia primă supusă procesului de fermentare anaerobă reprezintă un alt factor important al producŃiei de biogaz. InfluenŃa cantitativă şi calitativă asupra producŃiei de biogaz este determinată de conŃinutul de materie organică biodegradabilă din materialul brut supus acŃiunii microorganismelor, de raportul C/N, de pH, de umiditate.

Cuvinte cheie: energie alternativă, energie curată, biocombustibil, biodiesel INTRODUCERE România este în prezent dependentă de furnizarea energiei din import (petrol + gaze naturale) în proporŃie de 60%. Programul de Integrare a României stipulează că până în 2020, necesarul de energie obŃinut din surse regenerabile (biomasă, energie solară, eoliană, geotermală) să fie în proporŃie de 24% din energia totală produsă. La această dată contribuŃia efectivă a surselor regenerabile la balanŃa energetică naŃională este nesemnificativă (necuantificabilă). Reorientarea tehnologiilor de producere a energiei şi punerea sub control a riscurilor pe care le prezintă. Conservarea şi sporirea bazei de resurse, reducerea emisiei de monoxid de carbon, dezvoltarea surselor regenerabile de energie.


12

PROBLEM NEED TO BIOGAS ♦ Reduction of environmental pollution (air, water, soil): − avoids fallout of ammonia and methane in the

atmosphere (the greenhouse effect); − reducing air pollution with unpleasant odors (due

residues); − use and neutralizing residues from production processes

agro-livestock, food industry, slaughterhouses, marc of beer and alcohol from obtaining biodiesel without burning;

♦ Obtaining a very valuable natural fertilizer, which can be taken on agricultural land through:

− in liquid form; − as powdery (dry). ♦ The reintroduction of the agricultural production

through the cultivation of "energy plants": − land with low production potential (economically

unprofitable); − compliance rate of the area under cultivation of

Romania's EU Accession. .

TECHNIQUES FOR RECOVERY OF ENERGY FROM ORGANIC FARM RESIDUE - Anaerobic fermentation at ambient temperature; - Anaerobic fermentation at high temperatures; - Termophile anaerobic decomposition; - Distillation; - Composting; - Incineration. BIOGAS - Combustible gas mixture which is formed by the

decomposition of organic substances (plant

NECESITATEA ABORD ĂRII PROBLEMEI BIOGAZULUI ♦ Reducerea poluării mediului (aer, apa, sol): - se evită emanaŃiile de amoniac şi metan în atmosferă

(efectul de seră); - reducerea poluării atmosferei cu mirosuri neplăcute

(datorate reziduurilor); - utilizarea şi neutralizarea reziduurilor proceselor de

producŃie din fermele agrozootehnice, industrie alimentară, abatoare, borhoturi de bere şi alcool, de la obŃinerea biodieselului fără incinerare;

♦ ObŃinerea unui îngrăşământ natural foarte valoros, care se poate administra pe terenuri agricole prin împrăştiere:

- sub formă lichidă; - sub formă pulverulentă (uscată). ♦ Reintroducerea în circuitul agricol prin cultivarea cu

“plante energetice”: - terenuri cu potenŃial productiv scăzut (nerentabil

economic); - respectarea cotelor de suprafeŃe cultivate conform

Programului de Aderare a României la U.E. TEHNICI DE RECUPERARE A ENERGIEI DIN REZIDURILE ORGANICE AGRICOLE - Fermentarea anaeroba la temperatura mediului ambiant; - Fermentarea anaeroba la temperaturi ridicate; - Descompunerea anaeroba termofilă; - Distilarea; - Compostarea; - Incinerarea.

BIOGAZUL - Amestec de gaze combustibile care se formează prin

descompunerea substanŃelor organice (reziduuri


13

residues, animal waste, etc.) in humid environment, devoid of oxygen and light;

- It may occur naturally (in garbage pits, swamps, farms);

- May occur in specially equipped stations (depending on the feedstock used, the concentration of methane varies from 45 to 75%;

- The training is ANAEROBIC FERMENTATION, the temperature t = 40°C, the amount of methane in biogas is 75-80% maximum;

- Cellulose is the main component of organic matter used in the formation of biogas (cellulose is about 50% of organic matter).

TYPES OF BACTERIA THAT GENERATE FERMENTATION PROCESS

Groups of bacteria: - hidrolitice; - acidogene; - acetogene; - omocetogene; - metanogene - classical; - metanogene - hidrogenotrofe

Depending on the temperature at the optimum working groups of bacteria may be: - mezofile bacteria; toptim = 35°C; - termophile bacteria; toptim = 55°C.

The mixture of organic material + water efficient fermentation process must have an optimum pH = 7÷7.5. PROCESS STAGES A DECOMPOSITION OF ORGANIC MATTER IN ANAEROBIC FERMENTATION PROCESS STAGE 1 "HYDROLYSIS" hidrolitice bacteria convert substrates with enzymes (proteins, carbohydrates, fats, cellulose) in combination with low molecular (amino acids, water, fatty acids); STAGE 2: bacteria decompose acidogene combinations containing low molecular organic acid, carbon dioxide, hydrogen sulfide, ammonia; STAGE 3: bacteria acetogene produce acetate, carbon dioxide and hydrogen. STAGE 4: bacteria metanogene phase transforms the No.3 in methane, carbon dioxide, water. 4H2O + CO2 ≥ CH4 + 2H2O + Q (water vapor, ammonia, etc.). NOTE:

If BIOGAS STATIONS, the constant adding organic material such phase decomposition takes place simultaneously in the same tank fermentation bacteria uninfluencing negative in some others. PARTICULARS OF METANOGENE BACTERIA ♦ The temperature of the organic materials in the

process of how weather influences the action of bacteria:

� how temperature increases with both: − decomposition of organic matter is faster; − the amount of gas generated is greater (CH4,

H2, other gases); �quantity of biogas decreases. ♦ Bacteria are sensitive to temperature variations: − the mezofil (t = 25÷3°C), bacteria survive on

variations of 2÷3°C; − the termofil (t = 45÷70°C) bacteria survive on

variations of 1 °C. ♦ Metanogene bacteria can not decompose fat, protein,

starch or cellulose in pure (requires soluble N2). Stations in biogas manure is recommended to use the

vegetale, animale, deşeuri menajere, etc) în mediul umed, lipsit de oxigen şi lumină;

- Se poate produce în mod natural (în gropi de gunoi, mlaştini, ferme);

- Se poate produce în staŃii special amenajate (în funcŃie de materiile prime folosite, concentraŃia de metan variază de la 45 la 75%;

- Procesul de formare este FERMENTAREA ANAEROBĂ, la temperatura t = 40°C, cantitatea de metan în biogaz este maxim 75÷80%;

- Celuloza este principalul component al materiei organice utilizat la formarea biogazului (celuloza reprezintă circa 50% din materia organică).

TIPURI DE BACTERII CARE GENEREAZA PROCESUL DE FERMENTARE

Grupuri de bacterii: - hidrolitice; - acidogene; - acetogene; - omocetogene; - metanogene – clasice; - metanogene – hidrogenotrofe

În funcŃie de temperatura optimă la care activează, grupurile de bacterii pot fi:

- bacterii mezofile; toptim = 35°C; - bacterii termofile; toptim = 55°C.

Amestecul de materii organice + apa în procesul de fermentare eficient trebuie să aibă un pH optim = 7÷7,5.

FAZELE PROCESULUI DE DESCOMPUNERE A MATERIILOR ORGANICE ÎN PROCESUL DE FERMENTARE ANAEROB Ă FAZA 1 “HIDROLIZA”: bacteriile hidrolitice transformă substraturile cu ajutorul enzimelor (proteinele, carbohidraŃii, grăsimi, celuloză) în combinaŃii cu conŃinut molecular scăzut (aminoacizi, apă, acizi graşi); FAZA 2: bacteriile acidogene descompun combinaŃiile cu conŃinut molecular scăzut în acizi organici, dioxid de carbon, hidrogen sulfurat, amoniac; FAZA 3: bacteriile acetogene produc acetaŃi, dioxid de carbon si hidrogen. FAZA 4: bacteriile metanogene transformă rezultatele fazei nr.3 in metan, dioxid de carbon, apă CO2 + 4H2O ≥ CH4 + 2H2O + Q (vapori de apă, amoniac, etc). NOTĂ: In cazul STATIILOR DE BIOGAZ, la adăugarea constanta de materiale organice aceste faze de descompunere au loc simultan in acelaşi bazin de fermentare, bacteriile neinfluenŃându-se în mod negativ unele pe altele.

PARTICULARITATI ALE BACTERIILOR METANOGENE ♦ Nivelul de temperatura a materialelor organice in

procesul de descompunere influenŃează modul de acŃiune al bacteriilor: � cu cat temperatura creste cu atât:

- descompunerea materiei organice este mai rapidă; - cantitatea de gaze generată este mai mare

(CH4; H2; alte gaze); � cantitatea de biogaz scade.

♦ Bacteriile sunt sensibile la variaŃiile de temperatură: � în domeniul mezofil (t = 25÷3°C), bacteriile

supravieŃuiesc la variaŃii de 2÷3°C; � în domeniul termofil (t = 45÷70°C) bacteriile

supravieŃuiesc la variaŃii de 1°C. ♦ Bacteriile metanogene nu pot descompune grăsimi, proteine,

celuloza sau amidon in stare pura (este nevoie de N2 solubil). În staŃiile de biogaz se recomanda utilizarea bălegarului


14

base substrate to avoid segregation and obtaining a stable material in terms of pH.

BIOGAS STATIONS Is a reliable source of environmental protection and economic and financial stability of farmers. A station Biogas can provide: - electricity; - electricity and heat (heat, hot water cogeneration

technology); - natural fertilizer in the form of liquid or powdery. Stations Biogas can be of two types: - biogas stations agro-livestock fed with droppings,

corn silage, grass, grain demoted; - biogas stations powered agro-industrial residues with

supplementary food, the slaughter, from biodiesel production, etc.

Mud result in the process of fermentation: - does not contain ammonia; - can be used successfully during plant growth (pH is

slightly alkaline); - is not aggressive for soil microorganisms; - inorganic substances resulting from the mud are more

easily assimilated in plants avoiding the pollution of surface and groundwater.

TYPOLOGY STATIONS BIOGAS - Model 1 : Fermented + Deposit of mud - Model 2 : Prefermentation + Fermented + Deposit of mud - Model 3 : Fermented + Postfermentator + Deposit of mud; - Model 4 : Prefermentation + Fermented + Postfermentation

+ Deposit of mud. CONSTRUCTION MATERIALS � Reinforced Concrete Advantages: in the developed industrial buildings are cheap (endowment, experience, know-how). Disadvantages: exact dimensional requirements (wall thickness), non-stop casting casings with sliding, continuous vibration, corrosion by high acid formation in the area of gas accumulation. � Prefabricate Advantages: obtaining accurate dimensions; Disadvantages: requires casting forms, problems with joints, difficult to transport parts, joints problems because of differences in temperature and expansion between the different plates and the concrete superstructure. � Verinox It is a combination of thin sheets of stainless steel on the inside and thick galvanized on the outside, having between them a sheet of plastic. Returns the drum, building on the ground with sander machine. Advantages: easy and quick construction; Disadvantages: at the sander is to destroy the layer of zinc and the corrosion layer of steel. � Stainless Steel. RESEARCH INMA ♦ Biogas plants were known as main disadvantage

unloading equipment. It runs as a separate operation with great effort and discomfort in the human or manual discharge energy sea, Where mechanized, reducing the operation.

♦ The installation INMA : - ensure the natural flow of material from fermented

plant entrance to escape, while that of developing fermentation processes in biogas liberation;

- construction materials are cheaper, durable (glass fiber impregnated with resin polyesters);

- during construction, installation and operation is

cu substrat de baza pentru a evita segregarea si obŃinerea unui material stabil din punct de vedere al pH-ului.

STAłIILE DE BIOGAZ Reprezintă o sursa sigură de protecŃie a mediului şi de stabilitate economico-financiară a fermierilor. O staŃie de “BIOGAZ” poate furniza:

- energie electrică; - energie electrică şi termică (căldura, apă caldă

tehnologică prin cogenerare); - îngrăşământ natural sub forma lichidă sau pulverulentă.

StaŃiile de “BIOGAZ” pot fi de două tipuri: - staŃii de biogaz agro-zootehnice alimentate cu

dejecŃii, siloz de porumb, iarbă, cereale declasate; - staŃiile de biogaz agro-industriale alimentate suplimentar

cu reziduri din industria alimentară, din abatorizare, de la producerea biodieselului, etc.

Nămolul rezultat in urma procesului de fermentare: - nu conŃine amoniac; - se poate utiliza cu succes în faza de creştere a

plantelor (pH-ul fiind uşor bazic); - nu este agresiv pentru microorganismele din sol; - substanŃele anorganice din nămolul rezultat sunt

mai uşor asimilate in plante evitându-se poluarea apelor de suprafaŃă şi freatice.

TIPOLOGIA STATIILOR DE BIOGAZ - Model 1: Fermentator + Depozit de nămol; - Model 2: Prefermentator + Fermentator + Depozit de nămol; - Model 3: Fermentator + Postfermentator + Depozit de namol; - Model 4: Prefermentator + Fermentator + Postfermentator +

Depozit de nămol. MATERIALE DE CONSTRUCTIE � Beton armat Avantaje: in tarile dezvoltate construcŃiile industriale sunt ieftine (dotare, experienŃa, know-how). Dezavantaje: condiŃii dimensionale exacte (grosimea pereŃilor); turnare non-stop cu cofraje glisante, vibrare continuă; coroziune ridicata prin formarea acizilor in zona acumulării de gaz. � Prefabricate Avantaje: obŃinerea dimensiunilor exacte; Dezavantaje: necesita forme de turnare, cu probleme la îmbinări; componente greu de transportat; probleme la îmbinări din cauza diferentelor de temperatura si dilatări diferite între plăcile de beton şi suprastructură. � Verinox Este o combinaŃie de tablă subŃire de inox pe interior şi tablă zincată groasă pe exterior, având între ele o folie de material plastic. Livrare pe tambur, construcŃia la faŃa locului cu maşina de fălŃuit. Avantaje: construcŃie rapidă şi uşoară; Dezavantaje: la fălŃuire se distruge stratul de zinc şi apoi apare coroziunea stratului de otel. � OŃel inox. CERCETĂRI INMA ♦ InstalaŃiile de biogaz cunoscute au ca principal dezavantaj

descărcarea instalaŃiei. Aceasta se execută ca operaŃiune distinctă cu mare efort şi disconfort uman in cazul descărcării manuale sau cu consum energetic mare, cazul descărcării mecanizate, reducând timpul de funcŃionare a instalaŃiei.

♦ Modelul de instala Ńie INMA: - asigură curgerea naturală a materialului fermentat de

la intrare in instalaŃie pana la evacuare, timp in care se derulează procesele de fermentare cu degajare de biogaz;

- materialele de construcŃie sunt mai ieftine, durabile (fibra de sticla impregnata cu răşină poliesterică);

- timpul de construcŃie, montaj si punere in funcŃiune este


15

short; - adaptive for capacity 10÷50 mc, or in connection

with several fermentation (bioreactor). CONCLUSIONS - The Pilot Stations - INMA is a copy of the distance of

the digestive system of cattle. - The efficiency of such stations increases if: � process is anaerobic (O2 + light excluded); � substrates of organic material must be strong and

mixed moistened (SU less than 15%, 7% optimal); � a uniform consistency throughout the fermentation

volume (continuous agitation brings fresh food metanogene bacteria, increasing the production of biogas);

� grind material created over the surface of bacteria (maceration, grinding, extrusion, pasteurization);

� dosage supply of fresh organic material as homogeneous;

� constant temperature as a substrate to dosing; � constant value of pH = 6.7÷7.5. In the fermentation of certain residues (grease, oils, marcs) is necessary for determining permanent injection and mixing. Of action for further research in INMA: - deepen food recipes mixed fermentation a practical

applicability to the farmers; - determination of the nutrient (C / N / P / S) and

nomogrames dosage; - technical solutions - economic coupling in parallel.

scurt; - adaptabil pentru capacităŃi: 10÷50 mc, sau conexiune

în paralel cu mai multe fermentatoare (bioreactoare). CONCLUZII - Modelul StaŃiei Pilot – INMA este o copie a traiectului

digestiv al bovinelor. - Eficienta unei astfel de staŃii creste daca:

� procesul este anaerob (exclus O2 + lumină); � substraturile de materie organica să fie puternic umidificate

si omogenizate (SU mai mic decât 15%; optim 7%); � există omogenitate uniformă în tot volumul fermentatorului

(agitarea continuă aduce hrana proaspătă bacteriilor metanogene, crescând producŃia de biogaz);

� mărunŃirea materiei prime creează suprafaŃa mare de acŃiune a bacteriilor (macerare, măcinare, scămoşare, extrudare, pasteurizare);

� dozarea alimentării cu materii organice proaspete cât mai omogenă;

� temperatura constantă a substratului la dozare; � valoarea constanta a pH = 6,7÷7,5.

La fermentarea anumitor reziduuri (grăsime, uleiuri, borhoturi) este necesar dozarea permanenta pentru injectare si agitare. DirecŃii de acŃiune pentru continuarea cercetărilor în INMA: - aprofundarea reŃetelor amestecurilor de alimentare a

fermentatorului pentru aplicabilitatea practică la fermieri; - determinarea raportului nutritiv (C/N/P/S) şi a

ciclogramelor de dozare; - soluŃii tehnico – economice de cuplare în paralel.

Fig. 1 - Section view of a biogas plant / Vedere în secŃiune a unei instalaŃii de biogaz

Fig. 2 – Providing a constant temperature inside fermentation main results and discharge gas in the fermentation /

Asigurarea unei temperaturi constante în interiorul fermentatorului principal şi evacuarea gazelor rezultate în procesul de fermentare


16

Fig. 3 - Wall structure / Fig. 4 - Links valence space, heat stable / Structura peretelui Legăturile de valenŃă spaŃiale, termic stabile

1 - protective outer layer / stratul de protecŃie exterior; 2 - outer layer of reinforcement / stratul de armare exterior; 3 - intermediate layer / stratul intermediar; 4 - kernel layer / stratul nucleu; 5 - intermediate layer / stratul intermediar;

6 - interior reinforcement layer / stratul de armare interior; 7 - layer closure / stratul de închidere; 8 - layer of protection inside / stratul de protecŃie interior

Raw materials Resin polyesters

Polyesters resin consists of two components: - saturated polyesters resin; - firming agent reactive unsaturated.

During polymerization, liquid mixture becomes a solid mass. Polyesters resin is part of a group reactive plastics (duroplaste). Macromolecules of these materials occurs through molecular interpenetration areas in a space and creates a solid link, of which none of the molecules can not be freed. The product does not distort in heat and mass released is insoluble.

Materiile prime Răşină poliesterică

Răşina poliesterică este alcătuită din două componente: � răşină poliesterică saturată; � agent de întărire reactiv nesaturat.

Pe parcursul polimerizării, amestecul lichid se transformă într-o masă solidă. Răşina poliesterică face parte din grupa materialelor plastice reactive (duroplaste). Macromoleculele acestor materiale apar prin întrepătrunderea zonelor moleculare într-o reŃea spaŃială şi creează o legătură solidă, din care nici una dintre molecule nu se poate elibera. Produsul nu se deformează la căldură iar masa apărută este insolubilă.

Fig. 5 - Location of tanks and fermentation of food / Amplasarea tancurilor de alimentare şi fermentare

Fig. 6 - Supply droppings plant / Alimentarea cu dejecŃii a instalaŃiei


17

Fig. 6 – Measurement of gas flow and pressure result / Măsurarea debitului şi presiunii gazului rezultat

Fig. 7 – Solar panels to ensure/enhance the process of fermentation Fig. 8 – Supply and evacuation of the biogas / in the biogas / Panouri solare pentru asigurarea/ intensificarea Alimentarea şi evacuarea instalaŃiei de biogaz procesului de fermentare în instalaŃia de biogaz

EXEMPLE DE COSTURI UNITARE DE BIOGAZ PRODUS DE DIVERSE TIPURI DE BIOM ASA /

EXAMPLES OF BIOGAS UNIT COSTS PRODUCT OF VARIOUS TYPES BIOMASS Tabel 1

Biomasa / Biomass

Subst. uscată /

dry substance

ProducŃia potenŃială de biogaz / Potential production of biogas

(m3/tt.q.)

PreŃ / Price (euro / t)

Costul unitar de biogaz produs / Unit

cost of biogas produced (euro/m3

biogas) Siloz de porumb / Silage corn 30 200,4±8,2 72 0,36 Siloz de sorg / Sorghum silage 20 118,8±4,7 65 0,55 Făină de porumb / Corn Flour 32,7 225,6±20,9 75 0,33 Faina de orez / Rice flour 89 517,9±1,8 150 0,29 GrăunŃe de porumb / Grain maize 26,6 182,9+2,7 80 0,44 Pastă de cereale / Paste grain 45 316,9+8 110 0,35 Paie de orz / Barley straw 36 190,4±4,9 47 0,26 DejecŃii porcine proaspete / Fresh pig droppings 4,2 10,4±0,4 0 0,00 DejecŃii porcine prefermentate / Pig droppings presour 3,3 5,2±0,3 0 0,00 DejecŃii bovine / Cattle droppings 1,8 2,4±0,1 0 0,00 Excremente de pasare / Bird droppings 23,5 97,8±6,4 0 0,00 DejecŃii de iepure / Rabbit droppings 37,1 130,2±3,8 0 0,00 Noroi din staŃia de purificare / Mud from station purification 19,3 46,4+0,9 0 0,00 Resturi organice selecŃionate (1) / Selected organic scraps (1) 55,1 430,3±24,2 -45 -0,10

Resturi organice selecŃionate (2) / Selected organic scraps (2) 48,1 376,1+2,6 -45 -0,12

Resturi organice selecŃionate (3) / Selected organic scraps (3) 45,2 351,2146,6 -45 -0,13

FracŃiuni de resturi organice / Cut fractions scraps of organic 35 226,1 ± 7,7 -45 -0,20

Resturi vegetale / Vegetable scraps 26,4 177,0±9,3 -45 -0,25 Resturi de fructe şi legume / Remains of fruit and vegetables 23,7 158,1±18,7 -45 -0,28

Resturi de carne de peşte / Scraps of meat fish 42,4 415,5±10 -45 -0,11


18

Resturi de la măcelării / Remains of the butcheries 19 102,5±0,4 -45 -0,44 Resturi de la panificaŃie / Remains of the bakery 66 482,5+27,8 -60 0,12 Resturi de lapte / Scrap milk 14,5 112,8±4,4 0 0,00 Resturi marinate de la prelucrarea berii / Marine scrap processing beer 26 101,8+2,1 20 0,20

Drojdie de la producerea berii / Yeast in beer production 6,3 29,5±0,2 10 034

Resturi de cartofi / Scrap potatoes 20 126,8±3,5 0 0,00 Melasă / Molasses 98 498,5±6,7 120 0,24 Glicerină / Glycerin 98 587,6±43,3 70 0,12 Resturi de măsline stoarse 1 / Remains of crushed olives 1 27,6 301,0±9,3 20 0,07

Resturi de măsline stoarse 2 / Remains of crushed olives 2 83,2 521,9±5 20 0,04

Resturi de la fabricile de ulei / Remains of the oil factories 24,1 175,4±8 20 0,11

BIBLIOGRAPHY [1]. E. Popa, etc. - RESEARCH ON PROCESS OPTIMIZATION ANAEROBIC BIOCHEMICAL FFERMENTATIE OF BIODEGRADABLE WASTE TO OBTAIN COMBUSTIBLE GASES, Study on optimization of biochemical processes of anaerobic fermentation of biodegradable organic waste in biogas plants, Research report, INMA Bucharest, 2006; [2]. E. Popa, etc. - TECHNOLOGY OBTAINING BIOGAS AS SOURCE OF ALTERNATIVE ENERGY THROUGH FERMENTATION ANAEROBIC, IN THE 10m3, ORGANIC WASTE MENAJERE AND ANIMAL DROPPINGS, Report of experimentation, INMA Bucharest, 2005; [3]. E. Popa, A. Muscalu, Alexandrescu I. - Installation of biogas microferme for livestock and household peasant farming, Agriculture Mechanization Nr. 7 / 2006.

BIBLIOGRAFIE [1]. Popa E. ş.a. - CERCETARI PRIVIND OPTIMIZAREA PROCESELOR BIOCHIMICE DE FFERMENTATIE ANAEROBA A DESEURILOR BIODEGRADABILE IN VEDEREA OBTINERII DE GAZE COMBUSTIBILE, Studiu privind optimizarea proceselor biochimice de fermentare anaeroba a deseurilor organice biodegradabile in instalatii de biogaz, Raport de cercetare, INMA 2006; [2]. Popa E., ş.a - TEHNOLOGIE DE OBTINERE A BIOGAZULUI CA SURSA ALTERNATIVA DE ENERGIE PRIN FERMENTAREA ANAEROBA, IN MODUL DE 10m3, A DESEURILOR ORGANICE MENAJERE SI A DEJECTIILOR DE ANIMALE, Raport de experimentări, INMA 2005; [3]. Popa E., Muscalu A., Alexandrescu I. - Instalatie de biogaz pentru microferme zootehnice si gospodarii agricole Ńărăneşti, Mecanizarea Agriculturii Nr. 7/2006.


19

MECHANIZATION TECHNOLOGY FOR DEEP DECOMPACTION AND AERATION OF DEFECTIVE SOILS, CONCOMITANTLY WITH THE ADMINISTRAT ION OF NUTRITIVE

ELEMENTS /

TEHNOLOGIE DE MECANIZARE PENTRU DECOMPACTAREA ŞI AERAREA ÎN PROFUNZIME A SOLURILOR DEFICITARE, CONCOMITENT CU ADMINISTRARE A DE ELEMENTE

NUTRITIVE

Prof. on. dr. ing. Iosif COJOCARU, Dr. ing. Nicolae CONSTANTIN, Prof. on. dr. ing. Ion PIRNA, Dr. ing Eugen MARIN - INMA Bucureşti

Dr.ing. Alexandru COCIU - INCDA Fundulea

Abstract : The occupied surface in our country by the soils with a high degree of quality deterioration is about 19,8% of the total agricultural surface. The new mechanization technology of soil work in the arable substrate has as purpose the deep decompaction and aeration of defective soils concomitantly with the administration of nutritive elements. Its application at an appropriate qualitative level to the agricultural-pedologic requirements, at a price as much as low and with a reduce energy consumption has imposed promoting a new technical equipment, with superior constructive and functional parameters, destined to the wheeled tractors of 180-240 HP, equipped with five active organs of blade – reversible chisel type and two field rollers with claws, on which is mounted an equipment for administrating hard soluble nutritive elements. The new technical equipment named DECOM-FERTI is realizing working depths of max. 40 cm at soil’s chiseling and of max. 60 cm at soil’s work in the arable substrate, the working width being of approx. 2,55 m and the working capacity of approx. 1,56 ha/h; it administers nutritive elements (phosphorus and potassium) with norms of 70÷120 kg/ha. Keywords : technical equipment; soil decompaction and aeration; administration of nutritive elements

Abstract: SuprafaŃa ocupată în Ńara noastră de solurile cu un grad ridicat de deteriorare a calităŃii este de circa 19,8% din totalul suprafeŃei agricole. Noua tehnologie de mecanizare a lucrării solului în substratul arabil are drept scop decompactarea şi aerarea în profunzime a solurilor deficitare concomitent cu administrarea de elemente nutritive. Aplicarea ei la un nivel calitativ corespunzător cerinŃelor agropedologice, la un preŃ de cost cât mai scăzut şi cu un consum redus de energie a impus promovarea unui nou echipament tehnic, cu parametri constructivi şi funcŃionali superiori, destinat tractoarelor pe roŃi de 180-240 CP, echipat cu cinci organe active de tipul cuŃit daltă reversibilă şi doi tăvălugi cu gheare, pe care se montează un echipament de administrat elemente nutritive greu solubile. Noul echipamentul tehnic denumit DECOM-FERTI, realizează adâncimi de lucru de max. 40cm la cizelatul solului si de max. 60 cm la lucrarea solului din substratul arabil, lăŃimea de lucru fiind de cca. 2,55 m si capacitatea de lucru de cca 1,56 ha/h; administrează elemente nutritive (fosfor şi potasiu) cu norme de 70÷120 kg/ha. Cuvinte cheie : echipament tehnic; decompactare şi aerare sol; administrare elemente nutritive.

GENERAL CONSIDERATIONS

Romania is confronting with a degree of soil quality deterioration by phenomenon as erosion, acidification, alkalinization, humidity excess or drought, soil salinization, compaction, etc. The main process of soil degradation, by extension with socio-economic impact too, is represented by erosion by water, which together with the landslides comprise over 7 mil ha of agricultural terrain. The second factor as importance in soil degradation is the periodical excess of humidity, which affects 3,8 millions ha of agricultural terrain and 0,6 millions ha of forestry terrains, and the frequent drought excess is manifesting on approximate 7,1 millions ha of agricultural terrain and 0,2 millions ha of sylvan terrain. An important role in the soil’s physical degradation is occupied by the soil’s antropic compaction and crust formation. Compaction is met on approximate 1,3 mil ha arable terrain and is mostly due to the weight and/or to the usage too frequent of the agricultural gear, especially in inappropriate soil’s humidity conditions, either on soils too dried or too wet.

The new mechanization technology of soil’s work in the arable substrate is specific to the hard and compacted soils, alternative affected by humidity excess and deficit as also to other soils categories which presents limitations of the productioncapacity determined by salinization, alkalinization, pollution, etc. Its application at a qualitative level corresponding to the agropedologicalrequirements, at a cost price as low as possible and with a reduce energy consumption is imposing the assurance of some agricultural gears with superior constructive and functional parameters.

CONSIDERAłII GENERALE România se confruntă cu un grad de deteriorare a

calităŃii solului prin fenomene de eroziune, acidificare, alcalinizare, exces de umiditate sau seceta, sărăturare, compactare etc. Principalul proces de degradare a solului, prin extensie şi impact socio-economic îl reprezintă eroziunea prin apă, care împreună cu alunecările de teren cuprind peste 7 mil. ha teren agricol. Al doilea factor ca importanŃă în degradarea solului este excesul periodic de umiditate care afectează 3,8 milioane ha teren agricol şi 0,6 milioane terenuri forestiere, iar excesul de secetafrecventă se manifestă pe aprox. 7,1 milioane ha de teren agricol şi 0,2 milioane ha teren silvic. Un rol important în degradarea fizică a solului îl ocupă compactarea antropică a solului şi formarea crustei. Compactarea este întâlnită pe cca. 1,3 mil. ha arabil şi se datorează în principal greutăŃii şi/sau folosirii prea frecvente a utilajelor agricole, cu deosebire în condiŃii de umiditate nepotrivită a solului, fie pe soluri prea uscate, fie pe soluri prea umede.

Noua tehnologie de mecanizare a lucrării solului în substratul arabil este specifică solurilor grele si tasate, afectate alternativ de exces si deficit de umiditate precum si altor categorii de soluri care prezintă limitări ale capacităŃii de producŃie determinate de salinizare, alcalinizare, poluare etc. Aplicarea ei la un nivel calitativ corespunzător cerinŃelor agropedologice, la un preŃ de cost cât mai scăzut şi cu un consum redus de energie impune asigurarea unor utilaje cu parametri constructivi şi funcŃionali superiori.

DESIGNATION AND THE USAGE DOMAIN

The technical equipment DECOM-FERTI is of carried

DESTINAłIA ŞI DOMENIUL DE UTILIZARE

Echipamentul tehnic DECOM-FERTI este de tipul


20

type on the hydraulic lifters of the 180-240 HP tractors, the third category, SR ISO 730-1+C1:2000 and is designed to execute the deep decompaction and aeration of the defective soils, concomitantly with the administration of nutritive elements (phosphorus and potassium) and the elimination of the waterproof soil layer (hardpan) between the arable stratum and substrate. It’s used in autumn on degraded soils located on plane terrains or with slope up to 6º.

purtat pe ridicătoarele hidraulice ale tractoarelor de 180-240 CP pe roŃi, categoria a III-a, SR ISO 730-1+C1:2000 şi este destinat a executa decompactarea şi aerarea în profunzime a solurilor deficitare, concomitent cu administrareade elemente nutritive (fosfor şi potasiu) şi eliminarea stratului impermeabil de sol (hardpanul) dintre stratul şi substratul arabil. Se utilizează toamna pe soluri degradate aflate pe terenuri plane sau cu pantă până la 6°.

Fig. 1 - DECOM-FERTI technical equipment / Echipamentul tehnic DECOM-FERTI

CONSTRUCTIVE AND FUNCTIONAL DESCRIPTION

The DECOM-FERTI technical equipment is composed from the following principal assemblies: chassis; active organs with reversible chisel type blades and special blades for hardpan elimination; rollers with claws; wheel for adjusting the working depth; equipment for administrating hard soluble nutritive elements.

The chassis is assuring the equipment’s linkage in three points to the coupling-bars of the tractor’s hydraulic lifter and the lay-out of the 5 active organs (each formed from a base support on which is mounted the reversible chisel type blade, the vertical blade and two blades « L » type) for arable substrate soil’s deep aeration.

The rollers with claws assure the crumbling and a slight leveling of the soil processed by the active organs, being located behind these ones. They are linked to the chassis through the medium of some lateral walls and of a deformable parallelogram being able to be adjusted on vertical plane at different distances from the active organs.

The wheel for adjusting the working depth is assuring the control and the limitation of the active organs working depth.

The equipment for administrating nutritive elements is composed from the following principal assemblies: the crate with the system of administrating nutritive elements; tubes for administrating nutritive elements; hydraulic installation; reduction gear; platform; stair. Adjustments - the adjustment of the frame parallelism with the soil

surface in transversal plane is done by bringing at the same length the vertical arms, adjustable, for sustaining the two lateral coupling-bars of the tractor’s hydraulic lifter;

- the adjustment of the frame parallelism with the terrain surface in longitudinal plane is done by lengthening or shorting the central coupling-bar of the tractor’s hydraulic lifter;

- the adjustment of the working depth is done by fixating the metallic wheel support in a position corresponding to the wanted working depth, correlated with the position of the rollers with claws;

- the adjustment of the administrating norms of nutritive elements is effectuated continuously, with a reduction gear and a hydro-motor;

DESCRIEREA CONSTRUCTIVĂ ŞI FUNCłIONALĂ Echipamentul tehnic DECOM-FERTI se compune din

următoarele ansambluri principale: şasiu; organe active cu cuŃite daltă reversibilă şi cuŃite speciale pentru eliminarea hardpanului; tăvălugi cu gheare; roată de reglare a adâncimii de lucru; echipament de administrat elemente nutritive greu solubile.

Şasiul asigură prinderea echipamentului în trei puncte la tiranŃii ridicătorului hidraulic ai tractorului şi amplasarea celor 5 organe active (formate fiecare dintr-un suport de bază pe care se montează cuŃitul tip daltă reversibilă, cuŃitul vertical şi două cuŃite tip « L ») de afânare adâncă a solului din substratul arabil.

Tăvălugii cu gheare asigura mărunŃirea şi o uşoară nivelare a solului prelucrat de către organele active, fiind amplasaŃi în spatele acestora. Ei se prind de şasiu prin intermediu unor pereŃi laterali şi a unui paralelogram deformabil putându-se regla pe verticală la diferite distanŃe faŃă de organele active.

Roata de reglare a adâncimii de lucru asigură reglarea şi limitarea adâncimii de lucru a organelor active de lucru.

Echipamentul de administrat elemente nutritive se compune din următoarele ansambluri principale: lada cu sistemul de administrare a elementelor nutritive; tuburi de administrat elementele nutritive; instalaŃia hidraulica; reductor; platforma; scara. Reglaje - reglarea paralelismului cadrului cu suprafaŃa solului în

plan transversal se face prin aducerea la aceeaşi lungime a braŃelor verticale, reglabile, de susŃinere a celor doi tiranŃi laterali ai ridicătorului hidraulic al tractorului;

- reglarea paralelismului cadrului cu suprafaŃa terenului în plan longitudinal se face prin lungirea sau scurtarea tirantului central al ridicătorului hidraulic al tractorului;

- reglarea adâncimii de lucru se face prin fixarea suportului roŃii metalice într-o poziŃie corespunzătoare adâncimii de lucru dorite corelată cu poziŃia tăvălugilor cu gheare;

- reglarea normelor de administrare a elementelor nutritive se efectueze continuu, cu un reductor şi un hidromotor;


21

- the administrating norms for phosphorus and potassium are between 70÷120 kg/ha.

- normele de administrare fosfor şi potasiu sunt între 70÷120 kg/ha.

CONSTRUCTIVE AND FUNCTIONAL CHARACTERISTICS A. Constructive Characteristics - Type Towed - Necessary tractor, Hp 180-240 - Working width, m 2,55 - Transportation overall width, m 2,4 - Number of aeration organs 5 - Distance between the aeration organs 510 - Type of the aeration organs: - reversible chisel blade - « L » left- right - vertical blade - Number of the leveling - crumbling rollers 2 - Diameter of the leveling - crumbling rollers, mm: 500 -Administered nutritive elements: phosphorus and potassium, super- phosphate, complex, ammonium nitrate, alloxan, nitrocalcite - Overall size dimensions, mm - Length 1765 - Width 2400 - Height - in exploitation 1865 -in transportation 2165 B. Functional characteristics - Working depth, cm: - deep aeration max 60 - chiseling max 40 -Working velocity, km/h max 8 - Administrating norm for nutritive elements, kg/ha: 70÷120

(phosphorus and potassium)

CARACTERISTICI CONSTRUCTIVE SI FUNCłIONALE A. Caracteristici constructive - Tipul tractat - Tractor necesar, CP 180-240 - LăŃimea de lucru, m 2,55 - LăŃimea de gabarit în transport, m 2,4 - Nr. organe de afânare 5 - Distanta între organele de afânare, mm 510 - Tipul organelor de afânare: - cuŃit daltă reversibilă - « L » stg.- dreapta - cuŃit vertical - Nr. tăvălugilor de nivelare-mărunŃire 2 - Diametrul tăvălugilor nivelare-mărunŃire, mm: 500 -Elemente nutritive administrate: fosfor şi potasiu superfosfat, complexe azotat de amoniu, uree, nitrocalcar - Dimensiuni de gabarit, mm

- Lungime 1765 - LăŃime 2400 - ÎnălŃime

- în lucru 1865 - în transport 2165

B. Caracteristici funcŃionale - Adâncimea de lucru, cm: -afânare adânca: max 60 -cizelat max 40 - Viteza în lucru, km/h max 8 - Normă de administrare elemente nutritive, kg/ha: 70÷120

(fosfor şi potasiu)

TESTS IN FIELD-LABORATORY AND EXPLOITING CONDITIONS

The home tests and in field-laboratory conditions of the DECOM-FERTI technical equipment were effectuated inside SC MAT SA Craiova quarters and on the agricultural terrains of the LEU Farm, Craiova, in aggregate with the 195 HP ZIMBRU tractor from the production of SC MAT SA Craiova. In figure 2 is presented the DECOM-FERTItechnical equipment (left), DECOM technical equipment (right) in aggregate with the ZIMBRU tractors.

ÎNCERCĂRI ÎN CONDITII DE CÂMP-LABORATOR SI DE EXPLOATARE

Încercările de casă şi în condiŃii de câmp-laborator ale echipamentului tehnic DECOM-FERTI s-au efectuat în cadrul Sediului SC MAT SA Craiova şi pe terenurile agricole ale Fermei LEU, Craiova în agregat cu tractorul de 195 CP ZIMBRU din fabricaŃia SC MAT SA Craiova. In figura 2 este prezentat echipamentul tehnic DECOM-FERTI (stânga).Echipamentul tehnic DECOM (dreapta) în agregat cu tractoarele ZIMBRU.

Fig. 2 - DECOM-FERTI technical equipment and DECOM technical equipment in aggregate with the ZIMBRU tractor / Echipamentul tehnic DECOM-FERTI şi echipamentul tehnic DECOM in agregat cu tractorul ZIMBRU

Determination of the soil’s aeration degree

The main qualitative indicator of work, at soil’s working in the arable substrate is represented by the soil’s aeration degree.

The soil’s aeration degree was determined by measuring the coordinates of different points towards a reference system, consisting of a ruler put on top of the field on two stakes.

Determinarea gradului de afânare a solului Principalul indicator calitativ de lucru, la lucrarea

solului în substratul arabil îl reprezintă gradului de afânare a solului.

Gradul de afânare a solului s-a determinat prin măsurarea coordonatelor diferitelor puncte faŃă de un sistem de referinŃă, constând într-o riglă aşezată deasupra


22

The ruler was laid down horizontally with the help of a bubble air inclinometer and was oriented perpendicularly on the machine’s advancing direction. There were made measurements of the distances between the ruler and the field, at distances from 5 to 5 cm or from 10 to 10 cm.

For shaping the bottom of the furrow it was cleaned the aerated soil on the ruler’s distance, being made a trench with the width of approx. 40 cm and the length equal with the length of the ruler (machine’s working width). The aerated soil was removed with a shovel till approx. 5 cm from the worked furrow’s bottom and the rest with a soffit or by hand, taking care not to broke the eventual dislevelments of the furrow’s bottom. There were executed two profiles for each repetition.

The soil’s aeration degree was calculated in %, with the relation:

câmpului pe doi Ńăruşi. Rigla a fost aşezată orizontal cu ajutorul unei nivele cu bulă de aer şi a fost orientatăperpendicular pe direcŃia de înaintare a maşinii. S-au făcut măsurători ale distanŃelor dintre riglă şi câmp, la distanŃe din 5 în 5 cm sau din 10 în 10 cm.

Pentru profilarea fundului brazdei s-a curăŃat solul afânat pe distanŃa riglei făcându-se o tranşee cu lăŃimea de cca. 40 cm. şi lungimea egală cu cea a riglei (lăŃimea de lucru a maşinii). Solul afânat s-a înlăturat cu lopata până la cca. 5 cm. de fundul brazdei lucrate si restul cu o scafă sau cu mâna, având grijă să nu se strice eventualele denivelări ale fundului brazdei. S-au executat 2 profiluri pentru fiecare repetiŃie.

Gradul de afânare a solului s-a calculat în %, cu relaŃia:

Gas= 100.n

hhhni

1i 2

12∑=

=

in which: h1 = dimension measured in a certain point from the ruler to the soil’s surface, before de machine’s pass; h2 = dimension measured in the same point from the ruler to the bottom of the furrow worked by the machine; n = number of effectuated measurements.

At the tests from the august-september 2008 period, the DECOM-FERTI technical equipment has realized quality works, with appropriate working and energetic qualitative indices, in the limits provided in the design theme, indices presented in the diagram from figure 3.

The equipment had a good stability in horizontal and vertical plane.

în care: h1 =dimensiunea măsurată într-un anumit punct de la

riglă la suprafaŃa solului, înainte de trecerea maşinii; h2 = dimensiunea măsurată în acelaşi punct de la riglă

la fundul brazdei lucrate de maşină; n = numărul de măsurători efectuate. La încercările din perioada august- septembrie 2008,

echipamentul tehnic DECOM-FERTI a realizat lucrări de calitate, cu indici calitativi de lucru şi energetici corespunzători, în limitele prevăzute în tema de proiectare -indici prezentaŃi în diagrama din figura 3.

Echipamentul a avut o bună stabilitate în plan orizontal şi vertical.

Fig. 3 - The working indices variation of the DECOM-FERTI technical equipment / VariaŃia indicilor de lucru ai echipamentului tehnic DECOM-FERTI

The principals working and energetic qualitative indices

realized are: - aeration degree, %: Gas=19,4÷22,5% at 25÷30 cm

Gas=15,3÷18,6% at 50÷60 cm - working depth, cm 50-60 at soil’s scarifying 25-30 at subsoilling - average working speed, km/h: 6,3 at soil’s scarifying

with three active organs; 6,1 at subsoilling with

five active organs; - average working capacity, ha/h: 1,61 at soil’s scarifying

with three active organs; 1,56 at subsoilling with

five active organs; - average fuel consumption, l/ha: 28,12 at soil’s scarifying

with three active organs;

Principalii indici calitativi de lucru şi energetici realizaŃi sunt: - gradul de afânare, %: Gas=19,4÷22,5% la 25÷30 cm

Gas=15,3÷18,6% la 50÷60 cm - adâncimea de lucru, cm: 50-60 la scarificarea solului

25-30 la subsolajul solului - viteza de lucru medie, km/h: 6,3 la scarificarea solului

cu trei organe active; 6,1 la subsolajul solului cu cinci organe active;

- capacitatea medie de lucru, ha/h: 1,61 la scarificarea solului cu trei organe active; 1,56 la subsolajul solului cu cinci organe active;

- consum de combustibil mediu, l/ha: 28,12 la scarificarea solului cu trei organe active


23

29,78 at subsoilling with five active organs;

- administrating normv nutritive elements, kg/ha: 70÷120

29,78 la subsolajul solului cu cinci organe active

- normă de administrare elemente nutritive, kg/ha: 70÷120 CONCLUSIONS After the tests they have resulted the following advantages of using the DECOM-FERTI technical equipment designed for 180-240 HP tractors: - it can work in all soil types, at soil’s optimum or reduced

humidity at which is obtained a maximum aeration degree of this one.

- it can execute the soil’s work (soil scarifying, in B1

horizon), in the arable substrate equipped with three working active organs and distanced between them at 100 cm and subsoilling (soil’s aeration, in A2 horizon) equipped with five working active organs and distanced between them with 50 cm;

- it administers nutritive elements between the minimum norm of 70 kg/ha and the maximum norm of 120 kg/ha;

- in penetrates easy in soil, up to the maximum depth, the space covered by the aggregate in this time is short (around 0,5 m);

- has a good stability in the working position, both in the vertical and horizontal planes, for the entire range of realized working depths;

- it assures a good soil’s aeration, without reversing, inverting or mixing the soil horizons.

CONCLUZII În urma încercărilor au rezultat următoarele avantaje ale folosirii echipamentului tehnic DECOM-FERTI, destinat tractoarelor de 180 -240 CP: - poate lucra în toate tipurile de sol, la umiditatea optimă

sau redusă a solului la care se obŃine un grad maxim de afânare a acestuia

- poate executa lucrarea solului (scarificarea solului, în orizontul B1) în substratul arabil echipat cu trei organe active de lucru şi distanŃate între ele la 100 cm şi subsolajul solului (afânarea solului, în orizontul A2)echipat cu cinci organe active de lucru şi distanŃate între ele cu 50 cm;

- administrează elemente nutritive între norma minima de 70kg/ha şi norma maxima de 120 kg/ha;

- pătrunde uşor în sol, până la adâncimea maximă, spaŃiul parcurs de agregat în acest timp este scurt (cca. 0,50 m);

- -are o bună stabilitate în poziŃia de lucru, atât în plan vertical, cât şi în plan orizontal, pentru întreaga gamă de adâncimi de lucru realizate;

- asigură o bună afânare a solului, fără întoarcerea, inversarea sau amestecarea orizonturilor de sol.

BIBLIOGRAPHY 1. Cojocaru I., a.o -.Studies and researches regarding the soil working technology without reversing the furrow and the experimenting technology of a Chisel at founding of straw cereals crops - Symposium organized by ASAS in collaboration with AOSR, 1999; 2. Cojocaru I., a.o – Ecological technology for subsoilling and soil working in conservative system and realization of a high productivity technical equipment – papers of scientific session INMATEH 2004-II, Bucharest, 2004 3. Kolozsvari C., Constantin N. - Equipment for soil’s deep aeration, MAS 220. Magazine “Agriculture Mechanization”, nr.10/2005, Bucharest 4. Balaci, C. – Machines and working organs for soil’s deep aeration. Documentary synthesis, bibliotheca A.S.A.S., Bucharest, 1980. 5. Canarache, A. ş.a.- Soil’s compaction, causes and effects. In: Magazine. Vegetal production, nr. 9 and 10, 1984 6. Canarache, A. ş.a. – Researches and results regarding the optimal agricultural-physical and hydro-physical parametersof soil’s fertility. In: magazine. Cereals and technical plants, nr. 10, 1989. 7. Bârcă, Gh. – New gear and technologies for soil working without furrow reversing. In the works of Symposium Agriculture’s mechanization problems, vol. II, Technical University Timişoara, 1991

BIBLIOGRAFIE 1. Cojocaru I., ş.a. -.Studii şi cercetări privind tehnologia de lucrare a solului fără răsturnarea brazdei şi metodologia de experimentare a unui Cizel la înfiinŃarea culturilor de cereale păioase - Simpozion organizat de ASAS în colaborare cu AOSR, 1999; 2. Cojocaru I., şa. - Tehnologie ecologică de subsolaj şi lucrarea solului în sistem conservativ şi realizarea unui echipament tehnic de mare productivitate - lucrările Sesiunii ştiinŃifice INMATEH 2004-II, Bucureşti, 2004 3. Kolozsvari C., Constantin N. - Echipament pentru afânarea adâncă a solului, MAS 220. Revista “Mecanizarea Agriculturii”, nr.10/2005, Bucureşti 4. Balaci, C. - Maşini şi organe de lucru pentru afânarea adâncă a solului. Sinteză documentară, biblioteca A.S.A.S., Bucureşti, 1980. 5. Canarache, A. ş.a.- Compactarea solului, cauze şi efecte. În: Rev. ProducŃia vegetală, nr. 9 şi 10, 1984 6. Canarache, A. ş.a. - Cercetări şi rezultate privind parametri agrofizici şi hidrofizici optimi ai fertilităŃii solului. În: Rev. Cereale şi plante tehnice, nr. 10, 1989. 7. Bârcă, Gh. - Noi utilaje şi tehnologii pentru lucrarea solului fără răsturnarea brazdei. În Lucrările Simpozionului Probleme de mecanizarea agriculturii, vol. II, Universitatea Tehnică Timişoara, 1991.


24

DYNAMICS OF THE AIR FLOW MIXED WITH STRAW CEREAL SE EDS /

/ DINAMICA CURENTULUI DE AER ÎN AMESTEC CU SEMIN łELE DE CEREALE PĂIOASE

MSc. Eng. Drago ş Manea – INMA Bucharest

Prof. Dr. Eng. Ioan Cândea –Transilvania University f rom Bra şov

Abstract : In the construction of straw cereal sowing machines as mechano – pneumatic type is used an transport assembly for the sowing material on pneumatic way to a central distributor which divides seeds for the pipes driving them to the shares for incorporate into soil. For this purpose the paper presents the dynamics of the air – seeds mixture from the mechanic distributor to the seeds distribution head. There are presented the movement of a seed as a heavy material point in a vertical resisting environment, the air – seed mixture flow which hits an obstacle, the impact between seeds and the cover of the distribution head. Keywords : dynamics, distribution head, material point, impact. 1. INTRODUCTION

For the devices with mechanic measuring and pneumatic distribution, seeds measuring for all shares is done mechanical, with a distributor and a grooved drum or cells rotor and their distribution and transport to the shares is done pneumatically. From the seed tank 1, seeds measured by the grooved drum 2 are ejected in the pipe 3, where are taken by the air flow delivered by the fan 4. Through the vertical pipe 5, the air – seeds mixture gets to the distribution head 6, where its distribution to the shares is done. The place where seeds are taken by the air flow it is a Venturi shape for obviate some overpressures which crank seeds back to the cells rotor.

Rezumat: În construcŃia semănătorilor pentru cereale păioase de tipul mecano-pneumatice se utilizează un ansamblu de transport a materialului de semănat pe cale pneumatică pînă la un distribuitor central care repartizează seminŃele la tuburile ce conduc pe acestea la brăzdarele de încorporare în sol. În acest scop în lucrare se prezintă dinamica amestecului aer – seminŃe de la distribuitorul mecanic pînă la capul de distribuŃie al seminŃelor. Astfel: se prezintă mişcarea unei seminŃe considerată punct material greu într-un mediu rezistent pe verticală; circulaŃia aerului purtător de seminŃe care întâlneşte un obstacol; ciocnirea dintre seminŃe şi capacul capului de distribuŃie. Cuvinte cheie: dinamica, cap de distribuŃie, punct material, ciocnire. 1. INTRODUCERE La aparatele cu dozare mecanică şi distribuŃie pneumatică, dozarea seminŃelor pentru toate brăzdarele se face pe cale mecanică, cu un distribuitor cu cilindru canelat sau rotor cu celule, iar repartiŃia şi transportul lor spre brăzdare se face pneumatic. Din buncărul de seminŃe 1, seminŃele dozate de cilindrul canelat 2, sunt evacuate în conducta 3, unde sunt preluate de curentul de aer debitat de ventilatorul 4. Prin conducta verticală 5, amestecul aer-seminŃe ajunge la capul principal de distribuŃie 6, unde se face distribuŃia acestuia către brăzdare. Locul în care seminŃele sunt preluate de curentul de aer are o construcŃie (formă) de tip Venturi, pentru a se preveni apariŃia unor suprapresiuni care să refuleze seminŃele înapoi, spre cilindrul cu alveole.

The vertical pipe walls, on their last sector, before the distribution head, are puckered for assure the air – seeds mixture homogenization. In terms of their destination, the sowing machines equipped with such distribution devices work on 24÷96 rows, the distribution device providing the norma adjustment between 2÷360 kg/ha. The sowing machine working speed is 8÷12 km/h.

PereŃii conductei verticale, pe ultima porŃiune, înainte de capul principal de distribuŃie, sunt gofraŃi pentru a asigura omogenizarea amestecului aer-seminŃe. În funcŃie de destinaŃie, maşinile de semănat echipate cu astfel de aparate de distribuŃie lucrează pe 24÷96 de rânduri, aparatul de distribuŃie asigurând reglarea normei între 2÷360 kg/ha. Viteza de lucru a maşinii este de 8÷12 km/h.

Fig. 1 - Diagram of the device with mechanic measuring and pneumatic distribution /

Schema aparatului cu dozare mecanică şi distribuŃie pneumatică


25

2. MOVEMENT OF A SEED, AS A HEAVY MATERIAL POINT, IN A VERTICAL RESISTING ENVIRONMENT

On consider that the seed grain has initial speed zero or directional on the vertical of its initial position (v0 ≥0). If on consider the pipe motionless, then its trajectory is vertical.

Air resistance aRr

is generally in terms and contrary

of the grain speed. On consider generally its formula:

ϕ= −r

r( )

vR mg v

v (1)

and the R modulus is given by: )(vmgR ϕ= (2)

The function )(vϕ is generally unknown and should

be obtained through aerodynamic tests in specific installations.

On admit that 0)( ≥vϕ and because it’s known that in fact the grain (material point) let free, without initial speed, falls down vertically in descending movement, it must be accomplished the condition 1)0(0 ≤≤ ϕ . On

admit that )(vϕ is an increasing continuous and differentiable

function by the v modulus of speed, thus +∞=+∞→

)(lim vv

ϕ .

Under these aspects, the vertical movement of the material point is described by the equation:

ϕ= −r r

r( )

dv vm mg mg v

dt v (3)

or upward vertically projected, Ox taken as axis:

vx

vmgmgxm&

&& )(ϕ−−= (4)

and grain movement is studied in two states, descending movement and upward movement.

a) Descending movement - initial speed is zero or downward vertically directed, vx −=& . From relations (3) and (4) results:

)](1[ vgdtdv ϕ−= (5)

On consider vcr > 0 the critical value of v for which 1)( =crvϕ

If the availability of speed v is assured, following over the hypothesizes made on )(vϕ , results:

)]()([ vvgdtdv

cr ϕϕ −= (6)

Applying the integration operator results:

ϕ ϕ= −

−∫0

0( )( ) ( )

v

crv

dvg t t

v v (7)

Analyzing relations (5) and (7) results following remarks: � If the initial speed modulus v0 < vcr, then

)()( vvcr ϕϕ − is positive at start, and the ecuation (5)

shows that the speed increases. Generally speeds can not exceed vcr, because from relation (7) results that if crvv → then ∞→t .

� If v0 > vcr, speed decreases from the initial value v0 tending to vcr for ∞→t .

� If v0 = vcr, then we have v = v0 whatever is t. The abscissa x is given in terms of v through:

ϕ− = −

−∫0

0

11 ( )

v

v

vdvx x

g v (8)

b) The upward movement - initial speed vertically directed upward, =&x v , that means x increases. In

2. MIŞCAREA UNEI SEMINłE, CONSIDERATĂ PUNCT MATERIAL GREU, ÎNTR-UN MEDIU REZISTENT PE VERTICALĂ

Se consideră că bobul de sămânŃă are viteza iniŃială nulă sau dirijată pe verticala poziŃiei sale iniŃiale (v0 ≥0). Dacă se consideră tubul în poziŃie de repaus, atunci traiectoria sa este verticală.

RezistenŃa aerului aRr

este în general în funcŃie de viteza

bobului şi este opusă vitezei. Se consideră, în general expresia acesteia:

ϕ= −r

r( )

vR mg v

v (1)

iar modulul lui R este dat de: )(vmgR ϕ= (2)

FuncŃia )(vϕ este în general necunoscută şi ar trebui

obŃinută prin experimentări aerodinamice în instalaŃii specifice. Se admite că 0)( ≥vϕ şi deoarece se ştie că în

realitate bobul (punctul material) lăsat liber, fără viteză iniŃială, cade pe verticală în mişcare descendentă, trebuie îndeplinită condiŃia 1)0(0 ≤≤ ϕ . Se admite că

)(vϕ este o funcŃie crescătoare continuă şi derivabilă de

modulul v al vitezei, astfel că +∞=+∞→

)(lim vv

ϕ .

În baza acestor consideraŃii, mişcarea pe verticală a punctului material este descrisă de ecuaŃia:

ϕ= −r r

r( )

dv vm mg mg v

dt v (3)

sau în proiecŃie pe verticală ascendentă, luată ca axă Ox:

vx

vmgmgxm&

&& )(ϕ−−= (4)

iar mişcarea bobului se studiază în două stări, mişcare descendentă şi mişcare ascendentă. a) Mişcare descendentă – viteza iniŃială este nulă sau

dirijată pe verticală în jos, vx −=& . Din relaŃiile (3) şi (4) rezultă:

)](1[ vgdtdv ϕ−= (5)

Se consideră vcr > 0 valoarea critică a lui v pentru care 1)( =crvϕ .

Dacă existenŃa vitezei v este asigurată, ca urmare asupra ipotezelor făcute asupra lui )(vϕ , rezultă:

)]()([ vvgdtdv

cr ϕϕ −= (6)

Aplicând operatorul de integrare rezultă:

ϕ ϕ= −

−∫0

0( )( ) ( )

v

crv

dvg t t

v v (7)

Din analiza relaŃiilor (5) şi (7) rezultă următoarele comentarii: � Dacă modulul vitezei iniŃiale v0 < vcr, atunci

)()( vvcr ϕϕ − este la început pozitiv, iar ecuaŃia (5)

arată că viteza creşte. În general vitezele nu pot depăşi pe vcr, deoarece din relaŃia (7) rezultă că dacă

crvv → atunci ∞→t .

� Dacă v0 > vcr, viteza descreşte de la valoarea iniŃială v0 tinzând către vcr pentru ∞→t .

� Dacă v0 = vcr, atunci avem v = v0 oricare ar fi t. Abscisa x este dată în funcŃie de v prin relaŃia:

ϕ− = −

−∫0

0

11 ( )

v

v

vdvx x

g v (8)

b) Mişcarea ascendentă - viteza iniŃială dirijată pe verticală în sus, =&x v , ceea ce înseamnă că x


26

these conditions from relation (4) results:

ϕ= − +[1 ( )]dv

g vdt

(9)

and results =dxv

dt and therefore

ϕ= −

+1

1 ( )vdv

dxg v

.

The point (grain) leaves at the moment t=0 from initial position x0 having speed v0 > 0, and its abscissa is given by the relation:

ϕ= −

+∫0

0

11 ( )

v

v

vdvx x

g v (10)

and the time is in terms of v through:

ϕ= −

+∫0

11 ( )

v

v

dvt

g v (11)

From relation (9) results that speed decreases and gets zero at the moment tcr given by:

ϕ=

+∫0

max

11 ( )

v

v

dvt

g v (12)

At this moment, the grain touched the high:

ϕ= − =

+∫0

max 00

11 ( )

v

cr

vdvh x x

g v (13)

which measure the high above the initial position. From this position, where the speed is zero, it starts the descending state of the movement described at paragraph (a).

The theoretical study presented in the upward movement get to the relations 9, 10, 11, 12 and 13 which are generally. For matching these relations at one of the paper problem, on consider the vertical upward movement having initial speed v0, figure no. 2, at low speds, when the resistance force is proportional with speed v.

creşte. În aceste condiŃii din relaŃia (4) rezultă:

ϕ= − +[1 ( )]dv

g vdt

(9)

şi rezultă =dxv

dt şi deci

ϕ= −

+1

1 ( )vdv

dxg v

.

Punctul (bobul) pleacă la momentul t=0 din poziŃia iniŃială x0 cu viteza v0 > 0, iar abscisa sa este dată de relaŃia:

ϕ= −

+∫0

0

11 ( )

v

v

vdvx x

g v (10)

iar timpul este exprimat tot ca funcŃie de v prin relaŃia:

ϕ= −

+∫0

11 ( )

v

v

dvt

g v (11)

Din relaŃia (9) rezultă că viteza descreşte şi se anulează la momentul tcr dat de relaŃia:

ϕ=

+∫0

max

11 ( )

v

v

dvt

g v (12)

În acest moment, bobul a atins înălŃimea:

ϕ= − =

+∫0

max 00

11 ( )

v

cr

vdvh x x

g v (13)

care măsoară înălŃimea deasupra poziŃiei iniŃiale. Din această poziŃie, în care viteza mobilului este nulă, începe faza descendentă a miscării descrisă la paragraful (a).

Studiul teoretic prezentat în mişcarea ascendentă a condus la relaŃiile 9, 10, 11, 12, 13 care au un caracter de generalitate. Pentru adaptarea relaŃiilor respective la una din problematica tezei se consideră mişcarea ascendentă pe verticală cu viteza iniŃială v0, figura 2, in varianta vitezelor mici, când forŃa de rezistenŃă este proporŃională cu viteza v.

On consider axis Ox directed upward having its origin in point O from where the grains are taken by the air flow delivered by fan.

The movement differential equation is: = − −&& &mx mg kmx sau

+ = −&& &x kx g (14)

where k is a coefficient which determines function )(vϕ .

Solving the inhomogenous differential equation (14) and taking into account by the initial conditions at t=0, x=0, =&

0x v get to:

• displacement law, −+= − −0

2(1 )ktg kv g

x e tkk

(15)

• speed, −+= −& 0 ktg kv g

x ek k

(16)

Se consideră axa Ox în sensul ascendent cu originea în punctul O de unde boabele sunt luate de curentul de aer generat de ventilator.

EcuaŃia diferenŃială a mişcării este: = − −&& &mx mg kmx sau

+ = −&& &x kx g (14)

în care k este un coeficient care determină funcŃia )(vϕ .

Rezolvând ecuaŃia diferenŃială neomogenă (14) şi Ńinând seama de condiŃiile iniŃiale la t=0, x=0, =&

0x v

conduc la:

• legea de mişcare, −+= − −0

2(1 )ktg kv g

x e tkk

(15)

• viteza, −+= −& 0 ktg kv g

x ek k

(16)


27

The maximum high is touchedd in point A where speed is zero, =& 0x and from the relation (16) results:

−+= −00 Aktg kv g

ek k

, from where results:

+= 01

lnA

g kt

k g (17)

In this way on obtain maximum high: +

= −0 0max 2

lnv g kg

hk gk

(18)

This study gets to the following conclusions: � The descending movement proves that in this

functional context the constructive and functional parameters must be accomplished thus such a grains movement must not exist;

� The upward movement proves that the height of the distribution head must be at a quota toward the start position of grains at which their speed must not be zero, for don’t happen the descending movement (v0 > vcr - critical floating speed);

� The condition for speed v not to be zero is imposed by the distribution head operation inside where the air flow carring seeds, in upward movement hits the upper plate, and following the impact with this one seeds are circular rebounded in the pipes which drive seeds to the shares for soil incorporation. Seeds transport is made under the air flow and gravitational force action.

� Following seeds rebound to be equally ditributed at pipes driving seeds to shares it is necessary to be accomplished a theoretical study regarding the interaction between an air flow carring seeds which moves in a pipe and meet a non-deflecting plate.

3. THEORETICAL STUDY REGARDING THE CIRCULATION OF A FLUID CARRING SEEDS WHICH MEET AN OBSTACLE (FLAT PLATE)

The theoretically study is based on mechanics fundamental laws, such as impulse law which contains geometric, kinematic and dinamic parameters as: ρ - density; Q - flow rate; v - speed; G - fluid weight; p - resulting pressure on pipe walls; pa - air pressure; pr- pipe action on the fluid; R - reaction on the angle pipe; pi - pressures in normal sections on the fluid flow direction; Si - fluid flow section; α - angle of inclination of the fluid flow in proportion with the plate position.

Studies reffer to the establishment of reaction rR on

a angle pipe, fluid flow press on a flat plate having accliv and normal incidence and the deviation of a fluid flow at the impact with an wall and in the same time results the seeds deviation carried by the fluid flow (the air flow)

and the reaction r

R . Thus, in figure no. 3 on consider an angle pipe

wherethrough passes a fluid flow.

ÎnălŃimea maximă este atinsă în punctul A unde viteza se anulează, =& 0x şi din relaŃia (16) rezultă:

−+= −00 Aktg kv g

ek k

, de unde rezultă:

+= 01

lnA

g kt

k g (17)

Astfel se obŃine înălŃimea maximă: +

= −0 0max 2

lnv g kg

hk gk

(18)

Studiul efectuat conduce la următoarele concluzii: � Mişcarea descendentă demonstrează că în acest

context funcŃional parametrii constructivi şi funcŃionali trebuie să fie realizaŃi astfel ca o astfel de mişcare a boabelor să nu aiba loc;

� Mişcarea ascendentă demonstrează că înălŃimea capului de distribuŃie trebuie să fie la o cotă faŃă de poziŃia de plecare a boabelor la care viteza acestora să nu fie nulă, pentru a nu se produce mişcarea descendentă (v0 > vcr - viteza critică de plutire);

� CondiŃia ca viteza v să fie diferită de zero este impusă din funcŃionarea capului de distribuŃie în care curentul de aer purtător de seminŃe, în mişcarea ascendentă ciocneşte placa superioară, iar în urma impactului cu aceasta seminŃele sunt ricoşate circular în tuburile care conduc seminŃele la brăzdarele de încorporare a acestora în sol. Transportul seminŃelor se face sub acŃiunea curentului de aer şi a forŃei gravitaŃionale;

� Ca în urma ricoşării seminŃelor acestea să fie repartizate uniform la tuburile ce conduc seminŃele la brăzdare este necesar să se efectueze un studiu teoretic cu privire la interacŃiunea dintre un curent de aer purtător de seminŃe care se mişcă într-un tub urmând să întâlnească o placă considerată nedeformabilă.

3. STUDIUL TEORETIC CU PRIVIRE LA CIRCULAłIA UNUI FLUID PURTĂTOR DE SEMINłE CARE ÎNTÂLNEŞTE UN OBSTACOL (PLAC Ă)

Studiul teoretic se bazează pe teoreme fundamentale ale mecanicii, precum teorema impulsului şi în care intervin parametrii geometrici, cinematici si dinamici ca: ρ - desitate; Q - debit; v - viteză; G - greutatea fluidului; p - presiunea rezultantă pe pereŃii tubului; pa - presiunea atmosferică; pr- actiunea tubului asupra fluidului; R - reacŃiunea asupra cotului; pi - presiunile in sectiunile normale pe direcŃia curentului de fluid; Si - secŃiunea curentului de fluid; α - unghiul de înclinare a curentului de fluid în raport cu poziŃia plăcii.

Studiile se referă la stabilirea reacŃiunii rR asupra

unui cot de tub, apăsarea curentului de fluid pe o placă plană cu incidenŃă înclinată şi normală şi devierea unui curent de fluid la impactul cu un perete şi concomitent cu acesta rezultă devierea seminŃelor antrenate de curentul de fluid (curentul de aer), implicit şi de reacŃiunea R.

Astfel, în figura 3 se consideră un cot prin care circulă un curent de fluid.

Fig. 3 - Reaction on an angle pipe / ReacŃiunea pe un cot


28

Under impulse law applied on a pipe wherethrough fluid passes results:

ρ − = +2 1( )Q v v G P , unde (19)

= =1 1 2 2Q v S v S (20)

If the external pressure is equal with air pressure pa, then the resultant pressure on the pipe walls is:

= − + − +1 1 1 2 2 2( ) ( )a a rP n p p S n p p S P (21)

Finally results reaction R which is equal with -Pr: ρ= − = − − + − + −2 1 1 1 1 2 2 2( ) ( ) ( )r a aR P G Qv v n p p S n p p S (22)

If the angle pipe is situated in an horizontal plane, the fluid reaction is qualitatively directed as shown in figure no. 3, and in other positions it is composed with the fluid weight vector G.

In figure no. 4 on consider the action of a fluid flow on a flat plate under an angle α.

În baza teoremei impulsului aplicată la un tub prin care circulă fluidul rezultă:

ρ − = +2 1( )Q v v G P , unde (19)

= =1 1 2 2Q v S v S (20)

Dacă presiunea exterioară este egală cu presiunea atmosferică pa atunci rezultanta presiunii pe pereŃii tubului este:

= − + − +1 1 1 2 2 2( ) ( )a a rP n p p S n p p S P (21)

În final rezultă reacŃiunea R care este egală cu -Pr: ρ=− = − − + − + −2 1 1 1 1 2 2 2( ) ( ) ( )r a aR P G Qv v n p p S n p p S (22)

Dacă cotul este situat într-un plan orizontal, reacŃiunea fluidului are calitativ sensul arătat în figura 2, iar în alte poziŃii se compune cu vectorul greutatea fluidului G.

În figura 4 se consideră acŃiunea unui curent de fluid pe o placă plană cu acŃiune asupra acesteia sub un unghi α.

Fig. 4 - The action of a fluid flow on a flat plate / AcŃiunea unui curent de fluid pe o placă plană

On consider as a control volume, the volume limited

by the normal sections AB, CD, EF and the lines of flow AF and BC, as are sketched in figure above, and sections CD and EF being situated at the plate borders. For simplification is neglected weight effect, which is considered very small or suppose thea the mentioned figure is in a horizontal plane. On consider the approximation that the fluid flow speed is uniform in sections CD and FE and speed has value v both in section AB as in sections CD and EF. On all areas ABCD and AFE the pressure has the same value with the air pressure pa. This observation is necessary for determine flow rates Q1 and Q2.

Reaction R comes from the pressures on DE face which is normal on the plate. If on apply the impulse law on normal direction, the reaction is equal with the component on the same normal direction of the impulse at entrance, because on a face of the plate DE acts the fluid pressure, and on the other acts the air pressure.

ρ α= sinR vQ (23)

On the plate direction, when the fluid weight is not considerred and taking DE as positive direction results following equation:

ρ ρ ρ α− + − =2 1 cos 0vQ vQ vQ (24)

whereon on attach the condition Q1 + Q2 = Q (25) Solving the equation system results:

α

α

+=

−=

1

1

1 cos2

1 cos2

Q Q

Q Q (26)

If on take into account the fluid weight and the mechanic model from figure no. 4, on consider in vertical plane as in figure no. 2, then the relations (23) and (24) become:

Se consideră ca volum de control, volumul mărginit de secŃiunile normale AB, CD, EF şi liniile de curent AF şi BC, aşa cum sunt schiŃate în figură, iar secŃiunile CD şi EF fiind situate la marginea plăcii. Pentru simplificare, se neglijeazăefectul greutăŃii, care se consideră foarte mic sau presupun că figura menŃionată se află într-un plan orizontal. Se consideră aproximaŃia că viteza curentului de fluid este uniformă în secŃiunile CD şi FE şi că viteza are valoarea v atât în secŃiunea AB, cât şi în secŃiunile CD şi EF. Pe toate zonele ABCD şi AFE presiunea are aceiaşi valoare cu presiunea atmosferică pa. Această observaŃie este necesară pentru determinarea debitelor Q1 şi Q2.

ReacŃiunea R este provenită din presiunile de pe faŃa DE care este normală pe placă. Dacă se aplică teorema impulsului pe direcŃie normală, reacŃiunea este egală cu componenta pe aceeaşi direcŃie normală a impulsului la intrare deoarece pe o faŃă a plăcii DE acŃionează presiune alichidului, iar pe cealaltă, presiunea atmosferică.

ρ α= sinR vQ (23)

Pe direcŃia plăcii, în condiŃiile în care greutatea fluidului nu iuntervine şi luând sensul pozitiv DE rezultă relaŃia:

ρ ρ ρ α− + − =2 1 cos 0vQ vQ vQ (24)

la care se adaugă condiŃia Q1 + Q2 = Q (25) Prin rezolvarea sistemului rezultă:

α

α

+=

−=

1

1

1 cos2

1 cos2

Q Q

Q Q (26)

Dacă se Ńine seama de greutatea fluidului şi modelul mecanic din figura 4 se consideră în plan vertical ca in figura 2, atunci relaŃiile (23) şi (24) devin:


29

ρ α αρ ρ ρ α α

= +− + − =2 2 1 1

sin cos

cos sin 0

R Qv G

Q v Q v Qv G (27)

where it could be admit forwards ≅ ≅1 2v v v . If the

flow acts upward, that means if α is replaced with angle (π - α), the weigt effect is contrary in relations (27):

ρ α α= −sin cosR Qv G (28)

A case met in practice is when the upward vertical fluid flow meet a horizontal flat plate (α=π/2) as in figure no. 5.

ρ α αρ ρ ρ α α

= +− + − =2 2 1 1

sin cos

cos sin 0

R Qv G

Q v Q v Qv G (27)

unde se poate admite in continuare ≅ ≅1 2v v v . Dacă jetul

ar acŃiona de jos in sus, adică dacă α ar fi înlocuit cu unghiul (π - α), efectul greutăŃii ar fi invers în relaŃiile (27):

ρ α α= −sin cosR Qv G (28)

Un caz care se întâlneşte în practică este când curentul de fluid vertical ascendent întâlneşte o placă plană orizontală (α=π/2) ca în figura 5.

Fig. 5 - Upward vertical fluid flow which meet a horizontal flat plate /

Curent de fluid vertical ascendent ce întâlneşte o placă plană orizontală

On apply the impulse law, the first relation (27) for the control volume ABCDEF (fig. 4, a) and for the volume A’B’CDEF. The fluid weight in these two situations is different, but reaction on plate results the same, because at the same flow rate Q, speeds v şi v’ from sections AB and A’B’ are different. Indeed, from Bernoulli formula results:

= +2

2' 1

'gh

v vv

(29)

while the section modifies thus the flow rate remains constant.

Applying relation (29) and calculating the volume ABB’A’ weight on obtain the same value for reaction R. Under the circumstances it is advisable in the chosen technical solutions to consider section AB as close as possible from the plate, and the weight be included or neglected depending on case.

In figure no. 5, b on consider the flat plate situated in a vertical fluid flow, from where we can see the modification mode of the flow lines at the plate avoidance. Based on the accomplished study, in figure no. 5, c, on present, in principle, how must be constructively realized the distribution head of a mechano - pneumatic sowing machine. Thus, the fluid flow transports seeds untill they meet (hit) the flate plate De, and after impact, seeds will be directed to the pipes entrances which are connected with the shares for soil incorporation. 4. THEORETICAL CONSIDERATIONS ON THE IMPACT BETWEEN SEEDS AND FLAT PLATE From the theoretical study accomplished resulted that through the upward transport of seeds by the fluid flow results between seeds and flat plate the impact phenomena which could be realized by a centric or a bevelled collision. The mechanical models are presented in figure no. 6. In figure no. 6, a on present the centric collision, in figure no. 6, b on present the bevelled collision, without consider the friction, and in figure no. 6, c on present the bevelled collision with friction.

Astfel se aplică teorema impulsului, respectiv prima relaŃie (27) pentru volumul de control ABCDEF (fig. 5, a) şi pentru volumul A’B’CDEF. Greutatea fluidului în cele două situaŃii este diferită, dar reacŃiunea pe placă rezultă aceeaşi, deoarece la acelaşi debit Q, vitezele v şi v’ din secŃiunile AB şi A’B’ sunt diferite. Într-adevăr, din formula lui Bernoulli rezultă:

= +2

2' 1

'

g hv v

v (29)

în timp ce secŃiunea se modifică astfel încât debitul să rămână constant.

Aplicând relaŃia (29) şi calculând greutatea volumului ABB’A’ se obŃine aceeaşi valoare pentru reacŃiunea R. În consecinŃă este recomandabil ca în soluŃiile tehnice alese să se considere secŃiunea AB cât mai aproape de placă, iar greutatea să se includă sau să se neglijeze după caz.

În figura 5, b se consideră placa plană situată într-un curent de fluid vertical, din care se vede modul de modificare a liniilor de curent la ocolirea plăcii. În baza studiului efectuat, în figura 5, c se prezintă, în principiu, cum trebuie să se realizeze constructiv capul de distribuŃie al unei semănători mecano-pneumatice. Astfel, curentul de fluid transportă seminŃele până ce acestea întâlnesc (ciocnesc) placa plană DE, iar după ciocnire, seminŃele vor fi dirijate spre gurile tuburilor care sunt în legătură cu brăzdarele pentru încorporarea seminŃelor în sol. 4. CONSIDERAłII TEORETICE ASUPRA CIOCNIRII DINTRE SEMINłE ŞI PLACĂ Din studiul teoretic efectuat a rezultat că prin transportul ascendent al seminŃelor de către curentul de fluid rezultă între seminŃe şi placă fenomenul de ciocnire care se poate produce printr-o ciocnire centrică şi printr-o ciocnire oblică. Modelele mecanice sunt prezentate în figura 6. În figura 6, a se prezintă ciocnirea centrică, în figura 6, b se prezinta ciocnirea oblică, fără să se considere frecarea, iar în figura 6, c se prezintă ciocnirea oblica în care se consideră frecarea.


30

Fig. 6 - The impact between a grain with the horizontal plate /

Ciocnirea dintre o sămânŃă cu placa orizontală

In figure no. 6, a, the speed after collision (v’) is directed to the normal direction on plate, having an opposite sense to the speed before collision (v), but the upward fluid flow action which is directed lateral left - right, will direct seeds displacement to the lateral entrances of pipes for driving seeds to shares.

In figure no. 6, b, the speed after collision (v’) is bevelled directed after a direction which has an angle β with the normal to plate. This situation is desired because seeds are directed to the lateral entrances of pipes which drive seeds to shares.

In figure no. 6, c, is presented the collision from figure no. 6, b, the bevelled collision where the contact between seeds and plate is done with friction.

The problem hypothesis are: grain is assimilate with a sphere with mass m, radius r, moment of inertia toward a diameter I=2mr2/5, the impact is done with speed v, the grain hit the plate under the angle α toward the normal to plate, the restitution coefficient is k.

In the contact point O emerges percussion Pr

which has two components: Pn – percussion after the normal direction and Pt - percussion after the tangent direction to plate. These are connected through relation:

nt PP µ= (30)

Wall being fixed results v2 = v2’ = 0, where v2 - plate speed before impact, v2’ - plate speed after impact. For the movement study on apply the impulse law:

− =∑r r r

2 1 iH H P (40)

and the kinetic moment law:

ii PxrKKrsrr

∑=− 12 (41)

where:

jmvimvHrrr

αα cossin1 −= (42)

jmvimvHrrr

ββ cos'sin'2 −= (43)

;01 =OzK '52

' 22 ωω mrJK Oz −=−= (44)

where v’ - speed after impact, ω’ - speed from the rotation movement after impact.

The restitution coefficient formula is: αα

−= =−

2 1

1 2

' ' 'coscos

n n

n n

v v vk

v v v (45)

With the equations (30), (42), (43), (44), (45) is made a five equations system with five unknowns: v’, ω’, β, Pn, Pt.

Solving the equations system results following solutions: α

µ α= += +

(1 )cos

(1 )cosn

t

P mv k

P mv k (46)

În figura 6, a viteza după ciocnire (v’) este îndreptată după direcŃia normală la placă în sensul opus vitezei înainte de ciocnire(v), dar acŃiunea curentului de fluid ascendent care este orientat lateral stânga - dreapta, va orienta deplasarea seminŃelor spre gurile laterale a tuburilor de conducere a seminŃelor spre brăzdare.

În figura 6, b viteza după ciocnire (v’) este îndreptată oblic după o direcŃie ce face cu normala la placă unghiul β. SituaŃia este dorită deoarece seminŃele sunt orientate spre gurile laterale ale tuburilor ce conduc seminŃele la brăzdare.

În figura 6, c este considerată ciocnirea din figura 6, b, adică ciocnirea oblică în care se consideră contactul dintre seminŃe şi placă cu frecare.

Ipotezele problemei sunt: sămânŃa se asimilează cu o sferă de masă m, rază r, momentul de inerŃie faŃă de un diametru I=2mr2/5, se efectuează ciocnirea cu viteza v, sămânŃa ciocneşte placa sub unghiul α faŃă de normala la placă, coeficientul de restituire este k.

În punctul de contact O apare percuŃia Pr

care are două componente: Pn – percuŃia după direcŃia normală şi Pt – percuŃia după direcŃia tangentă la placă. Acestea sunt legate prin relaŃia:

nt PP µ= (30)

Peretele fiind fix rezultă v2 = v2’ = 0, unde v2 – viteza plăcii înainte de ciocnire, v2’ – viteza plăcii după ciocnire. Pentru studiul mişcării se aplică teorema impulsului:

− =∑r r r

2 1 iH H P (40)

şi teorema momentului cinetic:

ii PxrKKrsrr

∑=− 12 (41)

în care:

jmvimvHrrr

αα cossin1 −= (42)

jmvimvHrrr

ββ cos'sin'2 −= (43)

;01 =OzK '52

' 22 ωω mrJK Oz −=−= (44)

în care v’ - viteza după ciocnire, ω’ - viteza din mişcarea de rotaŃie după ciocnire.

Expresia coeficientului de restituire este: αα

−= =−

2 1

1 2

' ' 'coscos

n n

n n

v v vk

v v v (45)

Cu ecuaŃiile (30), (42), (43), (44), (45) se formează un sistem de cinci ecuaŃii cu cinci necunoscute: v’, ω’, β, Pn, Pt.

Rezolvând sistemul de ecuaŃii rezultă soluŃiile: α

µ α= += +

(1 )cos

(1 )cosn

t

P mv k

P mv k (46)


31

α α µ= + − +2 2' cos [ (1 )]v v k tg k (47)

β α µ= − +1[ (1 )]tg tg k

k (48)

µω α= +' (1 )cosrmv

kI

(49)

The obtained solutions resulted for µ≠ ≠(1,0), 0k

There are particulary cases such as: a) k = 0, µ ≠ 0; b) k = 0, µ = 0; c) k = 1, µ ≠ 0; d) k = 1, µ = 0; e) k ≠ (1,0), µ = 0; f) k ≠ (1,0), µ ≠ 0.

Keeping sight of the system solutions and particulary cases results: • Case a: α= cosnP mv ; µ α= costP mv ;

α α µ= −' cos ( )v v tg ; β β= ∞ =,( )tg undefined ;

ω =' 0 ; • Case b: α= cosnP mv ; = 0tP ; α=' sinv v ;

β β= ∞ =,( )tg undefined ; ω =' 0 ;

• Case c: α= 2 cosnP mv ; µ α= 2 costP mv ;

α α µ= + − 2' cos 1 ( 2 )v v tg ; β α µ= − 2tg tg ;

µω α= 2' cos

rmvI

;

• Case d: α= 2 cosnP mv ; α α= + 2' cos 1v v tg ;

β α=tg tg ; ω =' 0 ;

• Case e: α= +(1 )cosnP mv k ;

α α= +2 2' cosv v k tg ; αβ = tg

tgk

; ω =' 0 .

• Case f: Results (46), (47), (48), (49). 5. CONCLUSIONS

Cases (a) and (b) where the collision is plastic, with or without friction, results that the value of β angle (reflection angle) is undefined, that is not a seed reject, seeds always keep the contact with the upper plate.

Case (c), angle β is smaller than angle α (incidence angle) because of the friction coefficient µ, the grain in its reflection movement accomplishes also a rotation movement.

Case (d), angle β is equal with angle α (reflection is equal with incidence), being the ideal reflection case for the elastic impact.

Case (e), angle β is bigger than angle α because k < 1, and in the reflection process the grain will move without rotation. Case (f) is generally when the impactis is quasiplastic or quasielastic with friction. In conclusion, cases admitted in practice are the ones where α µ< +(1 )tg k , α µ< 2tg , α β>tg ktg ,

that are cases f, c şi e. In this way seeds fall down from the upper plate by jumping back with the angle β and then taken by the fluid flow to the pipes driving seeds to the shares for soil incorporation.

α α µ= + − +2 2' cos [ (1 )]v v k tg k (47)

β α µ= − +1[ (1 )]tg tg k

k (48)

µω α= +' (1 )cosrmv

kI

(49)

SoluŃiile obŃinute au rezultat în varianta µ≠ ≠(1,0), 0k .

Se pot considera cazuri particulare ca: a) k = 0, µ ≠ 0; b) k = 0, µ = 0; c) k = 1, µ ≠ 0; d) k = 1, µ = 0; e) k ≠ (1,0), µ = 0; f) k ≠ (1,0), µ ≠ 0.

łinând seama de soluŃiile sistemului şi de cazurile particulare rezultă: • Cazul a: α= cosnP mv ; µ α= costP mv ;

α α µ= −' cos ( )v v tg ; β β= ∞ =,( )tg nedefinit ;

ω =' 0 ; • Cazul b: α= cosnP mv ; = 0tP ; α=' sinv v ;

β β= ∞ =,( )tg nedefinit ; ω =' 0 ;

• Cazul c: α= 2 cosnP mv ; µ α= 2 costP mv ;

α α µ= + − 2' cos 1 ( 2 )v v tg ; β α µ= − 2tg tg ;

µω α= 2' cos

rmvI

;

• Cazul d: α= 2 cosnP mv ; α α= + 2' cos 1v v tg ;

β α=tg tg ; ω =' 0 ;

• Cazul e: α= +(1 )cosnP mv k ;

α α= +2 2' cosv v k tg ; αβ = tg

tgk

; ω =' 0 .

• Cazul f: Sunt rezultatele (46), (47), (48), (49). 5. CONCLUZII

Cazurile (a) şi (b) în care ciocnirea este plastică, fie cu frecare sau fără frecare rezultă că valoarea unghiului β (unghi de reflexie) este nedefinită, adică nu există o respingere a seminŃelor, acestea rămân mereu în contact cu placa superioară.

Cazul (c) unghiul β este mai mic decât unghiul α (unghi de incidenŃă) datorită coeficientului de frecare µ, iar sămânŃa în mişcarea de reflexie efectuează şi o mişcare de rotaŃie.

Cazul (d) unghiul β este egal cu unghiul α (reflexiaegală cu incidenŃa) fiind cazul ideal de reflexie, caracterizată ciocnirii elastice.

Cazul (e), unghiul β este mai mare decât unghiul α deoarece k < 1, iar in procesul de reflexie sămânŃa se va misca fara să se rotească.

Cazul (f) este general când ciocnirea este cvasiplastică sau cvasielastică considerându-se şi frecarea.

În concluzie, cazurile admise în realitate sunt cazurile în care α µ< +(1 )tg k , α µ< 2tg , α β>tg ktg , adică

cazurile f, c şi e. Astfel seminŃele se desprind de placa superioară prin sărirea înapoi făcând unghiul β şi apoi preluate de curentul de fluid spre tuburile de conducere a seminŃelor la brăzdarele de încorporare a acestora în sol.

BIBLIOGRAPHY / BIBLIOGRAFIE [1]. Candea,I., Constantin, F., Pirna,I., Cotoros,L.D., Comanescu,I.S. - Mechanics/Statics – Theory and applications. “Transilvania” University Publishing House 2001. [2]. Candea,I., Constantinescu,D., Macovici,M. - Mechanics / Statics “Transilvania “ University Brasov 1992. [3]. Scripnic, V., Toma, G., Principii şi realizări noi în construcŃia maşinilor de semănat, Editura Ceres, Bucureşti, 1973.

[4]. Toma, D., Maşini şi instalaŃii agricole, Editura didactică şi pedagogică, Bucureşti, 1975. [5]. Vergil, G., Cojocaru, I., Neacşu, F., Studii şi cercetări privind perfecŃionarea sistemelor de transmisie şi distribuŃie ale semănătorilor de cereale păioase în vederea creşterii fiabilităŃii acestora şi a calităŃii lucrării de semănat, Lucrări ştiinŃifice, INMA Bucureşti, 1998.


32

DETERMINATION OF THE QUALITATIVE INDEX OF THE EQUIP MENT FOR MICROBIAL INOCULANTS APPLICATION

/ DETERMINAREA INDICILOR CALITATIVI DE LUCRU AI ECHIP AMENTULUI PENTRU

APLICAT INOCULAN łI MICROBIENI

MSc. Eng. Drago ş Manea, Dr. Eng. Iosif Cojocaru, Dr. Eng. Eugen Marin - INMA Bucharest -

Abstract: The equipment for microbial inoculants application is designed to the modern technology of sowing and inoculating hoeing plants and vegetables, being used to apply a targeted suspension of bacteria inoculated in the best area for rhizosphere colonization for improve plants nutrition, protection, stimulation and soil structure. This paper presents the results obtained at the tests accomplished in laboratory conditions of the equipment for microbial inoculants application INOC, which has been designed, realized and tested at INMA Bucharest. Performing the laboratory tests it have been determined following qualitative working index: pump debit, nozzles debit, substance norms, stirring system efficiency. Keywords: Microbial Inoculants, Equipment, Test, Qualitative Working Index. 1. INTRODUCTION

The equipment is designed for microbial inoculants application in hoeing plants and vegetables plants. Because at present in exploitation, for setting up the main crops whereon apply microbial inoculants (ex. soya, pea, bean, chick pea, tick bean), there are used in the main the sowing machines as SPC type, the equipment which has been designed, realized and tested by INMA Bucharest works attached to this kind of machine, having as energy source the 65 HP tractors. This equipment accomplishes the targeted application of the inoculum bacteria suspension and allows, in the same time with the sowing process, the radiculosphere inoculation (the radiculosphere is the area where the small plant risen from seed will grow). Also, this allows to eliminate the technical problems connected with the seed treatment with inoculants, for example: low bio-compatibility with other products used for seed treatment, the high mortality of bacteria on the seeds surface because of drying, of the exposure to the solar radiation and of various handlings.

The equipment for microbial inoculants application INOC presented in figure no. 1, is carried while working and has the following main subassemblies: two liquid tanks attached on the machine frame through mounting supports, one filter, a liquid pump driven with a hydraulic engine, a pressure controller, two hydraulic stirrers, pipes, nozzles for the inoculant liquid application.

Rezumat: Echipamentul pentru aplicarea inoculanŃilor microbieni este destinat tehnologiei moderne de semănat şi inoculat culturi de plante prăşitoare şi leguminoase pentru boabe, fiind utilizat la aplicarea Ńintită a suspensiei de bacterii inoculante în cea mai bună zonă pentru colonizarea rizosferei pentru îmbunătăŃirea nutriŃiei, protecŃiei, stimulării plantelor şi a structurii solului. Lucrarea prezintă rezultatele obŃinute la experimentările efectuate în condiŃii de laborator a echipamentului pentru aplicarea inoculanŃilor microbieni INOC, care a fost proiectat, realizat şi testat de INMA Bucureşti. În urma experimentărilor efectuate s-au determinat următorii indici calitativi de lucru: debitul pompei, debitul prin duze, normele de substanŃă, eficacitatea sistemului de agitare. Cuvinte cheie: inoculanŃi microbieni, echipament, testare, indici calitativi de lucru. 1. INTRODUCERE

Echipamentul este destinat aplicării inoculanŃilor microbieni în culturi de plante prăşitoare şi leguminoase pentru boabe. Deoarece la ora actuală în exploatare, pentru înfiinŃarea principalelor culturi la care se aplică inoculanŃi microbieni (soia, mazăre, fasole, năut, bob), sunt utilizate cu preponderenŃă semănătorile tip SPC, echipamentul care a fost proiectat, realizat şi testat de INMA Bucureşti lucrează ataşat acestui tip de maşină, în agregat cu tractoarele de 65 CP pe roŃi. Acest echipament realizează aplicarea Ńintită a suspensiei de bacterii inoculante şi permite, concomitent cu semănatul, inocularea radiculosferei (adică a zonei în care se va dezvolta plantula rezultată din sămânŃă). Totodată, acesta permite eliminarea problemelor tehnice asociate cu tratamentul seminŃei cu inoculanŃi (biocompatibilitate scăzută cu alte produse folosite pentru tratarea seminŃei; mortalitatea ridicată a bacteriilor de pe suprafaŃa seminŃelor tratate datorită uscării, expunerii la radiaŃia solară şi diferitelor manipulări ale seminŃelor etc.).

Echipamentul pentru aplicarea inoculanŃilor microbieni INOC prezentat în figura 1, este de tipul purtat în lucru şi are în componenŃă următoarele subansambluri principale: două rezervoare pentru lichid montate pe cadrul semănătorii prin intermediul unor suporŃi, un filtru, o pompă de lichid acŃionată de un motor hidraulic, un distribuitor, două agitatoare hidraulice, furtune şi duze de aplicare a lichidului inocul.

Fig. 1 - The equipment for microbial inoculant application attached to the sowing machine SPC6 / Echipamentul pentru aplicarea inoculanŃilor microbieni ataşat semănătorii SPC 6


33

2. TESTS IN LABORATORY CONDITIONS OF THE EQUIPMENT FOR MICROBIAL INOCULANTS APPLICATION

The test in laboratory conditions of the equipment for microbial inoculants application INOC has been made at INMA Bucharest location.

The preparation for tests of the equipment for microbial inoculants application INOC consisted in the following actions requested for determination the qualitative working index: ♦ pump do not have to operate with rhythmic variations

of the liquid; ♦ pump must be sealed, it doesn’t have to drip liquid; ♦ the liquid tank and the charging hole must be sealed

with a cover which doesn’t open itself; ♦ in the charging hole must be a clean sieve having

holes less than 2 mm; ♦ the control device informations (pressure, debit,

speed) must be in the operator field of vision or they must be exactly red of the operator from its place (chair);

♦ all the metering devices, the control, pressure and/or debit adjustment devices must work without fail and be sealed;

♦ inspection the operation mode of the distribution controls; ♦ the control parts which must be handled during the

operation of the inoculant application must be situated that during working to be easy to reach and to handle;

♦ the manometer scale must be visible and adequate to the working pressure area used;

♦ the precision limit of the manometer must be of: - ± 0,2 bar for pressures between 1 and 8 bar; - ± 0,5 bari for pressures between 8 and 20 bar; - ± 1,0 bari for pressures higher than 20 bar.

♦ the pipes (hoses) must be sealed at the maximum working speed;

♦ the pipes must be situated (posted) that don’t emerge bends or parts in friction, which may take off the pipe, making visible the layer of reinforcement (textile);

♦ the minimum radius of curvature must fits to the manufacturer indications;

♦ in working position, it’s not allowed the pipes to be along the drops jet;

♦ on the pressure joint (upset) of the pump must be at least one filter;

♦ the filter must be immaculate; the holes dimension must be in accordance with the nozzles and to comply with the indications given by the nozzles manufacturer;

♦ the operator must have the possibility to see the filter clogging and the filter cell must be easy to get at;

♦ the closing device (valve) must allow filter to be cleaned with the liquid tank filled till the nominal volume, without losing more liquid than is inside filter and intake pipe (joint);

♦ the filter cell must be detachable; ♦ the control of the fitting mode for the nozzles supports; ♦ all nozzles attached on the sowing sections must be

identical (as type, size, material and manufacturer); ♦ all the other parts (nozzles filters, antidropping

devices) must be similar; ♦ closing the under pressure liquid, the dropped liquid

quantity must not exceed 2 ml during 5 minutes; ♦ the nozzles are not allowed to drop after liquid

application stop; after 5 seconds dropping is not allowed;

♦ control of the operating mode of nozzles for inoculant application and correction of adjustments;

♦ test in laboratory – field conditions for determine the constructive and functional parameters of the

2. EXPERIMENTAREA ÎN CONDIłII DE LABORATOR A ECHIPAMETULUI PENTRU APLICAT INOCULAN łI MICROBIENI

Încercarea în condiŃii de laborator a echipamentului pentru aplicat inoculanŃi microbieni INOC a fost efectuată la sediul INMA Bucureşti.

Pregătirea pentru experimentări a echipamentului INOC a constat în efectuarea următoarelor operaŃiuni necesare în vederea determinării indicilor calitativi de lucru: ♦ pompa nu are voie să producă pulsaŃii vizibile (ale

lichidului); ♦ pompa trebuie să fie etanşǎ, nu are voie să picure lichid; ♦ rezervorul şi gura de umplere trebuie să fie etanşeizate cu

un capac care să nu se deschidă de la sine; ♦ în gura de umplere trebuie să se găsească o sită în stare

impecabilă cu orificii mai mici de 2 mm; ♦ indicaŃiile aparaturii de control (presiune, debit, viteză)

trebuie să se afle în câmpul vizual al operatorului sau să poate fi citite cu exactitate de acesta de la locul său (scaun);

♦ toate instrumentele (componentele) de măsură, dispozitivele de comandă, de reglare a presiunii şi/sau debitului trebuie să funcŃioneze impecabil şi să fie etanşe;

♦ verificarea modului de funcŃionare a comenzilor distribuitorului; ♦ piesele de comandă care trebuiesc mânuite în timpul operaŃiunii

de aplicare a lichidului inocul, trebuie să fie astfel poziŃionate încât în timpul aplicării să fie uşor accesibile şi manipulabile;

♦ diviziunile scalei manometrului trebuie să fie bine vizibile şi corespunzătoare domeniului de presiune de lucru folosit;

♦ toleranŃa de precizie a manometrului trebuie să fie: - ± 0,2 bari pentru presiuni cuprinse între 1 şi 8 bari; - ± 0,5 bari pentru presiuni cuprinse între 8 şi 20 bari; - ± 1,0 bari pentru presiuni mai mari de 20 bari.

♦ conductele (furtunurile) trebuie să fie etanşe la presiunea maximă de lucru;

♦ furtunurile trebuie să fie astfel amplasate (poziŃionate) încât să nu apară îndoituri sau porŃiuni supuse frecării, care pot să uzeze furtunul făcând vizibilă stratul interior de armătură (Ńesătură);

♦ raza minimă de curbură trebuie să corespundă indicaŃiilor furnizorului;

♦ în poziŃie de lucru, nu este permis ca furtunurile se se găsească pe direcŃia jetului de picături;

♦ pe racordul de presiune (refulare) al pompei trebuie să se găsească cel puŃin un filtru;

♦ filtrul trebuie să fie în stare impecabilă; dimensiunea ochiurilor trebuie să se coreleze cu duzele folosite şi sǎ corespundǎ cu indicaŃiile date de producătorul duzelor;

♦ operatorul trebuie să aibă posibilitatea sesizării înfundării filtrului, iar elementul filtrant să fie uşor accesibil;

♦ dispozitivul de închidere (robinetul), trebuie să permită curăŃirea filtrului cu rezervorul plin până la volumul nominal, fără a se pierde mai mult lichid decât cel existent în carcasa filtrului şi în conducta (racordul) de aspiraŃie;

♦ elementul filtrant trebuie să fie schimbabil; ♦ verificarea modului de montaj a suporŃilor duzelor; ♦ toate duzele montate pe secŃiile de semănat trebuie să fie

identice (ca şi tip, mărime, material şi producător); ♦ toate celelalte componente (filtre de duză, dispozitive

antipicurare) trebuie să fie similare; ♦ la închiderea accesului lichidului sub presiune, cantitatea de

lichid scursă nu trebuie să depăşească 2 ml, în timp de 5 min; ♦ duzele nu au voie să picure după oprirea stropirii. la 5

secunde după dispariŃia jetului lenticular nu este permisă picurarea.

♦ verificarea modului de funcŃionare a duzelor de aplicare a lichidului şi eventual corectarea reglajelor efectuate;

♦ experimentarea în condiŃii de laborator - câmp în vederea determinării parametrilor constructivi şi funcŃionali ai echipamentului.

Pregătirea pentru experimentări a standului de încercări


34

equipment. Preparation for tests of the experimental stand

Tests in laboratory conditions for determine the qualitative working index of the equipment for microbial inoculants application INOC have been accomplished on the stand presented in figure 2, which endows the DITRMA – INMA Laboratory and has following main components: - the frame in welding structure, provided with a

system for board sliding and fixing; - three-phase electric engine with the power of 7,5 kW

and rotative speed of 1440 rot/min; - reducer, C 21 2 P P132 type, ratio 2,6; - cardan drive.

Experimentările în condiŃii de laborator pentru determinarea indicilor calitativi de lucru ai echipamentului pentru aplicat inoculanŃi microbieni INOC s-au efectuat pe standul prezentat în figura 2, aflat în dotarea Laboratorului DITRMA - INMA, care se compune în principal din următoarele echipamente: - cadrul, format din profile sudate, prevăzut cu sistem de

culisare şi fixare în pardoseală; - motor electric trifazat cu puterea de 7,5 kW şi turaŃia

1440 rot/min; - reductor, tip C 21 2 P P132, raport de transmisie 2,6; - transmisie cardanică.

Fig. 2 - The experimental stand used / Standul de încercări utilizat: 1 – frame / cadrul; 2 – electric engine / motor electric; 3 – reducer / reductor; 4 – cardanic drive / transmisie cardanică

The preparation of experimental stand for tests

consisted in adjustments and fixing the support elements of the frame, cardanic drive coupling at the pump driving axle and the inspection of cardanic drive cover to be adequate fixed, the inspection of joints for the electric engine, the electric network connection and the inspection of its integrity and operation. There have been accomplished trainings for all operators safety work. Assurance of the instrumentation and metering devices

For the tests accomplishment the team used following metering devices which are adequate calibrated and adjusted: - manometer of 6 bar, uncertainty of 0,008 bar (fig. 3, a); - liquid container for the nozzles; - measuring cylinders for liquid, 1000 ml (fig. 3, b); - mechanical chronometer with the uncertainty of 0,4 s

(fig. 3, c); - revmeter with the uncertainty of 2 rot/min.

Pregătirea standului pentru experimentări a constat în efectuarea reglajelor şi fixarea elementelor de sprijin a cadrului, cuplarea transmisiei cardanice la arborele de antrenare al pompei şi verificarea ca apărătoarea transmisiei cardanice să fie montată în stare corespunzătoare, verificarea conexiunilor pentru acŃionarea motorului electric, cuplarea la reŃeaua electrică şi verificarea integrităŃii şi funcŃionării lui. Au fost efectuate instructaje pentru securitatea muncii tuturor operatorilor. Asigurarea aparaturii şi a dispozitivelor de măsurare

Pentru efectuarea experimentărilor colectivul de încercări a utilizat următoarele mijloace de măsură etalonate şi reglate în mod corespunzător: - manometru de 6 bar incertitudine de 0,008 bar (fig. 3, a); - recipient colector pentru duze; - cilindrii gradaŃi pentru măsurarea lichidului, 1000 ml

(fig. 3, b); - cronometru mecanic cu incertitudinea de 0,4 sec (fig. 3, c); - turometru cu incertitudinea de 2 rot/min.

a) b) c) Fig. 3 - Metering devices / Dispozitive de măsurare

a) manometer 6 bar / manometru 6 bar; b) measuring cylinder 1000 ml / cilindru gradat 1000 ml; c) mechanical chronometer / cronometru mecanic

3. RESULTS OBTAINED AT TESTS IN LABORATORY CONDITIONS

At the tests in laboratory conditions of the equipment for microbial inoculants application INOC have been determined following qualitative working index:

• pump debit; • nozzles debit; • liquid norms; • stirring system efficiency.

In figure 4 there is presented the equipment for microbial inoculants application INOC attached to the sowing

3. REZULTATE OBłINUTE LA EXPERIMENTĂRILE ÎN CONDIłII DE LABORATOR

La experimentările în condiŃii de laborator a echipamentului pentru aplicat inoculanŃi microbieni INOC s-au determinat următorii indici calitativi de lucru:

• debitul pompei; • debitul prin duze; • normele de substanŃă; • eficacitatea sistemului de agitare.

În figura 4 este prezentat echipamentul pentru aplicat inoculanŃi microbieni INOC ataşat semănătorii SPC 6 în

1

2 3

4


35

machine SPC 6 during tests in laboratory conditions. Pump debit has been determined using volumetric

method, at the entrance rotative speed of 540 rot/min. Tests have been accomplished whith the pump working at pressures between 0 and 5 bar.

timpul experimentărilor în condiŃii de laborator. Debitul pompei s-a determinat prin metoda volumetrică,

la turaŃia de intrare de 540 rot/min. Probele s-au efectuat în condiŃiile în care pompa lucrează pe maşină la presiuni de lucru cuprinse între 0 şi 5 bar.

Fig. 4 - The INOC equipment during tests on experimental stand / Echipamentul INOC în timpul experimentărilor pe stand

In table 1 there are presented the measurements

results of the liquid debits at the chosen working pressures. În tabelul 1 sunt prezentate rezultatele măsurătorilor

debitelor de lichid la presiunile de lucru alese.

Table 1 Specifications / SpecificaŃii

Measured values / Valori măsurate [l/min]

Rot. speed / TuraŃia [rot/min]

Pressure / Presiunea [bar]

R1 R2 R3 R4 R5

Average / Media [l/min]

0,5 14,5 14,8 14,5 14,9 15 14,7 1,0 12,9 13,3 13,7 13,5 13,5 13,3 1,5 11,7 11,1 12,0 11,5 11,8 11,6 2,0 9,8 10,2 10,6 9,9 10,4 10,1 2,5 7,2 7,5 7,6 7,1 7,9 7,4

540

3,0 4,8 5,0 4,9 5,1 5,0 4,9

Following tests resulted that pump aqccomplished liquid debits between 4,9 and 14,7 l/min at pressures between 0 and 3 bar and a rotative speed of 540 rot/min, these values comply with the equipment functional requests.

The average values of the liquid debit are presented in table 2, and the diagram of its variation in terms of pressure is presented in figure 5.

A rezultat că pompa realizează debite de lichid cuprinse între 4,9 şi 14,7 l/min la presiuni cuprinse între 0 şi 3 bar şi o turaŃie de 540 rot/min., aceste valori satisfăcând cerinŃele funcŃionale ale echipamentului.

Valorile medii intermediare ale debitului de lichid sunt prezentate în tabelul 2, iar aspectul grafic al variaŃiei acestuia funcŃie de presiune este prezentat în figura 5.

Table 2

02468

101214

0.5 1 1.5 2 2.5 3

pressure [bar]

debi

t (l/m

in)

Fig. 5 - Diagram of the debit variation in terms of pressure / Reprezentarea grafică a variaŃiei debitului funcŃie de presiune

Working pressure Presiunea de lucru [bar] 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Liquid debit / Debitul de lichid [l/min] 14,7 13,3 11,6 10,1 7,4 4,9

Nozzles debit has been determined using volumetric method for each nozzle, collecting the liquid through every nozzle during 1 minute, at the same pressures for pump debit determination, that means: 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5 and 3 bar. The working pressure has been written on the manometer attached to the equipment. There has been determined the average value of the debit on each nozzle. This last value doesn’t have to deviate with more than ± 10% with the nominal debit indicated by the nozzle manufacturer. For each

Debitul prin duze s-a determinat prin metoda volumetrică pentru fiecare duză în parte, colectând lichidul debitat prin fiecare duză în interval de 1 minut, la presiunile la care s-au făcut determinările pentru debitul pompei, respectiv: 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5 şi 3 bar. Presiunea de lucru a fost citită la manometrul montat pe echipament. S-a determinat apoi valoarea medie a debitului pe fiecare duză în parte. Această ultimă valoare nu are voie să se abată cu mai mult de ± 10% faŃă de debitul nominal indicat de producătorul (fabricantul)


36

pressure have been accomplished three measurements. The liquid quantity in liters, which flows through nozzle during 1 minute, is the real debit through that nozzle.

In table 3 there are presented the measurements results helping with on determined the debit through nozzles.

duzei. Pentru fiecare presiune s-au făcut 3 măsurători. Cantitatea de lichid exprimată în litri, care se scurge prin duză în timp de 1 minut, reprezintă debitul real prin duza respectivă.

În tabelul 3 sunt prezentate rezultatele măsurătorilor cu ajutorul cărora s-a determinat debitul prin duze şi coeficientul de debit.

Table 3

Specifications / Specifica Ńii

Measured values / Valori m ăsurate [l/min]

Nozzle type / Tipul duzei

Pressure / Presiune [bar]

Nozzle no./ Nr. duz ă

R1 R2 R3

Nozzle debit / Debit duz ă

[l/min]

1 0,515 0,520 0,510 0,515 2 0,510 0,500 0,510 0,507 3 0,590 0,520 0,540 0,550 4 0,450 0,480 0,460 0,463 5 0,480 0,500 0,510 0,497

0,5

6 0,515 0,530 0,500 0,515 1 0,590 0,630 0,610 0,610 2 0,590 0,650 0,630 0,623 3 0,720 0,700 0,680 0,700 4 0,600 0,640 0,620 0,620 5 0,530 0,550 0,580 0,553

1

6 0,670 0,690 0,650 0,670 1 0,750 0,720 0,760 0,743 2 0,680 0,660 0,690 0,677 3 0,750 0,730 0,750 0,743 4 0,700 0,760 0,720 0,727 5 0,750 0,740 0,780 0,757

1,5

6 0,810 0,780 0,770 0,787 1 1,100 0,990 1,050 1,047 2 0,880 0,950 0,960 0,930 3 0,960 0,980 1,050 0,997 4 0,930 0,980 0,950 0,953 5 1,100 1,000 1,050 1,050

2

6 1,100 0,990 1,200 1,097 1 1,180 1,110 1,130 1,140 2 1,060 1,120 1,060 1,080 3 1,180 1,200 1,150 1,177 4 1,000 1,050 1,100 1,050 5 1,130 1,180 1,100 1,137

2,5

6 1,160 1,200 1,160 1,173 1 1,210 1,210 1,230 1,217 2 1,170 1,210 1,190 1,190 3 1,270 1,230 1,200 1,233 4 1,240 1,210 1,250 1,233 5 1,210 1,220 1,190 1,207

ARAG Ø0,3

3

6 1,230 1,210 1,200 1,213 Flow of liquid through the nozzle ranged from 0463 l /

min at 0.5 bar pressure and 1233 l / min at 3 bar pressure. Change the graphics of flow depending on the nozzle pressure is shown in figure 6.

Debitele de lichid prin duze sunt cuprinse între 0,463

l/min la presiunea 0,5 bar şi 1,233 l/min la presiunea 3 bar. Aspectul grafic al variaŃiei debitului prin duze funcŃie de presiune este prezentat în figura 6.

0,400

0,500

0,600

0,700

0,800

0,900

1,000

1,100

1,200

1,300

0,5

presiune [bar]

debi

t [l/m

in]

Duza 1 Duza 2 Duza 3 Duza 4 Duza 5 Duza 6 Fig. 6 - Graphical representation of variation of flow depending on the nozzle pressure /

Reprezentarea grafică a variaŃiei debitului prin duze funcŃie de presiune


37

Norms of liquid are based on the flow of liquid of width and speed of movement using the relation:

N = 60 q /0,1 L v [l/ha], where: N = liquid norm [l/ha]; q = liquid debit [l/min]; L = equipment working width [m];

v = equipment working speed [km/h]. In laboratory on determined the flow, colecting

substance that is leaking through the nozzles equipment for 1 minute. Determinations were made in 3 rehearsals, the results of measurements are presented in table 4.

Normele de lichid se determină în funcŃie de debitul de lichid, de lăŃimea de lucru şi viteza de deplasare folosind relaŃia: N = 60 q /0,1 L.V [l/ha], unde: N = norma de lichid [l/ha]; q = debitul de lichid [l/min]; L = lăŃimea de lucru a maşinii [m]; v = viteza de lucru a maşinii [km/h].

În laborator s-a determinat debitul, colectând substanŃa care se scurge prin duzele echipamentului timp de 1 minut. Determinările s-au făcut în 3 repetiŃii, rezultatele măsurătorilor fiind prezentate în tabelul 4.

Table 4

Specifications / Specifica Ńii Measured values of debit / Valori m ăsurate ale debitului [l/min]

Pressure / Presiunea [bar] R1 R2 R3 Average / Media

Liquid norm / Norma de lichid [l/ha]

0,5 3,060 3,050 3,030 3,040 91,20 1 3,700 3,860 3,770 3,776 113,28

1,5 4,440 4,390 4,470 4,433 132,99 2 6,070 5,890 6,260 6,073 182,19

2,5 6,710 6,860 6,700 6,756 202,68 3 7,330 7,290 7,260 7,293 218,79

Provided with nozzle ARAG Ø0,3, the equipment

accomplishes liquid norms between 91,20 and 218,79 l/ha for working pressures between 0,5 and 3 bar at a average speed of movement of the sowing aggregate of 7 km/h.

Standard liquid values are presented in table 4, the graphics and the variation with pressure is shown in Figure 7.

Prevăzut cu duze ARAG, Ø0,3, echipamentul realizează norme de lichid cuprinse între 91,20 şi 218,79 l/ha pentru presiuni de lucru cuprinse între 0,5 şi 3 bar, la o viteză medie de deplasare a agregatului de semănat de 7 km/h.

Valorile normei de lichid sunt prezentate în tabelul 4, iar aspectul grafic al variaŃiei acesteia cu presiunea este prezentat în figura 7.

0

50

100

150

200

250

0.5 1 1.5 2 2.5 3

pressure [bar]

liqui

d no

rm [l

/ha]

Fig. 7 - Graphical representation of the variation liquid norm depending on pressure /

Reprezentarea grafică a variaŃiei normei de lichid funcŃie de presiune

Effectiveness of stirring To avoid variations in the concentration of illegal liquid

inocul equipment is provided with a mixing system composed of two ejector (Venturi tube), fig. 8, placed at the bottom of the tank, parallel to the longitudinal axis thereof and fed through a shunt directly from the distributor.

Eficacitatea sistemului de agitare Pentru a evita variaŃiile nepermise ale concentraŃiei

lichidului inocul, echipamentul este prevăzut cu un sistem de agitare alcătuit din două ejectoare (tub Venturi), fig. 8, plasate în partea de jos a rezervoarelor, paralel cu axa longitudinală a acestora şi alimentate printr-o derivaŃie direct de la distribuitor.

Fig. 8 - Hydraulic agitator / Agitator hidraulic

The agitators rise of the liquid reservoir stirring all the

time and thus maintaining a constant concentration of liquid inocul, over 85%. To determine the parameters of shaking used turdacupral a suspension of 3% which was left in tanks for 2 hours at rest, during which time the suspension was deposited in the bottom of the tank. At the end of this period was the agitation system in operation for 3 minutes, after which the liquid collected by the spray nozzles. Concentration determined after the operation and

Agitatoarele antrenează lichidul din rezervor, agitându-l tot timpul şi menŃinând astfel o concentraŃie constantă a lichidului inocul, peste 85%. Pentru determinarea parametrilor sistemului de agitare s-a folosit o suspensie de turdacupral 3%-care s-a lăsat în rezervoare timp de 2 ore în repaus, timp în care suspensia s-a depus în partea de jos a rezervoarelor. La sfârşitul acestei perioade s-a pus sistemul de agitaŃie în funcŃiune timp de 3 minute, după care s-a colectat lichidul prin duzele de pulverizare. ConcentraŃia determinată după perioada


38

rest 3 minutes of the agitation was not greater than ± 5% of the training. 4. CONCLUSIONS

Following experiments carried out with equipment for applied microbial inoculants INOC have the following result: • It is simply designed and easy to carry out all

agrotechnical requirements imposed to microbial inoculants application at hoeing plants and grain legumes;

• Pump liquid flow of liquid carried out between 4,9 and 14,7 l/min at pressures of 0,5÷3 bar and rotative speeds of 540 rpm, these values satisfy functional requirements of equipment;

• Equipment was provided with ARAG Ø0,3 nozzles; • Nozzles debits were between 0,463 l/min and 1,233

l/min at pressures of between 0,5 - 3 bar; • Provided with nozzles ARAG, Ø0,3, made the fluid

norms between 91,20 and 218,79 l/ha for working pressures between 0,5 and 3 bar at a average speed of movement of the sowing aggregate 7 km/h and meets agrotechnical requests to all schemes of work;

• The effectiveness of mixing of liquid inocul is over 85%. The technical equipment ensures parameters at high

quality work, safe operating, contains constructive solutions for the major sub-assemblies to the best products on the global plan and technological solutions for component parts leading to savings in material and manufacturing at a low table equipment, so at a reduced cost of manufacture.

de repaus şi funcŃionare de 3 minute a sistemului de agitaŃie nu a fost mai mare de ± 5% din concentraŃia de pregătire. 4. CONCLUZII În urma experimentărilor efectuate cu echipamentul pentru aplicat inoculanŃi microbieini INOC, au rezultat următoarele: • Este simplu, uşor de deservit şi realizează toate

cerinŃele agrotehnice impuse pentru aplicarea inoculanŃilor microbieni la culturi de plante prăşitoare şi leguminoase pentru boabe;

• Pompa de lichid realizează debite de lichid cuprinse între 4,9 şi 14,7 l/min la presiuni de 0,5÷3 bar şi turaŃii de 540 rot/min, aceste valori satisfăcând cerinŃele funcŃionale ale echipamentului;

• Echipamentul a fost prevăzut cu duze ARAG Ø0,3 ; • Debitele duzelor au fost cuprinse între 0,463 l/min şi

1,233 l/min la presiuni de lucru cuprinse între 0,5÷3 bar; • Prevăzut cu duze ARAG, Ø0,3, echipamentul realizează

norme de lichid cuprinse între 91,20 şi 218,79 l/ha pentru presiuni de lucru cuprinse între 0,5 şi 3 bar, la o viteză medie de deplasare a agregatului de semănat de 7 km/h şi îndeplineşte cerinŃele agrotehnice la toate regimurile de lucru;

• Eficacitatea sistemului de agitare a lichidului inocul este de peste 85%. Echipamentul tehnic asigură parametrii calitativi de lucru

superiori, siguranŃă în exploatare, conŃine soluŃii constructive pentru principalele subansambluri la nivelul celor mai bune produse similare existente pe plan mondial şi soluŃii tehnologice pentru piesele componente care conduc la economii de material în fabricaŃie şi la o masă redusă a echipamentului, deci la un cost de fabricaŃie redus.

BIBLIOGRAPHY 1. Manea D., Cojocaru I., Pirnă I., Report Testing, Phase no. 3, Experimentation equipment for applying microbial inoculants, Project: Inoculated Microbial Systems for Sustainable Agriculture, contract no. 31-048 / 14.09.2007.

BIBLIOGRAFIE 1. Manea D., Cojocaru I., Pirnă I., Raport de experimentare, faza nr. 3, Experimentarea echipamentului pentru aplicarea inoculanŃilor microbieni, proiectul InoculanŃi microbieni pentru sisteme de agricultură durabilă, contract nr. 31-048 / 14.09.2007.


39

RESEARCHES REGARDING THE MANUFACTURING OF A MACHINE

FOR CHEMICAL FERTILIZERS AND AMENDMENTS SPREADING, MA-3.6 /

CERCETĂRI PRIVIND REALIZAREA UNEI MA ŞINI PENTRU ADMINISTRAT ÎNGRĂŞĂMINTE CHIMICE ŞI AMENDAMENTE, MA-3,6

Dr.ing. Lucre Ńia POPA, Ing. Vasilica ŞTEFAN - INMA Bucure şti

Ing. Livian Victor ANDREI, Ing. Gicu GURAN - SC MAT SA Craiova

Abstract: The machine for spreading chemical fertilizers and amendments, MA-3,6, is designed for transporting and spreading fertilizers and amendments in field crops.The machine works in aggregate with over 45 HP tractors. The machine MA-3,6 contributes to diversifying the range of machines designed tor chemical fertilizing and soil quality improvement and spreadings low quantities of mineral fertilizers, according to the actul orientations regarding the environmental protection. Keywords: chemical fertilizer process .

Rezumat: Maşina pentru administrat îngrăşăminte chimice şi amendamente, MA-3,6, este destinată transportului şi împrăştierii îngrăşămintelor chimice şi amendamentelor în culturile de câmp. Maşina lucrează în agregat cu tractoare având puterea de minim 45 CP. Maşina MA-3,6 contribuie la diversificarea gamei de maşini destinate fertilizării chimice şi ameliorării calităŃilor solului şi asigură norme de împrăştiere reduse, în conformitate cu orientările actuale privind protecŃia mediului. Cuvinte cheie : fertilizare cu îngrăşăminte chimice

1. GENERALITIES

For the plants germination, the fertility of the soil has un important function, which it means the capacity of the soil to offer, all over the germination period, permanently and simultaneously, water and nourishing substances. Because of the frequent cultivation on the same surfaces, the fertility of the soil decreases, therefore the men intervention is necessary. For increasing the fertility of the soil, the sustainable agriculture advices the utilisation of the manure, but this is not possible all the time, because the manure doesn’t exist enough, being very difficult to obtain them. Consequently, it is necessary to use the chemical fertilizers, but only keeping that under a strict control, spreading the minimum quantity, according to the agro technical requirements.

Chemical fertilizers must fulfil certain agro technical requirements such us: � to spread granulates, crystal or powder fertilizers,

granulates organic-mineral fertilizers and amendments under 7 mm grain, their humidity being under the standard values;

� to provide the uniformity of chemical fertilizers and amendments spreading, both on length and width of the spreading area, the maximum deviation from the medium value must be under 15%;

� to spread quantities according to the standards, with ±3÷5% deviation;

� during the technological process, the spreaders mustn’t break the granulates fertilizers.

2. DESCRIPTION OF THE SPREADER MA 3,6

According to RNTR 2, the machine MA 3.6 is a “rigid hitch trailer”.

The main subassemblies of the spreading machine are: - assembled frame; - mechanism for act the conveyer; - centrifugal spreading device; - bin; - assembled beam; - electrical installation; - single axle; - inertial principal braking system; - mechanical parking braking system; - transport conveyor; - other assemblies and fits elements.

1. CONSIDERAłII GENERALE Pentru dezvoltarea corespunzătoare a plantelor, un rol

deosebit îl are solul, în principal capacitatea acestuia de a fi fertil, de a pune la dispoziŃia plantelor, în tot timpul vegetaŃiei, permanent şi simultan, substanŃe nutritive şi apă. Datorită cultivării repetate pe aceleaşi suprafeŃe, fertilitatea solului se reduce, fiind necesară intervenŃia omului. Agricultura durabilă prevede utilizarea îngrăşămintelor organice pentru creşterea fertilităŃii solului, dar acest lucru nu este posibil, deoarece îngrăşămintele organice nu se găsesc în cantităŃi suficiente, fiind foarte greu de obŃinut. De aceea, este necesară aplicarea în continuare a fertilizării cu îngrăşăminte minerale, numai că acest lucru trebuie realizat în regim controlat, cu administrarea unor norme minime, în concordanŃă cu cerinŃele agrotehnice.

Maşinile de fertilizat trebuie să îndeplinească anumite cerinŃe agrotehnice şi anume: • să distribuie îngrăşăminte în formă granulată, cristalizată sau

pulbere, îngrăşăminte organo-minerale granulate şi amendamente cu granulaŃia la dimensiunea maximă de 7 mm, a căror umiditate să nu depăşească valorile prevăzute în norme;

• să asigure distribuirea uniformă a îngrăşămintelor şi amendamentelor, atât pe lungimea de distribuŃie cât şi pe lăŃime, abaterea maximă admisă de la valoarea medie fiind de max.15%;

• să asigure respectarea normelor impuse cu abateri de ± 3÷5% din normă;

• pe parcursul procesului tehnologic efectuat de maşini să nu se producă spargerea granulelor.

2. DESCRIEREA MAŞINII MA 3,6

Maşina MA-3,6, se încadrează conform RNTR 2, în categoria “remorcă cu proŃap rigid”.

Principalele subansambluri componente ale maşinii sunt: - şasiu asamblat, - mecanism de acŃionare transportor, - aparat pentru împrăştiere centrifugal, - buncăr, - traversă asamblată, - instalaŃie electrică, - tren de roŃi asamblat, - sistem de frânare prin inerŃie, - frână de parcare mecanica, - bandă de transport, - alte elemente de asamblare şi fixare.


40

Fig.1 - Spreading machine for chemical fertilizers, MA 3.6 / Maşina pentru administrat ingrasaminte chimice granulate MA 3,6

The assembled chassis comprises welded frame, eye hitch and nuts for fixing the hitch’s eye. The welded chassis is made by longerons and beams, realized by special standardized profiles. The hitch is mounted in front of the chassis and it is provided by a trailer eye, diameter Ø50+0.8, torus section, according to SR ISO 5692.

Şasiul asamblat are în componenŃă şasiul sudat, ochiul de remorcare şi piuliŃele de fixare a ochiului de remorcare. Şasiul sudat este o construcŃie metalică sudată, alcătuită din lonjeroane şi traverse, realizate din profile speciale standardizate. ProŃapul se află la partea inferioară a cadrului şi este prevăzut cu un ochi de remorcare Ø50+0,8 cu secŃiune torică, conform SR ISO 5692.

Fig.2 - Main frame / Sasiul

The acting device of the conveyor is compounded by a special iron pressing wheel, acted from the left transport wheel. The moving is transferred by a universal coupling to an axle, and than, by a transmission chain, at the drive axle of the conveyor. For maintaining the spreading uniformity, according to the agricultural norms, the movement has been taken from the transport wheel, therefore the quantity of the fertilizers which is spread, to be in correlation with the speed of the machine. During the spreading work, the mechanism is maintained in contact with the transport wheel, by traction helicoidally spring. During the transport, for uncoupling the pressing wheel and to break off the alimentation of the spreading device, it is mounted a plunger hydraulic cylinder, by this cylinder the

Mecanismul de acŃionare a transportorului are în componenŃă o roată presoare de construcŃie metalică specială, care preia mişcarea de la roata de transport din stânga, mişcare ce se transmite prin intermediul unei transmisii cardanice la un ax şi apoi prin intermediul unei transmisii cu lanŃ la axul motric al benzii transportoare. Pentru asigurarea uniformităŃii de împrăştiere conform cerinŃelor agrotehnice, mişcarea a fost preluată de la roata motrică a maşinii, astfel încât cantitatea de îngrăşăminte distribuită să fie corelată cu viteza de deplasare a maşinii. În timpul lucrului, mecanismul este menŃinut în contact cu roata de transport cu ajutorul unui arc elicoidal de tracŃiune. La transport, în scopul decuplării roŃii presoare şi întreruperii alimentării cu material a aparatului de împrăştiere, este prevăzut un cilindru hidraulic tip plunjer


41

force of the spring is surmounted and the pressing wheel can be moved away, in case of the movement between the fields or between the charging place and the surface where the fertilizers will be spread, because the transport speed is higher than the work speed (transport speed=15 km/h work speed = 8 km/h). On the same time, during the work, acting this cylinder, it is possible to modify the pressing between both wheels, avoid the slipping which can be appear between the pressing wheel and the transport wheel. In case that the worker forget to uncoupling the acting mechanism and he move the machine backward, it is mounted a single directional coupling to protect the conveyor. This can stop the transmission of the rotation movement of the pressing wheel to the driving axle of the conveyor.

cu ajutorul căruia se învinge forŃa din arc şi se îndepărtează roata presoare, în cazul deplasării între sole sau de la punctul de încărcarea până la postaŃa ce urmează a fi lucrată, viteza de deplasare fiind mai mare decât în timpul lucrului (vtransport=15 km/h; vlucru=8 km/h). Totodată, în timpul lucrului, prin acŃionarea acestui cilindru se poate modifica presiunea de contact între cele două roŃi, evitându-se apariŃia patinării roŃii presoare pe roata motrică. Pentru protejarea transportorului cu bandă în situaŃia în care mecanizatorul uită să decupleze mecanismul de acŃionare şi se manevrează maşina către înapoi, este prevăzut un cuplaj unisens cu clichet, ceea ce face ca mişcarea de rotaŃie a roŃii presoare să nu mai fie transmită la axul motric al benzii transportoare.

The centrifugal spreading device is mounted on the back of the machine, by a joint screw-nut. It is possible to modify the spreading width and the fertilizer norm, modifying the angle of the aisles on the disc, in horizontal plane, function the type of the fertilization (granulated or powder, diameter of the granules, the volume weight etc.). The acting is made by a universal coupling, taking the movement from the tractor’s PTO. The rotation movement is transferred by a multiplier group, mounted on the back side of the machine.

Aparatul pentru împrăştiere centrifugal se fixează pe buncăr, la partea posterioară a acestuia, cu ajutorul unor îmbinări şurub-piuliŃă. Se poate modifica astfel lăŃimea de împrăştiere şi implicit norma de îngrăşăminte la hectar, prin reglarea unghiului în plan orizontal a paletelor pe disc, funcŃie de tipul îngrăşământului (granule sau pulverulente, diametrul granulelor , greutatea volumică). AcŃionarea se face de la priza de putere a tractorului, prin intermediul unei transmisii cardanice, ax intermediar şi caseta de antrenare fixată în partea din spate a suportului buncărului.

Fig. 3 - Centrifugal spreader device / Aparatul de distribuŃie centrifugal

The bin of the machine is made of welded sheet iron, the shape of the bin being truncated pyramid. It was selected this shape, because the pitch of the walls allows an easily flow of the fertilizers, the pith being according to the natural talus angle of the fertilizers. At the bottom of the bin, there is an iron sheet pail, in this pail coulisses the conveyor.

Buncărul este o construcŃie metalică sudată, fiind confecŃionat din tablă şi având forma tronco-piramidală. S-a ales această formă a buncărului deoarece înclinarea pereŃilor buncărului permite scurgerea cu uşurinŃă a materialului încărcat, înclinarea fiind în concordanŃă cu unghiul de taluz natural al materialelor împrăştiate. La partea inferioară se află o cuvă confecŃionată tot din tablă, pe care culisează banda transportoare.

Fig. 4 - Assembled bin / Buncăr asamblat

To modify the fertilizers overflow transported by the conveyor to the spreading device, at the backside of the bin has been mounted a gate which allows the flow of the fertilizer, the opening of the gate is obtained by the action of a lever. On the other side of the gate, on the back wall of the bin, there is a branch strip and on the gate there is a needle. The correlation of these two elements, it is

Pentru modificarea debitului de material transportat de bandă pe aparatul de împrăştiere centrifugal, în partea posterioară a buncărului a fost prevăzut un şuber prin care se scurge materialul, deschiderea acestuia putând fi reglată cu ajutorul unei pârghii. Pe partea laterală a şuberului, pe peretele posterior al buncărului, a fost montată o regletă gradată iar pe şuber se află un ac indicator. Prin corelarea


42

possible to obtain the good-size of the fertilizer, function with the type of the fertilizer and the necessity, according to the agro technical conditions. The gate is acted by the lever. In order to detach the foreign objects, or the agglomerated fertilizers or amendments, top of the bin there is a sieve, foursquare holes. The fertilizer which has been transported by the conveyor is distributed on the spreading discs by a deflector, mounted bottom of the bin, therefore the fertilizer falling down in central area of the discs. The conveyor. Bottom of the bin, inside, there is the conveyor, made by special chains, with alveoli which bring the movement of the fertilizers to the spreading device. The conveyor is conducted by a barrel mounted in front side of the bin. For acting the conveyor, backside of the conveyor there is a driving axle with chain wheels. This axle takes the rotation movement, by a chain transmission, from the acting mechanism situated on the left of the machine.

celor două se poate face o dozare corespunzătoare a materialului, funcŃie de tipul îngrăşământului şi de necesarul determinat din condiŃiile agrotehnice. Şuberul este acŃionat cu ajutorul unei pârghii.

În scopul separării corpurilor străine ori a fertilizatorilor aglomerate sub formă de bulgări, la partea superioară a buncărului a fost prevăzută o sită de cernere, cu găuri pătrate.

Pentru dirijarea materialului adus de banda transportoare pe discul de împrăştiere, la partea inferioară a buncărului este prevăzut un deflector, astfel încât materialul să cadă pe discuri în zona centrală a acestora.

Banda de transport. La partea inferioară, în interiorul buncărului, se află banda transportoare, sub formă de lanŃ de tip special, cu alveole ce fac posibilă deplasarea materialului, respectiv a îngrăşămintelor către aparatul de împrăştiere.

Banda transportoare este ghidată la partea anterioară de un tambur. Pentru antrenare, la partea posterioară a benzii a fost prevăzut un ax motric pe care sunt montate nişte roŃi de lanŃ. Acest ax motric primeşte mişcarea, prin intermediul unei transmisii cu lanŃ, de la mecanismul de acŃionare dispus pe partea stângă a maşinii.

Fig.5 - Conveyor / Banda de transport

The assembled beam makes the connection between the bin and the chassis.

Traversa asamblată face legătura între buncăr şi şasiu.

Fig.6 - Assembled beam / Traversa asamblata

Electrical installation. Because the machine moves on the public roads to arrive at the spreading surfaces, the machine compound an electrical installation, which contains lighting and flashing lamps, according to the rules concerning the displacement on the public roads, added in “Rules regarding the technical conditions which must perform the road vehicles to be allowed in traffic on the Romanian public roads” – RNTR 2 and which are in accordance with the European rules. The machine has a single axle. The principal braking system is an inertial system, acted by the inertia of the trailer, at the moment of the tractor’s braking. The inertial braking system is compound by a levers assembly, a middle lever, joint parts, all of these reacting under the action of the hitch eye, which coulisses inside the bushes mounted on the chassis. This movement displaces the levers of the braking system, which act the principal brake of the braking system.

InstalaŃia electrică. Deoarece maşina se deplasează şi pe drumuri publice pentru a ajunge acolo unde trebuiesc distribute îngrăşămintele, maşina a fost prevăzută cu instalaŃie electrică care are în componenŃă elementele necesare iluminării şi semnalizării, în concordanŃă cu cerinŃele reglementate de normele interne privind circulaŃia pe drumurile publice cuprinse în “Reglementări privind condiŃiile tehnice pe care trebuie să le îndeplinească vehiculele rutiere în vederea admiterii în circulaŃie pe drumurile publice din România” - RNTR-2 şi care sunt în concordanŃă cu reglementările UE.

Trenul de roŃi asamblat este de tip monoax. Frâna de serviciu a maşinii este constituită dintr-un sistem

de frânare inerŃial, care este pus în funcŃiune de inerŃia remorcii în momentul frânării tractorului.

Sistemul de frânare inerŃial este compus dintr-un ansamblu de pârghii, un cântar intermediar, elemente de articulaŃie, toate acestea intrând în funcŃiune sub acŃiunea ochiului de remorcare care culisează în interiorul unor bucşe fixate pe şasiu şi determinând acŃionarea pârghiilor din componenta frânei trenului de rulare.

TECHNICAL CHARACTERISTICS: - Type ......................................................... semi mounted

CARACTERISTICI TEHNICE: - Tipul maşinii ..................................................... semipurtată


43

- Tractor of the aggregate ...................................... ≥45CP - Effective mass, t ........................................................ 3,6 - Overall dimensions, mm

- Length ............................................................ ≅4420 - Width .............................................................. ≅1900 - Height ............................................................ ≅1945

- Spreading device ........................................... centrifugal, with 2 discs and 4 aisles

- Acting of the spreading device .......... from tractor’s PTO - Revolution speed at the discs, rot/min ...................... 729 - Spreading width, m ................................................. 6÷18 - Spreading norm, kg/ha

- chemical fertilizers ................................... 50...1.000 - amendments ......................................... 800÷10.000

- Axle ................................................................ single axle - Wheels ........................................................ 10.0/75-15.3 - Wheel track, mm ..................................................... 1625 - Wheelbase, mm ............................................ 3500÷3600 - Conveyor ............................................. chain with alveoli - Conveyor’s width, mm ............................................... 200 - Conveyer acting ................................ with friction wheel,

from the left movement wheel - Speed, km/h

- transport ............................................................. 15 - work ............................................................ 6,25÷8

- Tractorul din agregat ................................................ ≥45CP- Masa utilă, t .................................................................... 3,6- Dimensiunile de gabarit, mm

- Lungime ............................................................. ≅4420- LăŃime ................................................................ ≅1900- ÎnălŃime............................................................... ≅1945

- Dispozitiv de împrăştiere ................................... centrifugal,cu 2 discuri cu 4 palete reglabile

- AcŃionare dispozitiv de împrăştiere .. de la APP al tractorului - TuraŃie la disc, rot/min ................................................... 729- LăŃimea de împrăştiere, m......................................... 6…18- Norma de împrăştiere, kg/ha

- îngrăşăminte chimice ................................. 50...1.000- amendamente ........................................ 800...10.000

- Tren de rulare......................................................... monoax- Pneuri ..............................................................10.0/75-15.3- Ecartament, mm .......................................................... 1625- Ampatament tren de rulare, mm....................... 3500...3600- Transportor..........................................lanŃ cu zale speciale- LăŃimea transportorului, mm..........................................200- AcŃionare transportor ...........................cu roată de fricŃiune,

de la roata de la transport stg. - Viteza max.de deplasare, km/h

- în transport 15 - în lucru........................................................... 6,25...8

3. CONCLUSIONS The spreader is a novelty in our country, because is designed to realize reduces norms, till 50 kg/ha, according to the fertilizer type, in this way it is possible to protect the environment. In the same time, the spreader allows the transport of a great quantity of fertilizer to be spread, max.3.6 tons, therefore allows the reduction of the fuel consumption at the spreading fertilizers ton.

3. CONCLUZII Maşina constituie o noutate pe plan intern, deoarece este proiectată să realizeze distribuŃia unor norme reduse, de până la 50 kg/ha, funcŃie de tipul de îngrăşământ, în acest fel contribuindu-se la protejarea mediului înconjurător. Totodată, maşina permite transportul în vederea distribuŃiei, a unei cantităŃi de îngrăşăminte destul de mari, max.3,6 tone, acest lucru favorizând reducerea consumului de combustibil la tona de îngrăşământ distribuit.

4. BIBLIOGRAPHY / BIBLIOGRAFIE [1]. LucreŃia Popa, Gicu Guran ş.a.- Studiu tehnologic. Etapa 1. Ctr.13/2007. Programul INOVARE; [2]. LucreŃia Popa, Gicu Guran ş.a.- Memoriu tehnic de prezentare. Etapa 2. Ctr.13/2007. Programul INOVARE; [3]. LucreŃia Popa, Gicu Guran ş.a.- Memoriu tehnic de prezentare. Etapa 3. Ctr.13/2007. Programul INOVARE.


44

RESEARCHES ON THE REDUCTION OF FUEL CONSUMPTION IN CASE OF AUTOMATIC

SYSTEMS FOR POSITION CONTROL USE /

CERCETĂRI PRIVIND REDUCEREA CONSUMULUI DE COMBUSTIBIL ÎN C AZUL UTILIZĂRII SISTEMELOR AUTOMATE DE REGLAJ DE POZI łIE

Conf.dr.ing. G. Paraschiv 1), Ş.l.dr.ing. G. Mu şuroi 1), As.drd.ing. N. Ungureanu 1), Conf.dr.ing. S. Şt. Biri ş1) , Dr.ing. V.

Vlădu Ń2), Dr.ing. E. Marin 2) 1)”Politehnica” University of Bucharest, Romania, 2)INMA Bucharest, Romania

Abstract. Tillage machines, especially ploughs, require high traction forces, limited by the value of adhesion forces between the tractor driving wheels and the soil. One of the means used to increase the adhesion force between the tractor wheels and the soil is to use a part of the vertical component of the resultant force acting on the working parts as increase force of the adhesion weight. In order to transfer this part of the vertical component on the tractor driving wheels, are used hydraulic systems with automatic position control of the agricultural machine towards the soil. This article presents a new automatic system for position control of the machine towards the soil, whose use, according to the experimental results presented, leads to the reduction of hourly fuel consumption with approximately 0.7 kg / h.

Keywords: plough, automatic system for position control, fuel consumption .

GENERAL CONSIDERATIONS Rational use of tractor power, increased productivity, reduced fuel consumption, preventing soil degradation, ease of aggregates exploitation are issues that concern specialists in the field. Agricultural machinery development and continuous improvement requires ever more the use of hydraulic installations, in order to facilitate the driving, simplify the machinery transmissions and construction, as well as facilitate and ensure the control of their optimal operation regimes. However, the use of these equipments creates the possibility to automatize the work processes carried out by the agricultural machines. In order to optimize fuel consumption for the soil tillage aggregates, solutions were soughed to increase the traction force, forces generally limited by the adhesion forces. The traction force can be increased using a part of the vertical component of the resultant forces acting on the working parts as increase force of the adhesion weight. This becomes possible if agricultural tractors are equipped with hydraulic systems with automatic position control of the agricultural machine towards the soil. This article presents a new automatic system for position control of agricultural machine towards the soil, system tested on the field, with good results. MATERIALS AND METHODS The hydraulic system with automatic position control of the agricultural machine towards the soil, presented in this paper, was designed to be mounted on the 65 HP tractor and to use, from its hydraulic equipment, the hydraulic pump, distributor and hydraulic cylinder, to drive the suspension mechanism with three-points grip. Figure 1 shows a functional diagram of the hydraulic system with automatic position control of the agricultural machine towards the soil, in which the following notations were made: 1 - suspension mechanism with three-points

Rezumat. Maşinile de lucrat solul, în special plugurile, necesită forŃe mari de tracŃiune, care însă sunt limitate de valoarea forŃelor de aderenŃă dintre roŃile motoare ale tractorului şi sol. Unul din mijloacele utilizate pentru mărirea forŃei de aderenŃă dintre roŃile tractorului şi sol este acela de a folosi o parte din componenta verticală a rezultantei forŃelor care acŃionează asupra organelor de lucru ca forŃă de mărire a greutăŃii de aderenŃă. Pentru transferarea acestei părŃi din componenta verticală pe roŃile motoare ale tractorului se folosesc sistemele hidraulice cu reglare automată a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol. În acest articol se prezintă un nou sistem automat de reglare a poziŃiei maşinii faŃă de sol, a cărui utilizare, conform rezultatelor experimentale prezentate, conduce la reducerea consumului orar de combustibil cu aproximativ 0,7 kg/h.

Cuvinte cheie: plug, sistem automat de reglare a poziŃiei, consum de combustibil. CONSIDERAłII GENERALE Folosirea raŃională a puterii tractorului, mărirea productivităŃii, reducerea consumului de combustibil, evitarea degradării solului, uşurarea exploatării agregatelor sunt probleme care preocupă specialiştii în domeniu. Dezvoltarea şi perfecŃionarea continuă a maşinilor agricole impune folosirea, din ce în ce mai mult, a instalaŃiilor de acŃionare hidraulică în vederea uşurării comenzilor, simplificării transmisiilor şi construcŃiei maşinilor, precum şi a uşurării şi asigurării reglării regimurilor optime de funcŃionare a acestora. Totodată, utilizarea acestor instalaŃii creează posibilitatea automatizării proceselor de lucru executate de maşinile agricole. În vederea optimizării consumului de combustibil pentru agregatele de prelucrare a solului au fost căutate soluŃii în vederea creşterii forŃei de tracŃiune, forŃe care în general sunt limitate de forŃele de aderenŃă. O modalitate prin care se poate obŃine creşterea forŃei de tracŃiune este aceea de a folosi o parte din componenta verticală a rezultantei forŃelor care acŃionează asupra organelor de lucru ca forŃă de mărire a greutăŃii de aderenŃă. Lucrul acesta devine posibil dacă tractoarele agricole sunt echipate cu sisteme hidraulice cu reglare automată a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol. În acest articol se prezintă un nou sistem automat de reglare a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol, sistem care a fost încercat în câmp, cu rezultate bune. MATERIALE ŞI METODE Sistemul hidraulic cu reglare automată a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol, prezentat în această lucrare, a fost gândit pentru a fi montat pe tractorul de 65 CP şi să folosească de la instalaŃia hidraulică a acestuia pompa hidraulică, distribuitorul şi cilindrul hidraulic pentru acŃionarea mecansimului de suspendare cu prindere în trei puncte. În figura 1 este prezentată schema funcŃională a sistemului hidraulic cu reglare automată a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol, în care s-au notat: 1 - mecansimul de suspendare cu prindere în trei puncte; 2 – palpator; 3 –


45

grip, 2 - palpable, 3 – plough body working at depth a; 4 - flexible cable; DT – tractors’ distributor; D1 – distributor of automatic system with dual action – from the lever on board and from the palpable; Sr1, Sr2 – restraint valves forming the double blocking valve; Ch - hydraulic cylinder.

trupiŃa ce lucrează la adâncimea a; 4 – cablu flexibil; DT – distribuitorul tractorului; D1 – distribuitorul sistemului automat prevăzut cu dublă acŃionare – de la maneta aflată la bord şi de la palpator; Sr1, Sr2 – supape de reŃinere ce alcătuiesc supapa dublă de blocare; Ch – cilindru hidraulic.

Fig. 1 - Functional scheme of the hydraulic system with automatic position control of the agricultural machine towards the soil / Schema funcŃională a sistemului hidraulic cu reglare automată a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol

The D1 distributor’s command from the palpable runs through the flexible cable, as follows: - if the palpable lowers, the D1 distributor is passed in

lower position (C); - if the palpable goes up, the D1 distributor passes in

high position; To operate the hydraulic system with automatic position control of the agricultural machine towards the soil, the following operations are necessary: - adjust the palpable position, corresponding to the

desired working depth; - pass the DT distributor in upper position in (R); - lower the plough using the command lever of the D1

distributor; - perform a test and measure the working depth; - if the depth is appropriate, bring the thrust of the

command lever of the D1 distributor near it and fix it; - if the desired depth is not obtained, modify the

position of the palpable and redo the working test. At the end of the parcel, for return, the distributor of the automat system is operated to lift the plough. After returning, for the plough’s driving into the soil, the lever of D1 distributor must be brought near the thrust and then the tractors’ DT distributor must be brought in high position. The plough begins to lower, falling into the soil until it reaches the adjusted depth, when the palpable will command the D1

distributor to transit in neutral position. The hydraulic system with automatic position control of the agricultural machine towards the soil consists of: hydraulic equipment of the tractor IH-1; automatic control system, including distributor D1 with three positions and four ways and the double blocking valve, composed of restraint valves Sr1 and Sr2; double-acting hydraulic cylinder CH. The conventional scheme for the hydraulic system with automatic position control of the agricultural machine towards the soil is presented in Figure 2, where following notations were used: IH-1 - hydraulic equipment of Universal 650 tractor; P – pump; F - filter; St – crossing valve; Ss - safety valve; Rh - hydraulic resistance; RZ - reservoir; DT - distributor; D.R.A. - automatic control device; Dl - distributor with three positions and four ways; Sr1, Sr2 – restraint valves; CH - hydraulic cylinder.

Comanda distribuitorului D1 de la palpator se execută prin intermediul cablului flexibil, astfel: - dacă palpatorul coboară, distribuitorul D1 este trecut în

poziŃia coborât (C); - dacă palpatorul se ridică, distribuitorul D1 este trecut în poziŃia ridicat; Pentru punerea în funcŃiune a sistemului hidraulic cu reglare automată a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol sunt necesare următoarele operaŃii: - se reglează poziŃia palpatorului, corespunzătoare adâncimii

de lucru dorite; - se trece distribuitorul DT în poziŃia ridicat (R); - se coboară plugul utilizând maneta de comandă a

distribuitorului D1; - se efectuează o probă şi se măsoară adâncimea de lucru; - dacă adâncimea de lucru este corespunzătoare, se

aduce limitatorul manetei de comandă a distribuitorului D1 lângă aceasta şi se fixează;

- dacă adâncimea dorită nu este obŃinută, se modifică poziŃia palpatorului şi se reface proba de lucru.

La capătul parcelei, pentru întoarcere, se acŃionează distribuitorul sistemului automat pentru ridicarea plugului. După întoarcere pentru antrenarea plugului în sol se aduce maneta distribuitorului D1 lângă limitator şi se trece distribuitorul tractorului DT în poziŃia ridicat. Plugul începe să coboare, intră în sol până la adâncimea reglată, când palpatorul comandă trecerea distribuitorul D1 în poziŃia neutru. Sistemul hidraulic cu reglare automată a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol are în componenŃă: instalaŃia hidraulică a tractorului IH–1; dispozitivul de reglare automată ce include distribuitorul D1 cu trei poziŃii şi patru căi şi supapa dublă de blocare, alcătuită din supapele de reŃinere Sr1 şi Sr2; cilindrul hidraulic cu dublă acŃiune CH. Schema convenŃională a sistemului hidraulic cu reglare automată a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol este prezentată în figura 2, în care au fost folosite notaŃiile: IH-1 - instalaŃia hidraulică a tractorului Universal 650; P – pompă; F – filtru; St – supapă de trecere; Ss – supapă de siguranŃă; Rh – rezistenŃă hidraulică; Rz – rezervor; DT – distribuitor; D.R.A. – dispozitiv de reglare automată; Dl – distribuitor cu trei poziŃii, patru căi; Sr1, Sr2 – supape de reŃinere; CH – cilindru hidraulic.


46

Fig. 2 - Conventional scheme for the hydraulic system with automatic position control of the agricultural machine towards the soil / Schema convenŃională a sistemului hidraulic cu reglare automată a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol

In the neutral position (N) of the DT distributor drawer it is made the connection between pump and tank, through passage valve St. If the hydraulic system with automatic position control of the agricultural machine towards the soil is working (DT distributor drawer is in high position - R), Dl distributor makes the following connections, corresponding to the positions occupied by the drawer: - the neutral position (N) - oil flows through the pump P,

covering DT and Dl distributors, reaching the reservoir. The two chambers of the hydraulic cylinder are blocked;

- the high position (R) - connection is made between the pump and the chamber in front of the hydraulic cylinder piston by DT (b-d), Dl (h-k), Sr2. In the same time, connection is made between the chamber behind the hydraulic cylinder piston and the reservoir by means of Sr1, Dl (j-i), DT (c-g);

- lowered position (C) – connection is made between the pump and hydraulic cylinder by DT (b-d), Dl (h-j), Sr1, and the connection between hydraulic cylinder and reservoir by Sr2, Dl (k-i), DT (c-g).

RESULTS AND DISCUSSIONS The hydraulic system with automatic position control of the agricultural machine towards the soil, whose functional and conventional schemes were presented in Figures 1 and 2, was developed (fig. 3 - automatic hydraulic system, fig. 4 - the control position device) and tested on the field. For the developement of the automatic hydraulic system, the hydraulic equipment of U 650 tractor (IH-1) was supplemented with (fig. 3): the position control device -1; flexible cable - 2; distributor - 3; blocking valve - 4; control lever - 5.

În poziŃia neutru (N) a sertarului distribuitorului DT este realizată legătura dintre pompă şi rezervor, prin supapa de trecere St. În cazul în care sistemul hidraulic cu reglare automată a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol funcŃionează (sertarul distribuitorului DT se află în poziŃia ridicat – R), distribuitorul Dl realizează următoarele legături, corespunzătoare poziŃiilor ocupate de sertarul acestuia: - poziŃia neutru (N) – uleiul debitat de pompa P parcurge

distribuitoarele DT şi Dl ajungând în rezervor. Cele două camere ale cilindrului hidraulic sunt blocate;

- poziŃia ridicat (R) – se realizează legătura între pompă şi camera din faŃa pistonului cilindrului hidraulic prin DT (b-d), Dl (h-k), Sr2. În acelaşi timp este realizată şi legătura între camera din spatele pistonului cilindrului hidraulic şi rezervor prin Sr1, Dl (j-i), DT (c-g);

- poziŃia coborât (C) – se realizează legătura pompă – cilindru hidraulic prin DT (b-d), Dl (h-j), Sr1, precum şi legătura dintre cilindrul hidraulic şi rezervor prin Sr2, Dl (k-i), DT (c-g).

REZULTATE ŞI DISCUłII Sistemul hidraulic cu reglare automată a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol, a cărui schemă funcŃională, respectiv convenŃională, au fost prezentate în figurile 1 şi 2, a fost realizat (fig. 3 – sistemul hidraulic automat; fig. 4 – dispozitivul de reglare a poziŃiei) şi încercat în câmp. Pentru realizarea sistemului hidraulic automat, instalaŃia hidraulică a tractorului U 650 (IH-1) a fost completată cu (fig. 3): dispozitivul de reglare a poziŃiei -1; cablul flexibil - 2; distribuitorul - 3; supapa de blocare - 4; maneta de comandă - 5.

Fig. 3 - Components of the automatic hydraulic system / PărŃile componente ale sistemului hidraulic automat


47

On the position control device (fig. 4) it can be intervened to: - modify the precompression resort 4 to ensure

different pressings of the palpable on the soil; - change the connection point (joint) between rod 3

and lever 5, to adjust the work depth; - change the holding point of the flexible cable at lever

5, to modify the sensitivity of the automatic hydraulic system;

- block or release joint 6 to prevent or allow horizontal oscillations of the palpable.

Following the automatic hydraulic system tests, the results pointed that is necessary to replace the fixed skid with a mobile one, to prevent the system to operate at very low subsidences, as well as the replacement of the flexible cable with another flexible cable that works both in stretching and compression (steel wire inserted in the flexible shirt). The method of use for this system is the following: - adjust the depth of work by intervening on the joint

point between rod 3 and lever 5; - pass the tractor distributor in high position; - lower the plough using the command lever of the

automatic system’s distributor; - perform a test and measure the depth of work; - if the depth is appropriate, bring the thrust of the

command lever for the automatic system distributor near it and fix it.

Asupra dispozitivului de reglare a poziŃiei (fig. 4) se poate interveni pentru: - modificarea precomprimării resortului 4 pentru a

asigura apăsări diferite ale palpatorului pe sol; - modificarea punctului de legătură (articulaŃiei) dintre tija 3 şi

pârghia 5, pentru a regla adâncimea de lucru; - modificarea punctului de prindere a cablului flexibil la

pârghia 5, pentru a modifica sensibilitatea sistemului hidraulic automat;

- blocarea sau eliberarea articulaŃiei 6 pentru a împiedica sau a permite oscilaŃiile palpatorului în plan orizontal.

În urma încercărilor sistemului hidraulic automat a rezultat necesitatea înlocuirii patinei fixe cu o patină mobilă, pentru a împiedica sistemul să intre în funcŃiune la denivelari foarte mici, precum şi a cablului flexibil cu un cablu flexibil ce lucrează atât la întindere, cât şi la compresiune (sârmă de oŃel introdusă în cămaşa flexibilă). Modul de utilizare a acestui sistem este următorul: - se reglează adâncimea de lucru intervenind asupra

punctului de articulaŃie dintre tija 3 şi pârghia 5; - se trece distribuitorul tractorului în poziŃia ridicat; - se acŃionează coborârea plugului utilizând maneta de

comandă a distribuitorului sistemului automat; - se efectuează o probă şi se măsoară adâncimea de lucru; - dacă adâncimea de lucru este corespunzătoare, se aduce

limitatorul manetei de comandă a distribuitorului sistemului automat lângă aceasta şi se fixează.

Fig. 4 - Position control device / Dispozitivul de reglare a poziŃiei

At the end of the parcel, for return, the automatic system distributor is operated from the command lever, to lift the plough. After the return, to drive the plough into the soil, the automatic system distributor lever must be brought near the thrust, followed by the lift command from the tractor distributor. The plough begins to lower, being drived into the soil to the adjusted depth, when the palpable commands the shift of the automatic system distributor in neutral position. Within the experimental tests using the new hydraulic system for position control of the agricultural machine towards the soil, were observed: the depth of work, the aggregate speed, hourly fuel consumption, traction force and wheels’ slippage. For comparison, the same parameters were measured for an aggregate with a support wheel plough for limiting depth of work. The two aggregates were subjected to tests on the same soil (without subsidences and natural barriers), in

La capătul parcelei, pentru întoarcere, se acŃionează distribuitorul sistemului automat de la maneta de comandă pentru ridicarea plugului. După întoarcere, pentru antrenarea plugului în sol se aduce maneta distribuitorului sistemului automat lângă limitator şi se comandă ridicarea de la distribuitorul tractorului. Plugul începe să coboare, se antrenează în sol până la adâncimea reglată, când palpatorul comandă trecerea distribuitorului sistemului automat în poziŃia neutru. În cadrul încercărilor experimentale cu noul sistem hidraulic de reglare a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol au fost urmărite: adâncimea de lucru, viteza agregatului, consumul orar de combustibil, forŃa de tracŃiune şi patinarea roŃilor. Pentru comparaŃie, aceiaşi parametri au fost urmăriŃi şi în cazul unui agregat format cu un plug cu roată de limitare a adâncimii de lucru. Cele două agregate au fost supuse încercărilor pe acelaşi teren (fără denivelări şi obstacole naturale), în


48

the same conditions of humidity, temperature and degree of weed infestation. The experimental results for the two aggregates are presented in Table 1. It should be noted that prior to the tests execution on the comparative analysis of the two aggregates (with hydraulic system with automatic position control of the agricultural machine towards the soil and with classical system) test have been performed on the operation of the hydraulic system with automatic position control of the agricultural machine towards the soil. During the tests several attempts have been made to observe the behavior of hydraulic automatic system in work. To determine the slippage coefficient have been accomplished empty trips of the tractor – plough aggregate. The measurements for the two tested aggregates were performed for three values of the working depth, in two rehearsals.

aceleaşi condiŃii de umiditate, temperatură şi grad de îmburuienare al solului. Rezultatele experimentale, pentru cele două agregate, sunt prezentate în tabelul 1.

Se impune observaŃia ca înainte de efectuarea probelor privind analiza comparativă a celor două agregate (cu sistem hidraulic cu reglare automată a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol şi cu sistem clasic) s-au efectuat încercări privind modul de funcŃionare a sistemului hidraulic cu reglare automată a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol. Pe durata încercărilor s-au făcut mai multe încercări pentru a urmări comportarea sistemului hidraulic automat în lucru. Pentru determinarea coeficientului de patinare s-au realizat deplasări în gol ale agregatului tractor - plug. Determinările, în cazul celor două agregate încercate, s-au efectuat pentru trei valori ale adâncimii de lucru, în două repetiŃii.

Table 1 / Tabel 1

Wheel slippage / Patinarea ro Ńilor [%]

No. crt.

Medium depth / Adâncimea medie

[m]

Aggregate speed / Viteza agregatului

[m/s]

Hourly consumption/

Consumul orar [kg/h]

Left wheel / Roată stânga

Right wheel / Roată dreapta

Mean / Media

Traction force / ForŃa de

trac Ńiune [daN]

Plough with automatic system / Plug cu sistem automat 1 0,1972 0,735 5,53 13,5 4,4 8,95 839,5 2 0,1963 0,725 5,70 9,9 5,6 7,75 1173,9 3 0,1631 1,042 4,45 6,0 1,7 3,85 712,7 4 0,1585 1,059 7,75 7,6 2,3 4,59 980,6 5 0,2315 0,862 9,59 22,7 24,8 23,75 1811,3 6 0,2377 0,954 9,92 20,4 13,2 16,80 1785,5

Support wheel plough for depth limitation / Plug cu roat ă de limitare a adâncimii 7 0,24 0,709 11,71 33,5 23,8 28,65 1712,3 8 0,237 0,975 8,95 20,1 17,1 18,6 1555 9 0,2055 0,794 9,47 18,8 13,8 16,3 1465,5

10 0,205 0,926 9,44 17,75 16,05 16,9 1639,5 11 0,1668 0,943 6,85 10,25 6,95 8,6 1018,7 12 0,1681 0,877 9,94 18 16,4 17,20 1701,8

Figure 5 shows the graphical representation of the dependence between hourly fuel consumption and traction force, for the two tested aggregates. .

Reprezentând grafic consumul orar de combustibil în funcŃie de forŃa de tracŃiune, pentru cele două agregate supuse încercărilor, se obŃin variaŃiile din figura 5.

Fig. 5 - Graphical representation of the dependence between hourly fuel consumption and traction force, in both cases / Reprezentarea grafică a consumului orar de combustibil în funcŃie de forŃa de tracŃiune, în cele două cazuri

CONCLUSIONS Because the systems with force and position control ensure an adhesion increase, a reduction in fuel consumption and increased productivity, they were

CONCLUZII Deoarece sistemele cu reglaj de forŃă şi poziŃie asigură o mărire a aderenŃei, o reducere a consumului de combustibil şi o creştere a productivităŃii, ele s-au


49

generalized to modern tractors, choosing the appropriate control of working conditions. Given the fact that in our country the soils are not leveled and neighter homogeneous, in which case are worked with the classic support wheel system, losing the advantages mentioned above, solutions are quested to ensure the transfer of machine weight and vertical component of the resulting forces acting on the tractor working organs, regardless of the conditions. The system presented in this article removes the disadvantages of classical systems, by ensuring, regardless of the working conditions (unleveled soil or/and heterogeneous) a constant ploughing depth and at the same time transferring the ploughs’ weight and of the vertical components of the forces acting on it, to the tractor, increasing the pressure on the driving wheels, and therefore, by increasing the adhesion, also increases the traction force and aggregate productivity, downsizing slippages energy consumption. Following the analysis of experimental datas presented in Table 1, it can be observed that, when using automatic hydraulic system with position control of the agricultural machine towards the soil, the pressure on the driving wheels increases with 750 daN and the slippage decreases, on average, by 29%. Hourly fuel consumption, as it can be observed in Figure 5, reduces when using the presented automatic hydraulic system, by approximately 0.7 kg/h. Researches on the hydraulic systems with automatic position control of the agricultural machime towards the soil could continue with the achievement of a automatic hydraulic system electrical connection response. Determination of agricultural machines’ position towards the soil could be achieved by substituting the palpable mounted on the machine with a system consisting of a transmitter and a ultrasounds receiver, to measure the distance from the car to the soil and to command the distributor of the automatic hydraulic system. The presented hydraulic system with automatic position control of the agricultural machine towards the soil can be completed with a device for traction force control, or with a slippage device control. In this situation, the automatic hydraulic system can operate with position control and it can switch on force or slippage control when the traction force, respectively the slippage, exceeds the maximum prescribed values.

BIBLIOGRAPHY 1. Babiciu P., ş.a. – Hydraulic systems for tractors and

agricultural machines, Ceres Reader, Bucharest, 1984; 2. Caproiu Şt., ş.a. – Tillage machines, harvesting and

yield sustenance, Teaching and Pedagogic Reader, Bucharest, 1982;

3. Ciulu Gh. – Exploitation of hydraulic mechanisms from 65 and 80 HP tractors, Ceres Reader, Bucharest, 1983;

4. Muşuroi G. – Researches on the achievement of a hydraulic system with automatic position control of the agricultural machine towards the soil, Doctoral Thesis, Bucharest, 2002;

5. Paraschiv G., ş.a. – Hydraulic drive of agricultural machines, Printech Reader, Bucharest, 2000.

generalizat la tractoarele moderne, alegându-se reglajul potrivit condiŃiilor concrete de lucru. łinând seama de faptul că în Ńara noastră terenurile nu sunt nivelate şi nici omogene, caz în care se lucrează cu sistemul clasic cu roată de sprijin, pierzându-se avantajele menŃionate mai sus, se caută soluŃii care să asigure transferul greutăŃii maşinii şi a componentei verticale a rezultantei forŃelor ce acŃionează asupra organelor de lucru pe tractor în orice condiŃii. Sistemul prezentat în cadrul acestui articol înlătură dezavantajele sistemelor clasice prin aceea că asigură în orice condiŃii de lucru (teren denivelat sau/şi neomogen) o arătură de adâncime constantă şi în acelaşi timp transferă greutatea plugului şi a componentelor verticale ale forŃelor ce acŃionează asupra acestuia tractorului, mărind apăsarea pe roŃile motoare, şi ca urmare, prin creşterea aderenŃei creşte forŃa de tracŃiune şi productivitatea agregatului, micşorându-se patinările şi consumurile energetice. În urma analizei datelor experimentale, prezentate în tabelul 1, se poate constata că în cazul utilizării sistemului hidraulic automat de reglare a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol, apăsarea pe roŃile motoare creşte cu 750 daN iar patinările scad, în medie, cu 29%. În cazul consumului orar de combustibil, aşa cum se poate constata şi din figura 5, acesta se reduce în cazul utilizării sistemului hidraulic automat prezentat cu aproximativ 0,7 kg/h. Cercetările privind sistemele hidraulice cu reglare automată a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol ar putea continua cu realizarea unui sistem hidraulic automat cu legătura de reacŃie electrică. Determinarea poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol s-ar putea realiza înlocuind palpatorul montat pe maşină cu un sistem format dintr-un emiŃător şi un receptor de ultrasunete care să măsoare distanŃa de la cadrul maşinii la sol şi să comande distribuitorul sistemului hidraulic automat. Sistemul hidraulic cu reglare automată a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol prezentat poate fi completat fie cu un dispozitiv de control al forŃei de tracŃiune, fie cu un dispozitiv de control al patinării. În această situaŃie, sistemul hidraulic automat poate funcŃiona cu reglaj de poziŃie şi poate comuta pe reglajul de forŃă sau patinare când forŃa de tracŃiune, respectiv patinarea, depăşesc valorile maxime prescrise.

BIBLIOGRAFIE 1. Babiciu P., ş.a. – Sisteme hidraulice ale tractoarelor şi maşinilor agricole, Editura CERES, Bucureşti, 1984; 2. Caproiu Şt., ş.a. – Maşini agricole de lucrat solul, semănat şi întreŃinere a culturilor, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1982; 3. Ciulu Gh. – Exploatarea mecanismelor hidraulice de la tractoarele de 65 şi 80 CP, Editura Ceres, Bucureşti, 1983; 4. Muşuroi G. – Cercetări privind realizarea unui sistem hidraulic cu reglare automată a poziŃiei maşinii agricole faŃă de sol, Teză de doctorat, Bucureşti, 2002; 5. Paraschiv G., ş.a. – AcŃionarea hidraulică a maşinilor agricole, Editura Printech, Bucureşti, 2000.


50

RELEVANT CHARACTERISTICS OF ALTERNATIVE LIQUID FUEL S AIMED AT DIESEL ENGINES EXPLOITATION IN POLYCARBURATION DUTY

/

PROPRIETĂłILE RELEVANTE ALE COMBUSTIBILILOR LICHIZI ALTERNATI VI VIZAłI PENTRU EXPLOATAREA MOTOARELOR DIESEL ÎN REGIM POL ICARBURAT

Dr. Eng. Mircea Adrian Nicolescu - INMA Bucharest, Romania -

Abstract. Following the route of fuel starting the feeding tank till its combustion in a Diesel engine cylinder, the current paper presents all the actions at witch the fuel is exposed. From this point of view, for each phenomenon in witch the fuel is involved, certain analyses are made, aiming to emphasize the influences of its charactristics upon the development of the respective phenomenon and „the technical environment” as well as the extent of these influences. The rich inventory of these features tinted by significant influences will contain the relevant characteristics appropriate to any liquid fuel aimed at being used for Diesel engines feeding. Furthermore, the evaluations – even those qualitative – related to intensities of influences which have been emphasized, allow a first assessment of capabilities of a fuel that should be used at polycarburation exploitation of engines designed at Diesel oil feeding. Keywords: Diesel engine, alternative fuel, policarburation. 1. Delivery fuel way of the working cycle of a Dies el engine In the arrangement of operating any internal combustion engine installed, load controlled delivery dose of fuel needed for each deployment cycle engine it is an assembly that can be called, generically, „feeding installation of the engine cycle”. Formally, in the traveled route by the fuel through this installation facility can distinguish two sections. The first section, called currently „the feeding installation of the engine” and considered as auxiliary installation in the engine, the fuel tank includes a whirlpool with a coarse filter, a transfer pump, filter and pipes fin what binds these elements and ensure delivery of fuel, in a continuous manner, to the entry into the engine. The second section, considered as part of the motor is made, in the case of Diesel engines, from „the injection installation”, which provides fuel dosage and preparation for the formation of the mixture. In stage - considered mature - development of Diesel engines, are two variants of injection technologies. The first of these widespread, which was the historical development of modern diesel engines technology is making use of injection pumps and injectors controlled by the fuel pressure. In this variant, the facility includes an pump for fuel pre-compression and, in principle, for each cylinder of the engine, a sequential volumetric pump with adjustable flow rate, injector connected to corresponding hydraulic cylinder respectively. Overall, the supply cycle engine variant for the injection pump and injectors controlled by the pressure of fuel composition are shown schematically in figure 1.

Rezumat. Urmărind drumul parcurs de combustibil din rezervorul de alimentare până la arderea în cilindrul unui motor Diesel, lucrarea prezintă toate acŃiunile la care acesta este supus. Pe acest fundal, pentru fiecare fenomen la care combustibilul ia parte, sunt făcute analize menite să evidenŃieze influenŃele pe care proprietăŃile acestuia le au asupra desfăşurării fenomenului respectiv şi a „mediului tehnic” de desfăşurare, precum şi amploarea acestor influenŃe. Inventarul nuanŃat al proprietăŃilor cu influenŃe semnificative va conŃine proprietăŃile relevante pentru orice combustibil lichid vizat a fi folosit pentru alimentarea motoarelor Diesel. În plus, evaluările – chiar şi calitative – privind intensităŃile influenŃelor evidenŃiate, permit o primă apreciere a capabilităŃii ca un combustibil alternativ să poată fi folosit pentru exploatarea în regim policarburat a motoarelor construite pentru alimentarea cu motorină. Cuvinte cheie: motor Diesel, combustibil alternativ, policarburare 1. Traseul de alimentare a ciclului unui motor Dies el În aranjamentul de funcŃionare al oricărui motor cu ardere internă instalat, sarcina de livrare controlată a dozei de combustibil necesară desfăşurării fiecărui ciclu motor îi revine unui ansamblu ce poate fi denumit, generic, „instalaŃia de alimentare a ciclului motor”. Formal, în traseul parcurs de combustibil prin această instalaŃie se pot distinge două secŃiuni. Prima secŃiune, numită curent „instalaŃia de alimentare a motorului” şi considerată ca instalaŃie auxiliară acestuia, corespunzătoare instalării motorului în punctul de lucru, cuprinde rezervorul de combustibil, un sorb prevăzut cu un filtru grosier, o pompă de transfer, un filtru fin şi conductele ce leagă aceste elemente şi asigură livrarea combustibilului, în mod continuu, la „intrarea în motor”. Cea de a doua secŃiune, considerată ca făcând parte integrantă din motor, este constituită, în cazul motoarelor Diesel, din „instalaŃia de injecŃie”, care asigură dozarea combustibilului şi pregătirea acestuia pentru procesul de formare a amestecului. În stadiul actual – considerat matur – de dezvoltare a motoarelor Diesel, sunt folosite două variante de tehnologii de injecŃie. Prima dintre acestea, larg răspândită, care a constituit baza de dezvoltare istorică a motoarelor Diesel moderne, este tehnologia care apelează la pompe de injecŃie şi injectoare comandate de nivelul presiunii combustibilului. În această variantă, instalaŃia de injecŃie cuprinde o pompă pentru precomprimarea combustibilului şi, în principiu, pentru fiecare cilindru al motorului, câte o pompă volumetrică secvenŃială, cu debit reglabil, conectată hidraulic la injectorul corespunzător cilindrului respectiv. În ansamblu, instalaŃia de alimentare a ciclului motor pentru varianta de injecŃie cu pompă şi injectoare comandate de presiunea combustibilului are componenŃa prezentată schematic în figura 1.

Fig. 1 - InstalaŃia de alimentare a ciclului motor în varianta „cu pompă de injecŃie” / Feeding installation of the Diesel working cycle in „injection pump” technology

R – rezervor de combustibil / fuel tank ; FG – filtru grosier / raw filter ; PT – pompă de transfer / conduction pump; FF – filtru fin / fine filter ; PPC – pompă de precomprimare / pre-compression pump; EPI – element de pompă de injecŃie / injection pumping element ; ICP – injector comandat de presiune / pressure-controlled injector


51

A second injection technology, developed and matured over the last two decades, is so-called „common rail injection technology”. In this technology, the fuel is compressed until the pressure required for injection into a single chamber („common rail”) and continuously distributed to the injectors which are with electrical ordered opening, placed in each cylinder. In this case, the injection installation includes a high pressure pump, the high pressure precinct („common rail”) and, for each engine cylinder, a pipe connecting an injector opening electric ordered. Overall, the feeding installation of the Diesel working cycle in „common rail” technology has the component presented schematically in the figure 2.

A doua tehnologie de injecŃie, dezvoltată şi maturizată în ultimele două decenii, este aşa-numita „tehnologie de injecŃie cu rampă comună”. În această tehnologie, combustibilul este comprimat, până la presiunea necesară injecŃiei, într-o incintă unică („rampa comună”) şi distribuit continuu către injectoare cu deschidere comandată electric, plasate în fiecare cilindru. În acest caz, instalaŃia de injecŃie cuprinde o pompă de înaltă presiune, incinta de înaltă presiune („rampa comună”) şi, pentru fiecare cilindru al motorului, câte o conductă de legătură şi un injector cu deschidere comandată electric. În ansamblu, instalaŃia de alimentare a ciclului motor în varianta de injecŃie cu rampă comună are componenŃa prezentată schematic în figura 2.

Fig. 2. InstalaŃia de alimentare a ciclului motor în varianta „cu rampă comună” /

Feeding installation of the Diesel working cycle in „common rail” technology R – rezervor de combustibil / fuel tank ; FG – filtru grosier / raw filter ; PT – pompă de transfer / conduction pump;

FF – filtru fin / fine filter ; PIP – pompă de înaltă presiune / high-pressure pump ; RC – rampa comună / common rail ; ICE – injector comandat electric / electrical-controlled injector

2. Features, local phenomena and influence factors along delivery fuel way of the working cycle

Each from the elements of the feeding installation of cycle engine performs functions well defined and, in exercising these functions, participating in fuel phenomena whose conduct may be influenced by its physical properties. Highlighting impact assessment and consequences of carrying out a normal process of feeding functions involve descriptions and examine in detail the phenomena involved. The fuel tank has the function to ensure the fuel necessary for the engine, without assistance, for a set period of time. Beyond a natural lack of solid impurities, the fuel storage tank, even for a limited period of time, requires that it be homogeneous from the viewpoint of phase and composition. Phase homogeneity refers, for example, the lack of so-called "liquid crystal" (microzone mass of liquid in which it acquires properties of gel) which is formed in diesel temperature close to freezing point and the present lack of gums form of microfilaments in crude vegetable oils. Compozition homogeneity when the composition of the fuel used is a mixture of two or more liquids and indicate requirement, otherwise elementary, liquids that are mixed move. The raw filter intended to prevent penetration into the plant mechanical impurities are, accidentally, in the supply tank. Filtration process conducted at the level can be influenced, in itself, the phase homogeneity of the fuel through the filing of any gels or gums sections flow. Also, the energy ad filtering process is dependent on fuel viscosity . The transfer pump provides tank retrieval of the fuel and sending him to the injection with crossing of the filters posted on the route. Regardless of pump type of transfer, the amount of energy consumed by it is affected by fuel viscosity . The fine filter is to keep impurities from microscopic fuel

2. Func Ńii, fenomene locale şi factori de influen Ńă în traseul de alimentare a ciclului motor Fiecare dintre elementele instalaŃiei de alimentare a ciclului motor îndeplineşte funcŃii bine precizate şi, în exercitarea acestor funcŃii, combustibilul participă la fenomene a căror desfăşurare poate fi influenŃată de proprietăŃile sale fizice. EvidenŃierea influenŃelor şi evaluarea consecinŃelor acestora asupra desfăşurării normale a procesului de alimentare presupun descrierea funcŃiilor şi examinarea în detaliu a fenomenelor implicate. Rezervorul de combustibil are funcŃia de a asigura combustibilul necesar funcŃionării motorului, fără asistenŃă, pentru o perioadă stabilită de timp. Dincolo de o firească lipsă a impurităŃilor solide, stocarea combustibilului în rezervor, chiar şi pentru o perioadă limitată de timp, reclamă ca acesta să fie omogen din punctele de vedere al fazei şi al compoziŃiei. Omogenitatea de faz ă se referă, de pildă, la lipsa aşa-numitelor „cristale lichide” (microzone din masa lichidului în care acesta capătă proprietăŃi de gel) care se formează în motorine la temperaturi apropiate de punctul de congelare a acestora şi la lipsa gumelor prezente, sub forma de microfilamente, în uleiurile vegetale crude. Omogenitatea de compozi Ńie priveşte cazurile în care combustibilul folosit este un amestec de două sau mai multe lichide şi indică cerinŃa, altminteri elementară, ca lichidele amestecate să fie miscibile. Filtrul grosier are rolul de a împiedica pătrunderea în instalaŃie a impurităŃilor mecanice aflate, accidental, în rezervorul de alimentare. Procesul de filtrare desfăşurat la nivelul acestuia poate fi influenŃat, în sine, de omogenitatea de faz ă a combustibilului, prin eventuale depuneri de geluri sau gume în secŃiunile de curgere. De asemenea, cantitatea de energie reclamată de procesul de filtrare este dependentă de viscozitatea combustibilului. Pompa de transfer asigură extragerea combustibilului din rezervor şi trimiterea lui către instalaŃia de injecŃie cu străbaterea filtrelor înseriate în traseu. Indiferent de tipul pompei de transfer, cantitatea de energie consumată de aceasta este influenŃată de viscozitatea combustibilului.


52

before entry into the injection engine. Similar cases occur filtration, fine filtration process can be influenced by the homogeneity of the fuel phase and its viscosity . The precompression fuel pump present in „classical” variants of injection technology, has a „discreet” existence, is usually integrated, as a rule, in the building currently known as engine „injection pump”. Its role is to raise the pressure of fuel sent to the dosing pump and injectors sequentially by up to a value which is to avoid the phenomenon of cavitation in the suction routes of these items. Obviously, the precompression level of fuel, decided by construction, is set according to the vapor pressure of the fuel concerned. As in any process of pumping, the fuel viscosity involved and in this case in terms of quantities of consumed energy. The sequential element of dosage and pumping ensure separation of quantities of fuel controlled by the control of the task of sending its engine and, under the „injection pressure”, to the injector mounted in cylinder. Energy involved in the process of transferring the dose inside the cylinder depends, practically proportionally by its table built, in turn, by the volume determined and density of the fuel. The injector controlled by the level of fuel pressu re is to allow the entry of fuel into the cylinder only achieve a preset pressure and to shape the flow in one or more jets characterized by high flow speeds. Modeling flow in streams is achieved by passing fuel through a number of very small holes, and in this process, the fuel viscosity are very important influences, which must be detailed.

In the „classical” technology of injection, with injection pumps and injectors controlled by the fuel pressure, the flow of fuel injected is determined by the size of dose and duration of injections. The laminate process corresponding to formation of injected fuel jets is governed by the difference between upstream pressure injector („injection pressure”) and the pressure inside the cylinder engine. In the design of injection equipment, must taking into account the viscosity of concerned fuel and seeks for the opening of injector at a pressure which ensures the laminate conditions said. If the fuel is used with higher viscosity, the rolling process, must be conducted at the same rates, differences will ad higher pressure and this will be achieved by increasing the injection pressure. Therefore, even if the injector to open at preset pressure, injection pressure will increase until the required dose to achieve lamination streams. These increases in injection pressure are generated at the injector but the effects were especially sensitive to the injection pump, where the forces involved in sequential dose pump fuel can accuse significant increases, which may significantly affect the duration of its operation. High pressure pump , present in „common rail” injection technology is intended to raise fuel pressure to a prescribed level, regarded as sufficient for carrying Injection. It should be noted that in this technology, injection pressures are much higher to allow fragmentation dose of fuel and practicing several sequences injection fuel cycle (the technology of „multi-injection”). In terms of quantities of consumed energy , the fuel viscosity affect its compression into the common ramp. The injector with electrical-controlled opening , used in the common rail injection technology, allowing fuel to enter the cylinder at times decided by the electrical signals emitted by an electronic control of engine operation and the flow model in the same way as with „classical” injector described above. In this case, the viscosity of fuel does not influence the parameters of

Filtrul fin are rolul de a reŃine impurităŃile microscopice din combustibil înaintea intrării acestuia în instalaŃia de injecŃie a motorului. Similar cazului filtrării grosiere, procesul de filtrare fină poate fi influenŃat de omogenitatea de faz ă a combustibilului şi de viscozitatea acestuia. Pompa de precomprimare a combustibilului, prezentă în variantele „clasice” de tehnologie de injecŃie, are o existenŃă „discretă” fiind, de regulă, înglobată în construcŃia ansamblului denumit curent „pompa de injecŃie” a motorului. Rolul ei este acela de a ridica presiunea combustibilului trimis către elementele de dozare şi pompare secvenŃială către injectoare până la o valoare la care este evitat fenomenul de cavitaŃie în traseele de aspiraŃie ale acestor elemente. Evident, nivelul de precomprimare a combustibilului, decis prin construcŃie, este stabilit în funcŃie de presiunea de vapori a combustibilului vizat. Ca în orice proces de pompare, viscozitatea combustibilului intervine şi în acest caz sub aspectul cantităŃilor de energie consumate. Elementul de dozare şi pompare secven Ńială asigură separarea unei cantităŃi de combustibil controlată prin comanda de sarcină a motorului şi trimiterea acesteia, sub „presiunea de injecŃie”, către injectorul montat în cilindru. Energia implicată în procesul de transfer al dozei către interiorul cilindrului depinde, practic proporŃional, de masa acesteia modelată, la rândul ei, de volumul dozat şi de densitatea combustibilului. Injectorul comandat de nivelul presiunii combustibi lului are rolul de a permite pătrunderea combustibilului în cilindru numai la atingerea unei presiuni prestabilite şi de a modela curgerea acestuia în unul sau mai multe jeturi caracterizate de viteze de curgere foarte mari. Modelarea curgerii în jeturi se obŃine prin trecerea combustibilului printr-un număr corespunzător de orificii foarte mici şi, în acest proces, viscozitatea combustibilului are influenŃe deosebit de importante, care trebuie detaliate. În varianta „clasică” de tehnologie de injecŃie, cu pompe de injecŃie şi injectoare comandate de nivelul presiunii combustibilului, debitul de combustibil injectat este stabilit de mărimea dozei şi de durata injecŃiei. Procesul de laminare corespunzător formării jeturilor de combustibil injectate este guvernat de diferenŃa dintre presiunea din amontele injectorului („presiunea de injecŃie”) şi presiunea din cilindrul motorului. La proiectarea echipamentului de injecŃie, se Ńine seama de viscozitatea combustibilului vizat şi se urmăreşte deschiderea injectorului la un nivel de presiune care asigură condiŃiile de laminare amintite. În cazul în care se foloseşte un combustibil cu viscozitate mai mare, procesul de laminare, obligat să se desfăşoare la aceleaşi debite, va reclama diferenŃe de presiune mai mari şi acest lucru se va realiza prin creşterea presiunii de injecŃie. Prin urmare, chiar dacă injectorul se deschide la presiunea prestabilită, presiunea de injecŃie va creşte în continuare până la nivelul necesar realizării laminării dozei în jeturi. Aceste creşteri ale presiunii de injecŃie sunt generate la nivelul injectorului dar au efecte sensibile mai ales la nivelul pompei de injecŃie, unde forŃele implicate în pomparea secvenŃială a dozelor de combustibil pot acuza creşteri importante, ce pot afecta semnificativ durata de funcŃionare a acesteia. Pompa de înalt ă presiune , prezentă în tehnologia de injecŃie „cu rampă comună”, are rolul de a ridica presiunea combustibilului la un nivel prescris, considerat ca suficient pentru desfăşurarea injecŃiei. Trebuie menŃionat faptul că, în această tehnologie, presiunile de injecŃie sunt mult mai ridicate, pentru a permite fragmentarea dozei de combustibil şi practicarea mai multor secvenŃe de injectare a combustibilului în ciclu (tehnologia de „injecŃie multipunct”). Sub aspectul cantităŃilor de energie consumate, viscozitatea combustibilului influenŃează comprimarea acestuia în rampa comună. Injectorul cu deschidere comandat ă electric , folosit în instalaŃiile de injecŃie „cu rampă comună”, permite pătrunderea combustibilului în cilindru la momente decise prin semnale electrice emise de o instalaŃie electronică de control al funcŃionării motorului şi modelează curgerea acestuia în acelaşi mod ca şi în cazul injectorului „clasic” descris mai sus. În acest caz,


53

the plant, but influence the energy performance of the engine and this should be detailed.

In the„common rail” technology, injection pressure is invariable, so the flow of flux in the lamination of the fuel jets is constant. In this case, the size of the dose of injected fuel in the engine cycle is determined by the total ordered injector opening. In the design of injection equipment, the total opening of the injector in each cycle is fixed taking into account the viscosity of fuel in question. If the fuel is used with higher viscosity, the laminate will take place with lower rates and, given the total fixed injection, this will lead to a decrease of fuel injected cycle dose. As a result, the actual power delivered by the engine will be lower. Injection pipes are designed to ensure hydraulic contact between the injectors and injection pump or „common rail”. Although the influences at this level are negligible, it must be said that the fuel flow through these pipes is influenced, in terms of quantities of energy consumed by its viscosity . 3. Phenomena and factors of influence inside the cylinder The introduced fuel by injection inside the cylinder engine in the form of one or more jets, enters into an established environment, in principle, of a quantity of air („fresh load”) heated in the process of compression and in a motion agitation promoted by the routing architecture admission. In a formal succession after entering the cylinder, the dose of fuel is subjected to spraying, vaporizing, mixing with air, self-ignition and combustion. It should be noted that, beyond some overlapping of these processes in real engine cycle, an efficient advertising phenomena as spraying, vaporization and mixing with air – united, generically, as „the mixture training” – to achieve more fast. Of course, all these processes shows marked dependency of some properties of the fuel. Fuel spraying takes place under the combined effect of vibration of the jet-induced flow during the overcritical regime during lamination and friction with the air cylinder. The spraying depends, especially in terms of quality size drops, on the surface pressure of fuel. Fuel vaporization takes place at the drops of fuel surfaces, following contact with hot air from cylinder. Naturally, in the data rate of vaporization depends on the specific heat of fuel and the latent heat of vaporization of it. Mixing air with fuel vapor occurs as a result of the entrainment of these in turbulent movements of the compressed air inside the cylinder. The only fuel property affecting this process is molecular weight , but the influences are negligible compared with the intensity of turbulence said. Selfignition is a complex process, polistadial, marked by numerous influences of composition and molecular structure of fuel. Formally, all these influences have been aggregated in a specific property expressed by cetane number fuel, which expressed by a number of self-ignition tendency of the mixture formed in the cylinder in a standard engine. Burning of fuel is taking place, in principle, by the flame propagation of self-ignition kernels in the preforms mixtures existing inside the cylinder. In reality, this model is valid for conducting simultaneously or in succession, only for limited areas of the cylinder, and environmental movements of duplication events leading to a chaotic, but progressive party of combustion. Under these conditions, the evaluation process of burning can be

viscozitatea combustibilului nu influenŃează parametrii din instalaŃie, dar influenŃează performanŃele energetice ale motorului şi acest aspect trebuie detaliat. În varianta de tehnologie de injecŃie „cu rampă comună”, presiunea de injecŃie este invariantă, deci debitul de curgere în procesul de laminare a combustibilului în jeturi este constant. În acest caz, mărimea dozei de combustibil injectată în ciclul motor este stabilită de timpul total comandat de deschidere a injectorului. La proiectarea echipamentului de injecŃie, timpul total de deschidere a injectorului în fiecare ciclu este fixat Ńinând seama de viscozitatea combustibilului vizat. În cazul în care se foloseşte un combustibil cu viscozitate mai mare, procesul de laminare se va desfăşura cu debite mai mici şi, dată fiind durata totală fixă a injecŃiei, acest lucru va conduce la o micşorare a dozei de combustibil injectată în ciclu. Ca urmare, puterea efectivă livrată de motor va fi mai redusă. Conductele de injec Ńie au rolul de a asigura legătura hidraulică între injectoare şi pompa de injecŃie sau, după caz, „rampa comună”. Deşi influenŃele la acest nivel sunt neglijabile, trebuie spus că şi curgerea combustibilului prin aceste conducte este influenŃată, sub aspectul cantităŃilor de energie consumate, de viscozitatea acestuia. 3. Fenomene şi factori de influen Ńă în interiorul cilindrului Combustibilul introdus prin injecŃie în cilindrul motorului, sub forma unuia sau mai multor jeturi, pătrunde într-un mediu constituit, în principiu, dintr-o cantitate de aer („încărcătura proaspătă”) încălzită în urma procesului de comprimare şi aflată într-o mişcare de agitaŃie promovată prin arhitectura traseului de admisie. Într-o succesiune formală, după pătrunderea în cilindru, doza de combustibil este supusă pulverizării, vaporizării, amestecării cu aerul, autoaprinderii şi arderii. Este de menŃionat faptul că, dincolo de unele suprapuneri ale acestor procese în ciclul motor real, desfăşurarea eficientă a fenomenelor reclamă ca pulverizarea, vaporizarea şi amestecarea cu aerul – unite, generic, sub denumirea de „formare a amestecului” – să se realizeze cât mai rapid. BineînŃeles, toate aceste procese prezintă dependenŃe marcante de unele proprietăŃi ale combustibilului. Pulverizarea combustibilului are loc sub efectul combinat al unor vibraŃii induse în jet în timpul curgerii în regim supracritic din timpul laminării şi al frecării cu aerul din cilindru. Procesul de pulverizare depinde, mai ales sub aspectul calitativ al mărimii picăturilor, de tensiunea superficial ă a combustibilului. Vaporizarea combustibilului se desfăşoară la suprafaŃa picăturilor de combustibil pulverizat, în urma contactului acestora cu aerul cald din cilindru. Fireşte, în condiŃiile date, ritmul de vaporizare depinde de căldura specific ă a combustibilului şi de căldura latent ă de vaporizare a acestuia. Amestecarea cu aerul a vaporilor de combustibil are loc în urma antrenării acestora în mişcările turbulente ale aerului comprimat din cilindru. Singura proprietate a combustibilului care influenŃează acest proces este masa molecular ă, dar influenŃele sunt neglijabile în raport cu cele ale intensităŃii turbulenŃelor amintite. Autoaprinderea este un proces complex, polistadial, marcat de numeroase influenŃe ale compoziŃiei şi structurii moleculelor de combustibil. Formal, toate aceste influenŃe au fost cumulate într-o proprietate specifică exprimată prin cifra cetanic ă a combustibilului, care exprimă printr-un număr tendinŃa de autoaprindere a amestecului format în condiŃiile existente în cilindrul unui motor etalon. Arderea combustibilului are loc, în principiu, prin propagarea flăcărilor din nucleele de autoaprindere pe amestecurile preformate existente în cilindru. În realitate, acest model de desfăşurare este valabil, simultan sau succesiv, numai pentru zone limitate din volumul cilindrului, mişcările mediului şi suprapunerile de fenomene ducând la o imagine haotică, dar progresivă, de petrecere a arderii. În aceste condiŃii, evaluarea procesului de ardere poate fi făcută


54

done under two aspects, namely the quantity of heat developed and composition of combustion products. Apart from some aspects of the quality of the specific combustion engine, the quantity of heat developed by combustion of the fuel is dose-dependent low calorific power of it. Regarding compounds combustion compozition, must to observe the influence of ultimate composition of the fuel. Thus, the number of carbon atoms and hydrogen molecule determine the proportions of carbon dioxide and water - products of normal perfect combustion - from the combustion gases discharged from the engine. The existence of molecules in fuels (alcohols, vegetable oils, biodiesel) of oxygen atoms is likely to lead to a more complete combustion, with the evacuation of lower quantities of pollutants such as carbon monoxide and solid particles carbon. 4. The ranked inventory of relevant properties of alternative liquid fuels

Prepare an inventory of relevant properties of liquid fuels that can be used to power Diesel engines and the ranking of these properties requires a reasoned selection of some of the properties, the factors that influence the descriptions above. One such approach involves defining the purpose for which the inventory can be used and criteria for ranking.

Therefore, it is proposed an inventory of properties to be assessed when one wishes to use a certain alternative fuel to power a Diesel engine designed for diesel fuel , in policarburate regime defined by the convenient and rapid possibility of passage from supply with diesel fuel to alternative fuel and vice versa. Criteria for determining the hierarchy of these properties, and in order, lack of need for special measures to supply alternative energy to maintain engine performance within reasonable limits, unaffecting and safety in operation and sustainability of the engine. In these circumstances, the following properties can be considered: 1. Fuel homogeneity in the normal fuel supply, both in terms of phase and that of the composition, guarantee the possibility of food-cycle engine; 2. Cetane number of fuel indicates, depending on its value, a fuel capability of self-ignition engine operation in hot and cold engine startup. That allows the use of fuel in the engine warm, but do not start the engine cold, requires the conduct of „dual feeding” - the supply of oil at startup and during heating and fuel switching to alternative power supply to achieve normal thermal regime; 3. Lower calorific value of fuel is a measure of chemical potential energy invested in the engine cycle. It is expected that when using a fuel compatible with motor processes, but with a lower calorific value different from that of diesel, the difference in calorific value to be reflected as a sense of order and size, the power developed by the engine; 4. Viscosity of fuel has influenced almost all the sequences of feeding the working cycle. Most of these influences relate to quantities of energy that the engine consumed in the food. However, the influence of the viscosity of fuel is one that shapes the forces of mechanisms of injection equipment engines in „classical” injection technology because the uncontrolled growth of forces, manifested in the use of a fuel with higher viscosity can have devastating effects equipment for sustainability. 5. The vapor pressure of fuel has relatively hidden influences and effects over time. Thus, at the use of an alternative fuel having a vapor pressure higher than that of diesel fuel, it is possible the emergence of the cavity

sub două aspecte şi anume cantitatea de căldură dezvoltată şi compoziŃia produşilor de ardere. Dincolo de unele aspecte privind calitatea procesului de ardere specific motorului, cantitatea de căldură dezvoltată prin arderea completă a dozei de combustibil este dependentă de puterea caloric ă inferioar ă a acestuia. În ceea ce priveşte compoziŃia compuşilor de ardere, trebuie observată influenŃa compozi Ńiei moleculare a combustibilului. Astfel, numărul de atomi de carbon şi de hidrogen din moleculă decid proporŃiile de dioxid de carbon şi de apă – produşi normali ai arderii perfecte – din gazele de ardere evacuate din motor. De asemenea, existenŃa în moleculele unor combustibili (alcooli, uleiuri vegetale, biodiesel) a unor atomi de oxigen este de natură să conducă la o ardere mai completă, cu evacuarea unor cantităŃi mai reduse de noxe cum ar fi monoxidul de carbon şi particulele solide de carbon. 4. Inventarul ierarhizat al propriet ăŃilor relevante ale combustibililor lichizi alternativi Întocmirea unui inventar al proprietăŃilor relevante ale combustibililor lichizi ce pot fi folosiŃi pentru alimentarea motoarelor Diesel şi ierarhizarea acestor proprietăŃi presupune o selectare argumentată a unora dintre proprietăŃile menŃionate, ca factori de influenŃă, în descrierile de mai sus. Un asemenea demers presupune definirea scopului în care acest inventar poate fi folosit şi stabilirea criteriilor de ierarhizare. Aşadar, se propune un inventar al proprietăŃilor care trebuie evaluate atunci când se doreşte folosirea unui combustibil alternativ oarecare, la alimentarea unui motor Diesel construit pentru alimentarea cu motorin ă, în regim de policarburare definit de posibilitatea de trecere comodă şi rapidă de la alimentarea cu motorină la alimentarea alternativă şi invers. Criteriile de stabilire a ierarhiei acestor proprietăŃi vizează, în ordine, lipsa nevoii de măsuri speciale pentru alimentarea alternativă, menŃinerea performanŃelor energetice ale motorului în limite rezonabile şi neafectarea siguranŃei în funcŃionare şi a durabilităŃii motorului. În aceste condiŃii, pot considerate următoarele proprietăŃi: 1. Omogenitatea combustibilului în condiŃiile normale de alimentare, atât sub aspectul fazei cât şi sub acela al compoziŃiei, constituie garanŃia posibilităŃii de alimentare a ciclului motor; 2. Cifra cetanic ă a combustibilului indică, în funcŃie de valoarea ei, capabilitatea unui combustibil de a se autoaprinde în funcŃionarea motorului cald şi la pornirea motorului rece. Faptul că un combustibil permite utilizarea în motorul cald, dar nu asigură pornirea motorului rece, impune adoptarea conduitei de „alimentare duală” – alimentarea cu motorină la pornire şi pe timpul încălzirii şi comutarea alimentării pe combustibilul alternativ la atingerea regimului termic normal; 3. Puterea caloric ă inferioar ă a combustibilului este o măsură a energiei potenŃiale chimice investite în ciclul motor. Este de aşteptat ca atunci când se foloseşte un combustibil compatibil cu procesele din motor, dar cu o putere calorică inferioară diferită de aceea a motorinei, diferenŃa de putere calorică să fie reflectată, ca sens şi ordin de mărime, la nivelul puterii dezvoltate de motor; 4. Viscozitatea combustibilului are influenŃe în aproape toate secvenŃele alimentării ciclului motor. Cele mai multe dintre aceste influenŃe se referă la cantităŃile de energie pe care motorul le consumă în procesul de alimentare. Totuşi, influenŃa cea mai importantă a viscozităŃii combustibilului este aceea care modelează forŃele din mecanismele echipamentului de injecŃie la motoarele cu tehnologie de injecŃie „clasică”, deoarece creşterile necontrolate de forŃe, manifestate în cazul folosirii unui combustibil cu viscozitate mai ridicată, pot avea efecte devastatoare pentru durabilitatea echipamentului. 5. Presiunea de vapori a combustibilului are influenŃe relativ ascunse şi cu efecte în timp. Astfel, la folosirea unui combustibil alternativ cu presiune de vapori mai ridicată decât aceea a motorinei, este posibilă apariŃia


55

and destruction, through specific mechanisms of this phenomenon, of the route of the fuel suction from the pumping equipment. 5. CONCLUSIONS

The ranked inventory for relevant properties of liquid fuels aimed for Diesel engines policarburation, shown above in a deliberately minimal variant, aims to have practical values. Thus, the experimentors „foolhardy”, who want to try to find some empirical ways for policarburation of Diesel engines designed for diesel fuel, can use the inventory to determine what properties of the alternative fuel must be compared with those of diesel fuel and which are the risks of using a fuel with significantly different properties. In turn, researchers who aim to find new formulas for fuels in view of partial or total substitution of diesel fuel, can learn through the entire work, the whole picture of existing conditionings between the searched fuel properties and engines Diesel aimed as „beneficiary” of these fuels. BIBLIOGRAPHY 1. Aram ă, C.; Grünwald, B. - Motoare cu ardere internă. Procese şi caracteristici. Editura Tehnică, Bucureşti 1966 2. Bosch, R. - Diesel-engine Management. McGraw-Hill Mechanical Engineering, N.Y., 2003 3. Vasilescu, C. A. ş.a. - CorelaŃiile dintre combustibilul lichid şi motorul cu ardere internă. Editura Academiei, Bucureşti, 1972

cavitaŃiei şi distrugerea, prin mecanismele specifice acestui fenomen, a traseului de aspiraŃie a combustibilului în elementele de pompare din echipament. 5. CONCLUZII Inventarul ierarhizat al proprietăŃilor relevante ale combustibililor lichizi vizaŃi pentru policarburarea motoarelor Diesel, prezentat mai sus într-o variantă voit minimală, îşi propune să aibă valenŃe practice. Astfel, experimentatorii „temerari”, care doresc să încerce găsirea empirică a unor variante de policarburare a motoarelor Diesel construite pentru alimentarea cu motorină, pot folosi inventarul pentru a afla ce proprietăŃi ale combustibilului alternativ vizat trebuiesc comparate cu cele ale motorinei şi care sunt riscurile folosirii unui combustibil cu proprietăŃi semnificativ diferite. La rândul lor, cercetătorii care îşi propun găsirea de noi formule de combustibili pentru substituirea parŃială sau totală a motorinei pot afla, parcurgând întrega lucrare, întregul tablou al condiŃionărilor existente între proprietăŃile combustibililor căutaŃi şi motoarele Diesel vizate ca „beneficiare” ale acestor combustibili. BIBLIOGRAFIE 1. Aram ă, C.; Grünwald, B. - Motoare cu ardere internă. Procese şi caracteristici. Editura Tehnică, Bucureşti 1966 2. Bosch, R. - Diesel-engine Management. McGraw-Hill Mechanical Engineering, N.Y., 2003 3. Vasilescu, C. A. ş.a. - CorelaŃiile dintre combustibilul lichid şi motorul cu ardere internă. Editura Academiei, Bucureşti, 1972


56

VARIANTS TACKLED IN POLYCARBURATION PRACTICE OF DIE SEL ENGINES

DESIGNED TO BE FED WITH DIESEL OIL /

VARIANTE ABORDABILE ÎN PRACTICA POLICARBUR ĂRII MOTOARELOR DIESEL CONSTRUITE PENTRU ALIMENTAREA CU MOTORINĂ

Dr. Eng. Mircea Adrian Nicolescu

- INMA Bucharest, Romania -

Abstract. The current level of world economy and its forecasted growing rates have brought to up-to-date the necessity of finding and developing the alternative and renewable energy sources. Certainly the relevant also aim the fuels designed to feed the internal combustion engines – the most „mature” and spread sources of producing local energy – and the first resource which has been updated is represented by biofuels. This paper presents a realistic analysis of modalities in which is made possible the biofuels use extent to Diesel engines feeding and this extention rates. Within this context, some possible approaches are emphasized related to the relatively rapid extension of first extraction liquid biofuels (vegetable oils and alcohols) and on which – in author’s opinion – the field researches should be focused. Keywords: Biofuels, Diesel engine, policarburation 1. GENERAL CONSIDERATIONS The facts. Use on large-scale growing in the last century, fossil fuels has been and is likely to rise to the problems of mankind whose conjuctural amplification led to crisis situations. One such issue is the awareness that the pace of alert more consumption of fossil fuels is likely to approach the term depletion of existing reserves. Another problem, linked to the accelerated spread of vehicles, loading is more accentuated with pollutants – produced the inherent deviations from ideal combustion – the atmosphere in large urban areas. Finally, changes in the climate-sensitive land in the last period brought to the attention of a general product of the normal combustion – carbon dioxide – whose presence in increasing concentrations in the atmosphere leads to the well-known greenhouse effect. In the current stage of technology development, internal combustion engines are the only energy source that can operate independently in terms of mobility or isolation with a satisfactory efficiency. This favorable feature, which led to explosive development of the phenomenon of „dodget-up-ing” in human affairs, but is accompanied by issues that are unfavorable, at least look at the global level, are likely to create problems and natural responses to them. Thus, internal combustion engines consume, generally comes from fossil fuels and associated spread their „explosive”, are responsible for higher rates as their operation is accompanied by emission in the atmosphere natural produced by burning carbon – carbon dioxide – and some specific compounds – nitrogen oxides, hydrocarbon fractions, soot particles etc. – that are toxic, in varying degrees, for the living. Perspective. Studies relating to the prospects of development of mankind require that, in the current tumult of industrialization, will reach the motor rhythms that will mean, at least for the next 20 years, doubling the number of engines in use in every ten years. In these circumstances, it is expected that the fuel consumption and pollution is increasingly obvious. Global response. Human side of issues are referred

Rezumat. Nivelul actual atins de economia mondială şi ritmurile prognozate de creştere a acesteia au adus în actualitate necesitatea găsirii şi dezvoltării unor surse alternative şi regenerabile de energie. BineînŃeles, căutările vizează şi combustibilii pentru alimentarea motoarelor cu ardere internă – cele mai mature şi cele mai răspândite surse de producere locală a energiei – şi prima resursă readusă, de fapt, în actualitate este cea a biocarburanŃilor. Lucrarea prezintă o analiză realistă a modurilor în care este posibilă extinderea folosirii biocarburanŃilor la alimentarea motoarelor Diesel şi a ritmurilor în care este posibilă această extindere. În acest context, sunt evidenŃiate unele posibile abordări care permit extinderea relativ rapidă a folosirii biocarburanŃilor lichizi „de primă extracŃie” (uleiuri vegetale şi alcooli) şi asupra cărora – după opinia autorului – ar trebui să se concentreze cercetările de profil. Cuvinte cheie: BiocarburanŃi, motor Diesel, policarburare 1. CONSIDERAłII GENERALE Starea de fapt. Folosirea, pe scară tot mai largă în ultimul secol, a combustibililor fosili a fost şi este de natură să ridice în faŃa omenirii unele probleme a căror amplificare conjucturală a condus la situaŃii de criză. O astfel de problemă este conştientizarea faptului că ritmul tot mai alert al consumului de combustibili fosili este de natură să apropie termenul epuizării rezervelor existente. O altă problemă, legată de răspândirea accelerată a autovehiculelor, este încărcarea tot mai accentuată cu noxe – produse inerente ale abaterilor de la arderea ideală – a atmosferei din marile aglomerări urbane. În fine, schimbările sensibile înregistrate de clima terestră în ultima perioadă au adus în atenŃia generală un produs principal al arderii normale – dioxidul de carbon – a cărui prezenŃă în concentraŃii tot mai mari în atmosferă conduce la binecunoscutul efect de seră. În stadiul actual de dezvoltare a tehnologiilor, motoarele cu ardere internă sunt singurele surse de energie care pot funcŃiona independent, în condiŃii de mobilitate sau de izolare şi cu o eficienŃă satisfăcătoare. Această caracteristică favorabilă, care a condus la dezvoltarea explozivă a fenomenului de „motorizare” în activităŃile umane, este însoŃită însă şi de aspecte defavorabile care, cel puŃin privite la nivel global, sunt de natură să creeze probleme şi răspunsuri fireşti la acestea. Astfel, motoarele cu ardere internă consumă, în general, combustibili de provenienŃă fosilă şi, asociat răspândirii lor „explozive”, sunt responsabile de ritmurile înalte în care funcŃionarea lor este însoŃită de emisia în atmosferă a cuvenitului produs de ardere a carbonului – dioxidul de carbon – şi a unor compuşi specifici – oxizi de azot, fracŃiuni de hidrocarburi, particule de funingine etc. – care sunt toxice, în diferite grade, pentru mediul viu. Perspective. Studii de referinŃă privind perspectivele de dezvoltare a omenirii prevăd că, în actuala efervescenŃă a industrializării, motorizarea va atinge ritmuri care vor însemna, cel puŃin pentru următorii 20 de ani, dublarea numărului de motoare aflate în exploatare la fiecare zece ani. În aceste condiŃii, este de aşteptat ca problemele consumului de combustibil şi poluării să fie tot mai pregnante. Răspunsul global. ReacŃiile societăŃii umane la aspectele


57

unfavorable more active lately and consist of well-directed action in administrative which, normally, manufacturers of engines and fuels they seek answers to technical. Thus, rate increases in the use of oil resources were opposed to administrative measures such as limiting global production of crude oil, in the sea of a quota system between its producers – in order to increase its price on the specific market – and adding taxes on refined petroleum products – in order to modeling fuel „pump-price” in line with global consumption limits deemed acceptable. In the technical, industry producing internal combustion engines responded by developing more efficient engines as the specific fuel consumption (specific consumption means less pollution and fewer emissions per unit of energy produced) and exhaust gas composition, and chemical industry has intensified efforts to obtain alternative fuels, some promoters of lower pollutant emissions and possibly derived from renewable sources. Organizational response. Effects of oil crisis episodes in postwar period were always in a re-setting of oil price at higher levels, with damaging consequences on world economic balance and global economic and industrial growth rate of all states. On the background of these consequences in industrialized countries, the family of industrialized countries was born the concept of energy security , under the banner of which they were made and initialed on the arrangements planned rates of extraction and oil price developments predictable marketing it. At the same time, the status of the energy security has begun to be examined and developed the concept of energy independence . Under the overall energy issue, this concept has generated in each state or groups of countries, development strategy and promotion of technology intensive production of energy – such as nuclear fission reactors – or technologies for sustainable production energy – such as hydroelectric facilities. Under particular aspect, but very important as a share of fuel for heat engines, the concept of energy independence has enabled concerns to produce alternative fuels . 2. GENERIC SOLUTION OF BIOFUELS FOR ENGINES Concern for obtaining and use of alternative fuels for engines is not new. One can even say that the use of alternative fuels – even biofuels – is entered in the „genetics” of internal combustion engines. Thus, on the things in historical perspective, we can mention that at the Universal Exhibition of 1900, in Paris, Rudolf Diesel himself made a demonstration copy of the engine he invented, operating with peanut oil. Moreover, intuit problems like today concerns the field of alternative fuel engine, Rudolf Diesel stated that in the year 1911, that „The engine can work with vegetable oil and this could be a considerable aid to countries agriculture”, and in 1912 stated that „Using vegetable oils in engine power may be devoid of significance today, but they may become with time, as important as oil and coal now”. Also, in their long period of production, located in the first decades of the last century, many famous series of car Ford "Model T" were equipped with engine designed to be fueled with ethanol. Other periods of concern for an alternative supply of engines have been generated by the "distortion" of history. Thus, during the Second World War in Germany – dominated by sea and unable to award the Caucasian oil area – was created a technology for obtaining synthetic petrol by chemical processing of lignite (concern IG Farben Industrie, 1943). Also, according to some reports, in the last months of the war, Japanese contingents that operated

defavorabile menŃionate sunt tot mai active în ultimul timp şi constau din acŃiuni bine dirijate în plan administrativ cărora, în mod firesc, producătorii de motoare şi cei de combustibili le caută răspunsuri în plan tehnic. Astfel, creşterilor de ritm în folosirea resurselor de petrol li s-au opus măsuri administrative cum ar fi limitarea producŃiei mondiale de ŃiŃei, în condiŃiile cartelării acesteia între marii producători – cu scopul de a creşte preŃul acestuia pe piaŃa specifică – şi adăugarea de sarcini fiscale asupra produselor rafinate din petrol – cu scopul modelării preŃului combustibililor "la pompă" în acord cu limitele de consum global considerate acceptabile. În plan tehnic, industria producătoare de motoare cu ardere internă a răspuns prin dezvoltarea de motoare tot mai performante sub aspectele consumurilor specifice de combustibil (consumuri specifice mai mici înseamnă şi emisii poluante mai puŃine pe unitatea de energie obŃinută) şi compoziŃiei gazelor evacuate, iar industria chimică şi-a intensificat eforturile de obŃinere de combustibili alternativi, promotori ai unor emisii poluante mai reduse şi posibil de obŃinut din surse regenerabile. Răspunsul organiza Ńional. Efectele episoadelor de criză petrolieră din perioada postbelică au constat întotdeauna într-o reaşezare a preŃului petrolului la niveluri mai ridicate, cu consecinŃe nefaste asupra echilbrelor economice mondiale şi ritmurilor de creştere industrială ale tuturor statelor. Pe fundalul acestor consecinŃe, în familia Ńărilor industrializate s-a născut conceptul de securitate energetic ă, sub stindardul căruia au fost făcute şi parafate aranjamente privind ritmuri planificate ale extracŃiei ŃiŃeiului şi evoluŃii predictibile ale preŃurilor de comercializare a acestuia. În acelaşi timp, cu statut de parte în securitatea energetică, a început să fie examinat şi s-a dezvoltat conceptul de independen Ńă energetic ă. Sub aspect energetic general, acest concept a generat, la nivelul fiecărui stat sau al unor grupuri de state, strategii de dezvoltare şi promovare a unor tehnologii intensive de obŃinere a energiei – cum ar fi reactoarele nucleare cu fisiune – sau a unor tehnologii durabile de obŃinere a energiei – cum ar fi amenajările hidroenergetice. Sub aspectul particular, dar foarte important ca pondere, al combustibililor pentru motoarele termice, conceptul de independenŃă energetică a activat preocupări pentru obŃinerea de combustibili alternativi . 2. Solu Ńia generic ă a biocarburan Ńilor pentru motoare Preocuparea pentru obŃinerea şi folosirea de combustibili alternativi pentru motoare nu este nouă. Se poate chiar afirma că folosirea combustibililor alternativi – chiar a biocombustibililor – este înscrisă în „genetica” motoarelor cu ardere internă. Astfel, privind lucrurile din perspectivă istorică, putem menŃiona faptul că, la ExpoziŃia Universală din anul 1900, de la Paris, însuşi Rudolf Diesel a făcut demonstraŃii cu un exemplar al motorului inventat de el, funcŃionând cu ulei de arahide. Mai mult, intuind parcă problemele şi preocupările legate astăzi de domeniul combustibililor alternativi pentru motoare, acelaşi Rudolf Diesel afirma, în anul 1911, că „Motorul poate funcŃiona cu ulei vegetal şi acest lucru ar putea fi un ajutor considerabil pentru agricultura Ńărilor respective”, iar în anul 1912 declara că „Folosirea uleiurilor vegetale la alimentarea motoarelor poate fi lipsită de importanŃă astăzi, dar acestea pot deveni, cu trecerea timpului, la fel de importante cum sunt petrolul şi cărbunele în prezent”. De asemenea, în îndelungata lor perioadă de producere, situată în primele decenii ale secolului trecut, numeroase serii ale celebrului automobil Ford „Model T” au fost dotate cu motoare concepute să fie alimentate cu etanol. Alte perioade de preocupări pentru alimentarea alternativă a motoarelor au fost generate de „distorsiuni” ale istoriei. Astfel, în timpul celui de al doilea război mondial, în Germania – dominată pe mare şi incapabilă să-şi adjudece zona petrolieră caucaziană – a fost creată o tehnologie de obŃinere a benzinelor sintetice prin prelucrarea chimică a lignitului (concernul IG Farben Industrie, 1943). De asemenea, potrivit


58

in conditions of isolation in Southeast Asia, have flat agony practicing warlike power of Diesel engines equipped with eucalyptus oil. Unfortunately, the conditions in which the Japanese surrender and the priorities related to effective conclusion as soon as possible hostilities, made possible by the experimental value of this practice remain unknown. More recently, under pressure from oil crisis – orchestrated political – from the beginning of the eighth decade of the last century, large building cars companies (General Motors in the U.S., Audi and Daimler–Benz in Europe) made out with vehicles whose engines were fitted with equipment specifically designed for injection using crude vegetable oils . The results of these tests were satisfactory, the only problems related to the occurrence of gums deposits in the injection facilities and in cylinders. Unfortunately, the relatively rapid removal of said oil crisis, followed by an unprecedented release of petroleum resources, has led to the abandonment of„visible” research in this direction. Alternative fuels to power internal combustion engines have, obviously, do not contain oil intake and to be, in a term related to real exhaustion of petroleum resources, produced in sufficient quantities to cover all the current rational needs . In these circumstances, if we can obtain the abstraction of hydrogen by the decomposition of water using solar energy – variation that can be disregarded for that use hydrogen to power internal combustion engines raises some difficult problems to solve, the only affordable renewable fuels to make alternative fuels for engines are those of biological origin. Therefore, the solution viable alternative fuel, produced from renewable sources to power internal combustion engine is represented by biofuels. This assertion is supported by some achievements which currently are already exploited commercially and are in full stage of technological development. Alternative use of biofuels, in fact, a sustainable solution for use of internal combustion engines. Thus, the potential reserve of biofuels is limited in rate of use, but is not exhausted, being regenerated by periodic cycles of life of „energy plants”. Also, the presence of oxygen atoms in complex molecules of a burning biofuels favors closer to perfection and, in this way, the amount of pollutants from combustion gases is lower. Finally, the most important, burning biofuels does not contribute to increasing the greenhouse effect as carbon dioxide emitted is formed on the basis of „fossil carbon”, as with conventional fuels, but the intake part of participating in the natural carbon cycle in the atmosphere. 3. REALISTIC APPROACH TO FEEDING DIESEL ENGINES WITH BIOFUELS By spreading and their high rates of use, diesel engines are responsible for a significant share of total consumption of fossil fuels of mankind. Therefore, the current concerns for promoting biofuels as an alternative supply of Diesel engines are legitimate, especially if account is taken of the prospects mentioned by the increase in engine operation and a clear trend of increase in total Diesel engines units new products. The problem of selection of those types of biofuels that can be considered alternative, viable and applicable in a near time horizon, to power diesel engines claim establish criteria for choice. The main criteria that can be used for this purpose are: • availability of raw materials from renewable sources

and stable; • availability of mature technologies and cost-effective

production;

unor relatări, în ultimele luni ale războiului, contigentele japoneze ce operau, în condiŃii de izolare, în Asia de sud-est, şi-au lungit agonia belicoasă practicând alimentarea motoarelor Diesel din dotare cu ulei de eucalipt. Din păcate, condiŃiile în care Japonia a capitulat şi priorităŃile legate de încheierea efectivă cât mai rapidă a ostilităŃilor, a făcut ca aspectele cu eventuală valoare experimentală din această practică să rămână necunoscute. Mai recent, sub presiunea crizei petroliere – orchestrată politic – de la începutul celui de-al optulea deceniu al secolului trecut, mari firme constructoare de autovehicule (General Motors în SUA, Audi şi Daimler – Benz în Europa) au făcut încercări cu autovehicule ale căror motoare au fost dotate cu echipamente de injec Ńie concepute special pentru utilizarea uleiurilor vegetale crude . Rezultatele acestor încercări au fost mulŃumitoare, singurele probleme apărute Ńinând de apariŃia unor depuneri de gume în instalaŃiile de injecŃie şi în interiorul cilindrilor. Din nefericire, ieşirea relativ rapidă din criza petrolieră menŃionată, urmată de o disponibilizare fără precedent a resurselor petroliere, a dus la abandonarea cercetărilor „vizibile” pe această direcŃie. Combustibilii alternativi pentru alimentarea motoarelor cu ardere internă trebuie, evident, să nu conŃină aport petrolier şi să poată fi, într-o perspectivă ce Ńine de termenul real de epuizare a resurselor petroliere, produşi în cantităŃi suficiente pentru acoperirea tuturor nevoilor curente raŃionale. În aceste condiŃii, dacă facem abstracŃie de posibilitatea obŃinerii de hidrogen prin descompunerea apei folosind energia solară – variantă ce poate fi neglijată pentru că folosirea hidrogenului la alimentarea motoarelor cu ardere internă ridică unele probleme greu de rezolvat, singurele resurse regenerabile abordabile în vederea obŃinerii combustibililor alternativi pentru motoare sunt cele de sorginte biologică. Prin urmare, soluŃia viabilă de combustibili alternativi, obŃinuŃi din surse regenerabile, pentru alimentarea motoarelor cu ardere internă este reprezentată de biocombustibili . Această afirmaŃie este susŃinută de unele realizări care, la momentul actual, sunt deja exploatate comercial şi se află în plină fază de dezvoltare tehnologică. Alternativa utilizării biocombustibililor constituie, în principiu, o soluŃie durabilă pentru utilizarea motoarelor cu ardere internă. Astfel, rezerva potenŃială de biocombustibili este limitată ca ritm de utilizare, dar nu este epuizabilă, fiind periodic regenerată prin ciclurile de viaŃă ale „plantelor energetice”. De asemenea, prezenŃa unor atomi de oxigen în moleculele complexe ale biocombustibililor favorizează o ardere mai aproape de perfecŃiune a acestora şi, pe această cale, cantitatea de noxe degajată la ardere este mai redusă. În fine, aspectul cel mai important, arderea biocombustibililor nu contribuie la sporirea efectului de seră, deoarece dioxidul de carbon emis nu este format pe baza „carbonului fosil”, ca în cazul combustibililor convenŃionali, ci prin aportul unei părŃi din carbonul care participă la ciclul natural al acestuia în atmosferă. 3. ABORDAREA REALIST Ă A ALIMENTĂRII MOTOARELOR DIESEL CU BIOCOMBUSTIBILI Prin răspândirea lor şi ritmurile ridicate de utilizare, motoarele Diesel sunt responsabile de o parte însemnată din consumul total de combustibili fosili ai omenirii. Prin urmare, preocupările actuale pentru promovarea biocombustibililor ca alternativă de alimentare a motoarelor Diesel sunt legitime, mai ales dacă se Ńine seama de perspectivele menŃionate de creştere a numărului de motoare aflate în exploatare şi de tendinŃa clară de creştere a ponderii motoarelor Diesel în totalul de unităŃi nou produse. Problema selecŃiei acelor categorii de biocombustibili care pot fi considerate alternative, viabile şi aplicabile într-un orizont de timp apropiat, pentru alimentarea motoarelor Diesel pretinde stabilirea unor criterii de alegere. Principalele criterii ce pot fi utilizate în acest scop sunt următoarele: • disponibilitatea materiilor prime din surse stabile şi

regenerabile; • existenŃa unor tehnologii mature şi rentabile de

obŃinere;


59

• the safe storage and handling; • compatibility with existing engines in the current

operation. Availability of raw materials from stable renewable sources is a subject in dispute. In the context of accelerated increases of fuel consumption, the only alternative to using raw materials derived from „energy crops” and to some opinions that forecast a future „food crisis”, was launched debate „biofuels versus food”. If you take into account the potential of intensive development of energy crops (which can be obtained by improving the plants concerned and the improvement of cultivation technologies) and the possible expansion of the global raw materials (use of waste products household and industrial, use of seaweed cultivation etc.), we can look at the issue further sources of raw materials to produce biofuels with reserved optimism. As regards the possibilities of obtaining, the current technologies are safe and effective for the main „first generation” biofuels. Thus, we have mature technology and traditional right to obtain alcohol and "dry" it (the release of water to concentrations of at least 95%) and for obtaining and purification vegetable oils. Also, in recent decades have been successfully developed technologies to produce biogas and processing vegetable oils and biodiesel obtained. The safety storage and handling of biofuels produced are significantly higher than those produced by fossil fuel counterparts. This claim is based on the fact that biofuels have ignition temperatures equal or higher than their counterparts, are completely deprived of toxicity and totally biodegradable. Compatibility of biofuels with existing engines in the current operation requires a more nuanced analysis, starting from the justification of this criterion. Indicating a type of biofuel as an alternative option to supply Diesel engines involves finding solutions to several issues. First aspect concerns the access safe and relatively easy for users of biofuel in engines and in this regard included the manufacture, distribution and disposal at levels comparable to those attained in the fuel oil. The second aspect involves setting clear any engine changes or additional features to be added, for the supply of biofuel to be possible and profitable. Point out that profitability should confirm a favorable balance between „fault” of equipment modifications needed and some benefits (lower costs of fuel and / or maintenance, the entry of consciousness into a „current ecological” etc.). Finally, a third aspect, the binding was the practice until the use of biofuel in question loses its character of novelty and becomes a current matter, is ensuring the possibility of returning to simple supply of fuel oil. Basically, this last point lies in ensuring the operation of engines in policarburation mode, definite by possibility of convenient and rapid transition from diesel fuel to supply alternative and vice versa. Once given these issues, it can switch to compatibility analysis for engines types in service of biofuels that we have established that there are mature technologies and cost-effective production. • Biodiesel is the only target of biofuels, which

currently can replace partially or wholly used to power diesel engines Diesel, in conditions of minimum intervention to them (the replacement of rubber elements with similar, made of a material most appropriate) and the possibility of natural policarburation. However, obtaining this biofuel from vegetable oils or fats processing presents a disadvantage relatively complicated, which is profitable only on a large scale, using ingredients of

• nivelul de siguranŃă la stocare şi manipulare; • compatibilitatea cu motoarele existente în exploatarea

curentă. Disponibilitatea materiilor prime din surse stabile şi regenerabile este un subiect aflat în dispută. În contextul creşterilor accelerate al consumurilor de combustibili, privind numai la alternativa folosirii materiilor prime obŃinute din „culturi energetice” şi la unele păreri care prognozează o viitoare „criză alimentară”, a fost lansată dezbaterea „biocombustibili contra hrană”. Dacă Ńinem seama de potenŃialele dezvoltări intensive ale culturilor energetice (care pot fi obŃinute prin ameliorarea plantelor vizate şi îmbunătăŃirea tehnologiilor de cultivare) şi de posibile lărgiri ale bazei globale de materii prime (folosirea unor deşeuri şi subproduse casnice şi industriale, folosirea culturilor de alge etc.), putem privi problema surselor viitoare de materii prime pentru obŃinerea biocombustibililor cu un optimism rezervat. În privinŃa posibilităŃilor de obŃinere, la momentul actual există tehnologii sigure şi rentabile pentru principalii biocombustibili „de prima generaŃie”. Astfel, dispunem de tehnologii mature şi chiar tradiŃionale pentru obŃinerea alcoolului etilic şi „uscarea” acestuia (eliberarea de apă până la concentraŃii de cel puŃin 95 %) şi pentru obŃinerea şi purificarea uleiurilor vegetale. De asemenea, în ultimele decenii au fost dezvoltate tehnologii de succes pentru obŃinerea de biogaz şi pentru prelucrarea uleiurilor vegetale şi obŃinerea biodieselului. Nivelurile de siguranŃă la stocare şi manipulare prezentate de biocombustibili sunt net superioare celor prezentate de combustibilii fosili omologi. Această afirmaŃie se bazează pe faptul că biocombustibilii au temperaturi de aprindere egale sau mai ridicate decât omologii lor, sunt complet lipsiŃi de toxicitate şi total biodegradabili. Compatibilitatea biocombustibililor cu motoarele existente în exploatarea curentă necesită o analiză mai nuanŃată, plecând chiar de la justificarea acestui criteriu. Indicarea unui tip de biocombustibil ca variantă alternativă pentru alimentarea motoarelor Diesel presupune găsirea de soluŃii pentru mai multe aspecte. Primul aspect vizează accesul sigur şi relativ comod al utilizatorilor de motoare la biocombustibilul respectiv şi în acest aspect sunt incluse problemele fabricării, distribuŃiei şi desfacerii la niveluri comparabile cu cele atinse în domeniul combustibililor petrolieri. Al doilea aspect presupune stabilirea clară a eventualelor modificări ale motoarelor, sau dotările suplimentare ce trebuiesc adăugate acestora, pentru ca alimentarea cu biocombustibil să fie posibilă şi rentabilă. Precizăm că rentabilitatea trebuie să confirme un bilanŃ favorabil între „deranjul” modificărilor sau dotărilor necesare şi unele beneficii (cheltuieli mai mici cu combustibilul şi/sau întreŃinerea, conştiinŃa înscrierii într-un „curent ecologic” etc.). În fine, un al treilea aspect, obligatoriu de avut în vedere până când practica folosirii biocombustibilului respectiv îşi pierde caracterul de noutate şi devine una curentă, Ńine de asigurarea posibilităŃii de reîntoarcere simplă la alimentarea cu combustibili petrolieri. Practic, acest ultim aspect revine la asigurarea funcŃionării motoarelor în regimul de policarburare definit de posibilitatea de trecere comodă şi rapidă de la alimentarea cu motorină la alimentarea alternativă şi invers. Odată precizate aceste aspecte, se poate trece la analiza compatibilităŃii cu motoarele aflate în serviciu a tipurilor de biocombustibili pentru care am stabilit că există tehnologii mature şi rentabile de obŃinere. • Biodieselul este singurul dintre biocombustibilii vizaŃi

care, la momentul actual, poate înlocui parŃial sau total motorina folosită la alimentarea motoarelor Diesel, în condiŃii de minimă intervenŃie la acestea (înlocuirea unor elemente din cauciuc cu unele similare, fabricate dintr-un material mai adecvat) şi cu posibilitatea firească de policarburare. Totuşi, obŃinerea acestui biocombustibil din uleiuri vegetale sau alte grăsimi prezintă dezavantajul unei prelucrări relativ complicate, care este rentabilă numai pe scară


60

high-risk environment (methanol and sodium hydroxide).

• Vegetable oils , gums escaped in advance, can be directly used to power Diesel engines, provided with injection equipment specially designed for this fuel. Obviously, such a practice makes it difficult to conduct policarburation because return to oil feeding will claim the change of the injection equipment with one designed for diesel oil. You said that at present, some limited practices are reported about alternative uses of vegetable oils to supply agricultural tractor (United States, Germany, France), using a technology in which gums-free oils are heated from the cooling of the engine. Such practices are somewhat controversial, because heating to about 100 ° C is not likely to sufficiently reduce the viscosity of oils and increases the task of injection equipment, due to high viscosity, often causing damage to them. Also reported to be a sporadic partial replacement of diesel fuel using mixtures gas - crude oil. The relative silence of the scientific specialists in this conduct, in spite of some media, is likely to give thought to. In essence, vegetable oils and biodiesel prepared

from them is a variant of total feeding Diesel engines with biofuels „first extraction”. Summary description of this behavior is shown in Figure 1.

mare şi foloseşte ingrediente cu risc ridicat de mediu (metanol şi hidroxid de sodiu).

• Uleiurile vegetale , degumate în prealabil, pot fi folosite direct pentru alimentarea motoarelor Diesel, cu condiŃia instalării pe acestea a unor echipamente de injecŃie special concepute pentru acest tip de combustibil. Evident, o astfel de conduită face dificilă practica policarburării, pentru că revenirea la motorină va reclama schimbarea instalaŃiei de injecŃie dedicată uleiului cu aceea concepută pentru motorină. Trebuie spus că, în prezent, sunt semnalate unele practici restrânse de utilizări alternative ale uleiurilor vegetale la alimentarea tractoarelor agricole (Statele Unite, Germania, FranŃa), folosind o tehnologie în care uleiurile degumate sunt încălzite de la agentul de răcire din motor. Astfel de practici sunt întrucâtva controversate, deoarece încălzirea până la circa 100°C nu este de natură să reducă suficient viscozitatea uleiurilor şi creşterile de sarcini din echipamentele de injecŃie, datorate viscozităŃii mari, provoacă adesea defectarea acestora. De asemenea, trebuie semnalată o sporadică înlocuire parŃială a motorinei prin folosirea de mixturi motorină – ulei vegetal crud. Relativa tăcere a mediilor ştiinŃifice de specialitate faŃă de această conduită, în ciuda unei oarecare mediatizări, este de natură să dea de gândit. În esenŃă, uleiurile vegetale şi biodieselul preparat din

acestea reprezintă o variantă de alimentare a motoarelor Diesel numai cu biocombustibili „de primă extracŃie”. Descrierea sintetică a acestei conduite este prezentată în figura 1.

Fig. 1 - PosibilităŃile de alimentare alternativă a motoarelor Diesel numai cu biocombustibili „de primă extracŃie”/

Possibilities of alternative feeding of diesel engines using only the „first extraction” biofuels

• Biogas is currently commonly used to power diesel engines working in stationary regime and modified to support this practice. Scale changes to be made a Diesel engine to switch to biogas fuel is very high, because the whole installation involves the replacement feeding installation and adding an ignition installation. Obviously, such changes may remove the engine from target practice of policarburation as defined above.

• Bioethanol can be targeted as part of diesel fuel substitute, but again, the changes to be made to the engine are important. Thus, ethanol is to move oil only little, the vapor pressure is much higher than that of diesel fuel and acts as an inhibitor of self-ignition. These issues requires that any dose of ethanol to be introduced separately in the engine cycle and this means equipping the engine with an additional supply. In these circumstances, obtaining of policarburation regime desired implies, at least, coupling or uncoupling of the supply and recovery of

• Biogazul este, la momentul actual, folosit frecvent în alimentarea unor motoare Diesel exploatate în regim staŃionar şi modificate ca să accepte această practică. Anvergura modificărilor care trebuie aduse unui motor Diesel pentru trecerea la alimentarea cu biogaz este foarte mare, deoarece presupune înlocuirea întregii instalaŃii de alimentare şi adăugarea unei instalaŃii de aprindere. Evident, astfel de modificări îndepărtează motorul vizat de la practica policarburării aşa cum a fost definită mai sus.

• Bioetanolul poate fi vizat ca substitut parŃial al motorinei dar, din nou, modificările ce trebuie aduse motorului sunt importante. Astfel, etanolul este miscibil cu motorina numai în mică măsură, are presiunea de vapori mult mai mare decât aceea a motorinei şi acŃionează ca un inhibitor de autoaprindere. Aceste aspecte obligă ca o eventuală doză de etanol să fie introdusă separat în ciclul motor şi aceasta înseamnă dotarea motorului cu o instalaŃie suplimentară de alimentare. În aceste condiŃii, obŃinerea regimului dorit de policarburare presupune, cel puŃin, cuplări sau decuplări ale instalaŃiei de alimentare


61

ethanol on dosage adjustments of injection installation. Besides the practical use of mixtures containing

vegetable oils and diesel, use of biogas and bioethanol are other possibilities for alternative food Diesel engines with „first extraction” biofuels. Such behavior is synthetical shown in Figure 2.

cu etanol şi refacerea unor reglaje privind dozajul injecŃiei de motorină. Alături de practica utilizării mixturilor conŃinând uleiuri

vegetale şi motorină, folosirea biogazului şi a bioetanolului reprezintă alte posibilităŃi de alimentare alternativă a motoarelor Diesel cu biocombustibili „de primă extracŃie”. Aceste conduite sunt prezentate sintetic în figura 2.

Fig. 2 - Alte posibilităŃi de alimentare alternativă a motoarelor Diesel cu biocombustibili „de primă extracŃie”/

Other possibilities of alternative feeding of diesel engines using only the „first extraction” biofuels

The descriptions above show that any possibility of alternative power Diesel engines require that between first production of alternative biofuel and its combustion in the engine cylinders to intervene, either through processing of biofuel (biodiesel case), or by modifying the engine. 4. Possible "shortcuts" in the practice of feeding Diesel engines with biofuels Exposure above shows the current practice in power Diesel engines with biofuels and technical reasons which preclude the spread of this practice under the policarburation regime. Of course, finding solutions to simplify the way of first extraction biofuels in the cylinders in a combustion engine is an interesting challenge. But this raises the question: is this possible? Advance here is a possible yes, launching the concept of pre-feeding conditioning of the fuel used for Diesel engines. Schematically, this practice is shown in Figure 3.

Descrierile de mai sus arată că orice variantă de alimentare alternativă a motoarelor Diesel impune ca între prima extracŃie a biocombustibilului alternativ şi arderea acestuia în cilindrii motoarelor să se intervină tehnic, fie prin prelucrarea biocombustibilului (cazul biodieselului), fie prin modificarea motorului. 4. Posibile „scurt ături” în practica aliment ării motoarelor Diesel cu biocombustibili Expunerea de mai sus prezintă stadiul actual în practica alimentării motoarelor Diesel cu biocarburanŃi şi motivele tehnice care se opun răspândirii acestei practici în regim de policarburare. Fireşte, găsirea unor soluŃii de simplificare a drumului biocombustibililor de la prima extracŃie la arderea în cilindrii unui motor constituie o provocare interesantă. Se pune însă întrebarea: este acest lucru posibil? Avansăm aici un posibil răspuns afirmativ, lansând conceptul de condi Ńionare antealimentare a combustibilului folosit pentru motoarele Diesel. Schematic, această practică este prezentată în figura 3.

Fig. 3 - CondiŃionarea antealimentare” ca variantă pentru alimentarea alternativă a motoarelor diesel cu biocombustibili „de primă extracŃie / „Pre-feeding conditioning” technology as version for alternative feeding of diesel engines using „first extraction” biofuels


62

Technical intervention alleged that the concept would address oil mixtures - oil, vegetable oils or „forced” mixtures of bioethanol - diesel and should spend in a conditioning device added by the interface between the supply of engine and the injection installation. This placement offers the advantage of lack of an intervention on the engine itself and the possibility of convenient returning to alternative power, so the policarburation, by providing an alternative route to bypass the device. Generic, conditioning the fuel will have to adjust the parameters of their status so that the behavior of the fuel to the engine cylinders to be as close to that of diesel. 5. Conclusions

Issues presented wish to draw attention to the concept of pre-feeding conditioning of fuel in the context of concerns for promoting biofuels as an alternative to power diesel engines. The paper wants an invitation to researchers attracted by the policarburation of Diesel engines with biofuels, and in equal measure, potential beneficiaries who believe in the future of these practices and wish to participate in development and their implementation. BIBLIOGRAPHY 1. Aram ă, C.; Grünwald, B. - Motoare cu ardere internă. Procese şi caracteristici. Editura Tehnică, Bucureşti 1966 2. Nicolescu, M. A. - Incisivitate şi precauŃie în promovarea de combustibili alternativi pentru motoarele cu ardere internă. Sesiunea INMATEH 2006 – II, Bucureşti, mai 2006 3. Nicolescu, M. A. - Biocombustibili pentru alimentarea motoarelor diesel: clasificare, vocabular, probleme în utilizare. Sesiunea INMATEH 2007 – II, Bucureşti, septembrie 2007 4. Roberts, P. – Sfârşitul petrolului. Editura Litera InternaŃional, Bucureşti 2008.

IntervenŃia tehnică presupusă de acest concept ar urma să se adreseze mixturilor ulei vegetal – motorină, uleiurilor vegetale sau unor mixturi „forŃate” bioetanol – motorină şi ar trebui să se petreacă într-un dispozitiv de condi Ńionare adăugat prin înseriere la interfaŃa dintre instalaŃia de alimentare a motorului şi instalaŃia de injecŃie a acestuia. Această amplasare oferă avantajul lipsei unei intervenŃii pe motorul propriuzis şi posibilitatea revenirii comode de la alimentarea alternativă, deci a policarburării, prin prevederea unui traseu alternativ de ocolire a dispozitivului. Generic, condiŃionarea combustibilului va trebui să modifice parametrii de stare ai acestuia astfel încât comportarea acestuia după dispozitiv, până în cilindrii motorului, să fie cât mai apropiată de aceea a motorinei. 5. Concluzii Aspectele prezentate doresc să atragă atenŃia asupra conceptului de condiŃionare antealimentare a combustibilului, în contextul preocupărilor pentru promovarea biocombustibililor ca soluŃie de alimentare alternativă a motoarelor Diesel. Lucrarea se doreşte o invitaŃie adresată cercetătorilor atraşi de problemele policarburării motoarelor Diesel cu biocarburanŃi şi, în egală măsură, potenŃialilor beneficiari care cred în viitorul acestor practici şi doresc să participe la dezvoltarea şi implementarea lor. BIBLIOGRAFIE 1. Aram ă, C.; Grünwald, B. - Motoare cu ardere internă. Procese şi caracteristici. Editura Tehnică, Bucureşti 1966 2. Nicolescu, M. A. - Incisivitate şi precauŃie în promovarea de combustibili alternativi pentru motoarele cu ardere internă. Sesiunea INMATEH 2006 – II, Bucureşti, mai 2006 3. Nicolescu, M. A. - Biocombustibili pentru alimentarea motoarelor diesel: clasificare, vocabular, probleme în utilizare. Sesiunea INMATEH 2007 – II, Bucureşti, septembrie 2007 4. Roberts, P. – Sfârşitul petrolului. Editura Litera InternaŃional, Bucureşti 2008


63

INSTALLATION FOR SOLAR DRYING OF SEWAGE SLUDGE

/ INSTALAłIE PENTRU USCAREA SOLARĂ A NĂMOLULUI DE EPURARE

Dr.Eng. Markus BUX – Hohenheim University,Stuttgart, G ermany

Prof.Dr.Eng. Adrian MITROI, drd.ing. Liliana CÎRLAN - USAMV Bucharest Dr.Eng. Tilo CONRAD, Dr.Eng. Steffen RITTERBUSCH - Therm o-System Industrie&Trocknungstechnik, Germany

Abstract. The research goal is related to solar drying of sewage sludge. Using solar energy allows to reduce energy consumption from other sources, that represents a main ecological advantage. The drying potential depends on solar direct and diffuse radiation, natural drying air potential, exothermal process of sludge decomposition, additional heat from outside. In order to provide optimal drying performance, the unit components are ordered on account of climate conditions and moisture content. The parameters values are measured and studied, in this respect: air temperature, inside and outside, relative air humidity, inside and outside, solar radiation and sludge humidity, as well. Keywords: instalation for solar drying, sewage sludge, electric mole, ecological advantages 1. INTRODUCTION Processing of sewage sludge to their neutralization and bring in a form that can be more easily stored, handled, used a gain increasing importance. In different countries on all continents recourse to this process, both in places with large number of inhabitants, and in places with low or average number of inhabitants. In May in many parts of the world this form of processing is already mandatory environmental considerations. According to the regulations of EU countries, but also from other countries, storage of cleaning mud is no longer permitted. Using cleaning mud as organic fertilizer in agriculture is becoming less applicable, inter alia because mud cleaning substance contains not only useful but also large amounts of harmful substances such as heavy metals, residues from drugs, chemicals with household applications, pathogens, etc. Burning mud is mechanically separated only with the support of the burning of another fuel. Conventional drying of mud cleaning is extremely expensive, particularly because the cost of other energy sources. Further reducing the mass of mud cleaning has positive effect, by lowering transport costs. There are different types of processing plants for cleaning mud, with different efficiency and often with high specific consumption of energy. The solar drying of mud cleaning, patented by Thermo-System allows reducing the weight of the sludge treatment plant and is characterized by reasonable investment cost, low power consumption and extremely low cost of operation. The plant can process both the mud pre-drain and the one nedesecat. Reducing quantity and improving the pretabilităŃii mud dry storage lead to a reduction of transport and thus reduced emissions, making it an important environmental advantage. With high energy dry mud can be saved in fossil fuel plants, and solar energy is directly used by the installation. Through the thermal solar dried sludge can contribute to reducing CO2 emissions and global environment.

Rezumat. Scopul este de cercetare legate de solare de uscare a nămolului de canalizare. Utilizarea energiei solare pentru a permite reducerea consumului de energie din alte surse, care reprezinta un avantaj principal ecologic. De uscare depinde de potenŃialul solare directe şi difuze de radiaŃii, potenŃial natural de uscare a aerului, exothermal procesul de descompunere a nămolurilor, suplimentar de energie termică din afara. Pentru a oferi performanŃe optime de uscare, unitatea de componente sunt ordonate pe cont de condiŃiile climatice şi de conŃinutul de umiditate. Parametri sunt valorile măsurate şi studiat, în această privinŃă: temperatura aerului, în interiorul şi în afara, umiditatea relativă a aerului, în interiorul şi în afara, radiatiei solare şi a nămolurilor de umiditate, de asemenea.

Cuvinte cheie : instalaŃie pentru uscare solară, nămoluri de epurare, cârtiŃă electrică, avantajele ecologice 1. INTRODUCERE Procesarea nămolurilor de epurare în vederea neutralizării lor şi aducerii într-o formă în care să poată fi mai uşor depozitate, manevrate, utilizate capătă o importanŃă tot mai mare. In diferite Ńari de pe toate continentele se recurge la această procesare, atât în localităŃi cu număr foarte mare de locuitori, cât şi în localităŃi cu număr mediu sau mic de locuitori. In mai în multe zone de pe glob această formă de prelucrare este deja obligatorie, din considerente ecologice.

Potrivit reglementărilor din Ńări UE, dar şi din alte Ńări, depozitarea nămolului de epurare nu mai este permisă.

Folosirea nămolului de epurare ca îngrăşământ organic în agricultură este din ce în ce mai puŃin aplicabilă, printre altele deoarece nămolul de epurare conŃine nu numai substanŃe utile, ci şi cantităŃi mari de substanŃe nocive, cum sunt metale grele, reziduuri de la medicamente, substanŃe chimice cu aplicaŃii menajere, agenŃi patogeni ş.a.

Arderea nămolului separat mecanic este posibilă doar cu susŃinerea prin arderea unui alt combustibil.

Uscarea convenŃională a nămolului de epurare este extrem de costisitoare, în special din cauza costurilor altor surse de energie. Reducerea cât mai accentuată a masei nămolului de epurare are efect pozitiv, prin scăderea costului transportului.

Există diferite tipuri de instalaŃii de procesare a nămolului de epurare, cu eficienŃă diferită şi de cele mai multe ori cu consumuri specifice mari de energie.

Procedeul de uscare solară a nămolului de epurare, brevetat de Thermo-System, permite reducerea masei de nămol de epurare şi se caracterizează prin costuri rezonabile de investiŃii, consumuri mici de energie şi costuri deosebit de reduse de exploatare. In instalaŃie este posibilă prelucrarea atât a nămolului pre-desecat cât şi a celui nedesecat.

Reducerea cantităŃii ca şi îmbunătăŃirea pretabilităŃii la depozitare a nămolului uscat duc la o diminuare a transportului şi prin aceasta la emisii reduse, aceasta constituind un important avantaj ecologic. Prin valoarea energetică ridicată a nămolului uscat poate fi economisit combustibil fosil în centrale, iar energia solară este direct utilizată de instalaŃie. Prin valorificarea termică a nămolurilor uscate solar se poate contribui astfel la reducerea emisiilor de CO2 şi la protecŃia mediului global.


64

2. MATERIAL AND METHOD The solar drying of sewage sludge was carried out by Thermo-System company in collaboration with the Institute of mechanization of agriculture from the University of Hohenheim in Stuttgart Germany. Note that in the same cooperation has been made and are already operating in several countries, with good results, installation of solar drying of tobacco plants for solar drying timber. The main components of the plant (fig. 1) are as follows: sera with drying rooms, the ventilation system of homogenization-aeration of nămolulului, electrical equipment and automation. Additional equipment ensure the proper conduct of the process of drying in different climatic conditions: supplementary heating device, a device for melting snow on the roof. Building a greenhouse that is an integral part of the solar drying frames are made of metal with coating of transparent polyethylene film, UV resistant, or plates of polycarbonate or glass. Depending on the capacity of sera may have one or more drying chambers. Room drying nedirijat not communicate with the external environment. Front or side wall is a register of admission of the air, ordered by the electric device automatically command. On the opposite wall are one or more fans repression. For routing and mixing of air from which the drying mud works suspended ceiling fans.

2. MATERIAL ŞI METODĂ InstalaŃia solară de uscare a nămolurilor de epurare a fost realizată de firma Thermo-System în colaborare cu Institutul de mecanizarea agriculturii de la Universitatea Hohenheim Stuttgart din Germania. De menŃionat că în cadrul aceleiaşi cooperări au fost realizate şi sunt deja în exploatare, în mai multe Ńări, cu rezultate foarte bune, instalaŃii solare de uscare a tutunului, instalaŃii solare de uscare pentru cherestea. Principalele componente ale instalaŃiei (fig.1) sunt: sera cu camerele de uscare, sistemul de ventilare, sistemul de omogenizare-aerare a nămolulului, echipamentele electrice şi de automatizari. Echipamentele suplimentare asigură desfăşurarea corectă a procesului de uscare în diferite condiŃii de climă: dispozitiv de încălzire suplimentară, dispozitiv de topire a zăpezii de pe acoperiş. Clădirea de tip seră care face parte integrantă din instalaŃia solară de uscare este realizată din cadre metalice, cu învelişul din folie polietilenă transparentă, rezistentă la UV, sau din plăci de policarbonat, sau din sticlă.

In funcŃie de capacitatea de lucru sera poate avea una sau mai multe camere de uscare. Camera de uscare nu comunică nedirijat cu mediul exterior. Frontal sau pe peretele lateral se găseşte o clapetă de admisie a aerului, comandată electric prin dispozitivul automat de comandă. Pe peretele opus se găsesc unul sau mai multe ventilatoare de refulare. Pentru dirijarea şi amestecarea aerului care serveşte la uscarea nămolului lucrează ventilatoarele suspendate de plafon.

Fig. 1 - Functional scheme of the solar drying mud cleaning / Schema funcŃională a instalaŃiei solare de uscare a nămolului de epurare

Fig. 2 - Mixing machine and return (Patent Thermo-System) / Robotul de amestecare şi întoarcere (Brevet Thermo-System)

The automatically adjusting the interior climate at all times ensure optimal drying capacity. Drying the components are ordered according to climatic conditions, the characteristics of the mud and, where appropriate, the amount of heat removed. To do this, depending on the constructive variant, are measured and interpreted the parameters: air temperature (inside / outside), air relative humidity (indoor / outdoor), humidity and solar radiation mud. The adjustable interior climate control, based on data measured mixing air dryer, air exchange rate and the frequency mixing robot turns and return. To increase capacity of the drying and prevent the formation of mud smell must be turned regularly. This task, which would involve high labor and time is taken by

Sistemul automat de reglare a climatului interior asigură în orice moment capacitatea optimă de uscare. Componentele instalaŃiei de uscare sunt comandate în funcŃie de condiŃiile climatice, de însuşirile nămolului şi, după caz, de cantitatea de căldură eliminată. Pentru aceasta, în funcŃie de varianta constructivă, sunt măsurate şi interpretate valorile parametrilor: temperatura aerului (interior/exterior), umiditatea relativă a aerului (interior/exterior), radiaŃia solară şi umiditatea nămolului. Sistemul de reglare a climatului interior comandă, pe baza datelor măsurate, amestecarea aerului în uscător, rata schimbului de aer, precum şi frecvenŃa întoarcerilor robotului de amestecare şi întoarcere.

Pentru creşterea capacităŃii de lucru la uscare şi evitarea formării de miros nămolul trebuie să fie întors regulat. Această sarcină, care ar implica consum mare de muncă şi de timp, este


65

a fully automated robot with integrated mixing and return, called the "electric mole". Machine (fig. 2), made entirely of stainless steel and plastic reinforced with glass fibers, are oriented hall drying using ultrasonic sensors. Scheme of the robot and return mixing is shown in Figure 3. The frequency of complete turns is adjusted automatically by the command depending on the climatic conditions and the characteristics of mud and is optimized with regard to drying, minimizing odors and consumption.

preluată de un robot complet automatizat cu dispozitiv integrat de amestecare şi întoarcere, numit “CârtiŃa electrică”. Maşina (fig. 2), fabricată în întregime din oŃel inoxidabil şi material plastic armat cu fibre de sticlă, se orientează în hala de uscare cu ajutorul senzorilor cu ultrasunete. Schema robotului de amestecare şi întoarcere este prezentată în figura 3. FrecvenŃa întoarcerilor este adaptată complet automat de către sistemul de comandă în funcŃie de condiŃiile climatice şi de însuşirile nămolului şi este optimizată în ceea ce priveşte capacitatea de uscare, minimizarea mirosurilor şi consumul de energie.

Fig. 3 - Scheme mixing robot and return. The Charter Electric - Thermo-Patent System /

Schema robotului de amestecare şi întoarcere “CârtiŃa electrică” – brevet Thermo-System

By choosing the proper transmission and return, electric mole can be adapted to different types of mud. In principle can thus be processed in any different sludge dry weight, and - depending on the characteristics of processed mud - at a height of filling up to 30 cm. Devices and equipment of the plant Optimal functioning of the solar drying is provided by the automation equipment, consisting of a central system and several devices with different functions: - Sensor temperature and humidity. Sensor for

measuring relative humidity of the air consists of several bands of woven plastic, treated by a process which acquires special appropriation higroscopice. A change of length is an effect that can be measured from the outside. When the fiber is balanced against air humidity is not taking any water or disposal. Length achieved in this case gives a measure of the relative humidity of air.

- Solar sensor. With silicon sensor serves to measure solar radiation. The sensor transmits a voltage proportional to the intensity of solar radiation. The cell is encapsulated in plastic resistant to weather and UV.

- Wind sensor. Wind sensor used to determine horizontal wind speed. To exploit the winter all appliances are equipped with electronically controlled heating to prevent freezing of rolling bearings and rotating parts exterior. Principle of measurement: OptOut-electronic (disk slit).

- Sensor pluvial. The work is based on measuring the electrolytic voltage alternatives. Surface sensor reacts to rain or snow. Polarity connection and sensitivity are adjustable. Prevent additional heating cover with ice or dew and speeds drying.

- The heat. The device is intended to determine the quantity of heat is supplied to a consumer through a heating circuit. The amount of heat flow is calculated from the measured volume of hot water and the temperature difference between the tour and return to the heating circuit. The heat from Thermo - System consists of the following components: arithmetic operator, the temperature sensor capsule Submersible debitmetru volume.

- Axial fans. Axial flow fans have volume of 22,000

Prin alegerea adecvată a organelor de transmisie şi de întoarcere, cârtiŃa electrică poate să fie adaptată la diferite tipuri de nămol. In principiu prin aceasta pot fi prelucrate diferite nămoluri cu orice conŃinut de substanŃă uscată şi – în funcŃie de însuşirile nămolului prelucrat – la o înălŃime de umplere de până la 30 cm. Aparate şi echipamente ale instalaŃiei

FuncŃionarea optimă a instalaŃiei de uscare solară este asigurată de echipamentele de automatizare, constituite dintr-un sistem central şi mai multe aparate, cu funcŃiuni diferite: - Senzor de temperatură şi umiditate. Senzorul pentru

măsurarea umidităŃii relative a aerului constă din mai multe benzi Ńesute din material plastic, tratate printr-un procedeu special ele capătă însuşiri higroscopice. O modificare a lungimii este un efect care poate fi măsurat din exterior. Când fibra se află în echilibru faŃă de umiditatea aerului nu se produce nici preluare nici cedare de apă. Lungimea atinsă în acest caz dă o măsură a umidităŃii relative a aerului.

- Senzor solar. Senzorul cu siliciu serveşte la măsurarea radiaŃiei solare. Senzorul transmite o tensiune proporŃională cu intensitatea radiaŃiei solare. Celula este capsulată în material plastic rezistent la intemperii şi la raze UV.

- Senzor eolian. Senzorul eolian serveşte la determinarea vitezei vântului pe orizontală. Pentru exploatarea pe timp de iarnă toate aparatele sunt prevăzute cu încălzire reglată electronic pentru a împiedica îngheŃarea rulmenŃilor şi a pieselor exterioare rotative. Principiul de măsurare: opto- electronic (disc cu fantă).

- Senzor pluvial. Principiul de lucru se bazează pe măsurarea electrolitică a tensiunii alternative. SuprafaŃa senzorului reacŃionează la ploaie sau la zăpadă. Polaritatea la conectare şi sensibilitatea sunt reglabile. Incălzirea suplimentară împiedică acoperirea cu gheaŃă sau cu rouă şi accelerează uscarea.

- Contor de caldură. Aparatul este destinat determinării cantităŃii de căldură care este furnizată unui consumator printr-un circuit de încălzire. Cantitatea de căldură se calculează din debitul volumic măsurat de apă caldă şi din diferenŃa de temperatură dintre tur şi retur pe circuitul de încălzire. Contorul de căldură de la Thermo – System constă din următoarele componente: operator aritmetic, senzor de temperatură cu capsulă submersă, debitmetru volumic.

- Ventilatoare axiale. Ventilatoarele axiale au debit


66

m3/h and three-phase motors driven by ~ 400 V, with power ∆ / Ύ 0.94 / 0.59 kW;

- Speed regulator using Thermo - System serves to regulate the speed of the three phase motor with voltage regulation and is especially for fans of wall and ceiling use.

- Touch-display the MP 370 offers the user the possibility to plot the operating conditions, given the current process and upset a coupled system of control and to serve and see the car or comfortable to be monitored.

Optional Features Automatic clearing of the snow. The device is automatically glide layer of snow on the roof. Sensors installed in the roof and roof deformation measured emit a signal to the central command if strong snow fall a certain application of the roof. Central command the service of aerotermelor special, supplied with gas, the warm air dryer. The heat rises and accumulates in the roof area, topind snow on the bottom. This layer of snow falls and slide, and aerotermele disconnects. Heating system to the roof gutter. The function is to protect against freezing of the roof gutter. If during the day the water condensation, the heating of the roof troughs ensure the scheme automatically, removing water condensation. Sensors measure the roof gutter of temperature and quantity of water from the roof gutter. A control device interpreting the data from sensors and connects banda heating when necessary. Operation function in winter challenge prevents excessive loss of heat through intense air and thereby prevent abrupt cooling and freezing mud. For this there is the possibility of adapting the control of microclimate. Operation in winter may occur on the parameters: temperature limit for lappet ceiling; temperature limit indoor and outdoor temperature limit; ventilării during the intermittent regime. By adjusting the duration ventilării, operation winter may be better adapted to the climate differences, for example mild temper and harsh winter, sunny weather or closed. Physical processes in drainage and drying Reducing the water content of sludge is achieved through the following processes: - Draining force of gravity on drainage beds, facilities

for the fluid mud with SU 10-14% SU; - Evaporation of water from the air dryer, where the

potential for drying in the dryer depends on the following factors: direct solar radiation and diffuse, the potential for natural air drying (ambient air ability to retrieve moisture) exothermic decomposition processes in the mud (aerobic stabilization later) brought additional heat from the outside (optional, eg. residual heat from the central compact mixed heating and electricity production).

The drying process can be divided into different stages of drying, depending on the moisture content of the mud. In each stage of drying different transport mechanisms for extracting water are crucial. To obtain an optimal drying capacity depending on the humidity mud, these different stages of drying must be taken into consideration in the settlement. To speed drying are 5 main factors responsible, which has great importance in the light phase of drying: the temperature of drying air, air relative humidity, air current speed over the subject product drying, the characteristics of the product subject to the drying surface; temperature of the product under drying. The work consists of 3 parts: the filling, drying, emptying facility. Filling plant for drying sludge

volumic de 22.000 m3/h şi sunt acŃionate de motoare trifazice ~400 V, cu puterea ∆/Ύ 0,94 / 0,59 kW.

- Regulatorul de turaŃie folosit de Thermo – System serveşte la reglarea continuă a turaŃiei a motoarelor trifazice cu reglarea tensiunii şi este special pentru ventilatoarele de perete, respectiv de plafon, utilizate.

- Touch-display-ul MP 370 oferă utilizatorului posibilităŃi de a reprezenta grafic stări de funcŃionare, date actuale de proces şi deranjamentele unei sistem cuplat de control şi de a putea servi şi observa confortabil maşina sau instalaŃia care trebuie supravegheată.

Dotări optionale Automatul de degajare a zăpezii. Dispozitivul automat face

să alunece stratul de zăpadă de pe acoperiş. Senzorii instalaŃi în acoperiş măsoară deformarea acoperişului şi emit un semnal către sistemul central de comandă dacă prin căderi puternice de zăpadă apare o anumită solicitare a acoperişului. Sistemul central comandă punerea în funcŃiune a aerotermelor speciale, alimentate cu gaz, care încălzesc aerul din uscător. Căldura se ridică şi se acumulează în zona acoperişului, topind zăpada în partea inferioară. Prin aceasta stratul de zăpadă alunecă şi cade, iar aerotermele se deconectează.

Sistem de încălzire a jgheabului acoperişului. Sistemul are funcŃiunea de a proteja împotriva îngheŃării jgheabul acoperişului. Dacă în cursul zilei apare apă de condensare, sistemul de încălzire a jgheaburilor acoperişului asigură, în regim de lucru automat, îndepărtarea apei de condensare. Senzorii din jgheabul acoperişului măsoară temperatura mediului şi cantitatea de apă din jgheabul acoperişului. Un aparat de control interpretează datele de la senzori şi conectează banda de încălzire atunci când este necesar.

FuncŃiunea Exploatarea pe timp de iarnă împiedică provocarea de pierderi exagerate de căldură prin schimbul intens de aer şi prin aceasta împiedică răcirea abruptă şi îngheŃarea nămolului. Pentru aceasta există posibilitatea adaptării controlului instalaŃiei asupra microclimatului.

Pentru exploatarea pe timp de iarnă se poate interveni asupra parametrilor: temperatura limită pentru clapeta de plafon; temperatura limită în interior şi temperatura limită în exterior; durata ventilării în regim intermitent. Prin reglarea duratei ventilării, exploatarea de iarnă poate fi mai bine adaptată diferenŃiat la condiŃiile climatice respective, de exemplu iarnă blândă sau aspră, vreme însorită sau închisă. Procesele fizice la uscare şi drenare

Reducerea conŃinutului de apă din nămol se realizează prin următoarele procese: - Drenarea prin forŃa de gravitaŃie pe paturi de drenare, la

instalaŃii pentru nămol fluid cu SU 10÷14% SU; - Evaporarea apei în aerul din uscător, caz în care

potenŃialul de uscare în uscător depinde de următorii factori: radiaŃia solară directă şi difuză; potenŃialul de uscare natural al aerului (capacitatea aerului ambiant de a prelua umiditate); procesele exoterme de descompunere în nămol (stabilizare ulterioară aerobă); căldura introdusă suplimentar din afară (opŃional, de ex. căldură reziduală de la centrale mixte compacte de încălzire şi producere de energie electrică). Procesul de uscare poate fi împărŃit în diferite faze de uscare,

în funcŃie de conŃinutul de umiditate al nămolului. In fiecare fază de uscare diferitele mecanisme de transport pentru extragerea apei sunt decisive.

Pentru a obŃine o capacitate optimă de uscare în funcŃie de umiditatea nămolului, aceste faze diferite de uscare trebuie să fie luate în consideraŃie la reglarea instalaŃiei.

Pentru viteza de uscare sunt în principal răspunzători 5 factori, care posedă o importanŃă deosebită în funcŃie de faza de uscare: temperatura de uscare a aerului; umiditatea relativă a aerului; viteza curentului de aer de deasupra produsului supus uscării; însuşirile suprafeŃei produsului supus uscării; temperatura produsului supus uscării.

Procesul de lucru se compune din 3 părŃi: umplerea instalaŃiei, uscarea, golirea instalaŃiei. Umplerea instalaŃiei de uscare pentru


67

predesecat. At the beginning of a batch of drying mud predesecat driver is placed in the dryer. Mud should be free of extraneous matter (stones, etc.) And not contain water in the form of drops. Entering mud can be done with charger with cup, with the trailer carrying the knife, ladle tilting or container. In this case are that the equipment does not exceed the height of the free drying room to avoid damage to the building hall. Empty the drying is done mechanically with a loader or tractor with the front cup. Installations of solar drying mud of purification, which were studied are listed in tab. 1. and tab. 2.

nămol predesecat. La începutul unei şarje de uscare nămolul predesecat mecanic este introdus în uscător. Nămolul trebuie să fie liber de corpuri străine (pietre etc.) şi să nu mai conŃină apă sub formă de picături. Introducerea nămolului se poate face cu: încărcător cu cupă, remorcă cu transportor cu racleŃi, benă basculantă sau cu container. In acest caz se are în vedere ca utilajul să nu depăşească înălŃimea liberă din interiorul camerei de uscare, pentru a evita deteriorarea construcŃiei halei.

Golirea instalaŃiei de uscare se face mecanic, cu un încărcător sau cu tractorul cu cupă frontală.

InstalaŃiile solare de uscare a nămolului de epurare, care au fost studiate, sunt prezentate în tab. 1 şi tab. 2.

Table 1 / Tabelul 1 Installations of solar drying mud cleaning / InstalaŃii solare de uscare a nămolului de epurare

Palma de Mallorca * ) Füssen Ellwangen Essenbach

Content initial SU% / ConŃinut iniŃial de SU % 27 28 28 27 Content SU% final / ConŃinut final de SU % 75 75 (max. 95) 70 70 Number of rooms drying / Număr camere de uscare 12 4 2 2 Surface drying / SuprafaŃa de uscare [m2] 20.000 2.000 2.000 750

Hall coat / Inveliş hală Special glass 4

mm / sticlă specială 4 mm

double plate PC / plăci duble de PC

Special glass 4 mm / sticlă

specială 4 mm

Special glass 4 mm / sticlă

specială 4 mm *) Currently the largest installation in the world / în prezent cea mai mare instalaŃie din lume.

Table 2 / Tabelul 2

Installations of solar drying mud cleaning with predesecare / InstalaŃii solare de uscare a nămolului de epurare cu predesecare

St. Julien St. Ay Content initial SU% / ConŃinut iniŃial de SU % 15 17 Content SU% final / ConŃinut final de SU % 75 60 Number of rooms drying / Număr de camere de uscare 2 2 Surface drying m2 / SuprafaŃa de uscare [m2] 900 480

Hall coat / Inveliş hală special glass, 4 mm / sticlă specială, 4 mm

film on the double / folie dublă de PE

Pressing Device / Dispozitiv de presare perforated tape / bandă perforată

perforated tape / bandă perforată

Entering mud / Introducerea nămolului automatically by pump / automat, cu pompă

automatically by pump / automat, cu pompă

3. RESULTS

In Table 3 are indicated maximum fill heights depending on the content of SU.

Filling height depending on the season. Winter recommended a reduction in the height of the silt layer to accelerate the drying process.

3. REZULTATE In tabelul 3 sunt indicate înălŃimile maxime de umplere

în funcŃie de conŃinutul de SU. InălŃimile de umplere depind de anotimp. Iarna se

recomandă o diminuare a înălŃimii stratului de nămol, pentru a accelera procesul de uscare.

Table 3 / Tabelul 3

Height of filling of the solar drying / ÎnalŃimea de umplere a instalaŃiei solare de uscare

Maximum height of filling of the solar drying / Inăltimea maximă de umplere a instalaŃiei solare de uscare

Type of sludge / Tip de nămol Content SU / ConŃinut de SU (%)

Maximum height of filling / InălŃimea maximă de umplere (cm)

10÷15 15÷20 15÷20 20÷25 Mud predesecat / Nămol predesecat > 20 20÷30

Table 4 / Tabelul 4

Maximum height of filling with fluid mud solar plant / InălŃimea maximă de umplere cu nămol fluid a instalaŃiei solare

Maximum height of filling of the solar / InălŃimea maximă de umplere a instalaŃiei solare

Type of sludge / Tip de nămol Content SU / ConŃinut de SU (%)

Maximum height of filling / InălŃimea maximă de umplere (cm)

2÷6

30÷50 (calculated coresp. 300÷500 l / m²; effective height

of filling max. 30 cm) / (calculat, coresp. 300 - 500 l/m²; înălŃimea efectivă de umplere max. 30 cm)

Fluid mud (only to facilities with floor drainage) / Nămol

fluid (doar la instalaŃii cu podea de drenare)

> 6 20÷30


68

Solar drying of mud cleaning preseparat, which initially has a dry weight of 25% reduction in weight is 50÷70%. Solar drying of mud cleaning fluid, initially with a dry weight of 3%, reducing the weight is 90÷97%. Dried mud is neutral in terms of odors, it is biologically stable and can be easily stored or transported. By providing process heat using solar energy for drying costs are much lower compared with other drying mud cleaning. A prerequisite for application of solar drying is that a relatively large area for placement of greenhouses. So far it has not been an obstacle difficult past. The characteristics of mud cleaning before processing: - The drying material fluid (variant with floor drainage)

- dry weight 1÷10%; - Drying mud preseparat (variant without floor

drainage) - dry weight of 10÷40%. The base area of the plant is established according to local conditions, climate, the content of the final SU mud of the characteristics of the mud cleaning to be subjected to drying process. If sun drying only, ie without any heat source, the performance reported above are: � Qs1 = 6 t/m2 mud cleaning fluid, the dry weight of

2÷6%; � Qs2 = 0.5÷3 t/m2 mud cleaning preseparat with dry

weight of 25-30%. In case of use and an additional source of heat, for

example waste heat from a central facility cogeneration flow per m2 base area greatly increases the overall requirement can be reduced by the surface. Height of filling mud cleaning: - installations for the drying mud fluid: HUF = 20÷30

cm; - installations for the drying mud predesecat: hup =

5÷15 cm. Consumption of electricity: - installations for the drying mud fluid: eff = 10÷ 20

kWh / t water evaporated (extracted); - installations for the drying mud predesecat: VET =

20÷30 kWh / t water evaporated (extracted). Working consumption: - filling the room drying: Cmu = 1÷2 ore-om/şarjă; - emptying chamber drying: CMG = 0.5÷1 ore-om/şarjă; - reducing the weight of material subject to drying; - installations for the drying mud fluid: RMf = 90÷97%; - installations for the drying mud predesecat: RMp =

50÷70%. Depending on the purpose of the drying process, the type of sludge and cleaning the season, there is a stabilization and aerobic ie about 5÷30% of the organic substance can be decomposed. Using waste heat. Residual heat is taken up by the register of hot water - heat exchanger. Received increased heat inside the room temperature drying, and thereby increase the potential for air drying, may increase the drying capacity of the plant during unfavorable weather conditions. Since the heating in the dryer and serves as a system of emergency cooling system for the heating of the facility at a very high temperature inside the drying room will be ventilated. This allows a sufficient removal of heat and higher temperatures outside.

La uscarea solară a nămolului de epurare preseparat, care are un conŃinut iniŃial de substanŃă uscată de 25% reducerea masei este de 50÷70%. La uscarea solară a nămolului de epurare fluid, cu un conŃinut iniŃial de substanŃă uscată de 3%, reducerea masei este de 90÷97%.

Nămolul uscat este neutru din punct de vedere al mirosurilor, este stabil biologic şi poate fi uşor depozitat sau transportat. Prin asigurarea energiei termice de proces prin folosirea energiei solare costurile pentru uscare sunt mult mai reduse în comparaŃie cu alte procedee de uscare a nămolului de epurare.

O premisă pentru aplicarea uscării solare o constituie existenŃa unei suprafeŃe relativ mari pentru amplasarea serei. Până în prezent aceasta nu a fost un obstacol greu de trecut.

Insuşirile nămolului de epurare înainte de procesare: - la uscarea materialului fluid (varianta cu podea de drenare) - conŃinut de substanŃă uscată 1÷10% - la uscarea nămolului preseparat (varianta fără podea de drenare) - conŃinut de substanŃă uscată de 10÷40%.

SuprafaŃa de bază a instalaŃiei se stabileşte în funcŃie de condiŃiile locale, de climă, de conŃinutul final de SU al nămolului, de însuşirile principale ale nămolului de epurare care urmează să fie supus procesului de uscare. In cazul uscării exclusiv solare, adică fără altă sursă termică, performanŃele raportate la suprafaŃă sunt: � Qs1 = 6 t/m2 nămol fluid de epurare, cu conŃinut de substanŃă uscată de 2÷6 %; � Qs2 = 0,5÷3 t/m2 nămol de epurare preseparat, cu conŃinut de substanŃă uscată de 25÷30 %.

In cazul folosirii şi a unei surse suplimentare de energie termică, de exemplu a energiei termice reziduale de la o centrală mixtă de cogenerare, debitul pe m2 suprafaŃă de bază creşte foarte mult, respectiv pe ansamblu poate fi redus necesarul de suprafaŃă.

InălŃimea de umplere cu nămol de epurare: - la instalaŃii pentru uscarea nămolului fluid: huf = 20÷30 cm - la instalaŃii pentru uscarea nămolului predesecat: hup =

5÷15 cm. Consumul de energie electrică:

- la instalaŃii pentru uscarea nămolului fluid: Eff = 10÷20 kWh/t apă evaporată (extrasă);

- la instalaŃii pentru uscarea nămolului predesecat: Efp = 20÷30 kWh/t apă evaporată (extrasă). Consum de muncă:

- umplerea camerei de uscare: Cmu = 1÷2 ore-om/şarjă; - golirea camerei de uscare: CMg = 0,5÷1 ore-om/şarjă; - reducerea masei materialului supus uscării; - la instalaŃii pentru uscarea nămolului fluid: RMf = 90÷97 %; - la instalaŃii pentru uscarea nămolului predesecat: RMp =

50÷70 %. In funcŃie de scopul principal al uscării, de tipul de

nămol de epurare şi de anotimp, se produce şi o stabilizare aerobă şi anume circa 5÷30% din substanŃa organică poate fi descompusă.

Utilizarea căldurii reziduale. Căldura reziduală este preluată prin registrul de apă caldă – schimbătorul de căldură. Căldura primită creşte temperatura interioară a camerei de uscare şi prin aceasta creşte potenŃialul de uscare al aerului, respectiv poate creşte capacitatea de uscare a instalaŃiei pe timpul condiŃiilor meteo nefavorabile. Deoarece instalaŃia de încălzire în uscător serveşte şi ca sistem de răcire de urgenŃă pentru întreg sistemul de încălzire al instalaŃiei, la o temperatură interioară prea ridicată camera de uscare va fi ventilată. Aceasta permite o eliminare suficientă a căldurii şi la temperaturi exterioare mai ridicate.

4. CONCLUSIONS Consumption of electricity to facilities for drying mud fluid is eff = 10÷20 kWh/t water evaporated (extracted) and the facilities for drying mud pre water

4. CONCLUZII Consumul de energie electrică la instalaŃii pentru

uscarea nămolului fluid este Eff = 10÷20 kWh/t apă evaporată (extrasă), iar la instalaŃii pentru uscarea


69

eliminated is este VET = 20÷30 kWh/t water evaporated (extracted). The work consumption on filling and emptying is very low, namely 1÷2 ore.om / melt, respectively 0.5÷1 ore.om/şarjă. Reducing the weight of material is subjected to drying RMf = 90÷97% of installations for drying mud fluid and RMp = 50÷70% of installations for drying mud pre water eliminated. Ability itself to drying reported water evaporation does not depend on the height of filling. However a lower height to a shorter duration of drying and the frequent changes of şarjelor - a height greater filling extended drying period and reduce the number of cycles of drying. Drying parameters are decisive for optimizing the control system installation for each situation and climate of the different humidity mud. Based on current measured values outside and inside the program calculates adjustments for optimum air admitted, and the air removed, the drying temperature, humidity, air speed of the product subject to drying and processing intensity of the surface mud. By using solar energy, by referencing adjustments functional components and aggregates using optimized energy energy needs may only represent a small portion of the energy consumption of conventional drying facilities.

nămolului predesecat este Efp = 20÷30 kWh/t apă evaporată (extrasă).

Consumul de muncă pentru umplere şi pentru golire este foarte redus, şi anume 1÷2 ore.om/şarjă, respectiv 0,5÷1ore.om/şarjă.

Reducerea masei materialului supus uscării este RMf = 90÷97 % la instalaŃii pentru uscarea nămolului fluid şi RMp=50÷70% la instalaŃii pentru uscarea nămolului predesecat.

Capacitatea propriu-zisă de uscare raportată la evaporarea apei nu depinde de înălŃimea de umplere. Cu toate acestea o înălŃime mai mică conduce la o durată mai mică de uscare şi prin aceasta schimbări frecvente ale şarjelor – o înălŃime mai mare de umplere prelungeşte durata uscării şi reduce numărul de cicluri de uscare.

Parametrii decisivi pentru uscare sunt optimizaŃi de către sistemul de control al instalaŃiei în funcŃie de fiecare situaŃie climatică şi de valorile diferite ale umidităŃii nămolului. Pe baza valorilor actuale măsurate în afara şi în interiorul instalaŃiei programul calculează reglările optime pentru aerul admis, respectiv aerul eliminat, temperatura de uscare, umiditatea, viteza aerului de la suprafaŃa produsului supus uscării, precum şi intensitatea prelucrării la suprafaŃa nămolului.

Prin folosirea energiei solare, prin corelarea reglărilor funcŃionale ale componentelor şi prin utilizarea agregatelor optimizate energetic necesarul de energie poate reprezenta doar o mică parte din consumul de energie al instalaŃiilor convenŃionale de uscare.

BIBLIOGRAPHY / BIBLIOGRAFIE [1]. Bux, M., R. Baumann, 2003 – Performance, energy consumption and energetic efficiency analysis of 25 solar sludge dryers. Proceedings of the WEFTEC (Water Environment Federation) Congress, Alexandria; [2]. Mitroi A., 2008 – Exemple de utilizare a energiei solare şi a celei eoliene în agricultură. Lucrările Simpozionului „Energii curate“ – energia verde – alternativă pentru dezvoltarea durabilă. Bucureşti; [3]. Bux M., R. Baumann, 2003 – Solare Klärschlammtrocknung – Stand der Technik und Anwendungsbeispiele. In: Müll-Handbuch Band 3, Kennzahl 3305, Erich Schmidt Verlag Berlin; [4]. Bux, M., R. Baumann, 2003 – Wirtschaftlichkeit und CO2-Bilanz der solaren Trocknung von mechanisch entwässertem Klärschlamm. KA Abwasser, Abfall 50, nr. 9.

[5]. Bux, M., R. Baumann, N. Starcevic, 2004 – Solare Konventionstrocknung von Klärschlamm. In: Abwassertechnik & Gewesserschutz, 13. Aktualisierung. Hrsg.: Wagner, W., C.F. Müller, Heidelberg; [6]. Bux, M., R. Baumann, S. Quadt, J. Pinnekamp, W. Mühlbauer, 2002 – Volume reduction and biological stabilization of sludge in small sewage plants by solar drying. Drying Technology 20; [7]. Bux, M., R. Baumann, W. Phillipp, T. Conrad, W. Mühlbauer, 2000 – A new technology for low temperature drying of sewage sludge with solar energy. Proceedings of WEFTEC Congress, Water Enviroment Federation, Anaheim USA.


70

THE INFLUENCE OF TEMPERATURE ON THE ORGANIC SUBSTRA TUM IN THE PRODUCTION OF BIOGAS

/ INFLUENłA TEMPERATURII ŞI A SUBSTRATULUI ORGANIC ÎN PRODUC łIA DE BIOGAZ

Lecturer Ph.D.Eng. Dobre Paul - USAMV Bucharest

Assoc. Prof.Ph.D.Eng. Farca ş Nicolae - USAMV Bucharest Student G ăgeanu Iuliana - Management Faculty USAMV Bucharest

Abstract: The work temperature of the fermentation apparatus influences considerably the production of biogas Depending on the existing temperature at the level of the reaction medium some groups of microorganisms are stimulated and other are inhibited (mesophyllic bacteria need an optimum temperature of around 35°C, and thermophilic bacteria need an optimum temperature of around 55°C). This determinates different decomposing degrees for biodegrading organic matter, the maximum biodegrading being reached around the value of 55°C. The raw material subjected to the anaerobic fermentation process represents another important factor of biogas production. The quantitative and qualitative influence on biogas production is determined by the content of biodegrading organic matter in the raw material that is being exposed to the microorganism action, by the C/N ratio, pH, and humidity. Keywords : biogas; anaerobe; fermentation; thermophil INTRODUCTION The biogas represents the gaseous product resulting from the anaerobic fermentation (in the absence of air) of the organic matter from different sources.

The anaerobic fermentation allows to obtain energy from organic matter (most of the times organic waste) which represents regenerating sources of energy, in decentralized places. For agriculture, the production technology of biogas presents a series of advantages: superior usage of agriculture’s secondary products, of zootechnics animal waste, the reduction of odours generated by the decomposing of animal waste, easier storage for organic fertilizer, the assurance of a natural liquid fertilizer pretreated by anaerobic fermentation, the assurance of cheap electric and thermic energy, the assurance of additional income, etc.

Biogas (biological gas) is a mixture of gases, constituted mainly of methan 50-80% and carbon dioxide 28-43%. In the biogas there are other gases, but in much smaller quantity's: H2S, N, CO2, water vapours, etc. The calorific power of biogas is determined by the methan content.

In table 1 there are presented the calorific powers of biogas for different methan contents at 200 C temperatures and 760 mm Hg atmospheric pressure.

Rezumat: Temperatura de lucru a fermentatorului influenŃează semnificativ producŃia de biogaz. În funcŃie de temperatura realizată la nivelul mediului de reacŃie sunt stimulate unele grupe de microorganisme, iar altele sunt inhibate (bacteriile mezofile solicită o temperatură optimă situată în jurul valorii de 35°C, iar cele termofile solicită o temperatură optimă situată în jurul valorii de 55°C) determinând grade de descompunere a materiei organice biodegradabile diferite, maximul de biodegradabilitate fiind atins în jurul valorii de 55°C. Materia primă supusă procesului de fermentare anaerobă reprezintă un alt factor important al producŃiei de biogaz. InfluenŃa cantitativă şi calitativă asupra producŃiei de biogaz este determinată de conŃinutul de materie organică biodegradabilă din materialul brut supus acŃiunii microorganismelor, de raportul C/N, de pH, de umiditate. Cuvinte cheie : biogaz; anaerob; fermentare; termofil INTRODUCERE

Biogazul reprezintă produsul gazos rezultat în urma fermentării anaerobe (în lipsa oxigenului) a materiei organice de diferite provenienŃe.

Fermentarea anaerobă permite obŃinerea de energie din materii organice (de cele mai multe ori deşeuri organice) care reprezintă surse de energii regenerabile, în locuri descentralizate. Pentru agricultură, tehnologia de producere a biogazului prezintă o serie de avantaje: utilizarea superioară a producŃiei secundare din agricultură, a dejecŃiilor animale din zootehnie, reducerea mirosului generat de descompunerea dejecŃiilor animale, stocarea mai uşoară a îngrăşământului organic, asigurarea unui îngrăşământ natural lichid, pretratat prin fermentare anaerobă, asigurarea de energie electrică şi termică ieftină, asigurarea de venituri suplimentare, etc.

Biogazul (gazul biologic) este un amestec de gaze, constituit în principal din metan în proporŃie de 50÷80% şi dioxid de carbon în proporŃie de 28÷43%. În biogaz sunt prezente şi ale gaze, dar în cantităŃi mult mai mici: H2S, N, CO2,, vapori de apă, etc. Puterea calorifică a biogazului este determinată de conŃinutul în metan. În tabelul 1 sunt prezentate puterile calorifice ale biogazului pentru diferite conŃinuturi de metan la temperatura de 20°C şi presiunea de 760 mm Hg (coloană de mercur).

Table 1 / Tabel 1

The calorific powers of biogas for different methan contents / Puterile calorifice ale biogazului pentru diferite conŃinuturi de metan

Methan content / ConŃinut de metan , [%]

Calorific power at / Puterea calorific ă la 20°°°°C şi 760 mm Hg, [kcal/mc]

50 3955 52 4145 54 4304 56 4463 58 4623 60 4782 62 4942 64 5101


71

66 5261 68 5420 70 5579 72 5739 74 5898 76 6058 78 6217 80 6376

It is notable that the maximum calorific power of 6376 kcal/mc of biogas is registered for a methan content of80%. In application there must be found solutions for maximizing the biogas production and obtaining methan concentrations as high as possible. Installation productivity and biogas quality (methan content) are determined by a series of factors, significant being the reaction medium temperature and the organic substrat (raw material) subject to the anaerobic fermentation process. Reaction medium temperature strongly influences the biogas production. From the point of view of the temperature in which the activity is developed, micro organism groups that participate at the biogas production are divided in three big categories: � Criophilic, which develop their activity at

temperatures between 12÷24°C, specific area for criophilic fermentation;

� Mezophillyc, which develop their activity at temperatures between 25÷40°C, specific area for mezophyllic fermentation;

� Termophilic, which develop their activity at temperatures between 50÷60°C.

In diagram 1 are presented the thermic characteristic to the three anaerobic fermentation conditions and biogas production correlated with the temperature conditions.

Se constată că puterea calorifică maximă de 6376 kcal/mc de biogaz se înregistrează pentru un conŃinut în metan de 80%. În practică trebuie căutate soluŃii pentru maximizarea producŃiei de biogaz şi obŃinerea unei concentraŃii în metan cât mai ridicată. Productivitatea instalaŃiilor şi calitatea (conŃinutul în metan) biogazului sunt determinate de o serie de factori, semnificativi fiind temperatura mediului de reacŃie şi substratul organic (materia primă) supus procesului de fermentaŃie anaerobă. Temperatura mediului de reacŃie influenŃează puternic producŃia de biogaz. Din punct de vedere al temperaturii la care îşi desfăşoară activitatea, grupurile de microorganisme care participă la producerea biogazului se împart în trei mari categorii: � Criofile, care îşi desfăşoară activitatea la temperaturi cuprinse între 12÷24°C, zonă caracteristică fermentării în regim criofil; � Mezofile, care îşi desfăşoară activitatea la temperaturi cuprinse între 25÷40°C, zonă caracteristică fermentării în regim mezofil; � Termofile, care îşi desfăşoară activitatea la temperaturi cuprinse între 50÷60°C. În figura 1 se prezintă diagrama zonelor termice caracteristice celor trei regimuri de fermentare anaerobă şi producŃia de biogaz corelată cu regimurile de temperatură.

Figure 1 - The influence of temperature on biogas production / InfluenŃa temperaturii asupra producŃiei de biogaz

For the representation of biogas production it has

been used as comparison unit the biogas production obtained using criophilic conditions, at 15°C, considered 100%. In each thermic zone certain groups of microorganisms are developed, specific for the temperature domanin of the thermic area, having different efficiencies and reaction rates, which determines different biogas productions. Temperature mainly influences decomposing rate of the organic matter by various microorganism groups.

In table 2 are presented in comparison the decomposing point for organic substance at different temperatures, for the same period of time. The table highlights the correlation between the decomposing point (of consuming) for the organic matter and the temperature. The higher the decomposing point is, the higher the biogas production is. From here arises that for

Pentru reprezentarea producŃiei de biogaz s-a luat ca unitate de comparaŃie producŃia de biogaz obŃinută în regim criofil, la 150C, considerată 100%. În cadrul fiecărei zone termice se dezvoltă anumite grupuri de microorganisme, specifice domeniului de temperatură al zonei termice, cu randamente şi viteze de reacŃie diferite, ceea ce determină şi producŃii diferite de biogaz. Temperatura influenŃează în principal viteza de descompunere a materiei organice de către diversele grupuri de microorganisme.

În tabelul 2 se prezintă comparativ gradul de descompunere a substanŃei organice la diferite temperaturi, pentru aceeaşi perioadă de timp. Tabel scoate în evidenŃă corelaŃia dintre gradul de descompunere (de epuizare) a materiei organice şi temperatură. Cu cât gradul de descompunere este mai ridicat, cu atât producŃia de biogaz este mai mare. Rezultă


72

obtaining the same decomposing point of the organic matter at different temperatures, the standing time (retention) of the matter in the fermentation (digestor) must be different: greater when the anaerobic fermentation is made in the criophilic zone an smaller for the termophilic zone, also arising o productivity growth for fermentations that work in the termophilic zone for a given period of time. The retention time correlated with the temperature directly dictates the dimensioning of the fermentation's volumes . Big volumes with big retention time require vast land surfaces, large supplementary expenses that are not to neglect.

că pentru a obŃine acelaşi grad de descompunere a materiei organice la diferite temperaturi, timpul de staŃionare (retenŃie) a materialului în fermentator (digestor) trebuie să fie diferit: mai mare când fermentarea anaerobă se realizează în zona criofilă şi mai mic pentru zona termofilă, de unde rezultă şi o creştere a productivităŃii fermentatoarelor care lucrează în zona termofilă pentru perioada dată de timp. Timpul de retenŃie corelat cu temperatura dictează direct dimensionarea volumelor fermentatoarelor. Volumele mari cu timp de retenŃie mare solicită suprafeŃe de teren mari, cheltuieli suplimentare majore care nu sunt de loc de neglijat.

Table 2 / Tabel 2 Decomposing point of organic matters depending on temperature

Gradul de descompunere a substanŃelor organice în funcŃie de temperatură Nr. crt. Temperature / Temperatura [°°°°C] Decomposing point / Gradul de descompunere [%]

1 15 15 2 20 19 3 25 23 4 30 28 5 35 36 6 40 44 7 45 40 8 50 49 9 55 51

10 60 55

Medium and large capacity biogas installation with agricultural character regularly run in mezophyllic conditions. Production expenses for this conditions are smaller, but also the productivity is smaller. Very large capacity installations with centralized character run in termophilic conditions. The anaerobic fermentation having those conditions require additional expenses with the meintenance of a high temperature at the digester's level (55°C), but the production of biogas is maximum, also the biogas quality is superior to the one obtained using the other thermic conditions and justifies the additional expenses.

InstalaŃiile de biogaz de capacitate medie şi mare cu caracter agricol funcŃionează de regulă în regim mezofil. Cheltuielile de producŃie pentru acest regim sunt mai reduse dar şi productivitatea este ceva mai mică. InstalaŃiile de capacitate foarte mare cu caracter centralizat funcŃionează în regim termofil. Fermentarea anaerobă în acest regim solicită cheltuieli suplimentare cu menŃinerea temperaturii ridicate la nivelul digestorului (550C), însă producŃia de biogaz este maximă, de asemenea calitatea biogazului rezultat este superioară celui obŃinut în cadrul celorlalte regimuri termice şi justifică cheltuielile suplimentare.

The raw matter (organic substrate) constitutes the determining factor in the biogas production. In the anaerobic digestion process participate several groups of bacteria. • hydrolytic bacteria, which decompose biodegrading

macromolecules in simpler substances; • acidogenic bacteria, which use as substrate simple

organic compound released by hydrolytic bacteria and produce organic acids in short chain, which represent the substrate for the next bacteria groups;

• acetogenic bacteria, compelled in producing hydrogen, wich utilises as substrate products from acidogenic bacteria giving birth to acetate, hydrogen and carbonic anhidrides.

• omoacetogenic bacteria, which synthesises acetate from carbonic anhidrides and hydrogen;

• methanogenic bacteria, differentiated in two groups: a) the ones producing methane and carbonic anhidrides from acetic acid; b) the ones that produce methane from carbonic anhidrides and hydrogen.

Materia primă (substratul organic) constituie factorul determinant în producŃia de biogaz. La procesul de digestie anaerobă participă mai multe grupuri de bacterii: • bacterii hidrolitice, care descompun macromoleculele

biodegradabile în substanŃe mai simple; • bacterii acidogene, care utilizează ca substrat compuşii

organici simpli eliberaŃi de bacteriile hidrolitice şi produc acizi organici cu lanŃ scurt, care la rândul lor reprezintă substratul pentru grupurile următoare de bacterii;

• bacterii acetogene, producătoare obligate de hidrogen, care utilizează ca substrat produsele de la bacterii acidogene dând naştere la acetat, hidrogen şi anhidride carbonice;

• bacterii omoacetogene care sintetizează acetat plecând de la anhidride carbonice şi hidrogen;

• bacterii metanogene, diferenŃiate în două grupe: a) cele care produc metan şi anhidride carbonice din acid acetic; b) cele care produc metan plecând de la anhidride carbonice şi hidrogen.

The organic substrate must assure a favourable medium for the development of all the bacteria that participate at the biogas production, and for that it must satisfy the next conditions: � to contain water in a proportion of 85% or more; � the ph to be neutral to lightly alkaline (ph = 6,8÷7,3); � to contain biodegrading organic matter; � the carbon /nitrogen ratio (C/N) to be situated in the

limits of 15÷25 for the single stage process; and for the two stage process: stage I = 10÷45, stage II = 20÷30;

Substratul organic trebuie să asigure mediul prielnic dezvoltării tuturor bacteriilor care participă la producerea biogazului, de aceea trebuie să satisfacă următoarele condiŃii: � să conŃină apă în proporŃie de peste 85%; � ph-ul să fie neutru spre uşor alcalin (ph = 6,8÷7,3); � să conŃină materie organică biodegradabilă; � raportul carbon /azot (C/N) să se situeze între limitele 15÷25 la procesul într-o singură etapă; iar la procesul în două etape: etapa I = 10÷45, etapa II = 20÷30;


73

� to not contain substances having inhibitor character for bacteria.

For the organic substrate it can be used organic matter from very different sources: vegetal waste from the principal culture, vegetable growing, fruit growing, sylviculture, domestic waste, residual water, stable waste, animal and human waste, alimentary industry waste, energetic cultures, etc. In table 3 are presented biogas quantities which can be obtained from organic substrates from different sources.

� să nu conŃină substanŃe cu caracter inhibitor pentru bacterii.

Ca substrat organic se pot utiliza materii organice de provenienŃă foarte diferită: resturi vegetale provenite din cultura mare, legumicultură, pomicultură, silvicultură, resturi menajere, ape reziduale, gunoi de grajd, dejecŃii animale şi umane, deşeuri din industria alimentară, culturi energetice, etc. În tabelul 3 sunt prezentate cantităŃile de biogaz ce se pot obŃine din substraturi organice de provenienŃe diferite.

Table 3 / Tabel 3 Biogas quantities resulted from different organic matters and methane content

CantităŃile de biogaz rezultate din diverse materii organice şi conŃinutul în metan

Organic matter / Materia organic ă Resulted biogas /

Biogaz rezultat [l/kg S.U.]

Methane content / Con Ńinut de metan

[%] Wheat straws / Paie de grâu 363 78,5 Barley straws / Paie de orz 380 - Rice straws / Paie de orez 360 - Rape straws / Paie de rapiŃă 200 - Lucerne / Lucernă 460 77,7 Grass / Iarbă 415 84,0 Linseed stalk / Tulpini de in 360 - Hemp stalk / Tulpini de cânepă 360 - Hemp stalk / Frunze verzi de copac 210 - 294 58,0 Dried tree leaves / Frunze uscate de copac 260 58,0 Corn silage / Siloz de porumb 318 83,0 Corn cob / Coceni porumb 359 83,0 Molasses / Melasă 285 - Beet leaves / Frunze de sfeclă 500 84,0 Liquid bird waste / DejecŃii lichide de păsări 223 69,0 Cow waste / DejecŃii de bovine 260 - 310 55,0 Horse waste / DejecŃii de cabaline 200 - 300 - Sheep waste / DejecŃii de ovine 90 - 310 65,0 Pig waste / DejecŃii de porcine 300 - 550 69,0 Stable waste / Gunoi de grajd 175 - 280 - City mud / Nămol orăşenesc 200 - 370 - Water hyacinth / Zambila de apă 375 -

Figures 2 and 3 graphically presents the quantity of biogas m3/tonă expressed in what can be obtained from various organic substrates. .

În figurile 2 şi 3 se prezintă grafic cantitatea de biogaz exprimată în m3/tonă ce se poate obŃine din diferite substraturi organice.

Figure 2 / Figura 2 Biogas production rezulted from verdure and waste /

ProducŃia de biogaz rezultată din verdeŃuri şi dejecŃii, m3/tonă


74

It has been found that practically it can be used a very large scale of organic substrates for obtaining biogas, only that the production and quality differ from a category to another. In the same organic substrate, the biogas quantity is also influenced by the mincing point of the raw matter. The mincing determines the growth of the substrate's surface, respectively the surface for bacteria action and implicitly the growth of productivity for the biogas producing installation. This is exemplified by the data from table 4 for wheat straws. .

Se constată că practic se poate folosi o gamă foarte variată de substraturi organice pentru obŃinerea de biogaz, numai că producŃia şi calitatea diferă de la o categorie la alta. În cadrul aceluiaşi substrat organic cantitatea de biogaz este influenŃată şi de gradul de mărunŃire a materiei prime. MărunŃirea determină creşterea suprafeŃei substratului, respectiv suprafaŃa de acŃiune a bacteriilor şi implicit productivitatea instalaŃiei de producere a biogazului. Acest lucru este exemplificat cu datele din tabelul 4 pentru paiele de grâu.

Figure 3 / Figura 3 Biogas production from din reziduum / ProducŃia de biogaz obŃinută din reziduuri , m3/tonă

Table 4 / Tabel 4

Biogas production and quality dependence upon the organic matter’s mincing point DependenŃa producŃiei şi a calităŃii biogazului de gradul de mărunŃire a materiei organice

Raw matter / Materia primă Resulted biogas /

Biogaz rezultat [l/kg S.U]

Methane content / ConŃinut de metan

[%] Minced wheat straws at 3 cm / Paie de grâu mărunŃite la 3 cm 363 80,2

Minced wheat straws at 0,2 cm / Paie de grâu mărunŃite la 0,2 cm 423 81,3

It has been found that for minced straws at 0,2 cm it is

obtained not only the maximum production, but also the best quality for the resulted biogas. At the organization of the feeding system for the biogas installations will be kept in mind the necessity of respecting the C/N ratio, which must be placed between the limits of 15÷25. Bacteria development that have as principal constituent proteins, is conditioned by the nitrogen content of the raw matter in the mentioned ratio compared with the carbon content. In table 5 are presented some organic substrate and the C/N ratio.

Se constată că pentru paiele mărunŃite la 0,2 cm se obŃine atât producŃia maximă de biogaz cât şi calitatea cea mai bună a biogazului rezultat.

La întocmirea reŃetelor de alimentare a instalaŃiilor de biogaz se va Ńine seama de necesitatea respectării raportului C/N, care trebuie să se încadreze în limitele de 15÷25. Dezvoltarea bacteriilor care au ca principal constituent proteinele, este condiŃionată de conŃinutul în azot al materiei prime în proporŃia menŃionată faŃă de conŃinutul de carbon. În tabelul 5 sunt prezentate unele substraturi organice şi raportul C/N.

Table 5 / Tabel 5

Carbon and nitrogen content and C/N ratio for some raw matters used for obtaining biogas ConŃinutul în carbon şi azot şi raportul C/N la unele materii prime utilizate pentru obŃinerea de biogaz

Organic substrat / Substratul organic

Carbon content / Con Ńinut de carbon

[%]

Nitrogen content / Con Ńinut de azot

[%]

C/N ratio / Raportul C/N

Wheat staws / Paie de grâu 46 0,53 87 Barley straws / Paie de ovăz 42 0,75 56


75

Rice straws / Paie de orez 42 0,63 67 Diverse herbs / Ierburi diverse 15 0,6 25 Lucerne / Lucernă 48 2,6 18 Tree leaves / Frunze de copaci 41 1,0 41 Potatoe stalk / Tulpini de cartofi 40 1,2 22 Soy bean stalk / Tulpini de soia 41 1,3 32 Chiken waste / DejecŃii de găină 45 3,0 15 Pig waste / DejecŃii de porc 7,8 0,65 13 Horse waste / DejecŃii de cal 10 0,42 24 Sheep waste / DejecŃii de ovine 16 0,55 29 Cow waste / DejecŃii de bovine 7,3 0,29 25

From the table is found that for establishing actual networks of mixtures to obtain biogas different matters can be combined, but in very well combined quantities, assuring an optimum C/N ratio. .

Din tabel rezultă că pentru stabilirea reŃetelor concrete de amestecuri pentru obŃinerea de biogaz se pot combina diferite materii prime, dar în cantităŃi bine determinate, încât să se asigure un raport C/N optim.

CONCLUSIONS 1. Anaerobic fermentation is characterized by three thermic zones: � Criophilic zone extent between 12÷24°C, characteristic to the criophilic fermentation; � Mezophyllic zone extent between 25÷40°C, characteristic to the mezophyllic fermentation; � Termophilic zone extent between 50÷6°C, characteristic to the termophilic fermentation. 2. Thermic conditions determine the decomposing point of the organic matter and implicitly the biogas installation’s productivity. 3. For the production of biogas can be used raw matters very variated from: energetic cultures, secondary agricultural productions, agricultural sylvicultural, industrial waste, animal growing waste, used waters, etc. usually combined in precise recepies. 4. At the forming of the alimentation system for the biogas installations will be kept in mind the necessity of respecting the C/N ratio, that has to be placed between 15 – 25 limits. 5. The mincing point of the raw matter influences directly the production and quality of biogas. 6. For the development in the best conditions of the anaerobic fermentation raw matter’s water content has to be more than 85%.

BIBLIOGRAPHY 1. Buthe A., Ansorge-Schumacher W., Hartmeier W. – 1 st Joint Symposium of the Working Group „Biotransformation” of the VAAM and the German Society for Fat Science. March 2003, Greifswald, Germany. 2. Dossat V., Comber D., Marty A. – Enzyme and Microb, Tech. 1999. 3. Shimada Z., Watanabe T., Samukawa A., Sugihara A., Noda H., Fucuda Z. – JAOCS 1999, PG. 76-77. 4. X X X – Biogas recovery installations. 5. X X X - Biogas. 6. X X X – Biocarburants in România. Bucarest, 2004. 7. X X X – Biogas production and usage for obtaining energy, 2006. 8. X X X – Tehnium magazine, ediŃie specială, 1974.

CONCLUZII 1. FermentaŃia anaerobă este caracterizată de trei zone termice: � Zona criofilă cuprinsă între 12÷24°C, caracteristică

fermentării în regim criofil; � Zona mezofilă cuprinsă între 25÷40°C, caracteristică

fermentării în regim mezofil; � Zona termofilă cuprinsă între 50÷60°C, caracteristică

fermentării în regim termofil. 2. Regimului termic determină gradul de descompunere a materiei organice şi implicit productivitatea instalaŃiilor de biogaz 3. Pentru producerea de biogaz se pot utiliza materii prime foarte variate din categoria culturilor energetice, producŃii agricole secundare, deşeuri agricole, silvice, industriale, dejecŃii din zootehnie, ape uzate, etc. de regulă combinate sub formă de reŃete concrete. 4. La întocmirea reŃetelor de alimentare a instalaŃiilor de biogaz se va Ńine seama de necesitatea respectării raportului C/N, care trebuie să se încadreze în limitele 15÷25. 5. Gradul de mărunŃire al materiei prime influenŃează direct producŃia şi calitatea biogazului. 6. Pentru desfăşurarea în bune condiŃii a fermentaŃiei anaerobe conŃinutul de apă al materiei prime trebuie să fie mai mare de 85%.

BIBLIOGRAFIE 1. Buthe A., Ansorge-Schumacher W., Hartmeier W. – 1 st Joint Symposium of the Working Group „Biotransformation” of the VAAM and the German Society for Fat Science. March 2003, Greifswald, Germany. 2. Dossat V., Comber D., Marty A. – Enzyme and Microb, Tech. 1999. 3. Shimada Z., Watanabe T., Samukawa A., Sugihara A., Noda H., Fucuda Z. – JAOCS 1999, PG. 76-77. 4. X X X – InstalaŃii recuperare biogaz. 5. X X X - Biogazul. 6. X X X – BiocarburanŃii în România. Bucureşti, 2004. 7. X X X – Producerea şi utilizarea biogazului pentru obŃinerea de energie, 2006.

8. X X X – Revista Tehnium, ediŃie specială, 1974.


76

CONSTRUCTIVE TYPES OF ADAPTORS FOR THE RAW VEGETABL E OIL USED AT DIESEL

MOTORS /

TIPURI CONSTRUCTIVE DE ADAPTOARE PENTRU UTILIZAREA ULEIULUI VEGETAL CRUD LA MOTOARELE DIESEL

Lecturer Ph.D.Eng. Dobre Paul - USAMV Bucharest

Assoc. Prof.Ph.D.Eng. Farca ş Nicolae - USAMV Bucharest Student G ăgeanu Iuliana - Management Faculty USAMV Bucharest

Abstract: The present work describes the main constructive types of adaptors which allow Diesel motors to run with raw vegetable oil as fuel. The adaptors used at this time use different methods in what concerns the heating of the vegetable oil and also the way of commuting from diesel fuel to oil. - According to the type of heating, the adaptors can be classified in: adaptors where the oil heating is made by the thermal agent from the motor’s cooling system; adaptors where the heating is made using electrical resistances. - According to the manner of commuting, the adaptors can have: manual commuting, and automatic commuting when the optimum work temperature is reached. Emphasis should be placed on the fact that the raw vegetable oil constitutes a renewable fuel, relatively easy to produce in one’s own farm, which also leads to the energetic independence of the vegetable farms, and implicitly to the possibility of a vegetable production growth without additional expense, by doing the mechanical works at the optimum time. Keywords: adaptor, vegetable oil, commuting, thermal agent, electrical resistance

Raw vegetable oil constitutes an excellent fuel for Diesel motors, especially for the ones that equip tractors and agricultural machines. It is a regenerating fuel, relatively easy to produce in ones own farm, which leads to the energetic independency of vegetable farms, implicitly to bigger possibilities to increase vegetable production without additional expenses, by accomplishing mechanical works at an optimum moment, without delays in realizing the works caused by Diesel oil lack, respectively by lack of resources for acquiring it. Costs price for vegetable oil is lower in comparison with the one of Diesel oil, having the possibility to be substantially reduced if it is produced in ones own agricultural unit or by purchasing, with full usage of secondary products (groats, barms, peels). In the case of using the vegetable oil as fuel for Diesel motors, pollution rate is a lot smaller in comparison with classic fuel, practically the sulphur compound are missing.

Thanks to the presence of oxygen in the vegetable oil’s molecule, combustion in the motor’s cylinders is realized with black forming in small quantities.

In table 1 are pointed up the principal qualitative index for Diesel oil and vegetable oils. Analyzing the data from the table it is stated that the heating power of the vegetable oil is close to the one of classic fuel, resulting a fuel consumption/hectare with insignificant difference between Diesel fuel and raw vegetable oil.

Rezumat Lucrarea îşi propune cunoaşterea principalelor tipuri constructive de adaptoare care permit funcŃionarea motoarelor Diesel cu ulei vegetal crud ca şi combustibil. Adaptoarele folosite în prezent se deosebesc prin modul de încălzire a uleiului vegetal şi prin modul de comutare de pe motorină pe ulei. - După modul de încălzire se pot clasifica în: adaptoare la care încălzirea uleiului se realizează cu ajutorul agentului termic din sistemul de răcire al motorului; adaptoare la care încălzirea se realizează cu rezistenŃe electrice. - După modul de comutare adaptoarele pot fi: cu comutare manuală şi cu comutare automată la atingerea temperaturii optime de lucru. Trebuie subliniat că uleiul vegetal brut constituie un combustibil regenerabil, relativ uşor de produs în ferma proprie, ceea ce conduce şi spre independenŃa energetică a fermelor vegetale, implicit posibilităŃi sporite de creştere a producŃiei vegetale fără cheltuieli suplimentare, prin realizarea lucrărilor mecanice la momentul optim.

Cuvinte cheie: adaptor; ulei vegetal; comutare; agent termic; rezistenŃe electrice Uleiul vegetal crud constituie un combustibil excelent pentru motoarele Diesel, în special pentru cele care echipează tractoarele şi maşinile agricole. Este un combustibil regenerabil, relativ uşor de produs în ferma proprie, ceea ce conduce spre independenŃa energetică a fermelor vegetale, implicit posibilităŃi sporite de creştere a producŃiei vegetale fără cheltuieli suplimentare, prin realizarea lucrărilor mecanice la momentul optim, neexistând întârzieri în executarea lucrărilor din cauza lipsei de motorină, respectiv a resurselor pentru achiziŃionarea acesteia. PreŃul de cost al uleiului vegetal este mai redus în comparaŃie cu cel al motorinei, cu posibilităŃi de reducere substanŃială a acestuia dacă se produce în unitatea agricolă proprie din producŃie proprie sau din achiziŃii, cu valorificarea integrală a produselor secundare (şroturi, drojdii, coji). În cazul utilizării uleiului vegetal drept combustibil la motoarele Diesel, gradul de poluare este mult mai redus comparativ cu utilizarea combustibilului clasic, practic compuşii sulfului lipsesc.

Datorită prezenŃei oxigenului în molecula de uleiul vegetal, combustia în cilindrii motorului se realizează cu formare de funingine în cantităŃi mult diminuate. În tabelul 1 sunt evidenŃiaŃi principalii indici calitativi ai motorinei şi ai uleiurilor vegetale. Analizând datele din tabel se constată că puterea calorifică a uleiului vegetal este apropiată de cea a combustibilului clasic, de unde rezultă un consum de combustibil/ha cu diferenŃe nesemnificative între motorină şi uleiul vegetal crud.

Table 1

Main qualitative index forDiesel oil and vegetable oil / Principalii indici calitativi ai motorinei şi uleiurilor vegetale

Fuel type / Tip carburant

Heating power / Putere calorific ă

[kJ/kg]

Density at / Densitate la

15°°°°C [g/cm 3[

Viscidity at / Vâscozitate la

40°°°°C [mm 2/s]

Cetane number /

Cifră cetanic ă

Inflamability point / Punct de

inflamabilitate [°°°°C]


77

Diesel oil / Motorină 42325 0,832 2,00-4,50 49,2 62 Rape oil / Ulei rapiŃă 37700 0,885 46,00 45,3 153 Sunflower oil / Ulei floarea soarelui 38525 0,910 45,00 40,3 195

Corn oil / Ulei porumb 37800 0,906 41,00 41,0 236 Soy bean oil / Ulei de soia 39252 0,901 40,00 40,8 205

In exchange, the viscidity is bigger to up to 10 times

than the one of Diesel oil, with negative effects regarding filtration and dispersal of fuel in the cylinders, also the inflammability point is higher, influencing negatively the motor starting. Viscidity correction can be made using a convertor (adaptor) equipped with a preheater, which rises oil’s temperature at 70÷80°C, when the oil’s parameters are close to those of Diesel oil and when on the Diesel motor’s cylinders must be fed with fuel. The high inflammability point of vegetable oil imposes the starting of the motor using Diesel oil, and after heating the oil at 70÷80°C it is passed on vegetable oil. Adaptors used practically are distinguished by the vegetable oil way of heating and by the way of commutation from diesel oil to vegetable oil.

According to the heating way it can be classified in: � Adaptoars heated using hot water, which use the

thermic energy from the cooling system of the motor using a heat changer. In diagram 1 is shown the sketch of a device used for preheating vegetable oil (heat changer) using hot water.

În schimb vâscozitatea uleiului este mai ridicata decât a motorinei de circa 10 ori, cu efecte negative privind filtrarea şi dispersarea combustibilului în cilindrii, de asemenea punctul de inflamabilitate este mai ridicat, influenŃând negativ pornirea motorului. Corectarea vâscozităŃii uleiului se poate realiza cu ajutorul unui convertor (adaptor) prevăzut cu preîncălzitor, care ridică temperatura uleiului la 70÷80°C, când parametrii uleiului sunt apropiaŃi de cei ai motorinei şi când cilindrii motorului Diesel trebuie alimentaŃi cu combustibil. Punctul de inflamabilitate ridicat al uleiului vegetal impune pornirea motorului pe motorină, iar după încălzirea uleiului la 70÷80°C se trece pe ulei vegetal. Adaptoarele utilizate în practică se deosebesc prin modul de încălzire a uleiului vegetal şi prin modul de comutare de pe motorină pe ulei.

După modul de încălzire se pot clasifica în: � Adaptoare încălzite cu apă caldă, care utilizează

energia termică din sistemul de răcire al motorului prin intermediul unui schimbător de căldură. În figura 1 este redată schema unui dispozitiv de preîncălzire a uleiului vegetal (schimbător de căldură) cu apă caldă.

Figure 1 - Vegetable oil preheater using hot water / Preîncălzitor de ulei vegetal cu apă caldă

� Adaptoars electrically heated, which use the thermic energy from elements with electric resistances. In diagram 2 is presented the sketch of a vegetable oil preheated equipped with electric elements. Electric oil heating is an efficient technical solution even at the cold motor starting and working, with the possibility to maintain the temperature under control, small dimensions, simple and easy assembling, low cost.

� Adaptoare încălzite electric, care utilizează energia termică furnizată de elemente cu rezistenŃe electrice. În figura 2 se prezintă schema unui preîncălzitor de ulei prevăzut cu elemente electrice. Încălzirea electrică a uleiului este o soluŃie tehnică eficientă chiar şi la pornirea şi funcŃionarea motorului la rece, cu posibilitatea de menŃinere sub control a temperaturii, gabaritul este redus, montare simplă şi uşoară, preŃ de cost redus.

Figure 2 - Vegetable oil preheator equipped with electric elements / Preîncălzitor de ulei vegetal cu elemente electrice 1. entrance connector / racord intrare; 2. exit connector / racord ieşire; 3. ventilation screw / şurub aerisire; B1,B2 - heating electric elements / B1,B2 - elemente electrice de încălzire; Tm1- comand thermostat / Tm1- termostat de comandă; Tm2 – protection thermostat / Tm2 – termostat de protecŃie


78

According to the commutation way it can be classified in: � adaptors with manual commutation; � adaptors with automatic commutation.

După modul de comutare se pot clasifica în: � adaptoare cu comutare manuală; � adaptoare cu comutare automată.

Adaptors with automatic commutation can have: � electronic command (through some electronic components

assembled as a command modulus); � electromagnetic command (through some

electromagnetic relays).

Adaptoarele cu comutare automată la rândul lor pot fi: � cu comandă electronică (prin intermediul unor componente

electronice asamblate sub forma unui modul de comandă); � cu comandă electromagnetică (prin intermediul unor

relee electromagnetice. 1. Adaptors with manual commutation and oil heating using hot water from the motor’s cooling system – diagram 3. This type of adaptor allows the starting of the Diesel oil motor and the commutation through a double faucet with three ways. For the oil heating there is incorporated a heat switch connected to the motor’s cooling system. The cooling liquid and the vegetable oil circulates in counter-current. The oil’s optimum work temperature is realized when the motor’s cooling liquid temperature reaches a value of 70-800C. Until it reaches that temperature , the motor has to work using Diesel oil. Although it is a simple adaptor, it commutes relatively hard and needs a relatively big period of time to reach the optimum temperature for commutation on oil. Also, for its assembling it is necessary to make modifications both to the motor’s supplying system and to the cooling system.

1. Adaptor cu comutare manuală şi încălzirea uleiului cu apa caldă din sistemul de răcire al motorului – figura 3. Acest tip de adaptor permite pornirea motorului pe motorină şi comutarea pe ulei prin intermediul unui robinet dublu cu trei căi. Pentru încălzirea uleiului are încorporat un schimbător de căldură racordat la sistemul de răcire al motorului. Lichidul de răcire şi uleiul vegetal circulă în contracurent. Temperatura optimă de lucru a uleiului se realizează când temperatura lichidului de răcire al motorului ajunge în jurul valorii de 70 – 800C. Până se ajunge la această temperatură motorul trebuie să funcŃioneze pe motorină. Deşi este un adaptor simplu, comutarea este relativ greoaie şi necesită o perioadă de timp relativ mare pentru atingerea temperaturii optime de comutare pe ulei. Totodată pentru instalarea lui sunt necesare modificări atât ale sistemul de alimentare al motorului cât şi ale sistemului de răcire.

Figure 3 - General sketch for manual commutation adaptor and oil heating using hot water / Schema generală a adaptorului cu comutare manuală şi încălzirea uleiului cu apă caldă

RM – Diesel oil tank; RU – vegetable oil tank; PRU – oil preheator; R – commutation faucet; PA – supplying pump; FG and FF – fuel filters; PI – injection pump; I – injectors / RM – rezervor motorină; RU – rezervor ulei vegetal; PRU – preîncălzitor ulei; R – robinet de comutare; PA –

pompă alimentare; FG şi FF – filtre de combustibil; PI – pompă injecŃie; I – injectoare

2. Adaptors with manual commutation and electric oil heating - diagram 4. The commutation is identical with the first case, but the oil heating is made in a shorter time and motor cooling system modifications are not necessary. The electrical heating is a efficient technical solution both for motor’s cold starting and working , assuring the possibility to maintain temperature under control, small size, simple and easy assembling, low cost.

2. Adaptor cu comutare manual ă şi încălzirea electric ă a uleiului - figura 4. Comutarea este identică cu primul caz, dar încălzirea uleiului se realizează într-un timp mult mai scurt şi nu mai sunt necesare modificări ale sistemului de răcire al motorului. Încălzire electrică este o soluŃie tehnică eficientă chiar şi la pornirea şi funcŃionarea motorului la rece, asigurând posibilitatea de menŃinere sub control a temperaturii, a unui gabarit redus, o montare simplă şi uşoară, un preŃ de cost redus.

Figure 4 - General sketch for manual commutation adaptor and electric oil heating / Schema generală a adaptorului cu comutare

manuală şi încălzirea electrică a uleiului. RM – Diesel oil tank; RU – vegetable oil tank; PRU – oil preheator; R – commutation faucet; PA – supplying pump; FG and FF – fuel filters; PI – injection pump; I – injectors / RM – rezervor motorină; RU – rezervor ulei vegetal; PRU – preîncălzitor ulei; R – robinet de comutare; PA

– pompă alimentare; FG şi FF – filtre de combustibil; PI – pompă injecŃie; I – injectoare


79

3. Adaptors with automatic cummutation and oil heating using hot water . For this type of adaptors, the motor commutation from diesel oil is made automaticly, throuh a thermostat, when the oil reaches a 70-800C temperature. The oil heating drawbacks are maintained as in the first case. 4. Adaptors with automatic commutation and electric oil heating. In diagram 5 is presented the general hydraulic sketch for the adaptor, and in diagram 6 is presented the general electric sketch. It is superior to other types of adaptors, combining automatic commutation assists by a thermostat, with rapid oil heating using electric elements. The automatic commutation can be realized using electronic or electromagnetic components, through electro valves.

3. Adaptor cu comutare automat ă şi înc ălzirea uleiului cu ap ă caldă. La acest adaptor comutarea de pe motorină pe ulei se realizează automat, prin intermediul unui termostat, când uleiul ajunge la temperatura de 70 – 800C. Se menŃin inconvenientele legate de încălzirea uleiului ca şi în primul caz. 4. Adaptor cu comutare automat ă şi înc ălzirea electric ă a uleiului . În figura 5 se prezintă schema hidraulică generală a adaptorului, iar în figura 6 se prezintă schema electrică generală. Este superior celorlalte tipuri de adaptoare, îmbinând comutarea automată asistată de un termostat, cu încălzirea rapidă a uleiului cu elemente electrice. Comutarea automată poate să fie realizată cu componente electronice sau electromagnetice, prin intermediul electrovalvelor.

Figure 5 - General hydraulic sketch for the adaptor with automatic commutation and electric oil heating /

Schema hidraulică generală a adaptorului cu comutare automată şi încălzirea electrică a uleiului RM – Diesel oil tank; RU – oil tank; EVTU and EVRU – oil turn-return electrovalves; EVTM and EVRM – Diesel oil turn-return electro valves ; I2 – manual commutation; PRU – vegetable oil preheator / RM – rezervor motorină; RU – rezervor ulei; EVTU şi EVRU – electrovalve tur-retur ulei; EVTM şi

EVRM - electrovalve tur-retur motorină; I2 – comutator manual; PRU – preîncălzitor ulei vegetal

Figure 6 - General electric sketch for the electromagnetic adaptor with automatic commutation and electric oil heating / Schema electrică generală a adaptorului electromagnetic cu comutare automată şi încălzirea electrică a uleiului

R1, R2, R3 –electromagnetic relays; Tm1 – command thermostat ; Tm2 – protection thermostat; B1 and B2 – electric heating elements; EVTU and EVRU – oil turn-return electrovalves; EVTM şi EVRM - Diesel oil turn-return electrovalves; I2 – manual commutator on Diesel oil / R1, R2, R3 – relee

electromagnetice; Tm1 – termostat de comandă; Tm2 – termostat de protecŃie; B1 şi B2 – elemente de încălzire electrice; EVTU şi EVRU – electrovalve tur-retur ulei; EVTM şi EVRM - electrovalve tur-retur motorină; I2 – comutator manual pe motorină

No matter the adaptor’s type, the motor’s supplying installation must have a supplementary tank for vegetable oil. Usually the motor’s Diesel oil tank becomes an oil tank, and the supplementary, of smaller capacity (5-10 liters) becomes a Diesel oil tank, that being necessary only for the engine start and its working until the oil is heated, also for eliminating the oil from the system before the engine stops.

To reduce thermic losses, the preheator is assembled as near as possible to the system supplying pump.

All the types of adaptors used so that the Diesel

Indiferent de tipul adaptorului, instalaŃia de alimentare a motorului trebuie să fie prevăzută cu un rezervor suplimentar pentru uleiul vegetal. De regulă rezervorul de motorină din dotarea motorului devine rezervor de ulei, iar cel suplimentar, de capacitate mai mică (5÷10l) devine rezervor de motorină, aceasta fiind necesară numai la pornirea motorului şi funcŃionarea acestuia până se încălzeşte uleiul, de asemenea la spălarea sistemului de ulei înainte de oprirea motorului.

Pentru reducerea pierderilor termice preîncălzitorul se montează cât mai aproape de pompa de alimentare a sistemului.

Toate tipurile de adaptoare utilizate pentru funcŃionarea


80

motor will work using vegetable oil need oil elimination before the engine stops for a longer period of time (that allows the engine to cool). This implies that with 10÷15 minutes before stopping the engine, the installation has to be manually passed on diesel oil supplying to permit the system flush of oil and its charging with Diesel oil to allow an easy start of the engine.

motorului Diesel cu ulei vegetal necesită spălarea de ulei înainte de oprirea motorului pentru o perioadă mai mare de timp (care permite răcirea motorului). Acest lucru presupune ca înainte de oprirea motorului cu 10÷15 min. instalaŃia să fie trecută manual pe alimentarea cu motorină pentru a permite spălarea sistemului de ulei şi încărcarea cu motorină pentru a permite o nouă pornire uşoară a motorului.

CONCLUSIONS 1. Using raw vegetable oils in 100% ratio as biofuel for thermic motors with ignition by compression (Diesel) is possible only if the engine is additionally equipped with an adaptor which allows the commutation from Diesel oil to vegetable oil and also to correct the oil’s viscidity. 2. The correction for the oil’s viscidity is made by heating it at 70-80°C temperatures. 3. The oil heating can be made electrically or using hot water from the motor’s cooling system. 4. Electric oil heating is the recommended technical solution thanks to its efficiency even at cold motor starting and working, of maintaining temperature under control, of low size and easy assembling, low cost. 5. The commutation from diesel oil to vegetable oil can be made manually, with adequate facets, or automatically, with electrovalves controlled by electronic or electromagnetic devices, recommended being the automatic commutation, which is more comfortable and easy. 6. For the Diesel engine to work 100% with vegetable oil, the supplying system must be equiped with an additional oil tank. 7. The assembling of the preheator and of the commutation will be made in the proximity of the injection pump to avoid thermic losses. 8. For a good supplying system functioning and an easy engine start, it is imposed that the oil system is flushed before the engine is stopped for a long period of time and its filling with Diesel oil.

BIBLIOGRAPHY 1. Burnete N. – Researches regarding the recicling of used alimentary by using them as fuel for motors with ingnition by compresion. Science Politics and Scientometry Magazine. Special edition , 2005. 2. Dobre P. – Adaptor for the functioning of Diesel motors with raw vegetable oil. Patent demand 2009. 3. Kusdiana D., Saka S.- Fuel 80, 693/2001. 4. Lawton M. D., Ackrell L. F. - Operating internal Combustion engines with plant oil. Brevet de invenŃie, ianuarie 2006. U.S.A. 5. Oren L. K., Talking R. - System and method for fueling Diesel engines with vegetable oil. Brevet de invenŃie, martie 2007. U.S. A. 6. Roşca R şi colab. – The Formulating and testing of an oxygenated biodiesel fuel for the supply of motors with ingnition by compresion. Grant 2004 7. X X X - BiocarburanŃii în România.

CONCLUZII 1. Utilizarea uleiurilor vegetale brute în proporŃie de 100% ca biocombustibili la motoarele termice cu aprindere prin comprimare (Diesel), este posibilă numai dacă motorul este dotat suplimentar cu un adaptor care să permită comutarea de pe motorină pe ulei şi totodată să corecteze vâscozitatea uleiului. 2. Corectarea vâscozităŃii uleiului se realizează prin încălzirea acestuia la temperatura de 70÷80°C. 3. Încălzirea uleiului se poate face electric sau cu apa caldă provenită din sistemul de răcire al motorului. 4. Încălzire electrică a uleiului este soluŃia tehnică recomandată datorită eficienŃei la pornirea şi funcŃionarea motorului chiar şi la rece, a menŃinerii sub control a temperaturii, a gabaritului redus şi a montării uşoare, a preŃului de cost redus. 5. Comutarea alimentării de pe motorină pe ulei vegetal se poate realiza manual, cu robinete adecvate sau automat, cu electrovalve controlate de dispozitive electronice sau electromagnetice, recomandată fiind comutarea automată care este mai comodă şi mai sigură. 6. Pentru funcŃionarea cu ulei vegetal 100% a motorului Diesel, sistemul de alimentare trebuie dotat cu un rezervor suplimentar de ulei. 7. Montarea preîncălzitorului şi a comutatorului se va face în imediata apropiere a pompei de injecŃie pentru evitarea pierderilor termice.

8. Pentru buna funcŃionare a sistemului de alimentare şi pornirea uşoară a motorului, se impune spălarea sistemului de ulei înainte de oprirea motorului pentru o perioadă mai mare de timp şi încărcarea lui cu motorină. BIBLIOGRAFIE 1. Burnete N. – Cercetări privind reciclarea uleiurilor alimentare uzate prin utilizarea lor ca şi combustibili la motoarele cu aprindere prin comprimare. Revista de Politica ŞtiinŃei şi Scientometrie. Număr special, 2005. 2. Dobre P. – Adaptor pentru funcŃionarea motoarelor Diesel cu ulei vegetal crud. Cerere brevet 2009. 3. Kusdiana D., Saka S.- Fuel 80, 693/2001. 4. Oren L. K., Talking R. - System and method for fueling Diesel engines with vegetable oil. Brevet de invenŃie, martie 2007. U.S. A. 5. Lawton M. D., Ackrell L. F. - Operating internal Combustion engines with plant oil. Brevet de invenŃie, ianuarie 2006. U.S.A. 6. Roşca R şi colab. – Formularea şi încercarea unui combustibil oxigenat de tip biodiesel pentru alimentarea motoarelor cu aprindere prin comprimare. Grant 2004;

7. X X X - BiocarburanŃii în România.


81

EOLIAN POWER GENERATION FOR AGRICULTURAL INSTALLATI ONS IN REMOTE AREAS /

GENERAREA ENERGIEI EOLIENE PENTRU INSTALATII AGRICO LE ÎN ZONE IZOLATE

Eng. Drago ş TĂNASE – Politehnica University Bucure şti (România) Eng. PhD student Andreea BORITU – Politehnica Universi ty Bucure şti (România) Eng. PhD student Camelia NICULI łĂ – Transilvania University Bra şov (România)

Eng. PhD student Andrei BENCZE – Transilvania Universi ty Bra şov (România) Prof. Dr. Eng. Ioan CANDEA – Transilvania University Braşov (România)

Abstract: This paper is presenting a new concept of Aeolian Wind Turbine with one vertical axis and three blades with continuous variation of the incidence angle. This turbine can be used to obtain mechanical energy and electric energy in remote areas or in areas without necessary infrastructure. The generated energy can be used to power different types of agricultural installations and for farm’s electrical supply. The power generation is completely pollution free. Selection of the constructive model is based on a comparative analysis of the actual types (with vertical and horizontal axis). Knowing the required output, one can make the dimensioning of the turbine, choose the airfoils for the blades and can calculate the aerodynamic and mechanic efficiencies. Also, for calculations, is analyzed theoretically the influence of the wind’s parameters. Keywords : Aeolian Wind Turbine, profile, wind, energy, power, efficiencies 1. INTRODUCTION. BRIEF HISTORIC The issue of ensuring energy for the human society is of utmost importance to increase the quality of life. A major source of potential energy is the Sun, irradiated power on Earth is at 1011 million KW, of which about 22% serves to evaporation of ground water, one part (about 0.2%) is translated in the form of wind energy, aeolian energy. It can be said that wind is a source of energy virtually infinite, non-polluting, available at planetary scale, free (does not require a process of extraction), but has an irregular character, low concentration per area unit. For Romania, specialized studies show a good potential of aeolian energy. Wind energy was an energy source that was permanently used by the human society. In the interest of this paper, we find historical sources in the first use of wind turbines with 200 years BC in Persia, these being used for pumping water or grinding grains. In Romania, documentary sources mention the use of wind energy in Dobrogea in 1585. At the beginning of the 20th century, in Tulcea County were working 437 wind mills, over 900 in Dobrogea and in Moldavia over 300. The scale of the expansion of these facilities was not too high because of the use of traditional water mill. 2. WIND. FEATURES AND ENERGY POTENTIAL As a weather phenomenon, the wind is a consequence of the relationship between temperature and pressure. Solar rays cross the atmosphere, heating the land surface and further the atmospheric air by: radiation, molecular conductivity, turbulence, convection currents, and advection. As a result, warm air is found in lower layers of the troposphere, at contact area with the land surface. In altitude, the temperature decreases by 0.6 – 1ºC on 100 m. On the land surface, there is an uneven distribution of solar radiation, which causes an uneven distribution of heating, leading to an uneven distribution of atmospheric pressure and thus the emergence of wind. The rotation movement of Earth is the cause of inertial forces: centrifugal and Coriolis. Centrifugal forces

Rezumat : Lucrarea prezintă un nou concept de turbină eoliană cu ax vertical cu trei pale cu incidenŃă variabilă utilizată pentru obŃinerea energiei mecanice sau electrice în zonele izolate unde nu există infrastructura necesară. Energia generată poate fi utilizată pentru punerea în funcŃiune a instalaŃiilor agricole de diferite tipuri cât şi pentru necesarul electric al fermelor. Producerea energiei este total nepoluantă. Alegerea tipului constructiv se bazează pe o analiză comparată a tipurilor existente (cu ax orizontal şi ax vertical). Cunoscând puterea necesară se calculează dimensiunile turbinei, se aleg profilele aerodinamice ale palelor şi se calculează randamentul aerodinamic şi mecanic. Deasemenea se analizează teoretic influenŃa direcŃiei, intensitatea şi profilul vântului, date necesare în calcul. Cuvinte cheie : turbina eoliana, profil, vânt, energie, putere necesara, randament. 1. INTRODUCERE. SCURT ISTORIC Problematica asigurării resurselor energetice ale societăŃii omeneşti este de maximă importanŃă pentru cresterea calităŃii vieŃii. O sursă majoră de energie potenŃială este Soarele, puterea iradiată pe Pământ fiind de 1011 milioane KW, din care circa 22% serveşte la evaporarea apelor terestre, o parte (circa 0.2%) regăsindu-se sub formă de energie a vânturilor, energie eoliană. Se poate spune că vântul este o sursă practic inepuizabilă, nepoluantă, disponibilă la scară planetară, gratuită (nu cere un proces de extracŃie), dar cu un caracter neregulat, concentraŃie mică pe unitatea de suprafaŃă. Pentru Romania, studiile de specialitate arată un potenŃialul energetic eolian bun. Energia vântului a fost o sursă energetică care a fost permanent utilizată de societatea umană. În domeniul de interes al prezentei lucrări, găsim în sursele istorice utilizarea primelor turbine de vânt cu 200 de ani î.e.n. în Persia, acestea fiind folosite la pomparea apei sau la măcinatul grâului. În Romania, surse documentare menŃionează utilizarea energiei eoliene în Dobrogea la 1585. La începutul secolului XX, în judeŃul Tulcea funcŃionau 437 mori de vânt, iar în Dobrogea peste 900, în Moldova circa 300. Amploarea extinderii acestor instalaŃii nu a fost prea mare din cauza tradiŃiei în utilizarea morii de apă. 2. VÂNTUL. CARACTERISTICI ŞI POTENłIAL ENERGETIC Vântul, ca fenomen meteorologic, este o consecinŃa a relaŃiei dintre temperatură şi presiune. Razele solare străbat atmosfera, încălzesc suprafaŃa terestră şi de aici aerul atmosferic prin: radiaŃie, conductibilitate moleculară, turbulenŃa, curenŃi de convecŃie, şi advecŃie. Ca urmare, aerul cald se găseşte în straturile inferioare ale troposferei, la zona de contact cu suprafaŃă terestră. În altitudine temperatura scade cu 0,6÷1ºC la 100 m. Pe suprafaŃa terestră există o distribuŃie inegală a radiaŃiei solare, ceea ce determină o încălzire neuniformă, ce duce la o neuniformitate în distribuŃia presiunii atmosferice şi deci la apariŃia vântului. Mişcarea de rotaŃie a Pământului determină apariŃia unor forŃe de inerŃie: centrifugă şi Coriolis. ForŃa centrifugă


82

have a negligible effect on air currents, but Coriolis forces cause significant deviations of wind direction from the direction determined by the horizontal gradient of atmospheric pressure. Interesting features that are related to the wind are: direction, speed, duration, structure. The structure of wind refers to the air current character: laminar, turbulent or gust. The quality of a location depends on the wind potential [1]. Wind installations are converting only a part of the wind energy flow. The degree of conversion (efficiency), is expressed by the power coefficient Cp defined in equation 1.

are un efect neglijabil asupra curentilor de aer, dar forŃa Coriolis determină abateri importante ale direcŃiei vântului de la direcŃia determinată de gradientul orizontal al presiunii atmosferice. Caracteristicile care interesează legate de vânt sunt: direcŃia, viteza, durata, structura. Structura vântului se referă la caracterul curentului de aer: laminar, turbulent sau în rafală. Calitatea unui amplasament depinde de potenŃialul său eolian [1]. InstalaŃiile eoliene nu convertesc decât o parte din fluxul energetic al vântului. Gradul de conversie (randamentul), se exprimă cu ajutorul coeficientului de putere Cp definit în relaŃia 1.

( ) ( ) 3

2

1vAvCpvPT ⋅⋅⋅⋅= ρ (1)

where: A-active transverse area of aeolian installation ; ρv3/2- total wind energy density flux. It is necessary to study the persistence of the wind, the maximum periods of calm, their distribution during the year correlated with energy consumption, to allow sizing of energy storage system. Efficient use of aeolian installations requires that they should have large dimensions, with powers which often can climb on the MW order. In areas with good wind energy potential, the technical potential is in the range 0.5 - 1.5 W/m2. 3. AERODYNAMICS NOTIONS Aerodynamic forces acting on a body placed in a stream of air speed V∞ upstream the obstacle is equivalent to an resultant Fa and a moment M. The force Fa can be decomposed by two directions: one perpendicular to the current direction (lift force Fz) and one on a direction parallel with the current (drag Fx) as in figure 1.

unde: A-aria transversală activă a instalaŃiei eoliene; ρv3/2- densitatea fluxului de energie a vântului. Este necesară studierea persistenŃei vântului, a duratei maxime a perioadelor de calm, repartiŃia acestora pe parcursul anului corelată cu consumul de energie, pentru a permite dimensionarea sistemelor energetice de stocare. Utilizarea eficientă a instalaŃiilor eoliene impune ca acestea să fie de dimensiuni mari cu puteri ce urcă adesea la ordinul MW. PotenŃialele tehnice pentru zone cu potenŃial eolian bun sunt cuprinse în intervalul 0,5 – 1,5 W/m2. 3. NOłIUNI DE AERODINAMICĂ ForŃele aerodinamice ce acŃionează asupra unui corp plasat într-un curent de aer de viteză V∞ în amonte de obstacol sunt echivalente cu o rezultantă Fa şi un moment M. ForŃa Fa se poate descompune după două direcŃii: una perpendiculară pe direcŃia curentului (portanŃa Fz)si una paralelă cu direcŃia curentului (rezistenŃa Fx) ca în figura 1.

Fig. 1 - Aerodynamic forces acting on a body / ForŃe aerodinamice ce acŃionează asupra unui corp

In calculations are used dimensionless coefficients (lift coefficient, drag coefficient and moment coefficient), as presented in relation 2:

În calcule se utilizează marimile adimensionale (coeficientul de portanŃă, coeficientul de rezistenŃă şi coeficientul de moment), prezentate în relaŃia 2:

AV

FC z

z2

2

1∞

=ρ

AV

FC x

x2

2

1∞

=ρ

AlV

MCm

2

2

1∞

=ρ

(2)

where A is the maximum projection of a body on a plane perpendicular to the direction of current, and l is a characteristic length. Some airfoils are determined by theoretical means and others by experimental ways. 4. AEOLIAN INSTALLATIONS. CONSTRUCTIVE AND TECHNOLOGICAL CONSIDERATIONS The technical level of aeolian machines is given by their use value that is arising from all the characteristics and technical performances [3].

The two main qualities that are required of such installations are simplicity and robustness. Requirement for simplicity permits obtaining minimum costs of investment and operating at a high reliability. Robustness of the wind

unde A este suprafaŃa maximă a proiecŃiei corpului pe un plan perpendicular pe direcŃia curentului, iar l este o lungime caracteristică. Unele profile aerodinamice se determină pe cale teoretică, iar altele pe cale experimentală. 4. INSTALAłII EOLIENE. CONSIDERENTE CONSTRUCTIVE ŞI TEHNOLOGICE Nivelul tehnic al eolienelor este dat de valoarea de întrebuinŃare care rezultă din ansamblul caracteristicilor şi performaŃelor tehnice [3].

Principalele două calitaŃi care se cer unor astfel de instalaŃii sunt simplitatea şi robusteŃea. CerinŃa de simplitate permite obŃinerea unor costuri de investiŃie şi exploatare minime la o fiabilitate ridicată. RobusteŃea


83

machines is connected to the working conditions, taking into account that they are subject to all sorts of weather. Turbines with horizontal shaft have the following advantages: no need of start devices, high power coefficient, regulating power and speed is made by modifying the blade’s step, but the execution technology of the blades is complicated, the conversion equipment is placed at the upper end of the tower and guidance devices are necessary. Turbines with vertical shaft. The main feature of the wind machine is a cyclical variation of the angle of incidence. From current studies emerge the following advantages: technology for blade execution is relatively simple, the conversion equipment is placed at ground level, do not require guidance devices. Disadvantages: requires starting devices, smaller power coefficient, dangerous oscillation may appear at blades. On machines with variable incidence, the rotating motor moment is produced, generally, under the action of the tangential aerodynamic forces. This is increasingly higher as the aerodynamic qualities of the blade are better. For a wind machine to operate with optimum angle of incidence, it is necessary that the incidence angle is always controlled and adjusted to the optimum by continuous blade orientation. Aeolian machines with vertical shaft can be: with controlled incidence, with articulated blades and uncontrolled incidence, with fixed or mobile blades. Wind turbines with controlled incidence: the incidence control is realized by convenient orientation of the blade. Difficult to realize. According to resulted movement, the machines with controlled incidence can be: a) Aeolians turbines with rotating blades: blades are rotating continuously in the same sense around their own axis, around the rotor axis. Roles of leading and trailing edge of the blade are reversed regularly every half rotation and the blade airfoil is generally fusiform, pointed at both ends, the axis of rotation of the blade which coincides with the center of gravity axis is being located at the middle of the chord. b) Aeolians turbines with orientable blades: the leading edge and trailing edge of the airfoil remains the same regardless of the operation regime. Generally, the magnitude of angles of rotation of the blade relative to the supporting arms is limited, some constructive variants this rotation is not limited, because the blade to be able to sit on direction regardless of wind direction, when the rotor is at rest in order reduce aerodynamic drag of the rotor and the engine rotation moment is equal to 0 (in case of excessive wind speeds). Wind turbines with uncontrolled incidence (incidence angle is not controlled to be maintained in certain optimal functioning limits). It has fixed blades mounted on the rigid support. To further reduce the bending requirements, the longitudinal section of the blades can be taken curve, which leads to tension stress only. In this case, the blade may have a much larger scale; the blade stiffness should provide only enough support to maintain the shape when not moving.

masinilor eoliene se leagă de condiŃiile în care lucrează, având în vedere că sunt supuse la intemperii de tot felul. Turbinele cu ax orizontal au următoarele avantaje: nu necesită dispozitive de demarare, coeficient de putere mare, reglarea puterii şi a turaŃiei se face prin modificarea pasului palelor, dar tehnologia de execuŃie a palelor este complicată, echipamentul de conversie este plasat la capătul turnului şi sunt necesare dispozitive de orientare. Turbine cu ax vertical. Caracteristica principală a acestor maşini eoliene este variaŃia ciclică a unghiului de incidenŃă. Din studiile realizate apar avantajele urmatoare: tehnologia de execuŃie a palelor este relativ simplă, echipamentul de conversie este plasat la nivelul solului, nu necesită dispozitive de orientare. Dezavantaje: necesită dispozitive de demarare, coeficient de putere mai mic, pot să apară oscilaŃii periculoase la pale. La maşinile cu incidenŃa variabilă momentul motor se produce, în general, sub acŃiunea componentei tangenŃiale a forŃelor aerodinamice. Aceasta este cu atât mai mare cu cât calităŃile aerodinamice ale palei sunt mai bune. Pentru ca o maşină eoliană să funcŃioneze cu unghiul de incidenŃă optim, trebuie ca unghiul de incidenŃă sa fie controlat şi ajustat mereu la valoarea optimă prin orientarea continuă a palelor. Maşinile eoliene cu ax vertical pot fi cu incidenŃa controlată, cu pale pivotante şi cu incidenŃă necontrolată, cu pale fixe sau mobile. Turbine eoliene cu incidenŃa controlată: controlul incidenŃei se face prin orientarea convenabilă a palei. Este dificil de realizat. Conform mişcării rezultate, maşinile cu incidenŃă controlată pot fi : a) Turbine eoliene cu pale rotative: palele se rotesc continuu în acelaşi sens în jurul axei acestora şi în jurul axei rotorului. Rolurile de bord de atac şi de fugă ale palei se inversează periodic, la fiecare jumatăte de rotaŃie iar profilul palelor este în general fusiform, ascuŃit la ambele capete, axa de rotaŃie a palei care coincide cu axa centrului de greutate fiind situată la mijlocul coardei. b) Turbina eoliană cu pale orientabile: rolul bordurilor de atac şi de fugă al profilului palei rămane acelaşi, indiferent de regimul de funcŃionare. În general, amplitudinea unghiurilor de pivotare al palelor faŃă de bratele de susŃinere este limitată; la unele variante constructive această pivotare nu se limitează, pentru ca palele să se poată aşeza în drapel indiferent de direcŃia vântului, când rotorul este în repaus, cu scopul de a reduce rezistenŃa aerodinamică a rotorului şi momentul motor sa fie egal cu 0 (în cazul vitezelor de vânt excesive). Turbine eoliene cu incidenŃa necontrolată (unghiul de incidenŃă nu este controlat pentru a fi menŃinut în anumite limite optime de funcŃionare). Are palele fixe, montate rigid pe suportul de susŃinere. Pentru a reduce şi mai mult solicitările de încovoiere, se poate adopta în secŃiunea longitudinală a palelor o formă curbă, astfel pala este solicitată numai la întindere. În acest caz, pala poate avea o anvergură mult mai mare, iar rigiditatea palei trebuie să asigure doar păstrarea formei în repaus.

5. CALCULATION AND DESIGN OF NEW AEOLIAN INSTALLATIONS WITH VERTICAL SHAFT The chosen constructive solution: wind turbine with vertical shaft with 3 straight blades, with orientation dependent on wind direction (figure 2).

5. CALCULUL ŞI PROIECTAREA UNEI NOI INSTALA łII EOLIENE CU AX VERTICAL SoluŃia constructivă aleasă: turbina eoliană cu ax vertical cu 3 pale drepte, ce se orientează în funcŃie de direcŃia vântului (figura 2).


84

Fig. 2 - Designed aeolian turbine (top view) / Turbina eoliană proiectată (vedere de sus)

Calculation of aerodynamic forces For calculation of aerodynamic lift and drag on the chosen airfoil is necessary to know the coefficients Cz and Cx. Experimental data from figure 3 is used.

Calculul fortelor aerodinamice În calculul portanŃei şi a rezistenŃei aerodinamice pe profilul ales este necesar să se cunoască coeficienŃii Cz şi Cx. Se folosesc date experimentale din figura 3.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 15 30 45 60 75 90

α (grade)

Cz Cx Figure 3 - Cz and Cx function of incidence / Cz şi Cx funcŃie de incidenŃă

In formula 4 are introduced the aerodynamic lift and drag coefficients taken from figure 3:

CoeficienŃii de portanŃă şi de rezistenŃă la înaintare din figura 3 se introduc în formula 4:

SVCzP 2

2∞= ρ

SVCxR 2

2∞= ρ

(4)

Due to the fact that a complete rotation of the wind turbine, a blade rotate around its axis by only 180o, the leading and trailing edge are reversed periodically. This implies the need for an elliptical airfoil, with maximum thickness of 6% of chord.

Datorită faptului că la o rotaŃie completă a eolienei, o pală se roteşte în jurul propriei axe cu doar 180o, bordul de atac şi bordul de fugă se inversează periodic. Acest lucru implică necesitatea unui profil eliptic, cu grosimea de 6% din coardă.

Fig. 4 – Designed aeolian turbine (blades position and isometric view) /

Turbina eoliană proiectată (poziŃia palelor şi vedere isometrică)

Input data: r = 3m – length of the arm of the blade, L = 2.5m - length of a blade, c = 1m - chord blade airfoil. Output: Average total moment Mm = 309,6 Nm

Date de intrare: r = 3m – lungimea braŃului unei pale, L = 2.5m – lungimea unei pale, c = 1m – coarda profilului palei. Date de iesire: Momentul mediu total Mm=309.6 Nm


85

Figure 5 - Moment given by 1st, 2nd and 3rd blade and the resulting Total moment for 1 full rotation/

Momentul dat de pala 1, 2 şi 3 şi momentul resultant Total pentru o rotaŃie completă

The power developed at the shaft For turbines with vertical shaft, the axis of rotation is perpendicular to wind direction. An estimate of the coefficient of maximum power can be done using a method inspired by the global model Betz from horizontal axis turbines [2]. For the wind turbine with the chosen input data is obtained a maximum power Pmax = 522,7 W in the conditions in which the infinite speed is 6 m/s. Efficiency Calculation

Aerodynamic efficiency of the plant expresses the quantity of energy taken from the wind. It may be expressed by the ratio between wind kinetic power and power taken by the aeolian turbine. For the calculation it can be summarized as the ratio between upstream air speed and downstream airspeed.

Mechanical efficiency is calculated as the ratio between the dynamic power of the aeolian plant and the used power of the consumer.

When calculating the total efficiency, the aerodynamic, mechanical, bearings, gears and consumer efficiencies are taken into account, as in equation 5.

Calculul puterii dezvoltate la ax Pentru turbinele cu ax vertical, axa de rotaŃie este perpendiculară pe direcŃia vântului. O estimare a coeficientului de putere maximă se poate face utilizând o metodă globală inspirată de modelul Betz de la turbinele cu ax orizontal [2]. Pentru turbina cu datele de intrare alese s-a obŃinut o putere maximă Pmax= 522.7 W, în condiŃiile în care viteza vântului este de 6 m/s. Calculul randamentului Randamentul aerodinamic al instalaŃiei eoliene exprimă cantitata de energie preluată de aceasta de la vânt. Se exprimă prin raportul dintre puterea cinetică a vântului şi puterea preluată de eolianaă. În calcul se poate rezuma la raportul dintre viteza curentului de aer, în aval faŃa de rotorul eolian, şi viteza curentului de aer în amonte de rotor. Randamentul mecanic se calculează ca fiind raportul dintre puterea dinamică a instalaŃiei eoliene şi puterea consumată de consumator. În calculul radamentului total se iau în considerare randamentul aerodinamic, mecanic, al lagarelor, al angrenajelor şi al consumatorului, ca în relaŃia 5:

%35== pompaangrenajelagaremecaniccaerodinamitotal ηηηηηη (5)

For chosen dimensions, the total moment at the ax and the output power of wind installation, are analyzed as depending on wind speed (figure 6).

Pentru dimensiunile alese se face o analiză a momentului total la axul instalaŃiei eoliene şi al puterii, funcŃie de viteza vântului (figura 6).

0

200

400

600

800

1000

0 2 4 6 8 10

Viteza vantului [m/s]

Mom

ent l

a ax

[Nm

]

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 2 4 6 8 10

Viteza vantului [m/s]

Put

ere

la a

x [W

]

Figure 6 - Total Moment and Power vs. wind speed / Momentul şi puterea funcŃie de viteza vântului

6. CONCLUSIONS Depending on the particular power consumer, wind turbine has the advantage of start without exterior means at low wind speeds. It can be observed a total efficiency big enough, due to the blade orientation after wind direction. As a final conclusion one can say that this constructive solution of a wind turbine installation with a vertical shaft is indicated for areas where wind speed is low and where is necessary a big force couple, in remote areas where the required infrastructure is not available.

6. CONCLUZII În functie de consumatorul de putere ales, eoliana are avantajul de a porni singură încă de la o viteză a vântului foarte mică. Se observă şi un randament total relativ mare, datorat orientării palelor după direcŃia vântului. Drept o concluzie finală se poate spune că această solutie constructivă, a unei instalaŃii eoliene cu ax vertical, este indicată zonelor unde viteza vântului este mică şi unde este necesar un cuplu de forŃe mare, în zonele izolate unde nu există infrastructură necesară.

BIBLIOGRAPHY / BIBLIOGRAFIE [1]. Burton T., Wind Energy Handbook. John Wiley and Sons Inc., 2001; [2]. Ilie V. şi altii, Utilizarea energiei vântului. Editura Tehnică, 1987;

[3]. Sorensen B., Renewable energy. Elsevier Academics Press, 2004.


86

POSSIBILITIES OF USING SOLID BIOMASS, AGRICULTURAL AND FORESTRY FOR REDUCING POLLUTION SOIL AND WATER

/ POSIBILITĂłI DE UTILIZARE A BIOMASEI SOLIDE, AGRICOLE ŞI FORESTIERE PENTRU

REDUCEREA POLUĂRII SOLULUI ŞI APEI

ing. Danciu Aurel, dr. ing. Vl ădu Ń Valentin, ing. Voicea Iulian, ing. Postelnicu Elena - INMA Bucharest, Romania -

Abstract. Following the analysis of potential biomass (estimated at 15 million tons) of agricultural and solid forest (equivalent to 6 million tons of oil) could be concluded that Romania has sufficient biomass to produce pellets at a industrial raw material being generally scrap agricultural (ca. 63%) and forestry.

Exploitation and rational use of their energy production, give the premises needed to cover a significant part of energy needs necessary domestic and industrial needs, especially in rural areas. Keywords : biomass, pellets, energy, potential 1. ENVIRONMENT PROTECTION - LEGISLATION AND METHOD FOR THEREOF IMPLEMENTING Pollution is a problem of all time, but especially for our times as the magnitude and severity of polluting processes, scientific and technical achievements of modern man has allowed the development pollution risks and therefore it is vital to establish very stringent measures to prevent and combat environmental degradation with the three components - air, water, soil. Introduction idea of environmental protection has led to the emergence restrictive legislation in this regard and to punish their violation. By mechanical processing of wood that produces industrial waste in the form of sawdust, shavings, wood flour approx. 15% of timber cut. A basic problem now is organic sawdust storage, recovery, treatment and reuse of industrial scale. The degree of recovery of waste in Romania is very low, around 4%, ie 10 times lower compared to western European countries. Wood industry is one of the most polluting, but to some extent has an impact on environmental factors (air, water, soil). Recovery of waste results in the production of wood to rest industries amounts to a percentage of 83.6%, that percentage drops, unfortunately, by the occurrence of small producers whose concern for the recovery of waste is low. In order to recovery of agricultural and forestry waste, but especially for depollution areas affected by this type of residue, which can be achieved through a process of collection of this product and transform them into fuel (pellets, agripeleŃi or lighters). Forestry and agricultural wastes (derived from wood or harvesting agricultural products) can be transformed by a technological process (mincing, drying, compaction and refining (peletizare or briquetting), in pellets, or lighters agripeleŃi combustible products which may be used for energy purposes. In this way, is made as a use upper forest and agricultural waste, nature protection and pollution of these products.

Rezumat. În urma analizei potenŃialului de biomasă (apreciată la 15 milioane tone) solidă agricolă şi forestieră (echivalentă cu 6 milioane tone de petrol) s-a putut trage concluzia că România dispune de suficientă biomasă pentru obŃinerea de peleŃi la un nivel industrial, materia primă fiind în general resturi agricole (cca. 63%) şi forestiere. Exploatarea şi utilizarea raŃională a acestora în producerea de energie, conferă premizele necesare acoperirii unei părŃi semnificative a nevoilor energetice necesare nevoilor casnice şi industriale, în special în zonele rurale.

Cuvinte cheie : biomasă, peleŃi, energie, potenŃial 1. PROTECłIA MEDIULUI - LEGISLA łIE ŞI MODUL DE IMPLEMENTARE AL ACESTEIA Poluarea este o problemă a tuturor timpurilor, dar mai ales a timpurilor noastre pentru ca amploarea şi gravitatea proceselor poluante, realizările ştiinŃifice şi tehnice ale omului modern au permis dezvoltarea riscurilor poluării şi în consecinŃă este vitală stabilirea unor măsuri deosebit de severe pentru prevenirea şi combaterea degradării mediului cu cele trei componente – aer, apă, sol. Introducerea ideii de protecŃie a mediului a condus la apariŃia de acte normative restrictive din acest punct de vedere şi totodată la pedepsirea încălcării acestora. Prin prelucrarea mecanică a lemnului rezultă ca deşeu industrial în formă de rumegus, talaş, făina de lemn cca. 15 % din masa lemnoasă tăiată. O problemă de bază actuală este depozitarea ecologică a rumeguşului, recuperarea, tratarea şi refolosirea lui pe scară industrială. Gradul de valorificare a deşeurilor în România este foarte redus, de aproximativ 4%, adică de 10 ori mai mic comparativ cu Ńările Europei Occidentale. Industria lemnului nu este una dintre cele mai poluante, dar într-o oarecare măsură are un impact asupra factorilor de mediu (aer, apă, sol). Valorificarea deşeurilor rezultate în procesul de producŃie în industria lemnului faŃă de restul ramurilor industriale se ridică la un procent de 83,6%, procent care scade, din păcate, ca urmare a apariŃiei micilor producători a căror preocupare pentru valorificarea deşeurilor este scăzută. În vederea valorificării deşeurilor agricole şi forestiere, dar în special, pentru depoluarea zonelor afectate de acest tip de reziduu, care poate fi realizată printr-un proces de colectare a acestor produşi secundari şi transformarea lor în combustibil (peleŃi, agripeleŃi sau brichete). Deşeurile forestiere şi agricole (rezultate din exploatarea lemnului sau din recoltarea produselor agricole) pot fi transformate, printr-un proces tehnologic (tocare, uscare, rafinare şi compactare (peletizare sau brichetare), în peleŃi, agripeleŃi sau brichete combustibile, produse care pot fi folosite în scopuri energetice. În acest fel, se realizează atât o utilizare superioară a deşeurilor forestiere şi agricole, cât şi protejarea naturii de poluarea cu aceste produse secundare.


87

2. DETERMINE CHARACTERISTICS TERMO PHYSICO-CHEMICAL ON TYPE SOLID BIOMASS AGRICULTURE AND FORESTRY 2.1. Physical and chemical characteristics on types of biomass solid agricultural and forestry Biomass expressed total agricultural crop production that can be converted into different forms of energy. Agricultural production consists of primary production and secondary. Main production plant is converted into energy bioalimentară and vegetable production is the main secondary source of biomass that can be converted into the right heat. Under EU law, biomass is the biodegradable fraction of products and waste from agriculture and forestry industries related, and the biodegradable fraction of municipal waste and industrial. Chemical composition of the biomass is: � lignin (C40H44O6) = 15÷30%; � cellulose (C6H10O5) = 40÷45% � hemi-cellulose = 20÷35%. Limits of variation of the three principal components are determined by the species. Long cellulose polymers are used by plants to build the plant fibers that give strength and build plant fibers that give strength and lignin acts as a binder which keeps linked cellulose fibers. To manufacture the pellets of lignin should be higher. For a high calorific necessary reports O/C and H/C should be as small. The main agricultural products side can be transformed into heat is: - scum of straw and cereal grain (wheat, rye, barley,

orzoică, rice and oats); - stems and stalk umb; - strains of sunflower and rapeseed; - haulm soybeans, peas and beans; - cords vine; - branches of fruit trees. The physical characteristics of solid fuels derived from biomass are: - size and shape; - moisture; - calorific power; - bulk density; - ash content; - grain; - abrasion resistance; - melting temperature of ash. Chemical characteristics of solid fuels derived from biomass are: - contents of C; - contents of O; - contents of H; - contents of N; - contents of S; - contents of Cl; - contents of K; - contents of Na; - contents of Mg; - contents of Ca; - contents of volatile substance; - content of heavy metals. Calorific value of biomass is related to its chemical composition. Thus calorific value increases with increasing lignin content. Cellulose has a lower calorific than because of high lignin oxidation. The hydrocarbons also increased calorific value of biomass. Table 1 are presented calorific values for primary solid biomass fuels:

2. DETERMINAREA CARACTERISTICILOR TERMO-FIZICO-CHIMICE PE TIPURI DE BIOMASĂ SOLIDĂ AGRICOLĂ ŞI FORESTIERĂ 2.1. Caracteristici fizice şi chimice pe tipuri de biomas ă solid ă agricol ă şi forestier ă Biomasa exprimă totalitatea producŃiei agricole vegetale care poate fi convertită în diferite forme de energie. ProducŃia agricolă este formată din producŃia principală şi din producŃia secundară. ProducŃia agricolă vegetală principală este transformată în energie bioalimentară iar producŃia agricolă vegetală secundară constituie principala sursă de biomasă care poate fi transformată de regulă în energie termică. Conform legislaŃiei UE, biomasa reprezintă fracŃia biodegradabilă a produselor şi deşeurilor din agricultură, domeniul forestier şi industriile conexe acestora, precum şi fracŃia biodegradabilă din deşeurile municipale şi cele industriale. CompoziŃia chimică principală a biomasei este: � lignină (C40H44O6) = 15÷30%; � celuloză (C6H10O5) = 40÷45%; � hemi-celuloză = 20÷35%. Limitele de variaŃie a celor trei componente principale sunt determinate de specie. Polimerii celulozei lungi sunt folosiŃi de către plante pentru a construi fibrele care conferă plantei soliditate iar lignina acŃionează ca un liant ce Ńine fibrele de celuloză legate. Pentru fabricarea peleŃilor conŃinutul de lignină trebuie să fie cât mai mare. Pentru o putere calorifică ridicată este necesar ca rapoartele O/C şi H/C să fie cât mai mici. Principalele produse agricole secundare care pot fi transformate în energie termică sunt: - paiele şi pleava de cereale păioase (grâu, secară, orz,

orzoică, orez şi ovăz); - tulpinile şi ciocălăi de porumb; - tulpinile de floarea soarelui şi de rapiŃă; - vrejii de soia, mazăre şi fasole; - corzile de viŃă de vie;

- crengile de pomi fructiferi. Caracteristicile fizice ale combustibililor solizi obŃinuŃi din biomasă sunt următoarele: � dimensiunile şi forma; � conŃinutul de umiditate; � puterea calorifică; � densitatea în vrac; � conŃinutul de cenuşă; � granulaŃia; � rezistenŃa la abraziune; � temperatura de topire a cenuşii. Caracteristicile chimice ale combustibililor solizi obŃinuŃi din biomasă sunt următoarele:

- conŃinutul de C; - conŃinutul de O; - conŃinutul de H; - conŃinutul de N; - conŃinutul de S; - conŃinutul de Cl; - conŃinutul de K; - conŃinutul de Na; - conŃinutul de Mg; - conŃinutul de Ca; - conŃinutul de substanŃe volatile; - conŃinutul de metale grele.

Puterea calorifică a biomasei este corelată cu compoziŃia chimică a acesteia. Astfel puterea calorifică creşte odată cu creşterea conŃinutului de lignină. Celuloza are o putere calorifică mai mică decât lignina datorită gradului mare de oxidare. ConŃinutul de hidrocarburi creşte de asemenea puterea calorifică a biomasei. În tabelul 1 sunt prezentate valorile puterii calorifice pentru principali combustibili solizi din biomasă.


88

Table 1 - Calorific values of key solid fuels from biomass / Puterea calorifică a principalilor combustibili solizi din biomasă

Nr. crt. Fuel Type / Tipul de combustibil

Calorific values dry / Puterea calorific ă substan Ńă uscat ă

[MJ/kg] 1. Wheat straw / Paie de grâu 18,3 2. Barley straw / Paie de orz 18,0 3. Rice straw / Paie de orez 15,2 4. Cob (strains) / Coceni de porumb (tulpini) 16,2 5. Corn-cob / Ciocălăi 17,4 6. Sunflower stalks (bete) / Tulpini de floarea soarelui (beŃe) 21,8 7. Peel of sunflower seeds / Coji seminŃe de floarea soarelui 16,2 8. Haulm soybean / Vreji de soia 18,1 9. Shoots of vines (7% moisture) / Coarde de viŃă de vie (umiditate 7%) 16,5

10. Branches of fruit trees (7% moisture) / Crengi de pomi fructiferi (umidit. 7%) 15,2 11. Strains of alfalfa / Tulpini de lucernă 18,4 12. Wood fire / Lemn de foc 15,5 13. Pellets of sawdust or brighete / Pelete sau brighete de rumeguş 17,1 14. Charcoal / Mangal 31,8 15. Waste plant (stems, leaves, rinds) / Deseuri vegetale (tulpini, frunze, coji) 12,6

Analyzing the data presented shows that the calorific value is obtained for large strains of sunflower (Table 1). Calorific power values of solid fuels from biomass is much smaller than the classic fuel (calorific value of diesel fuel averaged 42.34 [MJ / kg]. Moisture content is an important feature influencing the physical preservation of biomass burning and the calorific value. In Table 2 are presented humidity at harvest for major solid fuels derived from biomass.

Din analiza datelor prezentate rezultă că puterea calorifică cea mai mare se obŃine pentru tulpinile de floarea soarelui (tab. nr.1). Puterea calorifică a combustibililor solizi din biomasă este mult mai mică decât a combustibililor clasici (puterea calorifică medie a motorinei 42,34 [MJ / kg]. ConŃinutul de umiditate este o caracteristică fizică importantă care influenŃează păstrarea biomasei, procesul de ardere şi puterea calorifică. În tabelul nr.2 sunt prezentate umidităŃile la recoltare pentru principali combustibili solizi obŃinuŃi din biomasă.

Table 2 - Moisture at harvest of the main types of biomass / Umiditatea la recoltare a principalilor tipuri de biomasă

Nr. crt. Fuel Type / Tipul de combu stibil Humidity / Umiditatea

(%) 1. Straw and chaff of cereal grains / Paie şi pleavă de cereale păioase 15÷20 2. Sunflower stalks / Tulpini de floarea soarelui 18÷20 3. Stalks and leaves of maize / Coceni şi frunze de porumb 40÷50 4. Corn cobs / Ciocălăi de porumb 45 5. Haulm soybean / Vreji de soia 16÷19 6. Rope vine / Corzi de viŃă de vie 25 7. Leaves and parcel of sugar beet / Frunze şi colete de sfeclă de zahăr 70÷80 8. Branches of fruit trees / Crengi de pomi fructiferi 22÷28

Conversion of biomass into heat by burning impose fuel moisture values as follows: - maximum humidity of biomass for combustion in

combustion plants classical: 25%; - maximum humidity for biomass combustion

installations burning special: 60%; - optimum moisture biomass for combustion: 7÷10%; - maximum humidity for biomass gasification: 35%; - maximum humidity biomass for processing into pellets

or brighete: 10%. Analyzing data on the moisture that use the combustion of biomass is necessary to dry it. High humidity during biomass burning affect adversely the status of technical combustion plant. Ocean density for solid fuels from biomass and to allow automation of the combustion process is currently used in the conversion of biomass pellets or lighters. PeleŃii are obtained by mărunŃirea sawdust, chip, peel or branches of the tree and pressing tocăturii produced by a mold. The heat resulting from friction înmoaie lignin that binds the cooling dust produced from biomass. As there is no cement used to manufacture pellets, is very important in lignin content of biomass used. Thus the composition of the pellets should not miss waste resinous.

Transformarea biomasei în energie termică prin ardere impune anumite valori ale umidităŃii combustibilului după cum urmează: - umiditatea maximă a biomasei pentru ardere în

instalaŃii de ardere clasice: 25%; - umiditatea maximă a biomasei pentru ardere în

instalaŃii de ardere speciale: 60%; - umiditatea optimă a biomasei pentru ardere: 7÷10%; - umiditatea maximă a biomasei pentru gazeificare: 35%; - umiditatea maximă a biomasei pentru transformare în

peleŃi sau brighete: 10%. Din analiza datelor privind valorile umidităŃii rezultă că pentru utilizarea prin ardere a biomasei este necesară uscarea acesteia. UmidităŃile ridicate ale biomasei din timpul arderii influenŃează negativ starea tehnică a instalaŃiei de ardere. Pentru a mării densitatea combustibililor solizi din biomasă şi pentru a permite automatizarea procesului de ardere în prezent se foloseşte transformarea biomasei în peleŃi sau brichete. PeleŃii se obŃin prin mărunŃirea rumeguşului, aşchilor, crengilor sau cojilor de copac şi presara tocăturii obŃinute printr-o matriŃă. Căldura rezultată în urma frecării înmoaie lignina care prin răcire leagă praful obŃinut din biomasă. Deoarece nu se foloseşte nici un liant pentru fabricarea peleŃilor, foarte important este conŃinutul în lignină al biomasei utilizate. Astfel din compoziŃia peleŃilor nu trebuie să lipsească deşeurile de răşinoase.


89

2.2. Determination of thermal characteristics - phy sical - chemical types of biomass � moisture biomass pellets and agripeleŃilor, which was

conducted using a drying stove (fig. 1), the thermostat at a temperature of 105°C, weighing the material balance analysis (fig. 2) with accuracy of 0.1 mg before and after drying). Humidity average forest biomass analyzed was approximately 16%, while agricultural biomass has a moisture content averaged approximately 22%.

2.2. Determinarea caracteristicilor termo – fizico – chimice pe tipuri de biomas ă � umiditatea biomasei, peleŃilor şi agripeleŃilor, care s-a

efectuat folosind o etuvă (fig.1) termostatată, la temperatura de 105°C, cânt ărind materialele la balanŃa analitică (fig. 2) având precizia de 0,1 mg, înainte şi după uscare). Umiditatea medie a biomasei forestiere analizate a fost de aproximativ 16 %, în timp ce biomasa agricolă a avut o umiditate medie de aproximativ 22 %.

Fig.1 – Drying stove used to determine moisture materials / Etuvă folosită pentru determinarea umidităŃii materialelor

a) b) c Fig. 2 – Aspects of time weighing the evidence to determine calorific value and moisture / Aspecte din timpul cântăririi probelor în vederea determinării puterii calorifice şi a umidităŃii

� volatile substance content, which led to pulling out a

certain quantity of a sample from drying stove, which was introduced in a metallic crucible and weighed and then placed in burning oven of Figure 2 at a temperature of 600°C, leaving it for 30 minutes (or until the release of the volatile). After completing the process of pyrolysis, is the crucible removed from the oven with some gloves and a pair of tongs, cover with lid and weighed again to determine the quantity of volatile released (by difference). Volatile content was calculated as follows:

� conŃinutul de substanŃe volatile, care s-a determinat extrăgând o anumită cantitate dintr-o probă din etuvă, care s-a introdus într-un creuzet metalic şi s-a cântărit iar apoi s-a introdus în cuptorul de calcinare fig 2 la temperatura de 600 °C, lăsându-se timp de 30 de minute (sau până la degajarea completă a volatilelor). După terminarea procesului de piroliză, creuzetul este scos din cuptor cu ajutorul unor mănuşi şi a unui cleşte, se acoperă cu capacul şi se cântăreşte din nou, pentru determinarea cantităŃii de volatile degajate (prin diferenŃă). ConŃinutul de volatile au fost calculate astfel:

[%]100initiala Masa

finala Masa- initiala Masauscata baza in volatile Continut ×= ,

Volatile content in dry matter = (Initial mass - final mass) / Initial mass x 100 [%],

where: the initial mass and final mass as the weighed before and after the pyrolysis

unde: masa iniŃială şi masa finală fiind cele cântărite înainte şi după efectuarea procesului de piroliză;

[%],100

Umiditatea-100uscata baza in volatile Continutumeda baza in volatile Continut ×=

Volatile content in the wet = Volatile content in the dry x (100 - humidity) [%],

Fig. 3 - Determination of the volatile substance and content of inert / Determinarea conŃinutului de substanŃe volatile şi a conŃinutului de inerte


90

� inert content was determined by pulling a certain amount of a sample from drying stove, which was introduced in a metallic crucible was weighed with the analytical balance and undergo a process of combustion, the temperature at 1100°C during the working time to 60 min. After the sample burned completely, the crucible was removed from the oven and weighed;

� fixed carbon content, was determined by difference: Fixed carbon = 100 - (Humidity + Volatile + Incombustible Volatile matter content of inert under dry and fixed carbon content in [%], the types of agricultural and forest biomass determined by difference calculated in question are presented in Table. 3.

� conŃinutul de inerte s-a determinat extrăgând o anumită cantitate dintr-o probă din etuvă, care s-a introdus într-un creuzet metalic, s-a cântărit cu balanŃa analitică şi s-a supus unui proces de combustie, la temperatura de lucru la 1100°C, timpul de timp de lucru la 60 min. După ce proba a ars complet, creuzetul a fost scos din cuptor şi cântărit;

� conŃinutul de carbon fix, a fost determinat prin diferenŃă: Carbon fix = 100 – (Umiditate + Volatile + Necombustibile; ConŃinutul de materii volatile, de inerte în baza uscată, precum şi conŃinutul de carbon fix în [%], pe tipuri de biomasă agricolă şi forestieră determinate respectiv calculat prin diferenŃă sunt prezentate în tabelul nr. 3.

Table 3 - Volatile matter content of the inert solids and the fixed carbon / ConŃinutul de materii volatile, de inerte în baza uscată şi de carbon fix

Type of biomass / Tipul biomasei

Volatile content in the dry / Con Ńinut volatile în baza

uscat ă [%]

Inert content in the dry / Con Ńinut inerte în baza

uscat ă [%]

The fixed carbon / ConŃinutul de carbon fix

[%] Agricultural / Agricolă 73,08 2,7 16,83 Forestry / Forestieră 81,18 1,1 14,47

� lower calorific value was performed using the bomb

calorimetrică Cal k 2 (Figure 4) and consisted of: balance calibration, weighing empty capsule and material with analytical balance with accuracy of 0.1 mg of setting parameters (weight, no. proof) to show results and cooling bomb.

Calorific value of pellets and the material from which they were produced (collected in the various stages of technological flow) had the following: - for pellets in beech + pine (moisture 4.42%): 17.863

[MJ / kg]; - for pellets of oak + pine (moisture 4.55%): 17.513

[MJ / kg]; - for agripeleŃi (11.87% moisture): 15.809 [MJ / kg]; - for sorted sawdust dry milled (moisture 6.5%): 16.837

[MJ / kg]; - for dry sawdust sorted which wasn't milled (moisture

5.2%): 16.744 [MJ / kg]; - for wet pine sawdust from storage (moisture 37.2%):

12.058 [MJ / kg].

� puterea calorifică inferioară s-a efectuat folosind bomba calorimetrică Cal 2 k (figura 4) şi a constat în: calibrarea balanŃei, cântărirea capsulei goale şi cu material cu balanŃa analitică având precizia de 0,1 mg, setarea parametrilor de lucru (masă, nr. probei), afişarea rezultatelor şi răcirea bombei.

Puterea calorifică a peleŃilor şi a materialului din care au fost fabricaŃi aceştia (colectat din diferitele faze ale fluxului tehnologic) a avut următoarele valori: - pentru peleŃii din brad + fag (umiditate 4,42 %):

17,863 [MJ / kg]; - pentru peleŃii din stejar + brad (umiditate 4,55%):

17,513 [MJ / kg]; - pentru agripeleŃi (umiditate 11,87%): 15,809 [MJ/kg]; - pentru rumeguş uscat sortat măcinat (umiditate 6,5%):

16,837 [MJ / kg]; - pentru rumeguş uscat sortat nemăcinat (umiditate 5,2%):

16,744 [MJ / kg]; - pentru rumeguş umed de brad din depozit (umiditate

37,2%): 12,058 [MJ / kg].

a) b)

Fig. 3 – Aspects of the determination of calorific / Aspecte din timpul determinării puterii calorifice a) entering parameters / introducerea parametrilor; b) showing results / afişarea rezultatelor

Gaseous products of combustion are: O2, N2, CO2 si SO2. Experimental results are presented on synthetic forest biomass types in Table. 4.

Produşii gazoşi ai arderii sunt: O2, N2, CO2 si SO2. Rezultatele experimentale sunt prezentate sintetic pe tipuri de biomasă forestieră în tabelul nr. 4.

Table 4 - Experimental results on the types of forest biomass / Rezultate experimentale pe tipuri de biomasă forestieră

Species / Specia C [%] H [%] O [%] N [%] ♦ Oak / Stejar 48,9 5,9 43,1 2,1 ♦ Beech / Fag 48,5 6,3 45,3 - ♦ Ash / Frasin 49,4 6,1 44,5 - ♦ Poplar / Plop 49,7 6,3 44,0 - ♦ Tei / Tei 49,4 6.9 43,1 0,6 ♦ Fir / Brad 49,9 6,4 43,7 -


91

These elements are part of the main constituents of wood and namely: � pulp: 50÷55%; � lignin: 20÷30%; � hemipulp: 25÷30%. and in the secondary such as: � resines: 1÷5%; � mineral substances: 0,2÷1,2%. � tannin, coloring matters, etc. In addition to the main constituents, listed, which are organic in nature, enter into the composition of wood and mineral that forms in the combustion ash. Mineral substances, which represents 0.2÷1.2% by weight of dry wood are: � potassium: 10÷25%; � sodium: 1÷5%; � calcium: 20÷45%; � magnesium: 3÷15%; � manganese oxide: 1÷8%; � iron oxide: 1÷4%; � silicon dioxide: 1÷3%; � phosphoric acid: 2÷10%. Different species composition of wood ash is nearly homogeneous and is characterized on average by the following dates: 35% CaO, 16% Na2O + K2O, 7% MgO, 5% MnO, 3% Fe2O3, 3% Al2O3, 20% CO2, 5% SO3, 4% P2O5, 2% SiO2. Ash wood shows through the harder they fuse, and that does not melt even in the hot parts of the outbreak. Quantity ash wood depends on species (table no. 5) but found that it varies depending on the tree of origin, age, the local conditions of growth. The largest quantity of the resulting shell and leaf.

Aceste elemente fac parte atât din principalii constituenŃi ai lemnului şi anume: � celuloză: 50÷55%; � lignină: 20÷30%; � hemiceluloză: 25÷30%. cât şi din cei secundari cum ar fi: � răşini: 1÷5%; � substanŃe minerale: 0,2÷1,2%. � tanin, materii colorante, etc. În afară de constituenŃii principali, enumeraŃi, ce sunt de natură organică, în compoziŃia lemnului intră şi substanŃe minerale care în urma arderii formează cenuşa. SubstanŃele minerale, care reprezintă 0,2÷1,2% din greutatea lemnului uscat, sunt: � potasiu: 10÷25%; � sodiu: 1÷5%; � calciu: 20÷45%; � magneziu: 3÷15%; � oxid de mangan: 1÷8%; � oxid de fier: 1÷4%; � bioxid de siliciu: 1÷3%; � acid fosforic: 2÷10%. CompoziŃia cenuşii diferitelor specii lemnoase este aproape omogenă şi se caracterizează în medie prin datele următoare: 35% CaO, 16% Na2O + K2O, 7% MgO, 5% MnO, 3% Fe2O3, 3% Al2O3, 20% CO2, 5% SO3, 4% P2O5, 2% SiO2. Cenuşa lemnului se evidenŃiază prin caracterul ei greu fuzibil, şi că, nu se topeşte nici măcar în porŃiunile cele mai fierbinŃi ale focarului. Cantitatea de cenuşă depinde de specia lemnoasă (tabel 5) dar s-a constatat că ea variază în funcŃie de partea arborelui din care provine, de vârsta lui, de condiŃiile locale de creştere. Cantitatea cea mai mare rezultă din coajă şi frunze.

Table 5 - The ash content of wood / ConŃinutul de cenuşă a lemnului

Species / Specia Ashes / Cenuşă [%] Pin / Pin 0,39

Beech / Fag 0,17 Oak / Stejar 0,51

Birch / Mesteacăn 0,39

Calorific values is influenced by rhe wood specie and humidity (table no. 6).

Puterea calorifică este influenŃată de specia şi umiditatea lemnului (tabelul nr. 6).

Table 6 - Calorific values of wood at humidity of 40% and 10% /

Puterea calorifică a lemnului la umiditatea de 40% şi 10%

Wood humitidy / Umiditatea lemnului Calorific values / Puterea calorific ă 40 % 11600 kJ/ kg 10% 16709 kJ/kg

In Table. 7 presents the composition and physicochemical characteristics of agricultural biomass samples analyzed.

În tabelul nr. 7 se prezintă compoziŃia şi principalele caracteristici fizico-chimice ale eşantioanelor de biomasă agricolă analizată.

Table 7 - Physico-chemical characteristics on types of agricultural biomass /

Caracteristici fizico-chimice pe tipuri de biomasă agricolă

Nr. crt. Features / Caracteristici Straw /

Paie

Corn stalk / Tulpin ă de

porumb

Corn cob / Cioc ălăi de

porumb

Remains of flax and hemp / Resturi de in şi

cânepă C mc 50 50 50 51 H mc 6,2 6,2 6,2 6,1 N mc 0,6 0,6 0,6 0,9

1. Chemical composition in relation to fuel mass / CompoziŃia chimică raportată la masa [%]

O mc 43,1 43,1 43,1 41,9 2. Ash from the anhydrous / Cenuşă la starea anhidră 2,7 1,8 2,3 2,1 3. Total sulfur / Sulf total 0,09 0,09 0,09 0,09 4. High calorific / Putere calorifică superioară [KJ/kg] 20,036 20,036 20,036 20,444 5. Lower calorific / Putere calorifică inferioară / [KJ/kg] 15,932 15,932 15,932 16,434


92

CONCLUSIONS Following the analysis of potential biomass (estimated at 15 million tons) solid agricultural and forestry (equivalent to 6 million tons of oil) could be concluded that Romania has sufficient biomass to produce pellets at a industrial raw material being generally scrap agricultural (ca. 63%) and forestry. Exploitation and rational use of their energy production, give the premises needed to cover a significant energy needs necessary domestic and industrial needs, especially in rural areas. Chemical composition of the biomass consists of: lignin (C40H44O6) in the proportion of 15÷30%; cellulose (C6H10O5) in the proportion of 40÷45%; hemi-cellulose in the proportion of 20÷35%. Limits of variation of the three principal components are determined by the species. To manufacture pellets lignin content should be higher. For a high calorific necessary reports O / C and H / C is the lowest. Calorific value of pellets and the material from which they were produced (collected in the various stages of technological flow) ranged from 12.058 to 17.863 MJ / kg, the largest recorded at the lower calorific value between peleŃii of sawdust and agripeleŃi is only 15 MJ / kg (compared to 17 MJ / kg as pellets of sawdust are) ie 9.7% lower. In general, can be used the same equipment peletizarea straw and sawdust, but should be given to the following features straw containing less lignin (15% vs. 25% sawdust), resulting in greater force of friction peletizarea the straw. Burning agripeleŃilor is somewhat difficult because outbreaks zgurificării blockages sacks and smoke. Environmental pollution is higher, because the ash content is 5% (compared to 0.5% if sawdust) and nitrogen content, sulfur, chlorine and potassium were higher due to the use of chemical fertilizers, pesticides and herbicides.

CONCLUZII În urma analizei potenŃialului de biomasă (apreciată la 15 milioane tone) solidă agricolă şi forestieră (echivalentă cu 6 mil. t petrol) s-a putut trage concluzia că România dispune de suficientă biomasă pentru obŃinerea de peleŃi la un nivel industrial, materia primă fiind în general resturi agricole (cca. 63%) şi forestiere. Exploatarea şi utilizarea raŃională a acestora în producerea de energie, conferă premizele necesare acoperirii unei părŃi semnificative a nevoilor energetice necesare nevoilor casnice şi industriale, în special în zonele rurale. CompoziŃia chimică principală a biomasei este formată din: lignină (C40H44O6) în proporŃie de 15÷30%; celuloză (C6H10O5) în proporŃie de 40÷45%; hemi-celuloză în proporŃie de 20÷35%. Limitele de variaŃie a celor trei componente principale sunt determinate de specie. Pentru fabricarea peleŃilor conŃinutul de lignină trebuie să fie cât mai mare. Pentru o putere calorifică ridicată este necesar ca rapoartele O/C şi H/C să fie cât mai mici. Puterea calorifică a peleŃilor şi a materialului din care au fost fabricaŃi aceştia (colectat din diferitele faze ale fluxului tehnologic) a variat între 12,058 şi 17,863 MJ/kg, cea mai mare diferenŃă înregistrată la puterea calorifică inferioară între peleŃii din rumeguş şi agripeleŃi fiind de numai 15 MJ/kg (faŃă de 17 MJ/kg cât are pelete din rumeguş) adică cu 9,7% mai mic. În general, pot fi folosite aceleaşi utilaje pentru peletizarea paielor şi a rumeguşului, dar trebuie acordată atenŃie următoarelor particularităŃi: paiele conŃin mai puŃină lignină (15% faŃă de 25% în rumeguş), rezultând forŃe mai mari de frecare la peletizarea paielor. Arderea agripeleŃilor este ceva mai dificilă din cauza zgurificării focarelor şi a înfundării coşurilor de fum. Poluarea mediului este mai mare, deoarece conŃinutul de cenuşă este de 5% (faŃă de 0,5% în cazul rumeguşului) iar conŃinuturile de azot, sulf, clor şi potasiu sunt mai mari datorită folosirii îngrăşămintelor chimice, a pesticidelor şi erbicidelor.

BIBLIOGRAPHY / BIBLIOGRAFIE [1]. Concluziile PreşedinŃiei Germane a Consiliului European, Bruxelles, 9 martie 2007; [2]. Foaie de parcurs pentru energia regenerabilă” CONSILIUL UNIUNII EUROPENE 16 ianuarie 2007; [3]. Concluziile PreşedinŃiei, Consiliul European 7775/06, 24 martie 2006; [4]. ConferinŃa naŃională a energiei 2004; [5]. Neil Roberts, Schimbarile majore ale mediului, Editura All, Bucuresti, 2003 [6]. Anca Marcu - Managementul deşeurilor şi deşeurilor periculoase – Ghid practic pentru aplicarea corectă a legislaŃiei mediului – 2008, ISSN 1844 – 4431; [7]. Ministerul Economiei si Comertului, Strategia energetică 2007- 2013; [8]. European Commission – EUR 21350 – Biomass – Green energy for Europe, Luxemburg Office for Official Publications of the European comunitiers, 2005; [9]. Doucet Gerald, Energia produsa din surse regenerabile, „Mesagerul Energetic”, nr.41, martie 2005 [10]. HOTĂRÂRE nr. 856 din 16 august 2002 privind evidenŃa gestiunii deşeurilor şi pentru aprobarea listei cuprinzând deşeurile, inclusiv deşeurile periculoase;

[11]. HOTĂRÂRE nr. 349 din 21 aprilie 2005 privind depozitarea deşeurilor; [12]. Danciu A., ş.a - Analiza şi sinteza potenŃialului de resurse de biomasă solidă agricolă şi forestieră la nivel naŃional, regional şi zonal – Referat INMA Bucureşti, 2007; [13]. Danciu A., ş.a - Determinarea caracteristicilor termo-fizico-chimice a tipurilor de biomasă solidă. Proiectarea echipamentelor pentru prelucrarea biomasei agricole şi forestiere în vederea obŃinerii de peleŃi şi agripeleŃi - Referat INMA Bucureşti, 2008; [14]. Masa Rotunda „Sursele regenerabile de energie, intre Directiva Europeana 77/2001 si realitate”, 29 mai 2003, Camera de Comert si Industrie a Romaniei http://www.mangus.ro - Politica energetică a României în perioada 2006-2009. Energie sigură, accesibilă şi curată pentru România; http://www.lusarom.ro - Surse regenerabile de energie; http://www.greenpeace.ro – Energie curată pentru România; http://www. cceei.energ.pub.ro - Strategia energetică 2007-2020; http://www.anre.ro - Surse regenerabile de energie; http://www.cnr-cmr.ro – Consiliul mondial al Energiei.


93

CFD STUDY REGARDING THE MAXIMUM TORQUE VARIATION WI TH WIND SPEED, ON A SAVONIUS TYPE TURBINE

/ STUDIU CFD PRIVIND VARIAłIA CUPLULUI MAXIM CU VITEZA VÂNTULUI, LA O

INSTALAłIE EOLIANĂ TIP SAVONIUS

Ph.D.eng. Edmond MAICAN 1, Ph.D.eng. Sorin- Ştefan BIRI Ş1, Ph.D.eng. Valentin VL ĂDUł2,

eng. Bianca DAVID, Ph.D.eng. Mihai BAYER 1, 1 “POLITEHNICA”University of Bucharest

2 Institutul Na Ńional de Cercetare-Dezvoltare pentru Ma şini şi Instala Ńii destinate Agriculturii şi Industriei Alimentare – INMA Bucure şti

Abstract : Savonius wind turbines can be used as viable energy sources for relatively small stock farms or for other consumers, placed in those areas of the country with small to medium wind speeds. Many studies have shown that the maximum torque developed by these type of turbines corresponds with angles of attack placed between 1100 and 1200, regardless of the buckets’ gap spacing or wind speed. This paper takes advantage of the Ansys CFX (computational fluid dynamics software), which was used to find the wind speed-turbine’s maximum torque graph. The simulation is based on a pseudo-bidimensional parametric model, which was developed in SolidWorks. The paper gives proof of the usefulness and advantages of the CFD analysis in accurate predictions of the turbine’s loading and performance. Keywords : fluid dynamics, CFD, wind turbine, Savonius, Ansys CFX. INTRODUCTION

The permanent scientific concern over global climate change, as well as the aggressive goals for renewable power deployment in response to strong public and political support for clean energy, have fuelled in the last years a remarkable rapid development and implementation of “green” energy technologies. The aim is to reduce this kind of power generation cost in order to make it competitive on the energy market. In this respect, wind power generation systems prove to be suitable, as wind is one of the most abundant pollution free sources. One way to cut costs supposes to permanently improve the existing designs, by means of modern specialized software, which has the ability to simulate more realistically then ever the structure of the turbulent flow. Computational fluid dynamics (CFD) provides a cost-effective and accurate alternative to scale testing, offering the possibility to perform quick variations on the simulation. Judicious interconnection between the computing resources and factors with high impact on simulation process (such as the chosen turbulence model, grid refinement, type of simulation - 2D or 3D, similitude criteria used in scaled simulations etc.) can lead to very reliable and trusty results. MODEL DESCRIPTION The physical model The Savonius rotor prepared for experimentations by Sandia Laboratories and used in the present simulation had the following main geometrical parameters (fig. 1): number of buckets: 2; rotor height (H): 1 m; bucket diameter (d): 0.5 m; gap spacing (s/d): 0.2.

Rezumat : InstalaŃiile eoliene tip Savonius pot reprezenta surse viabile de energie pentru ferme agrozootehnice de dimensiuni relativ reduse sau pentru alŃi consumatori individuali, localizaŃi în zone ale Ńării în care vântul atinge intensităŃi mici şi medii. Studiile arată că aceste turbine dezvoltă un cuplu maxim la unghiuri de atac de 110÷120°, indiferent de gradul de suprapunere al cupelor sau de viteza vântului. În această lucrare se utilizează programul ANSYS CFX de analiză a dinamicii fluidelor, pentru a determina curba de variaŃie a momentului maxim produs de turbină în raport cu viteza vântului. Simularea are la bază un model pseudo-2D, realizat cu programul de modelare parametrizată SolidWorks. Articolul demonstrează utilitatea şi avantajele analizei CFD în determinarea comportării şi performanŃelor instalaŃiilor eoliene. Cuvinte cheie : dinamica fluidelor, CFD, turbina eoliana, Savonius, Ansys CFX. INTRODUCERE

Semnalele tot mai dese trase de comunitatea ştiinŃifică în privinŃa schimbărilor climatice precum şi susŃinerea publică şi politică pentru identificarea unor surse energetice nepoluante, au contribuit în ultimii ani la dezvoltarea şi implementarea susŃinută a tehnologiilor de producere a energiei “verzi”. Se urmăreşte permanent reducerea costurilor care însoŃesc aceste tehnologii, astfel încât ele să devină competitive pe piaŃa energetică. Întrucât vântul reprezintă una dintre cele mai abundente surse nepoluante de energie, instalaŃiile eoliene se încadrează pe deplin în limitările impuse de criteriul financiar. O metodă de a diminua costurile constă şi în optimizarea proiectelor existente prin intermediul unor programe specializate de calcul, care au abilitatea de a furniza rezultate extrem de veridice în ceea ce priveşte structura curgerilor turbulente. Dinamica fluidelor asistată de calculator (CFD) reprezintă o alternativă avantajoasă comparativ cu testarea pe modele experimentale, oferind posibilitatea de a modifica rapid condiŃiile de simulare. Coordonarea resursele de calcul cu factorii care influenŃează timpul de simulare (modelul matematic, tipul simulării - 2D sau 3D, fineŃea gridului, criteriile de similitudine etc.) pot conduce la rezultate de încredere. DESCRIEREA MODELULUI

Modelul fizic Simularea de faŃă are la bază rotorul Savonius utilizat în experimentările efectuate de laboratoarele Sandia, cu următorii parametri constructivi (fig. 1): numărul de cupe: 2; înălŃimea rotorului (H): 1 m; diametrul cupei (d): 0,5 m; suprapunerea cupelor (s/d): 0,2.


94

Figure 1 - Geometrical parameters of the rotor / Parametrii geometrici ai rotorului

This configuration was tested at nominal freestream velocities of 7…28 m/s (for a length scale of 1 m, which is nominally the diameter of the turbine). Experimentations supose to find the static torque produced when the rotor is locked at 1150 relative to the flow (fig. 1). Then, static torque coefficients Cq (eq. 1) will be calculated and plotted as a function of wind speed.

Sq ARq

QC

⋅⋅=

∞

(1)

In this equation, the parameters are: Q – static torque (Nm); R – rotor radius of rotation (R = 0.4512 m); As–turbine swept area (As=0.9023 m2); q∞ – freestream dynamic pressure. This pressure is calculated by means of the following formula:

25.0 ∞∞∞ ⋅⋅= vq ρ (2)

where: ρ∞ - freestream density (ρ∞ = 1.185 kg/m3) v∞ - freestream velocity. So, formula (1) becomes:

2146.4

∞

=v

QCq

(3)

The CFD Model The CFD model replicate the physical one at a scale of 1:1. There are also placed walls at the same distances like the walls of the wind tunnel. However, related hardware like rotor’s frame, fixing cables, stand, was not modeled as there are no data regarding the exact placement and dimensions of these components. A commercial CFD software (ANSYS CFX) which comprises various viscosity turbulence models was used. In the RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) equations, the Reynolds stress tensor is:

∂∂

+∂∂

−⋅=i

j

i

itijji xxνk

vv

3

2vv '' δ

(4)

In this equation, the prime denotes the variable part of the speed, and the overline is the averaged value. The isotropic part of the tensor is 2k/3, where k is the turbulent kinetic energy. The anisotropic part is a function of the turbulent kinetic viscosity νt and the mean strain rate tensor. In the k-ε model, νt depends on the turbulent energy dissipation ε and the turbulent kinetic energy k. Even it is characterized by robustness and reasonable accuracy, when faced with non-equilibrium boundary layers this model tends to predict too late the onset of

Această configuraŃie a fost testată la viteze nominale ale vântului cuprinse între 7 şi 28 m/s (pentru o scară de lungime de 1 m). Se urmăreşte calcularea momentului static maxim, generat când rotorul este blocat la 1150 în raport cu direcŃia vântului (fig.1). Ulterior, se calculează coeficientul momentului static Cq (ec.1) şi se reprezintă grafic variaŃia acestuia cu viteza vântului.

Sq ARq

QC

⋅⋅=

∞

(1)

Parametrii utilizaŃi în acestă ecuaŃie sunt: Q – cuplul static (Nm); R – raza rotorului (R = 0,4512 m); As–aria măturată de rotor (As=0,9023 m2); q∞–presiunea dinamică a curentului de aer. Aceasta se calculează conform relaŃiei următoare:

25.0 ∞∞∞ ⋅⋅= vq ρ (2)

Unde: ρ∞ - densitatea aerului (ρ∞ = 1,185 kg/m3) v∞ - viteza vântului. Aşadar, formula (1) devine:

2146.4

∞

=v

QCq

(3)

Modelul CFD Modelul CFD reproduce modelul fizic la scara 1:1. De asemenea modelul include pereŃi plasaŃi la aceeaşi distanŃă ca şi în cazul tunelului de vânt din experimentările reale. Există însă şi elemente care nu au fost incluse în model (cadrul rotorului, cablurile de fixare), întrucât nu au existat date suficiente privind dimensiunile şi poziŃia acestora. Programul comercial utilizat (ANSYS CFX) dispune de numeroşi algoritmi de modelare a curgerii turbulente. În abordarea RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes), tensorul efortului unitar este determinat cu relaŃia:

∂∂

+∂∂

−⋅=i

j

i

itijji xxνk

vv

3

2vv '' δ

(4)

În această ecuaŃie, apostroful denotă componenta variabilă a vitezei, valoarea medie fiind evidenŃiată prin supraliniere. Termenul izotropic al tensorului este 2k/3, unde k reprezintă energia cinetică turbulentă. Termenul anizotropic depinde inclusiv de viscozitatea cinematică vt. În modelul k-ε, vt depinde de disiparea energiei turbulente ε şi de energia cinetică turbulentă k. Deşi este caracterizat de robusteŃe şi de o acurateŃe rezonabilă, atunci când apar probleme de neechilibru în stratul de separaŃie acest model tinde să prevadă prea


95

separation and to under-predict the amount of separation. This can result in an optimistic machine performance prediction. In the k-ω model of Wilcox (2002) νt is calculated as a function of the turbulence frequency ω and turbulence kinetic energy k. This model is well behaved in the near-wall regions, where low Reynolds number corrections are not required. On the other hand, it is sensitive to the freestream values of ω. Being one of the most effective, the Shear Stress Transport (SST) model of Menter (1994) activates the k-ω model in the near-wall region, and the k-ε model in the outer wake region and in free shear layers. Moreover, the definition of eddy viscosity is modified to account for the transport of the principal turbulent shear stress. Because of its accurate predictions of the onset and the amount of flow separation under adverse pressure gradients, the SST turbulence model was used for the present computations. The inflation process is highly recommended in simulations involving lift, drag or pressure drop in the model. By means of inflation, finite elements were generated starting from the blade surface towards the fluid. As a result, the grid near the turbine’s walls has a smaller grid length scale in the direction perpendicular to the wall (fig. 2). For a good resolution of the solution it is important to have at least 10 nodes in the boundary layer. Inflation was applied with the condition to have a y+ number below 2. The dimensionless wall distance y+, which indicates the fineness of the grid near walls, is based on the distance y from the wall to the first node and the shear stress τω:

νρτ

νω

τyy

y ⋅==+ v

(5)

târziu şi să subevalueze cantitativ fenomenul de separaŃie. Se poate ajunge astfel la o evaluare prea optimistă a performanŃelor instalaŃiei. În modelul k-ω (Wilcox, 2002), νt se calculează în funcŃie de frecvenŃa turbulenŃelor ω şi de energia cinetică turbulentă k. Modelul este adecvat pentru zonele de curgere din apropierea pereŃilor, unde nu sunt necesare corecŃii ale valorilor numărului lui Reynolds. Este sensibil însă la turbulenŃele din zonele de curgere liberă. Modelul SST (Shear Stress Transport) al lui Menter (1994) este unul dintre cele mai eficiente, datorită faptului că activează modelul k-ω în zonele din apropierea pereŃilor şi k-ε pentru zonele (turbulente sau nu) de curgere liberă. Mai mult decât atât, în definirea viscozităŃii turbulente intră şi efortul unitar turbulent principal. În această analiză s-a utilizat modelul turbulent SST datorită acurateŃii cu care poate anticipa apariŃia fenomenului de separare a curgerii si amploarea acestuia. Ca urmare a faptului că intervin forŃe portante, forŃe rezistente şi căderi importante de presiune, în discretizarea modelului s-a utilizat procedeul de inflaŃie (generarea elementelor finite prin expandarea lor dinspre suprafaŃele solide către fluid), obŃinându-se o scară mică de lungime a gridului pe o direcŃie perpendiculară pe turbină (fig. 2). Pentru o rezoluŃie bună a rezultatului, trebuie ca în stratul limită să existe minim 10 noduri. De aceea, s-a impus ca numărul y+ să nu depăşească 2. DistanŃa adimensională y+, măsurată pornind de la perete, este o măsură a fineŃii gridului în apropierea pereŃilor şi se determină pe baza distanŃei y dintre perete şi primul nod şi efortul unitar τω:

νρτ

νω

τyy

y ⋅==+ v

(5)

a) b)

Figure 2 - (a) 2D grid; (b) detail at the tip of the rotor / (a) ReŃea 2D; (b) detaliu la vârful rotorului

The size of the energy containing eddies is specified by means of integral length scale. In the absence of experimental reports, it is recommended to use a length scale based on the size of the object over which flow is moving. Taking into consideration other estimated values mentioned in similar problems and examples (Garg, 2002), it was assumed to be 5% of the swept area diameter, which leads to a rounded value of 4.5 cm. The residence time for the fluid in the domain was chosen as the maximum simulation timescale. The CFD solver will start with a conservative time scale that gradually increases towards the fluid residence time as the residuals decrease. SIMULATION

The simulation was performed on an Intel Core 2 CPU, with 1.66 GHz and 1.0 GB of RAM. In order to establish a very good degree of convergence of the

Pentru a specifica mărimea vortexurilor purtătoare de energie se utilizează scara integrală de lungime. În absenŃa unor rapoarte experimentale, se recomandă să se utilizeze o scară de lungime raportată la mărimea obiectului peste care are loc curgerea. Luând în considerare estimări din studii similare (Garg, 2002), s-a admis o valoare de 5% din diametrul ariei măturate de rotor, ceea ce se traduce printr-o valoare de aproximativ 4,5 cm. Scara maximă de timp a fost asimilată perioadei de rezidenŃă a fluidului în domeniul studiat. Modulul de rezolvare CFD va începe cu o scară de timp conservativă care va creşte gradual până la valoarea maximă, în timp ce valorile reziduale semnificând precizia de calcul descresc. SIMULAREA Simularea s-a realizat pe un sistem dotat cu procesor Intel Core 2 CPU la o frecvenŃă de 1,66 MHz şi cu 1.0 GB memorie RAM. Pentru o bună precizie de


96

solution, a tight target Root Mean Square (RMS) of 5e-6 was established. The CFD software calculates the RMS residual by taking all of the residuals throughout the domain, squaring them, taking the mean, and then taking the square root of the mean.

Even the solver uses a robust formulation that allows accelerated convergence with relatively large timesteps, in case of 2 wind speeds (13, respectively 28 m/s), the resulting convergence behavior was “bouncy”. Up to 3 simulation for each of them were made, with higher grid densities (fig. 2a), variations of timescales and of the RMS residuals (up to 1e-5), until a smooth numerical stability was obtained. For all of them the calculation time and number of iterations were significantly longer than in the other cases. Figure 3 shows velocity gradient around and in close proximity to the rotor’s walls, for 7m/s wind speed. Based on the computed torque, equation 3 was used to calculate the torque coefficient. Table 1 presents the computed results for each wind speed the simulation was performed for.

calcul şi convergenŃă a soluŃiei, s-a adoptat o valoare reziduală medie limită (RMS - Root Mean Square) de 5e-6. Programul calculează valoarea RMS ca rădăcină pătrată din media pătratelor valorilor reziduale de pe întreg domeniul studiat. Deşi algoritmul programului poate accelera convergenŃa chiar şi prin folosirea unor valori mari ale paşilor de timp, în cazul a două viteze ale vântului (13 şi 28 m/s) convergenŃa a avut un caracter instabil, astfel încât a fost necesară efectuarea a câte 3 simulări pentru fiecare caz, cu densităŃi ale gridului din ce în ce mai fine (fig. 2a), variaŃii ale scării de timp şi ale valorii limită RMS (până la 1e-5). De fiecare dată timpul de calcul şi numărul de iteraŃii au fost semnificativ mai mari decât pentru celelalte viteze. Figura 3 prezintă gradientul vitezelor în jurul şi în vecinătatea pereŃilor rotorului, la o viteză a vântului de 7m/s. Pe baza cuplului calculat de program, s-a utilizat ecuaŃia 3 pentru a determina coeficientul momentului static. Tabelul 1 prezintă aceste rezultate pentru diverse viteze ale vântului.

Figure 3 - Velocity gradient around the rotor / Gradientul vitezelor în jurul rotorului

Table 1 - Computed Cq vs. wind speed Nr. crt.

Wind speed (m/s)

Torque (Nm) Cq

1. 7 1.382 0.1169 2. 10 2.914 0.1208 3. 13 5.011 0.1229 4. 16 7.690 0.1245 5. 19 10.958 0.1259 6. 22 14.816 0.1269 7. 25 19.273 0.1278 8. 28 24.326 0.1286

Figures 4 and 5 show the graphical representations of data from table 1. As it was expected, static torque has a permanent ascending trend with wind speed. However, the static torque coefficient will hit a maximum and then its value is expected to decrease. .

Tabelul 1 - Valorile C q în func Ńie de vitez ă Nr. crt.

Viteza vântului (m/s)

Moment (Nm) Cq

1. 7 1.382 0.1169 2. 10 2.914 0.1208 3. 13 5.011 0.1229 4. 16 7.690 0.1245 5. 19 10.958 0.1259 6. 22 14.816 0.1269 7. 25 19.273 0.1278 8. 28 24.326 0.1286

După cum se observă din figurile 4 şi 5 (realizate pe baza valorilor din tabelul 1), momentul static are o tendinŃă ascendentă cu viteza vântului, ceea ce era de aşteptat. Pe de altă parte, coeficientul de moment tinde să atingă un palier, după care valoarea acestuia va scade.

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

0 5 10 15 20 25 30

Wind speed (m/s)

Q (

Nm

)

0.1160

0.1180

0.1200

0.1220

0.1240

0.1260

0.1280

0.1300

0 5 10 15 20 25 30

Wind speed (m/s)

Cq

Figure 4 - Static torque at an angle of attack

of 1150 vs. wind speed / VariaŃia cuplului static la unghiul de atac de 115° cu viteza vântului

Figure 5 - Representation of the static torque coefficient vs. wind speed / VariaŃia coeficientului momentuluistatic cu viteza

vântului


97

In order to find the trend curves for static torque and torque coefficient, there were used a power equation, respectively a 4-th degree polynomial one:

067.20249.0 ∞⋅= vQ (6)

097.010457.41093.2

1041.91045.11324

3648

+⋅+⋅−

⋅+⋅−=

∞−

∞−

∞−

∞−

vv

vvCq (7)

The tare torque in Sandia experimentations was of the order of 0.68 Nm. Supposing that the turbine stays at an angle of attack of 1150, it is now possible to predict the starting wind speed under no load regime. Equation 6 becomes:

068.00249.0 067.2 =−⋅ ∞v (8)

After solving it, it is found that the starting wind speed is v∞=4.95 m/s, which is extremely close to the effective values. The derivative of equation 7 is:

34

2637'

10457.41085.5

1023.281058.4−

∞−

∞−

∞−

⋅+⋅−

⋅+⋅−=

v

vvC q (9)

The solution of this equation for 0' =qC is

v∞=29.4 m/s, which represents the wind speed corresponding to the maximum static torque coefficient, for an angle of attack of 1150. It is however obvious that this value is far away from normal wind speeds and feasible turbine designs. CONCLUSIONS The Savonius type wind turbines are drag-based devices, which mean they rotate due to the difference between the velocity of the air impinging on the blade and the velocity immediately downwind of the blade. The air-flow around the blades is turbulent, so inflation is necessary during the meshing process for boundary layer resolution. With a tare torque of 0.68 Nm, the calculated starting wind speed is v∞=4.95 m/s, which is extremely close to the effective values.

Computed static torque has a permanent ascending trend with wind speed, while the static torque coefficient will hit a maximum when wind speed will reach 29.4 m/s, and then its value is expected to decrease. REFERENCES [1]. Blackwell, B.F., R.E. Sheldahl, L.V., Feltz, 1977. Wind Tunnel Performance Data for Two- and Three-Bucket Savonius Rotors. Sandia Laboratories, Albuquerque, New Mexico, 87115. [2]. Ferreira, C.S., G., Bussel, G., Kuik, 2007. 2D CFD simulation of dynamic stall on a vertical axis wind turbine: verification and validation with PIV measurements. In: 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, Nevada, 8-11 January 2007. [3]. Garg, V.K., 2002. Low-Pressure Turbine Separation Control – Comparison with Experimental Data. NASA/CR-2002-211689. [4]. Johnson, G.L., 2001. Wind Energy Systems (Electronic Edition). Manhattan KS. [5]. Menter, F.R., 1994. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence models for Engineering Applications. AIAA J., 26: 1299-1310. [6]. Wilcox, D.C., 2002. Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries, 2nd Edn. ISBN-10: 192872910X. ISBN-13: 9781928729105.

Pentru a trasa curbele de regresie pentru cuplul static şi coeficientul de moment static, s-au determinat două ecuaŃii: o ecuaŃie putere, respectiv o polinomială de gradul 4:

067.20249.0 ∞⋅= vQ (6)

097.010457.41093.2

1041.91045.11324

3648

+⋅+⋅−

⋅+⋅−=

∞−

∞−

∞−

∞−

vv

vvCq (7)

Momentul rezistent datorat frecărilor din lagăre a fost, în cazul experimentărilor Sandia, de 0,68 Nm. Presupunând că unghiul de atac al rotorului este de 1150, se poate calcula viteza de pornire în absenŃa încărcării. EcuaŃia 6 devine:

068.00249.0 067.2 =−⋅ ∞v (8)

de unde rezultă că viteza de autopornire este v∞=4.95 m/s, valoare foarte apropiată de cele tipice, determinate pentru acest tip de turbine. Derivata ecuaŃiei 7 este:

34

2637'

10457.41085.5

1023.281058.4−

∞−

∞−

∞−

⋅+⋅−

⋅+⋅−=

v

vvC q (9)

SoluŃia acesteia pentru 0' =qC este v∞=29,4 m/s şi

reprezintă acea viteză a vântului pentru care coeficientul momentului static la un unghi de 1150 este maxim. Este însă evident faptul că această valoare se află mult în afara domeniului vitezelor de exploatare şi proiectare a turbinelor. CONCLUZII Momentul de rotaŃie care pune în mişcare instalaŃiile de tip Savonius apare ca urmare a diferenŃei dintre viteza aerului care “împinge” asupra unei cupe şi viteza curentului de aer aflat imediat în spatele cupei. Curgerea din jurul turbinei este turbulentă, astfel încât se impune generarea elementelor finite în stratul limită de separaŃie prin utilizarea inflaŃiei. Considerând un moment rezistent în lagăre de 0,68 Nm, s-a calculat viteza de autopornire v∞=4,95 m/s, foarte apropiată de cele tipice, corespunzătoare acest tip de turbină. Momentul static are o tendinŃă ascendentă cu viteza vântului, în timp ce coeficientul Cq va atinge un palier pentru o viteză a vântului de 29,4 m/s, după care valoarea acestuia se va reduce. BIBLIOGRAFIE [7]. Blackwell, B.F., R.E. Sheldahl, L.V., Feltz, 1977. Wind Tunnel Performance Data for Two- and Three-Bucket Savonius Rotors. Sandia Laboratories, Albuquerque, New Mexico, 87115. [8]. Ferreira, C.S., G., Bussel, G., Kuik, 2007. 2D CFD simulation of dynamic stall on a vertical axis wind turbine: verification and validation with PIV measurements. In: 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, Nevada, 8-11 January 2007. [9]. Garg, V.K., 2002. Low-Pressure Turbine Separation Control – Comparison with Experimental Data. NASA/CR-2002-211689. [10]. Johnson, G.L., 2001. Wind Energy Systems (Electronic Edition). Manhattan KS. [11]. Menter, F.R., 1994. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence models for Engineering Applications. AIAA J., 26: 1299-1310. [12]. Wilcox, D.C., 2002. Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries, 2nd Edn. ISBN-10: 192872910X. ISBN-13: 9781928729105.


98

SOILS MAPPING INFORMATION SYSTEM /

SISTEM INFORMAłIONAL PENTRU CARTAREA SOLURILOR

Dr. eng. V. Muraru, dr. eng. I. Pirn ă, math. P. Cârdei, dr. eng. C. Ionel-Muraru, student T. Ticu - INMA Bucharest, Romania -

Abstract. In the present paper there is presented a modern method of mapping the properties of agricultural soils using mobile sensor platform and NIR spectrophotometer, the latest generation of technology, provided by Veris. Making maps of soil properties is carried out based on data collected in real time from ground, based on spectrophotometry and geo-spatial coordinates, provided by the Global Positioning System (GPS). The soil properties accurately mapped within a field is a challenge for scientists in the field, and for farmers using precision agriculture, also. Using active sensors for soil variability in order to define its variability, together with laboratory calibrations lead to improved accuracy of the maps of soil constituents. On-the-go soil technology can be categorized as: electrical / electromagnetic, optical / radiometric, electro-chemical, mechanical, acoustic and pneumatic. Currently, worldwide there are public policy action that involves measurements of the soil. One of them refers to the identification accuracy isolating carbon levels in soil and hence the need to reduce atmospheric carbon by increasing the amount of carbon stored in soil. This would entail working with farmers to determine the amount of carbon in their soils, requiring accurate measurements to verify the amount of carbon stored. Measurements made to determine changes in levels of carbon from soil is difficult, because increasing the amount of carbon probable (expected) is small relative to the amount of carbon variability within many fields. While farmers may be anxious to collect payments for sequestering C, nitrous oxide emissions from excess nitrogen applied in crop production make agriculture a significant contributor of greenhouse gas emissions. Key words: mapping, soil, spectrophotometer, GPS, soil properties maps INTRODUCTION

Mapping represents action tracking on field and transposition through conventional signs and colors, on topographic maps of the spread and characteristics of various elements in nature (rocks, geological formations, water, soils, etc.).

The soil properties accurately mapped within a field is a challenge for scientists in the field, and for farmers using precision agriculture, also.

Using active sensors for soil variability in order to define its variability, together with laboratory calibrations lead to improve accuracy of the maps of soil constituents.

The active mapping technology of soil can be classified as: electrical / electromagnetic, optical / radiometric, electro-chemical, mechanical, acoustic and pneumatic.

Scientific studies developed in country and abroad have relieved the fundamental role of the soil functions in modification of biodiversity, climate change, environmental protection, promotion and development of agriculture as a conservative form of sustainable agriculture, economic development and prosperity of society.

Soil function of environmental protection is very complex, depending on stability, quality and nature of the macro and microporous soil system.

The porous system of the soil is controlling transport

Rezumat. În prezenta lucrare este prezentată o metodă modernă de cartare a proprietăŃilor solurilor agricole cu ajutorul platformei mobile cu senzori şi a spectrofotometrului NIR, tehnologie de ultimă generaŃie furnizată de Veris. Realizarea hărŃilor cu proprietăŃile solului se realizează pe baza datelor colectate în timp real din sol, pe bază de spectrofotometrie şi a coordonatelor geospaŃiale furnizate de Sistemul de PoziŃionare Globală (GPS). ProprietăŃile solului cartate cu precizie în interiorul unui câmp constituie o provocare atât pentru oamenii de ştiinŃă din domeniu, cât şi pentru fermierii care utilizează agricultura de precizie. Utilizarea senzorilor activi pentru sol în scopul conturării variabilităŃii acestuia, împreună cu calibrările de laborator conduc la îmbunătăŃirea preciziei hărŃilor constituenŃilor solului. Tehnologia activă de cartare a solului poate fi clasificată ca: electrică / electromagnetică, optică / radiometrică, electro-chimică, mecanică, acustică şi pneumatică. În prezent, pe plan mondial exista politici publice de acŃiune care implică măsurători ale solului. Una dintre acestea se referă la precizia identificării nivelurilor izolărilor de carbon în sol şi de aici necesitatea reducerii carbonului atmosferic prin creşterea cantităŃii de carbon stocată în sol. Acest lucru ar presupune colaborarea cu fermierii pentru determinarea cantităŃii de carbon din solurile lor, necesitând măsurători precise pentru verificarea cantităŃii de carbon stocate. Măsurătorile realizate pentru determinarea modificărilor la nivelurile de carbon din sol sunt dificile, deoarece, creşterea cantităŃii de carbon probabilă (presupusă) este mică relativ la cantitatea de variabilitate a carbonului din interiorul multor câmpuri. În timp ce fermierii sunt îngrijoraŃi în privinŃa costurilor pentru izolarea carbonului şi a emisiilor de oxid de azot provenite din fertilizările excesive cu azot ale culturilor, agricultura devine un important furnizor de emisii de gaze cu efect de seră.

Cuvinte cheie: cartare, sol, spectrofotometru, GPS, harta proprietăŃilor solului INTRODUCERE

Cartarea reprezintă acŃiunea de urmărire pe teren şi transpunere prin semne şi culori convenŃionale, pe hărŃi topografice a răspândirii şi a caracterelor diferitelor elemente din natură (roci, formaŃiuni geologice, ape, soluri, etc.).

ProprietăŃile solului cartate cu precizie în interiorul unui câmp constituie o provocare atât pentru oamenii de ştiinŃă din domeniu, cât şi pentru fermierii care utilizează agricultura de precizie.

Utilizarea senzorilor activi pentru sol în scopul conturării variabilităŃii acestuia, împreună cu calibrările de laborator conduc la îmbunătăŃirea preciziei hărŃilor constituenŃilor solului.

Tehnologia activă de cartare a solului poate fi clasificată ca: electrică/electromagnetică, optică / radiometrică, electro-chimică, mecanică, acustică şi pneumatică.

Cercetările ştiinŃifice elaborate atât în Ńară cât şi în străinătate au reliefat rolul fundamental al solului prin funcŃiile acestuia în: modificarea biodiversităŃii, schimbările climatice, protecŃia mediului înconjurător, promovarea şi dezvoltarea agriculturii conservative ca forma a agriculturii durabile, dezvoltarea economica şi prosperitatea societăŃii.

FuncŃia solului de protecŃie a mediului înconjurător este deosebit de complexă, depinzând de stabilitatea, calitatea şi natura sistemului macro şi microporos al solului.

Sistemul poros al solului este cel care controlează


99

processes of solutions to the plant, through reticular mass to groundwater, or surface waters, and which absorbed toxic chemical components, makes this act as a buffer and filtering.

Therefore, permanent monitoring of the soil quality state at farm level, adjustment of chemical fertilizers and correct application of all technological components of farming systems for growing plants are absolutely necessary.

To obtain high yields and good quality, a great importance have chemical fertilizers, which complete the supply of soil nutrients, necessary substances for normal growth and development of plants.

In order to rational application of fertilizer, agricultural chemistry consider that one of its important tasks consist in determination of soil nutrients, soil analysis and especially determining their needs.

Supply of available nutrients from the soil is not represents a stable size, it depends on numerous factors such as soil type, geological origin, soil texture and structure, the biological, climate, etc.

Therefore, accurate determination of the need of chemical fertilizers is done, taking into account all these factors.

Efficiency of using chemical fertilizer depends not only on soil composition, and the particularities of culture nutrition, also.

Between the chemical composition of soil and chemical composition of plants there is a close relationship and this reflects one of the basic principles of biology, that of unity between body and environment in which he lives. Methods used until now have managed to accentuate in plants almost all of the chemical elements of Mendeleev’s table.

Assessment of productive capacity, choosing the most appropriate way to use the land, and cultivation technology based on scientific bases and in relation to the degree of accessibility, contribute to the conservation and sustainable productivity, and thus to increase the resilience capacity the most sensitive and fragile soils, so that improved technological systems have positive synergistic effect. INFORMATION SYSTEM AND MEASUREMENT THROUGH SATELLITE FOR AGRICULTURAL SOILS MAPPING Spectrophotometry

Spectrophotometry is an optical method of analysis used in qualitative analysis and quantitative material known or unknown, pure or impure state, falling into the category of methods for mapping the agricultural soils of last generation. Using measurements taken can determine the presence or absence of various elements or functional groups, and the quantity in which they are subject to material analysis.

Data derived through the spectroscopic measurement is in the form of a graphical representation of energy absorbed or emitted, depending on the position of the electromagnetic spectrum. This chart is called the spectrum.

Spectrometers are being used in commercial agriculture today in milling, forage, meat processing and more. But using them to measure soil properties is relatively new.

Researchers in laboratory settings have found visible and near-infrared reflectance (VIS-NIR) measurements of soil samples correlate to important soil properties such as carbon and nitrogen.

Spectrophotometers move these measurements out to the field, providing a platform for research into soil properties as they vary within a field.

Someday, technology like this may be used to

procesele de transport al soluŃiilor spre plantă prin masa radiculară, spre freatic, sau spre apele de suprafaŃă, şi care, absorbind componenŃii chimici toxici, face ca acest mediu să acŃioneze ca un sistem tampon şi de filtrare.

De aceea, monitorizarea permanentă a stării de calitate a solului, la nivelul fermei, regularizarea consumului de îngrăşăminte chimice şi aplicarea corecta a tuturor componentelor tehnologice ale sistemelor agricole de cultivare a plantelor sunt absolut necesare.

Pentru obŃinerea recoltelor mari şi de bună calitate, o importanŃă deosebită au îngrăşămintele chimice care completează rezerva de substanŃe nutritive ale solului, substanŃe necesare pentru creşterea şi dezvoltarea normală a plantelor.

În vederea aplicării raŃionale a îngrăşămintelor, agrochimia consideră că una din sarcinile ei importante constă în determinarea substanŃele nutritive din sol, analiza solurilor şi mai ales stabilirea necesarului acestora.

Rezerva de substanŃe nutritive accesibile din sol nu reprezintă o mărime stabilă, aceasta depinzând de numeroşi factori, ca de exemplu: tipul de sol, originea geologică, textura şi structura solului, acŃiunea biologică, clima, etc.

Ca urmare, stabilirea corectă a necesarului de îngrăşăminte chimice se face Ńinând seama de toŃi aceşti factori.

EficienŃa folosirii îngrăşămintelor chimice depinde nu numai de compoziŃia solului, dar şi de particularităŃile de nutriŃie ale culturii.

Între compoziŃia chimică a solului şi compoziŃia chimică a plantelor există o legătură strânsă şi acest lucru reflectă unul dintre principiile de bază ale biologiei, acela al unităŃii dintre organism şi mediul în care trăieşte. Metodele de analiză utilizate până in prezent au reuşit să pună în evidenŃă în plante aproape toate elementele chimice ale tabelului lui Mendeleev.

Evaluarea capacităŃii productive, alegerea celui mai potrivit mod de folosinŃă a terenului, ca şi a tehnologiilor de cultivare fundamentate pe baze ştiinŃifice şi în raport cu gradul de pretabilitate sau favorabilitate, contribuie la creşterea şi conservarea durabilă a productivităŃii, şi astfel la sporirea capacităŃii de rezilienŃă a celor mai sensibile şi fragile soluri, aşa încât, sistemele tehnologice îmbunătăŃite au efect sinergic pozitiv.

SISTEM INFORMAłIONAL ŞI DE MĂSURARE PRIN SATELIT PENTRU CARTAREA SOLURILOR AGRICOLE Spectrofotometria

Spectrofotometria este o metodă optică de analiză utilizată atât în analize calitative, cât şi cantitative a materialelor cunoscute sau necunoscute, în stare pură sau impură, încadrându-se în categoria metodelor de cartare a solurilor agricole de ultimă generaŃie. Prin măsurătorile efectuate se poate stabili prezenŃa sau absenŃa diferitelor elemente sau grupări funcŃionale, precum şi cantitatea în care acestea se găsesc în materialul supus analizei.

Datele rezultate prin măsurare spectroscopică sunt sub forma unei reprezentări grafice a energiei absorbite sau emise, în funcŃie de poziŃia din spectrul electromagnetic. Această diagramă poartă numele de spectru.

Spectrofotometrele sunt utilizate astăzi în agricultura comercială: în morărit, furaje, procesarea cărnii, etc., dar utilizarea acestora pentru măsurarea proprietăŃilor solului este relativ nouă.

Cercetătorii au găsit în urma analizelor de laborator măsurători ale reflexiei luminii în spectrul vizibil şi în infraroşu apropiat (VIS-NIR) ale eşantioanelor de sol, care au fost puse în corelaŃie cu importante proprietăŃi ale solului, precum carbonul şi azotul.

Spectrofotometrele efectuează aceste măsurători în câmp, oferind o platformă de cercetare pentru proprietăŃile solului, aşa cum variază acestea în interiorul unui câmp.

Spectrofotometria poate fi utilizată pentru a completa sau


100

augment or replace traditional lab analyses for other soil constituents. All these possibilities require soil research - made possible with tools like the Veris VIS-NIR Spectrophotometer.

When light hits soil, molecules react - they vibrate. This vibration absorbs some of the light -how much light is either absorbed or reflected depends on what’s in the soil. Soil with strong C-H, N-H, and O-H bonds absorb more light, which is why wet soil or soil with high organic matter looks darker, even to the naked eye.

Spectral data, especially in the near-infrared, is even more powerful. The reflectance signature of a spectrum can be used to measure carbon, nitrogen and water content of soil, and relate to some soil chemical properties as well.

Precision measurement of the quantity of carbon may be an additional source of income for farmers. Architecture of information system and measurement through satellite

During soil properties mapping can be used an information system which consists mainly of: - Geostationary satellites - Global Positioning System - GPS or Differential

Global Positioning System - DGPS (correct inaccuracies induced by the GPS system);

- Laptop for recording and processing data collected from the field and for maps of soil properties;

- Mobile Sensor Platform and NIR Spectrophotometru: Temperature sensor Optical sensor Coulters electrodes for electrical conductivity.

- Software for processing data collected from field; - Geographical Information System - GIS (AutoCAD

Civil 3D, ArcGIS, Google Earth); - Software for modeling and simulation of nutrient

requirements (virtual maps with nutrients). Figure 1 shows the architecture of information

system for soils properties mapping.

înlocui analizele de laborator tradiŃionale şi pentru alŃi constituenŃi ai solului, toate acestea necesitând cercetări de sol, posibile cu instrumente performante, precum spectrofotometrul VIS-NIR.

Când lumina loveşte moleculele de sol acestea reacŃionează prin vibraŃii, absorbind o parte din lumina. Cantitatea de lumină absorbită sau reflectată depinde de ce se află în sol. Solurile cu legături puternice de C-H, N-H şi O-H absorb mai multa lumina, motiv pentru care solurile umede sau cele cu un grad ridicat de materie organică arată mai întunecat, chiar şi privite cu ochiul liber.

Datele spectrale, în special cele in infraroşu apropiat sunt chiar mai puternice. Indicarea semnelor de transpunere a reflexiei unui spectru poate fi folosită pentru măsurarea cantităŃii de carbon, azot şi a conŃinutului de apă din sol, cât şi a unor proprietăŃi chimice ale solului.

Măsurarea cu precizie a cantităŃii de carbon poate constitui o sursă suplimentară de venituri pentru fermieri. Arhitectura sistemului informa Ńional şi de m ăsurare prin satelit În procesul cartării proprietăŃilor solului poate fi utilizat un sistem informaŃional care este alcătuit in principal din: - SateliŃi geostaŃionari; - Sistem de PoziŃionare Globală - GPS sau Sistem de

PoziŃionare Globală DiferenŃial - DGPS (corectează inexactităŃile induse de sistemul GPS);

- Laptop pentru inregistrarea şi procesarea datelor colectate din câmp şi pentru realizarea hărŃilor cu proprietăŃile solului;

- Platformă mobilă pentru senzori şi spectrofomometru NIR: � Senzor de temperatură; � Senzor optic; � CuŃite pentru conductivitate electrica.

- Soft pentru procesarea datelor colectate din câmp; - Sistem pentru Informatii Geografice – GIS (AutoCAD

Civil 3D, ArcGIS, Google Earth); - Software de modelare si simulare a necesarului de

nutrienŃi (hărŃi virtuale cu nutrienŃi). În figura 1 se prezintă arhitectura sistemului

informaŃional pentru cartarea proprietăŃilor solului.

Fig. 1 - Architecture of information system and measuring through satellite / Arhitectura sistemului informaŃional şi de măsurare prin satelit

Agricultural soils mapping technology - Veris Veris Technologies Inc., USA have been developed

a spectrophotometer for measurements in the soil. An on-the-go shank collects VIS-NIR measurements at a discrete depth as it traverses across a field. The on-the-go shank collects VIS-NIR measurements (450÷2200 mm) through a sapphire window pressed directly against the soil, at a rate of 20 spectra per second with a an eight nm resolution.

The shank is equipped with six coulter electrodes, which measure soil EC at 0÷30 cm and 0÷90 cm arrays.

Tehnologia de cartare a solurilor agricole Veris Veris Technologies, Inc., USA a dezvoltat un

spectrofotometru pentru măsurători în sol. Cu brăzdarul activ se colectează măsurători la adâncime mică, în mod continuu. Brăzdarul colectează măsurători VIS-NIR (450÷2200 mm) printr-o fereastră cu safire eşantionate direct de pe sol, la o rată de 20 de spectre /secundă cu o rezoluŃie de 8 nm.

Echipamentul efectuează şi măsurători ale conductivităŃii electrice a solului (CE), dispunând de 6 electrozi de cuŃit care măsoară CE a solului în serii de 0÷30 cm şi 0÷90 cm.


101

Fig. 2. Senzor optic / Optical sensor

At the heart of the VIS-NIR system is the optical shoe - the soil-engaging part of the shank.

On the bottom of the shoe is a nitrite-hardened wear plate containing a sapphire window. Inside the intricately machined housing is a tungsten halogen bulb that illuminates the soil through the window, and an optic that directs reflected light into a fiber-optic cable for transmission to the spectrometer.

In front there is a fluted coulter which slices through field residue and cuts a slit in the soil, followed by the shoe with optical sensor.

In partea centrala a sistemului VIS-NIR se află sabotul optic, piesă ce face legătura dintre sol şi brăzdar

In partea de jos a sabotului se află o talpă rigidă ce conŃine o fereastră cu safire. În interior se afla un tub halogen wolfram care luminează solul printr-o fereastră şi un ochi (optic) - receptor care direcŃionează lumina reflectată spre un cablu cu fibre optice pentru transmisie către spectrometru.

În faŃă se află un cuŃit care taie resturile vegetale, realizând o brazdă, fiind urmat de sabotul cu senzorul optic.

Fig. 3 - Echipamentul VIS-NIR în timpul lucrului / Fig. 4 - Detaliu brăzdar cu senzor optic / VIS-NIR shank during work Detail shank with optical sensor

Veris spectrophotometer collecting VIS-NIR measurements at a discrete depth as it traverses across a field. Also, the device can be set as stationary mode in the laboratory for measurements of samples of absorbers (the samples).

Method of determining the properties of soil components using NIRS spectrophotometric method based on infrared spectroscopy.

Spectrofotometrul Veris realizează măsurători de

absorbanŃă ale solului în timp ce este tractat pe câmp. De asemenea, aparatul poate fi setat în modul staŃionar în laborator pentru realizarea măsurărilor de absorbanŃă ale eşantioanelor (mostrelor).

Metoda determinării proprietăŃilor componentelor solului cu ajutorul spectrofotometrului NIRS are la bază metoda spectroscopiei în infraroşu.

Fig. 5 - System diagram / Diagrama sistemului


102

The Veris NIR spectrophotometer is controlled by a PC-based operating system, which ensure instrument control, data-recording, and data standardization functions.

The principal date registered: - Soil reflectance measurements in a wide

range; - Content carbon measurements by

spectral interpretation. The auxiliary data recorded: - Electrical Conductivity Shallow (EC_SH); - Electrical Conductivity Deep (EC_DP); - Soil Temperature.

Spectrofotometrul Veris NIR este controlat de un sistem de operare pe bază de PC, care asigură controlul instrumentului, înregistrarea datelor şi funcŃiile de baza pentru procesarea datelor.

Date principale înregistrate: - Măsurători are reflectantei solului intr-un spectru

larg; - ConŃinut de carbon prin interpretare măsurători

spectrale. Datele auxiliare înregistrate: - Conductivitatea Electrică Superficială; - Conductivitate Electrică de Adâncime; - Temperatura solului.

Fig. 6 - Soil electrical conductivity (EC) coulter- electrod / CuŃite pentru măsurarea conductivităŃii electrice a solului

Fig. 7 - Soil maps - soil carbon content / HărŃi de sol - conŃinutul de carbon din sol

CONCLUSIONS - Precision agriculture gives place to a new

methodology (which is targeted by a new agricultural system) may be one of the keys to sustainable agriculture;

- Favorable development opportunities for precision agriculture:

� ability to understand the complexity of farming systems - a systemic and holistic approach, through precision measurements of soil composition;

� ability to monitoring the phenomena and systems - computer - controlled data acquisition;

� achievements in IT filed: hardware, software and databases allow this approach;

� improvements of interpretations and methods of calculation: statistical modeling, simulation;

� through soil mapping is opening the way of decision support systems for agriculture, based on data collected from the field;

� modern measurements based on spectrophotometry make their appearance in agriculture;

� analysis of soil properties and the role of the nutrients elements for crop growth and agricultural development, are key factors in developing a sustainable agriculture;

CONCLUZII - Agricultura de precizie face loc unei noi metodologii

(aceasta Ńinteşte către un nou sistem agricol) care poate fi una din cheile agriculturii durabile;

- OportunităŃile favorabile dezvoltării agriculturii de precizie: � capacitatea de a înŃelege complexitatea

sistemelor agricole – o abordare sistemică şi holistică prin măsurători de precizie a compoziŃiei solului;

� capacitatea de a monitoriza fenomenele şi sistemele - calculator – achiziŃionarea controlată a datelor;

� realizările in domeniul tehnicii de calcul: hardware, software şi baze de date permit această abordare;

� îmbunătăŃiri ale interpretărilor şi metodelor de calcul: statistică, modelare, simulare;

� prin cartarea solului se deschide calea sistemelor suport de decizie pentru agricultură bazate pe date culese din teren;

� măsurătorile moderne bazate pe spectrofotometrie îşi fac apariŃia şi în agricultură;

� analiza proprietăŃilor solului şi rolul elementelor nutritive pentru creşterea şi dezvoltarea culturilor agricole sunt factori determinanŃi în dezvoltarea unei agriculturi durabile;


103

� analysis of fertilizers for agriculture and their regulate administration will be the basic element in the development of precision agriculture methods in the mapping and distribution of soil nutrients needed;

� the information system for agricultural soils mapping open the way to researches, as base of soil absorbance measurements can determinate other elements of interest in soil composition;

� through mapping, the system may contribute to reduce the emission of greenhouse gases.

� analiza îngrăşămintelor pentru agricultură şi cadrul reglementat al administrării lor va fi elementul de bază în elaborarea metodelor agriculturii de precizie in cartarea si distribuirea nutrienŃilor necesari solului;

� sistemul informaŃional de cartare a solului deschide calea cercetărilor, ca pe baza măsurătorilor de absorbanŃă a solului să se poată determina alte elemente de interes in compoziŃia solului;

� prin cartare, sistemul poate contribui la reducerea emisiei de gaze cu efect de sera.

BIBLIOGRAPHY [1]. E.D. Lund, G. Kweon, C. R. Maxton, P. E. Drummond, “Soil carbon and nitrogen mapping: How these relate to new markets and public policy” [2]. http://www.veristech.com

BIBLIOGRAFIE [1]. E.D. Lund, G. Kweon, C. R. Maxton, P. E. Drummond, “Soil carbon and nitrogen mapping: How these relate to new markets and public policy” [2]. http://www.veristech.com


104

SOME INVESTIGATION OF EFFICIENT FIELD WORK FOR TRAC TOR GUIDANCE SYSTEM

AND SEEDER USING GPS NAVIGATION /

INVESTIGAłII PRIVIND CÂMPUL DE LUCRU EFICIENT PENTRU SISTEMUL DE GHIDARE A UNUI TRACTOR ŞI SEMĂNĂTOARE FOLOSIND NAVIGA łIA GPS

Atanas Atanasov*, Keiichi Inoue**, Valentin Vl ădut***

*University of Rousse, 8 Studentska Str., 7017 Rousse , Bulgaria **National Agricultural Research Center for Hokkaid o Region

Lowland Crop Rotation Research Team, Hitsujigaoka 1 Toyohira-ku, 062-8555 Sapporo, Japan ***National Research - Development Institute for Ma chines and Installations Designed

to Agriculture and Food Industry

Abstract : Some problems of investigation of tractor guidance system and seeder of precision farming using GPS are discussed. A tractor guidance system is developed to support the operator to control the tractor trucking the target line in the field for plowing, fertilizing, pesticide spraying, sowing, harvesting, manuring ,etc. In the system, an alternative integration solution basing on standard 2nd Kalman Filter (KF) [1] algorism was developed. The system not only estimate more accurate real-time data, but also strengthens the state predicting function, considering the delay of the driving operation. The experimental investigations were carried out in experimental fields of National Agriculture Research Center for Hokkaido Region in Japan. A semi-crawler tractor KUBOTA.M90-PC FQ1BMAL, 90PS (66kW) by seeder with work width 2,56 m was used. The method of field experiment includes the next basic steps: measurement the point coordinate of 4 corners of the field, introduction work width of the work machine, distance between the GPS - work machine, outline of the field, a work course. In consequence of the field experiment is competed and evaluated offset error of the design trace line for RTK and DGPS.

Rezumat : In lucrare se prezintă câteva probleme de investigare a sistemului de conducere a tractorului şi de semănat în sistemul agriculturii de precizie folosind GPS. Se dezvoltă sistemul de ghidare pentru a sprijinii operatorul să controleze tractorul în efectuarea operaŃiilor de arat, fertilizat, stropit cu pesticide, semănat, recoltat, aplicat îngrăşăminte, etc. În cadrul sistemului s-a dezvoltat o soluŃie de integrare alternativă pe baza celui de al doilea standard - Filtrul Kalman (KF). Sistemul estimează nu numai datele timpului real cu multă acurateŃe, dar întăreşte şi funcŃia de predicŃie, luând în considerare întârzierea operaŃiei de condus. Au fost efectuate investigaŃii suplimentare în domeniile experimentale ale Centrului NaŃional de Cercetare Agricolă pentru Regiunea Hokkaido, Japonia. S-a folosit un tractor cu semi-şenile KUBOTA M 90 - PC FQ1BMAL, 90 PS (66KW) cu aparat de semănat la o adâncime de lucru de 2,50 m. Metoda experimentului în câmp include următoarele etape de bază: măsurarea coordonatei de poziŃie în cele 4 colŃuri ale terenului, introducerea adâncimii de lucru a maşinii, distanŃa dintre GPS maşină, conturarea terenului, desfăşurarea lucrului. În consecinŃă, după experiment se calculează şi se evaluează o eroare de deviaŃie a liniei traseului proiectat pentru RTK şi DGPS.

Keywords: GPS, Guidance, Navigation, Filtering, Tractor, Seeder, Kalman filter

Cuvintele cheie : GPS, ghidare, navigare, filtrare, tractor, semănătoare, filtru Kalman.

INTRODUCTION

Adaptation and integration to the open and dynamic European market is one of the greatest challenges for Bulgaria as new member of the European Union.

A long-year experiment in the agricultural production, favorable nature factors, rich relief, climate diversity, the lack of serious pollutants are preconditions for successful development of agriculture in the country.

Notwithstanding the good preconditions, during the last years there have been observed also some disturbing tendencies.

The continuous depopulating in the rural regions and olden population in these places, the lack of necessary enough specialists leads to curtly increasing of the need of laboring workers for an unit cultivated area, which turns out to make a substantial influence on the quality of the executed agricultural operations.

The problems of similar kind there can be observed on the Japanese island Hokkaido. The execution of the agricultural operations for a short time interval in an appropriate moment it is difficult due to the changing meteorological conditions on the island. Thus leading to that reason many farmers are obliged to work for a longer time in the proper moment.

The high grade of the mechanized processes of the large scale areas, the lack of enough specialists are

INTRODUCERE Adaptarea şi integrarea într-o piaŃă europeană dinamică şi deschisă este una dintre cele mai mari provocări pentru Bulgaria ca non-membru al Uniunii Europene. Un experiment de un an în producŃia apicolă factori climatici favorabili, un relief bogat, diversitatea climatului, lipsa poluanŃilor severi sunt pre-condiŃii pentru o dezvoltare cu succes a agriculturii în Ńară. Chiar dacă nu negăm pre-condiŃiile favorabile, în ultimii ani au fost totuşi observate unele tendinŃe stânjenitoare. Depopularea continuă din regiunile rurale şi vârsta înaintată a populaŃiei din aceste zone, lipsa de specialişti a dus la creşterea acută a necesităŃii de muncitori agricoli pentru o zonă unitară cultivată care are o influenŃă substanŃială asupra calităŃii operaŃiilor agricole executate. Probleme de acelaşi gen pot fi observate şi în insula Japoneză Hohhaido. Executarea operaŃiilor agricole pentru un interval scurt de timp intr-un moment corespunzător este dificilă datorită condiŃiilor meteoorologice schimbătoarede pe insulă. De aceea, mulŃi fermieri sunt obligaŃi să lucreze pentru o perioadă mai lungă de timp într-un moment potrivit. Gradul înalt al proceselor mecanizate la scară mare, lipsa specialiştilor sunt probleme care duc la


105

problems, leading to the search of new decisions, such as the developments and application of IT technologies for precision execution and management of the mechanized processes, such as the development of simulation models, web-based products and etc.

In accordance to the needs of the farmers, during the recent years an object of investigation of the precision agriculture in Japan is the application and the implementation of GPS guidance systems in the agricultural machines. By the implementation of these systems, the conduction of processes such as, tillage, fertilizing, sowing, and harvesting which have been worked out precisely and effectively [2]. The working data can also be collected more simply and precisely for post economic or other useful analysis. A leading role in the investigation of these systems as integrating DGPS and 3D Gyro sensor in tractor guidance system for precision farming [3] has the department of Agricultural Machinery from the National Agricultural Research Center – Region Hokkaido with a leader Ph.D. Keiichi Inoue. Under his leadership we made mutual experimental investigations with GPS guidance systems and seeder on the territory of the Institute. This paper was focus on the performance evaluation of tractor guidance system by integrating DGPS and Gyro sensor in farm working and evaluated accuracy by comparing with RTK positioning results.

căutarea unor noi decizii, cum ar fi dezvoltarea şi aplicarea de tehnologii IT pentru execuŃia de precizie şi managementul proceselor mecanizate, cum ar fi dezvoltarea modelelor de simulare, a produselor pe bază web, etc. În conformitate cu cerinŃele fermierilor, în timpul ultimilor ani, un obiect de investigare a agriculturii de precizie în Japonia este reprezentat de aplicarea şi implementarea sistemelor de ghidare GPS pentru maşinile agricole. Prin implementare acestor sisteme, procese ca lucratul pământului, fertilizarea, semănatul şi recoltarea sunt efectuate cu precizie [2] şi eficient. De asemenea, datele de lucru pot fi strânse mai uşor şi mai precis prin analiza post-economică sau o altă analiză utilă. Un rol cheie în investigarea acestor sisteme ca DGPS de integrare şi senzor Gyro 3D în sistemul de ghidare a tractorului pentru agricultura de precizie [3] îl are departamentul de maşini Agricole de la Centrul NaŃional de Cercetare-Regiunea Hokkaido - cu conducătorul său - Dr. ing. Keichi Inone. Sub conducerea acestuia, noi am făcut investigaŃii experimentale comune cu sistemele de ghidare GPS şi semănătoarea pe teritoriul institutului. Această lucrare a fost focalizată pe evaluarea performanŃei sistemului de ghidare prin integrarea DGPS şi a senzorului Gyro în muncile agricole şi acurateŃea evaluată prin compararea cu rezultate de poziŃionare RTK.

MATERIAL AND METHOD

Analysis of the problem is based on investigation of tractor guidance system of precision farming using GPS.

The experimental investigations were carried out in 2 experimental fields of National Agriculture Research Center for Hokkaido Region. A semi-crawler tractor KUBOTA.M90-PC FQ1BMAL, 90PS (60kW) by seeder with work width 2,56 m was used Fig.1.

The tractor equipment includes: hardware configuration - highly precise GPS (RTK-GPS, SR530 made in Leica Company, precision 2cm), DG14 receiver of THALES Corporation and 3 axis Gyros (VSAS-2GM) of Tokimec Corporation Fig.3., GPS antennas, notebook computers; software configuration – system software GEOSURF SIZE1000 Fig.2. System software (GEOSURF SIZE 1000) was installed in the notebook computer. There are three parts in the software: data recording, data estimation and graphic user interface (GUI).

Figure 4 shows the flow-chat of the software. The method of field experiment includes the next basic steps: data recording as measurement the point coordinate of 4 corners of the field, introduction work width of the work machine, distance between the GPS - work machine, work form of the field, a work course. Data estimation was to complete data integrating and filtering, various data calculation, such as KF solution, position estimation, navigation data estimation, and farm data designing was also included. The coordination system is used Universal Transverse Mercator system (UTM) coordination or Japan coordination. Figure 5 shows the method of pass planning on the field using system software GEOSURF SIZE1000.

Kalman Filter (KF) solution is the core and basic part in the system. High accuracy real-time vehicle position, velocity, heading angle are necessary to accomplish the purpose of the system. There are three steps in KF solution: 1) Initial alignment, 2) KF Processing, 3) Results Judgment [3]. EXCEL and UTM for data analysis were used.

MATERIAL ŞI METODĂ Analiza problemei se bazează pe investigarea sistemului de ghidare a tractorului pentru agricultura de precizie folosind GPS. Au fost efectuate investigaŃii suplimentare în două câmpuri experimentale ale Centrului NaŃional de Cercetare pentru Regiunea Hokkaido. Un tractor cu semi-şenile RUBOTA M 90 -PC FQ1B MAL, 90 PS (60KW) a fost folosit împreună cu semănătoarea lucrând la o adâncime de lucru de 2,56m (Fig.1). Echipamentul tractorului include: configuraŃia hardware - GPS de mare precizie (RTK-GPS SR 530, făcută de Leica Company, de 2 cm de precizie) dispozitiv de recepŃie DG 14 - CorporaŃia THALES şi senzorul Gyro pe 3 axe (VSAS-2GM) al CorporaŃiei Tokimec, Fig.2, antene GPS, computere notebook; configuraŃie software -sistem software GEOSURF MĂRIMEA 1000 Fig. 3. Sistemul Software (GEOSURF MĂRIMEA 1000) a fost instalat în calculatorul notebook. Există trei părŃi ale software-ului: înregistrarea datelor, estimarea datelor şi interfaŃă grafică a utilizatorului (GUI). Figura 4 arată schema procesului tehnologic a software-ului. Metoda experimentărilot în câmp include următorii paşi de bază: înregistrarea datelor ca şi măsurarea coordonatei de poziŃie a celor 4 colŃuri ale terenului, introducerea adâncimii de lucru a maşinii, distanŃa dintre GPS -maşina lucrat, forma terenului, cursul lucrărilor. Estimarea datelor a constat în integrarea şi filtrarea datelor complete, calcularea diferitelor date, cum ar fi soluŃia KF, estimarea poziŃiei, estimarea datelor de navigare şi a fost inclusă şi proiectarea datelor agricole. Sistemul de coordonare este utilizat în coordonarea sistemului Universal Transverse Mercator (UTM) sau în coordonarea Japoniei. Fig. 5 arată metoda de planificare a trecerilor pe teren folosind sistemul software GEOSURF SIZE 1000. SoluŃia Kalman Filter (KF) este partea centrală şi de bază a sistemului. Pentru a îndeplini scopul sistemului sunt necesare a mare acurateŃe a poziŃiei vehiculului în timp real ca şi viteza şi unghiul de înaintare a acestuia. În soluŃia KF există 3 paşi: 1) Alinierea iniŃială; 2) Procesarea KF; 3) Judecarea rezultatelor [3]. Au fost utilizate: programele EXCEL şi UTM pentru analizarea datelor.


106

Figure 1 - Tractor KUBOTA.M90-PC FQ1BMAL, 90PS (66kW) / Tractor KUBOTA M 90 - PC FQ1 MAL, 90 CP (66KW)

Offset second after

Offset present time

Direction bar

Guidance line

Attitude Velocity

Pitch Roll angle

Figure 2 - GUI of software of guidance system / GUI al software-ului sistemului de ghidare

Figure 3 - Standard guidance system hardware construction /

ConstrucŃia hardware a sistemul de ghidare standard


107

Fig. 4 - Flow-chat of the software of guidance system / Diagrama software-ului sistemului de ghidare

Figure 5 - Charts of the field using system software GEOSURF SIZE1000 / Grafice ale câmpului utilizând sistemul software GEOSURF SIZE1000 /


108

RESULTS AND DISCUSSION An important index for effectiveness in using GPS

tractor guidance system is the determination offset error between tractor track and designed line in the farm.

Some results from the done experimental work are shown on Fig.6, Fig.7, Fig.8, and Fig.9.

Analysing according to the shown on Fig.6 and Fig.7, so this has been ascertained that the average values of the estimated errors at RTK and DG14-GSP are between -0, 5119 m and 1, 99307 m, as in the less small values can be surveyed at RTK. The difference in the achieved errors is comperative in the two cases, as the big declinations in the beginning of the turnings probably are deserved to the inadvertence of the operator while doing the navigation on the designed line in the farm.

For a difference from the results, obtained in field 13, not alike in field 16 the average values of the estimated errors are of less values, as at RTK is 0,277701 m, the while at DG14-GPS is -0,1658 m, with high accuracy for the last. From the results of the experiment, it was shown that combining more accurate real-time positioning data and prediction information, the system could be more reliable and efficient.

REZULTATE ŞI DISCUłII Un indicator important pentru eficienŃa utilizării sistemului de ghidare a tractorului prin GPS este determinarea erorii de deviere dintre traseul tractorului şi linia proiectată în fermă. Unele rezultate sunt arătate în fig. 6 şi fig. 7, fig. 8 şi fig. 9. Analizând în conformitate cu cele arătate în Fig. 6 şi Fig. 7 s-a dovedit că valorile medii ale erorilor estimate la RTK şi DG 14 -GPS sunt cuprinse între 0,5119 şi 1,99307m, având în vedere că RTK poate supraveghea valorile mai mici. DiferenŃa dintre erorile respective este comparativă în cele două cazuri pentru că abaterile mari se datorează probabil inadvertenŃelor săvârşite de operator. Ca o diferenŃă faŃă de rezultatele obŃinute în câmpul 13, valorile medii din câmpul 16, ale erorilor estimate sunt mai mici, pentru că RTK este 0.277701m,în timp ce la DG 14-GPS este de 0.1658m, cu mare acurateŃe pentru cel din urmă. Din rezultatele experimentului s-a arătat că, combinând datele de poziŃionare mai precise în timp real şi informaŃia de predicŃie, sistemul ar putea fi mai fiabil şi mai eficient.

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 5 10 15 20 25 30 35

Longitude(m)

Latit

ude(

m)

Figure 6 -The track of the tractor on the field 13 and design line of driving / Urma tractorului pe terenul 13 şi linia de conducere proiectată

RTK

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160

RTK Y (m)

Offs

et e

rror

(m)

DG

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160

RTK Y (m)

Offs

et e

rror

(m)

Figure 7 -Offset error for RTK and DGPS on the field 13 / Eroare de deviere pentru RTK şi DGPS pe terenul 13

RTK

0

20

40

60

80

100

120

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Longitude (m)

Latit

ude

(m)

DG

0

20

40

60

80

100

120

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Longitude (m)

Lat

itude

(m

)

Figure 8 - The track of the tractor on the field 16 and design line of driving / Urma tractorului pe terenul 16 şi linia proiectată pentru condus


109

RTK

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 20 40 60 80 100

RTK Y(m)

Offs

et e

rror

(m)

DG

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

0 20 40 60 80 100

RTK Y(m)

Offs

et e

rror

(m)

Figure 9 - Offset error for RTK and DGPS on the field 16 / Eroarea de deviere pentru RTK şi DGPS pe terenul 16

CONCLUSIONS

The field experiment results demonstrate that by using KF the GPS system DG14 3D Gyro sensor (3DM-GX1) could provide more precise continuous position data and high accuracy between tractor track and designed line in the farm.

CONCLUZII Rezultatele experimentelor de câmp demonstrează că prin folosirea sistemelor GPS şi KF senzorul Gyro 3D DG 14 ar pute furniza date de poziŃie continue mai precise şi de mare acurateŃe între calea tractorului şi linia proiectată în formă.

ACKNOWLEDGMENTS

Author Atanas Atanasov would acknowledge Dr. Keiichi Inoue for discussing and help on the GPS guidance systems questions.

Author Atanas Atanasov would also like to acknowledge JSPS for postdoctoral fellowship and support for specialization in National Agricultural Research Center – Region Hokkaido

RECUNOAŞTERI Autorul Atanas Atanasov ar dori să recunoască ajutorul oferit de Dr. Keiichi Inoue în problema sistemelor de ghidare GPS. Autorul Atanas Atanasov ar dori să recunoască JSPS pentru bursa postdoctorală şi sprijinul pentru specializarea în Centrul NaŃional de Cercetare Agricolă- Regiunea Hokkaido.

REFERENCE [1.] Kalman, R, E. (1960): “A New Approach to Linear and Predication Problems.” Transaction of the ASME-Journal of Basic Engineering, pp33-45, March, 1960. [2.] Shibusawa, S. (2002): “Precision farming approaches to small-farm agriculture.” Agro-Chemicals Report Vol. II, No. 4, Japan, October - December 2002. [3.] Yun Zhang, Kazuhiro Nii, Masayuki Uchiyama, Keiich Inoue, Integrating DGPS and 3D Gyro sensor in Tractor Guidance System for Precision Farming.

REFERINłE [1] Kalman, R, E. (1960): "O nouă abordare pentru problemele liniare şi de anticipare" Transaction of the ASME - Journal of Basic Engineering, pag. 33-45, Martie 1960. [2] Shibusawa, S. (2002): "Abordări ale agriculturii de precizie pentru agricultura din fermele mici" Agro-Chemicals Report Vol. II, Nr. 4, Japonia, Octombrie-Decembrie 2002. [3] Yun Zhang, Kazuhiro Nii, Masayuki Uchiyama, Keiich Inoue, Integrarea DGPS şi a senzorului giroscopic 3D în sistemul de Ghidare a Tractorului pentru Agricultura de Precizie".


110

INFLUENCE OF AUTOMATION OF THE CONDITIONED EQUIPMEN TS OVER THE WHEAT MILLING PROCESS

/ INFLUENłA AUTOMATIZĂRII ECHIPAMENTELOR DE CONDIłIONAT ASUPRA PROCESULUI

DE MĂCINAT GRÂUL

Dr.Eng. Professor, Gheorghe Br ătucu - Transilvania University of Bra şov -

Abstract: In the paper is emphasized the importance of the hydro - thermal conditioning accuracy of the wheat before milling about the ultimate result of this process. From the results comparing obtained with a partial mechanized installation and another completely automated, whereat the wheat humidity is can be regulated and maintained to optimum values, demonstrate as the efficaciousness of wheat flower extraction increases with almost 2%, especially on the expense of the superior flower types, simultaneously with a energy saving at the milling process with 1,5÷2,0%. If the results are expanded to national level these economies become considerable. Keywords: cereals, conditioning, humectation, milling 1. INTRODUCTION

Wheat is considered as one of the oldest cultivated plant, its grains or wheatear being found in the pharaoh’s tombs or graved on the coins that were used in antic Dobrogea.

From the grinding of the wheat grains results through sieving, wheat flour and bran. The flour is used as prime matter for the preparation of breads and other products, and the bran represents concentrated forage of the best quality used in animal nutrition. Altered wheat grains, which are not used for the manufacture of bread, are used as prime matter for the production of starch, glucose, beer and medicinal alcohol.

The global spreading of wheat has been as result of the chemical composition of the wheat grains in which are found sugars, proteins, fats, mineral substances, vitamins, enzymes, water etc.

In the Figure 1 is presented a section through the corny bean, where it can be remarked the next components: 1 - the pericarp (the cover of the bean); 2 - the aleuronic layer; 3 - the embryo; 4 – the little chin; 5 – the endosperm (the farinaceous layer).

At his torn the pericarp it’s formed from three overlap layers, named epicarp, mezocarp and endocarp.

The endosperm contains the biggest part of bean, presenting the principal source of nutritious matters for the development of the embryo. In the middle of the endosperm are founded big granules of starch which through milling and separating will form the flour.

Depending on the mixing degree of starch from endosperm with the cover cells and with the embryo result the quality of the flour, obtained at the end of the milling process.

The humidity content of wheat is a very important factor that has a great influence upon the storage conditions in the warehouses. At the normal temperature wheat can be kept in good conditions if its humidity is under 13% (11÷11.5%). If the wheat humidity exceeds 14% it starts to develop a series of biochemical processes, that accelerates the wheat’s breathing with production of heat and water, followed by complex fermentation processes that leads to the degradation of the product [1].

Rezumat: În lucrare se evidenŃiază importanŃa preciziei condiŃionării hidro-termice a grâului înainte de măcinare asupra rezultatului final al acestui proces. Din compararea rezultatelor obŃinute cu o instalaŃie parŃial mecanizată şi alta complet automatizată, la care umiditatea grâului se poate regla şi menŃine la valori optime, se demonstrează că randamentul extracŃiei făinii din grâu se îmbunătăŃeşte cu circa 2%, în special pe seama sorturilor superioare, simultan cu o economie de energie la măcinare de 1,5÷2,0%. Dacă rezultatele se extind la nivel naŃional aceste economii devin considerabile. Cuvinte cheie: cereale, condiŃionare, umectare, măcinare

1. INTRODUCERE Grâul este considerat una dintre cele mai vechi

plante cultivate, această cereală fiin descoperită în mormintele faraonilor şi în cetăŃile antice din Dobrogea.

Prin măcinarea grâului rezultă făină şi tărâŃe. Făina se întrebuinŃează ca materie primă la prepararea pâinii şi altor produse, iar tărâŃele reprezintă un furaj concentrat de bună calitate folosit în hrana animalelor. În afara utilizării la fabricarea pâinii, grâul este o materie primă cu largi utilizări la producerea amidonului, glucozei, berii şi alcoolului medicinal.

Răspândirea globală a grâului este rezultatul compoziŃiei sale chimice bogată în zahăr, proteine, grăsimi, substanŃe minerale, vitamine, enzime apă etc.

În figura 1 se prezintă o secŃiune printr-un bob de grâu unde se pot remarca următoarele componente: 1 – pericarpul (învelişul bobului); 2 – stratul aleuronic; 3 – embrionul; 4 – perişorii; 5 – endospermul (stratul făinos).

La rândul său pericarpul este format din trei straturi distincte numite epicarp, mezocarp şi endocarp.

Endospermul formează cea mai mare parte a bobului, reprezentând sursa principală de materii nutritive pentru dezvoltarea embrionului. În mijlocul endospermului se găsesc cranule mici de amidon care prin măcinare şi cernere formează făina.

În funcŃie de gradul de amestec al amidonului din endosperm cu părŃi din înveliş şi embrion rezultă calitatea făinii obŃinută în final în urma procesului de măcinare.

Umiditatea conŃinută în boabele de grâu este un factor foarte important cu influenŃă asupra condiŃiilor de păstrare în depozite. La temperatura normală grâul poate fi păstrat în bune condiŃii dacă umiditatea nu depăşeşte 13% (11…11,5%). Dacă umiditatea grâului depăşeşte 14% în interiorul acestuia se declanşează o serie de procese biochimice, care accelerează încolŃirea germenilor, urmată de fermentare şi degradarea produsului [1].


111

Figure 1 - Section through the wheat bean / SecŃiune prin bobul de grâu

Table 1 - The main chemical components in the structure of the wheat grain /

Principalele componente chimice din structura boabelor de grâu

Grains parts / Componentele bobului

Starch / Amidon

[%]

Proteins / Proteine

[%]

Fats / Grăsimi

[%]

Sugars / Zaharuri

[%]

Cellulose / Celuloză

[%]

Pentozan / Pentozan

[%]

Ash / Cenuşă

[%] Endosperm / Endosperm 100 65 25 65 5 28 20 Cover with aleuronic layer / Învelişul cu stratul aleuronic - 27 55 15 90 68 70

Embryos / Embrion - 8 20 20 5 4 10 Total / Total 100 100 100 100 100 100 100

The chemical components of wheat grains are uneven

spread in its anatomic parts that depending on the wheat kind have the following proportion in their structure:

• endosperm: 12…14%; • the cover with the aleuronic layer: 12…14%; • embryo: 1.4…2.8%.

The main chemical components are spread on the structural anatomic elements as seen in Table 1. This repartition depends on its turn by a series of factors such as: wheat kind; degree of maturity of the grains, soil composition in which the wheat grew climate etc.

An important characteristic of the wheat grains bulk represents the hygroscopicity of these, respectively their capacity of absorption of water vapors. According with the relative humidity of air it tends to stabilize an equilibrium humidity of the wheat grains (between 7.1÷24%).

Depending on the chemical composition, humidity, foreign bodies, degraded grains etc., the wheat destined for breading industry is divided in four quality categories: very good, good, satisfying, unsatisfying. Since in one unit is processed wheat with quality pointers that varies in very large limits to assure through milling finite product with even quality it is imposed the necessity of homogenization of the products mass. The homogenization consists in blending in well established proportions of two or more wheat lots with different quality pointers. The wheat mass obtained after the homogenization operation is called grist load. 2. MATERIAL AND METHOD

The technological processing of the wheat grains with the purpose of obtaining of the wheat flour is based on mechanical separation of the cover layers from the endosperm, through taking in consideration of the physical – mechanical differences of the anatomic components of the grains. For enlarging of these differences and weakening of the cohesion of the cover layers from the core, it is called especially the hydric processing of the grains at determined temperatures.

Through hydro-thermal conditioning of the wheat grains mass it is aimed to grow the total flour extraction, improving of the ash content, lowering of the energetic

Componentele chimice ale boabelor de grâu sunt răspândite diferit în părŃile anatomice ale acestora, în funcŃie de soiul grâului, după cum urmează:

• endosperm: 12…14%; • învelişul cu stratul aleuronic: 12…14%; • embrion: 1,4…2,8%.

ConŃinutul în elemente chimice ale diferitelor părŃi ale structurii anatomice a boabelor de grâu se precizează în tabelul 1. Această repartiŃie depinde de o serie de factori precum: soiul, gradul de maturitate al boabelor, compoziŃia solului, clima etc.

O caracteristică importantă a straturilor formate din boabe de grâu o reprezintă higroscopicitatea acestora, respectiv capacitatea lor de a absorbi vapori de apă. În funcŃie de umiditatea relativă a aerului se manifestă o tendinŃă de echilibru a umidităŃii boabelor de grâu (între 7,1÷24%).

În funcŃie de compoziŃia chimică, umiditate, impurităŃi, boabe degradate etc., grâul destinat pentru panificaŃie se împarte în patru categorii calitative: foarte bun, bun, satisfăcător şi nesatisfăcător. Deoarece într-o unitate se procesează grâu cu caracteristici calitative care variază în limite largi pentru a asigura prin măcinare un produs finit de calitate asemănătoare se impune necesitatea omogenizării masei de produs. Omogenizarea constă în amestecarea în proporŃii bine stabilite a două sau mai multe loturi de grâu cu calităŃi diferite. Masa de grâu obŃinută după omogenizare se numeşte sarcină. 2. MATERIAL ŞI METODĂ

Procesarea tehnologică a grâului cu scopul obŃinerii făinii se bazează pe separarea mecanică a învelişului faŃă de endosperm, prin luarea în considerare a diferenŃelor fizico-mecanice ale componentelor anatomice ale boabelor de grâu. Pentru valorificarea acestor diferenŃe şi slăbirea coeziunii dintre straturile de înveliş şi miez, se recomandă o condiŃionare specială hidrică, la o temperatură a boabelor bine determinată.

Prin condiŃionarea hidro-termică a masei boabelor de grâu se îmbunătăŃeşte procentul total de făină extrasă se reduce conŃinutul de cenuşă, simultan cu un


112

consumption for grinding etc. [2]. If it is considered the reference humidity for the storage

of wheat of 12% it was determined that the cohesion mechanical work between the pericarpical layer and the seminal one of the grain is reduced a lot more when the humidification is made with 3…4% over the standard value.

In relation with the length of the humidification process (resting) it is known that in the first part takes place a drop of the pericarp cohesion compared with the seminal layer after which through redistribution and water penetration in endosperm, cohesion of the pericarp towards the seminal layer is reestablished.

Minimal cohesion of the hypodermic layer of the pericarp cover is observed to be after a certain time that can be estimated by the relation:

consum energetic mai redus pentru măcinare.[2] Dacă se consideră umiditatea de referinŃă pentru

depozitarea grâului de 12% s-a constatat că lucrul mecanic de înlăturare a coeziunii dintre pericarp şi miezul bobului de grâu se reduce mult prin dacă umiditatea creşte cu 3…4% faŃă de valoarea standard specificată.

În legătura cu durata procesului de umidificare (odihnă) se ştie că în prima parte are loc o scădere a coeziunii pericarpului faŃă de stratul seminal după care se redistribuie penetraŃia apei în endosperm, iar coeziunea dintre pericarp şi stratul seminal se restabileşte.

Coeziunea minimă a stratului hipodermic al învelişului pericarpic se obŃin după un timp care poate fi estimat cu relaŃia:

UCt ∆⋅=min [min], (1)

in which: ∆U is the humidification degree, respectively ∆U = Uf – Ui (Uf – final humidity and Ui – initial humidity); C – complex experimental coefficient, that characterize the penetration time of humidity in the wheat grain.

The appropriation process or giving up of water it can be run in two situations: • when the product is place in contact with the humid environment; • when the product is placed in direct contact with the water.

In the first case the absorption – desorption of water is produced as result of hydroscopicity of grains until it reaches the hydric equilibrium with the surrounding environment, and in the second case a strong humidification until a certain level of saturation achived that is dependent of the surrounding environment parameters and is called maximum humidification. The capacity of the material to acquire the maximum humidity is called “soaking or moisture capacity”.

This process can be performed in the presence of the liquid water or with the over saturated vapors. In general the contact between the liquid water and the material is made through sprinkling or direct immersion.

The wheat grains, as biological systems, do not absorb water in a simplest way. During the sorption and desorption processes in the grain takes place a cycle of bio-physical processes enzymatic adjusted. It is normal that the speed of the sorption process and the conditions in which takes place to be other than in the case of desorption (Figure 2).

în care: ∆U este gradul de umidificare, respectiv ∆U = Uf – Ui (Uf – umiditatea finală şi Ui – umiditatea iniŃială); C – coeficient experimental complex, ce caracterizează timpul de penetrare a umidităŃii în bobul de grâu.

Procesul intim de pătrundere a apei în bobul de grâu se poate realiza în două moduri: • când produsul este pus în contact cu un mediu umed; • când produsul este pus în contact direct cu apa.

În primul caz absorbŃia - desorbŃia apei se produce ca rezultat al higroscopicităŃii boabelor până se ajunge la echilibrul hidric cu mediul înconjurător, iar în al doilea caz se face o umidificare puternică până se atinge un anumit nivel de saturaŃie, care este dependent de parametrii mediului înconjurător şi se numeşte umidificare maximă. Capacitatea materialului de a atinge umiditatea maximă se numeşte „capacitate de înmuiere sau de îmbibare”.

Acest proces poate fi realizat prin utilizarea apei sau cu ajutorul vaporilor saturaŃi de apă. În general contactul între apa lichidă şi material se poate face prin stropire sau prin imersie directă.

Boabele de grâu, ca sisteme biologice, nu absorb apa într-un mod simplist. Pe durata proceselor de absorbŃie şi desorbŃie în bobul de grâu un proces ciclic biofizic care se reglează cu ajutorul enzimelor. Este normal ca viteza procesului de absorbŃie şi condiŃiile în care acesta se desfăşoară să fie diferită de cazul procesului de desorbŃie (figura 2).

Figure 2 - The hysterezis of the isotherm of sorption – desorption processes /

Histerezisul procesului izoterm de absorbŃie – desorbŃie

Desorption isotherm is always greater than sorption isotherm, meaning that desorption speed remains behind the sorption speed (sorption hysterezis).

Knowing of these isotherms is necessary for right driving of the humidification process of the wheat grains in order to realize the purpose aimed through grinding of these. Under the theoretical aspect it is used for equilibrium humidification the following relations: � Langmuir relation (monomolecular adsorption):

DesorbŃia izotermă este în toate cazurile mai mare decât absorbŃia izotermă, ceea ce înseamnă că viteza de desorbŃie este mai mică decât cea de absorbŃie (histerezis).

Cunoaşterea acestor izoterme este necesară pentru dirijarea corectă a procesului de umidificare a boabelor de grâu în scopul realizării condiŃiilor de măcinare a acestora. Sub aspect teoretic se utilizează pentru echilibrul umectării următoarele relaŃii; � relaŃia lui Langmuir (absorbŃiei monomoleculare):


113

φφε

+⋅=

kw , (2)

in which: w is the free superficial energy from the grain surface; k –equilibrium constant; φ - relative humidity of air; ε - constant that indicates the maximum water content, in the case of all the groups that bind water in a monomolecular layer; � Thomson relation (sorption of water in capillary condensation):

în care: w este energia liberă superficială de pe suprafaŃa bobului; k – constantă de echilibru; φ - umiditatea relativă a aerului; ε - constantă care indică conŃinutul maxim de apă, în cazul tuturor componentelor care se leagă cu apa la nivel molecular; � relaŃia lui Tomson (absorbŃia apei in vasele capilare):

TRr

V

p

p

⋅⋅= σ2

ln0

, (3)

in which: p is the saturated vapor’s pressure from the free water; p0 – water vapor pressure at the same temperatures at the surface of the hydrated material; σ - water superficial tension; r – the radius of the capillary from the grain; V – molar volume of the liquid; T – temperature at which is realized humidification; R – normal gases constant [3]. Practical solving of the wheat grains conditioning trough humidification in the purpose of grinding is a complex action that supposes an activity ensemble rigorously related, as is: � collecting of information regarding the characteristics of the

grains mass, through installing of proper transducers on the flow;

� processing in real time of the data transmitted from the transducers and sending them back to the humidification installation;

� precise dosing of the water quantity for humidification; � assurance of the uniform and continuum blending of

wheat and water using technical equipments with adjusting possibilities in large limits of the working regimes;

� correlation of resting times with the technological necessities; � leading of the entire process through computers.

In all cases it must be taken in account the economical factor, respectively the quality-cost aspect, including the aspect of total energy consumptions from the processing flow. Simultaneously with the maximum extraction of endosperm trough hydrothermal treatment of the wheat grains there is tendency to modification of the structural-mechanical properties of these with the purpose of decreasing the endosperm resistance and decreasing the energy consumption at grinding, respectively growing the resistance of the covers in order to resist at smashing.

It has to be noted also the fact that the hydrothermal treatment of wheat increases the volume of the grains and modifies in an uneven way the different parts. For example, the most modification is the thickness of the aleuronic layer and the grain volume in ensemble. The thickness of the pericarpic layer and of the seminal one is modified in a smaller measure. These phenomena lead to growing of the humidity gradient and at creation of some great tensions inside the grain. When these tensions go beyond the endosperm resistance micro fissures are formed through which the water enters inside the grain. Also, water enters in endosperm not only through cover but also through embryo.

From the structural – mechanical aspect presents an importance in the grinding process the smashing resistance, hardness of grains and reological properties [4].

At humidity of up to 12.5÷12.8% the grain with the dried cover it presented as a breakable elastic body that at dynamic load breaks with small energy consumption and in a significant measure are grinded the frail covers. At humidity enclosed between 17÷18% the grain acts as an elastic body and that’s why the grinding energy increases and the degree of grinding, especially on the peripheral parts of the grains. In the process of preparation for grinding it is the tendency to assure such humidity of grains that the endosperm will be break up especially at grinding and the

în care: p este presiunea vaporilor saturaŃi din apa liberă; p0 – presiunea vaporilor saturaŃi la aceeaşi temperatură ca cea a suprafeŃei materialului hidratat; σ - tensiunea superficială a apei; r – raza tuburilor capilare ale boabelor; V – volumul molar al lichidului; T – temperatura la care se realizează umidificarea; R – constanta normală a gazelor [3].

SoluŃionarea practică a condiŃionării boabelor de grâu prin umidificare în vederea măcinării este o acŃiune complexă care include un ansamblu de activităŃi riguroase, precum: � colectarea de informaŃii referitoare la caracteristicile

masei de boabe, prin utilizarea de traductoare potrivite în masa de boabe;

� procesarea în timp real a datelor transmise de traductoare şi retransmiterea acestora înapoi către instalaŃia de umectare;

� dozarea precisă a cantităŃii de apă pentru umectare; � asigurarea uniformităŃii şi continuităŃii amestecării între

grâu şi apă prin utilizarea echipamentelor tehnice cu posibilităŃi de reglare în limite largi a regimului de lucru;

� corelarea timpului de odihnă cu necesităŃile tehnologice; � conducerea întregului proces cu ajutorul calculatoarelor.

În toate cazurile trebuie să se Ńină cont de factorul economic, respectiv de aspectul calitate-cost, inclusiv de aspectele legate de consumul total de energie în desfăşurarea procesului.

Simultan cu extracŃia maximă a endospermului prin tratamentul hidro-termic al boabelor de grâu există şi tendinŃa de modificare a proprietăŃilor structural – mecanice cu scopul micşorării rezistenŃei endospermului şi a energiei consumate la măcinare, respectiv creşterea rezistenŃei învelişurilor comparativ cu rezistenŃa miezurilor la strivire.

Trebuie notat, de asemenea, faptul că tratamentul hidro-termic al grâului măreşte volumul boabelor pe care îl modifică in mod diferit la componentele acestuia. De exemplu, cea mai mare modificare se manifestă la grosimea stratului aleuronic şi a volumului bobului în ansamblu. Grosimea straturilor pericarpic şi seminal se modifică în mai mică măsură. Acest fenomen conduce la creşterea gradientului de umiditate şi la crearea unei tensiuni interne mari în bob. Când aceste tensiuni depăşesc rezistenŃa endospermului se formează micro-fisuri prin care apa pătrunde în bob. De asemenea, apa intră în endosperm nu doar prin înveliş ci şi prin embrion.

Sub aspect structural – mecanic prezintă importanŃă pentru procesul de măcinare rezistenŃa la strivire, duritatea grâului şi proprietăŃile reologice [4].

La umidităŃi cuprinse între 12,5÷12,8% boabele cu înveliş uscat prezintă o caracteristică elastică redusă la solicitări dinamice şi se sfărâmă cu consumuri reduse de energie şi intr-o măsură importantă favorizează măcinarea. La umidităŃi cuprinse între 17÷18% boabele se comportă ca şi corpurile elastice şi de aceea energia necesară măcinării şi gradul de măcinare cresc, în special în părŃile periferice ale bobului. În procesul de pregătire pentru măcinare apare tendinŃa de asigurare a umectării boabelor în aşa fel încât endospermul să se sfărâme


114

covers at plastic deformations. The resistance at compression of the layers at a

humidity of the grains of 18% varies between 94÷315 Pa, according to the kind, area of crops etc., while the endosperm resistance at compression is of 17÷37.1 Pa. Along with the growing of the cover resistance grows the energy consumption at grinding but this doesn’t degrades the extraction of intermediary products and the quality of the flour. From this reason, before the first passage of grouts is recommended a humidification of the grains on the surface with 0.3÷0.5%, with a short duration of rest that does not exceeds 30 minutes, so that the water will not have time to penetrate inside the endosperm. Through this humidity of the cover the endosperm humidity is exceeded by 1.5÷1.8 times becoming more elastic but also more resistant at breaking.

On the other hand at processing with water are modified the humidity, the temperature and the volume of the different parts of the grain, which provokes at first a growth of the resistance of these after which appears a relaxation in regard of passing to an equilibrium state. In this purpose it is necessary “the rest” of the grains time in which take place the passing of some particles from the state of elastic deformation in the plastic one. 3. Results and Discussions

At cold conditioning the structural transformations from the grain takes place in the first 6 hours of rest; in the period enclosed between 6÷12 hours are appearing a lot of cracks in the grain, it increases the braking up degree and then is stabilized, for increasing of the humidity until 18% the rest period has to reach 24÷36 hours.

By growing of the temperature at which takes place humidification these processes are intensified and the initial barking favorites the reduction of the stationing time at humidification, as results from Table 2.

uşor la măcinare iar învelişul să se deformeze plastic. RezistenŃa la compresiune a straturilor umidificate la

18% variază între 94÷315 Pa în funcŃie de soi, suprafaŃa bobului etc., în timp ce rezistenŃa la compresiune a endospermului este între 17÷37,1 Pa. În acelaşi timp cu creşterea rezistenŃei învelişurilor creşte şi consumul de energie la măcinare dar aceasta nu influenŃează extracŃia produselor intermediare şi calitatea făinii. Din acest motiv, înainte de prima acŃiune se recomandă o umidificare a boabelor la suprafaŃa acestora cu 0,3÷0,5%, cu o durată scurtă care nu trebuie să depăşească 30 minute, în aşa fel încât apa să nu aibă timp să penetreze endospermul. Prin această umectare a învelişului umiditatea endospermului creşte de 1,5÷1,8 ori devenind mai elastic dar şi mai rezistent la sfărâmare.

Pe de altă parte la procesarea cu apă se modifică umiditatea, temperatura şi volumul diferitelor părŃi ale bobului care provoacă la început o rezistenŃei acestora, după care apare o relaxare în vederea trecerii într-o stare de echilibru. În acest scop este necesar să se asigure un timp de „odihnă” în care are loc trecerea particulelor din starea de deformare elastică în stare de deformare plastică. 3. Rezultate şi discu Ńii

La condiŃionarea al rece transformările structurale din boabe au loc în primele 6 ore de odihnă; în perioada cuprinsă între 6÷12 ore apar multe fisuri în boabele de grâu, creşte gradul de sfărâmare şi apoi se stabilizează, pentru creşterea umidităŃii până la 18% perioada de odihnă trebuie să crească până la 24÷36 ore.

Prin creşterea temperaturii la care are loc umectarea aceste procese se intensifică în straturile superioare şi favorizează reducerea timpului de staŃionare la umectare, după cum rezultă din tabelul 2.

Table 2 - The influence of temperature upon the extraction of intermediary products /

InfluenŃa temperaturii asupra extracŃiei produselor intermediare

Extraction in % at grouts I…III / ExtracŃia în % la grupele I…III

Dimensions / Dimensiuni Conditioning / CondiŃionare

Temperature of the grains /

Temperatura boabelor Large / Mari Middle / Medii Small / Mici

Dunsts / Dunsturi

Total of intermediary products / Totalul

produselor intermediare [%]

Cold / Rece 20…25 35,0 - 25,2 12,9 73,25 35 33,6 17,2 7,7 12,9 71,58 40 32,0 18,4 8,0 12,8 71,31 45 30,6 18,9 8,6 12,5 70,78

Warm / Cald

50 30,0 16,6 8,8 11,0 69,52

It is noted that the intermediary products are almost equal, but the differences of percentage on different levels of processing mean at the end different energy consumptions for grinding.

Based on these elements it can be seen that the humidification process is dependent on a large number of factors and that an empirical humidification can not lead to optimum results from the point of view of the quality of the grinded products and the energy consumption. Modern humidification installations are completely automated such that the water dosing, blending of the grains and penetration of water in the grains is perfectly controlled, according with the characteristics of the prime matter and the quality imposed of the products. Such installation (Agromatic) is presented in Figure 3, comprising an electronic control unit, an electronic weight scale, a dosing unit for water, a measuring panel, temperature sensor, hectoliter scale, capacitive humidity sensor, helicoidally feeder – blender and a water feeding pipe.

Se observă că produsele intermediare sunt aproximativ egale dar diferenŃele dintre procente ale diferitelor niveluri de procesare înseamnă până la urmă diferenŃe între energia consumată pentru măcinare.

Pe baza acestor elemente se poate observa că procesul de umectare depinde de un număr mare de factori şi că o umectare empirică nu poate asigura rezultate optime pentru randamentul şi calitate produselor măcinate şi a consumului energetic.

InstalaŃiile moderne de umectare sunt complet automatizate sub aspectul dozării apei amestecării boabelor şi penetrării apei în boabe, care sunt controlate perfect în concordanŃă cu caracteristicile materiei prime şi calităŃii impuse măcinării. O asemenea instalaŃie (Agromatic) se prezintă în figura 3 şi cuprinde o unitate de control, un cântar electronic, o unitate de dozare a apei, un panou de măsurare, senzori de temperatură, scală hectolitrică, senzori capacitivi de umiditate, transportor elicoidal şi o conductă de alimentare cu apă.


115

Figure 3 - Automated humidification installation for cereals /

InstalaŃie automată pentru umectarea cerealelor

The wheat reaches the electronic weight scale, were it is batched a certain size out of which is collected the data concerning the humidity and temperature. Carrying on the signal are processed and is established the water necessary in order to reach the “target humidity”. The water dosing unit is commanded the necessary quantity, such that through a rigorous blending to assure a final constant humidification, regardless of the variations from the wheat grains mass.

All the phases of the humidification process are controlled by a computer that interferes in real time in the adjusting of the installation, which can not be done in the installation commanded manually.

In Table 3 it is presented the effects of the automation of the humidification conditioning system of wheat upon the quality of the final product.

Grâul ajunge pe cântarul electronic într-o cantitate din care se extrag date referitoare la umiditatea şi temperatura sa. Semnalul este transmis şi procesat şi se stabileşte astfel necesarul de apă pentru a atinge umiditatea optimă. Unitatea de dozare a apei comandă cantitatea necesară după care se face o amestecare riguroasă pentru a se asigura în final o umectare constantă, indiferent de cantitatea de grâu procesată.

Toate fazele procesului de umectare sunt controlate de un computer care comandă în timp real reglajele din instalaŃie, ceea ce nu se poate face într-o instalaŃie comandată manual.

În tabelul 3 se prezintă efectul automatizării asupra sistemului de condiŃionare prin umectare a grâului şi calităŃii produsului final.

Table 3 - The effects of the automation of the humidification conditioning system of wheat upon the quality of the final

product / Efectul automatizării asupra sistemului de condiŃionare prin umectare a grâului şi calităŃii produsului final

Total flour / Total f ăină

Flour / Făină 480 Flour / Făină 650 Flour / Făină 1350 Humidification system / Sistemul de umectare

% Ash /

Cenuşă [%]

% Ash /

Cenuşă [%]

% Ash /

Cenuşă [%]

% Ash /

Cenuşă [%]

Manual / Manual 74,6 0,69 8,49 0,40 58,8 0,65 7,28 1,35 Automated / Automat 76,6 0,65 8,50 0,38 63,0 0,62 5,23 1,30

Besides the general growth of the flour extraction, with

approximately 2% (which is very important) it is determined of an improvement in the flour composition, especially at the 650 category and a decrease of the ash content on each category.

To work at the optimum parameters of all the installation requires to know the principles of operation, the theoretical bases of operation, the building and the adjustments etc. The most complex part of the conditioning is the humidification process, which his performances, depend also on the quality of the previously conditioning and especially of the peeling process.

The rest duration after first humidification is connected directly of the wheat type and this quality, but the must of making of the recopies of grind compel it the specialists to use the average values of respective working duration.

The process of humidification it ken be checked up properly in the case of simple building installation. So the modern equipments assure the exact dosage of the addition water and the mixing efficiency with the beans, with positive consequences as much for the minimization of the resting time as for the rest of the qualitative appearances of the milling process.

The effect of humidification in the case of the hydro-

În afară de creşterea generală a extracŃiei de făină cu aproximativ 2% (ceea ce este foarte important) este determinantă şi îmbunătăŃirea compoziŃiei acesteia, în special la categoriile 650 şi mai mari, la care conŃinutul de cenuşă se reduce.

Pentru a lucra la parametrii optimi ai instalaŃiei este necesar să se cunoască bazele teoretice ale funcŃionării, construcŃiei şi reglajelor etc. Cea mai complexă parte a condiŃionării este procesul de umectare ale cărui performanŃe depind de asemenea de calitatea condiŃionării primare şi în special de procesul de sortare.

Durata de odihnă după prima umidificare este în directă legătură cu tipul şi calitatea grâului, dar formarea reŃetelor de măcinare impune specialiştilor să utilizeze valori aleatorii ale acesteia.

Procesul de umidificare nu poate fi controlat corespunzător in cazul unor instalaŃii simple sub aspect constructiv. Astfel instalaŃiile moderne asigură dozarea exactă a suplimentului de apă şi o amestecare eficientă cu boabele, cu consecinŃe pozitive asupra minimizării duratei de odihnă şi pentru aspectele calitative ale procesului de măcinare.

Efectul umectării în cazul tratamentului hidro-termic


116

thermal treatment of wheat beans, which enforces a complex check of the conditioning process, with the taking in to consideration of vast theoretical and experimental researches.

Because in the milling units are processed cereals with diverse physical-chemical and technological proprieties, for the of a assurance of the qualities of finite product (the flour), its needed for the conditioning trough humectation process to by realized in well determinate conditions, assuring a rigorous check of all the parameters.

To the hydro-thermal processing of wheat beans in the milling units is tended to modified the structurally-mechanics proprieties of the anatomic parts of the wheat beans, for a much better separation of this in the milling process, in the aim of: maxims extraction of endosperm, resistance reduction of the endosperm for the decrease of the consumption of energy at the grinding process and increasing the cover resistance, the biochemical characteristics modification of the beans in the aim of increasing the flour quality.

al boabelor de grâu impune un control complex al procesului de condiŃionare, cu luarea în considerare a unor cercetări teoretice şi experimentale vaste.

Din cauză că în unitatea de măcinare se procesează cereale cu proprietăŃi fizico-chimice şi tehnologice diverse, pentru asigurarea unei calităŃi impuse a produsului finit (făinii), este necesar pentru condiŃionarea prin umectare să se realizeze condiŃii bine determinate şi asigurarea uni control riguros al tuturor parametrilor.

La procesarea hidro-termică a grâului în unităŃile de măcinare există tendinŃa să se modifice proprietăŃile structural mecanice ale părŃilor anatomice ale boabelor de grâu, pentru o mai bună separare a acestora în procesul de măcinare, cu scopul extracŃiei maxime a endospermului, reducerea rezistenŃei endospermului pentru scăderea consumului de energie a procesului de măcinare şi creşterea rezistenŃei învelişului, modificarea caracteristicilor biochimice a boabelor în vederea creşterii calităŃii făinii.

4. CONCLUSIONS � Conditioning of the wheat grains mass includes operations

of elimination of the impurities, uncovering, humidification etc., that are reciprocally conditioned when it is wanted the obtaining of a superior quality of the products.

� Wheat conditioning through humidification is a complex process that provokes in the grain special mechanical and biological processes that influences both the flour extraction percent and the general energy consumption for grinding.

� The large number of factors involved in the humidification process imposes the automation of this operation and it’s driving through computer.

� By using the automated dosing system of water and the uniform blending of these in the grain’s mass was stated a growth of the extracted flour percent with about 2 %, simultaneously with the reduction up to 1/3 of the rest time of the humidification wheat.

4. CONCLUZII � CondiŃionarea masei de boabe de grâu include

operaŃii de eliminare a impurităŃilor, decojire, umectare etc., care se condiŃionează reciproc când se doreşte obŃinerea unei calităŃi superioare a produselor.

� CondiŃionarea grâului prin umectare este un proces complex ce provoacă în boabe modificări mecanice şi biologice ce influenŃează procentul de extracŃie al făinii şi consumul general de energie pentru măcinare.

� Numărul mare de factori care intervin în procesul de umectare impun automatizarea acestei operaŃii şi conducerea ei cu calculatorul.

� Prin utilizarea sistemului de dozare automată cu apă şi amestecării uniforme a acesteia în masa de boabe se măreşte procentul de extracŃie a făinii cu circa 2% simultan cu reducerea de până la 1/3 a timpului de odihnă necesar umectării.

REFERENCES / BIBLIOGRAFIE [1]. Banu, C. and coll.: Manualul inginerului din industria alimentara, vol. II, Technical Publishing Company, Bucharest, Romania, 1999. [2]. Brătucu, Gh.: Researces Concerning the Influence of the Hidrical Conditioning of the Seeds Regarding the Processes Performances of the Wheat Milling, in Bulletin INMATEH III – 2006, p. 183-190, Bucharest, Romania, ISSN 1583-1019.

[3]. Brătucu, Gh., Lupea ,D.: Aspecte privind conditionarea prin umectare a graului in vederea macinarii, in Bulletin of ISBTeh – 2002, p. 174-177, Bucharest, Romania, ISBN 973-685-410-8. [4]. Brătucu, Gh., Lupea ,D., Istrate, A.M.: Automatizarea proceselor de umectare a graului destinat producerii fainii, in Magazine “Mecanizarea Agriculturii”, no. 2/2004, p. 28-31, Bucharest, Romania.


117

RESEARCHES CONCERNING THE SOLAR ENERGY UTILIZATION TO THE CONSERVATION THROUGH DRYING OF THE FRUITS AND VEGETABLES

/ CERCETĂRI PRIVIND UTILIZAREA ENERGIEI SOLARE LA CONSERVARE A PRIN USCARE A

LEGUMELOR ŞI FRUCTELOR

Dr. Professor Gheorghe Br ătucu PhD. Student Ionu Ń CăpăŃînă

- Transilvania University of Bra şov -

Abstract: In the paper is demonstrated as through the relative simple and cheap solar installations utilization is can be preserved through drying in the summer-autumn periods some types of fruits and vegetables, which can be used in the cold periods or in different culinary recopies. The special foils of black color assure the necessary temperature for products controlled drying and with the help of photovoltaic panels is assured the motion of the air in the installation. For automation are necessary temperature and humidity transcribers, to command the operation at the necessary regimes of the fans. Keywords: vegetables and fruits, drying conservation, solar energy.

Rezumat: În lucrare se demonstrează că prin utilizarea unor instalaŃii relativ simple şi ieftine se pot conserva prin uscare în perioadele de vară-toamnă unele legume şi fructe, care apoi să fie valorificate în perioadele reci sau în diferite reŃete culinare. Foliile speciale de culoare neagră asigură temperatura necesară uscării controlate a produselor, iar cu ajutorul unor panouri fotovoltaice se asigură antrenarea ventilatoarelor care asigură mişcarea aerului în incinta instalaŃiei. Pentru automatizare sunt necesare traductoare de temperatură şi umiditate care comandă funcŃionarea la regimurile necesare a ventilatoarelor. Cuvinte cheie: legume şi fructe, conservare prin uscare, energie solară.

1. INTRODUCTION

The conservation through drying of the vegetables and fruits it had a big tradition in Romania, the respectively products constituting an important part from the population food (mostly the one from rural environment) in the cold season. The respective drying it was made through methods and with the help of simple equipments, in which the solar energy have an important role. In the last half of century the peoples preferred the fresh vegetables and fruits, which can be procured, sometimes to bigger prices, on all the year. The vegetables and fruits continued to be conserved through dehydration in complex equipments with bigger energy consumption, a series of vegetables which enter into the instant soups composition or are sporadic delivered to the markets for direct consumption [1].

A new situation appeared after 1990 when the orchards and the vegetables gardening came back in to the private property of some little farmers. The product excess from the warm period disadvantages them through the little prices on the market. For this reason the conservation of a part from the vegetables and fruits can be useful for them, but the acquisitioning and the utilization of classic equipments for conservation (through drying or through another procedure) is near impossible for the little farmers. An interesting and accessible view it can be represented by the utilization of solar energy to the vegetables and fruits drying, as part of some simple equipments but designed and build on the strength of solid knowledge from this area [2].

The essential elements which must be taken in to consideration in this case are: � the local climatic factor (solar radiation, temperature, air

humidity, dominant wind direction etc.); � the physical-chemical features of the vegetables and

fruits destined to conservation (sizes, form, water content, aroma, color, enzymes etc.);

� the amount of products which must be conserved; � the technology which must be followed to obtain

products of superior quality; � the elaboration of a rigorous mass and energetic balance

for the proper designing of the equipment, with restrictions regarding the maximum admissible temperature (< 70oC for vitamins preservation) and the process duration (maximum 3 days to parry the products) [3].

1. INTRODUCERE Conservarea prin uscare a legumelor si fructelor

a avut o tradiŃie valoroasa in România, produsele respective constituind o parte importantă din hrana populaŃiei (mai ales cea din mediul rural) în sezonul rece. Uscarea respectivă se făcea prin procedee şi cu ajutorul unor instalaŃii simple, în care energia solară avea un rol important. În ultima jumătate de secol populaŃia a preferat legumele şi fructele proaspete, care se pot procura, uneori la preŃuri mai mari, pe tot parcursul anului. Au continuat să fie conservate prin deshidratare în echipamente complexe mari consumatoare de energie, o serie de legume care intră în compoziŃia supelor instant sau se livrează sporadic pieŃei pentru consum direct [1].

O situaŃie nouă a apărut după 1990 când pomicultura şi legumicultura au revenit în proprietatea privată a unor mici producători. Excesul de produse din perioada caldă îi dezavantajează pe aceştia prin preŃurile mici de pe piaŃă. Din acest motiv conservarea unei părŃi din producŃia respectivă ar fi benefică pentru aceştia, dar procurarea şi utilizarea unor echipamente clasice de conservare (prin uscare sau prin alte procedee) este aproape imposibilă pentru micii producători. O perspectivă interesantă şi accesibilă ar putea să o reprezinte utilizarea energiei solare la uscarea legumelor şi fructelor, în cadrul unor instalaŃii simple dar proiectate şi executate pe baza unor cunoştinŃe temeinice din acest domeniu [2].

Elementele esenŃiale de care trebuie să se Ńină seama în caz sunt: � factorul climatic local (radiaŃia solară, temperatura,

umiditatea aerului, vântul dominant etc.); � caracteristicile fizico-chimice ale legumelor şi fructelor

care se conservă (dimensiuni, formă, conŃinutul de apă, aromă, culoare, enzime etc.);

� cantitatea de produse care trebuie conservate; � tehnologia care trebuie urmată pentru obŃinerea unor

produse de cea mai bună calitate; � întocmirea unui bilanŃ riguros de masă şi energie pentru

dimensionarea echipamentului, cu restricŃii referitoare la temperatura maximă admisibilă (< 70oC pentru păstrarea vitaminelor) şi la durata procesului (maximum 3 zile pentru a se evita degradarea produselor).[3]


118

2. MATERIAL AND METHOD ♦ Climatic factor

On a square meter of surface, to the ground level around the parallel of 45o, which passes through Romania, it can be captured yearly( 500÷ 700) 103 kcal, what represents 75÷100 kg c.c, equivalent with 45÷70 kg oil, 50÷80 m3 natural gases or 200÷250 kg lignite.

In the case of conversion in electric energy, from the average annual energy disposable to the ground surface, of 800÷1500 kWh/m2year, it can be captured between 30÷150 kWh/m2year depends on the used technically solutions.

In figure 1, the Romanian territory contains 5 zones of sunlight: � Zone 0 – with < 2250 sunny hours/year; � Zone I - with 2250÷2100 sunny hours/year; � Zone II - with 2100÷1900 sunny hours/year; � Zone III - with 1900÷1800 sunny hours/year; � Zone IV - with < 1800 sunny hours/year.

It must be tacked into consideration the situations of partial sunlight or without sunlight, in which the solar radiation is substantial, reduced. These elements are useful for the global and direct solar radiation settlement, on the strength of which it can be drawn up correct energetically balances.

The values of some climatic parameters as the: monthly annual averages of the air temperature, of the solar radiation, of the wind speed and the average number of hours in which the sun is glowing in a month period has an influence over the value of the energetically potential of a region at one time.

2. MATERIAL ŞI METODĂ ♦ Factorul climatic

Pe un metru pătrat de suprafaŃă, la nivelul solului în jurul paralelei de 45o, care trece prin România, se pot capta anual (500÷700)·103 kcal, ceea ce reprezintă 75÷100 kg c.c, echivalent cu 45÷70 kg petrol, 50÷80 m3 gaze naturale sau 200÷250 kg lignit.

În cazul conversiei în energie electrică, din energia medie anuală disponibilă la suprafaŃa solului, de 800÷1500 kWh/m2an, se pot capta între 30÷150 kWh/m2an, în funcŃie de soluŃiile tehnice folosite.

Conform figurii 1, teritoriul României cuprinde 5 zone de însorire: � zona 0 – cu > 2250 ore însorite/an; � zona I – cu 2250÷2100 ore însorite/an; � zona II – cu 2100÷1900 ore însorite/an; � zona III – cu 1900÷1800 ore însorite/an; � zona IV – cu < 1800 ore însorite/an.

În plus trebuie să se Ńină seama şi de situaŃiile de însorire parŃială sau fără soare, în care radiaŃia solară se diminuează substanŃial. Aceste elemente servesc la stabilirea radiaŃiei solare globale şi directe, pe baza cărora se pot întocmi bilanŃuri energetice corecte.

Valorile unor parametri climaterici precum: mediile lunare multianuale ale temperaturii aerului, ale radiaŃiei solare, vitezei vântului şi numărul mediu de ore în care soarele străluceşte în decurs de o lună influenŃează valoarea potenŃialului energetic al unei zone la un moment.

Figure 1 - Energetic solar potential on the Romanian territory / PotenŃialul energetic solar pe teritoriul României

For the computation of the solar global daily radiation (Iza) is used the relation proposed of Duffis and Beckman:

Pentru calcularea radiaŃiei solare globale zilnice (Iza) se utilizează relaŃia propusă de Duffis şi Beckman:

⋅⋅⋅+⋅⋅⋅

⋅⋅+⋅⋅= δϕπδϕπ

sinsin360

2sincoscos

265

360cos33.01

24 rrsza

tt

nCI , (1)

in which: Iza – The medium daily radiation out of the atmosphere, in W/m2·day; Cs – the solar constant: Cs=1353 W/m2·day; n – the considered day of the year (the first day being 1 January); φ – the place latitude, in degrees; δ – the place the n day of the year declination, in degree; tr – the hour angle corresponding to the sunrise, in degrees.

For the 45° north latitude which pass trough the middle of the Romania, trough the utilization of the relation (1) war obtained the values presented in table 1.

unde: Iza – radiaŃia medie zilnică în afara atmosferei, în W/m2·zi; Cs – constanta solară: Cs=1353 W/m2·zi; n – ziua din an considerată (prima zi fiind 1 Ianuarie); φ – latitudinea locului, în grade; δ – declinaŃia locului şi zilei n din an, în grade; tr – unghiul orar corespunzător răsăritului soarelui, în grade.

Pentru latitudinea de 45° nord care trece prin mijlocul României, prin folosirea relaŃiei 1 s-au obŃinut valorile prezentate în tabelul 1.


119

Table 1 - Medium daily solar radiation on the Romanian territory /

RadiaŃia solară zilnică medie pentru teritoriul României

Month / Luna 15.I 15.II 15.III 15.IV 15.V 15.VI Iza,W/m2·day 3278 4786 6823 9095 10789 11513

Month / Luna 15.VII 15.VIII 15.IX 15.X 15.XI 15.XII

Iza,W/m2·day 11167 9799 7693 5443 3653 2883

For the dimensioning calculus are recommended the average values measured of the global daily solar radiation on clear skies, on horizontal plans(IGzs) for every day 15 from each months, in W/m2·day (table 2).

Pentru calculele de dimensionare se recomandă valorile medii măsurate ale radiaŃiei solare globale zilnice pe cer senin, pe plan orizontal (IGzs) pentru data de 15 a fiecărei luni, în W/m2·zi (tabelul 2).

Table 2 - Average values of the solar radiations in Romania / Valori medii ale radiaŃiei solare în România

Measured values / Valori m ăsurate

Calculated values / Valori calculate

Final values / Valori definitive Month /

Luna IGzsm % IGzs % IGzs %

I 2330 3.48 2240 3.60 2394 3.67 II 4080 6.10 3170 5.08 3459 5.41 III 6040 9.03 5145 8.27 4986 7.79 IV 7235 10.81 6720 10.79 6711 10.49 V 8100 12.10 7715 12.38 8023 12.54 VI 8480 12.69 8515 13.67 8595 13.44 VII 8085 12.08 8040 12.90 8325 13.01 VIII 7230 10.80 6625 10.63 7254 11.34 IX 6005 8.97 5400 8.66 5628 8.79 X 4220 6.31 3980 6.39 3947 6.17 XI 3040 4.54 2765 4.44 2639 4.11 XII 2070 3.09 1990 3.19 2061 3.22

From the analysis of global daily solar radiation values measured on clear ski day on horizontal plan (IGzsm), of the global daily final solar radiation (IGzs) and of the solar average daily radiation from out of the atmosphere (Iza) is justified the adoption of the definitive values suggested in the table 2.

In table 3 are presented the rapports between global daily solar radiations measured on clear ski day (IGzsm), respectively global daily final solar radiation (IGzs) and the daily average solar radiation from out of the atmosphere.

Din analiza valorilor radiaŃiei solare globale zilnice măsurate pe zi senină pe plan orizontal (IGzsm), ale radiaŃiei solare globale zilnice definitive (IGzs) şi ale radiaŃiei solare medii zilnice din afara atmosferei (Iza) se justifică adoptarea valorilor definitive propuse în tabelul 2.

În tabelul 3 se prezintă rapoartele dintre radiaŃiile solare globale zilnice măsurate pe zi senină (IGzsm), respectiv radiaŃia solară globală zilnică definitivă (IGzs) şi radiaŃia solară medie zilnică din afara atmosferei.

Table 3 - Characteristics of the solar radiation / Caracteristici ale radiaŃiei solare

Day / Data 15.I 15.II 15.III 15.IV 15.V 15.VI IGzsm, W/m2·day 2330 4080 6040 7235 8100 8490 IGzs, W/m2·day 2394 3459 4986 6711 8023 8595 Iza, W/m2·day 3278 4786 6823 9095 10789 11513 IGzsm / Iza 0.711 0.852 0.885 0.795 0.751 0.737 IGzs / Iza 0.717 0.723 0.731 0.738 0.744 0.746 Day, Data 15.VII 15.VIII 15.IX 15.X 15.XI 15.XII IGzsm, W/m2·day 8085 7230 6005 4220 3040 2070 IGzs, W/m2·day 8325 7254 5628 3947 2629 2061 Iza, W/m2·day 11167 9799 7692 5443 3653 2883 IGzsm / Iza 0.724 0.730 0.781 0.775 0.832 0.718 IGzs / Iza 0.745 0.740 0.732 0.725 0.720 0.715

For the efficient utilization of solar energy is needed to known also the diffuse daily radiation of which values measured on the ground level around the parallel of 45o are presented in table 4. .

Pentru utilizarea eficientă a energiei solare este necesar să se cunoască şi radiaŃia difuză zilnică ale cărei valori măsurate la nivelul solului în jurul paralelei de 45o

sunt prezentate în tabelul 4.


120

Table 4 - Characteristics of diffuse daily solar radiation (Idzs) and measured diffuse solar radiation (Idzsm) / Caracteristici ale radiaŃiei solare difuze (Idzs) şi radiaŃiei solare difuze măsurate (Idzsm)

Day / Data 15.I 15.II 15.III 15.IV 15.V 15.VI Idzs, W/m2·day 564 697 928 1186 1378 1452 IGzs, W/m2·day 2349 3459 4986 6711 8023 8595 Idzs / IGzs 0.240 0.201 0.185 0.177 0.171 0.169 Idzsm, W/m2·day 430 735 1015 1065 1160 1426 IGzsm, W/m2·day 2330 4080 6040 7235 8100 8490 Day, Data 15.VII 15.VIII 15.IX 15.X 15.XI 15.XII Idzs, W/m2·day 1410 1251 1035 787 583 515 IGzs, W/m2·day 8325 7254 5628 3947 2629 2061 Idzs / IGzs 0.167 0.172 0.184 0.199 0.222 0.250 Idzsm, W/m2·day 1255 1165 965 655 735 500 IGzsm, W/m2·day 8085 7230 6005 4220 3040 2070

Considering that the direct solar radiation is the difference between the global daily definitive solar radiation (IGzs) and the diffuse solar radiation (Idzs) is obtained on the Romanian territory the values included in table 5, and graphically presented on the map from figure 1. .

Considerând că radiaŃia solară directă este diferenŃa dintre radiaŃia solară globală zilnică definitivă (IGzs) şi radiaŃia solară difuză (Idzs) se obŃin pentru teritoriul României valorile cuprinse în tabelul 5, şi prezentate grafic pe harta din figura 1.

Table 5 - Values of the direct solar radiations on the Romanian territory /

Valorile radiaŃiei solare directe pe teritoriul României Month / Luna

I II II IV V VI VII VIII IX X XI XII Daily sum / Suma zilnică [W/m2·day]

1785 2762 4058 5525 6645 7143 6915 6003 4593 3160 2046 1546

Table 6 - The value of some physical property of principally species of fruits and vegetables / Valorile unor caracteristici fizice ale principalelor specii de legume şi fructe

Vegetable, fruits / Legume, fructe

Weight / Greutate [g]

Specific weight / Greutate specifică [kg/m3]

Volumetric weight / Greutate volumetrică, [kg/m3]

Pieces/kg Buc/kg

Cherries / Cireşe 3 ... 10 1.0060 ... 1.0725 510 ... 620 50 ... 330 Strawberries / Căpşuni 5 ... 40 0.8960 ... 0.9825 420 ... 490 25 ... 200 Apricots / Caise 15 ... 60 1.0034 ... 1.0547 490 ... 560 17 ... 66 Peaches / Piersici 40 ... 260 0.9312 ... 1.0394 500 ... 580 4 ... 25 Plums / Prune 10... 65 1.0016 ... 1.0942 500 ... 610 15 ... 100 Apples / Mere 70 ... 350 0.6572 ... 0.9264 400 ... 530 4 ... 14 Pears / Pere 30 ... 500 0.9843 ... 1.0125 450 ... 580 2 ... 33 Potatoes / Cartofi 30 ... 300 - 650 ... 700 3 ... 33 Onion / Ceapă 40 ... 500 - 400 ... 600 2 ... 25 Carrots / Morcovi 25 ...200 - 500 ... 650 5 ... 40 Eggplants / Vinete 100 ... 500 - - 2 ...10

• The property of the vegetables and fruits

Are adverted to the size, the specific heat, the firmness of the structure and texture, the color, the aroma, the taste, water, vitamins and minerals substances contain. Some properties from this category are specified afterwards [6].

The size is represented by the weight, his size and the product volume. The weight is expressed in grams and varies in large limits, depending on species, of variety, of climatic conditions, of culture etc. (Table 6) [5].

The specific heat is represented by the amount of heat or cold necessary for the temperature of the fruit of the vegetable weight to grow or to decrease with 1 K. The value, in kcal kg oC, varies like this: 0.85...0.90 at apricots, cherries, apples, oranges, pears, peaches, grapes, plums, potatoes, and pea; 0.90...0.95 at strawberries, lemons, onion, carrots, tomato, eggplants.

The firmness of the structure and texture expresses the resistance of the fruits and the vegetables flesh at to the external pressure and diminish with their roast. This way, in the ripen period, the value of the texture, determinate with the penetrometer with the diameter of 11 mm, is of 0.12...0.13 MPa, diminishes to 0.8... 0.9 MPa in harvesting period and reaches 0.6…0.7 MPa in the moment of there consumption after storage.

The color, the aroma and the taste have a special

• Propriet ăŃile legumelor şi fructelor Se referă la mărime, căldură specifică, fermitatea

structurii şi texturii, culoare, aromă, gust, conŃinutul de apă, vitamine şi substanŃe minerale. Unele proprietăŃi din aceste categorii sunt specificate în continuare.[6]

Mărimea este reprezentată de greutate, dimensiuni sau volumul produsului. Greutatea se exprimă în grame şi variază în limite largi în funcŃie de specie, soi, condiŃii climaterice, cultură etc. (tabelul6) [5]

Căldura specifică este reprezentată de cantitatea de căldură sau de frig necesară pentru ca temperatura masei fructului sau legumei să crească sau să se reducă cu 1 K. Valoarea, în kcal kg oC, variază astfel: 0,85…0,90 la caise, cireşe, mere, portocale, pere, piersici, struguri, prune, cartofi şi mazăre; 0,90…0,95 la căpşuni. lămâi, ceapă, morcovi, tomate, vinete.

Fermitatea structurii şi texturii exprimă rezistenŃa pulpei fructelor şi legumelor la presiunea exterioară şi scade pe măsura coacerii lor. Astfel, în perioada de pârgă valoarea texturii, determinată cu penetrometrul cu diametrul de 11 mm, este 0,12…0,13 MPa scade la 0,8…0,9 MPa în perioada recoltării şi ajunge la 0,6…0,7 MPa în momentul valorificării lor după depozitare.

Culoarea, aroma şi gustul au o importanŃă


121

importance in the establishing of the commercial value of the fruits and vegetables.

From chemical viewpoint, the fruits and vegetables contain water and dry substance (organic and mineral substances). The proportion between different groups of chemical substances has importance in the definiteness of qualitative value of the fruits, which modify from a variety to other.

The water in the horticultural products is found out in free or bonded settlement and his total quantity varies in large limits. This way, in the case of the strawberries, the water quantity can reach at 84... 92%, and for another fruits is much more reduced, arriving at 77... 87% (apples, pears, plums, grapes). At the “dried fruits “group, how are the nuts and the hazels, the value of the water content achieve at 5%.

Another component as the glucoses, the lipids, the protean substances, the organic acids, the tannins substances etc., personalizes the different varieties of vegetables and fruits and must be known more exactly in the sight of the correct management of the drying process.

The vitamins have the role of catalyst in the metabolic process.

The minerals substances are represented through components of main metals (potassium, sodium, calcium, magnesium, iron, zinc etc.), which are founded in oxides shapes or salts of carbonic sulphuric chlorine etc. acids. • Sorption isotherms [6]

The water potential to actively participate in the degradation process can be characterized through the indicator, the water activity (aw), which is defined, as a corollaries of Raoult generalized law, as being the ratio between the pressure water vapors from product, at a given temperature and the saturation pressure of pure water vapors, at the same temperature (Wolf et al., 1985). At the equilibrium, the activity of the water is the ratio to the value of relative humidity from surrounding atmosphere (Iglesias and Chirife, 1982).

The importance of the water sorption equations have been studied by numerous research workers, comprising the restraint of some nutrients in the dehydration time and the kipping duration of the product in a certain type of packing (Labuza et of., 1972). The equations are also necessary for the determination of the thermodynamic functions concerning the ad- and the absorption of the water in food products (Iglesias and Chirife, 1976) for the computation of drying time (Henderson and Perry, 1976) and for the simulation of the drying systems (Broker et of., 1974).

The simulation of the drying systems can be used-up for the computation of drying, time, for the determination of the effects that certain parameters have on the drying efficiency, either for the operation costs diminishing. These are an important a part of the drying theory (King, 1968) and of the measurements concerning the latent boiling heat (Murata, 1988). Lately, the sorption isotherms have a much bigger importance because of the bigger number of recommendations and of legislative normative, regarding the utilization for there characterization from qualitative viewpoint of food products and which utilizes the activity of the water as a basic criterion of evaluation (Wolf et al., 1985).

For the improvement of the current level of drying technologies it must be applied a proper management to avoid the product degradation in the drying and storage time. The dates about the sorption isotherms are very important from this point of view, in the sight of choosing the ultimate humidity of the product which to permit a secure storage and for the determination of optimum storage conditions. A big humidity of the product reduces his stability, and the product drying up to a value more little than one the optimum value leads to the increase of the drying costs. From the sorption isotherms viewpoint it can be considered the activity of the water as being

deosebită în stabilirea valorii comerciale a fructelor şi legumelor.

Din punct de vedere chimic, fructele şi legumele conŃin apă şi substanŃă uscată (substanŃe organice şi substanŃe minerale). ProporŃia între diferitele grupe de substanŃe chimice are importanŃă în definirea valorii calitative a fructelor, care variază de la un soi la altul.

Apa în produsele horticole se află în stare liberă sau legată şi conŃinutul total variază în limite largi. Astfel, în cazul căpşunilor, conŃinutul în apă poate ajunge la 84…92 %, iar pentru alte fructe este mult mai redus, ajungând la 77…87% (mere, pere, prune, struguri). La grupa fructe „uscate”, cum sunt nucile, alunele valoarea conŃinutului în apă ajunge la 5%.

Alte componente precum glucoza, lipidele, substanŃele proteice, acizii organici, substanŃele taninice etc., caracterizează diferite varietăŃi de legume şi fructe şi trebuie cunoscută cu multă exactitate în vedere unei conduceri corecte procesului de uscare.

Vitaminele joacă rolul de catalizator în procesele de metabolism.

SubstanŃele minerale sunt reprezwntate prin compuşi ai principalelor metale (potasiu, sodiu, calciu, magneziu, fier, zinc etc.), care se găsesc sub formă de oxizi sau săruri ale acizilor clorhidric, sulfuric, carbonic etc. • Izotermele de sorb Ńiune [6]

PotenŃialul apei de a participa activ la procesele de degradare poate fi caracterizat prin indicatorul activitatea apei (aw), care este definit ca un corolar al legii lui Raoult generalizată, ca fiind raportul dintre presiunea vaporilor de apă din produs, la o temperatură dată şi presiunea de saturaŃie a vaporilor de apă pură la aceeaşi temperatură (Wolf şi al., 1985). La echilibru, activitatea apei este raportată la valoarea umidităŃii relative a atmosferei înconjurătoare (Iglesias şi Chirife, 1982).

ImportanŃa ecuaŃiilor de sorbŃiune a apei a fost studiată de numeroşi cercetători, incluzând reŃinerea unor nutrienŃi în timpul deshidratării şi a duratei de păstrare a produsului într-un anumit tip de ambalaj (Labuza et of., 1972). EcuaŃiile sunt, de asemenea, necesare pentru determinarea funcŃiilor termodinamice privind ad- şi absorbŃia apei în alimente (Iglesias and Chirife, 1976) pentru calcularea timpului de uscare (Henderson and Perry, 1976) şi pentru simularea sistemelor de uscare (Broker et of., 1974).

Simularea sistemelor de uscare poate fi utilizată pentru calcularea timpului de uscare, pentru determinarea efectelor pe care le au anumiŃi parametri asupra eficienŃei uscării ori pentru minimalizarea costurilor de operare. Acestea constituie o importantă parte a teoriei uscării (King, 1968) şi a măsurărilor privind căldura latentă de vaporizare (Murata, 1988). În ultima vreme, izotermele de sorbŃiune au o tot mai mare importanŃă datorită numărului tot mai mare de recomandări şi de norme legislative privind utilizarea acestora pentru caracterizarea din punct de vedere calitativ a produselor alimentare şi care utilizează activitatea apei ca pe un criteriu de evaluare de bază (Wolf et al., 1985).

Pentru îmbunătăŃirea nivelului actual al tehnologiilor privind uscarea trebuie aplicat un management adecvat în vederea evitării degradării produsului în timpul uscării şi al depozitării. Datele despre izotermele de sorbŃiune sunt foarte importante sub acest aspect, în vederea alegerii umidităŃii finale a produsului, care să permită o depozitare sigură şi pentru determinarea condiŃiilor optime de depozitare. O umiditate mare a produsului reduce stabilitatea acestuia, iar uscarea produsului până la o valoare mai mică decât cea optimă duce la creşterea costurilor de


122

an important parameter concerning the dry foods. Because of the chemical complex composition of food

products, the computation from theoretical viewpoint of the sorption isotherms is impossible, and the experimental measurements become compulsorily. • Energetic and mass balance

Knowing the features of the vegetables and fruits and tracing there sorption and desorption isotherms it can be drawn the energy and mass balance through the utilization of solar panels as the source of energy for dryers with enforced production. The calculus algorithm of the energy and mass balance is presented afterwards.[4] ♦ The necessary amount of heat supplied by the solar

panels. From the energy preservation law is obtained the

next computing relation:

losesoutputinput QQQ += . (2)

In these conditions the thermal balance it can be written below next form:

pevs QQQ += , (3)

in which: sQ - the heat insured by the solar panels; evQ -

the spent heat for the evaporation of the water from

product; pQ - the irretrievable heat.

But: pQ = evQ⋅1,0 ; sQ = evQ⋅1,1 . (4)

• The heat consumption for the evacuation of the water from product.

The total amount of heat necessary for the evaporation of the water from product is given by the next computation relation:

rUQ ev ⋅= [kcal /kg] , (5)

in which: U – the amount of water which must be eliminated from product in the drying process, kg; r - the vaporization heat. Is chosen r = 616. 6 kcal / kg, and:

Q = evQ +0,1 evQ = =⋅ evQ1,1 [kcal/kg], (6)

where Q - becomes from the temperature difference of the input and output air from the solar dryer. � The average temperature of the drying process:

2

eim

ttt

+= [ C0

] , (7)

in which: it - the input temperature in the solar dryer, °C;

et - the output temperature from the solar dryer.

� The amount of heat entered in the dryer with the air The amount of heat entered with the air and the

water from air shall be: ''

1'11 qqq += [kcal/kg] , (8)

in which: '1q - the amount of heat entered with the air, kcal

kg; '''

1q - the amount of heat entered with the water from

air, kcal /kg. The computing relations for those two amounts of

heat are:

iaeraer tcmq ⋅⋅='1 [kcal/kg] , (9)

in which: aerm - air-mass, kg; aerc - the specific heat of

the air, kcal kg, and there values aerm , aerc , are chosen

so that: aerm = 11 X− ; aerc =0.24; 1X = 00538.0 ;

The component ''

1q is calculated with the formula:

uscare. Datorită compoziŃiei chimice complexe a produselor

alimentare, calcularea din punct de vedere teoretic a izotermelor de sorbŃiune nu este posibilă, iar măsurătorile experimentale devin obligatorii. • Bilan Ńul de energie şi mas ă

Cunoscând caracteristicile legumelor şi fructelor şi evoluŃia curbelor de sorbŃiune şi desorbŃiune ale acestora se poate întocmi bilanŃul de energie şi masă dacă se utilizează panourile solare ca sursă de energie pentru uscarea acestora cu o capacitate impusă. Calculul bilanŃului de energie şi masă se desfăşoară după algoritmul prezentat în continuare [4]. ♦ Necesarul de căldură furnizat de panourile solare.

Din legea conservării energiei se obŃine următoarea relaŃie de calcul:

pierdutitierat QQQ += ;int . (2)

În aceste condiŃii bilanŃul termic se poate scrie sub următoarea formă:

pevs QQQ += , (3)

în care: sQ - Căldura asigurată de panourile solare;

evQ - căldura consumată pentru evaporarea apei din

material; pQ - căldura pierdută.

Dar: pQ = evQ⋅1,0 ; sQ = evQ⋅1,1 . (4)

• Consumul de căldură pentru evacuarea apei din produs.

Cantitatea totală de căldură necesară pentru evaporarea apei din material este dată de relaŃia:

rUQev ⋅= [kcal /kg] , (5)

în care: U – cantitatea de apă care trebuie eliminată din produs în procesul de uscare, în kg; r – căldura de vaporizare. Se alege r = 616. 6 kcal / kg iar:

Q = evQ +0,1 evQ = =⋅ evQ1,1 [kcal/kg], (6)

unde Q provine din diferenŃa de temperatură a aerului care intră şi a celui care iese din uscătorul solar. � Temperatura medie de uscare:

2ei

m

ttt

+= [ C0

] , (7)

în care: it - temperature de intrare în uscătorul solar, °C;

et - temperatura de ieşire din uscător

� Cantitatea de căldură intrată în uscător cu aerul Cantitatea de căldură intrată cu aerul şi apa din

aer va fi: ''

1'11 qqq += [kcal/kg] , (8)

în care: '1q - cantitatea de căldură intrată cu aerul, kcal

kg; '''

1q - cantitatea de căldură intrată cu apa din aer,

kcal /kg. RelaŃiile de calcul pentru cele două cantităŃi de

căldură sunt:

iaeraer tcmq ⋅⋅='1 [kcal/kg] , (9)

în care: aerm - masa aerului, kg; aerc - căldura specifică

a aerului, kcal kg, şi valorile pentru aerm , aerc ,sunt alese

astfel: aerm = 11 X− ; aerc =0.24; 1X = 00538.0 ;

Componenta ''

1q se calculează cu relaŃia:


123

iapăapă tcmq ⋅⋅=''1 [kcal/kg] , (10)

in which: apăm - the water amount contained in the air,

kg; apăc - the specific heat of the water, kcal/ kg.

The values of apăm , apăc , are chosen so that: apăm

= 1X ; apăc = 0.447;

� The amount of heat which comes out from the dryer with the air

The amount of heat contained of the evacuated air and of the water vapors from the air is:

''2

'22 qqq += [kcal/kg] . (11)

in which: '2q - the amount of heat come out with the air,

kcal/ kg; ''2q - the amount of heat come out with the water

vapors from the air, kcal/ kg. But:

eaeraer tcmq ⋅⋅='2 [kcal/kg] ; (12)

if:

aerm =21 X− şi :

eap ăap ă tcmq ⋅⋅=''2

[kcal/kg] ; (13)

where : apăm =X .

� The heat contribution of 1 kilogram of dry air:

21 qqq −= [kcal/kg] . (14)

� The necessary of dry air is: q/QL st = [kg] . (15)

3. RESULTS AND DISCUSSIONS

For the conversion of the solar energy in Romanian conditions is recommended as the banking angle of the solar receptors against the horizontal line to be of 45o, which permits the appreciable decrease of the loads provoked by the wind action and the decrease of the distances among the solar receptors. The average number of sunny days on the warm season is determined through multiplication of average hour duration of sun glowing with the number of days from the warm period of the year (1.04÷1.11), respectively 156 days. The average day used for solar installations dimensioning is considered in the warm season to have 9 hours and an intensity of solar radiation I = 580 W / m2

If is known the capacity enforced for the dryer, on the strength of the requirements specified in the paper it can be correctly sized: the necessary volume of the dryer, the surface of solar panels and the surface of the photovoltaic panels which must train the fans in the sight of assuring the air flow necessary for drying . On the strength of the sorption and desorption isotherms it can be driven the drying process in such way that the physical-chemical properties of the dry products to be much closer to the ones of fresh products. 4. CONCLUSIONS � The conservation through drying of some vegetables

and fruits present many economic interests, as much for the agricultural producers, and for the national economy. These process difficulties are generated by the big energy costs needed for drying.

� The utilization of solar energy for the drying the vegetables and fruits represent an acceptable alternative for the energy from unregenerate sources, with the condition as the technical used-up equipment to be correct projected and exploited.

� An accordingly drying of every vegetables and fruits presupposes the better preservation of physical-

iapăapă tcmq ⋅⋅=''1 [kcal/kg] , (10)

în care: apăm - cantitatea de apă conŃinută în aer, kg;

apăc -căldura specifică a apei, kcal/ kg.

Valorile pentru apăm , apăc , se aleg astfel

încât: apăm = 1X ; apăc = 0.447;

� Cantitatea de căldură care iese din uscător cu aerul Cantitatea de căldură conŃinută în aerul evacuat şi

a vaporilor de apă din aer este: ''2

'22 qqq += [kcal/kg] . (11)

în care: '2q - cantitatea de căldură evacuată cu aerul,

kcal/ kg; ''2q - cantitatea de căldură ieşită cu vaporii de

apă din aer, kcal/ kg. Dar:

eaeraer tcmq ⋅⋅='2 [kcal/kg] ; (12)

dacă:

aerm = 21 X− şi : eapăapă tcmq ⋅⋅=''2 [kcal/kg] (13)

unde: apăm =X .

� Aportul de căldură al unui kg de aer uscat:

21 qqq −= [kcal/kg] . (14)

� Necesarul de aer uscat este:

q/QL st = [kg] . (15)

3. REZULTATE ŞI DISCUłII

Pentru conversia energiei solare în condiŃiile României se recomandă ca unghiul de înclinare al captatorilor faŃă de orizontală să fie de 45o, ceea ce permite reducerea apreciabilă a sarcinilor provocate de acŃiunea vântului şi micşorarea distanŃei dintre şirurile de captatoare. Numărul mediu de zile însorite pe sezonul cald se determină prin înmulŃire duratei medii orare de strălucire a soarelui cu numărul de zile din perioada caldă a anului (1.04 – 1.11), respectiv 156 zile. Ziua medie utilizată pentru dimensionarea instalaŃiilor solare se consideră în sezonul cald că are 9 ore şi o intensitate a radiaŃiei solare I = 580 W/m2

Dacă se cunoaşte capacitatea impusă uscătorului, pe baza cerinŃelor specificate în lucrare se pot dimensiona corect: volumul necesar al uscătorului, suprafaŃa panourilor solare şi a panourilor fotovoltaice care trebuie sa alimenteze ventilatoarele în vederea asigurării curentului de aer necesar în uscător. Pe baza izotermelor de sorbŃiune şi desorbŃie se poate modifica procesul de uscare astfel încât proprietăŃile fizice şi chimice ale produselor să fie cât mai apropiate de cele ale unor produse proaspete. 4. CONCLUZII � Conservarea prin uscare a unor legume şi fructe

prezintă un interes economic mare atât pentru micii producători agricoli, cât şi pentru economia naŃională. DificultăŃile acestui proces sunt generate de costul mare al energiei necesare pentru uscare.

� Utilizarea energiei solare pentru uscarea legumelor şi fructelor reprezintă o alternativă acceptabilă pentru sursele de energie neregenerabile, cu condiŃia utilizării nor echipamente tehnice corect proiectate şi exploatate.

� uscare corespunzătoare a oricăror fructe şi legume presupune o bună conservare a caracteristicilor fizico-


124

chemical features of these, ensured as much trough the correct sizing of the technical equipment, and trough the exact management of the drying process.

� On the strength of the thermal balance of a dryer it can be sizing the heat sources and the necessary (the flow) of air which must be assured by the fans trained with photovoltaic panels.

REFERENCES 1. Bodria, L.,Riva, G.: Colletori solari semplici e di bassa costo, Instituto di Ingegneria Agraria, Universita di Milano, 1980. 2. Brătucu, Gh.: Agricultural Technology, Transilvania University of Braşov Publishing House, 1999, Romania. 3. Burtea, O. ş.a: The Use of Solar Energy at the Fruits and Vegetables Drying, Bucureşti, Ceres Publishing House, 1981, Romania. 4. Epure, G.: Researches Regarding the Use of Tunnel Type Solar Equipment for the Vegetables Drying, PhD Theses, USAMV Bucureşti, 2004, Romania. 5. Hauser, M.: Trocknung von Aprikosen mit Solarenergie, Hohenheim, 1995, Germany. 6. Mitroi, A., Udroiu, A.: The Use in Romania of Tunnel Type Solar Dryer for Agricultural Products, Bucureşti, in Magazine Mecanizarea Agriculturii, nr. 6/2000, Romania.

chimice ale acestora, asigurate atât prin dimensionarea corectă a echipamentului tehnic, cât şi prin conducerea corespunzătoare a procesului de uscare.

� Pe baza bilanŃului termic al uni uscător se poate dimensiona sursa de căldură şi necesarul de aer care trebuie asigurat de ventilatoarele antrenate de panourile fotovoltaice.

BIBLIOGRAFIE 1. Bodria, L.,Riva, G.: Colletori solari semplici e di bassa costo, Instituto di Ingegneria Agraria, Universita di Milano, 1980 2. Brătucu, Gh.: Agricultural Technology, Transilvania University of Braşov Publishing House, 1999, Romania. 3. Burtea, O. ş.a: The Use of Solar Energy at the Fruits and Vegetables Drying, Bucureşti, Ceres Publishing House, 1981, Romania 4. Epure, G.: Researches Regarding the Use of Tunnel Type Solar Equipment for the Vegetables Drying, PhD Theses, USAMV Bucureşti, 2004, Romania 5. Hauser, M.: Trocknung von Aprikosen mit Solarenergie, Hohenheim, 1995, Germany 6. Mitroi, A., Udroiu, A.: The Use in Romania of Tunnel Type Solar Dryer for Agricultural Products, Bucureşti, in Magazine Mecanizarea Agriculturii, nr. 6/2000, Romania.


125

MEASURES AND MATHEMATICAL MODELS FOR SOIL COMPACTIO N

/ MASURI ŞI MODELE MATEMATICE PENTRU COMPACTAREA SOLULUI

Math. P. Cârdei, dr. eng. V. Muraru,

dr. eng. C. Muraru - Ionel, eng. R. Sfiru - INMA Bucharest, Romania -

Abstract. This paper presents two important problems of the soil compaction phenomenon, strongly linked one to each other. The first problem is the clarification of the main measure of the soil compaction phenomena, and the dependence of this measure on the other soil parameters. This problem is very important because the final result of any mathematical model of the soil compaction phenomenon must be expressed in terms of fundamental measure of compaction. The second problem is the mathematical model of the soil compaction phenomenon. We have discussed some aspects of the mathematical solution method, its advantages and disadvantages, and at the same time complexity of the mathematical solution. Finally it is specified the field of application, especially in the problem of soil compaction prediction, keep sight of the soil parameters, and the mechanical pressure characteristics (kinematic and dynamical aspects). Keywords: soil, compaction, measures, mathematical model INTRODUCTION

The soil compaction is a very large interest problem. The agriculture practitioners are interested as well as the civil construction, but so, generally the geotechnical practitioners.

The first category has a point of view different about the soil compaction problem vis a vis of the second and third categories. If the civil practitioners aim is to obtain a big and uniform soil compaction degree first for the building stability, the agriculture practitioners have a opponent point of view, a small soil compaction degree, which permit the vegetation roots development in the soil depth. THEORETICAL CONSIDERATION

A good decision about the soil compaction degree, require a good definition of this term. There are many qualitative definition for the soil compaction, based on the effect of this phenomenon.

After [1], soil compaction is the compression of the soil resulting in: reduced soil pore space (the spaces between soil particles); decreased movement of water and air into and within the soil; decreased soil water storage; and increased surface runoff and erosion. The use of heavy machinery during forest operations contributes to soil compaction.

After [2], soil compaction is the changing of the nature of the soil such that there is a decrease in the volume of voids between soil particles or aggregates; it is manifest as an increase in bulk density and a severely compacted soil can become effectively impermeable. Some soils are naturally compacted, e.g. very heavy textured soils (fine textured). Man-made compaction is caused by the passage of heavy machinery and very intensive soil exploitation.

After [3], the soil compaction is the compression of soil that eliminates air pockets from the soil structure, resulting in the suffocation of the plant roots. Soil compaction may be caused by ongoing pedestrian traffic, one time or ongoing vehicular traffic, construction

Rezumat. Această lucrare prezintă două probleme importante ale fenomenului de compactare a solului, puternic legate unele de altele. Prima problemă constă în clarificarea principalei măsuri ale fenomenului de compactare a solului şi în funcŃie de această măsură, se stabilesc şi alŃi parametri ai solului. Această problema este foarte importantă, deoarece rezultatul final al modelului matematic al fenomenului de compactare a solului trebuie exprimat în termenii măsurii fundamentale a compactării. A doua problemă este modelul matematic al fenomenului de compactare a solului. Au fost discutate unele aspecte ale metodei de rezolvare matematică, avantajele şi dezavantajele acesteia, cât şi complexitatea soluŃiilor matematice. În final, este specificat domeniul de aplicare, în special problema predicŃiei compactării solului, Ńinând seama de parametrii solului şi caracteristicile presiunii mecanică (aspecte cinematice şi dinamice).

Cuvinte cheie: sol, compactare, măsuri, model matematic INTRODUCERE

Compactarea solului este o problemă de mare interes. De această problemă sunt interesaŃi specialiştii din agricultură, cei din domeniul construcŃiilor civile, cât şi specialiştii cu profil geotehnic.

Prima categorie are un punct de vedere diferit despre problema compactării, faŃă de cei din cea de a doua categorie a doua sau a treia categorie. Dacă scopul specialiştilor civili constă în primul rând în obŃinerea unui grad de compactare a solului uniform şi înalt, pentru stabilitatea construcŃiilor, specialiştii din agricultură au un punct de vedere diferit, un grad mic de compactare a solului, care să permită rădăcinilor plantelor să se dezvolte la adâncime.

CONSIDERAłII TEORETICE

O decizie bună referitoare la gradul de compactare a solului necesită o bună definire a acestui termen. Există multe definiŃii calitative pentru compactarea solului, ce se bazează pe efectul acestui fenomen.

După [1], compactarea solului este compresia solului cu consecinŃele: reducerea spaŃiului dintre porii solului (spaŃiile dintre particolele de sol); circulaŃia redusă a apei şi aerului în interiorului solului; scăderea cantităŃii de apă stocate, cresterea scurgerilor de suprafaŃă şi eroziune. Utilizarea utilajelor grele în timpul operaŃiunilor de împădurire contribuie de asemenea la compactarea solului.

După [2], compactarea solului reprezintă modificarea naturii solului, astfel încât există o scădere a volumului spaŃiului dintre particule sau agregate, manifestându-se ca o creştere a densităŃii, solul compactat devinind efectiv impermeabil. Unele soluri sunt compactate în mod natural, de exemplu solurile cu textură foarte grea (texturate uşor). Compactarea făcută de om este provocată de trecerea maşinilor grele şi de exploatarea intensivă a solului.

După [3], compactarea solului este compresia solului care elimină astfel golurile de materi solida pline cu aer, rezultând sufocarea rădăcinilor plantelor. Compactarea solului pot fi cauzată de traficul pietonal şi traficul de vehicule, construcŃii sau depozitare de echipamente şi


126

equipment or storage of materials. After [4], the soil compaction is an increase in soil

bulk density from an undisturbed state. After [5], soil compaction occurs when soil particles are pressed together, reducing pore space between them. After [6], compaction can be defined as a process of densification due to the removal of air voids when external stress is applied to a soil.

All these definition have only qualitative character. A first quantitative definition is given in [7]: “The degree of compactness has been defined as the dry bulk density of a soil as a percent of a reference bulk density obtained by a standardized uniaxial compression test on large samples at a stress of 200 kPa”.

The authors of [7] affirm that the bulk density should be determined at standardized moisture conditions, to prevent problems caused by water content variations in swelling/shrinking soils. In plus the degree of compactness (noted D by the authors of [7]) makes results of soil compaction experiments more generally applicable. Then the soil bulk density can be a satisfactory measure for crop growth, and is possible that there are optimal values of the soil compaction degree for different agricultural processes and for different soil compositions. But such as many other authors, the authors of [7] consider that the penetration resistance and air-filled porosity are satisfactory measures for the soil compaction. They consider that the critical value for the penetration resistance is 3 MPa, and for the air-filled porosity is 10 %.

If between the bulk soil density and the soil penetration resistance there is a precise relation, then the soil penetration resistance can provide safety information about the soil compaction degree. The existence of this relation and the form of this is another subject.

Consequently, a mathematical definition for the soil compaction degree, can be considered, after [7]:

r

Dρρ

= (1)

where D is the bulk soil density, ρ is the bulk soil density and ρr is the reference soil bulk density. ELEMENTARY RELATION

Now, for investigate the dependence between the soil compaction degree and the soil moisture and the air-filled porosity. The theoretical consideration are very simple and the aim of this calculus is only to give a first image of the relation which connect the soil compaction degree with the soil moisture and the air-filled porosity.

Be M the soil mass, Md, the dry soil mass, Mw the water mass included in soil, and Ma the mass of the air included in the soil. Starting at the mass balance: d w aM M M M= + + (2)

Similar is considering the volume density balance:

d w aV V V V= + + (3),

where V the soil volume, Vd, the dry soil volume, Vw the water volume included in soil and Va the volume of the air included in the soil. The relations (2) and (3) are only work hypothesis. In the next calculus is used the bulk density formulae:

, , ,d w ad w a

d w a

M M MM

V V V Vρ ρ ρ ρ= = = = , (4)

where ρ is the soil bulk density, and ρd, ρw, ρa are the dry soil density (the reference soil density, in this case, which appear in the formula (1), ρr), water density and air density. Finally, is used the porosity formula:

a wV V

Vφ += (5)

materiale. După [4], compactarea solului este o creştere a

densităŃii într-un stadiu neperturbat (nederanjat). După [5], compactarea solului apare atunci când particolele de sol sunt presate împreună, reducând spaŃiul dintre porii. După [6], compactarea poate fi definită ca un proces de densificare, în scopul eliminării golurilor de aer, atunci când se aplică o presiune pe sol.

Toate aceste definiŃii au numai caracter calitativ. O primă definiŃie cantitativă este dată în [7]: “Gradul de compactare a fost definit ca fiind raportul procentual intre densitatea unei probe de sol uscate şi densitatea unui sol referinŃă, obŃinut printr-un test de compresie uniaxială standardizat pe un număr mare de eşantioane la o presiune de 200 kPa”.

Autorii din [7] afirmă faptul că, mărimea densităŃii poate fi determinată în condiŃii de umiditate standard, în scopul prevenirii problemelor cauzate de variaŃia conŃinutului de apă în solurile dilatate (umflate)/ compresate. În plus, gradul de compactare (notat cu D de autorii din [7]) fac ca rezultatele experimentelor de compactare a solului să fie mai generale. Atunci densitatea cantităŃii de sol poate fi o măsură satisfăcătoare pentru creşterea producŃiei şi este posibil ca să existe valori optimale ale gradului de compactare a solului pentru diferite procese agricole şi pentru diferite compoziŃii ale solului. Dar, asemenea altor autori, autorii din [7] consideră că, rezistenŃa la penetrare şi porozitatea relativ la porii cu aer, sunt măsuri satisfăcătoare pentru compactarea solului. Ei consideră că, valoarea critică pentru rezistenŃa la penetrare este de 3Mpa, şi porozitatea cu aer umplut este de 10%.

Dacă între densitatea cantităŃii de sol şi rezistenŃa la penerare în sol există o relaŃie precisă, rezistenŃa la penetrare în sol poate furniza informaŃii certe despre gradul de compactare a solului. ExistenŃa acestei relaŃii şi forma acesteia este însă un alt subiect.

În consecinŃă, după [7], poate fi luată în considerare o definiŃie matematică pentru gradul de compactare a solului:

r

Dρρ

= (1)

unde D este densitatea cantităŃii de sol, ρr este densitatea cantităŃii de sol de referinŃă. RELAłII ELEMENTARE

În continuare vom analiza dependenŃa dintre gradul de compactare a solului, umiditatea şi porozitatea golurilor de aer. ConsideraŃiile teoretice sunt foarte simple şi scopul calculelor este numai acela de a da o primă imagine a relaŃiei care conectează gradul de compactare a solului cu umiditate şi porozitatea.

Fie M masa solului, Md, masa solului uscat, Mw, masa apei conŃinută în sol şi Ma,masa aerului din sol. Se începe de la echilibrul masei:

d w aM M M M= + + (2)

Similar se consideră echilibrul densităŃii de volum:

d w aV V V V= + + (3)

unde V este volumul solului, Vd, volumul de sol uscat, Vw

volumul de aer din sol şi Va volumul de aer din sol. RelaŃiile (2) şi (3) sunt numai ipoteze de lucru. În calculele următoare s-au utilizat formulele densităŃii:

, , ,d w ad w a

d w a

M M MM

V V V Vρ ρ ρ ρ= = = = (4)

unde ρ este densitatea solului şi ρd, ρw, ρa sunt densităŃile solului uscat (densitatea solului de referinŃă în acest caz care apare în formula (1), ρr), densitatea apei şi densitatea aerului. În final s-a utilizat formula porozităŃii:

a wV V

Vφ += (5)


127

and the definition of the soil moisture:

d w a

d d

M M M Mm

M M

− += = (6)

Solving the system relation (2) – (6), is obtaining the next formula:

şi definiŃia umidităŃii solului:

d w a

d d

M M M Mm

M M

− += = (6)

rezolvând sistemul de relaŃii (2) – (6), se obŃine următoarea formulă:

( )( )1 1 dmρ φ ρ= − + (7)

The formula (7) and the definition (1), where the reference soil bulk density is the dry sol density (subject of compression at a certain pressure, for example 200 kPa, after [7]) allows calculus of the soil compaction degree, like: ( )( )1 1D mφ= − + (8)

Result that the soil compaction degree increase with the soil moisture, and decrease with the soil porosity. Therefore, for estimate the soil compaction degree is necessary to know not only the soil moisture, but so the soil porosity. Generally is accepted that φ ∈[0; 1), m∈[0; 0.8). For example, after [8], typical bulk density of sandy soil is between 1.5 and 1.7 g/cm³. This calculates to a porosity between 0.43 and 0.36. Typical bulk density of clay soil is between 1.1 and 1.3 g/cm³. This calculates to a porosity between 0.58 and 0.51. Is important to remember two important relation for the soil parameters. First is the Athy equation (1930):

0( ) kzz eφ ϕ −= (9)

where φ0 is the surface porosity, k is the compaction coefficient (m−1) and z is depth (m). The second important relation is between the bulk density ρ and particle density ρparticle:

1particle

ρφρ

= − , (10)

After [9], normal particle density is assumed to be approximately 2.65 g/cm³, although a better estimation can be obtained by examining the lithology of the particles. There is a possibility to obtain an advanced result, if is consider that the soil moisture and the soil porosity are related by a formula. For example, if the relation is linear:

0 mφ φ α= + , (11)

where 0φ is the dry porosity, and α is a coefficient. In this

situation the formula of soil compaction degree (8), becomes:

( )20 01 1dc m mα φ α φ= − + − − + − (12)

If

0 0φ = ,

then (12) becomes:

( )2 1 1dc m mα α= − + − + (13)

The formula (11), for the soil compaction degree has a point of maximum, with the coordinates:

( )2

m a x m a x

11,

2 4 dmαα ρ ρ

α α−−= = ⋅ (14)

For a certain soil, if the maximum point is know, then α is given by the next formula:

m ax

1

2 1mα =

+ (15)

Using these formulae is possible to modeling the soil behavior ant to obtain soil curve describe in many paper, like, for example, [9]. Now is possible to continue to explicit the soil reference bulk density. According with the many papers and references is consider that the main components of the soil are: clay, sand and silt. Is suppose that the mass balance:

Formula (7) şi definiŃia (1), unde densitatea de sol de referinŃă este densitatea de sol uscată (supus compactării la o presiune precisă, de exemplu 200 kPa, după [7]) permite calculul gradului de compactare a solului, precum:

( )( )1 1D mφ= − + (8)

Rezultatul că gradul de compactare al solului creşte odată cu umiditatea şi scade micşorează odată cu porozitatea solului. De aceea, pentru estimarea gradului de compactare a solului este necesar de ştiut nu numai umiditatea solului, ci şi porozitatea acestuia. În general este acceptat faptul că φ ∈[0; 1), m∈[0; 0.8). De exemplu,, după [8], densitatea obişnuită a solului nisipos este între 1,5 şi 1,7 g/cm³. Acesta calculează o porozitate între 0,43 şi 0.36. Pentru o densitate cuprinsă între 1.1 şi 1.3 se da porozitatea intre 0.58 si 0.51 Este important de reamintit două relaŃii importante pentru parametrii solului. Prima relatie importanta este ecuuaŃia lui Athy (1930):

0( ) kzz eφ ϕ −= (9)

Unde φ0 este porozitatea suprafeŃei, k este coeficientul de compactare (m−1) şi z este adâncimea (m). A doua relaŃie importantă este între densitatea ρ şi densitatea particolelor ρparticle.

1particle

ρφρ

= − (10)

După [9], densitatea normală a particolelor se presupune a fi de aproximativ 2,65 g/cm3, deşi, o mai bună estimare poate fi obŃinută prin examinarea litologiei particulelor. Există o posibilitate de a obŃine un rezultat avansat, dacă se consideră că umiditatea solului şi porozitatea sunt legate printr-o formulă. De exemplu, dacă relaŃia este liniară:

0 mφ φ α= + (11)

Unde 0φ este porozitatea uscată şi α este un

coefficient. În această situaŃie formula gradului de compactare a solului (8), devine:

( )20 01 1dc m mα φ α φ= − + − − + − (12)

Dacă

0 0φ =

atunci (12) devine:

( )2 1 1dc m mα α= − + − + (13)

Formula (11) pentru gradul de compactare a solului are un punct maxim, cu coordonatele:

( )2

m a x m a x

11,

2 4 dmαα ρ ρ

α α−−= = ⋅ (14)

Pentru un anumit sol, dacă punctul de maxim este cunoscut, atunci α este dat de următoarea formulă:

m ax

1

2 1mα =

+ (15)

Utilizând aceste formule este posibil să se modeleze comportamentul solului şi obŃinerea unei curbe de sol, descrisă în multe lucrări, ca de exemplu, [9]. Acum este posibilă continuarea explicitării densităŃii de referinŃă a solului. În conformitate cu multe lucrări şi referinŃe, se consideră faptul că, componentele principale ale solului sunt argila, nisipul şi nămolul. Se presupune că echilibrul de masă:


128

d c sa siM M M M= + + , (16)

and the volume balance: d c sa siV V V V= + + (17)

are valid. In the formula (16) Mc is clay mass, Msa is the sand mass and Msi is the silt mass. In the formula (16) Vc is clay volume, Vsa is the sand volume and Vsi is the silt volume. The parameters Md and Vd are defined up. The mass concentration of the soil components are:

, ,c sa s ic sa s i

c sa si

M M Mc

V V Vρ ρ= = = (18)

The components density are the next:

, ,c sa s ic sa si

c sa si

M M M

V V Vρ ρ ρ= = = (19)

Using the relation (16) – (19) is obtain the next formula of the dry (reference) soil density:

c sa sid

c sa si sa si c si c sac c c

ρ ρ ρρρ ρ ρ ρ ρ ρ

=+ +

(20)

Using (7) and (20) is obtain:

( )( )1 1 c sa si

c sa s i sa s i c si c sa

mc c c

ρ ρ ρρ φρ ρ ρ ρ ρ ρ

= − ++ +

(21)

Taking account that

1c sa sic c c+ + = , (22)

result:

d c sa siM M M M= + + (16)

şi echilibrul de volum:

d c sa siV V V V= + + (17)

sunt adevărate. În formula (16) Mc este masa argilei, Msa este masa nisipului şi Msi masa nămolului. În formula (16) Vc este volumul argilei, Vsa este volumul nisipului şi Msi volumul nămolului. Parametrii Md şi Vd sunt definiŃi. ConcentraŃiile masei componentelor solului sunt:

, ,c sa s ic sa s i

c sa si

M M Mc

V V Vρ ρ= = = (18)

DensităŃile componentelor sunt următoarele:

, ,c sa s ic sa si

c sa si

M M M

V V Vρ ρ ρ= = = (19)

Utilizând relaŃiile (16) – (19) se obŃine formula densităŃii solului de referinŃă uscat:

c sa sid

c sa si sa si c si c sac c c

ρ ρ ρρρ ρ ρ ρ ρ ρ

=+ +

(20)

Utilizând (7) şi (20) se obŃine:

( )( )1 1 c sa si

c sa si sa si c si c sa

mc c c


= − ++ +

(21)

Având în vedere că,

1c sa sic c c+ + = (22)

rezultă:

( )( ) ( )1 11

c sa si

c sa si sa si c c sa c sa

mc c c c


= − ++ + − −

(23)

The calculus can be continued, but for the rigorous definition of the soil compaction degree, these relation are sufficiently. The relation show that the soil compaction degree can be strictly mathematically defined in term of the density. SOME NUMERICAL SOLUTIONS

The soil compaction is seeing like a mechanical pollution produce by the farm machinery traffic on the farm land, but out of these there is a substantial natural compaction given by own soil weight and water action. The authors expose the main results obtained during the investigation of the soil compaction problem, using classical and original mathematical models. For solving the soil compaction problem the authors have applied two different ways. First way uses the analytical solving (using the calculus of variation, for an equation system) for soil compaction phenomena and obtain solution which give the possibility to estimate the influence of some process parameter about the compaction degree. The second consist in the structural solving, which use the finite elements modeling for the soil and using different loads.

A synthetically comparison between the two types of solutions are given in the table 1. The parameters significations are the next: u is the displacement, x is the coordinate on the vertical direction (table 1, a)), t is the time, ε is the strain, ρ0 is the initial soil density (the density of the initial configuration), ρ is the soil density in the current configuration, ρ0 is the soil density in the initial configuration (at t=0), f is the inertial load deliver by the soil mass ( inertial force density), S is the Piolla – Kirchoff stress of first species in the soil, ε is the soil strain, l is the length of the soil column (or the soil depth), M is the wheel mass specific load, m is the mass of the soil column situated under the contact zone between the wheel and the soil, R is the wheel dynamic radius, V is the vehicle velocity, L and b are the length and the width of the contact zone between the wheel and the soil. Ψ

Calculele pot fi continuate, dar pentru o definiŃie riguroasă a gradului de compactare a solului, aceste relaŃii sunt suficiente. Relatia arată că, gradul de compactare a solului poate fi definit strict matematic, în termenii densităŃii. CÂTEVA SOLUłII NUMERICE

Compactarea solului este văzută ca o poluare mecanică şi se produce prin traficul de pe câmpurile agricole, dar în afară de acesta există şi o compactare naturală substanŃială dată de propria greutate a acŃiunii apei. Autorii expun principalele rezultate obŃinute în timpul investigării problemei compactării solului, utilizând modele matematice clasice şi originale. Pentru rezolvarea problemei compactării solului, autorii au aplicat două metode diferite. Prima metodă utilizează rezolvarea analitică (utilizând calculul variaŃional pentru un sistem de ecuaŃii) pentru fenomenul de compactare a solului şi se obŃine soluŃia care dă posibilitatea estimării influenŃei unor parametrii de proces referitoare la gradul de compactare. A doua metodă constă în rezolvarea pe calea analizei structurale, care utilizează modelarea cu elemente finite pentru sol utilizând încărcări diferite.

O comparaŃie sintetică între cele două tipuri de soluŃii este dată în tabelul 1. Parametrii semnificativi sunt următorii: u este deplasarea, e este coordonate pe direcŃie verticală (tabelul 1, a), t este timpul, ε este deformatia specifică, ρ0 este densitatea iniŃială a solului (densitatea configuraŃiei iniŃiale), ρ este densitatea solului în configuraŃia curentă, ρ0 este densitatea solului în configuraŃia iniŃială (la t = 0), f este încărcarea inerŃială furnizată de masa solului (densitatea forŃei inerŃiale), S este tensiunea Piolla – Kirchoff a primelor tipuri de sol, ε este solicitarea de sol, l este lungimea coloanei (sau adâncimea solului), M este încărcarea specifică a roŃilor, m este masa coloanei de sol situată sub zona de contact dintre roată şi sol, R este raza dinamică a roŃii, V este viteza de deplasare a vehiculului, L şi b sunt lungimea şi lăŃimea zonei de contact dintre roată şi sol. Ψ (figura 1, e)


129

(figure 1, e)) is a function which give the mechanical behavior of the soil material.

este o funcŃie care dă comportamentul mecanic al solului ca materialului.

Table 1 / Tabelul 1

Comparison between the calculus of variations and numerical solution / ComparaŃia între calculul variaŃiei şi soluŃia numerică

Calculus of variations solutions Structural numerical solutions

a) b)

c)

( )

2

0 2

0

,

,

1 ,

( , )

S uf

x tu

x

S h

∂ ∂+ ρ = ρ∂ ∂

∂ε =∂

ρ = + ε ρ= Φ ε

d) e) 0( , ) ( ( ), , , , , , , , )t x x M m R V L l t xρ ψ ρ=

f)

g) h)

In our studies we consider that the soil bulk density

is the main characteristic of the soil compaction. Generally, this characteristic is, not given by the classical structural solution, and many others solutions don’t give the soil bulk density space-time variation.

The use of the hand solving for the compaction problem has the next advantages: - it is possible to obtain soil bulk density formulae

which give the influence of each parameter considered about the compaction phenomenon (for example vehicle velocity influence);

- it is possible to consider many types of equations which describe the soil material behavior;

- the formulae obtained by this way can provide different optimal solution for the soil compacting problem, for example, we find the influence of the velocity traffic about the compacting phenomenon;

- using the explicit formulae we have obtained on this way it is possible to formulate some farm management principle, which lead to the diminution of the compaction intensity;

- it is possible to precise a soil bulk density formula, which include the model parameters;

- it is possible to precise the depth of the compacting zone. The using of the hand solving for the compaction

problem has the next disadvantage: - the solution is usually 1-dimensional because the 3-

În studiile noastre am considerat că, densitatea solului este caracteristica principală a compactării solului. În general, această caracteristică nu este dată prin soluŃiile structurale clasice şi multe alte soluŃii nu dau variaŃia spaŃiu-timp a densităŃii.

Utilizarea rezolvării pas cu pas a problemei compactării solului prezintă următoarele avantaje: - este posibilă obŃinerea formulei a densităŃii solului,

care dă influenŃa fiecărui parametru, considerând că fenomenul al compactaii solului (de exemplu influenŃa deplasării vehiculelor) ;

- este posibil considerarea multor tipuri de ecuaŃii care să descrie comportarea materialului ce modeleaza solul;

- formula obŃinută în acest mod poate furniza soluŃie optimală diferită pentru problema compactării, de exemplu, putem găsi influenŃa vitezei traficului asupra fenomenului de compactare;

- prin utilizarea formulei explicite am obŃinut în formularea unor principii de management de fermă, care conduce la diminuarea intensităŃii de compactare

- este posibilă precizarea formulei densităŃii solului, care include parametrii de model;

- este posibilă precizarea adâncimii zonei de compactare. Utilizarea rezolvării “de mână” pentru problema

compactării are următoarul dezavantaj: - soluŃia este 1-dimensională, deoarece soluŃiile 3-


130

dimensional solutions are difficult to obtain. The structural solution use the continuous body

mathematical model. An example is given in the table 1 (b, d, f, h), which is a 2-dimensional model for the soil. For the agricultural soils, we exclude from the start the elastic body model. We consider that is necessary a nonlinear elastic-plastic model, and for the future applications we will consider a viscous-elastic-plastic model.

This soil have an uniform and homogenous initial bulk density and stress – strain properties.

The structural solving for the compaction problem has the next advantages: - the solutions are 2 or 3 – dimensional and give the

space-time variation of the stress, strain; - by the way of structural analysis is possible to

visualize the compacted zone of the soil in 3-dimensional space; The structural solving for the compaction problem

has the next disadvantages: - generally, this way don’t give the soil bulk density

space-time variation; - the structural analysis programs cannot consider

whatever material equation for describe the soil behavior;

- for finding the influence of the parameters compacting problem about the compacting degree (with a exactly definition), we need many numerical solving and supplementary general studies; Using the obtained results we can evaluate the time

period that which is necessary a deep tillage for the soil compaction amelioration. CONCLUSIONS

The compaction soil problem solutions given by the commercial software programs give not as result the soil bulk density, which is the main characteristic of the compaction phenomenon. The relation between the soil strain and the soil bulk density in the deformation (compaction) process, is, for the moment, vague.

This relation depend on the type of the continuous body which modeling the soil, but, the FEA software, generally give not the map of the final or of the current soil bulk density in the soil. For this reason, the solutions based on hand calculus is favorite, because on these solution is possible to calculate the soil compaction degree in term of soil bulk density report. These solutions, but so the structural solutions, show that the soil compaction degree is variable with the soil point, because the current soil bulk density is variable with the point. Also the initial soil bulk density is, generally, non-homogenous, is a function on the soil point.

Finally, in the aim to obtain efficient solutions for the soil compaction problem, is necessary that the structural solution that include the current density function and to calculate the report between the final and the initial density in each point of the body which is analyzed. The general structural solutions for the soil compaction problem will must take account that the initial density is variable with the point in the soil, especially with the soil depth.

dimensionale sunt dificil de obŃinut. SoluŃia structurală utilizează modelul matematic al

corpului continuu. În tabelul 1 (b, d, f, h) este dat un exemplu care este un model 2-dimensional pentru sol. Pentru solurile agricole, excludem din start modelul elastic. Considerăm necesar un model nelinear elastio-plastic şi pentru aplicaŃiile viitoare considerăm necesar un model viscoelastic-plastic.

Solul initial are distributii spatiale ale densitatii, si tensiunii, uniforme si omogene.

Rezolvarea structurală pentru problema compactării are următoarele avantaje: - soluŃiile sunt bi sau tri dimensionale şi dau variaŃia

spatio temporala a tensiunii si deformatiei; - pe calea de rezolvare a analizei structurale este

posibilă vizualizarea zonei compactate a solului tri-dimensională; Rezolvarea structurală pentru problema compactării

are următoarele dezavantaje: - în general, acest mod nu dă variaŃia spaŃiu-timp a

densităŃii solului; - programele de analiză structurală nu pot

considera orice ecuaŃie de material pentru descrierea comportamentului solului;

- pentru găsirea influenŃei parametrilor problemei de compactare referitoare la gradul de compactare (cu o definiŃie exactă) avem nevoie de multe soluŃii numerice şi studii generale suplimentare.

Utilizând rezultatele obŃinute, putem evalua perioada de timp după care este necesară o arătură adâncă pentru ameliorarea compactării solului. CONCLUZII

SoluŃiile problemelor de compactare a solului date de programele comerciale nu dau ca rezultat densitatea, care este caracteristica principală a fenomenului de compactare. RelaŃia dintre deformaŃia specific a solului şi densitate în procesul de deformare este pentru moment vagă (neprecizată).

RelaŃia depinde de tipul de corp continuu care modelează solul, dar programul FEA, în general nu dă harta densităŃii curente sau finale a solului. Din acest motiv, soluŃiile bazate pe calcule realizate “de mănă” (nu folosind metode numerice) sunt indicate, deoarece cu aceste soluŃii este posibil să se calculeze gradul de compactare a solului în termenii densitatăŃii solului. Aceste soluŃii, cât şi soluŃiile structurale, arată faptul că, gradul de compactare a solului este variabil în funcŃie de coordonatele punctului în spaŃiu, deoarece densitatea curentă a solului este variabilă cu aceleaşi coordinate.

În final, în scopul obŃinerii soluŃiilor eficiente pentru problema compactării solului, este necesar ca soluŃia structurală să includă funcŃia densitate şi calcularea raportului dintre densitatea iniŃială şi densitatea finală în fiecare punct al locului care este analizat. În general, soluŃiile structurale pentru problema compactării solului trebuie să ia în considerare faptul că, densitatea iniŃială este variabilă în funcŃie de punctul din sol, în special adâncimea solului.

BIBLIOGRAPHY [1].www.sfrc.ufl.edu/Extension/ssfor11.htm; [2].eusoils.jrc.it/ESDB_Archive/glossary/Soil_Terms.html; [3].www.csu.org/environment/xeriscape/resources/page3862.html; [4].www.cof.orst.edu/cof/teach/for442/glossary/gloss1.htm; [5]. J. DeJong-Hughes, J. F. Moncrief, W. B. Voorhees, and J. B. Swan, Soil Compaction, Causes, Effects and Control, 2001 Regents of the University of Minnesota; [6]. Donald H. Gray, Balancing engineering requirements and plant-growth needs in slope protection and erosion control work, EC - September/October 2002;

[7]. Inge Hakansson, Jerzy Lipiec, A review of the usefulness of relative bulk density values in studies of soil structure and compaction, Soil & Tillage Research, Incorporating Soil Technology, ELSEVIER, Amsterdam – Lausanne – New-York – Oxford – Shannon – Tokio, vol. 53, NO.2, January 2000; [8]. www.civil.usyd.edu.au/courses/civl2410/compaction_test_handout.doc. [9] en.wikipedia.org/wiki/Porosity


131

EXPERIMENTAL RESEARCH ON TEXTURE HOMOGENEITY FIRMNE SS OF THE PULP APPLES

/ CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND OMOGENITATEA FERMIT ĂłII TEXTURII PULPEI

MERELOR

Prof.dr.ing C ăsăndroiu Tudor; Drd.ing. Iv ănescu Daniela - U.P. Bucure şti Conf.dr.ing. Vintil ă Marian – ICDIMPH Bucure şti

Abstract This paper presents the results of experimental research on the assessment firmness texture on a variety of local apples, from the production of 2008. Were conducted measurements for Idared variety from I.S.C.P. Voinesti - DâmboviŃa grouped in three categories of predominant color assigned to different stages of ripening and after three periods of cold storage in cells (3 months, 5 months and 7 months). Each group contained 6 fruit. Also, for each fruit the measurements were performed on three areas (peduncular, equatorial and apical), each of them in four diametrically opposite points. The firmness of the fruit texture sometimes assimilated by, the rigidity of texture was quantified using the method known as, the method of the test-push Magnes Taylor measuring the pressure force of a calibrated cylindrical rods which penetrates into the fruit pulp for a certain depth, force called ,,resistance to penetration”. The measurements were made with the electrometer Pénefél FTD 14 (Digital Firmness Tester) with an accuracy of 0.4 N. To established that the retention times of more than 3 months has as effect, homogenization assuredness fruit texture, the resistance of penetration with slightly different values between different measurement areas on the surface of the fruit and the different stages of ripening. The data obtained are useful in evaluating the quality of consumption and from storage and storage for different periods of the apples. 1. INTRODUCTION After harvesting, to maximize production of fresh fruit in marketing (especially apples), it undergoes a chain-packing operations transport (handling) - storage - preservation - sort. value (class) and quality of fruit is largely reduced by the mechanical crunching, by the injury (contusion) of the tissue, by taunting, appearance of internal rifts cracks(breaks) of the tissue and by deformation and modification of the geometrical shape(permanent visible strains) [7]. Injury by the tissue contusion in apples and the permanent visible strains with modification of the geometric shape causes the major losses of quality and, consequently the degree of reduction in the marketing of fresh apples [6,7,8,13]. Therefore the total losses of fruits after harvest, can reach 30% of production, [13]. During storage, the apples, losses can exceed sometimes 10÷12%, [6.7]. Injuries from the apples proceeded from the preservation period are caused by the superficial injuries produced previously under epicarp which subsequently is developing in the apples pulp and of injuries caused by the application of compressive load to constant weight of fruits from the upper ranks to the fruits from the lower ranks, realizing a relationship force-deformation featured to the rheological behavior of the creep, [7]. In this case an important role is the size of packaging used (particularly the available storage height) that must not exceed certain

Rezumat În lucrare se prezintă rezultatele cercetărilor experimentale privind evaluarea fermităŃii (,,firmness”) texturii la un soi de mere autohton, din producŃia anului 2008. S-au efectuat măsurători pentru soiul Idared provenit de la I.S.C.P. Voineşti – DâmboviŃa grupat pe trei categorii ale culorii predominante atribuite stadiilor de coacere diferite şi după trei durate de păstrare în celule frigorifice (3 luni, 5 luni şi 7 luni). Fiecare grupă a conŃinut 6 fructe. De asemenea pentru fiecare fruct măsurătorile au fost efectuate pe trei zone (peduncular, ecuatorial şi apical), în fiecare din acestea în câte patru puncte diametral opuse. Fermitatea (,,firmness”) texturii fructelor asimilată uneori prin ,,rigiditatea” texturii a fost cuantificată utilizând metoda cunoscută sub numele de ,,metoda testului de apăsare Magnes –Taylor” măsurând forŃa de apăsare a unei tije cilindrice calibrate care pătrunde în pulpa fructului pe o anumită adâncime, forŃă denumită ,,rezistenŃă la penetrare”. Măsurătorile au fost efectuate cu penetrometrul Pénefél DFT 14 (Digital Firmness Tester) cu o precizie de 0,4 N. Se constată că păstrarea pe durate de peste 3 luni are ca efect, omogenizarea fermităŃii texturii fructelor, rezistenŃa la penetrare având valori diferite nesemnificativ între diferitele zone de măsurare pe suprafaŃa fructului şi diferitele stadii de coacere. Datele obŃinute sunt utile în activitatea de evaluare a calităŃii pentru consum şi în activităŃile de depozitare şi păstrare pe diferite perioade a merelor. 1. INTRODUCERE După recoltare, pentru valorificarea producŃiei de fructe în stare proaspătă prin comercializare (în particular mere), acestea suferă un lanŃ de operaŃii de ambalare-transport (manipulare) – depozitare – păstrare – sortare. Valoarea (clasa) şi calitatea fructelor este în mare măsură redusă prin vătămarea mecanică prin strivirea (contuzia) Ńesutului, prin înŃepare, prin apariŃia fisurilor interne şi crăpăturilor (ruperilor) Ńesutului şi prin deformarea şi modificarea formei geometrice (deformaŃii permanente vizibile) [7]. Vătămarea prin contuzia Ńesutului la mere şi deformaŃiile permanente vizibile cu modificarea formei geometrice constituie cauzele majore a pierderilor de calitate şi în consecinŃă a gradului de reducere a comercializării în stare proaspătă a merelor [6,7,8,13].

De aceea pierderile totale de fructe, după recoltare, pot ajunge la 30% din producŃie, [13]. In timpul păstrării, la mere, pierderile pot depăşi uneori 10÷12%, [6,7]. Vătămările merelor provenite din perioada păstrării sunt cauzate de vătămările superficiale produse anterior sub epicarp care ulterior se dezvoltă în pulpa mărului şi a vătămărilor produse de solicitarea de compresiune la încărcare constantă din partea greutăŃii fructelor din rândurile superioare asupra fructelor din rândurile inferioare, realizându-se o relaŃie forŃă-deformaŃie caracteristică comportării reologice de fluaj, [7]. In acest caz un rol important îl au dimensiunile ambalajelor folosite (îndeosebi înălŃimea utilă) care nu trebuie să depăşească anumite limite cărora s-ar putea


132

limits which could be due to defects of the lower rows of fruits, which could affect apples quality and grade [7, 8, 13]. These limits are depending on the variety of apples and baking stage characterized by a mechanical property that can be a measure of stiffness (firmness) qualities of fruit pulp. This mechanical property was defined by mechanical sizes such as: “Young modulus” of elasticity [3, 7, 8, and 13], resistance ultimate [7, 8, and 13], resistance to penetration [2.7], limit of bioyield [3, 7.8]. Therefore the best suited for evaluating apple firmness, seem to be used the resistance ultimate and / or resistance to penetration [2.7]. The limitation or even avoidance of the defects of mechanical origin that may affect fruit quality can be achieved only by knowing the physical and mechanical properties and behavior of the various types of mechanical requests of apples. Based on their knowledge can be made useful recommendations for appropriate design and choice of packaging according to the category of fruits, the degree of maturation and duration and conditions of storage (storage). Therefore took place and continues to conduct numerous theoretical and experimental researches on this properties and behavior to various types of mechanical requests of the fruits, the factors which affects them, their correlations with the tissue and cellular chemical composition. Appropriate mathematical models have been developed to describe these correlations, as the consistent with reality and based on which to be provided, under concrete conditions, either the mechanical injuries caused by storage in certain packages, or imposing the maximum permitted level of defects or injuries related to deviations from the geometrical shape to be chosen properly the suitable packaging [2,7,8,13]. There have been initiated researches in this regard and in our country at the Department of Biotechnical Systems from UPB under the guidance of prof. dr. engineer Tudor Căsăndroiu, early on 1992÷1994 under the form of contracts for scientific research and of numerous scientific papers, articles published and presented at several national scientific conferences, as well as under the format of doctoral theses completed and in progress. Is found that the researches are based on fundamental theoretical developments, first with reference to the homogeneous and isotropic bodies with ideal elastic behavior or viscous-elastic [7,8,11,13], and then thoroughly steeped in accordance with the parenchyma structure of the apple tissues for correction and adoption of the patterns for a more adequate concordance to the reality [4,1,15]. There have been broached modern methods of research in this field regarding the utilization of the finite element method to the analysis of mechanical contact tissues of apples [11] and regarding the modeling of the apples response to static shipments using images technique for reproducing the spatial distribution of the cells mechanically affected by considering the maximum stress of crushing (contusion) of cells [10]. Nowadays there has been introduced the modern concept of susceptibility to injury which takes into account in determining the stress value at which mechanical damages occurs by imposing of a certain probability with whom is produced a certain level of injury and a certain level of confidence of it [5]. This paper presents the results of experimental researches regarding the firmness assessment of the pulp tissue for a local variety of apples (Idared) from the production of 2008. It has been followed the influence of the degree of ripening, storage duration and homogeneity degree of texture firmness of, the “Magnes Taylor” test-push method [7] measuring the necessary force to penetrate the fruit pulp for a certain depth of a rigid cylindrical rod, force called, “resistance to penetration”.

datora defecte ale fructelor din rândurile inferioare, ceea ce ar afecta calitatea şi clasa merelor [7,8,13]. Aceste limite sunt funcŃie de soiul de mere şi de stadiul de coacere caracterizate printr-o proprietate mecanică ce poate fi o măsură a însuşirilor de rigiditate (fermitate ,,firmness”) a pulpei fructelor. Această proprietate mecanică a fost definită prin mărimi mecanice ca: modulul de elasticitate Young [3,7,8,13], rezistenŃa la rupere [7,8,13], rezistenŃa la penetrare [2,7], limita de biocurgere [3,7,8].Dintre acestea cele mai potrivite pentru evaluarea fermităŃii merelor, se pare că sunt utilizate rezistenŃa la rupere şi/sau rezistenŃa la penetrare [2,7]. Limitarea şi chiar evitarea defectelor de natură mecanică ce pot afecta calitatea fructelor se poate realize numai prin cunoaşterea proprietăŃilor fizice şi mecanice şi a comportării la diversele tipuri de solicitări mecanice a merelor. Pe baza cunoaşterii acestora se pot face recomandări utile în proiectarea şi alegerea adecvată a ambalajului în funcŃie de categoria de fructe, de gradul de coacere şi de durata şi condiŃiile de păstrare (depozitare). De aceea s-au desfăşurat şi continuă să se desfăşoare numeroase cercetări teoretice şi experimentale referitoare la aceste proprietăŃi şi la comportarea la diverse tipuri de solicitări mecanice ale fructelor, a factorilor care le influenŃează, a corelaŃiilor acestora cu structura Ńesuturilor celulare şi a compoziŃiei chimice. S-au dezvoltat modele matematice adecvate care să descrie aceste corelaŃii, cât mai concordant cu realitatea şi pe baza cărora să se prevadă, în condiŃii concrete, fie nivelul vătămărilor mecanice cauzate de depozitarea în anumite ambalaje, fie impunând nivelul maxim admis al vătămărilor sau defectelor legate de abaterile de la forma geometrică să se proiecteze sau să se aleagă corespunzător ambalajele adecvate [2,7,8,13]. S-au iniŃiat cercetări în acest sens şi la noi în Ńară la catedra de Sisteme Biotehnice din UPB sub îndrumarea prof.dr.ing. Tudor Căsăndroiu, încă din 1992÷1994 sub forma unor contracte de cercetare ştiinŃifică ca şi a unor numeroase lucrări ştiinŃifice, articole publicate şi prezentate la diverse conferinŃe ştiinŃifice naŃionale, precum şi sub forma unor teze de doctorat, realizate şi în curs de realizare. Se constată că cercetările au la bază dezvoltări teoretice fundamentale, pentru început referitoare la corpuri omogene şi izotrope cu comportare ideală elastică sau vâscoelastică [7,8,11,13], mai apoi aprofundată şi adâncită în concordanŃă cu structura parenchimatică a Ńesuturilor mărului pentru corectarea şi adoptarea modelelor pentru o cât mai adecvată concordanŃă cu realitatea [4,1,15]. Au fost abordate metode moderne de cercetare în acest domeniu privind utilizarea metodei elementului finit la analiza Ńesuturilor de contact mecanic a merelor [11] şi privind modelarea răspunsului merelor la încărcări statice folosind tehnica imaginilor pentru redarea distribuŃiei spaŃiale a celulelor afectate mecanic prin considerarea tensiunii maxime de strivire (contuzie) a celulelor [10]. S-a introdus în prezent conceptul modern de susceptibilitate la vătămare care Ńine seama la stabilirea valorii tensiunii la care apar vătămări mecanice de o anumită probabilitate impusă cu care se produce un anumit nivel al vătămării şi un anumit nivel de încredere al acesteia [5]. In prezenta lucrare se prezintă rezultatele cercetărilor experimentale privind evaluarea fermităŃii (,,firmness”) Ńesutului pulpei unui soi de mere (Idared) autohton din producŃia anului 2008. S-a urmărit influenŃa gradului de coacere, a duratei de păstrare şi gradului de omogenitate al fermităŃii texturii fructelor,,metoda testului de apăsare Magnes-Taylor” [7] măsurând forŃa necesară pătrunderii în pulpa fructului pe o anumită adâncime a unei tije cilindrice rigide, forŃă denumită ,,rezistenŃă la penetrare”.


133

2. THEORETICAL CONSIDERATIONS In the In the first moments of pressing the axial rod of die normal

to the flat surface of the fruit body, strains can be considered elastic ( for small strains). Further, increasing strains (so-called domain of large strains) show deviations linearity in the force-deformation curve occurs when the first damage cells bioyield points), followed by breaks of cellular tissue by compression and shearing and it take place a penetration of die in the fruit body. It will be analize, theoretically, the first and the last phase in change of place of rigid (stiff) die at the pressing on the fruit surface. In the first phase of small deformations, considered to be elastic form, is the application of the theory of elastic semispace Bussinesq [ 14]. In accordance with this theory, the distribution of the pressure on the die surface of the homogeneous semiinfinite elastic boby, correspond to the relation (fig. 1) [7].

2.CONSIDERAłII TEORETICE In primele momente ale apăsării axiale a tijei (puansonului) normală la suprafaŃa plană a corpului fructului, deformaŃiile se pot considera elastice (pentru deformaŃii mici). In continuare, la creşterea deformaŃiilor (în aşa numitul domeniu al deformaŃiilor mari) apar abateri de la liniaritatea curbei forŃă-deformaŃie când se manifestă primele distrugeri de celule (puncte de biocurgere), urmat de ruperi ale Ńesutului celular prin compresiune şi forfecare şi are loc o pătrundere a puansonului în corpul fructului. Vor fi analizate teoretic prima şi ultima fază în deplasarea puansonului rigid la apăsarea sa pe suprafaŃa fructului. In prima fază a deformaŃiilor mici considerate elastice, se aplică, de regulă, teoria semispaŃiului elastic a lui Bussinesq [14]. Conform acestei teorii, distribuŃia presiunii pe faŃa puansonului a corpului omogen elastic semiinfinit corespunde relaŃiei (fig.1) [7]:

Fig. 1 - Distribution of pressure on the die homogeneous elastic body under Bussinesq hypothesis /

DistribuŃia presiunii pe faŃa puansonului a corpului omogen elastic, conform ipotezei Bussinesq

222 raa

Fp

−=

π (1)

where: F- force of total loading of die; a -radius of die; r - the distance from the center area to prompt action die. This shows that the maximum takes place along the contour puanson, where r=a, and the minimum pressure occurs die in the center where r=0. This minimum pressure is half of the average pressure on a circular area die.

=

2

min

2

1

a

Fp

π

(2)

Elastic semi space is driven in a domain D of a load distributed to the normal whose expression in a coordinate point (x,y) is p (x,y) given by equation (1).

222 raa

Fp

−=

π (1)

unde: F- forŃa de încărcare totală a puansonului;

a – raza puansonului; r – distanŃa de la centrul ariei la punctul de acŃiune al poansonului.

Această relaŃie arată că presiunea maximă are loc de-a lungul conturului puansonului unde r=a, iar presiunea minimă are loc în centrul puansonului unde r=0. Această presiune minimă este jumătate din presiunea medie pe aria circulară a puansonului

=

2

min

2

1

a

Fp

π

(2)

SemispaŃiul elastic este acŃionat într-un domeniu D de o sarcină distribuită, normală la plan a cărei expresie într-un punct de coordonate (x,y) este p(x,y) dată de ecuaŃia (1).

Fig. 2 - Scheme computing center for the movement due to the die distributed force p (x,y) / Schema de calcul pentru deplasarea centrului puansonului datorată forŃei distribuite p(x,y)

δ movement of origin produced in O (equal to the displacement at any point of the domain (D) due to the rigidity force die (see Fig. 2 ) is consistent with the theory of elastic semispace Bussinesq, based on particular:

( )∫∫ +

−=D yx

dxdyyxp

E 22

2 ,1

πυδ (3)

where: E- Young elasticity modulus of the apple. υ – Poisson coefficient of apple material

Deplasarea totală δ produsă în originea O (egală cu deplasările în orice punct ale domeniului (D), datorită rigidităŃii forŃei puansonului) (vezi fig.2) este conform teoriei semispaŃiului elastic a lui Bussinesq, pe baza particularizării relaŃiei generale [14] exprimată prin relaŃia:

( )∫∫ +

−=D yx

dxdyyxp

E 22

2 ,1

πυδ (3)

unde: E- modulul de elasticitate Young al mărului υ - coeficientul Poisson al materialului mărului


134

[ ] [ ]aayaax ,,, −∈−∈

For the calculation of the full double failure ( 3 ) is moving from carteziene coordinate (x, y) in polar coordinate (θ, r), because expression (1) p is the pressure in polar coordinate. Charge of coordinates from the Cartesian coordinate (x, y) in polar coordinates (θ, r), fig.

2, it is known that drrddxdy θ= and ryx =+ 22

where [ ]πθ 2,0∈ and [ ]ar ,0∈ .

After the replacement of the ec. (3) and the relationship (1) to obtain:

( )( )∫∫ −

−=D ra

drd

Ea

F222

2

2

1 θπ

υδ ( 4 )

Making full calculation is double

( )

2

22πθ =

−∫∫D ra

drd and

substituting in (4) to obtain:

( )Ea

F

2

1 2υδ −= (5)

Ec. (5) is well-known [7] and it is often used for evaluation of elasticity modulus. It is used as index to estimate the firmness of fruit body tissue, after ec. 5 is arranged like:

a

FE

2

1 2υδ

−= (6)

Modulus of elasticity E is a feature used to characterize the mechanical state of maturation (ripening) fruit and in many engineering problems of calculation. By increasing the deformation displacement die in the biological material to get to the point where bioyield start crushing cells and then continuing the movement is breaking die cellular tissue by pressing (compression) to tension σr breaking at all points on the surface of the frontal and die the shearing stresses at break δr contours on the outside of the area under die fig (3).

[ ] [ ]aayaax ,,, −∈−∈

Pentru calculul integralei duble din ec.(3) se trece de la coordonate carteziene (x,y) la coordonate polare (θ,r), deoarece expresia (1) a presiunii p este în coordonate polare. La schimbarea coordonatelor de la coordonate carteziene (x,y) la coordonate polare (θ,r) fig.2, se ştie că:

drrddxdy θ= şi ryx =+ 22unde [ ]πθ 2,0∈ şi

[ ]ar ,0∈

După înlocuirea în ec. (3) şi având în vedere relaŃia (1) se obŃine:

( )( )∫∫ −

−=D ra

drd

Ea

F222

2

2

1 θπ

υδ (4)

Efectuând calculul integralei duble se găseşte

( )

2

22πθ =

−∫∫D ra

drd

şi înlocuind în (4) se obŃine:

( )Ea

F

2

1 2υδ −= (5)

Ec.(5) este o relaŃie cunoscută [7] şi este frecvent utilizată pentru evaluarea modulului de elasticitate E folosit ca indice de apreciere a rigidităŃii Ńesutului pulpei fructelor [7] după ce ec.(5) este aranjată sub forma:

a

FE

2

1 2υδ

−= (6)

Modulul de elasticitate E este o caracteristică mecanică utilizată la caracterizarea stadiului de coacere (maturizare) a fructelor şi în numeroase probleme inginereşti de calcul. Prin creşterea deformaŃiei prin deplasarea puansonului în materialul biologic se ajunge la punctual de biocurgere când începe strivirea celulelor şi apoi continuând deplasarea puansonului are loc ruperea Ńesutului celular prin presare (comprimare) la tensiuni de rupere σr în toate punctele de pe suprafaŃa frontală a puansonului şi la tensiuni de forfecare la rupere δr pe conturul exterior al suprafeŃei puansonului conform fig (3).

Fig. 3 - Scheme of calculation of the penetration force, F / Schema de calcul a forŃei de penetrare, F

In the penetration depth, die h in fruit pulp, the balance is fig. 3 can write:

rr ahaF τπσπ 22 += (7)

Ec. 7 is arranged like:

+=

r

r

ra

haF

στσπ 212 (8)

If the report notes βστ =

r

r can be considered a constant

for given state of the fruit pulp is obtained in equation (8).

+=a

haF r βσπ 212 (9)

For a die given by a radius and a constant depth h , parenthesis 1 + 2 βh/a= α may be constant. In this case, ec.9 becomes:

raF ασπ 2= (10)

Under such failure (10) shows that F, is for accepting 2a= 7/16 * 25,4= 11.1 mm [ 7 ], so π a2= 1 cm2, and thus:

F= αδr (11).

La pătrunderea pe adâncimea h a puansonului în pulpa fructului, la echilibru, fig.3 se poate scrie:

rr ahaF τπσπ 22 += (7)

Aranjând ecuaŃia (7) sub forma:

+=

r

r

ra

haF

στσπ 212 (8)

Dacă se notează raportul βστ =

r

r se poate considera o

pentru o anumită stare a pulpei fructului, se obŃine în ecuaŃia (8):

+=a

haF r βσπ 212 (9)

Pentru un puanson dat prin raza a şi pentru o adâncime h constantă, paranteza 1+2βh/a =α se poate lua constantă. In acest caz, ec(9) devine:

raF ασπ 2= (10)

Sub această formă ec. (10) arată că F, acceptându-se pentru 2a= 7/16 in = 7/16 x 25,4 =11,1 mm [7], deci πa2 =1 cm2 şi astfel:

F= ασr (11)


135

In this case of failure (11) that scale α, the force F measured resistance ultimate of the fruit pulp tissue and therefore F is a feature mechanical, determination that estimate the firmness of the tissue called the force F ,,resistance to penetration“ that is measured. According to data from [7], it is recommended that

mmxinh 9,74,2516

5

16

5 ≅==

On this basis was developed “Magnes- Taylor Method“ for evaluating firmness fruit pulp texture measuring force F (N) known “resistance to penetration“ of a rigid cylindrical die a certain depth in the fruit pulp. The measurements ,we made on penetromate PENEFEL DFT 14 Digital Firmness Tester with an accuracy of 0,4 N, die with diameter of 11.1 mm (s ≈ 1cm2). 3. METHOD AND MATERIALS The apples used in Experiments were Idared variety, from ISCP Voinesti County DâmboviŃa harvested at the end of August 2008. These were grouped into three categories of predominant colors assigned to three different stages of ripening (dough ripeness', medium and mature). Apples were grouped into groups of 6 each for each fruit baking, placed in the individual casket and stored in cells refrigerators at a temperature of 3-40 C and a relative humidity of 90 -95%. The evaluation of the firmness texture of apples was made after a storage period of 3, 5 and 7 months using the method known as, the method test-push magnes Taylor measuring the pressure force of a calibrated cylindrical rods which penetrate into pulp fruit on a certain depth, the force called ,,resistance to penetration”. The measurements were made with FTD penetrometer Pénéfel 14 (Digital Firmness Tester) with an accuracy of 0.4 N and using a calibrated cylinder rod Ф11 mm. depth penetration rod was 8 mm. The apples were removed from cells 12 hours before to the measurements in order to acclimatization environment. The measurements were performed in 12 measuring points on each fruit in every 4 points diametrically opposite on each of the areas: the equatorial zone, the peduncle zone and the apical zone. According to figure 4 which means that were performed 24 measurements for each area (equatorial, peduncle and apical) for each stage of ripening. In the measurement points was removed the epidermis so that the penetration occurs only on the fruit pulp.

Fig. 4 - Areas on the surface of the fruit and the measurement

points of resistance to penetration 4. RESULTS AND DISCUSSION The experimental measurements obtained were processed statistically using the program MathCad achieved PARSTAT.MCD [9]. The results are presented in table 1, 2 and 3 for the three durations of storage.

In acest caz, din ec.(11) rezultă că, la scara α, forŃa F măsoară rezistenŃa la rupere a Ńesuturilor pulpei fructului şi de aceea F este o caracteristică mecanică ce evaluaează fermitatea (,,firmness”) Ńesutului, forŃa F denumită ,,rezistenŃa la penetrare” care este măsurată. Conform datelor din [7], este recomandat ca

mmxinh 9,74,2516

5

16

5 ≅==

Pe această bază s-a elaborate ,,metoda testului Magnes-Taylor pentru evaluarea fermităŃii (,,firmness”) texturii pulpei fructului măsurând forŃa F (N) denumită ,,rezistenŃă la penetrare” a pătrunderii unui puanson cilindric rigid pe o anumită adâncime în pulpa fructului. La măsurătorile efectuate de noi s-a utilizat penetrometrul Pénéfel DFT14 Digital Firmness Tester cu o precizie de 0,4 N, cu puansonul de diametru 11,1 mm (s≈ 1cm2). 3. METODĂ ŞI MATERIALE Merele folosite în experimentări au fost din soiul Idared, provenite de la I.S.C.P. Voineşti jud. DâmboviŃa recoltate la sfârşitul lunii august 2008. Acestea au fost grupate pe trei categorii de culori predominante atribuite pentru trei stadii de coacere diferite (pârgă, medie şi copate). Merele au fost grupate în grupe de câte 6 fructe pentru fiecare categorie de coacere, aşezate în lădiŃe individuale şi depozitate în celule frigorifice la o temperatură de 3-40 C şi o umiditate relativă de 90 -95%. Evaluarea fermitătii (firmness) texturii merelor s-a făcut după o perioadă de păstrare de 3, 5 şi 7 luni utilizând metoda cunoscută sub numele de ,,metoda testului de apăsare Magnes- Taylor” măsurând forŃa de apăsare a unei tije cilindrice calibrate care pătrunde în pulpa fructului pe o anumită adâncime, forŃă denumită ,,rezistenŃă la penetrare”. Măsurătorile au fost efectuate cu penetrometrul Pénéfel DFT (Digital Firmness Tester) 14 cu o precizie de 0,4 N şi utilizând o tijă cilindrică calibrată Ф11 mm. Adâncimea de penetrare a tijei a fost de 8 mm. Merele au fost scoase din celule cu 12 ore înainte de efectuarea măsurătorilor în vederea aclimatizării la mediul ambiant. Măsurătorile au fost efectuate în 12 puncte de măsură pe fiecare fruct, respectiv în câte 4 puncte diametral opuse în fiecare din zonele: ecuatorială, pedunculară şi apicală.,conform figurii 4 ceea ce înseamnă că s-au efectuat câte 24 de masurători pentru fiecare zona (ecuatorială, pedunculară şi apicală) pentru fiecare fază de coacere. In punctele de măsură a fost îndepărtată epiderma astfel încât penetrarea să se producă numai pe pulpa fructului.

Fig. 4 - Zonele de pe suprafaŃa fructului şi punctele de măsurare a

rezistenŃei la penetrare 4. REZULTATE ŞI DISCUłII Datele măsurătorilor obŃinute experimental au fost prelucrate statistic cu ajutorul programului PARSTAT.MCD realizat în MathCad [9]. Rezultatele obŃinute sunt prezentate în tabelele 1, 2 şi 3 pentru cele trei durate de păstrare.


136

Table 1 - Resistances to penetration values for the variety of apples Idared after 3 months of cold storage environment / Valorile rezistenŃelor la penetrare pentru soiul de mere Idared după 3 luni de păstrare în mediu frigorific

Resistance penetration/ RezistenŃa la penetrare, F(N)

Degree of maturation/ Grad

de coacere

Area measuring/ Zona de măsură

min max medie

Root deviation/ Abaterea medie pătratică, σ (N)

Eq1) 46,4 57,6 51,3 3,6 Ped2) 47,2 55,6 51,1 2,9 Dough ripe

Ness / Pârgă Apic3) 46,7 54,2 51,7 2,1 Ec 47,5 61,7 55,3 4,5

Ped 49,8 65,4 57,5 4,6 Medium / Mediu Apic 48,8 59,8 54,9 3,7 Ec 50,6 61,1 56,6 3,4

Ped 49,1 61,2 55,5 4,4 Mature/ Coapte Apic 49 57,1 53,9 3,0

1)the equatorial zone; 2)the peduncle zone; 3)the apical zone / 1)zona ecuatorială; 2)zona pedunculară; 3)zona apicală

Table 2 - Resistances to penetration values for the variety of apples Idared after 5 months of cold storage environment / Valorile rezistenŃelor la penetrare pentru soiul de mere Idared după 5 luni de păstrare în mediu frigorific

Resistance penetration / RezistenŃa la penetrare, F(N)

Degree of maturation /

Grad de coacere

Area measuring / Zona de măsură

min max medie

Root deviation / Abaterea medie pătratică, σ (N)

Eq 41,7 57,3 47,9 4,5 Ped 43 57,1 49,9 3,5 Dough ripe

Ness / Pârgă Apic 38,1 55,2 48,3 5,0 Ec 44 51,1 48,4 1,9

Ped 43,9 51,5 47,9 2,2 Medium / Mediu Apic 47 51,1 48,6 1,1 Ec 42,8 48,4 45,9 1,5

Ped 42,9 49,4 46,2 1,5 Mature / Coapte Apic 43,4 48,1 45,3 1,2

Table 3 - Resistances to penetration values for the variety of apples Idared after 7 months of cold storage environment / Tab.3

Valorile rezistenŃelor la penetrare pentru soiul de mere Idared după 7 luni de păstrare în mediu frigorific

Resistance penetration / RezistenŃa la penetrare, F(N) Degree of maturation /

Grad de coacere Area measuring / Zona de măsură

min max medie

Root deviation / Abaterea medie pătratică σ (N)

Eq 29 39,6 35 2,8 Ped 28,1 39,3 34,1 2,8 Dough ripe Ness /

Pârgă Apic 28,6 37,6 32,9 2,7 Ec 31 38,7 34,9 1,9

Ped 29,4 39,1 34,2 2,6 Medium / Mediu Apic 29,2 38,3 33,5 2,8 Ec 28,4 36,2 32,3 2,2

Ped 27,4 34,6 31 2,2 Mature/ Coapte Apic 27,2 32,8 29,6 1,5

Were carried out tests of string normalityi every 24 data obtained from measurements. To verify the normality of repartition thwe asymmetry index ,,g” and the excess ,,E” were compared with the mean square errors and the corresponding analysis resolte on the normality distribution of data obtained from measurements are presented in table 4. The calculated value (in absolute value) must not exceed significantly (two-three times) mean square errors to have a normal distribution [12].

S-au efectuat testări ale normalităŃii şirurilor de câte 24 de date obŃinute la măsurări. Pentru verificarea normalităŃii repartiŃiei indicele de asimetrie ,,g” şi excesul ,,E” au fost comparate cu erorile medii pătratice corespunzătoare iar rezultatele analizei privitor la normalitatea distribuŃiei datelor obŃinute la măsurători sunt prezentate în tabelul 4. Valoarea calculată (în valoare absolută) nu trebuie să depăşească semnificativ (de două-trei ori) erorile medii pătratice pentru a avea o distribuŃie normală [12].

Table 4 - Checking the normality of the distribution of the data for Idared apples after 3 months storage / Verificarea

normalităŃii distribuŃiei datelor pentru merele Idared dupa 3 luni de păstrare

The asymmetry index / Indice de asimetrie ,,g” The excessl / Excesul ,E” Degree

of maturation / Grad coacere

Area/ Zona Calculated

/ Calculat Mean square error /

Eroarea medie pătratică Calculated/

Calculat Mean square error/ Eroarea

medie pătratică Eq. 0,45 0,45 1,3 0,8

Ped. 0,45 0,45 0,8 0,8 Dough ripe Ness / Pârgă Apic 0,45 0,45 0,66 0,8

Eq. 0,27 0,45 1,02 0,8 Ped. 0,1 0,45 0,99 0,8 Medium / Mediu Apic 0,3 0,45 1,4 0,8 Eq. 0,4 0,45 1,1 0,8

Ped. 0,1 0,45 1,5 0,8 Mature / Coapte Apic 0,44 0,45 1,4 0,8


137

Analyzing the data in table 4 finds that the distribution of measurement data for all areas of measurement can be considered normal. The calculated values do not exceed two or three times the average square errors accordingly. Strings in the values obtained can be considered to have a normal distribution. It was investigated if the strings of data obtained from measurements for the three areas are significantly different. For this it was investigated if they are significant differences dispersions of the between the values strings and average values of measurements according to the methodology of mathematical processing of experimental data Rumsiski [12].The data are presented in table 5.

Analizând datele din tabelul 4 se constată că distribuŃia datelor de la măsurători pentru toate zonele de măsurare poate fi considerată normală. Valorile calculate nu depăşesc de două-trei ori erorile medii pătratice corespunzătoare. In consecinŃă şirurile de valori obŃinute pot fi considerate că au o distribuŃie normală. S-a cercetat dacă şirurile de date obŃinute la măsurători pentru cele trei zone sunt semnificativ diferite. Pentru aceasta s-a cercetat dacă sunt diferenŃe semnificative între dispersiile şirurilor de valori şi valorile medii ale măsurătorilor conform metodologiei de prelucrare matematică a datelor experimentale din Rumsiski [12] Datele sunt prezentate în tabelul 5.

Table 5 - Calculated and critical values for the significance of the differences between the

strings of the values measured for the 3 areas of apples / Valorile calculate şi critice pentru semnificaŃia diferenŃelor între şirurile de valori de la măsurători

pentru cele 3 zone ale merelor

The report of dispersions/ Raportul dispersiilor

Th report / Raportul ,,t” (ec.2.31 pag41[12]) Degree

of maturation / Grad coacere

Area / Zona Value calculated / Valoare calculată

Critical value*) / Valoare critică

Value calculated / Valoare calculată

Critical value*) / Valoare critică

Eq.-Ped 1,457 2,04 0,242 2,012 Dough ripe Ness / Pârgă Ped-Apic 2,002 2,069 0,847 2,016

Ped-Eq. 1,037 2,04 1,65 2,012 Medium/ Mediu Ped.-Apic 1,56 2,04 2,05 2,02 Ped-Eq. 1,658 2,04 0,88 2,012 Ped-Apic 2,028 2,04 1,5 2,012

*)The critical value was chosen from the tables for a confidence level of 95% for 24 measurements, [12] / *)Valoarea critică s-a ales din tabele pentru un nivel de încredere de 95%, pentru 24 de măsurători, [12]

If the calculated values are lower then the critical data then the strings compared have the dispersions the average values slightly different that so the two strings of data are insignificantly different [12]. Examining the data in Table 5 is found that the calculated values in all cases are lower on then the critical values so that the strings of data obtained from measurements of the 3 areas on the 6 apples in each sample are slightly different, which leads to the conclusion that can be done measurements in any point on the surface of the fruit with the same accuracy.

In the analogue to strings of data for measurements made for strings of data for 5 months and 7 months of storage was obtained the same conclusion. For each degree of ripening and after each period of storage strings were obtained values in the three areas were united achieving a string of 72 values for which was evaluated the normality of these strings and have been calculated the following parameters: mean values, roots deviations and found that the values obtained do not differ significantly from the values corresponding to each of the three areas of measurement. This allows measurements to be made at any point on the surface of the fruit. In table 6 are average values of penetration resistance according to the area of the three periods the storage of apples.

Dacă valorile calculate sunt inferioare valorilor critice atunci şirurile de date comparate au dispersiile respectiv valorile medii nesemnificativ diferite, deci cele două şiruri de date sunt nesemnificativ diferite [12]. Examinând datele din tabelul nr.5 se constată că valorile calculate în toate cazurile sunt inferioare valorilor critice deci şirurile de date ale măsurătorilor obŃinute pe cele 3 zone ale celor 6 mere din fiecare probă sunt nesemnificativ diferite, fapt ce conduce la concluzia că se pot face măsurători în orice punct de pe suprafaŃa fructului cu aceeaşi acurateŃe. Procedând în mod analog pentru şirurile de date pentru măsurătorile efectuate pentru şirurile de date la 5 luni şi 7 luni de păstrare s-a obŃinut aceeaşi concluzie. Pentru fiecare grad de coacere şi după fiecare durată de păstrare şirurile de valori conŃinute în cele trei zone au fost reunite obŃinându-se un şir de 72 de valori pentru care s-a evaluat normalitatea acestor şiruri şi s-au calculat următorii parametri: valorile medii, abaterile medii pătratice şi s-a constatat că valorile obŃinute nu diferă semnificativ de valorile corespunzătoare pe fiecare din cele trei zone de măsurare. Acest fapt permite ca măsurătorile să se facă în orice punct de pe suprafaŃa fructului. In tabelul 6 sunt date valorile medii ale rezistenŃei la penetrare în funcŃie de zonă pentru cele trei durate de păstrare ale merelor.

Table 6 - Average values of penetration resistance / Valori medii ale rezistenŃei la penetrare, F (N)

Degree of maturation/ Gradul de coacere

after 3 months of storage / după 3 luni de păstrare



Dough ripe ness – equatorial zone / Pârgă-zona ecuatorială 51,3 47,9 35,0

Medium – equatorial zone / Mediu -zona ecuatorială 55,3 48,4 34,9

Mature – equatorial zone / Coapte- zona ecuatorială 56,6 45,9 32,3


138

Analyzing these data was find out that with increasing duration of storage the penetration resistance on the fruit tissue firmness decreases significantly, from 51.3 N (at 3 months) to 35 N (at 7 months). Also for the storage of 3 months appears significant relative values of resistance to penetration by the ripening stage (assessed by the intensity of the fruit color) this difference of firmness became insignificant by increasing the storage period over 3 months. 5. CONCLUSIONS The results from experiments referring to the flesh firmness of apples Idared shows us that resistances to penetration of the fruit tissue are not significantly different in different areas of measurement of the fruit, which requires a high homogeneity of the fruit tissue firmness on their outer surface, so you can make do measurements at any point on the surface of the fruit with the same accuracy. The period of influence of the storage on the firmness of the pulp tissue of the apple is smoothing it between the 3 areas defined on the surface of the fruit of which was found not significant differences. As utility of these results we refer to the fact that the mechanical resistance to of the fruit compression increases concording to their fermity decreases as the duration of storage. We expect an increase of the magnitude of the deformations for the same forces of compresion with the increasing of the length of storage, findings directly related to the heights of storage containers for sale, causing alteration of the characteristic geometrical shape of the fruit (judged by the degree of deformation, distortion of the shape) particularly those in the vicinity of the container bottom.

Analizând aceste date se constată că o dată cu creşterea duratei de păstrare rezistenŃa la penetrare sau fermitatea Ńesutului fructului scade semnificativ, de la 51,3 N (la 3 luni) la 35 N (la 7 luni). De asemenea pentru durata de păstrare de 3 luni apar valori relativ semnificative ale rezistenŃei la penetrare cu stadiul de coacere (apreciat prin intensitatea coloritului fructelor) această diferenŃă de fermitate devenind nesemnificativă la creşterea duratei peste 3 luni. 5. CONCLUZII Rezultatele obŃinute în experimentări privind fermitatea pulpei merelor Idared ne arată că rezistenŃele la penetrare ale Ńesutului fructului nu sunt semnificativ diferite în diversele zone de măsurare ale fructului, ceea ce reclamă o omogenitate ridicată a fermităŃii Ńesutului fructelor pe suprafaŃa exterioară a acestora, deci se pot face măsurători în orice punct de pe suprafaŃa fructului cu aceeaşi acurateŃe. InfluenŃa duratei de păstrare asupra fermităŃii Ńesutului pulpei mărului este de uniformizare a acesteia între cele 3 zone delimitate pe suprafaŃa fructului între care s-a constatat că nu apar diferenŃe semnificative. Ca utilitate a acestor rezultate ne putem referi la faptul că rezistenŃa mecanică la compresiune a fructelor în concordanŃă cu fermitatea acestora scade pe măsura creşterii duratei de păstrare. Ne aşteptăm la o creştere a mărimii deformaŃiilor pentru aceleaşi forŃe de compresiune cu creşterea duratei de păstrare constatări puse direct în relaŃie cu înălŃimile containerelor de depozitare în vederea comercializării, cauzând modificarea formei geometrice caracteristice a fructelor (apreciate prin gradul de deformare, distorsiune a formei) îndeosebi a celor din vecinătatea fundului containerelor.

REFERENCES / BIBLIOGRAFIE 1. J.A. Abbott, R.Lu, 1996, Anisotropic mechanical

properties of apples, Transactions of the ASAE, vol.39(4), pp.1451-1459

2. T. Căsăndroiu, N. OpriŃa, 1994, Cercetări experimentale privind evaluarea comportării la compresiune şi la penetrare a unor soiuri de mere, Raport ştiintific de cercetare UPB (contract de cercetare cu ICDVPH-RA Bucureşti)

3. R.B. Fridley, P.A. Adrian, 1966, Mechanical properties of peaches, pears, apricots and apples, Trans. Of the ASAE, vol 9(1), pp.135-138

4. Q. Gao, R.E. Pitt, 1991, Mechanics of parenchyma tissue based on cell orientation and microstructure, Trans. Of the ASAE, vol.34(1), pp.232-238

5. J.L. Garcia, M. Ruiz-Altisent, P. Barreiro, 1995, Factors influencing mechanical properties and bruise surceptibility of apples and pears, J. Agric. Engng. Res., vol.61, pp.11-18

6. A. Gherghi, C.Iordăchescu,I.Burzo, 1979, MenŃinerea calităŃii legumelor şi fructelor în stare proaspătă, Ed. Tehnica, Bucureşti

7. N.N. Mohsenin, 1970, Physical properties of plant and animal materials, Gordon and Breach Science Publishers, N.Y.

8. C.W. Nelson, N.N. Mohsenin, 1968, Maximum

allowable static and dynamic loads and effect of temperature for mechanical injury in apples, J. Agric. Engng. Res., vol.13(4), pp.305-317;

9. I. Păunescu, L. David, 1999, Bazele cercetării experimentale a sistemelor biotehnice, Ed.Printech, Bucureşti

10. A.C. Roudot, F.Duprat, C.Weinian, 1991, Modelling the response of apples to loads, J. Agric. Engng. Res., vol.48, pp.249-259

11. T.R. Rumsey, R.B. Fridley, 1977, Analysis of viscoelastic contact stress in agricultural products using a finite element method, Transactions of the ASAE, vol.20(1), pp.162-167

12. L.Z. Rumsiski, 1974, Prelucrarea matematica a datelor experimentale (trad. Limba rusa), Ed. Tehnica, Bucuresti

13. Y. Shahabasi, L.J. Segerlind, N.J. Carroll, 1995, A simulation modal to determine the allowable depth for apples stored in bulk, Transactions of the ASAE, vol.38(2), pp.587-591

14. R. Voinea, D. Voiculescu, F.P. Simion, 1989, Introducere în mecanica solidului cu aplicaŃii în inginerie, Ed.Acad. Romane

15. J. Wang, 2003, Anisotropic relaxation properties of pear, Biosystems Engineering, vol.85(1), pp.59-65

* * *, Manuel d’utilisation Pénéfel DFT 14 Digital Firmness Tester, Agro-technologie, 2007.


139

INDEPENDENT DISK HARROWS FOR STUBBLE-TURN AND READY GERMINATION, ALL

TYPES OF SOIL, DESIGNED 120÷÷÷÷220 HP TRACTORS /

GRAPA CU DISCURI INDEPENDENTE PENTRU DEZMIRISTIT SI PREGATIT PATUL GERMINATIV, PE TOATE TPURILE DE SOL, DESTINAT Ă TRACTOARELOR DE 120 ÷÷÷÷220CP

dr. ing. Nicolae CONSTANTIN, Prof.on dr. ing. Iosif C OJOCARU, Prof. dr. ing. Ion PIRNA,

dr.ing. Vasile NITESCU - INMA Bucure şti ing.Ion LEU-MAT Craiova

Abstract: The surface employed in our country with soil cultures are established summer-fall is about 37% of the total agricultural area. New technology for mechanization work includes soil by stubble-turn and / or germination bed prepared fresh, or plow the field near the crops to be established by summer-autumn can be applied to an appropriate level of quality requirements agropedologice, at a cost price as low and a reduced consumption of energy by promoting a new technical equipment intended for wheeled tractors 120-220 HP. New technical equipment called GD-4 performs depths of 6 ÷ 8 cm soil dezmiriştitul and 10 ÷ 14 cm from the germination bed preparation plowing fresh ground or near, the working width is approx. 4 m and the working capacity of approx. 3 ha / h. Keywords : machinery, stubble-turn and ready germination bed, independent, compact construction 1. GENERAL CONSIDERATIONS Of the country's arable land area (about 8905 ha) approximately 37% (about 3305 ha) is occupied with the cultures are established summer-fall, the rest being arable land for spring crops. If the establishment of the spring crops are agricultural (combination C2, 6 C3, 9; CPGC4 etc.) Prepared for land for sowing, in exchange for the establishment of summer crops-autumn, the range of existing agricultural machinery is not appropriate or is insufficient. Plants sown or planted on a bed properly germination develops better than plants in the germination bed is situated on the lump that makes (pause capillarity) penetration of water to plant roots. At present, prepare a bed for germination plowing summer-autumn, in our country, run with disc harrows light (in most cases) for tractors of 65 HP, with the specialized or heavy harrows made of import for high power tractors. Prepare germination beds with light harrows disc leads to a high consumption of fuel, increasing employment, increasing the duration of the campaign and running a bed germination in inappropriate conditions of low soil moisture. In this context, the aim is to promote a disc harrows and organs (additional) to grind, for tractors of higher power in order to improve technology the stubble-turn and ready germination bed to plow fresh crops to be established by summer-autumn. Work performed by grapele soil with heavy discs are characterized by good mărunŃirea results, mixing soil and mobilization performed in conditions of low soil moisture. From the constructive and functional graplele disc presents the advantage to easily pass over any obstacles that arise in the work and the active type spherical disks have a low degree of wear as a result of that process requests Work is distributed throughout the length of edge.

Abstract: SuprafaŃa ocupată în Ńara noastră de solurile cu culturi ce se înfiinŃează vara-toamna este de circa 37% din totalul suprafeŃei agricole. Noua tehnologie de mecanizare cuprinde lucrarea solului prin dezmiriştit şi/sau preg�tit patul germinativ pe arături proaspete sau pe teren nearat în care se înfiinŃează culturile de vară-toamnă se poate aplica la un nivel calitativ corespunzător cerinŃelor agropedologice, la un preŃ de cost cât mai scăzut şi cu un consum redus de energie, prin promovarea unui nou echipament tehnic, destinat tractoarelor pe roŃi de 120-220 CP. Noul echipamentul tehnic denumit GD-4 realizeaza adancimi de lucru de 6÷8 cm la dezmiriştitul solului si de 10÷14 cm la pregătirea patului germinativ pe arături proaspete sau pe teren nearat, lăŃimea de lucru fiind de cca. 4 m si capacitatea de lucru de cca. 3 ha/h. Cuvinte cheie : echipament tehnic; dezmiriştit şi pregătit patul germinativ; discuri independente; construcŃie compactă 1. CONSIDERAłII GENERALE

Din suprafaŃa arabilă a Ńării (cca 8905 mii ha) aproximativ 37% (cca 3305 mii ha) este ocupată cu culturi ce se înfiinŃează vara-toamna, restul fiind teren arabil destinat culturilor de primăvară. Dacă pentru înfiinŃarea culturilor de primăvară există utilaje agricole (combinatoare C2,6; C3,9; CPGC4 etc.) pentru pregătit terenul în vederea semănatului, în schimb pentru cele destinate înfiinŃării culturilor de vară-toamnă, gama de maşini agricole existentă nu este corespunzătoare sau este insuficientă. Plantele semănate sau plantate pe un pat germinativ corespunzător se dezvoltă mai bine decât plantele la care patul germinativ este aşezat pe bulgări care îngreunează (întrerup capilaritatea) pătrunderea apei la rădăcinile plantelor. La ora actuală, pregătirea unui pat germinativ pe arături de vară-toamnă, la noi în Ńară, se execută cu grape cu discuri uşoare (în majoritatea cazurilor) destinate tractoarelor de 65 CP, cu combinatoare specializate sau cu grape grele aduse din import, destinate tractoarelor de puteri mari. Pregătirea patului germinativ cu grape cu discuri uşoare conduce la un consum ridicat de combustibil, la creşterea forŃei de muncă, mărirea duratei campaniei de lucru şi la executarea unui pat germinativ necorespunzător în condiŃii cu umiditate scăzută ale solului. În acest context, se urmăreşte promovarea unei grape cu discuri şi organe (suplimentare) de mărunŃire, destinată tractoarelor de puteri mari, în vederea perfecŃionării tehnologiei de dezmiriştit şi pregătit patul germinativ pe arături proaspete în care se înfiinŃează culturile de vară-toamnă. Lucrările solului executate de grapele cu discuri grele sunt caracterizate prin rezultate bune de mărunŃirea, amestecarea şi mobilizarea solului, realizate în condiŃii de umiditate scăzută a solului. Din punct de vedere constructiv şi funcŃional graplele cu discuri prezintă avantajul de a trece uşor peste eventualele obstacole ce apar în procesul de lucru, iar organele active, de tip discuri sferice, au un grad scăzut de uzură, ca urmare a faptului că solicitările în procesul de lucru sunt distribuite pe toată lungimea tăişului.


140

2. AGRICULTURAL EQUIPMENT NEW TECHNOLOGY IN THE WORKS OF SOIL

New technology for mechanization work includes soil by stubble-turn and / or germination bed prepared fresh, or plow the field near the crops to be established by summer-autumn. Processing with grapele plow disc runs on diagonal direction brazdelor to smooth coamele them.

Given that Romania is currently in the tractor factory 195CP, and some farmers have imported tractors from 100-240CP, emerged as a necessary development and introduction to manufacturing in economic interest, of machines, which are now bringing in import tractors in this range.

In this connection was attempted and harrow disk designed with independent high power tractors, GD-4 type, which is building much reduced from that of existing grapelor. Harrow disk independent GD-4 is worn and / or hauled by tractor hydraulic ridicătoarele for 120-220 HP tractors, category III of SR ISO 730-1 + C1: 2000. The harrow disk consists of the following main assemblies: the chassis, batteries disc (front + back); train transport roller to level and grind; hydraulic installation.

2. UTILAJE AGRICOLE NOI IN TEHNOLOGIILE DE LUCRARE A SOLULUI

Noua tehnologie de mecanizare cuprinde lucrarea solului prin dezmiriştit şi/sau pregătit patul germinativ pe arături proaspete sau pe teren nearat în care se înfiinŃează culturile de vară-toamnă. Prelucrarea arăturilor cu grapele cu discuri se execută diagonal pe direcŃia brazdelor pentru a netezi coamele acestora. łinând seama ca în prezent în România se fabrica

tractorul de 195CP, iar unii fermieri au importat tractoare de 100-240CP, a apărut ca necesară realizarea şi introducerea în fabricaŃie la agenŃi economici interesati, a unor utilaje, care în prezent se aduc din import, pentru tractoarele din această gamă.

În acest sens a fost realizată şi încercată grapa cu discuri independente destinată tractoarelor de mare putere, tip GD-4, care are o constructie mult redusă faŃă de cea al grapelor existente. Grapa cu discuri independente GD-4 este purtată şi/sau tractată pe ridicătoarele hidraulice ale tractoarelor de 120-220 CP pe roŃi, categoria a III-a SR ISO 730-1+C1:2000. Grapa se compune din următoarele ansambluri principale: şasiu; baterii cu discuri (faŃă+spate); tren de transport; tăvălugi de nivelare şi mărunŃire; instalaŃie hidraulică.

Fig.1 - Lateral view of grape GD4-working position and transport / Vedere laterală a grapei GD4-pozitie de lucru şi de transport

Fig. 2 - View of back of grape GD4-position transport / Vedere din spate a grapei GD4-pozitie de transport

2.1. Destination and area of use Independent disk harrow GD-4 running on a single

passage: � dezmiriştirea; � bed preparation on germination or plowing fresh

ground near the crops to be established by summer-autumn sowing of cereals to cereal plants and weeding, at depths of between 10÷14 cm. Use the summer-autumn (spring in certain circumstances) by plowing fresh in all types of soil on flat land or slope to 6°. Plowing harrowing must once have been performed because they reinforce, not change and can increase water loss through evaporaŃie.

2.1. Destina Ńia şi domeniul de utilizare Grapa cu discuri independente GD-4 execută la o

singură trecere: � dezmiriştirea; � pregătirea patului germinativ pe arături proaspete sau pe teren nearat în care se înfiinŃează culturile de vară-toamnă, în vederea semănatului cerealelor păioase şi a plantelor prăşitoare, la adâncimi de lucru cuprinse între 10÷14 cm. Se utilizează vara-toamna (în anumite situaŃii primăvara) pe araturi proaspete, în toate tipurile de sol aflate pe terenuri plane sau cu pantă până la 6°. Arăturile trebuie grăpate de îndată ce au fost efectuate deoarece acestea se întăresc, nu se pot mărunŃi şi cresc pierderile de apă prin evaporaŃie.


141

2.2. Description of your constructive working Harrow with independent disk GD-4 is an

agricultural equipment worn and / or hauled to the side tiranŃii (category III of SR ISO 730-1 + C1: 2000) of the wheeled tractors 120-220 HP.

Chassis of harrow consists of bar and beam traction, the central and two side frames which are mounted disc batteries, rail transport and the grind and leveling soil rollers. Beam traction and the traction bar is

made up of welded pipe and square plates in thick sheets. They set the framework by means of bolts, washers and splints. Within central grape is a welded construction of the square tube in the form of a rectangle, rigided with reinforcement plates. On the sides of the four camps are welded to mounting frame side, and in the central area are welded two camps for fixing the train transport. Battery disc (front + back) consists of a central

semibatery and two lateral semibaterii which discount, vertical position for transport. Each semibaterie is attached to one pipe through square flanges and rubber rings. Batteries are composed of

embattled disks, bearings with rolling bearings, shaft and mounting arm support. Disks have outer diameter of 660 mm and are made of sheet manganese.

Train transport is designed for grape grape movement on public roads and consists of a welded frame with two wheels and tires. rubber rings.

Roller grind of leveling and is mounted behind the disc batteries to chip, scrape and replace additional soil processed grape batteries. For transport the rollers are plaet in vertical wedge gauge falls in the transport of 3 m. 3. CONSTRUCTION AND FUNCTIONAL CHARACTERISTICS 3.1. Functional and constructive characteristics - Harrow Type Tractor (worn) - Tractor necessary CP 120-220 - Working width, m max.4 - The width of the gauge transport 3.0 m - Number of discs 32 - The distance between discs, 220 mm 3.2. Functional Characteristics - Depth of work, cm: 10 – 14 - Working speed, km / h max. 8

2.2. Descrierea constructiv ă şi func Ńional ă Grapa cu discuri independente GD-4 este un utilaj agricol

purtat şi/sau tractat la tiranŃii laterali (categoria a III-a SR ISO 730-1+C1 :2000) ai tractoarelor de 120-220 CP pe roŃi.

Sasiul grapei are în componenŃă bara şi proŃapul de tracŃiune, cadru central şi două cadre laterale pe care se montează bateriile cu discuri, trenul de transport şi tăvălugii de mărunŃire şi nivelare a solului. ProŃapul de tracŃiune

şi bara de tracŃiune sunt realizate în variantă sudată din Ńeavă pătrată şi plăci groase din tablă. Ele se fixează de cadru cu ajutorul unor bolŃuri, şaibe şi şplinturi. Cadrul central al grapei este o construcŃie sudată din Ńevi pătrate, sub forma unui dreptunghi, rigidizat cu plăci de întărire. Pe părŃile laterale ale cadrului sunt sudate patru lagăre pentru montarea cadrelor laterale, iar în zona centrală sunt sudate două lagăre pentru fixarea trenului de transport. Bateria cu discuri (fată+ spate) are în componenŃă o semibaterie

centrala şi două semibaterii laterale, care se rabat, pe verticală, pentru pozitia de transport. Fiecare semibaterie se fixează pe cate o teava patrata prin intermediul unor flanşe si inele din cauciuc. Bateriile sunt din alcătuite discuri crenelate, lagăre

cu rulmenŃi, ax de fixare şi brat de susŃinere. Discurile au diametrul exterior de 660 mm şi sunt executate din tablă manganoasă.

Trenul de transport al grapei este conceput pentru deplasarea grapei pe drumurile publice şi are în componenŃă un cadru sudat şi două roŃi cu pneuri.

Tăvălugul de m ărun Ńire şi nivelare se montează în spatele bateriilor cu discuri cu scopul de a mărunŃi, nivela şi reaşeza suplimentar solul prelucrat de bateriile grapei. Pentru transport, tăvălugii se pliază în plan vertical pană se încadrează în gabaritul de transport de 3 m. 3. CARACTERISTICI CONSTRUCTIVE ŞI FUNCłIONALE 3.1. Caracteristici func Ńionale şi constructive - Tipul grapei tractată (purtată) - Tractor necesar, CP 120-220 - LăŃimea de lucru, m max.4 - LăŃimea de gabarit în transport, m 3,0 - Numărul discurilor 32 - DistanŃa între discuri, mm 220 3.2. Caracteristici func Ńionale - Adâncimea de lucru, cm: 10 - 14 - Viteza de lucru, km/h max. 8

4. TEST CONDITIONS IN HOUSE, FIELD LABORATORY AND EXPLOITATION

Tests in the home, laboratory and field-operation were made in aggregate with tractor T-195 during July-October 2008, in accordance with specific test procedures PSpI-01.10.29 "Testing grapelor disc and PSpI-01.00.33 "Determination of power indices for agricultural aggregates.

In tests during the summer-autumn, with independent harrow disk GD-4, Figure 3, has completed work on quality indicators and quality of work and corresponding energy.

4. ÎNCERCĂRI ÎN CONDIłII DE CASÂ, CÂMP-LABORATOR ŞI DE EXPLOATARE

Încercările în condiŃii de casă, câmp-laborator şi de exploatare s-au efectuat în agregat cu tractorul T-195, în perioada iulie - octombrie 2008, în conformitate cu procedurile specifice de încercare PSpI-01.10.29 "Încercarea grapelor cu discuri" şi PSpI-01.00.33 "Determinarea indicilor energetici pentru agregatele agricole".

La încercările din perioada de vară-toamnă, grapa cu discuri independente GD-4, figura 3, a realizat lucrări de calitate şi indici calitativi de lucru şi energetici corespunzători.


142

Fig. 3 - Aspect of the work with independent disk harrow GD-4 / Aspect din timpul lucrului cu grapa cu discuri independente GD-4

The harrow with independent disk GD-4 presented a good stability in horizontal and vertical. Changes in qualitative indices of the type of soil to be processed are presented in the chart in Figure 4 .

Grapa cu discuri independente GD-4 a prezentat o bună stabilitate în plan orizontal şi vertical. VariaŃia indicilor calitativi de lucru cu tipul solului de prelucrat sunt prezentaŃi în diagrama din figura 4.

0 5 10 15

Viteza lucru (km/h)

Latime lucru (m)

Adincime lucru (cm)

Consum comb.(l/ha)

Indicii de lucru ai grapei GD-4

Aratura normala

Aratura bolovanoasa

Miriste

Aratura normala 7.17 4.02 14.2 8.4

Aratura bolovanoasa 7.25 3.99 12.3 8.1

Miriste 7.35 3.96 10.1 7.3

Viteza lucru (km/h) Latime lucru (m) Adincime lucru ( cm) Consum comb. (l/ha)

Fig. 4 - Changes of indices of grape GD4 work with soil type /

VariaŃia indicilor de lucru ai grapei GD4 cu tipul lucrării solului

The degree of grind soil Gm [%] The main indicator of quality of grape it is the

degree of grind soil. Determination was limited to a sample of soil with dimensions 1m x 1m (using frame metric depth work carried out by harrow). Of the sample were separated by fractions of land smaller than 50 mm and bugării larger than 50 mm. The degree of grind is the proportion by weight of soil factions satisfactory grind with the Bulgarians with a maximum size 50 mm, reported in the total mass of the sample of soil, calculated using the relationship:

Gradul de m ărun Ńire a solului, G m [%] Principalul indicator calitativ de lucru al grapei îl reprezinta

gradului de mărunŃire a solului. Pentru determinare s-a delimitat o probă de sol cu dimensiunile de 1m x 1m (folosind rama metrică adâncimea de lucru realizată de grapă). Din proba respectivă s-au separat fracŃiunile de pământ cu dimensiuni mai mici de 50 mm de bugării şi cu dimensiuni mai mari de 50 mm. Gradul de mărunŃire reprezintă proporŃia în greutate a fracŃiunilor de sol cu mărunŃire satisfăcătoare, respectiv cu dimensiunile bulgărilor de maxim 50 mm, raportată la masa totală a probei de pământ, calculată cu ajutorul relaŃiei:

1001 ⋅=∑

n

M

M

G

n

ti

ci

m

where: MCI - measured weight of bulgarian soil with conventional maximum size less than 50 mm of soil sample taken, [kg]; Mti - measured weight of the whole soil samples taken, [kg]. Weighings were made with a lightweight portable, with a permissible relative error of 1%.

The main qualitative indices of energy and perform are: - Average depth of amed = 10.1÷14.2 cm; - Average width of Bmed = 3.82÷3.96 cm; - The grind of soil Gm = 75.1÷80.2%; - The incorporation into the soil plant remains Gv = 95.2÷96.6%; - The raising Gas = 20.1÷26.2%; - Speed work ve = 4.97÷7.35 km / h;

unde: Mci - greutatea măsurată a bulgărilor de sol cu dimensiunea maximă convenŃională mai mică de 50 mm din proba de sol luată, [kg]; Mti - greutatea măsurată a întregii probe de sol luată, [kg]. Cântăririle s-au efectuat cu un cântar portabil, cu o eroare relativă admisibilă de 1%. Principalii indici calitativi de lucru şi energetici realizaŃi sunt: - adâncimea medie de lucru amed =10,1÷14,2 cm; - lăŃimea medie de lucru Bmed =3,82÷3,96 cm; - gradul de mărunŃire al solului Gm=75,1÷80,2%; - gradul de încorporare în sol a resturilor vegetale

Gv=95,2÷96,6%; - gradul de afânare Gas=20,1÷26,2%; - viteza de lucru ve=4,97÷7,35 km/h;


143

- Ability to work effectively during: Wef = 1.98÷2.95 ha/h; - Fuel consumption Q = 7.29÷8.37 l/ha.

- capacitatea de lucru la timpul efectiv: Wef=1,98÷2,95 ha/h - consumul de combustibil Q=7,29÷8,37 l/ha.

4. CONCLUSIONS

Analyzing data obtained from tests resulted the following conclusions: - Harrow with independent disk GD-4 for tractors

120÷220CP was parallel with two batteries and additional organ grind with working width of 4 m;

- Harrow with independent disk GD-4 is used for summer-autumn (spring in certain circumstances) by plowing fresh in all types of soil on flat land or slope to 6°;

- Harrow with independent disk GD-4 is robust, simple from the constructive and functional, easily operated, maintained and operated in the work;

- Harrow with independent disk GD-4 is a tractor or worn, the coupling operation is performed by one man (mecanizatorul);

- Harrow with independent disk GD-4 has made quality work with a high degree of grind soil and burying the plant remains

- Coefficients of technical safety and technology have made high values, not necessary time to correct defects in service.

4. CONCLUZII

Din analiza datelor obŃinute la încercări au rezultat următoarele concluzii: - Grapa cu discuri independente GD-4 pentru tractorul de 120÷220CP pe roŃi a fost realizată cu două baterii paralele şi cu organe suplimentare de mărunŃire, cu lăŃime de lucru de 4 m; - Grapa cu discuri independente GD-4 se utilizează vara-toamna (în anumite situaŃii primăvara) pe araturi proaspete, în toate tipurile de sol aflate pe terenuri plane sau cu pantă până la 6°; - Grapa cu discuri independente GD-4 este robustă, simplă din punct de vedere constructiv şi funcŃional, este uşor de manevrat, întreŃinut şi exploatat în procesul de lucru - Grapa cu discuri independente GD-4 este de tip tractată sau purtată, operaŃia de cuplare fiind executată de către un singur om (mecanizatorul) - Grapa cu discuri independente GD-4 a realizat lucrări de calitate, cu un grad ridicat de mărunŃire a solului şi de îngropare a resturilor vegetale - CoeficienŃii de siguranŃă tehnică şi tehnologică au înregistrat valori ridicate, nefiind necesari timpi pentru remedierea defecŃiunilor în exploatare.

5. BIBLIOGRAPHY 1. Iosif Cojocaru and col. - New technical solutions in the design grapelor disc. Magazine "Mechanization of agriculture, no.7 Bucharest, 2000; 2. Traian Popescu, Iosif Cojocaru, Constantin Nicolae, Petre Toanchina, Buciu Florian, Maican Constantine - Studies and research on the achievement of a family of disc harrows worn light tractors 30, 45 and 65 HP tractors, INMA Bucharest, 1993; 3. Kolozsvári Constantina, Constantine N. - Equipment for working the soil with discs and additional organs grind for leveling and high power tractors Magazine "Mechanization of Agriculture", nr.3/2006 Bucharest. 4 Constantin Nicolae Cojocaru Iosif, Alexandros Alexoi - Grapa disc medium GDM-7 used in the germination bed preparing for the establishment of cereal crops Magazine "Mechanization of Agriculture", nr.1-2/2009 Bucharest.

5. BIBLIOGRAFIE 1. Cojocaru Iosif şi colab. - Noi soluŃii tehnice în concepŃia grapelor cu discuri. Revista "Mecanizarea agriculturii", nr.7 Bucureşti, 2000 2. Popescu Traian, Cojocaru Iosif, Constantin Nicolae, Toanchina Petre, Buciu Florian, Maican Constantin - Studii si cercetari privind realizarea unei familii de grape cu discuri usoare purtate pentru tractoarele de 30, 45 si 65 CP pe roti, INMA Bucuresti, 1993 3. Kolozsvari Constantina, Constantin N. - Echipament de lucrat solul prevăzut cu discuri şi organe suplimentare de mărunŃire şi nivelare destinat tractoarelor de mare putere Revista “Mecanizarea Agriculturii”, nr.3/2006, Bucureşti. 4 Constantin Nicolae, Cojocaru Iosif, Alexandros Alexoi – Grapa cu discuri mijlocie GDM-7 folosită la pregătirea patului germinativ pentru înfiinŃarea culturilor de cereale Revista “Mecanizarea Agriculturii”, nr.1-2/2009, Bucureşti.


144

EXPERIMENTAL ASSESSMENT OF THE SOIL HILLSLOPE LOSSE S BY EROSION CAUSED

BY WATER ACTION /

ESTIMAREA EXPERIMENTALA A PIERDERILOR DE SOL PE VER SANTI, PRIN EROZIUNE, DATORITA ACTIUNII APEI

Dr. eng. V. Herea 1), math. P. Cârdei 2),

dr. eng. V. Muraru 2), dr. eng. C. Muraru-Ionel 2) 1)ICDVV Valea Călugăreasc ă, Romania

2)INMA Bucharest, Romania

Abstract. The paper present a method to assessment the soil erosion caused by the water action on the hillslope. This paper present especialy the processing of the data obtained using the experimental results of the IMERE installation, designed and manufactured at ICDVV Valea Calugareasca, where the experiencies are develped. Our calculus introduce new soil erosion estimators, but for equivalence, we use also the classical soil erosion estimators. the lost soil per ha for an year. The article present specific application in horticultura, but this application can be generalized at many others crops. Keywords: erosion, assessment, experimental INTRODUCTION

Estimating the risk of erosion of soils located on the versions, because the action of water, has been a constant concern in the sphere of science since the first half of the twentieth century and strengthened in the years 1990 - 2000, when they were prepared representative theoretical models in this area. Even if the tools are very modern theoretical and applied, primarily due convenience their underlying mathematical models of the underlying facts and experimental observations made in decades of study.

On the other hand, theoretical methods used in the mathematical apparatus, many constant that can not be estimated only by the experimental and the same kind of relationships between groups of parameters. Experiment remains, therefore, absolutely necessary, either for direct estimation of the unknown, either for evaluation of relations between the coefficients or parameters of a process, but and for verification of theoretical relations or partially theoretical.

Much more is at the current method of empirical evaluation of the risk of erosion, developed in 2008, [16], [17]. In addition, this method and announces a possible estimate of the risk of erosion in the long term using a small number of experiments pluviometric event type, in some measure similar to the material fatigue predictive testing regime accelerated.

In previous articles about this method, we present IMERE installation, with which to make experiments, [16], and main results obtained, and applications of this equipment in the investigation of erosion processes, but also in other areas such as agriculture precision [17].

In this article presents the basic algorithm of experiments, the method of processing raw data and use them to obtain higher-level data. ALGORITHM TESTING

Because experiences have comparable results, they must be carried by a common procedure, which specify the process parameters and how to obtain them and how to obtain a final estimator of erosion from the gross results.

Rezumat. Articolul prezintă o metodă de evaluare a eroziunii provocată de acŃiunea apei pe versanŃi. Se prezintă în special procesarea datelor obŃinute utilizând rezultatele experimentale ale instalaŃiei IMERE, proiectată şi construită la ICDVV Valea Călugărească, unde au efectuate şi experimentele. Calculele noastre introduc estimări noi ale eroziunii solului, dar pentru echivalare s-au utilizat şi estimări clasice ale eroziunii solului, pierderile de sol la ha într-un an. Acest articol prezintă aplicaŃii specifice în agricultură, dar şi aplicaŃii ce pot fi generalizate la multe alte culturi.

Cuvinte cheie: eroziune, evaluare, experimental INTRODUCERE

Estimarea riscului de eroziune a solurilor situate pe versanti, din cauza actiunii apei, a constituit o preocupare constanta in sfera stiintifica inca din prima jumatate a secolului XX si s-a consolidat in anii 1990 – 2000, cand au fost perfectate modelele teoretice reprezentative in acest domeniu. Chiar daca instrumentele teoretice sunt foarte moderne şi solicitate, în primul rănd datorită comodităŃii lor, la baza modelelor matematice ale acestora stau fapte experimentale şi observaŃii făcute în zeci de ani de studiu.

Pe de altă parte, metodele teoretice folosesc în cadrul aparatului matematic, foarte multe constante care nu se pot estima decat pe cale experimentală, precum şi relaŃii de aceeaşi natură, intre grupe de parametri. Experimentul ramane, in consecinta, absolut necesar, fie pentru estimarea directa a unor necunoscute, fie pentru evaluarea unor coeficienti sau relatii intre parametrii unui proces, dar sipentru verificarea unor relatii teoretice sau partial teoretice.

Cu atat mai mult, se situeaza in actualitate metoda empirica de evaluare a riscului de eroziune, elaborata in anul 2008, [16], [17]. In plus, aceasta metoda anunta si o posibila estimare a riscului de eroziune pe termen lung folosind un mic numar de experimente de tip eveniment pluviometric, în oarecare masura similar cu predictia oboselii materialelor prin testare in regim accelerat.

In articolele precedente despre aceasta metoda, am prezentat instalatia IMERE, cu ajutorul careia se fac experimentele, [16], si rezultatele principale obtinute, precum si aplicatiile acestei instalatii in domeniul investigarii proceselor de eroziune, dar si in alte domenii,cum ar fi agricultura de precizie, [17].

In acest articol se prezinta algoritmul de baza al experimentelor, metoda de prelucrare a datelor brute si utilizarea acestora pentru obtinerea unor date de rang superior.

ALGORITMUL DE EXPERIMENTARE

Pentru ca experienŃele să aibă rezultate comparabile, acestea trebuie să se desfăşoare după o procedură comună, care să precizeze parametrii procesului şi modul de obŃinere al acestora, precum şi modul de obŃinere a estimatorilor finali ai eroziunii plecând de la rezultatele brute.


145

CONDUCTING EXPERIMENTS Operations in the experiments, the parameters that

are measured or calculated and the measure units of these appear in Table 1.

DESFĂŞURAREA EXPERIENłELOR OperaŃiunile desfăşurate în cadrul experienŃelor,

parametrii care se măsoară sau calculează şi unităŃile de măsură ale acestora apar în tabelul 1.

Table 1 Table containing conducting experimental steps and parameters which are measured or calculated / Tabelul

conŃinând desfăşurarea etapelor experimentale şî parametrii care se măsoară sau se calculează

Stage no. /

Etapa nr.

Operations / Opera Ńiuni Numerical data collected / Date numerice preluate

Observations / Observa Ńii

1

Putting into operation:/ Punerea în funcŃiune: - putting in the working position /punerea în poziŃie de lucru, - beginning the wet with constant pressure and flow, which remains constant throughout the experience all time / se începe udarea cu presiune si debit constante, care se menŃin constante pe toată perioada desfăşurării experienŃei, - moisture determination in soil layer 0÷20 cm / determinarea umidităŃii solului în stratul 0÷20 cm; - determination of resistance to penetration in soil layer up to 30 cm / determinarea rezistenŃei la penetrare a solului în stratul de până la 30 cm; - determining the density of soil to the initial moisture in layer 0÷5 cm; / determinarea densităŃii solului la umiditatea iniŃială în stratul 0÷5 cm; - the cover crop / acoperirea vegetala, %;

S – wetted surface area / aria suprafeŃei udate; p – land slope / panta terenului; p0 – Water pressure in the installation / presiunea apei în instalaŃie; t0 – time when star wetting / timpul la care începe udarea; i0 – initial index of the water meter indexul / iniŃial al contorului de apă; u0 – soil initial humidity in zone 0÷20 cm; / umiditatea iniŃială a solului în zona 0÷20 cm; r0 – resistance to penetration on the first 30 cm depth (average and variation); / rezistenŃa la penetrare pe primii 30 cm adâncime (variaŃia şi valoarea medie); ρu0 – soil density in superficial layer between 0 and 5 cm; / densitatea solului în stratul superficial între 0 şi 5 cm; Vc – the cover crop / acoperirea vegetala

m2 grade / degree

N/m2 s

m3

%

N/m2

kg/m3

%

2 Recording the start of leakage material detached / Înregistrarea începutului scurgerii materialului detaşat. Leave the wet continue / Se lasă udarea să continue

tc – timpul la care se observă începutul scurgerii materialului detaşat / the time which observed the beginning of leakage material detached; ic – The index of water at the beginning of leakage material detached / indexul contorului de apă la momentul observării începerii curgerii materialului detaşat; pc – pressure water plant at the beginning of leakage material detached / presiunea apei în instalaŃie la momentul începutului curgerii materialului detaşat hmax – maximum height of falling raindrop / înălŃimea maximă de cădere a picăturilor de ploaie; hmed – average height of a falling raindrop; / înălŃimea medie de cădere a picăturilor de ploaie; mp – an average mass of water drops / masa unei picături medii de apă

s

m3

N/m2

m

m

kg

3

Measurements - stage starts immediately after the occurrence is observed material flow detached / Măsurări – etapa începe imediat ce se observă apariŃia curgerii materialului detaşat. Leaked material is collected in containers of known capacity, preferably equal containers marked in order to fill (buckets). / Materialul scurs se colectează în recipiente de capacităŃi cunoscute, de preferinŃă egale, recipiente notate în ordinea umplerii (găleŃi). At this point leave wetting continue until filled 4-5 containers / La acest moment se lasă udarea să continue, până când se umplu 4 – 5 recipiente. Then stops wetting. / Apoi se opreşte udarea. Collection will continue until finished flow of material detached, taking care to take the material from the pipe or from pipes collection / Colectarea se va continua până la încetarea curgerii materialului detaşat, având grijă să se preia şi materialul de pe conducta sau conductele de colectare.

tf - the time when the water supply was sroped / timpul la care se opreşte alimentarea cu apă; if – the water index at stopping the water supply / indexul contorului de apă la momentul opririi alimentării cu apă; trii,- i=1,2,…n, the initial times when filling the containers / timpii initiali de umplere a recipientelor; trfi, i=1,2,…n, the final times when filling the containers / timpii finali de umplere a recipientelor; (nf <n): index last container filled before the closing supply water / indicele ultimului recipient umplut înainte de închiderea alimentării cu apă (nf <n)

s

m3 s s


146

4

Weighing the evidence / Cântărirea probelor: The contents of each container is subject to a process of extraction of soil (dry) and then weighed dry soil (0% moisture) / ConŃinutul fiecărui recipient se supune unui proces de extragere a solului (uscare) şi apoi se cântăreşte solul uscat (0 % umiditate)

mi, i=1,…,n, masses of soil in the containers with the same index / masele de sol conŃinute în recipientele cu acelaşi indice; ρ – the density of dry soil / densitatea solului uscat

kg

kg/m3

5 Calculus / Calcule

5.1 The total quantity of water used / Cantitatea totală de apă administrată: 0fA i i= − m3

5.2 The total quantity of water used / Cantitatea de apă administrată până la apariŃia curgerii: 0c cA i i= − m3

5.3 Average flow of water distributed / Debitul mediu de apă distribuită: 0f

AQ

t t=

−

m3/s

5.4 The quantity of specified water unit area necessary to trigger flow / Cantitatea de apă specifica unităŃii de suprafaŃă necesară declanşării curgerii

cc

Aa

S= m

5.5

The quantity of specified water unit area administered throughout the period / Cantitatea de apa specifica unităŃii de suprafaŃă, administrată pe întreaga perioadă:

Aa

S= m

5.6 Specific flow for unit area / Debitul specific unităŃii de suprafaŃă:

Qq

S= m/s

5.7 Total mass of dry soil collected / Masa totală de sol uscat colectată:

1

n

ii

M m=

=∑ kg

5.8 Mass of soil collected from the emergence of flow by the end of water supply / Masa de sol colectata de la apariŃia curgerii până la închiderea alimentării cu apă

11

fn

ii

M m=

=∑ în kg

5.9 Overall loss of specific surface area unit per event / Pierderea globală specifică unităŃii de suprafaŃă pe eveniment:

MP

S= kg/m2

5.10 Overall loss per hectare per event / Pierderea globală la hectar pe eveniment: 10Pha P= ⋅ tone/ha

5.11

Overall loss of soil specific unit surface and unit debit pluviometric / Pierderea globală de sol specifică unităŃii de suprafaŃă şi unităŃii de debit pluviometric:

P

Qφ = kg·s/m5

5.12

Overall loss of soil specific unit surface and unit debit pluviometric specific unit area: / Pierderea globală de sol specifică unităŃii de suprafaŃă şi unităŃii de debit pluviometric specific unităŃii de suprafaŃă:

P

qψ = în kg·s/m3

5.13 Local speed of variation flow material detached / Vitezele locale de variaŃie a scurgerii materialului detaşat:

ii

rfi rii

m

t tµ =

−

kg/s

5.14

Chart speed variation of leakage of material detached in time: it will be separate all the time flow and during of occurrence flow and decoupling the source of water / Graficul variaŃiei vitezei de scurgere a materialului detaşat în timp: se va face separat pe toată perioada de curgere şi pe perioada dintre apariŃia curgerii şi decuplarea sursei de apă.

The coordinates of graphic points are: Coordonatele punctelor graficul sunt:

( )1

,2

irfi rii

rfk rik ik

t tt t m

=

−− +

∑

5.15

Gross estimator of annual soil loss per hectare for a given pluviometer / Estimator grosier de pierdere anuală de sol la hectar, pentru un regim pluviometric dat, Pl (în mm)

1000

Pl PhaPhaa

a

⋅=⋅

t/ha on year / în t/ha pe an

5.16 The total period of wett / Durata totală a udării T=tf-t0 s

5.17 Durata udării pana la apariŃia curgerii The wet period until appearance flow / Durata udării pana la apariŃia curgerii

Tc=tc-t0 s

5.18 Length slopes (wet plot) / Lungimea pantei (parcelei udate) L m

5.19 Rain intensity / Intensitatea ploii 1000A

IS

⋅= mm

5.20 Rain intensity per hour / Intensitatea orara a ploii 3600A

iT

⋅= mm/h


147

The main measures of erosion estimated appear in

the table in fig.1, specify overall loss unit area per event, P, overall loss per hectare per event Pha, the overall loss of soil specific unit surface and unit debit pluviometric, Ф overall loss of soil specific unit surface and unit debit pluviometric specific unit area, ψ. Measures the intensity of rain, are: the total quantity of water used, A, average flow of water distributed, Q, the quantity of water specified unit area, administered over the entire period, a, the flow specific unit surface q. The quantity of water used to flow occurrence, Ac, and the quantity of water specified unit area to trigger flow, ac are possible measures of soil erosion. Direct measures of soil erosion are the local speeds variation of flow material detached, µi, or gross estimator of annual soil loss per hectare for a given pluviometric regime, Pl, Phaa. For intensity of energy of the raindrops, have appreciable importance parameters: hmax - maximum height of falling raindrops; hmed - average height of falling raindrop, mp - mass of an average drop of water.

Principalele măsuri sau estimatori ai eroziunii apar în tabelul din fig.1, pierderea globală specifică unităŃii de suprafaŃă pe eveniment, P, pierderea globală la hectar pe eveniment, Pha, pierderea globală de sol specifică unităŃii de suprafaŃă şi unităŃii de debit pluviometric, Ф şi pierderea globală de sol specifică unităŃii de suprafaŃă şi unităŃii de debit pluviometric specific unităŃii de suprafaŃă, ψ. Măsuri ale intensităŃii ploii, sunt: cantitatea totală de apă administrată, A, debitul mediu de apă distribuită, Q, cantitatea de apa specifică unităŃii de suprafaŃă, administrată pe întreaga perioadă, a, debitul specific unitaŃii de suprafaŃă, q. Cantitatea de apă administrată până la apariŃia curgerii, Ac, si cantitatea de apă specifica unităŃii de suprafaŃă necesară declanşării curgerii, ac, sunt posibile măsuri ale erodabilităŃii solului. Măsuri directe ale erodabilităŃii solului sunt şi vitezele locale de variaŃie a scurgerii materialului detaşat, µi, sau estimatorul grosier de pierdere anuală de sol la hectar, pentru un regim pluviometric dat, Pl, Phaa. Pentru intensitatea energetică a picăturilor de ploaie, au o importanŃă apreciabilă parametrii: hmax – înălŃimea maximă de cădere a picăturilor de ploaie; hmed – înălŃimea medie de cădere a picăturilor de ploaie; mp – masa unei picături medii de apă.

SOFTWARE ALGIMERE FOR PROCESS EXPERIMENTAL DATA

Software ALGIMERE for process experimental data were elaborated in MS Office Excel and structured like algorithm described in table 1.

The software is made of working Excel spreadsheet. The first sheet contains all the cells of input data and calculations necessary for the ordinary final report and related graphics.

In sheet no. 2 of ALGIMERE, is given a graphic with speed of detached variation in time, calculated as the ratio between the amount of collected material detached on each container and the time collection - is therefore an average speed of deployment for each interval collection ( Fig. 2).

It can be seen the existence a ceiling approximately constant during rain in steady state by wett. The phenomenon is pursued only during the material flows. On the same graphic are represented the variation of speed leakage corrected with corrections due pauses replacement the containers.

PROGRAMUL ALGIMERE DE PRELUCRARE A DATELOR EXPERIMENTALE

Programul de prelucrare a datelor experimentale ALGIMERE, este elaborat în produsul MS Office Excel, în esenŃă fiind structurat după algoritmul descris în tabelul 1.

Programul este format dim mai multe foi de lucru Excel. Prima foaie conŃine toate celulele de introducere a datelor si calculele ordinare necesare raportului final şi graficelor aferente. În foaia nr. 2, a programului ALGIMERE, se dă un grafic conŃinând variaŃia în timp a vitezei de detaşare, calculat ca raportul între cantitatea de material detaşat colectat pe fiecare recipient şi timpul de colectare – prin urmare este o viteză medie de detaşare pe fiecare interval de colectare (fig. 2).

Se poate observa existenŃa unui plafon aproximativ constant pe parcursul timpului ploii in regim stabilizat de udare. Fenomenul este urmărit numai pe timpul cât materialul curge. Pe acelaşi grafic se reprezintă variaŃia vitezei de scurgere corectată cu corecŃiile datorate pauzelor de înlocuire a recipientelor.

Fig. 1 - InformaŃiile de bază din raportul programului ALGIMERE / The principal information from ALGIMERE software report


148

In sheet 3 of the ALGIMERE, it is graphic represented the variation in time of dry material collected, in uncorrected variant and corrected variant (fig. 3).

CALCULUS REPORT – ADDITIONAL RESULTS The main results of the software and a series of

additional results appear in sheet no. 4 of ALGIMERE. The results are given in the table in Fig. 1 and the

graphical representations in Fig. 2 and 3. All estimators are calculated according to formulas in Table 1.

From program report, only one gross estimator is annual soil loss per hectare. This estimator, normally can not be inferred from a single experiment using the IMERE.

A value of this estimator will be even better as it is calculated as the average of several experiments, broken during a whole year, during estenŃiale vegetation development, conduct of agricultural work and taking into account the natural breakdown of average pluviometric regime.

În foaia 3 a programului ALGIMERE, se reprezintă grafic, variaŃia în timp a materialului uscat colectat, în varianta necorectată şi în varianta corectată (fig. 3). RAPORTUL DE CALCUL–REZULTATE SUPLIMENTARE

Principalele rezultate aleprogramului, precum si o serie de rezultate suplimentare apar în foaia nr. 4 a programului ALGIMERE.

Rezultatele de baza sunt date în tabelul din fig. 1 şi în reprezentările grafice din fig. 2 şi 3. ToŃi estimatorii sunt calculaŃi conform formulelor din tabelul 1.

Din raportul programului, singurul estimator grosier este pierderea anuală de sol la hectar. Acest estimator, în mod normal, nu se poate deduce dintr-un singur experiment cu ajutorul instalaŃiei IMERE.

O valoare a acestui estimator va fi cu atat mai bună cu cât ea se calculează ca medie a mai multor experimente, repartizate pe durata unui întreg an, în perioadele estenŃiale de dezvoltare a vegetaŃiei, de desfăşurare a lucrărilor agricole şi Ńinând seama de repartiŃia naturală medie a regimului pluviometric.

Fig. 2 - Graficul variatiei vitezei de detasare a solului,care apare in raportul programului ALGIMERE / Chart speed change to the deployment of the soil, which appears in the program ALGIMERE

Fig. 3 - Variatia în timp a masei de sol detasate,graphic ce apare in Raportulprogramului ALGIMERE / Variation in time of soil mass

detached, the graphic that appears in in the program ALGIMERE

MORE RESULTS Outside the fundamental results, the report of

processing experimental data, contains data witch trying to estimate the geometrical and physical features of the pluviometric artificially created regime. Calculations are made under certain simplifying assumptions, which will specify in each case. If the movement involves raindrops

REZULTATE SUPLIMENTARE În afara rezultatelor de bază, raportul prelucrării

datelor experimentale, conŃine şi date care încearcă să estimeze caracteristici geometrice şi fizice ale regimului pluviometric artificial creat. Calculele se fac în anumite ipoteze simplificatoare, care se vor specifica, în fiecare caz. Dacă se presupune mişcarea picăturii de apă în


149

conservative gravitational field, then from matching potential energy (calculated at the maximum and minimum heights witch are experiment data) and kinetic, it follows the formula for calculating the contact raindrops speed with the ground.

2cv gh= (1)

where: g is gravitational acceleration and h is height from the raindrop falls. In report, for height h, is considered the minimum value, maximum and the average for of the minimum and maximum.

In form calculating is required the average of diameter raindrops. Using this information and the assumption that the density of water is 1000 kg/m3 and raindrops form is approximately spherical, is given a second addition result, the average mass of a raindrop artificial, calculated by the formula:

3

34

3 2 6p

p p

dm d

π πρ ρ = =

(2)

where: ρ is the density of rainwater (artificial) and dp is the average diameter of raindrop. In relation to the size of rain drops can consult [4] or [5].

In [6] maximum diameter of a raindrop is rated at 0.0025 m, in [7], between 0.0005 and 0003 m, in [8], under 0004 m, in [9] between 0.0005 m and 0.01 m, and [10], between 0.0005 and 0008 m. Complements and details can be found in [11].

Having calculated the data above can be calculated easier following additional result: the impact energy of raindrop with an average size with the soil.

21

2i p ce m v= (3)

As order size of this energy may be 0.1 mJ, as shown in [2], article [3]. An elementary account appears in [12].

A fourth result of the calculations attached to the experiment with the IMERE is the average number of raindrops witch falling per unit wetted surface:

3 3

6

43 2

ppp

a aN

dd ππ= =

(4)

where: a is the amount of water administered per unit area (table with the primary results of Fig. 1), calculated simply by:

Aa

S= , (5)

where: A is the total quantity of water administered, and S is the area of wetted area in experiment.

This parameter - the average number of drops of medium size that were administered per unit area – is not adimensional, but is measured in number of raindrops per square meter, it’s size is the length superscript - 2.

For this latter parameter calculated deriving simple and the number of water drops witch hitting unit area in unit time:

pp

Nn

T

=

(6)

where T is the total wetting period table in fig.1, the primary results).

Starting from the parameters calculated until now, it calculates the amount of energy received by the unit of wetted surface, by the formula:

S i pE e N= ⋅ , (7)

and the quantity of energy received by unit area in unit time:

câmp gravitaŃional conservativ, atunci, din egalarea energiilor potenŃială (calculată la înălŃimile maximă şi minimă care sunt date ale experimentului) şi cinetică, rezultă formula de calcul pentru viteza de contact a picăturii cu solul

2cv gh= (1)

în care: g este acceleratia gravitationala, iar h este inalatimea de la care picatura cade. În raport, pentru înaltimea h, se considera valorile minima, maxima si medie aritmetica a celei minime si maxime. În formularul de calcul se cere valoarea medie a diametrului picaturilor de apa. Folosind aceasta informatie si presupunerea ca densitatea apei este 1000 kg/m3, iar forma picaturii este aproximativ sferica, se da un al doilea rezultat suplimentar, masa medie a unei picaturi de ploaie artificiala, calculata dupa formula:

3

34

3 2 6p

p p

dm d

π πρ ρ = =

(2)

în care: ρ este densitatea apei de ploaie (artificiala), iar dp este diametrul mediu al picaturii de ploaie. În legătură cu dimensiunile picăturilor de ploaie se poate consulta [4] sau [5].

În [6] diametrul maxim al unei picaturi de ploaie este evaluat la 0.0025 m, în [7], între 0.0005 şi 0.003 m, în [8], sub 0.004 m, în [9] între 0.0005 m şi 0.01 m, iar în [10], între 0.0005 şi 0.008 m. Completări şi precizări se găsesc în [11].

Tinand sema de datele calculate mai sus se poate calcula usor urmatorul rezultat suplimentar: energia de impact a unei picaturi de marime medie cu solul:

21

2i p ce m v= (3)

Ca ordin de mărime a acestei energii se poate lua 0.1 mJ, asa cum se arată şi în [2], în articolul [3]. Un calcul elementar apare în [12]. Un al patrulea rezultat al calculelor ataşate exeprimentului cu instalaŃia IMERE, este numarul mediu de picaturi de ploaie care cad pe unitatea de suprafaŃa udată:

3 3

6

43 2

ppp

a aN

dd ππ= =

(4)

în care: a este cantitatea de apa administrata pe unitatea de suprafata (tabelul cu rezultate primare din fig. 1), calculată simplu, după formula:

Aa

S= (5)

unde: A este cantitatea totală de apa administrata, iar S este aria parcelei udate in experiment.

Acest parametru – numărul mediu de picaturi de marime medie care au fost administrate pe unitatea de suprafaŃă - nu este adimensional, ci se masoara în numar de picaturi pe metru patrat, dimensiunea lui fiind lungime la puterea minus 2. Din acest ultim parametru calculat, derivă simplu şi numarul de picături de apa care lovesc unitatea de suprafata in unitatea de timp:

pp

Nn

T

=

(6)

în care T este durata totală a udării (tabelul din fig.1, rezultate primare). Pornind de la parametrii calculati până acum, se calculează cantitatea de energie primită de unitatea de suprafaŃă udată, dupa formula:

S i pE e N= ⋅ (7)

si cantitatea de energie primita de unitatea de suprafata in unitatea de timp:


150

s i pe e n= ⋅ (8)

These energy quantities are calculated on one of three variants: minimum, medium or maximum.

The impact energy importance of raindrops is outlined in [13], which shows that for different types of soils, there are clear limits, nature of energy power, from which the top, becoming rain erosion. It considers that the limits erosion are caught between 5 µJ for fine sand and 12 µJ for clayey dust. A parameter more difficult to assimilate is medium thick layer of soil detached by a drop of water, and then on medium thick layer of soil detached and then including this estimate of the mass of soil detached per unit area and per hectare and in the simulated experimental pluviometric event.

In [14], says that only 5÷22% of the energy impact of the raindrops is used for training crater.

The author [14] gives an equation that may provide the approximate crater volume formed by raindrop.

The calculation is: assume that due to the energy of impact, the raindrop hoe and disjointed in soil the a semispherical of height h (hole depth in idealized form of semispherical cap, whose size depends on the strength of superficial layer of soil, by its resistance the penetration, σp. The basic equation is:

i c pe v σ= ⋅ , vc (9)

vc is the volume of the semispherical witch shape cavity created by the raindrop in soil.

An estimate of the volume of crater in the ground caused by the fall of drops of water, appears in [15], form very interesting and possibly implemented in the higher level calculations on experimental data. Formula proposed in [15] the following form:

2

d t k

d t

EV

ρ ρρ ρ φ

⋅= ⋅

+, (10)

where: V is crater volume, ρt is the density of target (ground), ρd is the density of drop water, Ek is the kinetic energy of drop water to impact, and φ is voltage limit of

plastic deformation of the target (soil). Using this formula and knowing the average energy

of impact, and the average number of drops falling per square meter, one can try in this way an estimate (as is very coarse) the volume of soil detached by rain (natural or artificial).

Formula (10) gives a rather large supraevaluation if deemed density around 1000 kg/m3, the energy of impact about 0.00008 J and voltage limit flow soil approximately 28000 Pa, resulting soil mass deployment of about 72,131 kilograms. THE SUMMARY OF SAPLES EXPERIMENTS IN 2008

For use in simulation, and verification that the ability of various simulation models and programs are still gives a summary table containing the experimental results of experiments conducted with the primary IMERE in 2008.

Processing was done with the computer and data processing described above.

s i pe e n= ⋅ (8)

Aceste cantităŃi energetice se calculează pe una dintre cele trei variante: minimă, medie sau maximă.

ImportanŃa energiei de impact a picăturilor de apă este subliniată în [13], unde se arată că pentru diverse tipuri de soluri, există limite clare, de natură energetică, de la care în sus, ploaia devine erozivă. Se apreciază că limitele de erozivitate sunt cu prinse între 5 µJ, pentru nisip fin şi 12 µJ, pentru praf lutos.Un parametru mai greu de asimilat este grosimea stratului mediu de sol detaşat de o picatura de apa, şi de aici mai departe grosimea stratului mediu de sol detasat si apoi estimarea inclusiv pe aceasta cale a masei solului detasat pe unitatea de suprafata si apoi la hectar in cadrul evenimentului pluviometric simulat experimental.

În [14], se afirmă că numai 5÷22% din energia de impact a picăturilor de ploaie este utilizată pentru formarea craterelor.

Autorul [14] da si o ecuaŃie cu ajutorul careia se poate prevedea volumul aproximativ al craterului format de picătura de ploaie.

Principiul de calcul este urmatorul: presupunem ca datorita energiei de impact, picătura sapă şi dezlocuieşte în sol o calotă sferică de înălŃime h (adâncimea gropii în forma idealizată de calotă sferică), a cărei mărime depinde de rezistenŃa stratului superficial de sol, data prin rezistenŃă la penetrare, σp. EcuaŃia de baza este:

i c pe v σ= ⋅ , vc (9)

în care vc este volumul calotei sferice care modelează cavitatea creată de picatură în sol.

O estimare a volumului craterului provocat în sol de căderea unei picături de apă, apare în [15], formulă foarte interesantă şi posibil de aplicat în cadrul calculele de nivel superior asupra datelor experimentale. Formula care se propune în [15] are următoarea formă:

2d t k

d t

EV

ρ ρρ ρ φ

⋅= ⋅

+ (10)

în care: V este volumul craterului, ρt este densitatea Ńintei (solul), ρd este desditatea picaturii de apă, Ek este energia cinetică a picăturii la impact, iar φ este tensiunea limită de

deformaŃie plastică a Ńintei (solul). Folosind această formulă şi ştiind energia medie de

impact, precum şi numărul mediu de picături căzute pe metru pătrat, se poate încerca şi în acest fel o estimare (e drept foarte grosieră) a volumului de sol detaşat de ploaie (naturală sau artificială).

Formula (10) dă o supraevaluare destul de mare dacă se consideră densităŃile de aproximativ 1000 kg/m3, energia de impact în jur de 0.00008 J şi tensiunea limită de plastificare a solului aproximativ 28000 Pa, rezultând masa de sol detaşată de aproximativ 72.131 kg. CENTRALIZATORUL EXPERIMENTELOR DE PROB Ă DESFĂŞURATE ÎN ANUL 2008

Pentru folosirea în activitatea de simulare, ca verificare şi capacitate de simulare a diverse modele şi programe, se dă în continuare un tabel centralizator conŃinând principalele rezultate experimentale ale experienŃelor primare desfăşurate cu instalaŃia IMERE în anul 2008.

Prelucrarea s-a făcut cu programul de calcul şi prelucrare a datelor, descris mai sus.

Experiment A Experiment B Experiment D Experiment E Experiment F

The width of the parcel / LăŃimea parcelei, m 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00 The length of the parcel / Lungimea parcelei, m 14.00 14.00 9.00 9.00 13.00 The area of a parcel / Aria parcelei, m2 84.00 84.00 54.00 54.00 78.00 The initial umidity / Umiditatea iniŃială, % 15.01 14.72 17.74 27.77 15.00 The water quantity used / Cantitatea de apă administrată, m3

0.627 3.3838 6.0629 1.4021 9.917

The intensity of rain / Intensitatea precipitatiilor, mm

7.464 40.283 112.276 25.965 127.141


151

Wetting period / Durata udării, ore 0.41 2.30 4.00 0.98 6.63 Wetting intensity per hour / Intensitatea orara a udarii, mm/oră

18.355 17.489 28.051 26.480 19.171

Lost soil per m 2 per event / Pierderea de sol pe m 2, pe eveniment, kg/m2

0.0197 0.0041 0.0124 0.0097 0.0027

Water quantity managed until flowing / Cantitatea de apă administrată până la curgere, m3

0.204 2.9778 5.8838 1.2309 9.518

The time until start de flowing / Timpul scurs până la declanşarea curgerii, ore

0.13 2.03 3.88 0.87 6.37

CONCLUSIONS

After finished stages like design, implementation, testing and preparation algorithm processing experimental data, can be drawn conclusions for the method for estimating the risk of erosion and instruments used by it. C1) The mobile installation designed estimating the risk of erosion on slopes due to the action of water, work fine, but were identified parameters to be measured, in addition to those measured in the experiences conducted so far, as, for example, during the replacement of a container collection of sediments; C2) Have identified a number of ways of defining the intrinsic parameters of erosion, including erosion of the rain intensity and soil characteristics erosional (measurement parameters dynamics, energy, etc.). C3) The experiments developed in 2008 using the installation IMERE have detected risks of erosion on the ICDVV, in accordance with the feedback database for European soils.

After improving the algorithm and the experimental data software, will be able to perform experiments with high precision for measuring the risk of erosion on an event pluviometric and theoretical considerations on the annual variation of the parameter pluviometric, management and vegetation, will increase and accuracy assessment risk of erosion in the classical period of annual soil lost per hectare.

CONCLUZII In urma parcurgerii etapelor de conceptie, realizare,

experimentare si prepararea algoritmului de prelucrare a datelor experimentale, se pot trage uneleconcluzii asupra metodei de estimare a riscului de eroziune si instrumentelor folosite de aceasta. C1) Instalatia mobila destinata estimarii riscului de eroziune pe pante datorita actiunii apei, functioneaza satisfacator, dar au fost identificati parametri care trebuie masurati, in afara celor masurati in experientele desfasurate pana acum, cum este, de exemplu, timpul de inlocuire a unui recipient de colectare a sedimentelor; C2) S-au identificat o serie de cai de definire a unor parametri intrinseci de eroziune, care sa includa intensitatea eroziva a ploii, precum si caracteristicile erozionale ale solului (parametri de masura deorigine dinamica, energetica,etc.); C3) Experientele desfasurate in anul 2008, folosind instalatia IMERE, au detectat riscuri de eroziune pe teritoriul ICDVV, in deplina concordanta cu aprecierile bazelor de date europene pentru soluri. Dupa imbunatatirea algoritmului siprogramului de prelucrare a datelor experimentale, se vor putea desfasura experimente cu precizie foarte buna de apreciere a riscului de eroziune pentru un eveniment pluviometric, iar consideratii teoretice despre variatia anuala a parametrului pluviometri, demanagement si vegetatie, vor putea creste si precizia aprecierii riscului de eroziune in termenul clasic al pierderii anuale de sol la hectar.

BIBLIOGRAPHY / BIBLIOGRAFIE [1]. P. Cârdei & colectiv, Prognoza pierderilor de sol de uz agricol prin eroziune şi alunecări de teren, în scopul elaborării unor soluŃii de prevenire sau/şi remediere, etapa II-a, Elaborare metodă, noiembrie 2008; [2]. http://soil.scijournals.org/cgi/content/abstract/55/2/301; [3]. P. P. Sharma, S.C. Gupta, W. J. Rawls, Soil Detachment by Single Raindrops of Varying Kinetic Energy, Published in Soil Sci Soc Am J 55:301-307 (1991),© 1991 Soil Science Society of America, 677 S. Segoe Rd., Madison, WI 53711 USA; [4]. http://news.bio-medicine.org/biology-news-2/Study-Of-Raindrop-Energy-To-Aid-Fight-Against-Crop Diseases-13792-3/; [5]. Nano Kazuki, Hotta Norifumi, Suzuki Masakazu, Assessing raindrop impact energy at the forest floor in a mature Japanese cypress plantation using continuous raindrop-sizing instruments, http://www.ingentaconnect.com/content/klu/10310/2004/00000009/00000002/art00009; [6]. Precipitation." Earth Science. Illinois: Heath, 1999; [7]. "Rain." Encyclopedia Encarta.1st ed. CD-ROM. New York: Microsoft, 2000; [8] .Davis, Neil T. "Raindrop Size Article #236." Alaska Science Forum. 28 June 1978; [9]. Characteristics of Particles and Particle Dispersoids." Handbook of Chemistry and Physics. 62nd Edition. New York: CRC, 1981; [10]. Formation of Raindrops. Encyclopedia.com;

[11]. http://hypertextbook.com/facts/2001/IgorVolynets.shtml; [12]. http://www.pha.jhu.edu/~broholm/l11/node4.html; [13]. Christian Salles, Jean Poesen, Gerard Govers, Statistical and Physical Analysis of Soil Detachment by Raindrop Impact: Rain erosivity Indices and threshold Energy, Water resources research, vol. 36, NO. 9, pages 2721–2729, 2000, http://www.agu.org/pubs/crossref/2000/2000WR900024.shtml [14]. Hossein Ghadiri, Crater formation in soils by raindrop impact, Earth Surface Processes and Landforms, Volume 29 Issue 1, pages 77 – 89, 20 ian. 2004, http://www3.interscience.wiley.com/journal/107062769/abstract; [15]. Hossein Ghadiri, Crater formation in soils by raindrop impact, Earth Surface Processes and Landforms 29, 77-89 (2004), published online in Wiley InerScience, www.interscience.wiley.com; [16]. Herea V., P. Cârdei , Raluca Sfîru, Experimental determination of the soil erosion measures/ 7TH International Symposium Prospects For The 3RD Millenium Agriculture, October 2-4, 2008, University Of Agricultural Sciences And Veterinary Medicine, Cluj-Napoca; [17]. Vasile Herea, Petru Cardei, Installation and procedure for slope erosion assessment, caused by the water action, in control rain / Simpozionul International Engineering And Management Of Sustainable Developement In Agriculture, Transports And Food Industry, INMATEH 2008 – II, Bucuresti, 18 Iulie 2008.


152

Inmateh i - 2009

Documents

eugen marin inma bucharest

drago manea inma bucharest

food industry inma bucharest

vasilica tefan inma

valentin vldu inma bucureti

member of asas mitroi

member of asas bria

elemente nutritive prof