Міністерство освіти і науки України Клуб пакувальників Київський міжнародний контрактовий ярмарок Національний університет харчових технологій
Матеріали доповідей ХІX Науково‐практичної конференції молодих вчених «Новітні технології пакування»
Додаток до журналу «Упаковка®»
За підтримки:
Київ – 2020
ЗМІСТ Б. Канєвський, В. Воробей, ВПІ НТУУ «КПІ імені Ігоря Сікорського», м. Київ Мультимедіа у сучасному пакованні ................................................................................. 4 В.С. Гніп, О.В. Ганоцька, к. мист., ХДАДМ, м. Харків Концепт дизайну багатофункціональної упаковки «DRUG» ........................................... 7 А. Лапін, Д. Пригодій, К. Васильківський, к.т.н., НУХТ, м. Київ Аналіз і удосконалення систем протяжки плівкових матеріалів в пакувальному обладнанні .......................................................................................................................... 10 Б.В. Михайлик, О.М. Гавва, д.т.н., І.М. Литовченко к.т.н., НУХТ, м. Київ Особливості формування дози в’язкопластичної продукції ваговим способом ........... 13 Р.З. Швед, Ю.П. Шоловій, к.т.н., НУ «Львівська політехніка» Обґрунтування параметрів бункера з ефектом самозапирання для дрібнодисперсних сипких матеріалів ........................................................................ 16 Б.Р. Іваськів, І.І. Регей, д.т.н., УАД, м. Львів Розроблення нового способу транспортування картонних заготовок у штанцювальному обладнанні та привода натискної плити преса з обмеженим ходом ............................................................................................................ 18 І.В. Ніколаєва, О.М. Шнирук, А.Ю. Кузовая, А.Д. Пєтухов, д.т.н., НТУУ «КПІ імені Ігоря Сікорського», м. Київ Роль УФ-променів в подрібненні мікропластику у воді ................................................ 20 А.О. Білоусова, П.В. Дем’яненко, Л.І. Мельник, к.т.н., НТУУ «КПІ імені Ігоря Сікорського», м. Київ Модифікація поверхні пакувальних біополімерних плівок ........................................... 22 Ю.О. Ступак, К.В. Васильківський, к.т.н., Д.В. Пригодій, к.т.н., НУХТ, м. Київ Біополімери. Екологічна упаковка ................................................................................... 24 А.Ю. Капустник, В.Ю. Колосков, к.т.н., НУЦЗУ, м. Харків Проблеми впровадження екологічно-безпечної упаковки у систему військової логістики України ............................................................................................ 27 О.М. Кондратенко, к.т.н., Б.В. Музика, Є.В. Капінос, НУЦЗУ, м. Харків Викид парів моторного палива з резервуарів за механізмом малого дихання при зберіганні ......................................................................................... 29 О.М. Кондратенко, к.т.н., О.С. Боцмановська, Н.М. Подоляко, НУЦЗУ, м. Харків Викид парів моторного палива при зберіганні у резервуарах за механізмом великого дихання ..................................................................................... 32
3
УДК 655.3.026.25 Мультимедіа у сучасному пакованні Б. Канєвський, В. Воробей, ВПІ НТУУ «КПІ імені Ігоря Сікорського», м. Київ Вже тривалий час паковання є важливим і ефективним засобом реклами бренду та взаємодії із клієнтом. У зв’язку з розвитком цифрових технологій та мереж воно видозмінюється у повноцінний споживчий продукт, що пов’язаний з іншим контентом мережі. Тому постає питання, як можна використати сучасні мультимедійні технології у пакованні для привернення уваги до продукту та виділення його серед конкурентів. Важливим елементом будь-якого сучасного паковання є соціальні мережі, які не лише надають додаткову інформацію користувачеві, а й дозволяють прорекламувати продукт через коротке відео чи проаналізувати сучасні тенденції для подальшої розробки дизайну. В результаті проведення аналітичного дослідження було розроблено класифікацію різновидів мультимедійної інформації паковання (рис. 1). Уже тривалий час для забезпечення зв’язку між пакованням і додатковим контентом використовують штрих-коди, які скануються за допомогою цифрових зчитувачів. Проте на сьогоднішній день для введення інтерактивних елементів в паковання (відео, анімація, гіперпосилання на соціальні мережі, сайти тощо) починають використовувати QR-коди або спеціальні мітки доповненої реальності. Інтерактивні технології реалізується доволі часто через доповнену реальність (AR) [1]. Вона дозволяє користувачеві взаємодіяти із пакованням, отримати додаткову інформацію про продукт через відео, текст чи анімацію, зіграти в гру і тим самим підвищити впізнаваність та ефективність реклами компанії. Наприклад, відомий бренд «Fanta» використав цю технологію в своїх інтерактивних пляшках, що дозволило за допомогою додатку «Shazam» додавати віртуальні елементи прямо на фото [2]. На сьогоднішній день існують цифрові платформи, що інтегровані в упаковку. Проте розвиток паковання невпинно триває, і, як приклад, нещодавно було створено цифрову платформу Tetra Pak® Connected Package, що забезпечує зв’язок додаткового контенту і паковання на новому рівні. Вона дозволяє виробникам продуктів харчування і напоїв перетворити тару в носій даних, що дає можливість відстежити, отримати інформацію про продукт і підвищити лояльність споживачів. Це так зване «підключене паковання» [3]. Користувач може легко відсканувати код і перевірити справжність товару або отримати нову інформацію: індивідуальні рекламні акції, історії походження продуктів, вікторини, онлайн-ігри тощо. На рис. 2 показано розвиток мультимедіа в пакованні.
4
5
Рис. 1. Класифікація різновидів мультимедійної інформації
На нашу думку, раціональний варіант такого зв’язку в майбутньому буде реалізуватися через RFID-мітки або подібні до них. Дана технологія дозволить виробникам відслідковувати товари на великих відстанях і отримати користувачами повну додаткову інформацію при їх зчитуванні, що в майбутньому дасть можливість створити єдину базу всіх раніше виготовлених паковань для того, щоб мати змогу контролювати повний цикл життя виробу. В доповіді наведені приклади використання мультимедійних технологій у сучасному пакованні. Можна зробити висновок, що важливою складовою процесів пакування у майбутньому стане забезпечення взаємодії з користувачем через засоби мультимедіа.
Рис. 2. Розвиток мультимедіа в пакованні Література: 1. Take Your Packaging to the Next Level with Augmented. Режим доступу: https://www.industrialpackaging.com/blog/take-your-packaging-to-the-next-levelwith-augmented-reality (дата звернення: 09.01.2020). 2. The connected pack: How social media is changing packaging design // Packing World Design. Режим доступу: https://www.packworld.com/home/article/ 13376891/the-connected-pack-how-social-media-is-changing-packaging-design (дата звернення: 09.01.2020). 3. Новая роль упаковки – цифровой инструмент // Тетра Пак. Документы и статьи. Режим доступу: https://www.tetrapak.com/ru/about/cases-articles/ connected-package-digital-tools (дата звернення: 09.01.2020).
6
Концепт дизайну багатофункціональної упаковки «DRUG» В.С. Гніп, О.В. Ганоцька, к. мист., Харківська державна академія дизайну і мистецтв Дивлячись на тенденції розвитку дизайну упаковки у світі, можна зробити висновок, що сьогодні дуже велику роль відіграють певні запити та смаки суспільства. Відомий фахівець у галузі пакування В. Кривошей вказує: «Найближчим часом у відповідь на радикальні зміни, які безперервно впливають на людські відносини, розвиток пакування швидше прийме форму революції, ніж простої еволюції, особливо коли мова йде про споживчий ринок, продаж товарів та продуктів» [1]. Із зростанням асортименту товарів і конкуренції упаковка припиняє виконувати роль виключно утилітарну – «зберігання товарів», а стає одним з основних засобів, що дозволяє виокремити товар з множини собі подібних. Відповідно, як стверджує Т. Хайн, «зростає не тільки значимість зовнішньої привабливості упаковки, але і тієї додаткової споживчої цінності, яку вона привносить» [2]. Ідея дизайну багатофункціональної упаковки даного проєкту – створити упаковку для одноразових рушників та сланців, де коробка зроблена з переробленого гофрокартону. До розгортки паковання входять одноразові в’єтнамки, які при розбиранні коробки можна відокремити завдяки перфорації. Метою проєкту є підвищення зручності користування і розширення функціональних можливостей упаковки. Акцент у дизайні упаковки в даному випадку зроблений на екологічній функції та економічності виготовлення. Тираж продукції може буди розрахований на велику кількість, упаковка повинна бути максимально дешевою та з невеликою кількістю використання графічних засобів.
Рис. 1. Основа форми коробки у вигляді тригранної призми За основу форми коробки вирішено взяти форму тригранної призми з ручкою у вигляді пакета-сумки (рис. 1). Така фігура зручна для зберігання продукції, накладаючи їх оптом одну на одну. На двох гранях будуть впроваджені розгортки в’єтнамок так, щоб при застосуванні упаковки їх можна було від’єднати від упаковки завдяки перфорації. Відповідно розмір довжини і ширини боків коробки буде трохи більше оптимального розміру для розгорток в’єтнамок. Гофрокартон – це певний тип матеріалу, який фактично складається 7
з трьох різних аркушів – двох рівних і одного гофрованого, розміщеного між ними. Конструктивні особливості гофрокартону роблять його ідеальним матеріалом для створення надійної упаковки, адже повітряний прошарок, що утворюється хвилеподібним папером всередині, діє як подушка для упакованих виробів і забезпечує захист від механічних пошкоджень.
Рис. 2. Логотип «DRUG» Вибір образу дизайну упаковки оснований на головній ідеї створення проєкту. Головні аспекти – екологічна упаковка, продукція – рушник, в’єтнамки, тобто помічники для споживача при використанні їх для своїх приємних процедур. Відштовхуючись від аспектів, було вирішено розробити логотип для проєкту з назвою «DRUG», яка максимально відповідає головній ідеї. Форма букв у логотипі вибудована так, що вона нагадує листочок, котрий прямим своїм посилом натякає нам про захист природи. Використання кольорів – білий, та ніжний відтінок зеленого (рис. 2).
Рис. 3. Концепт багатофункціональної та екологічної упаковки для одноразових рушників «DRUH» Багатофункціональність, націленість на споживача і на захист навколишнього середовища – ось основні характеристики упаковки нового покоління. Гостра конкуренція товарів на полицях магазинів висуває останнім часом нові вимоги до дизайну. При створенні упаковки дизайнеру вже недостатньо думати тільки про нове й цікаве рішення, здатне привернути увагу до продукту. Не менш важливо, щоб упаковка говорила однією мовою зі своїми споживачами, відображала їх смаки й пристрасті, а для цього необхідно, щоб дизайнер 8
вбудував у візуальне оформлення продукту певні візуальні знаки, які будуть зрозумілі для споживача і повідомлятимуть йому необхідну інформацію [3]. Таким чином, можна сказати, що упаковка може бути візуальною проєкцією комплексу смислових понять. Література: 1. Кривошей В.М. Упаковка в нашому житті. Київ : ІАЦ «Упаковка», 2001. 160 с. 2. Хайн Т. Все об упаковке: эволюция и секреты коробок, бутылок, консервных банок и тюбиков / пер. с англ. СПб : Азбука ; Терра, 1997. 282 с. 3. Ганоцька О. Дизайн споживчої упаковки в Україні: сучасні прийоми та засоби. Київ : МІСТ, 2009. С. 63–68.
9
Аналіз і удосконалення систем протяжки плівкових матеріалів в пакувальному обладнанні А. Лапін, Д. Пригодій, К. Васильківський, к.т.н., Національний університет харчових технологій, м. Київ Дослідження стосується особливостей тертя і динаміки навантажень в системах транспортування плівкових матеріалів циклічної дії. Протягування плівок є важливою складовою сукупності операцій, до якої ставляться вимоги обмеження навантажень і величин деформацій, відсутності залишкових деформацій, точності позиціювання і переміщень. При цьому використання фрикційного способу передачі руху у більшості випадків є єдиною технічною можливістю. Одночасно фрикційY ний спосіб є запобіжним засобом обмеження навантажень. До α Рг Vр.о. Р Рв числа застосовуваних випадків 1 відносяться системи, в яких має місце контактування робочого органу з плівковим полотном 2, N V пл. Х Роп О Fт.р. І І що знаходиться в контакті з Fт.о. ІІ нерухомою поверхнею 3 (рис. 1), ІІ 2 а робочий орган 1 виконує mg 3 циклічні зворотно-поступальні Рис. 1. Схема випадку тертя в двох переміщення. Рушійна сила Р площинах прикладається до робочого органу під кутом α до лінії переміщення, що забезпечує одночасне притискання і замикання системи та відповідне переміщення. Особливістю такої системи є те, що саме сила Р створює сили тертя Fт.р. і Fт.о. складовою PB = Psinα і рушійний фактор PГ = Pcosα. mg Pоп (1) Р f р f о sin sin ;
Рг
Pоп
mg
f р f о tg tg ,
(2)
де Pоп = N(fp – fo); N = Psinα + mg; fp і fo – відповідно коефіцієнт тертя в площинах І–І та ІІ–ІІ. Енергетичні витрати на переміщення x(к) в одному циклі: Pопх к mgх к (3) Е оп f р f о tg tg . В дослідженнях динаміки і кінематики переміщень ведучої і веденої мас як приведеної виконано на основі рівняння руху, інтегрування якого дозволяє записати: P cos Fт.о. Pоп P cos Fт.о. Pоп t 2 . (4) x t ; x mпр mпр 2 mпр mпр 10
Рівноприскорений рух на першому етапі з кінцевим значенням швидкості х к завершується накопиченням відповідної кінетичної енергії Ткін: m пр P cos Fт.о. P оп 2 2 Т кін t . 2 m пр m пр
(5)
Останню запропоновано використати в режимі вибігу на другому етапі, на якому величина вибігу x(к)2 становить: F P (6) х к 2 х к 1t к 2 т.о. оп t 2к 2 . 2m Моделювання генератора сил тертя двосторонньої дії виконано на основі розрахункової схеми по рис. 2, в якій реалізовано відсутність Fт.о. і односпрямовані сили тертя Fт в площинах І–І та ІІ–ІІ. При цьому: 2Fт 2f p N і Fт f p N ; Y
3
V
4
2 N
Роп
І
Fт
ІІ
І
Fт ІІ N
Х 1
Рзаг Рдин Роп 2Fт . (8) Тоді за початкових умов першого етапу t п 0; х 2п 0; х 2п 0 маємо: 2F Р x 2 т оп t ; mпр.2
V
Рис. 2. Схема пристрою для протяжки полотна гнучкого зв’язку: 1 – полотно; 2 – ведучі шківи; 3 – паси; 4 – ведені шківи
x2
2Fт Роп 2 t ; 2mпр.2
2Fт Роп mпр.2x2 2Fт Роп , (7) а максимальне динамічне і загальне навантаження складають: Рдин mпр.2x2 2Fт Роп і
t Iк
2х 2к mпр.2 ; 2Fт Роп
2х 2к mпр.2 2F Р (9) х 2max т оп 2mпр.2 2Fт Роп а кінетична енергія на момент завершення І-го етапу: х 2 к (10) Екін 2Fт Роп 2 х 2к 2Fт Роп . 2Fт Роп На другому етапі сили інерції перетворюються в рушійні: x Ік m пр mпрх 2Fт.о. Р оп ; t IІк . (11) 2Fт.о. Pоп Разом з тим в пристроях генерування сил тертя, відображених в дисертаційному дослідженні і в літературних джерелах, використовувалися такі окремі фактори впливу, як сили стискання, коефіцієнти тертя, кути охоплення, приведені коефіцієнти тертя.
11
ω3
3
N13 V
N23
О3
a
V
d
5
R3 Sнб
γ
ω2 α1 О2
β
α
ω1 О1 R1
R2 2
Sзб
β1
c
b
m3g
4
1
Рис. 3. Схема генератора сил тертя з автоматичним регулюванням стискання в зонах контактування роликів з плівкою: 1 і 2 – ролики ведучі; 3 – ролик притискний; 4 – водило; 5 – плівкове полотно В схемі пристрою для генерування рушійних сил тертя запропоновано до використання всі названі вище фактори впливу, які мають прояв у семи зонах генерування сил тертя (рис. 3). Плівкове полотно 5 протягується через зони контактування а-b, b-c i c-d. Цим поверхням з їх кутами охоплення відповідають результуючі сил тертя. Окрім того лініям контактування роликів і плівки, що проходять через точки b і c, відповідають нормальні реакції N12 і N23 з відповідними силами тертя на внутрішній та зовнішній поверхнях плівки. Висновки. Стабільне забезпечення систем транспортування плівкових матеріалів з заданими рівнями синхронізації з роботою технологічного обладнання потребує розширених діапазонів рушійних факторів у формі сил тертя. Забезпечення заданих рівнів доцільно досягати за рахунок комбінацій силових дій та кутів охоплення плівкою ведучих елементів. Література: 1. Проєктування пакувального обладнання із мехатронних модулів / М.В. Якимчук та ін. Київ : Сталь, 2017. 515 с. 2. Теорія тертя у взаємодії твердих тіл / А.І. Соколенко та ін. Київ: Фенікс, 2012. 256 с.
12
Особливості формування дози в’язкопластичної продукції ваговим способом Б.В. Михайлик, О.М. Гавва, д.т.н., І.М. Литовченко, к.т.н., Національний університет харчових технологій, м. Київ Унаслідок розвитку електроніки, а також виникнення необхідності виготовляти на виробництві продукцію невеликими партіями з різними розмірами упаковки, в харчовій промисловості все ширше застосовується ваговий спосіб формування дози продукції [1, 2]. Серед переваг вагового дозування виділяють високу точність і швидке переналагодження обладнання [3]. Однак його застосування при дозуванні в’язкопластичної продукції обмежене через реологічні особливості, що істотно впливають на похибку формування дози. Теоретичні дослідження процесу формування дози в’язкопластичної продукції проводились за допомогою імітаційного моделювання в програмному комплексі FlowVision 2.3.0. В якості основної моделі розрахунку обрана «Вільна поверхня», з розрахунком рівнянь концентрації, швидкості і відносного об'єму рідини в осередку. У всіх випадках сопло живильника внесено окремим фільтром, а подача продукції була задана нормальною швидкістю. Результати впливу на тензометричну систему отримані за допомогою додаткової горизонтальної площини, проведеної на відстані 0,5 мм від дна тари. При проведенні моделювання об’єктом, з якого формується доза, обраний плавлений сир з такими властивостями: вологість 35 %, щільність 1070 кг/м3, ефективна в’язкість 18 Па/с, жирність 45 %. На першому етапі досліджень визначено вплив геометрії тари на процес дозування. Для дослідження прийнято циліндричну тару, об’єм якої у всіх випадках був однаковий: 0,00025 м3. Розміри задавалися співвідношенням діаметра тари до діаметра дозуючого сопла (D/d). Діаметр дозуючого сопла прийнятий рівним 0,03 м. Попередньо було запропоновано такі співвідношення (D/d): 4/3, 2/1, 3/1, 4/1.
Рис. 1. Кінетика формування дози при різних значеннях D / d: 4/3, 2/1, 3/1, 4/1 Продуктивність сучасних зразків промислового обладнання знаходиться в межах 25-30 доз за хвилину, тому з урахуванням технологічного процесу час заповнення тари приймаємо 1,875 с, відповідно швидкість наповнення 0,1895 м/с. 13
Моделювання дало можливість визначити величину динамічного навантаження на систему зважування. Реалізація раціонального закону формування дози передбачає поступове зменшення питомої продуктивності живильника в кінці процесу дозування, для того щоб компенсувати похибку в кінці наповнення. Так само в ході моделювання було встановлено, що за невеликого діаметру тари (4/3, 2/1) на початку процесу формування дози продукція при переміщенні з сопла змінює об’ємну масу (рис. 2). У такому випадку тензометрична система сприймає нерівномірний приріст показників, що може істотно ускладнити реалізацію раціонального закону формування дози.
Рис. 2. Кінетика формування дози при рухомому (1) і стаціонарному розташуванні (2) сопла живильника З метою визначення нерівномірності приросту дози продукції було проведено моделювання в двох варіантах з рухомим і нерухомим соплом. Для досліджень прийнята жерстяна тара № 7 (внутрішній діаметр 72,8 мм, висота 82 мм, обсяг 0,00035 м3). Діаметр сопла не змінювався, однак у разі його рухомого варіанта сопло у стартовому положенні знаходиться на висоті 25 мм від дна, початок руху відбувається з 0,6 с від початку дозування, а швидкість підйому дорівнює швидкості підйому рівня продукції в тарі. Як видно з рис. 2, характер наповнення тари стаціонарним соплом у значній мірі відповідає характеру наповнення тари 2/1 (D/d) з першого етапу моделювання. Тиск, що сприймає система зважування, описується кривою, яку складно апроксимувати лінійним рівнянням із достатньою точністю. У той же час варіант з рухомим соплом можна розділити на два етапи: до початку руху і після початку руху. При розгляді окремо ці графіки можна апроксимувати лінійними рівняннями із ступенем точності R2 = 0,988 і R2 = 0,997 відповідно. За отриманими даними запропоновано структурну схему експериментальної установки (рис. 3) для дослідження дозування в’язкопластичної продукції ваговим способом із зворотним зв’язком.
14
Рис. 3. Структурна схема установки для дозування в’язкопластичної продукції ваговим способом Висновок. Проведено теоретичне дослідження процесу дозування в’язкопластичної харчової продукції методом імітаційного моделювання, визначено динамічні складові похибки. Запропоновано структурну схему дозатора з рухомим соплом живильника, що забезпечить рівномірний приріст показників на тензометричній системі. Література: 1. Гавва О.М., Беспалько А.П., Волчко А.І. , Кохан О.О. Пакувальне обладнання. Київ : ІАЦ «Упаковка», 2010. 746 с. 2. Гавва О.М., Кохан О.О. Дозувальні пристрої пакувальних машин // Упаковка. 2002. № 5. С. 46–49. 3. Ульянов В. Дозаторы для фасовки. Классификация и описание схем работы // Технологии и оборудование. Минск, 2003. № 3. С. 42–48.
15
Обґрунтування параметрів бункера з ефектом самозапирання для дрібнодисперсних сипких матеріалів Р.З. Швед, Ю.П. Шоловій, к.т.н., Національний університет «Львівська політехніка» При розвантаженні дрібнодисперсних сипких матеріалів (СМ) з бункерів виникають певні труднощі, спричинені їх обмеженою текучістю в зоні випускного отвору, хаотичним і непрогнозованим рухом, а інколи і повною його відсутністю [1]. Одним із ефективних методів покращення умов витікання є застосовування динамічного впливу вібрації на СМ за допомогою конічного коливного днища, що сприяє зменшенню сил щеплення між частинками матеріалу, зміні його напруженого стану і, в результаті, покращенню показників текучості. Робота таких пристроїв базується на використанні ефекту «самозапирання потоку» продукції в результаті припинення дії вібрації, тобто формуванні стійкого склепіння над випускним отвором. Тому для ефективної роботи бункера необхідно обґрунтувати параметри розвантажувальної лунки та встановити оптимальні режими вібрації конічного днища. З цією метою була розроблена математична модель, що ґрунтувалась на дослідженні силових факторів, що призводять до формування стійкого склепіння над випускним отвором. При гравітаційному витіканні з конічної розвантажувальної лунки з кільцевим випускним отвором, що утворений стінками лунки та конічним днищем (рис. 1), визначили ширину кільцевого випускного отвору bo. На продукт, що знаходився в елементарному об’ємі склепіння, діяли прирости сил, Рис. 1. Схема дії сил, що діють на значення яких визначались елементарний об’єм склепіння, при формою та розмірами лунки та гравітаційному витіканні конічного днища (рис. 1): дрібнодисперсного СМ із конічної dFаут dFC1 dFC 2 dG. розвантажувальної лунки бункера із Підставивши вирази для визначенкільцевим випускним отвором ня цих приростів сил, що діють на СМ у елементарному об’ємі склепіння у конічній розвантажувальній лунці із кільцевим випускним отвором, отримали: 0 dhC lо f
1 sin( 1 ) dhC cos( 1 ) l1 1 sin( 2 ) dhC cos( 2 ) l2 0 g dhC bо lо . '
'
16
З цього рівняння визначали граничне максимальне значення ширини кільцевого випускного отвору bo конічної розвантажувальної лунки бункера, що забезпечує формування стійкого склепіння при гравітаційному витіканні матеріалу: bо
0 l1 l2 1' f sin2 1 l1 sin2 2 l2 . f 0 g l1 l2
Для подальшого дослідження геометричних параметрів розвантажувальної лунки бункера були встановлені величини напруження у масиві, які виникають при вільному витіканні СМ. Крім ширини кільцевого випускного отвору bo при конструюванні бункерів часто виникає проблема вибору кута нахилу стінок конічної розвантажувальної лунки. Використавши результати математичного моделювання, у програмному середовищі MathCAD були отримані графічні залежності розмірів випускних отворів від кута нахилу стінок лунки (рис. 2) та коефіцієнта зовнішнього тертя СМ (рис. 3).
Рис. 2. Залежність розміру випускного кільцевого отвору лунки від кута її нахилу: а) круглий отвір; б) отвором: ( – для τ0 =50 Па; – для τ0 =100 Па; – для τ0 =150 Па)
Рис. 3. Залежність розміру випускного отвору лунки бункера від коефіцієнту зовнішнього тертя ( – для ρ0 =500 кг/м3; – ρ0 =700 кг/м3)
Для забезпечення ефективної роботи бункера при його проєктуванні важливо досліджувати взаємозалежність основних геометричних параметрів розвантажувальної лунки та вплив на них фізико-механічних властивостей продукту. Такий бункер може працювати як автономний дозатор у випадку встановлення мірників безпосередньо під випускним отвором розвантажувальної лунки, або як завантажувальний пристрій технологічних позицій дозатора для СМ. Література: 1. Каталымов А.В., Любартович В.А. Дозирование сыпучих и вязких материалов / под ред. Ю.К. Кузнецов. Л. : Химия, 1990. 240 с. 2. Kache G., Tomas J. Ausfliessen eines kohäsiven, hochdispersen Pulvers // Süttgut. 2010. № 6. S. 246–252. 17
Розроблення нового способу транспортування картонних заготовок у штанцювальному обладнанні та привода натискної плити преса з обмеженим ходом Б.Р. Іваськів, І.І. Регей, д.т.н., Українська академія друкарства, м. Львів У штанцювальному обладнанні переміщення картонних заготовок по технологічних секціях забезпечується клапанами кареток, які їх фіксують за переднє поле. Засіб транспортування кареток включає ланцюгові транспортери, що приводяться в рух зірочками, зафіксованими на одному валу по обидва боки відносно стосу картонних заготовок самонакладу [1]. Комплектування механізмом функціонування клапанів (відкривання та закривання) є об’єктивною причиною геометричного потовщення транспортувальних кареток, що, в свою чергу, спричинює необхідність забезпечення відносно значного вертикального переміщення натискної плити преса для безперешкодного переміщення кареток через його робочу зону. Як результат – рухома масивна натискна плита протягом робочого та холостого ходів спричинює значні інерційні навантаження на її привод. Для покращення експлуатаційних характеристик функціонування штанцювального обладнання запропоновано новий спосіб транспортування картонних заготовок КЗ (рис. 1), використання якого уможливлює реалізацію виконання операції їх виготовлення обмеженим переміщенням нижньої натискної плити у секції штанцювання СШ. Принциповою різницею пропонованого способу є фіксування картонних заготовок КЗ за бокові поля правими ПК та лівими ЛК каретками, які приєднані до транспортерів ЛТ і ПТ. У цьому випадку в робочі технологічні зони обробки (секції СШ, видалення обрізків СВО та роз’єднання розгорток СРР) потрапляють тільки картонні заготовки.
Рис. 1. Схема транспортування картонних заготовок за бокові поля через технологічні секції штанцювального автомата Один з пропонованих пресів штанцювальної секції складається з нерухомої плити 1 (рис. 2а) з плоскою штанцювальною формою 2, натискної плити 3 з конічними роликами 4, вільно посадженими на індивідуальних осях (на рисунку не позначено). Ролики 4 контактують з торцевим кулачком 5, зафіксованим на поворотному столі 6. Внаслідок його обертання висота ділянок торцевго кулачка 5 у зоні кожного контакту з конічними роликами 4 збільшується, що призводить до вертикального переміщення вверх натискної плити 3 (робочий хід) та штанцювання картонної заготовки КЗ. Контакт роликів 4 з робочою поверхнею торцевого кулачка 5 забезпечують пружини розтягу [2]. 18
Технічний результат пропонованої конструкції механізму полягає в забезпеченні руху натискної плити 3 за потрібним законом, коригуванні тривалості робочого та холостого ходів, забезпеченні компактної побудови привода штанцювального преса. Інший пропонований прес штанцювального автомата, окрім нерухомої плити 1 (рис. 2б) з плоскою штанцювальною формою 2 та натискної плити 3, укомплектований роликовими підшипниками кочення 4 великих розмірів з валами 5, які мають ексцентриситет. Вали 5 приводяться в рух конічною зубчастою передачею 6-7. Обертання ведучого конічного зубчастого колеса 6 спричинює аналогічний рух валів ексцентриків 5, в результаті якого їх ексцентриситети зміщуються в сторону накладок (на рисунку не позначено), що призводить до зближення натискної плити 3 до форми 2 і штанцювання картонної заготовки КЗ [3].
а) б) Рис. 2. Схеми штанцювальних пресів з обмеженим переміщенням натискної плити з використанням: торцевого кулачка (а), ексцентрикових валів (б) Технічне удосконалення полягає в забезпеченні рівномірного тиску ексцентриковими механізмами по усій площині натискної рухомої плити протягом обмеженого ходу, що створює передумови якісного штанцювання картонних розгорток. Запропонований новий спосіб транспортування картонних заготовок уможливлює реалізацію виконання операції виготовлення розгорток обмеженим переміщенням як нижньої натискної плити у секції штанцювання, так і технологічних інструментів у всіх секціях штанцювального обладнання. Література: 1. Регей І.І. Споживче картонне паковання: матеріали, проєктування, обладнання для виготовлення. Львів : УАД, 2011. 144 с. 2. Прес штанцювального автомата: пат. 120580 України: B31B 50/14 (2017.01), B31B 50/88 (2017.01), B26F 1/40 (2006.01), B30B 1/26 (2006.01). Власники пат. Регей І.І., Книш О.Б.; заявники: Регей І.І., Книш О.Б., Кравчук І.М., Іваськів Б.Р., Млинко О.І.; № 2019 01818; заявл. 22.02.19; опубл. 26.12.2019 р. Бюл. № 24. 3 с. 3. Прес штанцювального автомата: пат. 120823 України: B26F 1/40 (2006.01), B31B 50/14 (2017.01), B31B 50/88 (2017.01), B30B 1/26 (2006.01). Власники пат. Регей І.І., Книш О.Б.; заявники: Регей І.І., Книш О.Б., Кравчук І.М., Іваськів Б.Р., Терницький С.В., Бегень П.І.; № 2019 02645; заявл. 18.03.19; опубл. 10.02.2020 р. Бюл. № 3. 3 с. 19
Роль УФ-променів в подрібненні мікропластику у воді І.В. Ніколаєва, О.М. Шнирук, А.Ю. Кузовая, А.Д. Пєтухов, д.т.н., НТУУ «КПІ імені Ігоря Сікорського», м. Київ Потрапляючи в навколишнє середовище, полімер спочатку не розкладається, а лише розпадається на дрібні частинки під дією природи, в тому числі фізичної напруги і ультрафіолетового опромінювання, що розривають в ньому напружені хімічні зв’язки, ланцюги. Зараз мікропластиком називають будь-які полімерні частинки розміром від 5 міліметрів до мікрометра і менше. Він утворюється з вживаних полімерних пакетів, пляшок, будь-якої іншої полімерної упаковки, виробів. Сама природа шукає шляхи використання мікропластику. Біологи вже вивчають «біоту» (історично сформовану сукупність видів живих організмів, об’єднаних загальною областю проживання). Інші водорості теж беруть участь у руйнуванні полімерів [1, 2]. Їм необхідна допомога. У результаті досліджень визначено вміст мікропластику в воді, опроміненій зі зразками досліджуваних плівок, наповнених мармуром. Із плівки, з якої вирізалися зразки, вироблялись і ємності, в котрі заливалась вода. Зразки опромінювались у УФ-камері протягом 24 год., після чого була досліджена вода на вміст в ній мікропластику.
Рисунок. Вплив мармурового наповнювача на руйнування полімеру і виділення мікропластику у водне середовище після УФ-опромінення для зразків без мармурового наповнювача (а) та зразків з вмістом мармуру 0,42 % (б), 1,14 % (в), 1,78 % (г), 5,1 % (д) Із опроміненої води піпеткою відбирались проби, які поміщались крапельками на предметне скло. Після чого відбувалось налаштування мікроскопу задля досягнення чіткої картинки та знімались фото досліджуваних зразків. 20
На основі аналізу отриманих результатів можна зробити висновок, що наповнення мармуру впливає на процес пришвидшення виділення мікропластику у водне середовище. Якщо порівнювати зразок А з усіма іншими зразками, то дуже добре видно, що мікропластик, який виділяється в процесі УФ-опромінення, групується в великі глобули, які складаються з десятків коротких ниток. Навіть невелике наповнення зразків мармуром руйнує глобули та зменшує кількість ниток. Так, для кожного зразка нитки ще зустрічались на предметному склі, однак в порівнянні зі зразком без мармуру їх кількість була мінімальна. Однак частіше стали з’являтися невеликі овальні шматочки пластику. Якщо порівнювати мікропластик з вмістом мармуру 0,42 % та 1,78 %, то для зразка з меншим вмістом мармуру частки були більшими за розмірами, та їх кількість була приблизно однаковою, що каже про загальне зменшення об’єму мікропластику. Також було встановлено, що для зразків з вмістом мармуру 5,1 % кількість часток мікропластику в отриманих пробах взагалі виявилась мінімальною. Отже, можна зробити висновок, що наповнення полімеру мармуром позитивно впливає на процеси розкладання плівки на мікропластик у водному середовищі (у порівнянні з цим процесом в повітрі), що також покращить вплив композиції полімер + мармур на екологічне становище. Література: 1. Біота // Вікіпедія: вільна https://uk.wikipedia.org/wiki/Біота
енциклопедія.
21
Режим
доступу:
Модифікація поверхні пакувальних біополімерних плівок А.О. Білоусова, П.В. Дем’яненко, Л.І. Мельник, к.т.н., НТУУ «КПІ імені Ігоря Сікорського», м. Київ Полімерні вироби стають все більш досконалими з точки зору їх експлуатаційних властивостей. Одночасно розвиваються та ускладнюються методи утилізації полімерних відходів. Природоохоронне законодавство країн світу стає все жорсткішим, що вимагає відмовитись від одних матеріалів та надає нового поштовху для розвитку інших. Пакувальна індустрія – одна з найбільш розвинутих галузей використання полімерів. Майже 38 % від загального виробництва пластичних матеріалів використовується для первинного та вторинного паковання. Застосування біополімерів на заміну синтетичних матеріалів дозволяє уникнути проблем з накопиченням відходів пакувальних виробів. Використання полімолочної кислоти (ПМК) в якості пакувального матеріалу сприяє вирішенню проблеми утилізації відходів, але потребує додаткової модифікації задля покращення бар’єрних властивостей плівок отриманих на її основі. У цьому контексті біологічні та синтетичні добавки широко вивчались та застосовувались з метою зниження температури склування матеріалу, а також полегшення його переробки шляхом підвищення пластичності. Зазвичай ці питання були вирішені шляхом впливу на такі властивості наповнювачів, як молярна маса, полярність, наявність та природа функціональних груп. Бар’єрні властивості ПМК є вищими, ніж в деяких синтетичних полімерах, таких, як, наприклад, ПЕТФ, який широко використовується для пакування харчових продуктів (табл. 1). Таблиця 1. Проникність плівок на основі ПМК Проникність ПМК Кисень, см³*мм / м² 24 год. атм 550 Двоокис вуглецю, см³*мм / м² 24 год. атм 3000 Водяна пара, г*мм / м² 24 год. атм 325 В даній роботі для покращення бар’єрних властивостей пакувальних плівок з ПМК використано метод обробки поверхні низькотемпературною плазмою. Плівки підвались обробці плазмою CF4 потужністю 80 W протягом 2 хв, 5 хв та 10 хв. Після обробки було визначено енергію поверхні – значення контактних кутів змочування та складових вільної поверхневої енергії немодифікованої та модифікованої поверхні плівки ПМК для трьох стандартних рідин та їх відхилення. Вимірювання проводились для двох сторін кожної з плівок. Встановлено суттєве збільшення гідрофобності поверхні з часом обробки, що передбачалося. Водночас відмічено зростання полярної складової для зворотної сторони оброблених плівок. Цей ефект може бути пояснений міграцією полярних наповнювачів на поверхню.
22
Паралельно з вимірюванням кутів змочування поверхні було проведено експеримент для порівняння кінетики дифузії краплини води через плівки ПМК фторовані та необроблені. Наведені результати були отримані при тих самих умовах, що і вимірювання кутів змочування. Вони логічно підтверджують явище фторування. Також спостерігається підвищення часу дифузії для зовнішньої сторони зразків, поверхня яких є більш гідрофобною за рахунок заміщення атомів водню атомами фтору. Також відмічається зменшення часу дифузії для зворотної сторони зразків по відношенню до плівок, що не були оброблені. Для поглиблення уявлень про ефект обробки поверхні плівок ПМК фторуючою плазмою було проведено елементний аналіз (ESCA) поверхонь в тонкому шарі (100 Å) (табл. 2). Таблиця 2. Результати елементного аналізу поверхонь в тонкому шарі F Плівка CAST ПМК
Не оброблена Оброблена, лицьова сторона
21,2
Не оброблена
O
C
35,0
63,8
19,6
53,2
32,8
67,2
N
Al
1,8
3,7
Плівка ПМК Оброблена, лицьова 21,8 17,1 53,7 2,1 4,9 екструзійна сторона Оброблена, 3,0 26,5 69,3 1,3 зворотна сторона З наведених даних видно, що на поверхні оброблених плівок зафіксовано появу фтору та зменшення вмісту вуглецю та кисню, що відповідає процесу обробки. Поява азоту на поверхні плівок може бути пояснена міграцією азотовмісних молекул пластифікатора на поверхню. Поява алюмінію пояснюється контактом плівки з алюмінієвою підкладкою у процесі обробки плазмою.
23
Біополімери. Екологічна упаковка Ю.О. Ступак, К.В. Васильківський, к.т.н., Д.В. Пригодій, к.т.н., Національний університет харчових технологій, м. Київ Понад 99 % всіх полімерів та пластмас виготовляють з нафти, газу або вугілля. Використання пластмас на нафтовій основі приводить до накопичення у водних об’єктах та ґрунті відходів, які створюють високе екологічне навантаження на довкілля. Для зменшення такого навантаження підвищена увага приділяється біосумісним, компостованим та одержаним з відновлюваної сировини полімерним матеріалам. Поява біополімерів дозволяє значно знизити вуглецевий індекс полімерів і товарів, вироблених на їх основі. Багато експертів вважають, що останні п’ять років біополімери переживають справжній бум. Практично всі групи полімерів, які виготовляють з нафти, вже мають аналоги з біоресурсів і можуть бути частково замінені у всіх сферах. Упаковка залишається найбільшою областю використання біополімерів, а в 2019 році її частка на загальному ринку біополімерів перевищила 53 %. Біополімери дуже різні за своїми властивостями, і не всі вони біологічно розкладаються та безпечні для навколишнього середовища. За визначенням Європейської асоціації виробників, постачальників та споживачів біополімерів European Bioplastics, біополімером є матеріал, що має біологічне походження та/або має компостуючі властивості. Покупцю важливо знати, чи підлягає упаковка переробці, чи вона є компостованою. Дуже важливо мати просту і зрозумілу позначку, що робить очевидним для споживача, в який сміттєвий кошик викидати паковання: для органічних відходів, у папір або у полімери. Освоєння біополімерів розвивається в трьох основних напрямках: пластичні маси на основі відтворюваних природних полімерів; поліефіри гідроксикарбонових кислот; надання компостуючих властивостей промисловим високомолекулярним синтетичним матеріалам. Сьогодні ринок біополімерів розподілений наступним чином: компостуючі полімери з рослинної сировини становлять близько 80 % всього ринку біополімерів; не піддаються компостуванню – 12 %; традиційні полімери з властивостями біологічної деструкції – 8 %. За даними організації European Bioplastics (рис. 1), компостуючі полімери, включаючи PLA, PHA, крохмальні суміші та інше, становлять більше 55,5 % світового виробництва біополімерів. Полімери, які не піддаються компостуванню, на даний час складають більше 44 % світового виробництва біополімерів. Передбачається значне зростання використання PHA, збільшення виробництва ПЕ на рослинній основі, оскільки в Європі в найближчі роки планується запуск нових виробництв. Виробництво ПЕТФ на біологічній основі було практично знижено у зв’язку зі зміщенням акцентів на розробку поліетиленфураноату (ПЕФ). Це новий полімер, поява на ринку якого очікується в 2023 році. ПЕФ аналогічний до ПЕТ, але на 100 % на біологічній
24
основі і має кращі бар’єрні і теплові властивості, що робить його ідеальним матеріалом для пакування напоїв, харчових продуктів і інших товарів.
PE 11,8%
Other (bio-based/ non-biodegradable) 1,1%
PBAT 13,4% PBS 4,3%
PET 9,8%
Total 2,11 million tonnes
PA 11,6%
PP 0,9%
PLA 13,9%
PHA 1,2%
PEF* 0% PTT 9,2%
Other (biodegradable) 1,4%
Bio-based/non-biodegradable 44,5 %
Starch blends 21,3%
Biodegradable 55,5%
Рисунок. Світове виробництво біополімерів в 2019 році (за даними організації European Bioplastics у співпраці з інститутом nova-Institute) Один з найперспективніших біополімерів для застосування для пакування харчових продуктів – полілактид – продукт поліконденсації молочної кислоти, який являє собою біологічно диструкційний лінійний аліфатичний поліестер, одержаний з відновлювальної сировини (кукурудзи і цукрової тростини). ПЛА і матеріали на його основі використовуються для виробництва компостуємого паковання (для виробів з коротким терміном служби), плівки, одноразового посуду, засобів особистої гігієни, а також в медицині для хірургічних ниток, штифтів, імплантатів, в системах контрольованого вивільнення ліків. З PLA також виготовляють іграшки, корпуси стільникових телефонів, комп’ютерні мишки і тканини. Унікальні властивості цього полімеру викликають велике зацікавлення ним як в науковому, так і в практичному плані, і роблять його конкурентоздатним в масових масштабах. Використання біополімерів безумовно перспективне: властивості компостуючих матеріалів постійно вдосконалюються, обсяги виробництва 25
зростають. Протягом наступних років очікується збільшення світового споживання пластмас, так як полімери продовжують витісняти традиційні матеріали, включаючи сталь, дерево і скло. За деякими експертними оцінками, біополімерам вдасться міцно зайняти від 1,5 до 4,8 % загального ринку пластмас в залежності від технологічного рівня розробок і досліджень в області нових біополімерів. Література: 1. Офіційний сайт Європейської асоціації біопластиків. Режим доступу: https://www.european-bioplastics.org/bioplastics/ 2. Лешина А. Пластики биологического происхождения // Химия и жизнь – XXI век. 2012. № 9. С. 2–5. Режим доступу: https://elementy.ru/nauchnopopulyarnaya_biblioteka/431802 3. Пишний Г.В., Івіцький І.І. Полілактид – один з найперспективніших біорозчинних пластиків для застосування в упаковці // ІІ Всеукраїнська науково-практична конференція «Ефективні процеси та обладнання хімічних виробництв та пакувальної техніки». XXI век. «Київський політехнічний інститут», 2015. № 9. С. 2–5. Режим доступу: https://cpsm.kpi.ua/nauka/konf/ konf_2015_1_11-12.pdf 4. Біодеградація: вуглецевий слід упаковки // Екологія життя. Режим доступу: http://www.eco-live.com.ua/content/blogs/biodegradatsiya-vugletseviy-slid-upakovki
26
Проблеми впровадження екологічно-безпечної упаковки у систему військової логістики України А.Ю. Капустник, В.Ю. Колосков, к.т.н., Національний університет цивільного захисту України, м. Харків В умовах проведення на сході держави Операції об’єднаних сил функціонування системи військової логістики сьогодні організовується у відповідності до «Порядку логістичного забезпечення сил оборони під час виконання завдань з оборони держави, захисту її суверенітету, територіальної цілісності та недоторканності», затвердженого постановою Кабінету Міністрів Україні від 27.12.2018 р. № 1208 [1]. Конструкція боєприпасу являє собою складну динамічну систему, визначити реакцію якої на випадкові динамічні навантаження надзвичайно важко. Упаковка боєприпасу являє собою комплекс засобів, що забезпечують її захист від впливів навколишнього середовища і від пошкоджень, а також полегшують процес транспортування і зберігання. На рисунку представлено схему класифікації основних видів небезпек, пов’язаних зі зберіганням та транспортуванням боєприпасів, а також напрямів комплексного забезпечення безпеки за вказаними видами небезпек. Розробка нових та вдосконалення вже існуючих конструкцій тари для боєприпасів має відповідати цим вимогам та забезпечувати необхідний рівень пожежовибухобезпеки та екологічної безпеки під час їх використання, а також утилізації. За результатами аналізу вимог щодо організації безпечного зберігання та транспортування боєприпасів, а також аналізу досвіду експлуатації зразків тари для боєприпасів, що використовується у системі логістичного забезпечення сил оборони України було зроблено висновок про необхідність переходу у системі логістичного забезпечення сил оборони України до використання тари із композиційних матеріалів, яка забезпечує найвищий рівень пожежовибухобезпеки та екологічної безпеки у порівнянні з традиційними пакувальними матеріалами. Однак використання композиційних матеріалів, що не піддаються впливу факторів навколишнього середовища та мають підвищений рівень міцності, у польових умовах призводить до накопичення великих обсягів порожньої тари від використаних боєприпасів, що погіршує ефективність системи військової логістики. Вказаний недолік має бути подоланий при розробці конструкції тари для боєприпасів.
27
Рисунок. Основні види небезпек, пов’язаних зі зберіганням та транспортуванням боєприпасів Література: 1. Порядок логістичного забезпечення сил оборони під час виконання завдань з оборони держави, захисту її суверенітету, територіальної цілісності та недоторканності. Затв. пост. Кабінету Міністрів України 27.12.2018 р. № 1208.
28
Викид парів моторного палива з резервуарів за механізмом малого дихання при зберіганні О.М. Кондратенко, к.т.н., Б.В. Музика, Є.В. Капінос, Національний університет цивільного захисту України, м. Харків Актуальність дослідження. Для оцінювання значень показників рівня екологічної безпеки (ЕкБ) процесу експлуатації енергоустановок (ЕУ) з поршневими двигунами внутрішнього згоряння (ПДВЗ) [1], оснащених паливними баками, які являють собою багаторазову тару для зберігання хімічно активних, пожежо- та вибухонебезпечних, токсичних текучих речовин, доцільно використати один з відомих критеріальних математичних апаратів. Для цього необхідною є інформація щодо масового годинного викиду такого полютанта [1]. Мета дослідження. Вдосконалення підходу до визначення параметрів викиду в навколишнє природне середовище (НПС) пари моторного палива як полютанта, спричиненого явищем малого дихання паливних баків автотранспортних засобів (АТЗ) як резервуарів (багаторазової тари) для його зберігання. Дослідження виконано на прикладі автотракторного дизеля 2Ч10,5/12 (Д21А1). Відомо, що багаторазова тара для хімічно активних, пожежо- та вибухонебезпечних, токсичних рідких речовин, яка підтверджена ваговим та інерційним механічним навантаженням, що носять перманентний, імпульсний чи коливальний характер, є продуктом високотехнологічного виробництва та має досить високу вартість [1]. Мале дихання резервуара з моторним паливом – це явище викиду пари моторного палива у повітря НПС, що носить залповий характер, зумовлене циклічною зміною температурного режиму (зокрема добового коливання температури повітря та барометричного тиску) в експлуатації АТЗ чи резервуара, яка призводить до поперемінної інтенсифікації процесів випаровування та конденсації палива й відповідної зміни значення тиску його насиченої пари у резервуарі, надлишок і нестача якої компенсується шляхом масообміну з повітрям НПС крізь відповідним чином налаштований двосторонній клапан у запірному органі резервуара [1]. Для визначення значень масового годинного викиду пари моторного палива, спричиненого явищем малого дихання резервуара, G(IB) пропонується наступний підхід, згідно якого значення викиду G(IB) буде визначатися за формулою (1). Оскільки основною рушійною силою викиду пари моторного палива при малому диханні паливного баку АТЗ є добовий перепад температури атмосферного повітря Δt0, а до викиду призводить власне її підвищення, котре відбувається 1 раз за добу, то значення часу τIB встановимо 1 добу, тобто 24 год. Маса викиду М(IB) при цьому визначається як сума двох величин, одна з яких зумовлена збільшенням тиску насичених парів моторного палива Мf(IB), а друга – збільшенням тиску газоподібного середовища у ізохоричному процесі при його нагріванні Мt(IB) (2): G(IB) = М(IB) / τIB, кг/год, 29
(1)
М(IB) = Мf(IB) + Мt(IB), кг,
(2)
де М(IB) – маса залпового викиду пари моторного палива, кг; τIB – час між залпами викидів, год. За даними офіційного інформаційного серверу Харківського регіонального центру з гідрометеорології добовий перепад температур у м. Харкові впродовж року не перевищує 15 °С, а у деякі дні сягає крайніх значень 0 °С і 20 °С, а історичний максимум склав 40 °С [1]. Значення маси Мf(IB) пропонується отримати з аналізу рівняння стану ідеального газу, а саме з формули (3): Мf(IB) = ∂mf(IB) / ∂pfv ∙ Δpfv, кг, mf(IB) = μfuel ∙ pfv ∙ Vfv / (R ∙ Tfv), кг, ∂mf(IB) / ∂pfv = μfuel ∙ Vfv / (R ∙ Tfv) = 0,0207 ∙ Vfv / Tfv, кг/Па, Δpfv = p0 + pнп, Па, pнп = exp(((Tfv – 273) – 2,5) / 53,439), Па,
(3) (4) (5) (6) (7)
де μfuel = 172,3 г/моль [1] – мольна маса пари палива; pfv – тиск пари палива у паливному баку, Па; Vfv – об’єм пари палива у паливному баку, м3; R = 8,314 Дж/(моль∙К) – універсальна газова стала; Tfv – температура пари палива у паливному баку, К; p0 = 101325 Па – барометричний тиск; pнп = f(Tfv) – тиск насиченої пари палива за даної температури [1], Па; базовими значеннями впливаючих факторів є: ΔTfv = 15 °С, Vfv = 1/2 ∙ Vft = 22,5 л. Підвищення тиску у паливному баку, спричинене нагріванням пари палива у ньому, визначається формулою (8): pfv = mt(IB) ∙ R ∙ Tfv / (μfuel ∙ Vfv) = 48,253 ∙ mt(IB) ∙ Tfv / Vfv, Па.
(8)
У дослідженні розглянуто наступні варіанти значень викиду G(ІB): А) Найгірший глобальний – клапан запірного органа кришки паливного баку налаштовано на значення pvalve = 0 кПа, добовий перепад температури повітря НПС ΔTfv є максимальним зі спостережених у населених місцевостях Землі, тобто у пустелі ΔTfv = 50 °С. В) Найгірший локальний – pvalve = 0 кПа, ΔTfv є максимальним зі спостережених у м. Харкові ΔTfv = 40 °С. С) Актуальний глобальний – pvalve = 15 кПа, ΔTfv = 50 °С. D) Актуальний локальний – pvalve = 15 кПа, ΔTfv = 40 °С. Зважаючи на те, що на відміну від значення тиску пари палива у паливному баку рfv, яке не залежить від ступеня наповнення баку паливом, а лише від температури Tfv, значення маси пари палива у баку mfv від значення об’єму Vfv залежить так само, як і значення викиду G(ІB). При визначенні значення часу між викидами будемо вважати, що цикл нагрівання палива у баку триває 1 добу, тобто τIB = 24 год. На рисунку проілюстровано значення залпового масового годинного викиду пари палива за один його цикл G(IB) для усіх варіантів дослідження. 30
0,0015
τIB = 24 год
G (IB), 0,0010 кг/год 0,0005
0,0000 Варіант
A
B
C
D
Рисунок. Значення величини G(IB) для усіх варіантів розрахункового дослідження Висновки. Таким чином, у даному дослідженні вдосконалено методику розрахункового оцінювання значень масових годинних викидів пари моторного палива, спричинених явищем малого дихання резервуарів з ним на борту АТЗ з поршневим ДВЗ. Отримано значення масового годинного викиду пари моторного палива для поля робочих режимів автотракторного дизеля 2Ч10,5/12. Література: 1. Kondratenko O.M. , Gaponova A.S. , Muzyka B.V. , Verzun V.V. , Podolyako N.M. Determination of influence of the emission of fuel vapour on fuel-ecological performance of diesel engine // Збірник XI Міжнародної науково-методичної конференції, 138 Міжнародної наукової конференції Європейської Асоціації наук з безпеки (EAS) «Безпека людини у сучасних умовах» (05-06 грудня 2019 р., НТУ «ХПІ», Харків). Харків : НТУ «ХПІ», 2019. С. 188–190.
31
Викид парів моторного палива при зберіганні у резервуарах за механізмом великого дихання О.М. Кондратенко, к.т.н., О.С. Боцмановська, Н.М. Подоляко, Національний університет цивільного захисту України, м. Харків Актуальність дослідження. Для оцінювання значень показників рівня екологічної безпеки (ЕкБ) процесу експлуатації енергоустановок (ЕУ) з поршневими двигунами внутрішнього згоряння (ПДВЗ) [1], оснащених паливними баками, які являють собою багаторазову тару для зберігання хімічно активних, пожежо- та вибухонебезпечних, токсичних текучих речовин, доцільно використати один з відомих критеріальних математичних апаратів. Для цього необхідною є інформація щодо масового годинного викиду такого полютанта [1]. Мета дослідження. Вдосконалення підходу до визначення параметрів викиду в навколишнє природне середовище (НПС) пари моторного палива як полютанта, спричиненого явищем великого дихання паливних баків автотранспортних засобів (АТЗ) як резервуарів (багаторазової тари) для його зберігання. Дослідження виконано на прикладі автотракторного дизеля 2Ч10,5/12 (Д21А1). Загальновідомим є те, що зберігання моторного палива як окремо, так і на борту АТЗ, супроводжується негативними явищами великого та малого дихання резервуарів [1]. Велике дихання резервуара з моторним паливом – це явище викиду пари моторного палива у повітря НПС, що носить залповий характер, зумовлене витісненням газоподібних речовин з резервуара рідиною при його повному чи частковому заповненні (заправці) крізь або відкритий запірний орган резервуара, або спеціальний відповідним чином налаштований клапан у ньому. Взагалі втрати нафтопродуктів при їх зберіганні у резервуарах поділяють на наступні [1]: від витоку у негерметичних корпусах та нещільно закритих запірних органах резервуарів та обслуговуючих їх трубопроводах і фурнітурі; від змішування при поперемінній заправці різних типів та сортів нафтопродуктів у один і той же резервуар; від випаровування при витисканні до повітря НПС пароповітряної суміші. Явища великого і малого дихання резервуара є різновидами втрати нафтопродуктів при їх зберіганні у резервуарах від випаровування. До таких втрат також відносять: від вентилювання резервуара та ежекції пари нафтопродукту; від насичення повітря над вільною поверхнею нафтопродукта його парою. Величину викиду парів палива за механізмом великого дихання резервуара G(SB) пропонується визначати за формулою (1): G(SB) = М(SB) / τSB , кг/год,
(1)
де М(SB) – маса залпового викиду пари моторного палива, кг; τSB – час між залпами викидів, год. Об’єм паливного баку трактора Т-25, оснащеного дизелем 2Ч10,5/12, складає 45 л [1]. З урахуванням деяких припущень можна вважати, що при повній 32
заправці паливного баку АТЗ з цим дизелем об’єм викиду парів моторного палива V(SB) дорівнює обсягу паливного баку АТЗ, тобто V(SB) = 4,5∙10-2 м3. У такому разі, зважаючи на те, що молярна маса дизельного палива марки «3» μfuel = 172,3 г/моль [1], а сам процес відбувається при атмосферному тиску р0 = 101325 Па і температурі повітря НПС t0 = 300 К (27 °С), маса залпового викиду М(SB) становить 0,314 кг, а щільність пари моторного палива у баку ρ = 6,978 кг/м3. Значення часу між залпами викидів τSB можливо встановити за порежимними значеннями часу споживання всього обсягу паливного баку дизелем τ ff, параметрами моделі експлуатації ПДВЗ та даних щодо режиму роботи АТЗ, обладнаного цим двигуном. Значення часу τff для стаціонарного окремого режиму роботи дизеля визначається за формулою (2): τff = Mfuel / Gfuel, год,
(2)
де Mfuel – маса палива у повному паливному баку АТЗ, кг; Gfuel – масова годинна витрата палива ПДВЗ, кг/год. Значення маси Mfuel становить 38,25 кг при щільності рідкого моторного палива ρfuel = 850 кг/м3 за нормальних умов [1]. Усередненим по полю робочих режимів дизеля 2Ч10,5/12 значенням величини τff є 23,019 год. Тоді величина викиду G(SB) визначається за формулою (3): G(SB) = М(SB) / τff = Gfuel ∙ М(SB) / Мfuel = Gfuel ∙ 8,209∙10–3, кг/год. (3) Розподіл значень викиду G(SB) по полю робочих режимів дизеля 2Ч10,5/12 наведено на рисунку. На ньому видно, що усередненим по полю робочих режимів дизеля 2Ч10,5/12 значенням величини G(SB) є 0,018 кг/год. G (SB), кг/год 0,04
M (SB) = 0,314 кг
0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 Мкр = 110 Н∙м Мкр = 88 Н∙м Мкр = 66 Н∙м Мкр = 44 Н∙м Мкр = 22 Н∙м Мкр = 0,56 Н∙м
0,005 0 800
1000 1200 1400
n кв , 1/хв
1600
1800
Рисунок. Розподіл значень викиду G(SB) по полю робочих режимів дизеля 2Ч10,5/12
33
Висновки. Таким чином, у даному дослідженні вдосконалено методику розрахункового оцінювання значень масових годинних викидів пари моторного палива, спричинених явищем великого дихання резервуарів з ним на борту АТЗ з поршневим ДВЗ. Отримано значення масового годинного викиду пари моторного палива для поля робочих режимів автотракторного дизеля 2Ч10,5/12. Література: 1. Кондратенко О.М. Метрологічні аспекти комплексного критеріального оцінювання рівня екологічної безпеки експлуатації поршневих двигунів енергетичних установок. Харьков : Стиль-Издат (ФОП Бровін О.В.), 2019. 532 с. 2. Основи пакувальної справи. Металева тара / уклад. Я.М. Угрин, Ю.Й. Хведчин, І.І. Регей. Львів : УАД, 2011. 119 с. 3. Kondratenko O.M. , Gaponova A.S. , Muzyka B.V. , Verzun V.V. , Podolyako N.M. Determination of influence of the emission of fuel vapour on fuel-ecological performance of diesel engine // Збірник XI Міжнародної науково-методичної конференції, 138 Міжнародної наукової конференції Європейської Асоціації наук з безпеки (EAS) «Безпека людини у сучасних умовах» (05-06 грудня 2019 р., НТУ «ХПІ», Харків). Харків : НТУ «ХПІ», 2019. С. 188–190.
34