Οι ερευνητές αναπτύσσουν μοντέλα υπολογιστών για καλύτερες προβλέψεις άλεσης βιομάζας
Γραφική περίληψη. Credit: Biosystems Engineering (2023). DOI: 10.1016/j.biosystemseng.2023.10.008 Η μετατροπή υλικών όπως τα ροκανίδια, τα υπολείμματα καλλιεργειών και τα αστικά στερεά απόβλητα σε καύσιμα και χημικά είναι σημαντική για την ενεργειακή ανεξαρτησία της χώρας μας. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, το Γραφείο Τεχνολογιών Βιοενέργειας του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (BETO) έθεσε φιλόδοξους στόχους για την επεξεργασία αυτών των πόρων βιομάζας σε χρήσιμα, οικονομικά βιομηχανικά καύσιμα και πρώτες ύλες. Ωστόσο, το να καταλάβουμε πώς να κάνουμε μικρά κομμάτια βιομάζας να ρέουν εύκολα μέσα από τα μηχανήματα κατά την επεξεργασία παραμένει μια πρόκληση. Όταν τα μηχανήματα βουλώνουν, αυτό οδηγεί σε καθυστερήσεις και αυξημένο κόστος. Ενώ η άλεση, η άλεση και η σφαιροποίηση έχουν γίνει για δεκαετίες με τρόφιμα, μέταλλα και φαρμακευτικά προϊόντα, έχει γίνει λίγη έρευνα για το πώς μπορούν να προσαρμοστούν οι τεχνολογίες και οι διαδικασίες για το χειρισμό φυτικών υλικών και αστικών στερεών αποβλήτων. Τώρα, ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο του Αϊντάχο (INL) έχουν αναπτύξει μοντέλα υπολογιστών που ισχύουν για την επεξεργασία βιοενεργειακών καλλιεργειών χρησιμοποιώντας εξοπλισμό από αυτές τις άλλες βιομηχανίες. Με τη βοήθεια προηγμένων προγραμμάτων υπολογιστών, οι ερευνητές βιοενέργειας μπορούν τώρα να κάνουν καλύτερες προβλέψεις εξετάζοντας πολλά σύνθετα δεδομένα και βρίσκοντας μοτίβα. «Βοηθά τους μηχανικούς να σχεδιάσουν καλύτερες προσεγγίσεις φρεζαρίσματος που είναι πιο ενεργειακά αποδοτικές και αποτελεσματικές», δήλωσε ο Yidong Xia, ανώτερος ερευνητής στην ομάδα Physical Process Science and Realization του INL. Σε τρία άρθρα περιοδικών, ο Xia και οι συνεργάτες του περιγράφουν λεπτομερώς πώς τα υπάρχοντα και αναδυόμενα υπολογιστικά εργαλεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίλυση προκλήσεων που σχετίζονται με το μέγεθος των σωματιδίων της πρώτης ύλης, τη διανομή και τη θερμοχημική μετατροπή. Εστίαση στην τροφοδοσία καλαμποκιού Η ομάδα του INL επεξεργάστηκε το σόμπα καλαμποκιού, το οποίο είναι τα κοτσάνια, τα φύλλα, τα φλοιά και τα στάχυα που απομένουν μετά τη συγκομιδή του καλαμποκιού. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ειδικές τεχνικές κοπής για να μετατρέψουν το σόμπα καλαμποκιού σε υλικό που μπορεί να υποστεί ομοιόμορφη επεξεργασία. Σε αντίθεση με τα πετρώματα και τις σκόνες, τα οποία μπορούν να αλεσθούν σε σχετική ομοιομορφία λόγω της πυκνότητας και της ακαμψίας τους, οι ιδιότητες των υλικών μεμονωμένων σωματιδίων βιομάζας έχουν πολύπλοκες εσωτερικές και επιφανειακές δομές. Μέσα σε σιλό βιομάζας βιομηχανικής κλίμακας και κοχλιωτούς μεταφορείς, μπορεί να υπάρχουν εκατομμύρια σωματίδια με ένα ευρύ φάσμα γεωμετριών και ιδιοτήτων. Η Μονάδα Ανάπτυξης Διαδικασιών (PDU) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, που βρίσκεται στην Εθνική Εγκατάσταση Χρηστών Βιομάζας του Υπουργείου Ενέργειας, επιτρέπει σε ερευνητές και συνεργάτες του κλάδου να δοκιμάσουν επιλογές λείανσης, ξήρανσης, σφαιροποίησης και άλλων μηχανικών και χημικών επιλογών διαχωρισμού κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού και της κλιμάκωσης των εγκαταστάσεων βιοενέργειας. «Σκοπός μας είναι να μοιραστούμε την τεχνογνωσία και τις εγκαταστάσεις μας για να βοηθήσουμε τους βιομηχανικούς μας εταίρους να κατανοήσουν καλύτερα τις περίπλοκες αλληλεπιδράσεις που συμβαίνουν σε βιομηχανική κλίμακα», δήλωσε ο Damon Hartley, ανώτερος ερευνητής βιοενέργειας. “Αυτό παρέχει απλοποιημένες και εφαρμόσιμες πληροφορίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της λειτουργικής απόδοσης.” Ταχύτερες εκτιμήσεις για την καθοδήγηση των φυσικών λειτουργιών Το έγγραφό τους του Απριλίου 2022 στο Biosystems Engineering περιγράφει λεπτομερώς την ελαστοπλαστική συμπεριφορά κάμψης γνωστή ως ελαστοπλαστικότητα των μίσχων καλαμποκιού. Η ελαστοπλαστικότητα περιγράφει πώς ένα υλικό που είναι ταυτόχρονα ελαστικό (επιστρέφει στο αρχικό του σχήμα) και πλαστικό (παραμορφώνεται μόνιμα) κάμπτεται κάτω από ένα φορτίο. Ένα έγγραφο παρακολούθησης του Δεκεμβρίου 2023 στο Biosystems Engineering έδειξε πώς η μοντελοποίηση της μεθόδου διακριτών στοιχείων αποκάλυψε ότι ενώ το μήκος του μίσχου είχε μικρή επίδραση στο μέγεθος των σωματιδίων, οι μεγαλύτερες διατομές παρήγαγαν μεγαλύτερα αλεσμένα σωματίδια. Από εκεί, η ομάδα της Xia διεξήγαγε πειράματα μείωσης μεγέθους βιομάζας με τον μύλο μαχαιριών του PDU. Η μελέτη που δημοσιεύτηκε τον Μάιο του 2024 στο Powder Technology δείχνει πώς η χρήση προηγμένων μοντέλων υπολογιστών μπορεί να βοηθήσει στην πρόβλεψη και τη σύσταση των βέλτιστων ρυθμίσεων για τον εξοπλισμό για τη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων. Τα πειράματα παρείχαν πληροφορίες σχετικά με το πόσο γρήγορες εκτιμήσεις κατανομής μεγέθους σωματιδίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την καθοδήγηση των φυσικών λειτουργιών. Η ακρίβεια ενός μοντέλου εξαρτάται από την ποιότητα των δεδομένων πηγής από τη φυσική δοκιμή. Όσο περισσότερα δεδομένα πηγής υπάρχουν, τόσο πιο αξιόπιστο είναι το μοντέλο. «Πρώτον, μετράμε τις εμβιομηχανικές ιδιότητες των καλαμποκιών», είπε η Xia. “Στη συνέχεια αλέθουμε το υλικό στο PDU για να δημιουργήσουμε δεδομένα αναφοράς ως βάση για να δημιουργήσουμε μια προσομοίωση (μέθοδος διακριτών στοιχείων). Από εκεί, μπορούμε να επαληθεύσουμε τα δεδομένα για χρήση σε μοντέλα γρήγορης πρόβλεψης μηχανικής εκμάθησης.” Αξιολόγηση των δεδομένων Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η ταχύτητα και η ισχύς του μαχαιρόμυλου είχαν ελάχιστο αντίκτυπο. Αντίθετα, το μέγεθος της οθόνης εκκένωσης και η περιεκτικότητα σε υγρασία έπαιξαν πολύ πιο σημαντικούς ρόλους. Με δεδομένα στα χέρια, η ομάδα INL ανέπτυξε ένα πιο ολοκληρωμένο μαθηματικό πλαίσιο για την πρόβλεψη της εξέλιξης του μεγέθους των σωματιδίων προσθέτοντας υγρασία ως νέα εισαγωγή. Ομοίως, το μοντέλο χειριστή βαθιών νευρώνων που ανέπτυξαν επέτρεψε παράγοντες που επηρεάζουν, όπως η περιεκτικότητα σε υγρασία. Και τα δύο μοντέλα αποδείχθηκαν «εξαιρετικά ακριβή» στη βαθμονόμηση και τον καθορισμό των παραμέτρων εκπαίδευσης. «Οι φυσικές δοκιμές μεγάλης κλίμακας είναι δαπανηρές και είναι μια κοινή πρόκληση για τη μηχανική κλιμάκωσης», είπε ο Xia. “Όσο περισσότερα δεδομένα έχουμε εκ των προτέρων και όσο περισσότερες λεπτομέρειες έχουμε, τόσο καλύτερα θα είναι τα αποτελέσματά μας όταν τελικά εμπλακούμε σε δοκιμές μεγάλης κλίμακας. “Οι συνεργάτες μας στον κλάδο έχουν την τεχνογνωσία, αλλά μπορεί να μην είναι σε θέση να αντέξουν οικονομικά τα εξελιγμένα εργαλεία υλικού και λογισμικού που απαιτούνται για τη διεξαγωγή αυτού του είδους έρευνας. Αυτό κάνουν τα εθνικά εργαστήρια. Είμαστε εδώ για να τους βοηθήσουμε να βελτιστοποιήσουν τις διαδικασίες και τις διαδικασίες τους, για να τους βοηθήσουμε να είναι πιο επιτυχημένοι. Με τη δουλειά που κάνουμε, ελπίζουμε να προσελκύσουμε το ενδιαφέρον τους και να αναγνωρίσουν τις δυνατότητές μας.” Περισσότερες πληροφορίες: Yidong Xia et al, The elastoplastic flexural Behaviour of corn stalks, Biosystems Engineering (2022). DOI: 10.1016/j.biosystemseng.20226.02.01. Μελέτη μοντελοποίησης της άλεσης με μαχαίρι για πρώτες ύλες από καμπτική βιομάζα, Biosystems Engineering (2023 DOI: 10.1016/j.biosystemseng.2023.10.008 Minglei Lu et al, Predicting biomass comminution: Physical Technology and πληθυσμό,20). 10.1016/j.powtec.2024.119830 Παρέχεται από το Εθνικό Εργαστήριο του Αϊντάχο Αναφορά: Οι ερευνητές αναπτύσσουν μοντέλα υπολογιστών για καλύτερες προβλέψεις άλεσης βιομάζας (2025, 18 Νοεμβρίου) που ανακτήθηκε στις 18 Νοεμβρίου 2025 από https://techxplore.com/news-documents-12020 Πνευματικά δικαιώματα Πέρα από κάθε δίκαιη συναλλαγή για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν επιτρέπεται να αναπαραχθεί χωρίς τη γραπτή άδεια.
Δημοσιεύτηκε: 2025-11-19 01:00:00
πηγή: techxplore.com
