:دستگاه پلت - بخش اول

تاریخچه اختراع دستگاه پلت



(PhD) محمدرضا محمدی


دانش آموخته دکتری مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بوعلی سینا همدان
Author's Google Scholar



تولید خوراک دام و طیور در مقیاس صنعتی به قرن نوزدهم باز می گردد. در این سال ها، پیشرفت های انسان به حدی رسیده بود که قادر بود تا ترکیبات اساسی در مواد خام اولیه را تشخیص دهد و رژیم غذایی متعادل شده ای را با اهداف خود برای حیوانات اهلی فراهم کند. گلوتن گندم نقش اساسی در خوراک دام و طیور ایفا می کند. این ماده اساسی نخستین با در سال 1882 به صورت صنعتی تولید شد. نخستین کارخانه تولید خوراک دام و طیور نیز در سال 1894 توسط ویلیام هالینگتون دانفورت تاسیس شد. البته تجارت خوراک دام و طیور به ده سال قبل یعنی سال های 1884 باز می گردد [1]. در این سال تجارت نهاده های خوراک دام و طیور توسط کمپانی کارگیل در مقیاس وسیع و به صورت صنعتی شروع شد. صنعت تولید خوراک دام و طیور با سرعت بالای در نیمه اول قرن بیستم رشد کرد. امروزه، اساس بسیاری از کارخانه های تولید خوراک دام و طیور بر مبنای خرد نمودن و همگن سازی مواد اولیه اعم از نهاده ها و داروها و سپس ترکیب آن ها در نهایت متراکم کردن محصول نهایی به شکل محصولی استوانه ای شکل است که به عنوان پلت شناخته می شود. دستگاهی که این محصول پلت را تولید می کند، به عنوان مهم ترین ماشین در صنعت خوراک دام و طیور شناخته می شود. در این مقاله قصد داریم تا مروری بر تاریخچه اختراع این ماشین پر کاربرد و سیر تحولات طراحی آن شود.
نخستین دستگاه پلت (Pellet Press) در سال 1934 توسط توماس ادگار میکین [2] با الهام از چرخ های سنتی روغن کشی اختراع شد. برای توضیح بهتر، در شکل زیر تصویری از چرخ سنتی روغن کشی آورده شده است. در چرخ های روغن کشی، سنگ بالایی بر روی دانه های روغنی که بر روی سنگ زیرین ریخته شده اند، عبور می کند. این مکانیزم با صرف انرژی به نسبت اندک فشارهایی بسیار بالا تولید می کند که باعث خروج روغن از دانه های روغنی (بخصوص نوع رایج زیتون) می شود. با توجه به سابقه این مکانیزم باستانی، عجیب نیست که مورد توجه مخترعان برای ایجاد تراکم قرار گرفته است.

سنگ روغن کشی سنتی
شکل 1) سنگ روغن کشی سنتی

در شکل زیر بخش های از نخستین طراحی های دستگاه پلت آورده شده است. با مقایسه این شکل با چرخ روغن کشی به سادگی می توان شباهت های این مکانیزم را مشاهده کرد. در واقع اساس هر دو مکانیزم عبور غلطک بر روی موادی است که بر روی سطحی قرار دارند که امکان عبور از آن را با هندسه اولیه خود ندارد.

طرح واره اولین دستگاه پلت (توسط توماس ادگار میکین)
شکل 2) طرح واره اولین دستگاه پلت اختراع شده توسط توماس ادگار میکین [2]

با توجه به این که، اساس کار تقریباً تمامی دستگاه های پلت امروزی نیز طراحی موفق میکین است. به نظر ضروری می رسد تا توضیحاتی در مورد عملکرد این دستگاه پلت داده شود. در طراحی میکین، مواد به صورت جانبی وارد دستگاه پلت ساز شده و بر روی قالب مشبک، که امروزه به نام تجاری دای (Die) شناخته می شود، ریخته می شود. در این دستگاه پلت، مکانیزمی تعبیه شده که غلطک های تعبیه شده در دستگاه پلت، که با نام تجاری رولر (Roller) شناخته می شود، وادار به عبور از روی این مواد روی دای می کند. نتیجه این عملکرد، تحت فشار قرار گرفتن مواد بین دای و رولر و عبور از حفره های دای است. با عبور مواد از داخل حفره ها، محصول متراکم شده از سوی دیگر دای به صورت رشته ای خارج می شود. در سوی دیگر دای، مکانیزم برشی تعبیه شده که این رشته متراکم را به ابعاد مورد نظر برش می دهد. حاصل کار، محصول متراکم استوانه ای شکل است که در واقع همان محصول پلت نهایی است. پلت تولید شده بر روی انتهای ماشین ریخته و به وسیله سطح شیب دار از دستگاه پلت خارج می شود. میکین در طراحی خود از یک همگن ساز و مکانیزمی انتقال حلزونی نیز استفاده کرد که فرآوری لازم را پیش از ورود محصول به دستگاه پلت بر روی آن انجام می دادند. بخش قابل توجهی از طراحی های میکین به مکانیزم های انتقال قدرت اختصاص داده شده است. علت این موضوع در واقع تلاش او برای بهره بردن تنها از یک منبع قدرت بود که با توجه به محدودیتهای موتورها قابل درک است. در یک دهه کارهای میکین در بین سال های 1930 تا 1940، دستگاه پلت دیگری با طراحی های متفاوتی توسط بور ام استیس [3] و ریموند توتل اندرسون [4] اختراع شد. دستگاه پلت اندرسون عملکردی کاملاً متفاوت با دستگاه پلت میکین و استیس داشت. دستگاه پلت اندرسون را می توان اولین نسخه های نسل دیگری از ماشین آلات دانست که امروزه به نام اکسترودر (Extruder machine) شناخته می شود. طراحی های استیس هم اگرچه چندان موفق نبود اما در سال های بعد با تلفیقی از کارهای میکین تبدیل به نسل دیگری از دستگاه های پلت شد که امروزه به صورت تجاری به عنوان دستگاه پلت دای حلقوی (رینگ دای-Ring Die) شناخته می شود. در مقابل دستگاه های پلت های تجاری مبتنی بر طراحی میکین به صورت تجاری به عنوان دستگاه پلت دای تخت (فلت دای-Flat Die) شناخته می شوند. با نگاهی به مروری که اخیرا توسط پویگ-آرناوات و همکاران [5] منتشر شده است، نتیجه گرفته می شود، که هنوز پرس پلت ها از موضوعات روز هستند و محققان به دنبال بهبود این ماشین آلات و پارامترهای موثر بر عملکرد آن ها هستند.
با توجه به این که موضوع انرژی از بزرگ ترین دغدغه های محققان در سال های اخیر است [6]، بخش عمده ای از تحقیقات انجام شده در زمینه دستگاه پلت به کاربرد این ماشین آلات برای تولید سوخت های گیاهی (بیومس) اختصاص یافته است [7-9]. این چنین تحقیقاتی بر روی دستگاه های پلت اگرچه بر روی یک زمینه خاص از کاریردهای این ماشین آلات متمرکز است، زمینه بهبود دستگاه پلت در زمینه های دیگر نیز فراهم کرده است. با نگاهی به اختراعات انجام شده در طی سال های اخیر [10-12] نتیجه گرفته می شود که دستگاه پلت نسبت به اولین طراحی های خود که در کارهای استیس و میکین مشاهده می شود، تغییرات اساسی نداشته اند و بیشتر تمرکز بر روی بهبود این ماشین آلات بوده است. در شکل زیر، طرح واره ای از یک نمونه از این اختراعات که مشابه کارهای استیس است و در سال 2019 ثبت شده، نشان داده شده است.

طرح واره دستگاه پلت اختراع شده توسط جان وو و شینگ دو
[12] شکل 3) طرح واره دستگاه پلت اختراع شده توسط جان وو و شینگ دو

پیش از این تا حدودی توضیح داده شد که دستگاه پلت تجاری امروزی به دو دسته دستگاه پلت فلت دای و رینگ دای تقسیم می شوند. در اینجا تلاش می شود تا توضیحات بیشتری درباره طراحی تجاری دستگاه پلت داده شود. دستگاه پلت فلت دای نسبت به اولین طراحی های خود (طراحی میکین) دچار تغییرات جزیی در مکانیزم کلی عملکرد شده است در حالی که دستگاه پلت رینگ دای نسبت به نخستین طراحی هایش (طراحی استیس) تغییرات گسترده تری در مکانیزم را نشان می دهد. برای توضیح بیش تر در شکل زیر طرح واره کلی از قسمت اصلی دستگاه پلت رینگ دای و فلت دای به صورت مقایسه ای آورده شده است [13]. در دستگاه های پلت رینگ دای، مواد خام، که معمولاً به صورت پودری هستند، به صورت افقی وارد بخش داخلی دای شده و رولرها با عبور از روی این مواد، آن را با فشار وادار به عبور از داخل حفره های دای می کنند. در سوی دیگر دای، مکانیزم برش تعبیه شده که پلت متراکم را به اندازه مورد نظر برش می دهد. در دستگاه های پلت رینگ دای و رولر های حول محور خود دوران می کنند. به طور معمول، دوران دای توسط سیستم انتقال قدرت انجام می شود. سیستم برش (نایف-Knife) در این سری از دستگاه های پلت ثابت است. در دستگاه پلت فلت دای، مواد از بالا بر روی سطح دای می ریزد و رولرها مشابه با دستگاه پلت رینگ دای، از روی مواد عبور کرده و مواد را وادار به عبور از داخل حفره های دای و متراکم شدن می کند. در سمت پایینی دای در این سری از دستگاه های پلت، سیستم برشی برای قطع کردن رشته های فشرده مواد به اندازه دلخواه، تعبیه شده است. در دستگاه های پلت فلت دای، به طور معمول دای ثابت است و رولر ها علاوه بر دوران حول محور خود بر روی محور دای نیز دوران می کنند. مکانیزم برش نیز متحرک است و به کمک همان سیستم انتقال قدرت به رولرها، حول محور دای دوران می کند. در کنار این دو طرح رایج، طراحی های دیگری نیز وجود دارد که کمتر گسترش پیدا کرده اند و مزایا و معایب خود را نسبت به این طراحی های پرکاربرد دارند. به عنوان مثال، دستگاه پلت فلت دای با دای متحرک و دستگاه پلت رینگ دای با دای ثابت از طرح هایی هستند که تا حدودی مورد توجه برخی واحدهای تولید کننده این ماشین آلات قرار گرفته اند.

طرح واره دستگاه پلت رینگ دای و فلت دای رایج
شکل 4) طرح دستگاه های پلت تجاری رینگ دای و فلت دای





تصاویر مقاله

سنگ روغن کشی سنتی طرح واره اولین دستگاه پلت (توسط توماس ادگار میکین) طرح واره دستگاه پلت اختراع شده توسط جان وو و شینگ دو طرح واره دستگاه پلت رینگ دای و فلت دای رایج

Image 1) http://www.isfahan-pellet.com/Pellet_Press_Part_1__About_History_and_Usage_files/Olive-Oil-Mill-Stone.png

Image 2) http://www.isfahan-pellet.com/Pellet_Press_Part_1__About_History_and_Usage_files/First-Invented-Pellet-Press-Machine.png

Image 3) http://www.isfahan-pellet.com/Pellet_Press_Part_1__About_History_and_Usage_files/New-Pellet-Press-Design.png

Image 4) http://www.isfahan-pellet.com/Pellet_Press_Part_1__About_History_and_Usage_files/General-Pellet-Press-Design-2020.png







منابع

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Animal_feed

2. E.T. Meakid, Pellet mill. 1934, Google Patents.

3. B.M. Estes, Pellet making machine. 1932, Google Patents.

4. A.R. Tuttle, Pellet making machine. 1932, Google Patents.

5. M. Puig-Arnavat, L. Shang, Z. Sárossy, J. Ahrenfeldt, and U.B. Henriksen, From a single pellet press to a bench scale pellet mill—Pelletizing six different biomass feedstocks. Fuel processing technology, 2016. 142: p. 27-33.

6. G.E.A.W. Team, Global Energy Assessment. Cambridge Books, 2012.

7. M.A. Abdoli, A. Golzary, A. Hosseini, and P. Sadeghi, Pellet Production Variables, in Wood Pellet as a Renewable Source of Energy. 2018, Springer. p. 87-99.

8. M. Rudolfsson, D.A. Agar, T.A. Lestander, and S.H. Larsson, Energy savings through late-steam injection–a new technique for improving wood pellet production. Journal of Cleaner Production, 2020: p. 120099.

9. A. Scouse, T.E. McConnell, and R. Venditti, Estimating the economic impacts generated by small-scale wood pellet manufacturing in Western North Carolina. Forest Products Journal, 2017. 67(3): p. 196-204.

10. T. Lestander, S.H. Larsson, M. Thyrel, and M. Rudolfsson, Pellet mill with addition of fluid. 2019, Google Patents.

11. W. Sitzmann, System and Process for Producing Biomass Pellets. 2019, Google Patents.

12. J. Wu and X. Du, Gear-driven pellet mill. 2019, Google Patents.

13. E. Christoforou and P.A. Fokaides, Solid Biomass Pretreatment Processes, in Advances in Solid Biofuels. 2019, Springer. p. 25-56.