Opracowanie układu doświadczalnego do pomiaru współczynnika restytucji w warunkach próżni

Sven Drücker; Isabell Krautstrunk; Maria Paulick; Khashayar Saleh; Martin Morgeneyer; Arno Kwade

doi:10.3791/53299

Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Opracowanie układu doświadczalnego do pomiaru współczynnika restytucji w warunkach próżni

7.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/53299

⸱

29 marca 2016

Sven Drücker¹ , Isabell Krautstrunk² , Maria Paulick² , Khashayar Saleh¹ , Martin Morgeneyer¹ , Arno Kwade²

¹Industrial Process Engineering, University of Technology of Compiègne, ²Institute for Particle Technology, Technische Universität Braunschweig

W tym artykule

Podsumowanie

Współczynnik restytucji to parametr opisujący utratę energii kinetycznej podczas zderzenia. W tym przypadku opracowano układ swobodnego spadania w warunkach próżni, aby móc określić parametr współczynnika restytucji dla cząstek w zakresie mikrometrów o dużych prędkościach uderzenia.

Streszczenie

Metoda elementów dyskretnych jest używana do symulacji układów cząstek stałych, do ich opisywania i analizowania, przewidywania, a następnie optymalizacji ich zachowania dla pojedynczych etapów procesu lub nawet całego procesu. Do symulacji z występującymi kontaktami cząstka-cząstka i cząstka-ściana wymagana jest wartość współczynnika restytucji. Można to określić doświadczalnie. Współczynnik restytucji zależy od kilku parametrów, takich jak prędkość uderzenia. Szczególnie w przypadku drobnych cząstek prędkość uderzenia zależy od ciśnienia powietrza, a pod ciśnieniem atmosferycznym nie można osiągnąć wysokich prędkości uderzenia. W tym celu opracowano nową konfigurację eksperymentalną do testów swobodnego spadania w warunkach próżni. Współczynnik restytucji jest określany na podstawie prędkości uderzenia i odbicia, które są wykrywane przez szybką kamerę. Aby nie zasłaniać widoku, komora próżniowa wykonana jest ze szkła. Skonstruowano również nowy mechanizm uwalniający, który upuszcza pojedynczą cząstkę w warunkach próżni. Dzięki temu wszystkie właściwości cząstki można wcześniej scharakteryzować.

Wprowadzenie

Proszki i granulki są wszędzie wokół nas. Życie bez nich jest niemożliwe we współczesnych społeczeństwach. Pojawiają się w żywności i napojach jako ziarna, a nawet mąka, cukier, kawa i kakao. Są potrzebne do codziennych przedmiotów, takich jak toner do drukarki laserowej. Nie wyobrażamy sobie bez nich również przemysłu tworzyw sztucznych, ponieważ plastik jest transportowany w postaci granulatu, zanim zostanie stopiony i otrzyma nowy kształt. Po Ennis i wsp.^{Co najmniej} 40% wartości dodanej do indeksu cen konsumpcyjnych Stanów Zjednoczonych Ameryki przez przemysł chemiczny (rolnictwo, żywność, farmaceutyki, minerały, amunicja) jest związane z technologią cząstek. Nedderman² stwierdził nawet, że około 50% (wagowo) produktów i minimum 75% surowców to granulowane ciała stałe w przemyśle chemicznym. Stwierdził również, że występuje wiele problemów związanych z magazynowaniem i transportem materiałów sypkich. Jednym z nich jest to, że podczas transportu i przeładunku dochodzi do wielu kolizji. Aby przeanalizować, opisać i przewidzieć zachowanie układu cząstek stałych, można przeprowadzić symulacje metodą elementów dyskretnych (DEM). Do przeprowadzenia tych symulacji niezbędna jest wiedza na temat zachowania układu cząstek stałych przy kolizji. Parametrem opisującym to zachowanie w symulacjach DEM jest współczynnik restytucji (COR), który musi zostać wyznaczony w eksperymentach.

COR to liczba, która charakteryzuje utratę energii kinetycznej podczas uderzenia, jak opisali Seifried et al.³. Wyjaśnili, że jest to spowodowane odkształceniami plastycznymi, rozchodzeniem się fal i zjawiskami lepkosprężystości. Thornton i Ning⁴ wspomnieli również, że część energii może zostać rozproszona przez pracę z powodu adhezji interfejsu. COR zależy od prędkości uderzenia, zachowania materiału, wielkości cząstek, kształtu, chropowatości, zawartości wilgoci, właściwości adhezyjnych i temperatury, jak stwierdzono w Antonyuk i wsp.⁵. W przypadku uderzenia całkowicie sprężystego cała pochłonięta energia jest zwracana po zderzeniu, tak że prędkość względna między partnerami kontaktowymi jest równa przed i po uderzeniu. Prowadzi to do COR równego e = 1. Podczas idealnie plastycznego uderzenia cała początkowa energia kinetyczna jest pochłaniana, a partnerzy stykowi sklejają się ze sobą, co prowadzi do COR e = 0. Ponadto Güttler i wsp.⁶ wyjaśnił, że istnieją dwa rodzaje kolizji. Z jednej strony mamy do czynienia ze zderzeniem dwóch sfer, które jest również znane jako kontakt cząstka-cząstka. Z drugiej strony dochodzi do zderzenia kuli z płytą, które nazywa się również kontaktem cząstka-ściana. Dzięki danym dla COR i innych właściwości materiałów, takich jak współczynnik tarcia, gęstość, współczynnik Poissona i moduł ścinania, można przeprowadzić symulacje DEM w celu określenia prędkości i orientacji cząstek po kolizji, jak wyjaśnili Bharadwaj i wsp.⁷. Jak wykazano w Antonyuk i wsp.⁵, COR można obliczyć za pomocą stosunku prędkości odbicia do prędkości uderzenia.

Dlatego stworzono eksperymentalny układ do testów swobodnego spadania, aby zbadać kontakt cząstka-ściana cząstek o średnicy od 0,1 mm do 4 mm. Przewaga eksperymentów ze swobodnym spadaniem w porównaniu z eksperymentami przyspieszonymi, jak w Fu i wsp.⁸ oraz Sommerfelda i Hubera⁹ jest to, że rotacja może zostać wyeliminowana. W związku z tym można uniknąć przenoszenia między rotacyjną i translacyjną energią kinetyczną, która wpływa na COR. Cząstki asferyczne muszą być oznaczone jak w Foerster i wsp.¹⁰ lub Lorenz i wsp.¹¹w celu uwzględnienia rotacji. Ponieważ współczynnik oporu zależy od prędkości uderzenia, prędkości uderzenia w eksperymentach muszą odpowiadać tym w rzeczywistych procesach transportu i obsługi. W eksperymentach ze swobodnym spadaniem pod ciśnieniem atmosferycznym prędkość uderzenia jest ograniczona przez siłę oporu, która ma coraz większy wpływ na zmniejszanie się wielkości cząstek. Aby przezwyciężyć tę wadę, konfiguracja eksperymentalna działa w warunkach próżni. Drugim wyzwaniem jest upuszczenie tylko jednej cząstki, ponieważ wtedy możliwe jest wcześniejsze scharakteryzowanie wszystkich właściwości, które mają wpływ na COR, na przykład chropowatości powierzchni i przyczepności. Dzięki tej wiedzy można określić COR zgodnie z właściwościami cząstki. W tym celu opracowano nowy mechanizm zwalniania. Kolejną kwestią są siły przyczepności proszków o średnicy mniejszej niż 400 μm. Dlatego do przezwyciężenia przyczepności konieczne jest suche środowisko o temperaturze otoczenia.

Eksperymentalny zestaw składa się z kilku części. Widok zewnętrzny istniejącego zestawu doświadczalnego pokazano na rysunku 1. Po pierwsze, jest komora próżniowa, która jest wykonana ze szkła. Składa się z dolnej części (cylindra), górnej pokrywy, pierścienia uszczelniającego i tulei do łączenia części. W dolnej części znajdują się dwa otwory do połączenia z pompą próżniową i wakuometrem. Górna pokrywa posiada cztery otwory. Dwa z nich są niezbędne dla drążków opisanego poniżej mechanizmu zwalniającego, a także dwa które mogą być użyte do dalszego udoskonalania eksperymentu. Wszystkie te otwory można zamknąć za pomocą pierścieni uszczelniających i zakrętek podczas pracy w warunkach próżni.

Ponadto, nowy mechanizm uwalniania został opracowany od czasu użycia dyszy próżniowej, jak w wielu innych eksperymentach udokumentowanych w literaturze (na przykład Foerster et al.¹⁰, Lorenz i wsp.¹¹, Fu i wsp.¹² lub Wong i wsp.¹³) nie jest możliwe w środowisku próżniowym. Mechanizm jest realizowany przez cylindryczną komorę ze stożkowym otworem, który jest przytrzymywany przez płytę. Jest on połączony z drążkiem, który pasuje do jednego z pierścieni uszczelniających górnej pokrywy komory próżniowej i gwarantuje regulację zmiennej wysokości początkowej dla eksperymentów ze swobodnym spadaniem. Na patyku rysowana jest skala do pomiaru wysokości. Zamykanie komory na cząstki odbywa się za pomocą stożkowej końcówki pipety, która jest ponownie podłączona do patyczka. Nowy mechanizm zwalniający można zobaczyć na rysunku 2 i działa tak, jak opisano tutaj: w stanie początkowym końcówka pipety jest dociskana w dół tak, aby obwód końcówki stykał się z krawędzią wywierconego otworu komory. Komora jest zamykana końcówką pipety w taki sposób, że nie ma miejsca na opuszczenie komory przez otwór cząstki. Aby uwolnić cząstkę, patyczek jest bardzo powoli ciągnięty do góry wraz z połączoną z nim końcówką. W miarę zmniejszania się średnicy końcówki powstaje szczelina między jej obwodem a krawędzią wywierconego otworu, przez którą cząstka może opuścić komorę. Chociaż można by się spodziewać, że cząstka będzie się obracać za pomocą nowo opracowanego mechanizmu uwalniania, ponieważ cząstka może "wytoczyć się" z komory, w eksperymentach pojawia się inne zachowanie. Rysunek 3 przedstawia oddziaływanie cząstki asferycznej od 50 klatek przed uderzeniem do 50 klatek po uderzeniu w krokach co 25 klatek. Z kształtu cząstki nie widać obrotu przed zderzeniem (1-3), zaś po jej uderzeniu w oczywisty sposób wiruje ona (4-5). Dlatego deklarowane zwolnienie nieobrotowe odbywa się za pomocą tego mechanizmu zwalniającego.

Kolejnym elementem eksperymentalnego zestawu jest płyta podstawowa. W rzeczywistości istnieją trzy różne rodzaje płyt bazowych składających się z różnych materiałów. Jeden wykonany jest ze stali nierdzewnej, drugi z aluminium, a trzeci z polichlorku winylu (PVC). Płyty te reprezentują materiały często używane w inżynierii procesowej, na przykład w reaktorach i rurach.

Aby określić prędkość uderzenia i odbicia, używana jest szybka kamera o prędkości 10 000 fps i rozdzielczości 528 x 396 pikseli. Ta konfiguracja jest wybierana, ponieważ w pobliżu uderzenia zawsze znajduje się jeden obraz, a rozdzielczość jest nadal zadowalająca. Kamera jest podłączona do ekranu, który pokazuje filmy w momencie ich nagrania. Jest to konieczne, ponieważ szybka kamera może zapisać tylko ograniczoną liczbę zdjęć i nadpisuje początek filmu po przekroczeniu tej liczby. Ponadto wymagane jest silne źródło światła do oświetlenia pola widzenia kamery szybkoobrotowej. W celu zapewnienia równomierności oświetlenia z tyłu komory próżniowej, która rozprowadza światło, przyklejany jest arkusz papieru do rysunków technicznych.

Na koniec, dwustopniowa pompa łopatkowa jest używana do wytworzenia podciśnienia 0,1 mbar, a wakuometr mierzy próżnię, aby zagwarantować stałe warunki środowiskowe.

Do prezentowanej tutaj pracy używane są szklane koraliki o różnych średnicach cząstek (0,1-0,2, 0,2-0,3, 0,3-0,4, 0,700, 1,588, 2,381, 2,780, 3,680 i 4,000 mm). Koraliki wykonane są ze szkła sodowo-wapniowego i są kuliste o dość gładkiej powierzchni.