Développement d'une installation expérimentale pour la mesure du coefficient de restitution sous vide Conditions

Summary

Le coefficient de restitution est un paramètre qui décrit la perte d'énergie cinétique en cas de collision. Ici, une configuration en chute libre dans des conditions de vide est conçu pour être en mesure de déterminer le coefficient de paramètre de restitution pour les particules dans la gamme micromètre avec des vitesses d'impact élevées.

Abstract

La méthode des éléments discrets est utilisé pour la simulation des systèmes de particules pour décrire et analyser, de prévoir et ensuite optimiser leur comportement pour les étapes individuelles d'un processus ou même tout un processus. Pour la simulation avec des contacts se produisent entre particules et des particules de parois, la valeur du coefficient de restitution est nécessaire. Il peut être déterminé expérimentalement. Le coefficient de restitution dépend de plusieurs paramètres tels que la vitesse d'impact. Surtout pour les particules fines de la vitesse d'impact dépend de la pression de l'air et à la pression atmosphérique de grandes vitesses d'impact ne peut pas être atteint. Pour cela, un nouveau dispositif expérimental pour les tests de chute libre dans des conditions de vide est développé. Le coefficient de restitution est déterminée par la vitesse d'impact et de rebond qui sont détectées par une caméra à grande vitesse. Pour ne pas gêner la vue, la chambre à vide est réalisé en verre. Aussi un nouveau mécanisme de libération de laisser tomber une seule particule sous videconditions est construit. A cause de cela, toutes les propriétés de la particule peut être caractérisée au préalable.

Introduction

Poudres et granulés sont partout autour de nous. Une vie sans eux est impossible dans les sociétés modernes. Ils apparaissent dans les aliments et les boissons que les céréales ou même de la farine, le sucre, le café et le cacao. Ils sont nécessaires pour les objets utilisés quotidiennement comme le toner pour imprimante laser. Aussi l'industrie plastique est pas imaginable sans eux, car le plastique est transporté sous forme granulaire avant qu'il ne soit fondu et donné une nouvelle forme. Après Ennis et al. ¹ au moins 40% de la valeur ajoutée à l'indice des États-Unis d'Amérique de prix à la consommation par l'industrie chimique (agriculture, l' alimentation, les produits pharmaceutiques, les minéraux, les munitions) est reliée à la technologie des particules. ² Nedderman même indiqué qu'environ 50% ( en poids) des produits et au moins 75% des matières premières sont des solides granuleuses dans l'industrie chimique. Il a également déclaré qu'il se produit de nombreux problèmes concernant le stockage et le transport des matériaux granulaires. L'un d'entre eux est que, pendant le transport et handling de nombreuses collisions ont lieu. Pour analyser, décrire et prédire le comportement d'un système de particules, méthode des éléments discrets (DEM) simulations peuvent être effectuées. Pour ces simulations connaissance du comportement de collision du système de particules est nécessaire. Le paramètre qui décrit ce comportement dans les simulations DEM est le coefficient de restitution (COR) qui doit être déterminée dans des expériences.

Le CdR est un nombre qui caractérise la perte d'énergie cinétique lors de l'impact , comme décrit par Seifried et al. , ^3. Ils ont expliqué que cela est causé par des déformations plastiques, la propagation des ondes et des phénomènes viscoélastiques. Thornton et Ning ⁴ ont également mentionné que peu d' énergie pourrait être dissipée par le travail en raison de l' interface d' adhérence. Le Comité des régions dépend de la vitesse d'impact, le comportement des matériaux, la taille des particules, la forme, la rugosité, la teneur en humidité, des propriétés d'adhérence et de la température comme indiqué dans Antonyuk et al. ^5. Pour un completelchoc élastique y toute l'énergie absorbée est retourné après la collision de telle sorte que la vitesse relative entre les partenaires de contact est égale avant et après l'impact. Cela conduit à un COR de e = 1. Lors d' un choc parfaitement plastique toute l'énergie cinétique initiale est absorbée et les partenaires de contact coller ensemble qui conduit à un COR de e = 0. En outre, Güttler et al. ⁶ a expliqué qu'il ya deux types de collisions. D'une part, il y a la collision entre deux sphères qui est également connu comme le contact particule-particule. D'autre part, il y a la collision entre une sphère et une plaque qui est aussi appelé le contact particule-paroi. Avec les données du COR et d' autres propriétés du matériau comme coefficient de frottement, de densité, de rapport et de module de cisaillement des simulations DEM de Poisson peuvent être effectués pour déterminer les vitesses post-collisionnels et les orientations des particules comme expliqué par Bharadwaj et al. ^7. Comme shown dans Antonyuk et al ^5. Le Comité des régions peut être calculé avec le rapport de la vitesse de rebond à l' impact de vitesse.

Par conséquent, une installation expérimentale pour des essais de chute libre pour examiner le contact des particules paroi de particules ayant un diamètre de 0,1 mm à 4 mm, a été construit. L'avantage des expériences de chute libre par rapport aux expériences accélérées comme dans Fu et al. ⁸ et Sommerfeld et Huber ⁹ est que la rotation pourrait être éliminée. Par conséquent, le transfert de l'énergie cinétique de rotation et de translation qui influence le COR peut être évité. Particules asphériques doivent être marqués comme dans Foerster et al. , ¹⁰ ou Lorenz et al. ¹¹ de prendre en compte la rotation. Comme le COR est fonction de la vitesse d'impact, les vitesses d'impact dans les expériences doivent correspondre à ceux dans les processus de transport et de manutention réels. Dans les expériences de chute libre sous pression atmosphérique, la vitesse d'impact est limitépar la force de traînée, ayant une influence croissante pour une taille de particules diminue. Pour pallier cet inconvénient, le dispositif expérimental fonctionne dans des conditions de vide. Un deuxième défi consiste à déposer une seule particule depuis lors, il est possible de caractériser toutes les propriétés qui influent sur le COR à l'avance, pour la rugosité de la surface de l'instance et l'adhérence. Avec cette connaissance, le COR peut être déterminée en fonction des propriétés de la particule. Pour cela, un nouveau mécanisme de libération a été développé. Un autre problème est les forces adhésives des poudres avec un diamètre inférieur à 400 um. Par conséquent, un environnement à température ambiante et à sec est nécessaire pour surmonter l'adhérence.

Le montage expérimental est constitué de plusieurs parties. Une vue extérieure du dispositif expérimental actuel est représenté sur la figure 1. Tout d' abord, il y a la chambre à vide qui est fabriqué à partir de verre. Elle se compose d'une partie inférieure (cylindre), un couvercle supérieur, une bague d'étanchéité et un manchon pour connecter leles pièces. La partie inférieure présente deux ouvertures pour une connexion avec la pompe à vide et le manomètre à vide. Le capot supérieur comporte quatre ouvertures. Deux d'entre eux sont nécessaires pour que les baguettes du mécanisme de libération décrit ci-dessous et également deux qui peuvent être utilisés pour d'autres améliorations de l'expérience. Toutes ces ouvertures peuvent être fermées avec des bagues d'étanchéité et les bouchons à vis quand on travaille dans des conditions de vide.

Par ailleurs, un nouveau mécanisme de libération a été mis au point car l'utilisation d'une buse à vide comme dans beaucoup d' autres expériences documentées dans la littérature (par exemple Förster et al. , ^10, Lorenz et al. , ^11, Fu et al. , ¹² ou Wong et al. ¹³⁾ est pas possible dans un environnement sous vide. Le mécanisme est réalisé par une chambre cylindrique avec un trou de forage conique qui est maintenue par une plaque. Ceci est lié à un bâton qui correspond à l'une des bagues d'étanchéité du couvercle supérieur de la chambre à vide et assure le réglage d'une variable hauteur initiale pour les expériences de chute libre. Une échelle est attirée sur le bâton pour mesurer la hauteur. La fermeture de la chambre de particules est mis en œuvre par une pointe conique d'une pipette qui est à nouveau reliée à un bâton. Le nouveau mécanisme de libération peut être vu dans la figure 2 et fonctionne comme décrit ici: dans l'état initial de la pointe de la pipette est poussé vers le bas de telle sorte que la circonférence de la pointe touche le bord du trou de forage de la chambre. La chambre est fermée par la pointe de la pipette de sorte qu'il n'y a pas d'espace pour une particule de quitter la chambre à travers le trou. Pour libérer la particule, le bâton est tiré vers le haut très lentement en même temps que la pointe est connecté. Comme le diamètre de la pointe se réduit un écart entre sa circonférence et le bord du trou de forage se pose à travers laquelle la particule peut sortir de la chambre. Bien que l'on pourrait attendre d'une rotation de la particule avec le mécanisme de libération nouvellement développé que la particule pourrait 'roll' de la chambre, un comportement différent apparaît dans les expériences. La figure 3 montre l'impact d'une particule sphérique de 50 trames avant 50 images après l'impact par pas de 25 trames. De la forme de la particule sans rotation est visible avant l'impact (1-3), alors que par la suite il tourne évidemment (4-5). Par conséquent, la libération non-rotation se déroule selon ce mécanisme de libération.

Une autre composante du dispositif expérimental est le socle. En fait, il existe trois types différents de embases constituées de matériaux différents. L'un est réalisé en acier inoxydable, un deuxième et un troisième aluminium de chlorure de polyvinyle (PVC). Ces embases représentent des matériaux fréquemment utilisés dans le génie des procédés, par exemple dans les réacteurs et les tubes.

Pour déterminer l'impact et le rebond des vitesses, une caméra à grande vitesse avec 10.000 fps et une résolution de 528 x 396 pixels est utilisé. Cette configuration est choisie comme il y a toujoursune image près de l'impact ainsi que la résolution est encore satisfaisante. L'appareil photo est connecté à un écran qui montre les vidéos dans l'instant où ils sont enregistrés. Cela est nécessaire, parce que la caméra à haute vitesse ne peut enregistrer une quantité limitée d'images et écrase le début de la vidéo lorsque ce montant est dépassé. En outre, une forte source de lumière pour l'éclairage du champ visuel de la caméra à grande vitesse est nécessaire. Pour l'éclairage uniforme une feuille de papier de dessin technique est collée sur la face arrière de la chambre à vide qui se propage la lumière.

Enfin, une pompe rotative à palettes à deux étages est utilisé pour établir un vide de 0,1 mbar et une mesure de jauge de vide du vide pour garantir des conditions ambiantes constantes.

Pour les perles de verre de travail ici présentés avec différents diamètres de particules (0,1-0,2, 0,2-0,3, 0,3-0,4, 0.700, 1.588, 2.381, 2.780, 3.680 et 4.000 mm) sont utilisés. Les perles sont faites de chaux sodéeverre et sont sphériques avec une surface plutôt lisse.

Protocol

1. Des expériences avec des particules plus grossières ou égale à 700 um Préparation de l'installation expérimentale Retirer le manchon et soulevez le capot supérieur de la chambre à vide. Placer la plaque de base constituée du matériau de paroi souhaitée dans la chambre à vide. Tournez la partie inférieure du côté de la chambre à vide pour glisser dans la plaque avec soin par les mains. Placer exactement une des particules à examiner avec des pincettes dans le centre d…

Representative Results

Pour les particules de verre d'analyse d'un diamètre de 100 um à 4,0 mm ont été éliminées à partir d'une hauteur initiale de 200 mm sur un socle en acier inoxydable avec une épaisseur de 20 mm. La figure 6 montre les valeurs moyennes ainsi que les valeurs maximales et minimales pour le CDR en fonction de la taille des particules de pression et de dépression atmosphérique. La valeur moyenn…

Discussion

To validate the functionality of the experimental setup in general, tests with similar material combinations as in other established setups (Antonyuk et al.⁵ and Wong et al.¹³) were performed. Since very similar results were obtained, the general procedure seems to work. Nevertheless, caution has to be taken towards the procedure and the analysis and further improvements are necessary.

The main limitation of the experimental setup is the quality of the v…

Materials

High-speed camera Olympus i-SPEED 3	Olympus		High-speed camera to capture the particle impact
Screen Olympus i-SPEED CDU	Olympus		Screen to work with the high-speed camera
Light source Olympus ILP-2	Olympus		Light source necessary for taking videos at high frame rates
Vacuum pump Alcatel Pascale 2005 D	Alcatel		Vacuum pump to generate the vacuum during the experiments
Vacuum gauge Alcatel CFA 212	Alcatel		Vacuum gauge to measure the vacuum level
i-SPEED Software Suite (Control version)	Olympus		Software to evaluate the videos
Glass beads	Sigmund Lindner GmbH		SiLibeads Type P (0.700, 1.588, 2.381, 2.780, 3.680, 4.000 mm) SiLibeads Type S (0.1-0.2, 0.2-0.3, 0.3-0.4 mm) http://www.sigmund-lindner.com (see supplier's website for more information about the glass properties)
Safety goggles