Entwicklung eines Versuchsaufbau zur Messung des Restitutionskoeffizienten unter Vakuumbedingungen

Summary

Der Restitutionskoeffizient ist ein Parameter, der den Verlust von kinetischer Energie während des Zusammenstoßes beschreibt. Hier wird ein Freifall Setup unter Vakuumbedingungen wurde entwickelt, um der Lage sein, den Restitutionskoeffizienten Parameter für Partikel im Mikrometer-Bereich mit einer hohen Aufprallgeschwindigkeiten zu bestimmen.

Abstract

Der Discrete-Element-Methode ist für die Simulation von partikulären Systemen verwendet, um sie zu beschreiben und zu analysieren, vorherzusagen und danach ihr Verhalten für einzelne Stufen eines Prozesses zu optimieren oder auch eines ganzen Prozesses. Für die Simulation mit Partikel-Partikel und partikelWandKontakte auftritt, wird der Wert des Restitutionskoeffizienten erforderlich. Es kann experimentell bestimmt werden. Der Restitutionskoeffizient hängt von mehreren Parametern wie der Aufprallgeschwindigkeit. Besonders für feine Partikel das Aufprallgeschwindigkeit ist abhängig von dem Luftdruck und unter Normaldruck hohe Aufprallgeschwindigkeiten nicht erreicht werden kann. Dazu wird eine neue experimentelle Aufbau für sich Freifalltests unter Vakuumbedingungen entwickelt. Der Restitutionskoeffizient wird mit der Aufprall- und Rückprallgeschwindigkeit bestimmt, die durch eine Hochgeschwindigkeitskamera detektiert. Um die Sicht behindern, wird die Vakuumkammer aus Glas. Auch eine neue Freigabemechanismus ein einzelnes Teilchen im Vakuum fallenBedingungen konstruiert. Durch das, können alle Eigenschaften des Teilchens vorher charakterisiert werden.

Introduction

Pulver und Granulate sind überall um uns herum. Ein Leben ohne sie unmöglich ist, in modernen Gesellschaften. Sie erscheinen in Speisen und Getränken in Form von Körnern oder sogar Mehl, Zucker, Kaffee und Kakao. Sie sind für den täglichen gebrauchte Gegenstände wie der Toner für Laserdrucker benötigt. Auch der Kunststoffindustrie ist, ohne sie nicht vorstellbar, da Kunststoff in Granulatform transportiert wird, bevor es geschmolzen wird, und eine neue Form gegeben. Nach Ennis et al. ¹ mindestens 40% des Wertes an den Verbraucherpreisindex der Vereinigten Staaten von Amerika von der chemischen Industrie hinzugefügt wird (Landwirtschaft, Lebensmittel, Arzneimittel, Mineralien, Munition) an Partikeltechnologie verbunden. ² Nedderman sogar festgestellt , dass etwa 50% (Gewicht) der Produkte und ein Minimum von 75% der Rohstoffe sind körniger Feststoffe in der chemischen Industrie. Er erklärte auch, dass es viele Probleme im Zusammenhang mit der Lagerung und den Transport von Schüttgütern auftreten. Eines davon ist, dass während des Transports und handling viele Kollisionen stattfinden. Um zu analysieren, zu beschreiben und das Verhalten eines Partikelsystems vorhersagen, Diskrete Elemente Methode (DEM) Simulationen durchgeführt werden. Für diese Simulationen Kenntnis des Kollisionsverhalten des partikulären Systems erforderlich. Der Parameter, die dieses Verhalten in DEM Simulationen beschreibt, ist der Restitutionskoeffizient (COR), die in Versuchen ermittelt werden muß.

Der COR ist eine Zahl, die den Verlust von kinetischer Energie während des Aufpralls charakterisiert wie durch Seifried et al. ³ beschrieben. Sie erklärten, dass diese durch plastische Verformungen hervorgerufen wird, die Wellenausbreitung und viskoelastischen Phänomene. Thornton und Ning ⁴ erwähnte auch , dass ein Teil der Energie könnte aufgrund Grenzflächenhaftung durch Arbeit abgeführt werden. Der Ausschuß der Regionen ist abhängig von der Aufprallgeschwindigkeit, Materialverhalten, Partikelgröße, Form, Rauheit, Feuchtigkeitsgehalt, Haftungseigenschaften und Temperatur wie in Antonyuk et al angegeben. ^5. Für eine completely elastische Auswirkung alle absorbierte Energie wird nach der Kollision zurückgeführt, so daß die Relativgeschwindigkeit zwischen den Kontaktpartnern gleich vor und nach dem Aufprall ist. Dies führt zu einer COR von e = 1. Bei einem perfekt Kunststoff Auswirkungen all die anfängliche kinetische Energie absorbiert wird und die Kontaktpartner aneinander haften , die zu einer der COR e führt = 0. Weiterhin Güttler et al. ⁶ erklärt , dass es zwei Arten von Kollisionen. Zum einen gibt es die Kollision zwischen zwei Kugeln, die auch als die Partikel-Partikel-Kontakt bekannt. Auf der anderen Seite gibt es die Kollision zwischen einer Kugel und einer Platte, die auch partikelWandKontakt genannt wird. Mit den Daten für den COR und andere Materialeigenschaften wie Reibungskoeffizient, die Dichte, Poisson-Verhältnis und Schermodul DEM Simulationen durchgeführt werden , um die post-Kollisionsgeschwindigkeiten und Orientierungen der Teilchen , wie erläutert durch Bharadwaj zu bestimmen , et al. ^7. als shown in Antonyuk et al. ⁵ kann die COR mit dem Verhältnis von Rückprallgeschwindigkeit berechnet werden Geschwindigkeit auswirken.

Daher ein Versuchsaufbau für Tests Freifall- die partikelWandKontakt der Teilchen mit einem Durchmesser von 0,1 mm bis 4 mm konstruiert wurde zu untersuchen. Der Vorteil der Freifallversuche im Vergleich zu einer beschleunigten Experimente wie in Fu et al. ⁸ und Sommerfeld und Huber ⁹ ist , dass eine Drehung beseitigt werden könnten. Daher kann die Übertragung zwischen Rotations- und Translationsbewegungsenergie, die den COR beeinflusst vermieden werden. Asphärischen Teilchen benötigen , wie in Foerster et al kennzeichnen. ¹⁰ oder Lorenz et al. ¹¹ Drehung zu berücksichtigen. Wie der Ausschuß auf der Aufprallgeschwindigkeit wird in Abhängigkeit müssen die Aufprallgeschwindigkeiten bei den Versuchen die, die in der realen Transport- und Handling-Prozesse entsprechen. Im freien Fall Experimente unter Atmosphärendruck wird die Aufprallgeschwindigkeit begrenztdurch die Widerstandskraft, mit einem zunehmenden Einfluss für eine abnehmender Teilchengröße. Um diesen Nachteil zu überwinden, arbeitet die Versuchsaufbau unter Vakuumbedingungen. Eine zweite Herausforderung ist, da nur ein einziges Teilchen fallen zu lassen, dann ist es möglich, alle Eigenschaften zu charakterisieren, die den COR vorher beeinflussen, zum Beispiel Oberflächenrauhigkeit und Haftung. Mit diesem Wissen kann der COR entsprechend den Eigenschaften des Teilchens bestimmt werden. Hierzu wurde ein neues Freisetzungsmechanismus entwickelt. Ein weiteres Problem ist die Adhäsionskräfte von Pulvern mit einem Durchmesser geringer als 400 & mgr; m. Daher ist eine trockene und Umgebungstemperaturumgebung notwendige Haftung zu überwinden.

Der Versuchsaufbau besteht aus mehreren Teilen. Eine Außenansicht des vorhandenen Versuchsaufbau ist in Figur 1 gezeigt. Zunächst ist die Vakuumkammer, die aus Glas hergestellt ist. Es besteht aus einem unteren Teil (Zylinder), eine obere Abdeckung, ein Dichtungsring und eine Hülse verbinden dieTeile. Das Unterteil weist zwei Öffnungen für eine Verbindung mit der Vakuumpumpe und dem Vakuummesser. Die obere Abdeckung hat vier Öffnungen. Zwei von ihnen sind für die Stäbe der Entriegelungsmechanismus unten beschrieben und auch zwei, die für die weitere Verbesserung des Experiments verwendet werden kann. Alle diese Öffnungen können mit Dichtungsringen und Schraubverschlüssen verschlossen werden, wenn sie unter Vakuumbedingungen arbeiten.

Außerdem wurde ein neues Freisetzungsmechanismus , da die Verwendung eines Vakuum – Düse , wie in vielen anderen Experimenten entwickelt , in der Literatur dokumentiert (zum Beispiel Foerster et al. ^10, Lorenz et al. ^11, Fu et al. ¹² oder Wong et al. ¹³⁾ ist in einer Vakuumumgebung nicht möglich. Der Mechanismus wird durch eine zylindrische Kammer mit einer konischen Bohrung realisiert, die von einer Platte gehalten wird. Dies ist mit einem Steuerknüppel verbunden ist, die in einer der Dichtungsringe der oberen Abdeckung der Vakuumkammer passt und gewährleistet die Anpassung eines variable Ausgangshöhe für die Freifallversuche. Eine Skala ist auf dem Stick gezogen, um die Höhe zu messen. Das Schließen der Partikelkammer ist durch eine konische Spitze einer Pipette implementiert, die wiederum zu einem Stab verbunden ist. Das neue Release – Mechanismus ist in Abbildung 2 zu sehen ist und funktioniert wie hier beschrieben: im Ausgangszustand wird die Pipettenspitze nach unten gedrückt , so dass der Umfang der Spitze der Rand der Bohrung der Kammer berührt. Die Kammer wird mit der Pipettenspitze geschlossen, so dass kein Raum für ein Teilchen ist, die Kammer durch das Loch zu verlassen. Um die Partikel lösen, wird der Stick nach oben sehr langsam zusammen mit der Spitze mit ihm verbundenen gezogen. Da der Durchmesser der Spitze kleiner ist immer ein Spalt zwischen seinem Umfang und dem Rand der Bohrung entsteht, durch die die Teilchen die Kammer verlassen kann. Obwohl man könnte mit dem neu entwickelten Lösemechanismus wie das Teilchen könnte 'Roll' aus dem cham eine Drehung des Teilchens erwartenber, erscheint ein anderes Verhalten in den Experimenten dar. 3 zeigt die Auswirkungen einer asphärischen Teilchen aus 50 Rahmen vor dem Rahmen 50 nach dem Aufprall in Schritten von 25 Frames. Aus der Form des Teilchens ist keine Rotation sichtbar vor dem Aufprall (1-3), während danach offensichtlich dreht es (4-5). Deshalb ist die beanspruchte nicht rotierende Freisetzung stattfindet mit diesem Freigabemechanismus.

Eine weitere Komponente des experimentellen Aufbaus ist die Grundplatte. In der Tat gibt es drei verschiedene Arten von Bodenplatten aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Eine aus rostfreiem Stahl, eine zweite aus Aluminium und einer dritten aus Polyvinylchlorid (PVC) hergestellt. Diese Fußplatten stellen häufig verwendeten Materialien in der Verfahrenstechnik zum Beispiel in Reaktoren und Rohren.

Zur Ermittlung der Auswirkungen und Rückprallgeschwindigkeit, eine Hochgeschwindigkeitskamera mit 10.000 Bildern pro Sekunde und einer Auflösung von 528 x 396 Pixeln verwendet. Diese Konfiguration wird gewählt, da es immerein Bild in der Nähe der Auswirkungen und auch die Auflösung ist immer noch zufriedenstellend. Die Kamera ist mit einem Bildschirm verbunden ist, die Videos in dem Moment zeigt, wenn sie aufgezeichnet werden. Dies ist notwendig, da die Hochgeschwindigkeitskamera nur eine begrenzte Menge von Bildern und überschreibt den Anfang des Videos, wenn dieser Betrag überschritten wird, zu speichern. Weiterhin ist eine starke Lichtquelle für die Beleuchtung des Gesichtsfeldes der Hochgeschwindigkeitskamera erforderlich ist. Für Ausleuchtung ein Blatt technischen Zeichenpapier ist auf der Rückseite der Vakuumkammer aufgeklebt, die das Licht ausbreitet.

Schließlich wird eine zweistufige Drehschieberpumpe herzustellen, um ein Vakuum von 0,1 mbar und ein Vakuum-Messgerät misst die Vakuum zu garantieren konstante Umgebungsbedingungen eingesetzt.

Für die hier vorgestellten Arbeit Glasperlen mit unterschiedlichen Partikeldurchmessern (0,1-0,2, 0,2-0,3, 0,3-0,4, 0,700, 1,588, 2,381, 2,780, 3,680 und 4,000 mm) verwendet. Die Perlen sind aus Kalk-Natron gemachtGlas und sind mit einer eher glatten Oberfläche sphärisch.

Protocol

1. Experimente mit Teilchen gröber oder gleich 700 & mgr; m Vorbereitung der Versuchsaufbau Entfernen Sie die Hülse und heben Sie die obere Abdeckung der Vakuumkammer. Setzen Sie die Grundplatte, bestehend aus dem gewünschten Wandmaterial in der Vakuumkammer. Drehen Sie den unteren Teil der Vakuumkammer seitlich in der Platte durch die Hände sorgfältig zu gleiten. Ort genau eines der Teilchen werden mit einer Pinzette in die Mitte der Grundplatte untersucht. justieren Sie anschlie?…

Representative Results

Für die Analyse Glaspartikel mit einem Durchmesser von 100 & mgr; m bis 4,0 mm wurden von einer Anfangshöhe von 200 mm auf einem rostfreien Stahl-Grundplatte mit einer Dicke von 20 mm getropft. Abbildung 6 zeigt die Mittelwerte als auch die Maximal- und Minimalwerte für den COR von der Partikelgröße für den atmosphärischen Druck und Vakuum ab. Der Mittelwert des COR gefunden etwa e = 0,9 f?…

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