Desenvolvimento de uma instalação experimental para a medição do coeficiente de restituição sob condições de vácuo
Summary
O coeficiente de restituição é um parâmetro que descreve a perda de energia cinética durante a colisão. Aqui, uma configuração de queda livre sob condições de vácuo é desenvolvido para ser capaz de determinar o coeficiente de restituição parâmetro para partículas na gama do micrómetro com altas velocidades de impacto.
Abstract
O Método dos Elementos Discretos é usado para a simulação de sistemas particulados para descrever e analisá-los, para prever e, posteriormente, otimizar o seu comportamento para as etapas individuais de um processo ou mesmo todo um processo. Para a simulação com ocorrendo partícula-partícula e partícula-parede contactos, o valor do coeficiente de restituição é necessária. Ele pode ser determinado experimentalmente. O coeficiente de restituição depende de vários parâmetros tais como a velocidade de impacto. Especialmente para partículas finas a velocidade de impacto depende da pressão do ar e sob pressão atmosférica altas velocidades de impacto não podem ser alcançados. Para isso, uma nova configuração experimental para testes de queda livre em condições de vácuo é desenvolvido. O coeficiente de restituição é determinada com a velocidade de impacto e recuperação que são detectados por uma câmara de alta velocidade. Para não prejudicar a vista, a câmara de vácuo é feito de vidro. Também um novo mecanismo de liberação para soltar uma única partícula sob vácuocondições é construído. Devido a isso, todas as propriedades de partícula pode ser caracterizado antemão.
Introduction
Pós e grânulos estão em toda parte em torno de nós. Uma vida sem eles é impossível nas sociedades modernas. Eles aparecem em alimentos e bebidas, grãos ou mesmo farinha, açúcar, café e cacau. Eles são necessários para objetos usados diariamente, como o toner para impressora laser. Além disso, a indústria de plásticos não é imaginável sem eles, porque o plástico é transportado na forma granular antes de ser derretido e dada uma nova forma. Depois de Ennis et al. 1, pelo menos, 40% do valor adicionado ao índice de preços ao consumidor dos Estados Unidos da América pela indústria química (agricultura, alimentos, produtos farmacêuticos, minerais, munições) está ligado à tecnologia de partículas. 2 Nedderman mesmo indicou que cerca de 50% (peso) dos produtos e um mínimo de 75% das matérias primas são sólidos granulares na indústria química. Ele também declarou que não ocorrem muitos problemas em matéria de armazenagem e transporte de materiais granulares. Uma delas é que durante o transporte e handling muitas colisões acontecem. Para analisar, descrever e prever o comportamento de um sistema de partículas, Método dos Elementos Discretos (DEM) simulações podem ser realizadas. Para estas simulações conhecimento do comportamento do sistema de colisão de partículas é necessário. O parâmetro que descreve este comportamento em simulações DEM é o coeficiente de restituição (CR) que tem de ser determinada em experiências.
O CR é um número que caracteriza a perda de energia cinética durante o impacto, tal como descrito por Seifried et al. 3. Eles explicaram que isso é causado por deformações plásticas, propagação de ondas e fenômenos viscoelásticos. Thornton e Ning 4 também mencionou que um pouco de energia pode ser dissipada pelo trabalho devido a interface de adesão. O CR depende da velocidade de impacto, o comportamento do material, tamanho de partícula, forma, aspereza, teor de humidade, temperatura e propriedades de adesão tal como indicado no Antonyuk et ai. 5. Para uma COMPLETELimpacto elástica y toda a energia absorvida é devolvido depois da colisão de modo a que a velocidade relativa entre os parceiros de contacto é igual antes e depois do impacto. Isto leva a uma COR de E = 1. Durante um impacto perfeitamente plástico toda a energia cinética inicial é absorvido e os parceiros de contacto da vara em conjunto o que leva a uma COR de E = 0. Além disso, Güttler et ai. 6, explica que existem dois tipos de colisões. Por um lado, existe a colisão entre as duas esferas que também é conhecida como o contacto de partícula-partícula. Por outro lado, há a colisão entre uma esfera e um prato que é também chamado contacto de partícula-parede. Com os dados para o CR e outras propriedades do material como coeficiente de atrito, densidade, simulações DEM ratio e módulo de cisalhamento de Poisson pode ser realizada para determinar as velocidades pós-colisionais e orientações das partículas, como explicado por Bharadwaj et al. 7. como shoWN em Antonyuk et al. 5, o CR pode ser calculado com a razão entre as velocidades de recuperação, para impactar a velocidade.
Por conseguinte, uma montagem experimental para testes de queda livre para examinar o contacto de partícula-parede de partículas com um diâmetro de 0,1 mm a 4 mm foi construído. A vantagem de experiências de queda livre em comparação com experimentos acelerados como em Fu et al. 8 e Sommerfeld e Huber 9 é que a rotação pode ser eliminada. Assim, a transferência entre a energia cinética de rotação e de translação, que influencia a CDR pode ser evitado. Partículas asféricas precisam ser marcados como no Foerster et al. 10 ou Lorenz et al. 11 para levar em conta a rotação. Como o CR está de acordo com a velocidade de impacto, as velocidades de impacto nos experimentos tem que coincidir com os dos processos de transporte e manuseio reais. Em experimentos de queda livre, à pressão atmosférica, a velocidade de impacto é limitadopela força de arrasto, que tem uma influência crescente para um tamanho de partícula diminuindo. Para superar esta desvantagem, a configuração experimental funciona sob condições de vácuo. Um segundo desafio é deixar cair apenas uma única partícula, desde então, é possível caracterizar todas as propriedades que influenciam o CR de antemão, por exemplo rugosidade da superfície e adesão. Com este conhecimento, a CR pode ser determinada de acordo com as propriedades da partícula. Para isso, um novo mecanismo de libertação foi desenvolvido. Outra questão é a forças adesivas de pós com um diâmetro inferior a 400 um. Portanto, um ambiente de temperatura ambiente seco e é necessário superar a aderência.
A configuração experimental consiste em várias partes. Uma vista exterior da montagem experimental existente é mostrado na Figura 1. Em primeiro lugar, existe a câmara de vácuo que é feito de vidro. É composto por uma parte inferior (cilindro), uma tampa superior, um anel de vedação e uma manga para ligar opeças. A parte inferior tem duas aberturas para ligação com a bomba de vácuo e o indicador de vácuo. A tampa superior tem quatro aberturas. Dois deles são necessárias para as varas de o mecanismo de libertação descrito abaixo e também dois que podem ser usadas para continuar a melhorar o experimento. Todas essas aberturas podem ser fechadas com anéis de vedação e tampas de rosca, quando trabalham sob condições de vácuo.
Além disso, um novo mecanismo de libertação foi desenvolvida uma vez que a utilização de uma tubeira de vácuo como em muitas outras experiências documentados na literatura (por exemplo Foerster et al. 10, Lorenz et al. 11, Fu et ai. 12 ou Wong et ai. 13) não é possível, em um ambiente de vácuo. O mecanismo é realizado por uma câmara cilíndrica com um furo cônico que é realizada por uma placa. Este está ligado a uma vara que se encaixa em um dos anéis de vedação da tampa da parte superior da câmara de vácuo e garante o ajuste de um variable altura inicial para os experimentos de queda livre. A escala é desenhada na vara para medir a altura. O fecho da câmara de partícula é implementado por uma ponta cónica de uma pipeta que é de novo ligado a uma vara. O novo mecanismo de libertao pode ser visto na Figura 2 e funciona como descrito aqui: no estado inicial, a ponta de pipeta é empurrado para baixo de modo que a circunferência da ponta toca a borda do orifício de perfuração da câmara. A câmara é fechada com a ponta da pipeta de modo que não há espaço para uma partícula de sair da câmara através do orifício. Para libertar a partícula, a vara é puxada para cima muito lentamente em conjunto com a ponta ligada a ele. À medida que o diâmetro da ponta está a diminuir uma diferença entre a sua circunferência e o bordo do furo de perfurador surge através do qual a partícula pode sair da câmara. Embora se possa esperar uma rotação da partícula com o mecanismo de liberação recém-desenvolvidos como a partícula poderia 'roll' fora do chamber, um comportamento diferente aparece nas experiências. A Figura 3 mostra o impacto de uma partícula asférica de 50 quadros antes de 50 quadros após o impacto em passos de 25 quadros. A partir da forma da partícula sem rotação é visível antes do impacto (1-3), enquanto que depois é óbvio que gira (4-5). Portanto, a liberação não rotacional reivindicado está ocorrendo com este mecanismo de liberação.
Um outro componente da montagem experimental é a placa de base. Na verdade, existem três tipos diferentes de placas de base, constituído por materiais diferentes. Uma é feito de aço inoxidável, um segundo de alumínio e um terceiro de cloreto de polivinilo (PVC). Estes baseplates representam materiais freqüentemente usados em engenharia de processos, por exemplo, em reactores e tubos.
Para determinar as velocidades de impacto e rebote, uma câmera de alta velocidade, com 10.000 fps e uma resolução de 528 x 396 pixels é utilizada. Esta configuração é escolhida como há sempreuma foto perto o impacto e também a resolução ainda é satisfatório. A câmera está conectada a uma tela que mostra os vídeos no instante em que eles são registrados. Isso é necessário, porque a câmera de alta velocidade só pode salvar uma quantidade limitada de imagens e substitui o início do vídeo quando este montante for ultrapassado. Além disso, uma forte fonte de luz para a iluminação do campo de visão da câmara de alta velocidade é necessária. Para a uniformidade de iluminação uma folha de papel de desenho técnico é colada na parte traseira da câmara de vácuo que se espalha a luz.
Finalmente, uma bomba de palhetas rotativo de dois estágios é usado para estabelecer um vácuo de 0,1 mbar e um manómetro de vácuo medidas a vácuo para garantir as condições ambientais constantes.
Para as contas de vidro trabalhos aqui apresentados com diferentes diâmetros de partículas (0,1-0,2, 0,2-0,3, 0,3-0,4, 0.700, 1.588, 2.381, 2.780, 3.680 e 4.000 mm) são usados. As pérolas são feitas de cal de sodavidro e são esféricas com uma superfície bastante lisa.
Protocol
Representative Results
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…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors have no acknowledgements.
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 |
Riferimenti
- Ennis, B. J., Green, J., Davies, R. The legacy of neglect. U.S. Chem. Eng. Prog. 90 (4), 32-43 (1994).
- Nedderman, R. M. . Statics and Kinematics of Granular Materials. , (1992).
- Seifried, R., Schiehlen, W., Eberhard, P. Numerical and experimental evaluation of the coefficient of restitution for repeated impacts. Int. J. Impact Eng. 32, 508-524 (2005).
- Thornton, C., Ning, Z. A theoretical model for the stick/bounce behaviour of adhesive, elastic-plastic spheres. Powder Technol. 99, 154-162 (1998).
- Antonyuk, S., et al. Energy absorption during compression and impact of dry elastic-plastic spherical granules. Granul. Matter. 12, 15-47 (2010).
- Güttler, C., Heißelmann, D., Blum, J., Krijt, S. Normal Collisions of Spheres: A Literature Survey on Available Experiments. arXIV. , (2012).
- Bharadwaj, R., Smith, C., Hancock, B. C. The coefficient of restitution of some pharmaceutical tablets/compacts. Int. J. Pharm. 402, 50-56 (2010).
- Fu, J., Adams, M. J., Reynolds, G. K., Salman, A. D., Hounslowa, M. J. Impact deformation and rebound of wet granules. Powder Technol. 140, 248-257 (2004).
- Sommerfeld, M., Huber, N. Experimental analysis and modelling of particle-wall collisions. Int. J. Multiphas. Flow. 25, 1457-1489 (1999).
- Foerster, S. F., Louge, M. Y., Chang, H., Allia, K. Measurements of the collision properties of small spheres. Phys. Fluids. 6 (3), 1108-1115 (1994).
- Lorenz, A., Tuozzolo, C., Louge, M. Y. Measurements of Impact Properties of Small, Nearly Spherical Particles. Exp. Mech. 37 (3), 292-298 (1997).
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- Wong, C. X., Daniel, M. C., Rongong, J. A. Energy dissipation prediction of particle dampers. J. Sound Vib. 319, 91-118 (2009).
- Louge, M. Y., Tuozzolo, C., Lorenz, A. On binary impacts of small liquid-filled shells. Phys. Fluids. 9, 3670-3677 (1997).
