Sviluppo di un apparato sperimentale per la misura del coefficiente di restituzione sotto vuoto Condizioni

Summary

Il coefficiente di restituzione è un parametro che descrive la perdita di energia cinetica durante un urto. Qui, una configurazione caduta libera sotto vuoto è sviluppato per essere in grado di determinare il coefficiente di parametro restituzione per particelle nella gamma di micrometri con velocità alto impatto.

Abstract

Il metodo degli elementi discreti viene utilizzato per la simulazione di sistemi particellari per descrivere e analizzarli, per prevedere e poi ottimizzare il loro comportamento per le singole fasi di un processo o anche un intero processo. Per la simulazione con verifichi contatti particelle particella e particella murali, è richiesto il valore del coefficiente di restituzione. Può essere determinato sperimentalmente. Il coefficiente di restituzione dipende da diversi parametri come la velocità di impatto. Soprattutto per particelle fini la velocità d'impatto dipende dalla pressione dell'aria e sotto pressione atmosferica velocità d'impatto elevate non può essere raggiunto. Per questo, un nuovo apparato sperimentale per le prove di caduta libera in condizioni di vuoto è sviluppato. Il coefficiente di restituzione è determinato con la velocità di impatto e di rimbalzo che vengono rilevati da una telecamera ad alta velocità. Per non ostacolare la vista, la camera a vuoto è di vetro. Anche un nuovo meccanismo di rilascio a cadere una singola particella sotto vuotocondizioni è costruito. A causa di ciò, tutte le proprietà della particella possono essere caratterizzati in anticipo.

Introduction

Polveri e granuli sono ovunque intorno a noi. Una vita senza di loro è impossibile nelle società moderne. Essi appaiono in cibo e bevande come grani o anche farina, zucchero, caffè e cacao. Essi sono necessari per gli oggetti di uso quotidiano, come il toner per stampante laser. Anche l'industria plastica non è immaginabile senza di loro, perché la plastica è trasportato in forma granulare prima viene fuso e data una nuova forma. Dopo Ennis et al. ¹ almeno il 40% del valore aggiunto per l'indice dei prezzi al consumo degli Stati Uniti d'America da parte dell'industria chimica (agricoltura, alimentare, farmaceutica, minerali, munizioni) è collegato alla tecnologia delle particelle. Nedderman ² anche precisato che circa il 50% (in peso) dei prodotti e un minimo del 75% delle materie prime sono solidi granulari nell'industria chimica. Ha inoltre dichiarato che ci si verificano molti problemi riguardanti lo stoccaggio e il trasporto di materiali granulari. Uno di questi è che durante il trasporto e handling molte collisioni avvengono. Per analizzare, descrivere e prevedere il comportamento di un sistema per il particolato, Discrete Element Method (DEM) simulazioni possono essere eseguite. Per queste simulazioni conoscenza del comportamento collisione del sistema per il particolato è necessario. Il parametro che descrive questo comportamento nelle simulazioni DEM è il coefficiente di restituzione (COR) che deve essere determinato in esperimenti.

Il COR è un numero che caratterizza la perdita di energia cinetica durante l'urto, come descritto da Seifried et al. ^3. Hanno spiegato che questo è causato da deformazioni plastiche, propagazione delle onde e fenomeni viscoelastico. Thornton e Ning ⁴ anche detto che qualche energia potrebbe essere dissipata dal lavoro a causa di interfacciarsi adesione. Il Comitato dipende velocità d'impatto, comportamento del materiale, dimensione delle particelle, la forma, rugosità, umidità, proprietà di adesione e la temperatura come indicato in Antonyuk et al. ^5. Per un completely impatto elastico tutta l'energia assorbita viene restituito dopo la collisione in modo che la velocità relativa tra le parti a contatto è uguale prima e dopo l'impatto. Questo porta ad una COR di e = 1. Durante un impatto perfettamente plastico tutta l'energia cinetica iniziale viene assorbito e le parti di contatto bastone insieme che porta ad una COR di e = 0. Inoltre, Güttler et al. ⁶ spiegato che ci sono due tipi di collisioni. Da una parte, vi è la collisione tra due sfere che è noto anche come contatto particelle particella. D'altra parte, vi è la collisione tra una sfera e una piastra che è anche chiamato contatto particelle parete. Con i dati per il COR e altre proprietà del materiale come coefficiente di attrito, la densità, rapporto e modulo di taglio simulazioni DEM di Poisson possono essere eseguite per determinare le velocità post-collisionali e orientamenti delle particelle come spiegato da Bharadwaj et al. ^7. come shown in Antonyuk et al ^5., il Comitato può essere calcolata con il rapporto della velocità di rimbalzo di impatto della velocità.

Pertanto un apparato sperimentale per le prove di caduta libera per esaminare il contatto particella-parete di particelle con un diametro da 0,1 mm a 4 mm è stato costruito. Il vantaggio degli esperimenti di caduta libera rispetto agli esperimenti accelerati come in Fu et al. ⁸ e Sommerfeld e Huber ⁹ è che la rotazione potrebbe essere eliminato. Quindi, il trasferimento tra energia cinetica rotazionale e traslazionale che influenza il Comitato può essere evitato. Particelle asferici devono essere contrassegnati come in Foerster et al. ¹⁰ o Lorenz et al. ¹¹ di prendere in considerazione la rotazione. Come il COR dipende dalla velocità d'impatto, le velocità d'impatto nelle esperimenti devono corrispondere a quelli dei reali processi di trasporto e movimentazione. In esperimenti di caduta libera sotto la pressione atmosferica, la velocità d'impatto è limitatadalla forza di trascinamento, avendo un'influenza crescente per granulometria decrescente. Per ovviare a questo inconveniente, l'apparato sperimentale funziona in condizioni di vuoto. Una seconda sfida è far cadere solo una singola particella da allora è possibile caratterizzare tutte le proprietà che influenzano il CdR in anticipo, per esempio, rugosità superficiale e l'adesione. Con questa conoscenza, il COR può essere determinato in base alle proprietà della particella. Per questo, un nuovo meccanismo di rilascio è stato sviluppato. Un altro problema sono le forze adesive di polveri con diametro inferiore a 400 micron. Pertanto, un ambiente a temperatura ambiente asciutto e è necessario per superare l'adesione.

L'apparato sperimentale è costituito da più parti. Una vista esterna del setup sperimentale esistente è mostrato in Figura 1. In primo luogo, vi è la camera di depressione che è fatto di vetro. È composto da una parte inferiore (cilindro), una copertura superiore, un anello di tenuta ed un manicotto per collegare ilparti. La parte inferiore ha due aperture per il collegamento con la pompa da vuoto e il vacuometro. Il coperchio superiore ha quattro aperture. Due di questi sono necessari per i bastoncini del meccanismo di sblocco di seguito descritto e anche due che possono essere utilizzati per ulteriori miglioramenti dell'esperimento. Tutte queste aperture possono essere chiuse con anelli di tenuta e tappi a vite quando si lavora in condizioni di vuoto.

Inoltre, un nuovo meccanismo di rilascio è stato sviluppato in quanto l'uso di un ugello vuoto come in molti altri esperimenti documentati in letteratura (ad esempio Foerster et al. ^10, Lorenz et al. ^11, Fu et al. ¹² o Wong et al. ¹³⁾ non è possibile in un ambiente sotto vuoto. Il meccanismo è realizzato da una camera cilindrica con un foro conico che si svolge da una piastra. Questo è collegato ad un bastone che si inserisce in uno degli anelli di tenuta del coperchio superiore della camera a vuoto e garantisce la regolazione di un variabLe altezza iniziale per gli esperimenti di caduta libera. Una scala è tracciata sulla bastone per misurare l'altezza. La chiusura della camera particella è implementato da una punta conica di una pipetta che è ancora collegato a un bastone. Il nuovo meccanismo di rilascio può essere visto in Figura 2, e funziona come descritto qui: nello stato iniziale la punta della pipetta viene spinto verso il basso in modo che la circonferenza della punta tocca il bordo del foro della camera di. La camera è chiusa con la punta della pipetta tale che non c'è spazio per una particella di lasciare la camera attraverso il foro. Per rilasciare la particella, il bastone viene tirato verso l'alto molto lentamente insieme con la punta ad esso collegato. Poiché il diametro della punta è sempre più piccolo un divario tra la circonferenza e il bordo del foro viene attraverso cui la particella può lasciare la camera. Sebbene ci si potrebbe aspettare una rotazione della particella con il meccanismo di sgancio nuova concezione della particella potrebbe 'roll' fuori chamber, un comportamento diverso appare negli esperimenti. La Figura 3 mostra l'impatto di una particella asferica da 50 fotogrammi prima a 50 fotogrammi dopo l'impatto con passi di 25 fotogrammi. Dalla forma della particella senza rotazione è visibile prima dell'impatto (1-3) che poi gira ovviamente (4-5). Pertanto, il rilascio non rotazionale rivendicato sta avvenendo con questo meccanismo di rilascio.

Un altro componente del setup sperimentale è la piastra di base. In realtà ci sono tre diversi tipi di piastre di base costituite da materiali diversi. Uno è fatto di acciaio inossidabile, un secondo di alluminio e un terzo di cloruro di polivinile (PVC). Queste piastre di base rappresentano materiali frequentemente utilizzati per l'ingegneria di processo, ad esempio nei reattori e tubi.

Per determinare le velocità di impatto e di rimbalzo, è utilizzato una telecamera ad alta velocità con 10.000 fps e una risoluzione di 528 x 396 pixel. Questa configurazione viene scelta come c'è sempreuna foto vicino l'impatto e anche la risoluzione è ancora soddisfacente. La fotocamera è collegata a uno schermo che mostra i video nel momento in cui vengono registrate. Ciò è necessario, poiché la telecamera ad alta velocità può salvare solo una quantità limitata di immagini e sovrascrive l'inizio del video quando questo valore viene superato. Inoltre, è necessaria una forte sorgente luminosa per l'illuminazione del campo visivo della telecamera ad alta velocità. Per l'illuminazione uniforme di un foglio di carta tecnica disegno viene incollato sul retro della camera a vuoto che diffonde la luce.

Infine, una pompa rotativa a due stadi è utilizzato per stabilire un vuoto di 0,1 mbar ea misure vacuometro il vuoto per garantire condizioni ambientali costanti.

Per le perle di vetro di lavoro qui presentato con diversi diametri delle particelle (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) sono utilizzati. Le perle sono fatte di calce sodatavetro e sono sferica, con una superficie piuttosto liscia.

Protocol

1. Gli esperimenti con particelle più grosse o uguale a 700 micron Preparazione del setup sperimentale Rimuovere il manicotto e sollevare il coperchio superiore della camera a vuoto. Posizionare la piastra di base costituito dal materiale della parete desiderata nella camera a vuoto. Ruotare la parte inferiore dei lateralmente camera a vuoto a scorrere nella piastra accuratamente da mani. Luogo esattamente una delle particelle da esaminare con pinzette nel centro della piastra di base. Suc…

Representative Results

Per le particelle di analisi di vetro con un diametro di 100 micron e 4,0 mm sono stati lasciati cadere da un'altezza iniziale di 200 mm su una piastra di base in acciaio inossidabile con uno spessore di 20 mm. La figura 6 mostra i valori medi nonché i valori massimi e minimi per il COR seconda della dimensione delle particelle per la pressione atmosferica e sotto vuoto. Il valore medio del COR è risulta…

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