Utvikling av en Forsøksoppsett for måling av Coefficient of Restitusjon under vakuum betingelser

Summary

Koeffisienten for restitusjon er en parameter som beskriver tapet av kinetisk energi ved kollisjon. Her er et fritt fall oppsett under vakuumforholdene utviklet for å være i stand til å bestemme koeffisienten til restitusjon parameter for partikler i mikrometer utvalg med høy anslagshastigheter.

Abstract

Discrete Element Method brukes for simulering av partikkelformede systemer for å beskrive og analysere dem, for å forutsi og etterpå optimalisere deres oppførsel for enkelt trinn av en prosess eller til og med hele prosessen. For simulering med forekommende partikkel-partikkel og partikkel-vegg-kontakter, vil verdien av koeffisienten for restitusjon nødvendig. Det kan bestemmes eksperimentelt. Koeffisienten for tilbakeføring avhenger av flere parametere som anslagshastigheten. Spesielt for fine partikler anslagshastigheten er avhengig av lufttrykket og under atmosfærisk trykk med høy anslagshastigheter kan ikke nås. For dette er en ny eksperimentell oppsett for fritt-fall-tester under vakuum utviklet. Den koeffisient av restitusjon bestemmes med virkningen og returhastighet som er oppdaget av et høyhastighetskamera. For å ikke hindre utsikten, er vakuumkammeret laget av glass. Også en ny utløsermekanisme for å slippe en enkelt partikkel under vakuumbetingelser er konstruert. På grunn av dette, kan alle egenskaper for partikkel karakteriseres på forhånd.

Introduction

Pulver og granulater er overalt rundt oss. Et liv uten dem er umulig i det moderne samfunn. De vises i mat og drikke som korn eller til og med mel, sukker, kaffe og kakao. De trengs for daglige brukte gjenstander som toner for laserskriver. Også plast industrien er ikke tenkelig uten dem, fordi plast transporteres i kornform før den er smeltet og gitt en ny form. Etter Ennis et al. ^En minst 40% av verdiskapingen i konsumprisindeksen i USA av den kjemiske industrien (landbruk, mat, legemidler, mineraler, ammunisjon) er koblet til partikkelteknologi. Nedderman ² til og med nevnt at omtrent 50% (vekt) av produktene, og minst 75% av råmaterialene er granulære faststoffer i den kjemiske industri. Han erklærte også at det oppstår mange problemer vedrørende lagring og transport av matvarer. En av disse er at under transport og håndtering fasiliteterng mange kollisjoner finner sted. For å analysere, beskrive og forutsi oppførselen til et partikkelsystem, kan Discrete Element Method (DEM) simuleringer utføres. For disse simuleringer kunnskap om kollisjonen oppførsel av det partikkelformede systemet er nødvendig. Parameteren som beskriver dette problemet i DEM simuleringer er koeffisienten for restitusjon (COR) som må bestemmes i eksperimenter.

Den COR er et tall som karakteriserer tap av kinetisk energi i løpet av virkningen som beskrevet av Seifried et al. ^3. De forklarte at dette er forårsaket av plastiske deformasjoner, bølgeutbredelse og viskoelastiske fenomener. Thornton og Ning ^fire nevnte også at litt energi kan være utsvevende av arbeid på grunn av grensesnitt vedheft. Den COR er avhengig av anslagshastigheten, materialoppførsel, partikkelstørrelse, form, ruhet, fuktighetsinnhold, adhesjonsegenskaper og temperatur som er angitt i Antonyuk et al., ^5. For en completely elastisk slag alt absorbert energi returneres etter sammenstøtet, slik at den relative hastighet mellom kontaktpartnere er like før og etter støtet. Dette fører til en COR e = 1. I løpet av et helt plastisk innvirkning all den opprinnelige kinetiske energi absorberes og kontakt partnerne holde sammen som fører til en COR e = 0. Videre Güttler et al. ⁶ forklarte at det finnes to typer kollisjoner. På den ene siden er det en kollisjon mellom to kuler som også er kjent som den partikkel-partikkel-kontakt. På den annen side er det kollisjonen mellom en kule og en plate som også kalles partikkel-vegg kontakt. Med data for COR og andre vesentlige egenskaper som friksjonskoeffisient, tetthet, kan Poissons tall og skjærmodul DEM simuleringer utføres for å bestemme de etter collisional hastigheter og orienteringer av partiklene som forklart av bharadwaj et al. ^7. som shown i Antonyuk et al. ^5, kan den COR beregnes med forholdet på returhastighet å påvirke hastigheten.

Derfor er et eksperimentelt oppsett for fritt-fall-tester for å undersøke den partikkel-vegg kontakt av partikler med en diameter fra 0,1 mm til 4 mm ble konstruert. Fordelen med fritt fall eksperimenter i forhold til akselerert eksperimenter som i Fu et al. ⁸ og Sommerfeld og Huber ⁹ er at rotasjonen kan bli eliminert. Dermed kan overføringen mellom roterende og translatorisk bevegelsesenergi som påvirker COR unngås. Asfæriske partikler trenger å bli merket som i Foerster et al., ¹⁰ eller Lorenz et al., ¹¹ for å ta hensyn til rotasjon. Som COR er avhengig av støthastigheten, de anslagshastigheter i forsøkene må matche de i den virkelige transport- og håndteringsprosesser. I fritt fall eksperimenter under atmosfærisk trykk, støthastigheten begrensetav trekkraften, som har en økende innflytelse på en avtagende partikkelstørrelse. For å overvinne denne ulempe, det eksperimentelle oppsett fungerer under vakuumbetingelser. En annen utfordring er å slippe bare en enkelt partikkel siden da det er mulig å karakterisere alle egenskaper som påvirker COR på forhånd, for eksempel overflateruhet og adhesjon. Med denne kunnskapen kan COR bestemmes i henhold til egenskapene til partikkelen. For dette ble en ny utløsermekanisme utviklet. En annen sak er limet krefter pulver med en diameter dårligere enn 400 mikrometer. Derfor er en tørr og omgivelsestemperatur miljø er nødvendig for å overvinne adhesjonen.

Det eksperimentelle oppsett består av flere deler. En utvendig riss av eksisterende eksperimentelle oppsettet er vist i figur 1. For det første er det vakuumkammeret som er laget av glass. Det er sammensatt av en nedre del (sylinder), til en toppdekselet, en tetningsring og en hylse kobledeler. Den nedre del har to åpninger for en forbindelse med vakuumpumpe og vakuummåleren. Toppdekselet har fire åpninger. To av dem er nødvendige for stokker av frigjøringsmekanismen som er beskrevet nedenfor, og også to som kan brukes for ytterligere forbedringer av forsøket. Alle disse åpningene kan lukkes med tetningsringer og korkene når arbeider under vakuum.

Dessuten ble en ny utløsningsmekanisme utviklet seg etter anvendelse av en vakuum-munnstykke som i mange andre forsøk som er dokumentert i litteraturen (for eksempel Foerster et al. ^10, Lorenz et al. ^11, Fu et al., ¹² eller Wong et al. ¹³⁾ er ikke mulig i et vakuummiljø. Mekanismen er realisert av et sylindrisk kammer med en konisk borehullet som holdes av en plate. Denne er koblet til en pinne som passer i en av tetningsringene av toppdekselet av vakuumkammeret og garanterer justering av en variable innledende høyde for fritt-fall eksperimenter. En skala er tegnet på pinnen for å måle høyden. Lukkingen av partikkelkammeret gjennomføres ved en konisk spiss av en pipette som er igjen koblet til en pinne. Den nye frigjøringsmekanismen kan sees i figur 2, og virker som beskrevet her: i den innledende tilstand pipettespissen skyves ned, slik at omkretsen av spissen berører kanten av kammerets borehullet. Kammeret er lukket med pipettespissen slik at det ikke er plass for en partikkel til å forlate kammeret gjennom hullet. For å frigjøre partikkelen, er pinnen trekkes oppover veldig sakte sammen med spissen koblet til den. Som diameteren av tuppen blir mindre et gap mellom sin omkrets og kanten av borehullet oppstår gjennom hvilken partikkelen kan forlate kammeret. Selv om man kunne forvente en rotasjon av partikkel med den nyutviklede utløsermekanismen som partikkelen kunne "rulle" ut av chamber, vises en annen atferd i forsøkene. Figur 3 viser effekten av et asfærisk partikkel fra 50 frames før 50 rammer etter virkningen i trinn på 25 rammer. Fra formen av partikkelen ingen rotasjon er synlig før virkningen (1-3), mens etterpå det åpenbart spinner (4-5). Derfor er det hevdet ikke-rotasjons-utløser finner sted med denne utløsningsmekanisme.

En annen del av den eksperimentelle oppsettet er bunnplaten. Faktisk er det tre forskjellige typer grunnplater som består av forskjellige materialer. Den ene er laget av rustfritt stål, et sekund av aluminium og en tredjedel av polyvinylklorid (PVC). Disse grunnplater representerer ofte brukte materialer i prosessteknikk for eksempel i reaktorer og rør.

For å fastslå effekten og rebound hastigheter, er et høyhastighetskamera med 10.000 fps og en oppløsning på 528 x 396 piksler brukes. Denne konfigurasjonen er valgt da det alltidett bilde nær virkningen og også oppløsningen er fortsatt tilfredsstillende. Kameraet er koblet til en skjerm som viser videoene i det øyeblikk de ble registrert. Dette er nødvendig, fordi den høye hastigheten kameraet kan bare lagre en begrenset mengde bilder og overskriver begynnelsen av videoen når dette beløpet er overskredet. Videre er en sterk lyskilde for belysning av synsfeltet av høyhastighetskamera nødvendig. For belysningsjevnheten av et ark av teknisk tegning papiret er limt på baksiden av vakuumkammeret som sprer lyset.

Til slutt blir en to-trinns roterende vingepumpe anvendes for å etablere et vakuum på 0,1 mbar og en vakuummåler måler vakuum for å sikre konstant miljøforhold.

For her er presentert arbeidet glassperler med ulike partikkeldiameter (0,1-0,2, 0,2-0,3, 0,3-0,4, 0,700, 1,588, 2,381, 2,780, 3.680 og 4.000 mm) brukes. Perlene er laget av soda kalkglass og er sfæriske med en ganske glatt overflate.

Protocol

1. Forsøk med Partikler grovere eller lik 700 mikrometer Utarbeidelse av eksperimentelle oppsettet Fjern hylsen og løft opp toppdekselet av vakuumkammeret. Plasser den bunnplate som består av det ønskede veggmaterialet i vakuumkammeret. Snu den nedre del av vakuumkammeret sidelengs for å gli i platen nøye av hender. Sted nøyaktig en av de partiklene som skal undersøkes med pinsett i midten av grunnplaten. Etterpå justere høyden av kameraet med et stativ på en slik måte at grunnp…

Representative Results

For analyse glasspartiklene med en diameter på 100 um til 4,0 mm ble sluppet fra en opprinnelig høyde på 200 mm på en bunnplate av rustfritt stål med en tykkelse på 20 mm. Figur 6 viser de gjennomsnittlige verdier så vel som den maksimale og minimale verdier for COR, avhengig av partikkelstørrelsen for atmosfærisk trykk og vakuum. Middelverdien av den COR er funnet å være ca e = 0,9 for par…

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