Udvikling af en forsøgsopstilling til måling af Restitutionskoefficienten under vakuum

Summary

Restitutionskoefficienten er en parameter, der beskriver tabet af kinetisk energi under kollision. Her er et frit fald setup under vakuum udviklet til at kunne bestemme restitutionskoefficienten parameter for partikler i mikrometer vifte med stor gennemslagskraft hastigheder.

Abstract

Den Discrete Element Metoden anvendes til simulering af partikler systemer til at beskrive og analysere dem, at forudsige og bagefter optimere deres adfærd for enlige stadier af en proces eller endda en hel proces. For simuleringen med forekommende partikel-partikel og partikel-væg kontakter, er værdien af ​​koefficienten tilbagelevering påkrævet. Den kan bestemmes eksperimentelt. Restitutionskoefficienten afhænger af flere parametre som anslagshastigheden. Især for fine partikler anslagshastigheden afhænger af lufttrykket og under atmosfærisk tryk og høj effekt hastigheder ikke kan nås. Til dette er en ny forsøgsopstilling for frit fald tests under vakuum udvikles. Restitutionskoefficienten bestemmes med virkningen og rebound hastighed, som registreres af en high-speed kamera. Ikke hindrer opfattelse er vakuumkammeret lavet af glas. Også en ny mekanisme release bortkaste et enkelt partikel under vakuumbetingelser er konstrueret. På grund af dette, kan alle egenskaber af partiklen på forhånd karakteriseret.

Introduction

Pulvere og granulater er overalt omkring os. Et liv uden dem er umuligt i moderne samfund. De vises i fødevarer og drikkevarer som korn eller endda mel, sukker, kaffe og kakao. De er nødvendige for dagligt anvendte genstande som toneren til laserprinter. Også plastindustrien er ikke tænkelige uden dem, fordi plast transporteres i granuleret form, før det er smeltet og givet en ny form. Efter Ennis et al. ¹ mindst 40% af værditilvæksten til forbrugerprisindekset i USA af den kemiske industri (landbrug, fødevarer, lægemidler, mineraler, ammunition) er forbundet til partikel-teknologi. Nedderman ² selv udtalt, at omkring 50% (vægt) af produkter og mindst 75% af råvarerne er kornede faste stoffer i den kemiske industri. Han erklærede også, at der opstår mange problemer vedrørende opbevaring og transport af kornede materialer. En af disse er, at under transport og handling mange kollisioner finder sted. At analysere, beskrive og forudsige opførslen af ​​en partikelformet system kan udføres Discrete Element Method (DEM) simuleringer. For disse simuleringer kendskab til kollision adfærd for partikelsystemet er nødvendig. Den parameter, der beskriver denne adfærd i DEM simuleringer er restitutionskoefficienten (COR), der skal bestemmes i forsøg.

Regionsudvalget er et tal, der karakteriserer tabet af kinetisk energi under anslaget, som beskrevet af Seifried et al. ^Tre. De forklarede, at dette er forårsaget af plastiske deformationer, bølgeudbredelse og viskoelastiske fænomener. Thornton og Ning ⁴ nævnte også, at nogle energi kan blive afbødet ved arbejde på grund at interface vedhæftning. Regionsudvalget afhænger anslagshastighed, materialeopførsel, partikelstørrelse, form, ruhed, vandindhold adhæsionsegenskaber og temperatur som angivet i Antonyuk et al. ^5. For en completely elastisk effekt alle absorberede energi returneres efter kollisionen, så den relative hastighed mellem kontaktpunkterne partnerne er lig før og efter effekt. Dette fører til en COR af e = 1. I en perfekt plast indvirkning al den indledende kinetiske energi absorberes, og kontaktpunkterne partnere klæber sammen, hvilket fører til en COR af e = 0. Desuden Güttler et al. ⁶ forklarede, at der er to typer af kollisioner. På den ene side er der den kollision mellem to kugler, som også er kendt som kontakten partikel-partikel. På den anden side er der kollisionen mellem en kugle og en plade, der også kaldes partikel-vægkontakt. Med data for Regionsudvalget og andre materialeegenskaber som friktionskoefficient, tæthed, kan udføres Poissons forhold og shear modul DEM simuleringer til at bestemme de post-kollisionsdæmper hastigheder og orienteringer af partiklerne som forklaret af Bharadwaj et al. ^7. Som shown i Antonyuk et al. ^5, kan Regionsudvalget beregnes med forholdet mellem rebound hastighed at påvirke hastigheden.

Derfor en forsøgsopstilling for frit fald tests for at undersøge den partikelbærende vægkontakt af partikler med en diameter fra 0,1 mm til 4 mm blev konstrueret. Fordelen ved frit fald eksperimenter i forhold til accelererede eksperimenter som i Fu et al. ⁸ og Sommerfeld og Huber ⁹ er at rotation kan elimineres. Derfor kan undgås overførsel mellem roterende og translationel kinetisk energi, som påvirker Regionsudvalget. Asfæriske partikler skal mærkes som i Foerster et al. ¹⁰ eller Lorenz et al. ¹¹ for at tage drejning i betragtning. Som Regionsudvalget er afhængig af anslagshastighed, virkningen hastigheder i forsøgene nødt til at matche dem i de virkelige processer transport og håndtering. I frit fald eksperimenter under atmosfærisk tryk, er anslagshastigheden begrænsetaf trækkraften, der har en stigende indflydelse for en faldende partikelstørrelse. For at overvinde denne ulempe, forsøgsopstillingen arbejder under vakuum. En anden udfordring er at droppe blot en enkelt partikel siden da er det muligt at karakterisere alle egenskaber, der påvirker COR forhånd, f.eks ruhed og vedhæftning. Med denne viden, kan Regionsudvalget bestemmes efter egenskaber partiklen. Til dette blev en ny mekanisme release udviklet. Et andet spørgsmål er de adhæsive kræfter pulvere med en diameter mindre end 400 um. Derfor er en tør og omgivelsestemperatur miljø er nødvendigt for at overvinde adhæsion.

Forsøgsopstillingen består af flere dele. En udvendig afbildning af den eksisterende forsøgsopstillingen er vist i figur 1. For det første er der i vakuumkammeret, der er lavet af glas. Det består af en nedre del (cylinder), til et topdæksel, en tætningsring og en muffe forbindedele. Den nederste del har to åbninger til en forbindelse med vakuumpumpen og vakuummåleren. Topdækslet har fire åbninger. To af dem er nødvendige for pindene i frigørelsesmekanisme beskrevet nedenfor og også to, der kan anvendes til yderligere forbedringer af forsøget. Alle disse åbninger kan lukkes med tætningsringe og skruelåg når du arbejder under vakuum.

Desuden blev en ny mekanisme release udviklet, da brugen af et vakuum dyse som i mange andre forsøg dokumenteret i litteraturen (f.eks Foerster et al. ^10, Lorenz et al. ^11, Fu et al. ¹² eller Wong et al. ¹³⁾ er ikke muligt i et vakuummiljø. Mekanismen realiseres ved et cylindrisk kammer med en konisk borehul, der fastholdes af en plade. Dette er forbundet med en pind, der passer ind i en af ​​tætningsringene af topdækslet af vakuumkammeret og garanterer tilpasningen af ​​en variable indledende højde for frit fald eksperimenter. En skala trækkes på pinden til måling af højden. Lukningen af ​​partikelkammeret gennemføres af en konisk spids af en pipette, der er igen forbundet til en pind. Mekanismen nye udgivelse kan ses i figur 2 og fungerer som beskrevet her: i den oprindelige tilstand pipettespidsen skubbes ned, så omkredsen af spidsen rører kanten af kammerets borehullet. Kammeret lukkes med pipettespidsen sådan at der ikke er plads til en partikel til at forlade kammeret gennem hullet. For at frigøre partiklen, er staven trækkes opad meget langsomt sammen med spidsen forbundet til det. Som diameteren af ​​spidsen bliver mindre en kløft mellem dens omkreds og kanten af ​​hullet opstår gennem hvilket partiklen kan forlade kammeret. Selv om man kunne forvente en rotation af partiklen med mekanismen nyudviklede udgivelse som partiklen kunne "rulle" ud af chamber, vises en anden adfærd i forsøgene. Figur 3 viser virkningen af en asfærisk partikel fra 50 frames før til 50 frames efter virkningen i trin på 25 frames. Fra formen af ​​partiklen ingen rotation er synlig før konsekvenserne (1-3) henviser bagefter det naturligvis spins (4-5). Derfor hævdede ikke-roterende frigivelse finder sted med denne udløsermekanisme.

En anden komponent af forsøgsopstillingen er grundpladen. I virkeligheden er der tre forskellige typer af bundplader bestående af forskellige materialer. Den ene er fremstillet af rustfrit stål, en anden af ​​aluminium og en tredjedel af polyvinylchlorid (PVC). Disse bundplader repræsenterer ofte brugte materialer i procesteknik for eksempel i reaktorer og rør.

For at fastslå virkningen og rebound hastigheder, er et high-speed kamera med 10.000 fps og en opløsning på 528 x 396 pixels brugt. Denne konfiguration er valgt da der altidét billede nær virkningen og også opløsningen er stadig tilfredsstillende. Kameraet er forbundet med en skærm, der viser videoer i det øjeblik, hvor de optages. Dette er nødvendigt, fordi den høje hastighed kamera kun kan spare en begrænset mængde af billeder og overskriver begyndelsen af ​​videoen, når dette beløb er oversteget. Endvidere er en stærk lyskilde til belysning af synsfeltet af high-speed kamera påkrævet. Til belysning ensartethed et ark teknisk tegning papir er limet på bagsiden af ​​vakuumkammeret, der spreder lyset.

Endelig er en to-trins roterende vinge pumpe bruges til at etablere et vakuum på 0,1 mbar og en vakuum gauge måler vakuum for at sikre konstante miljøforhold.

For de her præsenterede arbejde glasperler med forskellige partikel diametre (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) anvendes. Perlerne er lavet af natronkalkglas og er sfæriske med en temmelig glat overflade.

Protocol

1. Forsøg med Partikler Grovere eller lig med 700 um Fremstilling af forsøgsopstillingen Fjern muffen og løft topdækslet af vakuumkammeret. Placer bundpladen består af det ønskede vægmaterialet i vakuumkammeret. Drej den nederste del af vakuumkammeret sidelæns til at glide i pladen forsigtigt ved hænder. Sted netop en af ​​de partikler, der skal undersøges med pincet i midten af ​​basispladen. Bagefter justere højden af ​​kameraet med et stativ på en sådan måde, at…

Representative Results

Til analysen glaspartikler med en diameter på 100 um til 4,0 mm blev droppet fra en første højde af 200 mm på en rustfri stål bundplade med en tykkelse på 20 mm. Figur 6 viser de gennemsnitlige værdier samt den maksimale og minimale værdier for Regionsudvalget afhængig af partikelstørrelse for atmosfærisk tryk og vakuum. Gennemsnittet af Regionsudvalget er fundet at være ca. e = 0,9 for pa…

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