Desenvolvimento de uma instalação experimental para a medição do coeficiente de restituição sob condições de vácuo

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.