Характеристика сыпучих материалов

Существует несколько точек зрения на определение «сыпу­чие материалы». Высоко- и среднедисперсные системы (см. табл. 1.3), диаметр частиц которых не превышает 10 мкм, называют пылевидными. К порошкам относят системы, имеющие части­цы размером до нескольких сотен микрометров. Если частицы более крупные, то такие системы относят к сыпучим материа-лим. В различных отраслях промышленности не принято учи­тывать эти разграничения, и все подобные системы считают сыпучими материалами, массами или продуктами. Поэтому в дальнейшем под сыпучими материалами будем подразумевать дисперсные системы типа Т/Г, состоящие из воздушной (газо­вой) дисперсионной среды и твердой дисперсной фазы, между частицами которых имеется контакт.

Сыпучие материалы, так же как упруговязкопластичнще, способны течь под действием внешнего усилия F^. В отличие от течения сплошных тел течение сыпучих материалов заключа­ется в отрыве слоя частиц от себе подобных или поверхности и в перемещении отдельных частиц или агрегатов частиц при со­хранении границы раздела между частицами.

При движении часть сыпучего материала может прилипнуть к поверхности, образуя на ней слои ниже линии ББ (рис. 11,5, в). Динамическое состояние сыпучих материалов связано с их структурно-механическими свойствами и может быть выражено количественно. Образование структуры в системе Т/Г зависит от контактных взаимодействий между частицами и частиц с по­верхности, т.е. аутогезии и адгезии (см. гл. 3). Разлцчают адге­зию и аутогезию отдельных частиц (см. рис. 11.6, а, в) и массы частиц, составляющей сыпучий материал (см, рив/11.6, в). Контактное взаимодействие между частицами характеризует прочность всей сыпучей массы.

CTTXXXXII

Рис. 11.6. Адгезия (а) и аутогезия (б) отдельных частиц и слоя сыпучего материала (в)

Адгезия и аутогезия отдельных частиц определяется силой ¥_а и F соответственно; для сыпучего материала адгезия возникает при контакте частиц с поверхностью (линия АА на рис. 11.6, в) и характеризуется величиной F*. Аутогезия между частицами из­меряется величиной F^ и возникает при контакте слоев частиц (линия ББ на рис. 11.6, в).

Связь между адгезией отдельных частиц F_a и адгезией слоя частиц F* определяется соотношением

(11.11)

где N — число частиц в расчете на единицу площади контакта, обычно в рас­чете на 1 м².

Если F_a характеризует силу адгезии отдельных частиц, то F^N^ ■ — силу в расчете на единицу площади: ее можно назвать давлени­ем или напряжением, определяющим адгезию.

Так, адгезия муки высшего сорта при влажности 12,4% к стальной повер­хности может составлять 5,5-10³ Па.

Аутогезия частиц сыпучего материала F^N связана с аутоге-

зией пары частиц FayT следующим соотношением:

ауг

(11.12)

F^N =

^Г аут

где N — число частиц в расчете на единицу площади контакта, или удельное число контактов.

Число контактов зависит от структуры сыпучего материала, размеров частиц и плотности их упаковки. Аутогезия обусловле­на двумя причинами; первая из них определяется природой кон­тактирующих тел, а вторая вызвана положением частиц в сыпу­чем материале.

Взаимное перемещение частиц сыпучего материала и его тече­ние определяются не только адгезией и аутогезией, но и трением.

Трением называют взаимодействие, которое возникает в местах контакта поверхностей и препятствует их относительному пере­мещению. Трение и адгезия, а также аутогезия вызваны одними и теми же причинами, т.е. взаимодействием между телами: в данном случае частицы — твердая поверхность и частицы — частицы. Направления силы трения и сил адгезии и аутогезии не совпада­ют. При адгезии и аутогезии они действуют перпендикулярно поверхности контакта, а в случае трения — тангенциально.

Адгезия обусловливает прижим и удержание частиц на повер­хности, а трение препятствует перемещению частиц относительно поверхности. Если частицы движутся относительно друг друга, то трение тормозит это движение, а аутогезия определяет связь меж­ду частицами при их взаимном удалении (см. рис. 11.6, б).

На сыпучий материал может действовать давление Р_вд (рис. 11.6, в). Оно вызвано массой вышележащих частиц или внешней нагрузкой. Для того чтобы заставить сыпучий материал течь, необходимо осуществить сдвиг слоя частиц относительно твер­дой поверхности или другого слоя частиц. Сдвиг произойдет, если приложить внешнее воздействие, равное F^x_0Tp. Величина F^x_0Tp на­зывается напряжением сдвига и рассчитывается на единицу пло­щади сечения сыпучего материала. При сдвиге преодолевается сила трения. Подобный процесс происходит, например, при опо­рожнении пакета с сахарным песком. При наклоне пакета воз­никает определенное усилие F^, величина которого обусловли­вает сдвиг частичек сахара.

Одним из законов трения является закон Амонтона, согласно которому сила трения прямо пропорциональна силе нормального давления. Под дей­ствием внешнего усилия Fl^ преодолевается сила трения, когда внешнее дав­ление направлено нормально по отношению к слою частиц и равно Р_вд. Закон Амонтона для частиц сыпучего материала можно представить в виде

^[ в.д-

(11.13)