粉体静力学及粉体流动.ppt

3粉体静力学及粉体流动 3 1粉体的压力计算3 2粉体贮仓的容积计算3 3粉体的压缩3 4粉体流动 3 1粉体的压力计算 粉体力学分体在输送 储存中 粒子与粒子之间 粒子与器壁之间由于相对运动产生摩擦 构成粉体力学 静力学 研究外力与粉体粒子本身的相互作用力 重力 摩擦力压力等 之间的平衡关系 如粉体内的压力分布 休止角 内摩擦角 壁摩擦角等 动力学 研究粉体在重力沉降 旋转运动 输送 混合 储存 粒化 颗粒与流体的相互作用等过程中的粒子相互之间的摩擦力 重力离心力 压力 流体阻力以及运动状态如粉体流动性 颗粒流体力学性质等 3 1粉体的压力计算 了解堆积状态下的粉体层压力分布是仓料设计的基础 1 容器内的粉体层处于极限应力状态 受力最大状态 2 同一水平面的铅垂压力相等 水平和垂直方向的应力是主应力 3 粉体物性和堆积结构均一 内摩擦系数为常数 i 常数 式中 B 粉体的表观密度 kg m3 DT 圆筒容器内径 m w 粉体的内摩擦系数 wKaPv 3 1 1圆筒形容器粉体层压力分布 詹森Janssen公式 3 1 1圆筒形容器粉体层压力分布 当h 0时 Pv 0 故得积分常数 wKaPv 3 1 1圆筒形容器粉体层压力分布 当h 时 粉体压力饱和现象 wKaPv 4 wKa 0 35 0 9 取4 wKa 0 5 h DT 6 则Pv P 0 95 3 1 1圆筒形容器粉体层压力分布 当h 0 Pv P0时 故得积分常数 此外 德国学者 Reimbert 假定Ka不是常数做了公式推导 得出的曲线 也得到了应用 3 1 2料斗的压力分布 沿壁面的摩擦力为 垂直方向上的力平衡 3 1 2料斗的压力分布 化简后得 令 则有齐次微分方程 当y H时 Pv 0积分可得 3 1 2料斗的压力分布 当y H时 Pv Pv0积分可得 当y H时 Pv 0积分可得 00 20 40 60 81 0Pv B y H0 20 40 60 81 0 0 0 5 1 2 5 仓内压力分布 实验测试结果表明 大型筒仓的静压分布同詹森公式理论值基本一致 但卸载时压力有显著的脉动 离筒仓下部约1 3高度处 壁面受到冲击 反复载荷的作用 其最大压力可达到静压力的3 4倍 这一动态超压现象 使得大型筒仓产生变形或破坏 设计时要加以考虑 德国学者Rimbert假设Ka不是常数 得出了双曲线型应力分布 也用于筒仓的设计中 仓内压力分布 当y 0时 Pv 0 而粉体都有固结强度 3 2粉体贮仓的容积计算 贮仓 筒仓 料斗 漏斗 确定损失系数图红线为圆筒黑线为棱柱损失系数曲线 圆筒形贮仓的VL 3 2粉体贮仓的容积计算 贮仓 筒仓 料斗 漏斗 确定损失系数图红线为圆筒黑线为棱柱损失系数曲线 棱柱形贮仓的VL 棱柱形贮仓的VL 漏斗部分的立体角 贮仓 筒仓 料斗 漏斗 3 3常用料位计及其测试原理 工业自动化生产过程中料位是主要测量参数之一 随着工艺要求的提高 料位作为一个重要的过程参数日益引起大家的关注 料位测量的方法很多 通常分为接触式测量仪表 重锤式 电容式 音叉式 阻旋式等 和非接触式测量仪表 射线式 超声波式 雷达式等 由于接触式测量仪表受被测介质物理及化学性质的影响很大 且均为定长产品互换性较差 而非接触式仪表基本不受被测介质物理及化学性质的影响或影响较小 有逐步取代接触式测量仪表的趋势 1 电容式料位计 原理是插入料仓中的电极与料仓壁之间构成电容器 当仓内物料料位变化引起电容量的变化时 通过转换电路得到相应的控制信号 因为电容量是连续变化的 因此该料位计可以用作连续式料位测量 也可用作料位开关 作为报警或喂料 卸料设备的输入信号 若用作连续料位检测 测量精度不高 故通常用作料位开关 在水泥仓 煤仓 粉尘仓 灰仓 水池 油罐 发酵罐等物位的监控中已经被大量使用 优点 无机械磨损 安装维修方便 依据量程大小和控制方式不同 电极设计成杆 棒 式或钢缆 重型钢缆 式 可应用于各种料仓 价格较低 缺点 若电极 探头 上或仓壁粘有物料 往往会导致控制器误动作 从而影响测量效果 应定期检查探头和料位开关动作情况并校验 图3 23电容式料位计1 金属电容 2 测量电极 3 辅助电极 4 绝缘套 电容式料位计原理图 射频导纳料位计 射频导纳物位控制技术是一种从电容式物位控制技术发展起来的 防挂料 更可靠 更准确 适用性更广的物位控制技术 射频导纳 中 导纳 的含义为电学中阻抗的倒数 它由阻性成分 容性成分 感性成分综合而成 而 射频 即高频 所以射频导纳技术可以理解为用高频测量导纳 高频正弦振荡器输出一个稳定的测量信号源 利用电桥原理 以精确测量安装在待测容器中的传感器上的导纳 在直接作用模式下 仪表的输出随物位的升高而增加 射频RF 频率范围从300KHz 30GHz之间 交变电流通过导体 导体周围会形成交变的电磁场 称为电磁波 在电磁波频率低于100khz时 电磁波会被地表吸收 不能形成有效的传输 但电磁波频率高于100khz时 电磁波可以在空气中传播 并经大气层外缘的电离层反射 形成远距离传输能力 我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频 射频技术在无线通信领域中被广泛使用 有线电视系统就是采用射频传输方式 阻抗是电路中电阻 电感 电容对交流电的阻碍作用的统称 2 重锤式料位计料位探测过程由控制器发出的信号来控制 当传感器接到探测命令时 电机正转 经蜗轮 蜗杆减速后带动齿轮轴和绕线筒转动 使钢丝绳下放 带动重锤由仓顶下降 当重锤降至料面被测面托起而失重 钢丝绳松弛 灵敏杠杆动作使微动开关接触 控制器得到该信号即发出电机反转命令 重锤上升返回 直到碰顶开关电机停转 重锤回到仓顶原位置完成一次探测过程 此过程中控制器通过检测绕线筒的圈数计算出重锤从仓顶到料面的距离 该料位计适于块状 颗粒状及粉状的固态物位测量 优点 测量不受介质密度 颗粒大小的影响 缺点 机械内部易落灰尘影响测量效果 机械磨损较严重 需经常维护 花费较大 重锤易发生被物料埋住现象 发生掉锤头 断带故障 2 重锤式料位计 重锤式料位计原理图 测量不同类型的料位时为保证测量准确 可靠 所配备的重锤外形及结构是不同的 不同重锤外形及结构见下图所示 本重锤式料位计特别适用于水泥 冶金 煤碳 饲料 粮食 钢铁 电厂等行业 能在高温 200 以上 大粉尘 湿度变化大等极端恶劣环境下准确测量 还能用于测量液态物料 固 液分界面 液 液分界面的高度 在水泥仓 煤仓 粉尘仓等料位的测量中被大量使用 阻旋式料位计是一种料位开关 它也有不同的检测控制方式 如某产品的基本原理是同步微电动机经减速后 带动检测叶片以2 5 5r min的转速旋转 当被测物料的料位上升使叶片的转动受到阻碍时 检测机构便围绕主轴产生旋转位移 此位移首先使一个微动开关动作 发出有料位信号 随后另一个微动开关动作 切断电动机电源使其停转 只要此料位不变这种状态便一直保持下去 当料位下降至叶片失去阻挡时 检测机构便依靠弹簧拉力使其恢复原始状态 一个微动开关先动作 接通电动机电源使其旋转 随后另一个微动开关动作发出无料信号 只要没有物料阻挡检测叶片的转动 此种状态也将一直保持下去 为防止使用中物料的冲击 库侧安装时应在检测叶片上方的料仓内壁上方安装防护板 如采用加长轴顶置垂直安装时 则应在轴套外安装保护套筒 此种料位开关结构简单 价格低廉 维护方便 多用作粉状物料料仓的料满开关 但不适合高温下工作 2 阻旋 移 式料位计 阻旋 移 式料位计 优点 开关结构简单 维护方便 价格较低 缺点 不适合在高温下工作 适用于水泥 冶金 煤碳 饲料 粮食 钢铁 电厂等行业 特别是在导电性物料 物质属性 状态 湿度 介电常数 密度等 经常改变 大粉尘等物料的限位报警应用中表现出色 可用于固态物料的物位高度监控 在水泥仓 煤仓 粉尘仓 灰仓等物位的监控中已经被大量使用 电阻式物位计 3 称重法 一定容积的容器内 物料重量与料位高度应当是成比例的 因此可用称重传感器或测力传感器测算出料位高低 图3 21为称重式料位计的原理图 4 电阻式物位计 在料位检测中一般用作料位的定点控制 因此也称作电极接触式物位计 其测量原理示意图如图3 22所示 测量时物料上升或下降至某一位置时 即与相应位置上的电极接通或断开 使该路信号发生器发出报警或控制信号 图3 21称重式料位计图3 22电极接触式料位计1 支承 2 称重传感器1 绝缘套 2 3 4 电极5 信号器 6 金属容器壁 5 射线料位计 射线料位计常用作料位开关 工作原理是在料库的一侧设置同位素源 在另一侧设置探测器 同位素源向探测器定向发射 射线 若库内料面低于它 探测器检测得出料空信号 若库内料面高于它 则物料遮挡 吸收 射线 探测器检测得出料满信号 依据料仓的形状和工艺要求 射线料位计可安装在不同的位置 它是非接触式测量 常用于工作环境恶劣的大型混凝土料库 如水泥熟料库 此时 要求所用的同位素源强 常用Co60源 源强达50 100mCi 放射性强弱的物理量毫居里 射线料位计还广泛用在立窑的卸料料封控制上 优点 日常运行维护工作量小 操作简单 vanr of依据料仓形状和工艺要求 射线料位计可安装在不同位置 缺点 放射源污染环境 放射源衰减使料位控制不可靠 6 超声波料位计的工作原理 超声波物位计安装在料位上方 自上而下用超声波机型测距 频率一般在20KHz 40KHz之间 通过检测料位到上方探头的距离 来计算料位 我们再说一下超声波测距 超声波测距最普遍的方法是用一个超声波探头 给他一串高压脉冲 使其向下发出3 20个超声波脉冲 然后经过一段静音时间 为了消除探头和仪表本身的余震 通常不超过1毫秒 转为接收状态 当探头收到来自下面料位的回音后 根据发射 收到回音之间的时间差 乘以声音速度 温度是25度时声速340米 秒 就能得出探头与料位之间的实际距离 稍微专业一些的仪表还具备温度补偿功能 前提是气温温度测量准确 仪表本身发热很少的前提下 优点 安装方便 工作可靠 维护量少 价格有竞争性 缺点 超声波必须借助于媒质传播 水泥厂的料位测量通常以空气作为传播介质 而空气的温度 湿度等变化会影响超声波传播速度 故在一些有温度 压力 蒸汽等场合 该料位计不能正常工作 料库空气中的粉尘也衰减超声波信号 影响测量效果 由于粉仓料位表面在下料时非常疏松 对超声波信号有较强衰减 故对粉仓料位的测量效果较差 7 导波雷达料位计 导波雷达料位计是依据时域反射原理 TDR 为基础的雷达料位计 雷达料位计的电磁脉冲 导波雷达料位计以光速沿钢缆或探棒传播 当遇到被测介质表面时 雷达料位计的部分脉冲被反射形成回波并沿相同路经返回到脉冲发射装置 发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比 经计算得出液位高度 8 音叉式料位开关 音叉式料位开关的工作原理是通过安装在音叉基座上的一对压电晶体使音叉在一定共振频率下振动 当音叉与被测介质相接触时 音叉的频率和振幅将改变 这些变化由智能电路来进行检测 处理并将之转换为一个开关信号 3 4粉体的压缩 3 4 1粉体压缩分类 静态压缩 活塞缓慢运动加压的模具压缩 液压压缩 冲击压缩 振动 锤击 爆炸等方式压缩 单面静压缩 双面静压缩 滚轮对压 挤压 1可动冲头2冲模3固定冲头4压缩粉体 压缩流动示意图 3 4 2粉体的压缩机理 3 4 2粉体压缩机理颗粒间相互相互推挤 移动 颗粒重新排列 能量用于克服颗粒间摩擦 架桥崩溃 小颗粒进入大颗粒空隙中 部分颗粒变形 能量用于克服颗粒间摩擦和起器壁的摩擦 颗粒凸凹部分破坏 产生啮合 颗粒间具有一定强度 能量用于颗粒变形和残余应力储存 少量颗粒破坏 堆积体的压缩硬化趋于极限 若进一步压缩 颗粒破坏量加大 能量用于颗粒变形 硬化 破坏 重新排列 塑性流动 粒子破碎 3 4 3压缩应力分布 由于颗粒间存在着摩擦力和内聚力 因此 粉体在压缩过程中 应力传递和分布是不均匀的 且十分复杂 Boussinesq球头形压力分布 Boussinesq球头形压力分布 等压线 MPa 等堆积率线 模具压缩中的粉体压力及堆积率的分布 圆柱体施加无限大粉体层的压力分布 Athy公式 0 8P 0 4P 0 2P 0 15P P 3 4 4体积压缩率 3 4 4体积压缩率 式中 粉体压缩堆积空隙率 V0 粉体初始堆积体积 V 粉体在压缩应力p时的堆积体积 V 粉体最致密堆积体积 0时的体积 ai ki 常数 Cooper提出 3 4 5压缩率与压缩应力之间的关系 粉体压缩应力与压缩率及空隙率之间的关系 研究者 V p的实验关系 p的微分形式 BalshinSmithBellhausesJonesAthyCooper川北 3 5粉体的流动 3 5 1重力流动 出料口流动状态 流动椭圆体 D自由落区 C垂直运动区 B滑过E区向中心缓慢滑动 A滑过B区向中心快速滑动 E不动区 3 5 2滑动线 出料口流动状态 1 主流动区 2 准流动区 3 速度特性线 4 滑动线 5 滞留区 3 5 3质量流与漏斗流 质量流 料仓内整个粉体层能够大致均匀地下降流出 这种流动型式称为质量流 或整体流 其特点是 先进先出 即先进仓的物料先流出 流动性优良的粉体或细粒散体一般可实现质量流 漏斗流 料仓内粉体层的流动区域呈漏斗形 使料流顺序紊乱 甚至有部分粉体滞留不动 造成先加入的物料后流出 即 后进先出 的后果 漏斗流 90 w w为壁摩擦角 的 将形成如图4 3 c 所示的死角区或相似管流的流型 粉体自料仓卸出后还残留一部分于仓内 漏斗流 90 w时 由于料流传播 扩散极缓慢 虽然初期有图4 3 c 所示那样的滞留区 但通过流化床式的连续操作 最终将消失 3 5 4动态压力 粉体层的应力状态 主动状态被动状态应力状态的转换 转换处 3 5 5孔口流出 孔口流出 粉体自容器底部孔流出时 其流量流出速度与粉体层高度的无关 此乃粉体与液体明显的差别 流速与液高的关系粉体的流量与层高的无关 H h H 3 5 6偏析现象 粉体的偏析粉体流动时 由于粒径 颗粒密度 颗粒形状 表面形状等差异 粉体层的组成呈现不均质的现象称为偏折 粉体的渗流由于静止粉体层之上的时断时续流动的表面颗粒层颗粒间有间隙 又处于运动状态 因此 大小颗粒混合物中的小颗粒将钻过大颗粒间间隙到达流动颗粒层的下层 即到达静止粉体层中 这 现象称为动态粉体层颗粒间的渗流 粒度偏析细颗粒堆积于近粉体供料点处 而粗颗粒堆积于远离供料点处 防止偏析的方法基本的方法是尽可能将前述的l取得小些 这样势必要减小贮仓的直径 无法采用高度大的料斗以满足设计所需容量 因此 可在容器内设置同心状和方格状隔板以减小 另外 改变投料方法 同时设置挡板以改变流型 虽有一定效果但尚不太明显 3 5 6粉体的开放屈服强度及其流动函数 1 粉体的开放屈服强度结拱是粉体在储运过程中常见的问题 也就是粉体在一定压力作用下 0 具有一定的密实强度 此强度就是粉体的开放屈服强度 0 为粉体密实所施加的主应力 fc 粉体的开放屈服强度 FF 粉体的流动函数 2 粉体的流动函数 3 5 6粉体的开放屈服强度及其流动函数 fc 0时 FF 表示粉体完全自由流动fc 0时 FF 表示粉体完全自由流动 3 粉体的开放屈服强度与流动性的关系 3 粉体的开放屈服强度与流动性的关系 类粉体不结拱 类粉体的fc 常数 类粉体fc随 0的增加而增加 即结拱强度随预应力 0的增加而增加 3 5 7粉体结拱应力分析 拱微元体的重量近似为 在斜面垂直方向上的力 在垂直方向上的合力 3 5 7粉体结拱应力分析 式中 的单位为角度 3 5 7粉体结拱应力分析 1 拱微元体的重量近似为 在垂直方向上的合力 式中 的单位为角度 3 5 8料斗流动因数 式中 1 料斗内粉体固结主应力 MPa 作用于料拱角最大主应力 MPa ff 料斗流动因数 作用于料拱角最大主应力为 式中 B 卸料口宽度 m H 1 m 0 01 0 05 m m 料斗形状系数 轴对称圆锥料斗m 1 平面对称的楔形料斗m 0 0102030405060 3 02 52 01 51 0 圆形 方形 矩形L 3B 3 5 9料仓卸料口径的确定 质量流的条件 结拱的临界条件为 式中 fc crit 结拱时临界开放屈服强度 MPa 临界点固结主应力 1 作用于料拱角的最大主应力 临界值fc crit 流动区 不流动区 3 5 9料仓卸料口径的经验公式 Langmaid 对于球 s v 6 则S dsv 2 8 B dsv 4 1 对于被粉碎的颗粒 形状不规则 大多 s v 10左右 则S dsv 4 2 B dsv 6 8 式中 i 分体内摩擦系数 Kvapil 对于形状不规则的颗粒 圆形孔口 B dsv 6 15 边长为A的正方形孔口 A dsv 7 3 5 10粉体拱的类型及防拱措施 防止结拱的措施1 改善料仓的几何形状及尺寸 口径大 顶角小 偏心卸料2 降低料仓粉体压力 3 减少料仓壁摩擦阻力 仓壁涂层 加聚乙烯防护粘板4 振动 仓壁振动器 仓壁垂直插板 锤击 空气炮5 防潮 防静电 改流体 射流器枪助流等 a压缩拱 c粘结粘附拱 b楔形拱 d气压平衡拱 防止结拱的措施 防结拱办法 料仓发生闭塞的原因较复杂 与物料的性质 粒度 粒子形状 真实重度 容重含水率 压缩性 粘附性及带电性有关 同时还与料仓的侧壁形状 壁面倾角和光滑度 磨擦阻力大小 排料口的大小等因素有关 料仓防闭塞方法很多 简述如下 1 在仓内吹入压缩空气 使物料流动性增加 2 料仓内壁面敷设橡胶板 在橡胶板及仓壁之间间隙通入压缩空气 使物料形成类似呼吸作用 造成物料流动挤出 3 在料仓内设置机械捣棒或机械搅拌装置 4 在料仓易闭塞处 开设人孔或手孔 5 放炮 爆炸破拱 此法危险性太大 6 在仓壁外安设振动器 振动破拱防闭塞 以上这些方法中 以在仓壁安设振动器的方法最佳 可以在料仓外壁上产生振动的方法很多 如 气动活塞 机械振动 电磁振动 振动电机振动等等 在这些方法中 除采用电机振动外 其它方法均存在有噪音大 结构复杂 效率低 寿命短等缺点 布辛尼斯克Boussinesq 布辛尼斯克 也译作布辛涅斯克 JosephValentinBoussinesq 1842 1929 法国著名物理学家和数学家 约瑟夫 瓦伦丁 布辛尼斯克于1842年3月13日生于法国Saint Andre de Sangonis 1929年2月19日卒于巴黎 1876年获得博士学位后 先后在多所学校担任数学教师 之后担任里尔理学院 FacultyofSciencesofLille 的微积分教授 Sorb