Структурно-механические свойства сыпучих материалов

По величине аутогезии и на основе двучленного закона тре-<[ ния можно классифицировать структурно-механические свойтд

ства сыпучих материалов. Взаимодействие между частицами неодинаково: у связнодисперсных систем аутогезия больше мас­сы частиц, что позволяет частицам удерживаться друг относи­тельно друга; для свободнодисперсных сыпучих материалов ауто­гезия незначительна и не оказывает влияния на перемещение частиц внутри материала.

При незначительной аутогезии, когда F_iyT = 0, уравнение (11.15) упрощается и трансформируется в обычный закон трения [формула (11.13)). Подобное состояние характерно для частичек пшена. Для сыпучих материалов, у которых аутогезия значительна, а внешнее давление отсутствует или им можно пренебречь, т.е. Р_вл = 0, в соответствии с уравнением (11.13) можно записать

F^x =\i_oF^N =C. (11.16)

^л отр **Г аут ^аут' ^v '

В этих условиях напряжение сдвига называют сцеплением и обозначают через С_а. Сцепление характеризует прочность сыпучего материала на сдвиг, которая вызвана только аутогезией.

При адгезионном перемещении сыпучего материала, когда отсутствует внешнее давление (Р_ъА = 0), сцепление равно

Для того чтобы уяснить, что такое сцепление, вернемся к рис. 11.7. Прямая 3 определяет зависимость сдвига от нормального давления, когда между частицами и поверхностью превалирует адгезия; эта прямая отсекает на оси ординат отрезок, который численно равен сцеплению С_а.

Подобное рассуждение остается в силе при рассмотрении взаимодействия частиц, т.е. при аутогезии (прямая 2 на рис. 11.7). С_аут будет характеризовать взаимодействие между частицами при аутогезионном перемещении внутри сыпучего материала.

Сыпучие материалы, аутогезия между частицами которых незначительна и не оказывает влияния на их перемещение, а свйзь между сдвигом и давлением определяется законом Амонтона, относятся к свободнодисперсным системам. Связнодисперсные сыпучие материалы подчиняются двучленному закону, а зави­симость между усилием сдвига и внешним давлением характе­ризуется прямой 2 (см. рис. 11.7).

Связнодисперсные системы характеризуются определенным сцеплением, которое вызвано аутогезией (С_ауг). Для таких сис­тем справедлива формула (11.15), а зависимость между усилием сдвига F^х и давлением Р_{в д} аппроксимируется прямой 2 (см. рис. 11.7)!у свободнодисперсных систем аутогезия не проявля­ется, течение их обусловлено только трением и определяется ко­эффициентом внутреннего трения. Для этих систем справедли­вы уравнение (11.13) и прямая 1 (см. рис. 11.7).

Сцепление характеризует затрату внешнего воздействия на преодоление аутогезии. Значения С_т при увеличении влажнос­ти муки высшего сорта с 11,6 до 14,2% возрастают с 1410² до 25-10² Па. В соответствии с условием (11.16) это означает увели­чение аутогезии.

Деление сыпучих материалов на связнодисперсные и свобод-нодисперсные достаточно условно. Одни и те же материалы в различных условиях могут принадлежать либо к одной, либо к другой системе.

Обычно размер частиц связнодисперсных сыпучих материа­лов меньше, чем размер частиц свободнодисперсных. Переход из одной системы в другую зависит от таких факторов, как вла­га, внешнее давление, температура и др.

Медианный диаметр сахаринок лежит в пределах 1—2 мм, т.е. сахар можно отнести к свободнодисперсным системам. Однако повышенная гигроскопич­ность сахара, т.е. его способность поглощать воду, может привести к образованию кристаллических мостиков между сахаринками. В этих условиях сахар становится связнодисперсной системой. Сцепление для сахара С_шут имеющего влажность 0,8%, — менее 1 кПа; небольшое сцепление свидетельствует о том, что сахар занимает промежуточное положение между свободно- и связнодисперсными сыпучими пищевыми массами. Частички сахарной пудры и сахарной пыли, образующейся в производственных условиях, имеют меньшие размеры по сравнению с частицами порошка сахара. В этих условиях подобные системы можно отнести к связнодисперсным.

Некоторые связнодисперсные сыпучие материалы, обладающие повышенной аутогезией, не подчиняются двучленному закону трения. Для подобных материалов соотношение между сопротивлением сдвига и давлением выражается не прямой, а выпуклой кривой линией.

При помощи двучленного закона трения можно определить состояние сыпучих материалов. Прямая 2 на рис. 11.7 является своеобразной разграничительной линией, которая позволяет характеризовать состояние сыпучих материалов. Когда точки, характеризующие зависимость между F^x и Р_вд, находятся ниже этой линии, то сыпучий материал образует одну сплошную мас­су. Внешнее усилие не в состоянии преодолеть аутогезию и тре- | ние. Перемещения частиц внутри сыпучего материала не проис* ходит, что соответствует статическому состоянию этого матери­ала. Зависимость между F]^ и Р_вд, которая выражается прямой 2, соответствует началу течения сыпучего материала. Выше этой | прямой сыпучий материал находится в состоянии движения.

Движение сыпучего материала может быть вызвано внешней силой, направленной тангенциально относительно плоскости пере­мещения F\^ (см. рис. 11.6). Начало движения сыпучего материала и его течение связаны с перемещением одного слоя частиц относи­тельно другого {аутогезионный процесс движения) и относительно твердой поверхности (адгезионный процесс движения). Протекание адгезионного или аутогезионного процесса зависит от соотношения между силами адгезии, аутогезии, внешнего воздействия и трения.

Адгезионное перемещение означает движение сыпучего ма­териала параллельно поверхности по линии АА (см. рис. 11.6, в) и выполняется при условии

(11.18)

С > F^x > С.

Аут отр а

Аутогезионное перемещение осуществляется по линии ББ (см. рис, 11.6, в) при соблюдении следующего неравенства:

С_а>^_тр>С_аут. (11.19)

В условиях (11.18) и (11.19) вместо сил адгезии и аутогезии функционирует сцепление, которое в соответствии с уравнени­ями (11.16) и (11.17) включает в себя параметры не только адге­зии и аутогезии, но и трения.

Если аутогезия и адгезия соизмеримы (прямые 2' и 3' на рис. 11.2) между собой, то возможно смешанное адгезионно-ауто-гезионное перемещение сыпучего материала. Подобное переме­щение наблюдается также на шероховатых поверхностях.

Начало и процесс движения сыпучего материала с учетом ад­гезии, аутогезии и трения характеризуется двучленным законом трения, который можно представить аналитически [см. формулы (11.14) и (11.15)] и графически (см. прямые 2п Зна рис. 11.7).

Движение сыпучей массы можно представить следующим образом. Если аутогезия превышает адгезию, то соблюдается условие (11.18), и в начале движения преодолевается относитель­но слабое адгезионное взаимодействие. Сыпучий материал бу­дет перемещаться по поверхности, что соответствует линии АА на рис. 11.6, в.

Когда адгезия (прямая 3 на рис. 11.7) больше аутогезии (пря­мая 2) и реализуется условие (11.19), то произойдет нарушение более слабой аутогезионной связи, и движение будет происхо­дить, внутри сыпучего материала, т.е. по линии ББ (см. рис. 11.6). На поверхности в результате повышенной адгезии образуется слой прилипших частиц. В случае равенства адгезии и аутогезии воз­можно одновременное перемещение сыпучего материала по по­верхности и относительно прилипшего слоя.

Так, например, для пшеничной муки при движении ее по стальной поверхности прямые 2' и J¹ на рис. 11.7 совпадают. Подобное совпадение означает, что сцепление, вызванное адгезией С_ш и аугогезией С_аут, одно и то же. Условия (11.18) и (11.19) не соблюдаются, и в связи с этим возможен смешанный адгезионно-аутогезионный отрыв и соответствующее перемещение муки. Часть муки может прилипнуть к стальной поверхности, а остальная часть будет свободна. Прилипший слой впоследствии может уплотниться и превратиться в монолит. Это обстоятельство приводит к затруднению движения муки, ухудшает условия истечения ее и может служить одной из причин сводообразования.

Для предотвращения адгезии муки и создания условий движения ее только по поверхности необходимо обеспечить соблюдение неравенства (11.18). Этого можно достигнуть путем снижения адгезии, а следовательно, и сцепления С_а.