IDEAL BULK MATERIAL IDEÁLNÍ SYPKÁ HMOTA
Transkript
IDEAL BULK MATERIAL IDEÁLNÍ SYPKÁ HMOTA
The International Journal of TRANSPORT & LOGISTICS Medzinarodny časopis DOPRAVA A LOGISTIKA UDC:622.647 IDEAL BULK MATERIAL IDEÁLNÍ SYPKÁ HMOTA Jiří ZEGZULKA, Roman HRADIL VSB -Technical University Ostrava Czech Republic Abstract: In technical practice, in applications concerning bulk solids, all skills are concentrated on optimising the structure from the viewpoint of geometric shapes, angles of wall inclinations and a choice of ideal contact materials. Particularly, not last it is the measurement of angle of internal friction and angle of external friction, these values are determined depending on pressure, time, humidity, temperature and many other physical effects. This procedure is very demanding both from the viewpoint of finances and time. Other disciplines dealing with liquids and solid substances, e.g. the hydraulics and theory of elasticity and strength are based on definition of ideal material and the theory is compared with results from experiments with ideal material. In the field of granular (particulate) solids this procedure is not applied and it is not described in detail even in available literature. The paper specifies an ideal granular material from the viewpoint of mechanical-physical properties to apply this mathematical and also physical model of material to examine the technical application in the field of processing engineering, conveyance and preparation plants in all industrial sectors. The model application will allow to find out hidden structural errors in designing the equipment operating with bulk solids. Thus it is possible to save the sufficient finances because according to literature up to 40% of so far produced devices do not operate in this field. Resume: V technické praxi je všechen um soustředěn na optimalizaci konstrukce z hlediska geometrických tvarů, úhlů sklonu stěn, volby ideálních kontaktních materiálů. V neposlední řadě je to proměřování úhlu vnitřního tření a úhlu vnějšího tření, tyto hodnoty se hledají v závislosti na tlaku, čase, vlhkosti, teplotě a řadě dalších fyzikálních vlivů. Tento postup je časově i finančně velmi náročný. Ostatní obory zabývající se tekutinou a pevnou hmotou, např.hydraulika a nauka o pružnosti a pevnosti vychází z definice ideálního materiálu a teorii srovnávají s výsledky experimentu s ideálním materiálem. V oblasti granulárních (partikulárních, sypkých) hmot tento postup není aplikován a ani v dostupné literatuře blíže specifikován. V příspěvku je specifikována ideální granulární hmota z hlediska mechanicko-fyzikálních vlastností tak, aby bylo možno tento matematický a taktéž fyzikální model hmoty aplikovat na kontrolu technických aplikací v oblasti procesního inženýrství, dopravy a úpravnictví ve všech odvětvích průmyslu. Aplikace modelu umožní odhalení skrytých konstrukčních chyb při návrhu zařízení pracujících se sypkými hmotami. Je možné tak ušetřit značné prostředky, neboť podle literárních pramenů nepracuje v těchto oblastech až 40% všech dosud vyrobených zařízení. 11 T&L - 02/02 J. Zegzulka, R. Hradil, IDEAL BULK MATERIJAL… 1. INTRODUCTION 1. ÚVOD In bibliography one may find various interpretation for the definition of bulk material and the mass model in general. There does not exist an uniform interpretation of construction and definition of model properties, the individual applied science disciplines on their application models highlight properties known from the field of their own interest. So, somewhere an attention is paid purposefully to humid cohesive materials, elsewhere to materials with nonspherical grain, and in other fields to inhomogeneous mixtures of particles with various properties. Seemingly, the easier situation is in the field of materials with angles of internal friction approaching to zero (perfect liquids) and materials with angles of internal friction approaching to 90°. V literatuře je možné najít různé interpretace pojmu model sypké hmoty a obecně model hmoty. Neexistuje jednotná interpretace stavby a definice vlastností modelu, jednotlivé aplikační vědní obory na svých aplikačních modelech zvýrazňují vlastnosti známé z oblasti svých vlastních zájmů. Tak je někde pozornost zaměřena účelově na vlhké kohézní hmoty, jinde na hmoty s nekulovitými zrny, jinde na nehomogenní směsi částic různých vlastností. Zdánlivě jednodušší situace je v oblasti hmot s úhly vnitřního tření blížícími se nule (dokonale tekutiny) a hmot s úhlem vnitřního tření blížící se 90°. V oblasti sypkých hmot je historie spojená s hledáním modelů v obou okrajových oblastech, v oblasti hmot s úhlem vnitřního tření blížící se nule. Jedná se například o model dokonalé tekuté hmoty vyjádřené matematickým modelem – potenciální proudění [10]. Aplikovatelnost tohoto modelu v praxi je popsána v [9], je velmi omezená na granulární hmoty s velmi nízkým úhlem vnitřního tření. Druhou okrajovou možností je aplikace modelu s úhlem vnitřního tření blížícím se 90° a pak jsou aplikovatelné s velkou úspěšností modely známé z nauky o pružnosti a pevnosti vyjadřující stav napjatosti [5,6]. Od samého počátku zájmu o výzkum granulárních hmot jsou známy i pokusy o popsání skutečné struktury granulární hmoty v její bohaté proměnnosti [8]. V [11] vytvořil Kvapil představu fyzikálního modelu granulární hmoty tvořené jemnozrným drceným mramorem, který splňoval řadu očekávání vyplývajících z teorie, především pro suché sypké jemnozrné hmoty. V [5] popisuje podrobně a srozumitelně Schwedes modelové vlastnosti granulárních hmot pomocí tokových funkcí podle Jenikeho, což má patrně prozatím ze známých teorií nejhlubší popisnou informační hodnotu pro jednotlivé průmyslové aplikace. In the field of bulk solids the history is associated with investigating models in both boundary areas, in the field of solids with angle of internal friction approaching to zero. It is, for example, a model of perfect liquid material expressed by mathematical model – potential flowing [10]. The applicability of this model in practice is described in [9], it is very limited to granular materials with a very low angle of internal friction. The other boundary possibility is the application of model with angle of internal friction approaching to 90° and then there are successfully applied models known from the theory of elasticity expressing the state of stress [5,6]. Since the early beginnings of interest into research of granular materials there have been known also attempts to describe real structures of granular materials in its rich diversity [8]. In [11] Kvapil presented an idea of physical model of granular material consisting of fine grain crushed marble which met many expectations resulting from the theory, primarily for very fine grain size materials. In [5] Schwedes describes understandable model properties of granular materials by means of flow functions according to Jennike which has apparently the most thorough descriptive information value so far from the known theories for individual industrial applications. V [6] jsou popsány obecné nároky na model sypké hmoty jako jsou časová determinovanost, kausalita, objektivita, nezávislost na souřadnicovém systému, nezávislost fyzikálních proměnných, přípustnost platnosti z hlediska základních zákonů fyziky atd. In [6] there are described general demands for a model of particulate materials, such as time determination, causality, objectivity, independence on the coordinate system, independence of physical variables, permissible validity from the viewpoint of general laws of physics, etc. Nicméně definice ideální sypké hmoty s jejím matematickým popisem a fyzikální realizací v dostupné literatuře popsán není. Takový model by umožňoval jednoduchou vstupní kontrolu navrženého inženýrského díla. Pokud by dílo nepracovalo plně s aplikací této modelové sypké hmoty nemohlo by uspokojivě pracovat ani se skutečnou sypkou hmotou. However, the definition of ideal bulk material with its mathematical description and physical realisation is not described in available literature. Such a model would permit a simple initial examination of the designed engineering work. Should the work fail to work fully with the application of this model 12 T&L - 02/02 J. Zegzulka, R. Hradil, IDEAL BULK MATERIJAL… Projevy všech známých i dosud neznámých zákonitostí toku se budou projevovat s touto hmotou ideálně a vyváženě. Stavba vědy o pohybu granulárních hmot by se tak přiblížila standardům známým z okrajových oblasti stavby hmot, tekutinám (vnitřní tření se blíží 0°) a pevných hmotám (vnitřní tření se blíží 90°). particulate material, it would be incapable to work satisfactorily with the real particulate material. Demonstrations of all known and so far unknown laws of flow would appear ideal and balanced with this material. Then the construction of science of movement of granular materials would approach standards known from boundary fields of the construction of materials, liquids (the internal friction is close to 0°) and solid materials (the internal friction is close to 90°). Specifikací dílčích ztrátových prací v rámci modelu ideální sypké hmoty se dají specifikovat jednotlivé ztrátové práce vztahující se na příslušnou sypkou hmotu a tím zvýraznit vliv dílčích ztrátových prací na charakter toku granulárních hmot. Specifikace dílčích ztrátových prací je podrobně popsána Tomasem v [12]. By specification of partial lost works within the model of ideal bulk material one may specify individual lost works relating to the relevant bulk material, thereby highlighting the effect of partial lost works on a character of flow of granular substances. The specification of partial lost works has been described in detail by Tomas in [12]. V dalším je navržen matematický model ideální sypké hmoty a její fyzikální realizace. A mathematical model of ideal bulk material and its physical realisation is suggested below. 2. IDEÁLNÍ SYPKÁ HMOTA – DEFINICE 2. IDEAL BULK MATERIAL - DEFINITION Práce na modelu vycházela z předpokladu, že existuje sypká hmota s ideálními vlastnostmi pro kterou se uplatňují všechny triviální mechanismy toku postupně. Může být brána jako hmota s výchozími mechanicko-fyzikálními parametry pro které musí navržené inženýreské dílo pracovat, protože pro každou jinou sypkou hmotu bude mít zařízení pro práci horší výchozí podmínky. Kontrola funkčnosti díla aplikací fyzikálního modelu ideální sypké hmoty ukáže pak jednoznačně na slabá místa projektu. The work on model was based on assumptions that there exists a bulk material with ideal properties for which all trivial mechanisms of flows are incrementally applied. It may be taken as the mass with initial mechanicalphysical parameters for which the designed engineering work must work, because for any other bulk material the equipment will have the worse initial conditions for work. Then the examination of functionality of the work by application of physical model of ideal bulk material will show unambiguously any weak points of the project. Model ideální sypké hmoty navržené v tomto příspěvku vychází ze skutečnosti, že hmoty se při pohybu v podstatě vzájemně liší mírou vnitřní ztrátové práce potřebné pro přemísťování částic uvnitř hmoty. Jako míra vnitřní ztrátové práce se bere jednak hodnota koeficientu úhlu vnitřního tření, dále pak hodnota koeficientu určujícího úměru mezi dvěma hlavními směry napětí, to je koeficientu sypnosti. A model of ideal bulk material suggested in this paper is based on the fact that in principle the substances in movement differ from each other by a rate of internal lost work needed for dislocation of particles inside the material. The value of coefficient of angle internal friction is assumed as a rate of internal lost work and further the value of coefficient determining the proportion between principal orientation of stress, i.e. the coefficient of repose. Součin těchto dvou základních veličin, ať už jejich definice vychází z jakékoli teorie je invariantní vůči ostatním veličinám pro konkrétní granulární hmotu a mechanismus toku. The product of these two general quantities, regardless on theory on which its definition is based, is invariant against other quantities for the particular granular materials and flow mechanism. DEFINITION OF IDEAL BULK MATERIAL DEFINICE IDEÁLNÍ SYPKÉ HMOTY : Definition Definice : An ideal bulk material is bulk solid with a constant angle of internal friction in rest with complete volume of granular substance. Ideální sypkou hmotou je sypká hmota s konstantním úhlem vnitřního tření za klidu v celém objemu granulární látky. 13 T&L - 02/02 J. Zegzulka, R. Hradil, IDEAL BULK MATERIJAL… Úhel vnitřního tření je pro ideální sypkou hmotu invariantní oproti všem vnějším i vnitřním vlivům a zachovává si svou konstantní hodnotu bez ohledu na další fyzikální a chemické veličiny, především výšku sloupce materiálu, tlaku a času, povrchové aktivitě částic. Důsledkem pak je také, že úhel svahu je pro ideální sypkou hmotu zároveň úhlem vnitřního tření a je také konstantní. The angle of internal friction is invariant for ideal bulk material against all external and internal effects and it keeps its constant value regardless to other physical and chemical quantities, primarily the height of material column, pressure and time, surface activities of particle. Then it also results that the angle of inclination for ideal bulk material is simultaneously the angle of internal friction and it is constant as well as. 3. MATHEMATICAL ANALYSIS OF PROBLEM 3. MATEMATICKÁ ANALÝZA PROBLEMATIKY From equations for calculation of internal lost work for determination of size of flow profiles [1,2,3,4] and also from the equations by Janssen [14] it is shown that a rate of internal lost work is given by the product of coefficient of angle of internal friction and coefficient of repose. The mathematical analysis of problem is presented below and it is searched a physical interpretation and physical realisation of a model of ideal bulk material. V rovnicích pro výpočet vnitřní ztrátové práce pro určení velikosti tokových profilů v [1,2,3,4] i Jansenově rovnici [14] pro průběh horizontálního tlaku vychází, že míra vnitřní ztrátové práce je dána součinem koeficientu úhlu vnitřního tření a koeficientu sypnosti. V dalším je provedena matematická analýza problematiky a hledána fyzikální interpretace a fyzikální realizace modelu ideální sypké hmoty. 3.1 Analysis of the product k.f 3.1 ANALÝZA SOUČINU K.F Initial equation: Výchozí rovnice : F( φ ) 1 1 sin ( φ ) . sin ( φ ) tan ( φ ) F( φ ) 1 1 Calculation of the first derivation of function: p d Derivation 1 ( φ ) F( φ ) dφ 2 . sin ( φ ) Derivation 1 ( φ ) 2 . sin ( φ ) 2 tan ( φ ) d F( φ ) sin ( φ ) Po derivaci: p Derivation 1 ( φ ) 1 cos ( φ ) sin ( φ ) . dφ 2 . sin ( φ ) Derivation 1 ( φ ) 2 2 . sin ( φ ) 2 Calculation of extreme of the first derivation : Výpočet extrému první derivace : Derivation 1 ( φ ) 0 2 . sin ( φ ) 1 Derivation 1 ( φ ) 0 2 . sin ( φ ) 1 2 2 . sin ( φ ) cos ( φ ) 2 0 2 2 . sin ( φ ) cos ( φ ) 2 0 Extremes of the first derivation of function : Extrémy první derivace funkce : φ extreme 30 . deg φ extreme 30 . deg Calculation of the second derivation of function: Výpočet druhé derivace funkce : Derivation 2 ( φ ) d 2 dφ2 F( φ ) Derivation 2 ( φ ) 14 d 2 dφ2 F( φ ) 1 cos ( φ ) 2 T&L - 02/02 J. Zegzulka, R. Hradil, IDEAL BULK MATERIJAL… Derivation 2 ( φ ) 2 . 5 12 . sin ( φ ) 11 . cos ( φ ) cos ( φ ) Determination of quality of extreme: Derivation 2 φ extreme 0.77 Derivation Function course Průběh funkce 30 0.1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 cos ( φ ) 2 φ extreme 4 12 3.2 FYZIKÁLNÍ REALIZACE IDEÁLNÍ SYPKÉ HMOTY A JEJÍ TECHNICKÁ INTERPRETACE First derivation První derivace 0.7 Second derivation Druhá derivace 0 0.8 30 0.4 1.6 0.1 2.4 0.2 3.2 0.5 0.77 φ := 0 ⋅ deg, 0.1 ⋅ deg ..180 ⋅ deg 1 0.3 2 Find (φ) = 89.748 ⋅ deg > 0 jde o lokální maximum, 3.2. Geometric course of function nd its first and second derivations 0 5 . sin ( φ ) . cos ( φ ) Určení kvality extrému: Quality of the extreme is less then 0, this is local maximum. 0.2 2 4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Fig. 1 Graphic representation of the product k.f as function of angle of internal friction and the course of its first and second derivation Obr. 1 Grafický průběh součinu k.f jako funkce úhlu vnitřního tření a průběh jeho první a druhé derivace 3.3 Physical realisation of ideal bulk material and its technical interpretation 3.3 FYZIKÁLNÍ REALIZACE IDEÁLNÍ SYPKÉ HMOTY A JEJÍ TECHNICKÁ INTERPRETACE. The objective of measurement is based on assumptions that the model mass has the angle of internal friction independent on material column and it is identical at all places, independent on other properties, such as the mass structure. The bulk material consisting of balls complies with such assumptions. Then the angle of internal friction depends on geometric parameters of the mass construction. The arrangement of particles in space and the mechanism of movement of particle when changing its position against other particles are dominant effects pre-determining the mechanism of flow, thus the energy demands for flow and thus its rate which is called the angle of internal friction. The angle of mass inclination consisting of balls is 30°. Záměr měření vychází z předpokladu, že modelová hmota má úhel vnitřního tření nezávislý na sloupci materiálu a je ve všech místech stejný, nezávislý na jiných vlastnostech, jako je například stavby hmoty. Těmto předpokladům vyhovuje sypká hmota tvořená kuličkami. Úhel vnitřního tření pak závisí na geometrických parametrech stavby hmoty. Uspořádání částic v prostoru a mechanismu pohybu částice při změně její polohy vůči ostatním částicím jsou dominantní vlivy předurčující mechanismus toku, tím energetickou náročnost toku a tím i její míru, kterou nazýváme úhlem vnitřního tření. Úhel svahu hmoty tvořené kuličkami je 30°. 4. CONCLUSION 4. ZÁVĚR The paper describes a proposal of a model of granular material in a way to comply with descriptive equations presenting a state of granular material and, in addition, V příspěvku je předložen návrh modelu granulární hmoty tak, aby vyhovoval popisným rovnicím popisujícím stav granulární hmoty mimo jiné pro dvě 15 T&L - 02/02 J. Zegzulka, R. Hradil, IDEAL BULK MATERIJAL… for two boundary conditions. The first boundary condition is limitation of model by value of 0° for ideal liquid and 90° for ideal solid material. The presented physical model of granular material meets both conditions. okrajové podmínky. První okrajovou podmínkou je omezení modelu hodnotou 0° pro ideální tekutinu a 90° pro ideální pevnou hmotu. Oběma podmínkám předložený fyzikální model granulární hmoty vyhovuje. Further, model granular material does not change the angle of internal friction in dependence on pressure by virtue of which the angle of heap is simultaneously the angle of internal friction. The experiment has evidently proved this property of model granular material. Dále modelová granulární hmota nemění úhel vnitřního tření v závislosti na tlaku, důsledkem čehož je, že úhel hromady je zároveň úhlem vnitřního tření. Tuto vlastnost modelové granulární hmoty experiment plně prokázal. V podstatě se dá tvrdit, že každé zařízení je potřeba testovat na tuto ideální sypkou hmotu a pokud se prokáže, že inženýrské dílo je s takovou hmotou plně funkční, je naděje na funkci v praktické aplikaci, pokud jsou při návrhu zařízení respektovány vlastnosti toku granulárních hmot. In general, it may be stated that every equipment must be tested for this ideal bulk material and if it is proved that the engineering work is fully functional with such a material, this equipment may operate in practice provided that in designing the equipment there have been respected flow properties of granular materials. Modelová hmota je tvořena částicemi o tvaru ideálních koulí, je nestlačitelná, bez koheze s úhlem vnitřního tření 30°, hodnota 30° je zároveň úhlem hromady této granulární (sypké) hmoty. The model material consists of particles with shapes of ideal balls, it cannot be compressed, there is no cohesion with the angle of internal friction of 30°, the value of 30° is simultaneously the angle of heap of this granular (bulk) material. Model ideální sypké hmoty umožňuje : The model of ideal bulk material enables to gain : - Idea on mass construction (ideal liquid, ideal solid material) Estimation of construction against invariant quantity It is possible to verify equations describing the behaviour of bulk materials for stable flex point Potential prognosis on behaviour of real substances Simple physical modelling and revision of models of technical projects Additional ideas on construction of granular materials. - představu o stavbě hmoty (ideální tekutina, ideální pevná hmota) posouzení konstrukce vůči invariantní veličině nabízí možnost verifikace rovnic popisujících chování sypkých hmot pro stabilní flexní bod možnost prognózy chování skutečných látek jednoduché fyzikální modelování a revize modelů technických projektů doplnění představ o stavbě granulárních hmot PRÁCE BYLA VYKONÁNA ČÁSTEČNĚ V RÁMCI ŘEŠENÍ GRANTU LN00B029 „MATERIÁLOVĚ TECHNOLOGICKÉ VÝZKUMNÉ CENTRUM“, VŠB – TU OSTRAVA. ČÁSTEČNĚ S PODPOROU FIRMY SM–ENGINEERING S.R.O., ČESKÁ REPUBLIKA THE RESULT OF THE PROJECT LN00B029 „MATERIAL TECHNOLOGICAL RESEARCH CENTRE“, VŠB – TU OSTRAVA WERE SUPPLIED WITH SUBVENTION BY THE MINISTRY OF EDUCATION OF CZECH REPUBLIC Applied designation P OUŽITÉ OZNAČOVÁNÍ k – coefficient of repose φ - angle of internal friction k - koeficient sypnosti φ - úhel vnitřního tření 16 T&L - 02/02 J. Zegzulka, R. Hradil, IDEAL BULK MATERIJAL… REFERENCES / LITERATURA [1]. Zegzulka J.: VLIV MECHANICKO-FYZIKÁLNÍCH VLASTNOSTÍ SYPKÝCH HMOT NA KONSTRUKCI DOPRAVNÍCH, ÚPRAVNICKÝCH A SKLADOVACÍCH ZAŘÍZENÍ (THE EFFECT OF MECHANICAL-PHYSICAL PROPERTIES OF BULK SOLIDS ON DESIGN OF CONVEYANCE, PREPARATION AND STORAGE EQUIPMENT), Second Doctorate Work, TU Ostrava, May 1999. [2] Zegzulka J.: VELOCITY ISOLINES IN A FLOW OF BULK MATERIALS, Chisa 96, Praha, p.1-19. [3] Zegzulka J., Polák J.: THE EFFECT OF PRESSURE BEHAVIOUR IN BULK SOLIDS ON FLOW PROFILES, Partec 98, Nürnberg, p. 286 - 295. [4] Zegzulka J.: PŘÍSPĚVEK K URČENÍ VLIVU TOKU SYPKÝCH HMOT NA KONSTRUKCI DOPRAVNÍCH A ÚPRAVNICKÝCH ZAŘÍZENÍ (THE CONTRIBUTION TO DETERMINATION OF EFFECT OF FLOW OF BULK SOLIDS ON DESIGN OF CONVEYANCE AND PREPARATION EQUIPMENT), Dissertation work, Ostrava 1992. [5] Schwedes, J. :LAGERN UND FLIEßEN VON SCHÜTTGÜTERN, Hochschulkurs TU CaroloWilhelmina zu Braunschweig, Braunschweig, April 1992. [6] Höhl H.W.: BERECHNUNG DES VERFORMUNGSVERHALTENS KOHÄSIVER SCHÜTTGÜTER MIT DER FINITE-ELEMENTE-METHODE, Fakultät für Maschinenbau und Elektrotechnik der technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Dissertation, 1988, p.68-74 [7] Wilms H.: SPANUNGSBERECHNUNG IN SILOS MIT DER CHARAKTERISTIKENMETHODE, Fakultät für Maschinenbau und Elektrotechnik der technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Dissertation, 1983, p.115-117. [8] Luegers, O.: LEXIKON DER GESAMTEN TECHNIK, Deutsche Verlag-Anstalt Stuttgart, Leipzig, Berlin, Wien, 1882, Zweiter Band, S.509-543. [9] Ganiev, L.B.:Dviženie sypučich materialov v trubach i bunkerach, Mašinostrojenie, Moskva 1968 [10] Noskievič, J.: POTENCIÁLNÍ PROUDĚNÍ (POTENTIAL FLOWING), VŠB Ostrava, 1984, p.22-25 [11] Kvapil, R. :THEORIE TOKU SYPKÝCH A BALVANITÝCH HMOT V ZÁSOBNÍCÍCH (THEORY OF FLOW OF BULK AND BOULDER MATERIALS IN BUNKERS), SNTL, Praha 1955 [12] Tomas J.: MODELLIERUNG DES FLIEßVERHALTENS VON SCHÜTTGÜTERN AUF DER GRUNDLAGE DER WECHSELWIRKUNGSKRÄFTE ZWISCHEN DEN PARTIKELN UND ANWENDUNG BEI DER AUSLEGUNG VON BUNKERN, Bergakademie Freiberg , 1991 [13] Janssen, H.A.:VERSUCHE ÜBER GETREIDEDRUCK IN SILOZELLEN, Ing.39, 1885, S. 1045-1049. 17