Зерновые, семена масличных культур, побочные продукты и заменители имеют определенные физические и механические свойства, и их поведение как сыпучей массы зависит от свободы истечения, размера и формы частиц, плотности, угла естественного откоса, внутреннего и внешнего трения, сцепляемости, влажности, электрического заряда и т. п.
По законам физики, в обычных условиях любое вещество существует в определенном состоянии, например, в газообразном, жидком или твердом. Газообразное состояние не обсуждается в этой главе, однако оно будет рассмотрено в разделе, посвященном взрывам пыли. Ниже перечисляются основные различия между веществом в жидком и твердом состоянии.
1. Статическое давление на жидкость передается одинаково во всех направлениях в отличие от твердого вещества, где давление передается только в одном направлении.
2. В отличие от жидкости твердое вещество оказывает сопротивление поперечной силе при скольжении.
3. При выгрузке на горизонтальную поверхность сыпучая масса образует конус с углом естественного откоса. Жидкость, вылитая на горизонтальную поверхность, образует лужу с углом естественного откоса, равным нулю.
4. Твердое вещество при сжатии сохраняет свою форму и силу сцепления.
Таким образом, основные характеристики массы гранулированного продукта представляют собой сочетание характеристик жидкости и твердого тела, т. е. «полужидкость».
Фактически гранулированные продукты упруги и обладают пластической деформацией. Они, подобно жидкости, приобретают форму емкости, в которой хранятся. Но в то же время гранулированные продукты — твердые вещества, так как образуют угол естественного откоса при высыпании продукта на горизонтальную ровную плоскость. Величина их прочности сцепления располагается между обладающим большей сцепляемостью твердым телом и жидкостью, характеризующейся меньшей сцепляемостью.
При исследовании физико-механических свойств гранулированных сыпучих материалов их представляют как комплекс очень большого числа мелких твердых частиц, которые могут перемещаться относительно друг друга и таким образом образовывать сыпучую массу.
Характер истечения
Идеальный гранулированный сыпучий продукт состоит из круглых или многоугольных, взаимно не связанных частиц, которые перемещаются под влиянием силы тяжести. Этот процесс называют характером истечения продукта.
Наиболее показательным методом иллюстрации этого гравитационного потока является использование прозрачного бункера, в который засыпают различные окрашенные горизонтальные слои одинакового продукта.
Продукты с отличной сыпучестью характеризуются как легкосыпучие, и к ним относятся классические виды зерна — пшеница, кукуруза, семена сои и ячмень.
Сыпучие продукты с менее благоприятным характером истечения называют трудносыпучими; к ним относятся такие, как тапиока, соевый шрот, копра и различные гранулированные сыпучие продукты.
У продуктов, обладающих хорошей сыпучестью, силы притяжения входящих в их состав компонентов незначительны, поэтому сыпучую массу можно легко побуждать к истечению под действием силы тяжести, даже если она была подвергнута уплотнению. При истечении такие материалы разделяются на отдельные частицы. В общем, продукты, обладающие хорошей сыпучестью, представляют мало проблем, связанных с выбором и проектированием разгрузочной системы. У трудносыпучих продуктов силы сцепления между частицами достаточно высоки и препятствуют свободному истечению; при истечении таких продуктов образуются комки. Это сопротивление истечению может привести к многочисленным проблемам, например, проблеме загрузки, закупорки самотеков, сводообразования. Следовательно, свойства истечения продуктов определяют тип системы транспортировки и ее компонентов.
Размер и форма частиц
Истечение сыпучего материала также зависит от вторичной подвижности отдельных частиц в процессе их перемещения.
В этом контексте очень важны форма и размер отдельных частиц и их внутреннее трение. Из-за свободного пространства вокруг частиц правильной формы или скважистости («пустот») их укладка не может быть такой, чтобы между ними образовалась механическая связь, и, следовательно, не может быть препятствий свободному движению какой-либо частицы по отношению к соседним. А между частицами неправильной формы или смесью больших и маленьких частиц (пыль) может быть сцепление, которое, следовательно, оказывает влияние на характер истечения.
Размер частиц сыпучего материала, состоящего из частиц одного размера и правильной формы, легко установить, взяв за основу самый большой линейный размер. Однако нередко частицы, составляющие основную массу сыпучего продукта, отличаются по размеру и форме. Это значительно затрудняет получение одной величины, которая бы описывала размеры частиц. Для частиц неправильной формы длина, толщина и диаметр имеют небольшое значение, так как для каждой частицы можно определить очень много различных величин. Чтобы представить размер частицы неправильной формы одним показателем, наиболее часто используют «средний размер». Однако опыт показал, что частицы различного размера одного продукта, которые имеют одинаковый «средний размер», могут проявлять совершенно различные характеристики при обработке и транспортировке. Имеется много методов определения размеров частиц конкретного продукта. К ним относятся как простой метод механического просеивания, который, вероятно, является наиболее эффективным, так и седиментационные методы и сложные методы оптической микроскопии.
В общем, сыпучие продукты, не содержащие частиц размером менее 0,25 мм, могут рассматриваться как несвязанные, легкосыпучие продукты. Частицы продукта более крупного размера без частиц меньшего размера, действующих в качестве связующих компонентов, имеют тенденцию вести себя пассивно и не создают препятствий. Другими словами, характеристики истечения сыпучего продукта в основном определяются содержанием в нем мелких частиц.
Плотность и объемная плотность
Знание объемной плотности существенно для определения нескольких важных показателей при проектировании системы хранения. Плотность гранулированного продукта представляет собой плотность, определенную без учета влияния любого сжатия продукта. Это положение имеет место, например, при плотной укладке гранулированного продукта в небольшом контейнере. Очевидно, что объемная плотность зависит от состояния материала, т. е. плотности частиц, формы частиц и от укладки или расположения частиц относительно друг друга. Однако со временем в результате переориентации или оседания воздух выходит из сыпучей массы, уменьшается объем, занимаемый данной массой, и увеличивается объемная плотность. Ее величина может быть на 20 % больше, чем обычная плотность.
Для определения объемной плотности известное количество продукта осторожно насыпают в мерный цилиндр и измеряют объем. Это будет объемная плотность сыпучего продукта в разрыхленном состоянии. Если постучать основанием цилиндра по столу 12 раз, то можно получить объемную плотность осевшей сыпучей массы путем деления массы образца на новый объем. Увеличение плотности укладки продукта обычно снижает способность продукта к истечению. При проектировании силосов необходимо учитывать эту повышенную объемную плотность; «средняя плотность» представляет собой величину между максимальной плотностью в нижнем слое и минимальной плотностью в верхнем слое.
Угол естественного откоса
При истечении гранулированного продукта через небольшое отверстие на ровную горизонтальную поверхность он будет накапливаться в виде конуса. Угол между горизонталью и образующей этого конуса называют углом естественного откоса. Каждый продукт имеет свой угол естественного откоса, например, пшеница — 25°, овес — 27°, кукуруза — 27° и ячмень — 28°.
Угол естественного откоса — полезный показатель способности продукта к истечению; обычно чем меньше угол естественного откоса, тем легче истечение продукта. Необходимо учитывать, что, хотя угол естественного откоса не является основным свойством сыпучего продукта с точки зрения его способности к истечению, он служит характеристикой продукта, используемой при проектировании системы хранения. Можно принимать во внимание следующие величины угла естественного откоса (град):
|
очень сыпучий продукт |
25—30 |
|
сыпучий продукт |
30—38 |
|
достаточно сыпучий продукт |
38—45 |
|
связанный или трудносыпучий продукт |
45—55 |
|
очень связанный продукт, более |
55 |
Практика показывает, что при заполнении силоса на угол естественного откоса также влияют высота падения материала, скорость заполнения и производительность заполнения. Угол естественного откоса определенного продукта приблизительно равен минимальному углу внутреннего трения этого продукта.
Трение продукта (внутреннее и внешнее)
Различают два вида трения, а именно: внешнее трение, которое представляет собой трение зерна о стены силоса, и внутреннее трение — трение зерен друг о друга.
Продукты, обладающие плохой сыпучестью, характеризуются более высоким коэффициентом внутреннего трения и более сильным сцеплением, чем продукты с хорошей сыпучестью.
Точные величины коэффициентов трения о стены и внутреннего трения определенного продукта могут быть получены экспериментальным путем в специализированных лабораториях. Для большинства обычных продуктов эти данные можно найти в специальных публикациях и стандартах, но для редко встречающихся продуктов необходимо проводить тщательные предварительные лабораторные опыты.
Влажность
Частицы гигроскопичных продуктов любую влагу будут поглощать до тех пор, пока не наступит определенное состояние, при котором дальнейшее поглощение невозможно (слеживание).
Влага в этой форме не способствует сцепляемости частиц продукта. У негигроскопичных продуктов любая влага будет находиться на поверхности частиц, что может вызвать их сцепление (свободная или поверхностная влага).
Электростатический заряд
В результате пневматической или механической транспортировки возможно накопление на частицах электростатического заряда. Опыт показал, что такой заряд может резко изменить характер истечения продукта, обладающего хорошей сыпучестью.
Лабораторные испытания
Для выяснения свойств нового и неизвестного сыпучего продукта с конечной целью разработки удовлетворительной системы его транспортировки и хранения разумно проанализировать сначала его текучесть и определить характеристики частиц и сыпучей массы.
Имеются специализированные лаборатории, выполняющие такие анализы. Исследователь выбирает параметры испытаний так, чтобы получить критические условия истечения. Он основывает свой выбор на прошлом опыте и проводит испытания по нескольким параметрам, позволяющим смоделировать такие условия.