Глава III. ПОВЕДЕНИЕ СЫПУЧИХ ТЕЛ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВИБРАЦИИ
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
При воздействии вибрации в сыпучих телах происходят превращения, особенности которых обусловливаются интенсивностью вибрации. По мере увеличения интенсивности вибрации, в пределах амплитудных значений ускорений, не превышающих ускорения свободного падения, сыпучее тело приобретает подвижность, псевдотекучесть (см. гл. IV). Такое состояние сыпучего тела принято называть состоянием псевдоожижения. В этом состоянии сцепление между частицами ослабевает, они подходят друг к другу, уменьшается число пор (достигается более плотная укладка
частиц), сыпучее тело уплотняется. Наибольшее уплотнение достигается при амплитудных ускорениях колебаний, близких к ускорениям свободного падения.
При дальнейшем увеличении интенсивности колебаний частицы сыпучего тела начинают терять контакт с вибрирующим рабочим органом, уменьшаются и периодически нарушаются связи между частицами; сыпучее тело переходит как бы в состояние кипения. Это состояние, называемое виброкипением, характеризуется разрыхлением сыпучего тела и усиленной циркуляцией составляющих его частиц. В стадии виброкипения можно выделить два характерных состояния — сегрегации частиц и интенсивного перемешивания. Второй режим виброкипения реализуется при более интенсивных режимах вибрации.
Переход от псевдоожнжения к виброкнпению происходит лнбо при сообщении сыпучему телу ускорений колебаний определенного уровня, либо при достижении определенного энергетического уровня. Первый критерий более применим к грубодисперсным системам, второй — к микрогетерогенным. Переход от состояния псевдосжижения к виброкипению осуществляется, как правило, при ускорениях, превышающих ускорение свободного падения. Критические ускорения и энергозатраты зависят от свойств сыпучего тела, толщины слоя, сил сцепления между частицами и других факторов.
Диссипация энергии в сыпучих телах представляет собой весьма сложное явление. Оно может возникать вследствие трения сухих или смоченных поверхностей частиц друг о друга; сопротивления движению твердых частиц в жидкой или газовой фазе, прохождения жидкой или газовой фазы через поры твердой фазы, необратимых деформаций недостаточно упругих фаз, наличия различных сил сцепления и др. Обычно одновременно действует несколько видов диссипации. Наличие диссипативных сил обусловливает появление нелинейных эффектов в сыпучих телах, подвергающихся виброобработке. На практике сложные виды сопротивлений с достаточной для практических целей точностью обычно сводят к вязким и сухим сопротивлениям.
Протекание массообменных процессов в сыпучих телах в поле вибрационных воздействий при переходе от грубодисперсных систем к высококонцентрированным микрогетерогенным существенно зависит от поверхностных явлений на межфазпой границе и сил сцепления между частицами.
Свойства пространственных структур высококонцентрированных микрогетерогенных сыпучих тел определяются поверхностными явлениями на межфазной границе и типом контактов между частицами твердой фазы. Наименее прочные коагуляционные контакты. Они образуются между частицами твердой фазы, разделенной прослойками жидкой дисперсионной среды. Более прочные контакты имеют структуры с непосредственными точечными взаимодействиями, образующимися обычно в высокодисперсных порошках. Наиболее прочные контакты в конденсационных (кристаллизационных структурах; истинные фазовые контакты образуются после отверждения прослойки между частицами фазы. На поведение мелкодисперсных сыпучих тел большое влияние оказывают также аэро- и гидродинамические сопротивления газовой и жидкой фаз.
Под воздействием вибрации в телах распространяются волны деформации. Монослой, входящий в контакте источником вибрации, получает от него силовые импульсы. От нижнего монослоя импульсы передаются лежащим выше монослоям. Вследствие инерционности, наличия сил трения и необратимых деформаций импульсы по мере передачи их от монослоя к монослою постепенно ослабевают, причем степень их ослабления определяется свойствами среды, а также характером и величиной силовых импульсов. Энергия колебательного движения источника вибрации в процессе прохождения волны затрачивается на ускорение обрабатываемой среды и восполнение потерь при необратимых деформациях.
При виброобработке сыпучих тел наблюдается сдвиг по фазе в перемещении смежных монослоев и при совмещении виброобработки с процессом транспортирования, уменьшение средней скорости перемещения по мере удаления от источника вибрации. В режиме с подбрасыванием с течением времени нижний монослой, передав всю свою кинетическую энергию лежащим выше слоям, начнет обратное движение, хотя верхние монослои могут продолжать перемещаться вверх, В этот момент начинается разрыхление сыпучего тела.
Описанный режим виброобработки, который реализуется лишь при достаточной толщине слоя, характерен тем, что можно выделить две зоны: в зоне, ближайшей к виброизлучателю, имеют место интенсивные колебания сыпучего тела, во второй, удаленной, зоне колебания сглажены, и сыпучее тело находится как бы в состоянии парения.
Сдвиг фаз в перемещении слоя сыпучего тела и рабочего органа может быть весьма значительным. Сдвигом фаз определяются энергозатраты в процессе виброобработки среды и запаздывания моментов отрыва сыпучего тела от вибрирующей поверхности.
Процесс виброобработки мелкодисперсных сыпучих тел в значительной степени формируется под влиянием воздействия газовой или жидкой фазы. Вследствие плохой воздухопроницаемости сыпучее тело оказывается подверженным большим аэродинамическим нагрузкам. Аэродинамические сопротивления возникают в результате того, что между пульсациями давления газовой фазы и движением твердой фазы имеется сдвиг фаз. Вследствие этого возникают аэродинамические силы, препятствующие движению твердой фазы. Так, в пространстве между поверхностью рабочего органа и нижним монослоем сыпучего тела при подбрасывании возникает разрежение, а при падении — повышение давления относительно атмосферного. Уравнивание этих периодических колебаний давления достигается вследствие периодического оттока избыточного и притока недостающего количества воздуха, проходящего через поры, имеющиеся в слое сыпучего тела. Поэтому на частицы мелкодисперсного тела действует пульсирующий аэродинамический напор, направленный с некоторым сдвигом по фазе в основном в сторону, противоположную их перемещению. Аэродинамические силы, действующие на частицы, являются главным образом функцией массы груза, удельной газопроницаемости и зависят от режима колебаний.
При воздействии вибрации на микрогетерогенные высоконаполненные сыпучие тела вследствие наличия значительных сил сцепления между частицами приходится применять значительно более интенсивные режимы колебаний, чем при обработке грубодисперсных сред. Так, для перевода мелкодисперсных сыпучих тел в состояние кипения ускорения колебаний должны в несколько раз превышать ускорения свободного падения; должен также значительно быть увеличен приток энергии.
