Mechanika sypkých hmot - skladování sypkých hmot v silech

Problémům skladování sypkých hmot v zásobnících a silech se můžeme vyhnout, pokud budeme projektovat a navrhovat daná zařízení s ohledem na tokové vlastnosti sypkých hmot, které skladujeme.

Předmětem této prezentace je popis některých důležitých veličin, které jsou nutné pro výpočet stanovení tokových vlastností. Není zde podrobné vysvětlování teorie sypkých hmot, ukážeme si však na některé důležité skutečnosti, na které nesmíme zapomenout.

Jednotlivé mechanicko - fyzikální vlastnosti sypkých hmot jako např. hodnota úhlu vnitřního a vnějšího tření, hodnota počátečního smykového napětí, úhel sklonu stěn zásobníků atd., mají vliv na tvar zásobního sila, což úzce souvisí se vznikem netekoucího materiálu.

Na daných obrázcích vidíme problémy, ke kterým může docházet v technologii dopravy sypkých hmot.

zvětšit
obr. 1

Na daném obrázku vidíme mechanické obouchávání výsypné části svodu.

materiál: energosádrovec
zvětšit
obr. 2

Obouchávání výsypné části zásobníku i přes aplikaci vibrátorů

materiál: suché maltové směsi
zvětšit
obr. 3

Na obrázku vidíme probouchaný výsyp cyklónu i přes aplikaci vibračních kladiv

zvětšit
obr. 4

Probouchaný výsypný díl nad spodním pneumatickým vykladačem.


Definice jednotlivých veličin

  • Úhel vnějšího tření

    vyjádřuje velikost tření mezi částicemi materiálu a kontaktním povrchem skladovacího zařízení (zásobního sila).
    (Úhel vnějšího tření φx jako funkce tlakového napětí σx mezi sypkou hmotou a stěnou)
  • Úhel vnitřního tření

    reprezentuje velikost tření, mezi vlastními částicemi materiálu.
    (Úhel vnitřního tření φi sypké hmoty při počátku toku jako funkce hlavního napětí σ1 (nebo jako funkce odpovídající měrné hmotnosti ςb)
    (Efektivní úhel vnitřního tření φe sypké hmoty při stacionárním toku jako funkce hlavního napětí σ1 )
  • Tlaková pevnost materiálu

    hlavní napětí při jednoosém stavu napjatosti.
    (Tlaková pevnost σc sypké hmoty jako funkce velikosti hlavního napětí σ1 v sypké hmotě)
  • Sypná hmotnost sypké hmoty

    ςb jako funkce velikosti hlavního napětí σ1 v sypké hmotě.
    Poznámka: Pro vyjádření stavu napjatosti v souřadnicích σ - τ v grafické podobě je používána Mohrova kružnice stavu napjatosti, pomocí které se stanovuje σ1
  • Počáteční smykové napětí

    napětí vymezené lineární tokovou čarou granulární hmoty.

Mechanismy toku v zásobnících a silech - tokové profily

Tlakové poměry ve skladovacích zařízeních sypkých hmot při vysypávání sypké hmoty jsou složité a z toho vyplývá, že i tokové poměry jsou neobyčejně komplikované. Existuje mnoho mechanismů toku, podívejme na dva základní mechanismy toku sypké hmoty. V praxi pozorujeme dva rozdílné modely toku sypké hmoty při vyprazdňování sila. Je to hmotový a jádrový tok.

zvětšit

Hmotový tok sypké hmoty

je charakterizován tím, že vrstvy materiálu odtékají v pořadí nasypávání viz obrázek č. 5a

Hmotový tok

Při otevření výsypného otvoru se veškerý materiál uvede do pohybu a začne klouzat po stěnách. Tyto zásobní sila se vyznačují poměrně strmými a hladkými stěnami výsypky, kdy sklon stěn výsypky od vertikální stěny Θ, je v rozmezí 15o až 25o. Pokud je stěna sila příliš rovná nebo drsná objeví se zde jádrový tok.

zvětšit

Jádrový tok

Jádrový tok sypké hmoty je charakterizován tím, že první nasypaná vrstva sypké hmoty odtéká ze zásobního sila jako poslední a tok probíhá především v oblasti nad výpustným otvorem viz obrázek č. 5b.

V případě jádrového toku je první v pohybu sypká hmota, která je umístěna více nebo méně nad výpustným otvorem. Sypká hmota přiléhající na stěny sila zůstává v klidu a nazýváme ji mrtvou nebo nepohybující se zónou. Sypká hmota přiléhající na stěny sila se uvede do pohybu teprve až se k ní přiblíží hladina. Částice sypké hmoty sklouznou po povrchu do středu zásobního sila a pak tekoucím jádrem se dostanou do výsypného otvoru.

Stává se, že tuto tzv. mrtvou zónu uvolníme až po úplném vyprázdnění sila. Mrtvá zóna může dosáhnout hladiny plnění. Zásobní sila s tímto jádrovým tokem mají značné nevýhody. Může zde docházet k velké segregaci při vysypávání. Nevyprazdňuje - li se celé zásobní silo během provozu, stává se, že některé přiléhající vrstvy materiálu v mrtvé zóně se mohou spéci, případně znehodnotit. U těchto zásobních sil lze výpočtem stanovit velikost výpustného otvoru, aby nedocházelo ke tvorbě klenby, nebo ke vzniku tzv. středního tunelu. V praxi se většinou stává, že jsou velikosti výpustných otvorů u zásobních sil s jádrovým tokem poddimenzovány. Toto je příčinou mnoha kleneb a jejich zhroucení působí velké rázy v zásobních silech, což je důsledkem mnoha havárií. I přes nevýhody, které zde byly popsány, se tyto zásobní sila v průmyslu nejvíce vyskytují.

Problémy toku

Typickými problémy, které se mohou vyskytnout při manipulaci se soudržnými sypkými materiály jsou následující:

zvětšit

Klenba

ve většině případů se vytvoří klenba u výsypného otvoru výsypky. Klenba má tu vlastnost, že vlastní váhu sypkého materiálu přenáší do stěn výsypky a žádnou sílu nepřenáší do spodních vrstev. Pokud je klenba pevná a ustálená nad výsypným otvorem, potom je zastaveno vysypávání sypké hmoty. Tuto situaci můžeme pozorovat na obrázku čís. 6a. V případě dobře zrnitého materiálu, tj. kohezivní sypké hmoty, je oblast klenby pevnější. Je to způsobeno adhezivní silou mezi částicemi. Vzniku klenby můžeme předcházet dostatečně velkým výpustným otvorem.

zvětšit

Netekoucí materiál na stěnách případně vznik středního tunelu

pokud sypká hmota přiléhající na stěny sila zůstává v klidu, vznikne mrtvá zóna. Sypká hmota přiléhající na stěny sila se uvede do pohybu teprve až se k ní přiblíží hladina. Tento typický jádrový tok se může vyvinout až v tok tzv. středního tunelu. Danou situaci můžeme pozorovat na obrázku čís. 6b. Soudržnost sypké hmoty může dorůstat se vzrůstající periodou skladování, kdy je sypká hmota v klidu.

Nepravidelný tok

vyskytuje se při vzniku klenby, středního tunelu a sesouvání materiálu v zásobním sile střídavě. V případě výskytu jemně zrnité sypké hmoty, můžeme aplikovat technologii pročeřování - fluidizace. Načeřený materiál „vytéká“ z otevřeného výsypného otvoru. Toto čeření je ale příčinou zvětšení prachových podílů, kdy je nutno správně dimenzovat přídavné filtrační zařízení. Stává se, že zvýšenými prachovými podíly někdy nepravidelný tok i způsobíme.

Delší doba skladování - rozdělení materiálu

pokud se vyskytne mrtvá zóna (střední tunel), sypká hmota v této zóně je vysypávána pouze pokud je silo kompletně vyprázdněno. Sypká hmota, která byla naplněna později je v případě jádrového toku vysypávána jako první - dříve. V tomto případě, je otázka doby skladování velice důležitá a to při skladování například krmiva nebo produktů, které mění své vlastnosti v závislosti na čase.

zvětšit

Segregace

při plnění zásobního sila se nahromadí a usazuje sypká hmota na stěnách. Pokud není sypká hmota homogenní, a máme zde různé směsi, je zde možnost vzniku segregace. Segregace je možná souhlasně s velikostí částic a měrnou hmotností dané sypké hmoty viz obrázek čís. 6c. V případě středového plnění jak vidíme na obrázku, se větší částice shlukují a uzavírají na stěnách sila. Zatímco menší částice se shlukují ve středu. V případě jádrového toku materiálu, drobnější částice, které se nacházejí ve středu, opouštějí silo jako první. Hrubší části jsou vysypávány jako poslední. Tento efekt je nepříjemný hlavně v případě, kdy je důležitá homogenita dané směsi, jako například při expedování. Pokud toto zásobní silo slouží jako mezizásobník, dochází např. u balícího stroje a plnění pytlů k nehomogenitě plnícího obsahu. V případě hmotového toku dochází samozřejmě taktéž k částečné segragaci materiálu při plnění sila avšak při následném vyprazdňování dochází k promíchávání „mixování“ jednotlivých vrstev. Jednotlivé vrstvy se plynule snižují k výsypnému otvoru zásobního sila.

zvětšit
obr. 7

Na obrázku vidíme probouchanou dopravní technologii.

materiál: prášek PVC

Všechny výše zmíněné problémy se můžou vyskytnout v zásobním sile, pokud je zde jádrový tok sypké hmoty. Problémy se nevyskytnou ve správně navrženém zásobním sile, pokud je zde hmotový tok. Uváděný případ segregace, vzniku středového tunelu, nepravidelný tok, fluidizace sypké hmoty se zde neobjeví.

Navržení vhodného hmotového toku materiálu viz obrázek 5a je vázáno taktéž na dobu skladování a dobu otevření, či uzavření výsypného otvoru.

Pro navržení hmotového toku v silech jsou důležité dva kroky:

  1. výpočet požadovaného sklonu stěny sila, který zajistí hmotový tok
  2. správné navržení minimální velikosti výsypného otvoru

Tímto krátkým náhledem jsme Vám chtěli ukázat na problematiku, se kterou se můžete v běžné Vaší praxi setkat.

česky
по-русски