粉體力學(xué)與工程-03粉體填充與堆積特性

1、機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院第3章 粉體填充與堆積特性 基本要求：掌握粉體的填充指標(biāo)、填充與堆積物性，了解填充與堆積的應(yīng)用。 重點(diǎn)：堆密度、填充率、孔隙率的計(jì)算。機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院3.1 3.1 粉體的填充指標(biāo)粉體的填充指標(biāo) 粉體的填充特性是指粉體層內(nèi)部粒子在空間的排列狀態(tài)。粉體的填充特性取決于顆?？障犊臻g的幾何顆粒空隙空間的幾何形狀形狀，與空隙所含流體的特性無(wú)關(guān)。B機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院 PB11PBBPMM/M- 填充粉體的質(zhì)量機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院BPBBVV1式中 VB-粉體填充體積，m3 P-顆粒的密度，kg/m3-空隙率 ：p

2、= M/Vp S = M/VS 機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院 B = M / VBu堆積密度(松裝密度）粉體所占容器粉體所占容器的體積的體積 以一定的方法將粉體填充在已知體積的容器中，該容器的體積也包括顆粒間空隙的體積。機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院 p= M / Vpu粒密度不包括顆粒不包括顆粒之間之間空空隙的體積隙的體積機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院u真密度s = M / Vs不包括顆粒不包括顆粒內(nèi)外內(nèi)外空隙空隙的體積的體積機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院可推知：可推知： 由于實(shí)際粉體顆粒的幾何性質(zhì)，粉體本身的剛性或彈性，表面的物理化學(xué)性質(zhì)等有所不同而使堆積密度不同

3、，而且填充方法對(duì)堆積密度也有較大的影響。 其測(cè)定也分為低密度（松動(dòng)的）和高密度（緊密的）兩種。機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院習(xí)題沙的真密度2650kg/m3, 2立方米的鏟車裝沙子重量4000kg, 求沙子的表觀密度、填充率和孔隙率。機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院粉體堆積中與某一個(gè)顆粒相接觸的顆粒數(shù)稱為配位數(shù) 隨著排列變形程度增加，空隙率將減少，配位數(shù)將增加 3.2 3.2 粉體顆粒的填充與堆積粉體顆粒的填充與堆積機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院1 1 等徑球形等徑球形顆粒的填充顆粒的填充 以相互接觸的球體作為基本單元，它們可以組合成彼此平行的和相互接觸的排列，并構(gòu)成變化無(wú)限不

4、同的規(guī)則的二維球?qū)印＜s束的形式有兩種：正方形：90角是其特征 等邊三角形：60 角是其特征僅僅考慮重力作用時(shí)有三種穩(wěn)定的構(gòu)成方式： 一層疊在另一層的上面 在下層球和球的切點(diǎn)上排列著上層球 在下層球間隙的中心上排列著上層球機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院正方體排列正斜方體排列1菱面體排列正斜方體排列2楔形四面體排列菱面體排列機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院正方排列層正方排列層 三角形排列層三角形排列層 正方體排列（最松）正方體排列（最松） 正斜方體排列正斜方體排列1 1 菱面體排列（最密）菱面體排列（最密） 正斜方體排列正斜方體排列2 2 楔形四面體排

5、列楔形四面體排列（平面排列）（立體排列）機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院3 3個(gè)球構(gòu)成一個(gè)三個(gè)球構(gòu)成一個(gè)三角形空隙，每個(gè)球角形空隙，每個(gè)球有有1/31/3個(gè)，每個(gè)球個(gè)，每個(gè)球周圍有周圍有6 6個(gè)三角形個(gè)三角形空隙，因此每個(gè)球空隙，因此每個(gè)球就有就有6 6 1/3=21/3=2個(gè)空個(gè)空隙。隙。一層最密堆積中球數(shù)：三角形空隙數(shù)目=1：2n等徑球的最密堆積（菱面體排列）機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院2 layers半數(shù)的三角形空隙上方放了球四面體空隙另一半的三角形空隙上方是第二層的空隙八面體空隙機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院2022年6月2日星期四

6、2 2 等大球的不規(guī)則填充等大球的不規(guī)則填充 要想將球填充成為上述的規(guī)則排列，在實(shí)際填充操作中是根本不可能的。 斯考特用直徑1/8英寸的鋼球十分謹(jǐn)慎地進(jìn)行填充實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)，在可能獲得的最緊密填充中，空隙率為36.3%，并且還求得這種填充方式下球的配位數(shù)。后來(lái)人們把這種填充稱為隨機(jī)密填充 該種填充的空隙率為0.359-0.375,大大超過(guò)了六方密填充的0.26。當(dāng)容器振動(dòng)時(shí)或強(qiáng)烈搖晃時(shí)可得到這類填充。機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院隨機(jī)傾倒填充 把球倒入到一個(gè)容器內(nèi)，相當(dāng)于工業(yè)上常見(jiàn)的卸出粉料和散袋物料的操作，平均空隙率為0.375-0.391。隨機(jī)疏填充 把一堆球松散的放入到一個(gè)容器內(nèi)；

7、 用手把球一個(gè)一個(gè)地隨機(jī)填充進(jìn)去； 讓球一個(gè)個(gè)地滾入到如此填充的球的上方。隨機(jī)極疏填充 最低流態(tài)化時(shí)流化床具有平均空隙率為0.46-0.47。把流化床內(nèi)流體的速度緩慢地降到零，通過(guò)球的沉降就得到0.44空隙率。機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院3 3 壁效應(yīng)壁效應(yīng) 隨機(jī)填充時(shí)存在著一種所謂的壁效應(yīng)，因?yàn)樵诮咏腆w表面的地方會(huì)使隨機(jī)填充中存在局部有序。 緊挨著壁的位置存在著相對(duì)高的空隙率區(qū)域，這是由于壁和顆粒的曲率半徑之間的差異而引起的。若加入一些3-4種直徑的顆粒到填充物中，會(huì)測(cè)得：局部的空隙率 隨顆粒到容器圓柱壁的距離而作周期性變化。機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院壁效應(yīng)壁效應(yīng) 舉例舉

8、例 如填料塔中，填料與塔壁之間不能十分密貼，靠近壁面處的空隙率常較大，頂部的液體，在填料層中往下流動(dòng)的過(guò)程中便逐漸趨向于塔壁，并有部分順著壁面流下而不經(jīng)過(guò)填料層。壁流的產(chǎn)生不利于塔內(nèi)兩相的密切接觸，使傳遞系數(shù)降低。這稱為壁效應(yīng)。 為了減小壁效應(yīng)，填料直徑與塔徑之比要小于1/10，填料層高度與直徑之比要小于5。 機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院4 4 異直徑球的填充異直徑球的填充 在等徑球形顆粒規(guī)則排列的空隙中，填充進(jìn)較小的球形顆粒，將獲得填充率更高的堆積：一次堆積后的填充性質(zhì)Horsfield填充Hudson填充機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院注：dp 大球直徑 當(dāng)每一個(gè)空隙只有一個(gè)小

9、球填充時(shí)，填充球的直徑是填充空隙空間的最大球徑。機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院2022年6月2日星期四機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院2022年6月2日星期四EEEJJKML依次，MLKJE順序填充機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院2022年6月2日星期四3 3）小球在三角形孔中添充的堆積）小球在三角形孔中添充的堆積 當(dāng)在最緊密的六方排列的空隙中填充一種以上的等尺寸球時(shí)，空隙率是隨著較小球與最初大球的尺寸比值而變化的，如表所示，空隙率隨著四方空隙中較小球數(shù)目的增加而減小。 實(shí)際上并不是完全都是這樣的，因?yàn)樵谌切慰紫吨?，球的?shù)目是不連續(xù)的。當(dāng)三角形空隙中球的尺寸比為0.1716時(shí)，

10、最小空隙率是0.1130。機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院2022年6月2日星期四最小空隙率:0.113機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院2022年6月2日星期四影響填充的因素影響填充的因素1 1）顆粒大小的影響）顆粒大小的影響 Roller的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)顆粒的粒徑不大時(shí)，粒徑越小，填充越疏松；如果粒徑變大，大到超過(guò)臨界粒徑DC（大約20m ）時(shí)，則粒徑對(duì)于填充率的影響不大，因?yàn)椋w粒間接觸處的凝聚力受到粒徑影響已不大，即粒子自重力增大，顆粒的凝聚力的影響可以忽略不計(jì)。因此，一般粉體粒子的粒徑是大于還是小于臨界粒徑，對(duì)于粉體的填充性能影響極大。5 實(shí)際顆粒的堆積實(shí)際顆粒的堆積機(jī)械與汽

11、車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院2022年6月2日星期四 總之，球形顆粒相對(duì)易填充，棒狀或針狀等顆粒難以填充。2 2） 顆粒形狀的影響顆粒形狀的影響 若顆粒的形狀逐漸偏離球體，并且直到板狀、棒狀等不規(guī)則形狀，那么，填充越來(lái)越困難，填充結(jié)構(gòu)越來(lái)越疏松，空隙率變得越來(lái)越大。 顆粒表面粗糙，則由于填充時(shí)摩擦阻力大，就難以達(dá)到緊密填充 當(dāng)顆粒越小，顆粒間相互作用力越強(qiáng)時(shí)，顆粒形狀的影響表現(xiàn)得更明顯。機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院2022年6月2日星期四 由于吸附水份，導(dǎo)致顆粒間凝聚力的強(qiáng)烈作用。由于這種凝聚力妨礙填充過(guò)程中顆粒的運(yùn)動(dòng)，所以得不到緊密填充。凝聚力不僅構(gòu)成對(duì)填充的直接阻力，而且當(dāng)凝聚力存

12、在時(shí)，多數(shù)情況下顆粒通過(guò)凝聚會(huì)形成凝聚顆粒凝聚顆粒（也稱二次顆粒）。 二次顆粒的形狀很不規(guī)則，致密填充很困難。另外，由于二次顆粒是原來(lái)顆粒的集合體，它自身的內(nèi)部還保持有空隙，所以二次顆粒的填充層是空隙率很大的粗填充。3 3） 顆粒凝聚的影響顆粒凝聚的影響機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院2022年6月2日星期四1)1) 在重力下，容器中顆粒填充的空隙率在重力下，容器中顆粒填充的空隙率隨容器直徑隨容器直徑減少減少和和顆粒層高度顆粒層高度增加而變大增加而變大 2)2) 隨著球形度的增加，空隙率減少隨著球形度的增加，空隙率減少 3)3) 顆粒表面粗糙度的增加使空隙率增大顆粒表面粗糙度的增加使空隙率增大 4)4) 細(xì)顆粒的粘結(jié)作用將形成松填充細(xì)顆粒的粘結(jié)作用將形成松填充 5)5) 粗細(xì)顆粒比例改變將影響空隙率粗細(xì)顆粒比例改變將影響空隙率 6)6) 振動(dòng)的頻率和振幅影響粉體層的空隙率振動(dòng)的頻率和振幅影響粉體層的空隙率機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院2022年6月2日星期四小思考：小思考：1. 粉體材料恒定的情況下，堆積密度是確定的嗎？2. 粉體堆積密度和哪些因素有關(guān)。3. 采取一些堆積措施對(duì)粉體堆積密度有什么樣的影響？機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院2022年6月2日星期四堆積密度不是固定值，隨空隙率的變化而變化 和顆粒形狀、