53.082.32
Манометрический метод измерений кажущейся
плотности сыпучих материалов
М. М. МОРДАСОВ1, А. П. САВЕНКОВ1, К. Е. ЧЕЧЕТОВ2
1 Тамбовский государственный технический университет, Тамбов, Россия,
e-mail: savencow@yandex.ru 2 Тамбовский завод «Электроприбор», Тамбов, Россия
Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований манометрического метода контроля плотности сыпучих хемосорбентов при комплексном определении их теплофизических характеристик. Описаны процессы, происходящие в ходе измерений, исследована статическая характеристика измерительной установки, определены погрешности, приведены расчетные зависимости и рекомендации по использованию метода. Оценено взаимное влияние процессов измерения теплопроводности и плотности. Установлена возможность контроля кажущейся плотности сыпучих материалов относительным манометрическим методом с компенсацией влияния атмосферного давления на результат измерения.
Кпючевые слова: сыпучий, пористый материал, объемная плотность.
The results of theoretical and experimental studies of the granular chemisorbents density by the manometric measurement method using complex determination of its thermophysical characteristics are presented. The processes occurring during measurements are described and the static characteristic measuring device is studied, the measurement errors are determined and the recommendations on the use of the method usage and the calculation dependences are given. The estimation of mutual influence between processes of conductivity and density measurements is carried out. The possibility to control the apparent density of granular materials by relative manometric method with compensation of atmospheric pressure influence on measurement results is determined.
Key words: loos, porous material, bulk density.
В современном промышленном производстве и сельском хозяйстве широко применяют материалы в виде гетерогенных систем «газ—твердое тело». Для обеспечения высокого уровня ведения технологических процессов с использованием таких материалов необходимо знать их теплофи-зические свойства — плотность, теплопроводность, теплоемкость и температуропроводность [1—3].
Плотность сыпучего материала определяют, измеряя его массу и объем. Для измерения массы применяют разнообразные методы и устройства [4]. Возможно измерять как массу самих твердых частиц, так и массу частиц вместе с воздухом между ними. Вследствие большого различия плотностей газа и частиц погрешность таких измерений будет незначительной. Задача измерения объема сыпучего материала не имеет однозначного решения. В зависимости от соотношения твердой и газовой фаз в объеме, подлежащем контролю, различают насыпную, объемную, кажущуюся и действительную плотности сыпучего материала [1, 2]. Под объемной плотностью понимают среднюю плотность частиц материала, в объем которых входят закрытые и открытые поры. При определении кажущейся плотности в объем частиц не включают открытые поры. Действительная плотность — плотность вещества твердых частиц. Для пористых материалов, в зависимости от их структуры, отдельные из указанных видов плотности могут совпадать.
Объемную и кажущуюся плотности измеряют методами жидкостного или газового замещения. Методы жидкостного замещения имеют ряд недостатков относительно газового: необходимость удаления газовых пузырьков путем нагрева или другими способами; взаимодействие жидкости с твердым веществом, приводящее к изменению его объема и невозможности дальнейшего использования; необходи-
мость учета молекулярного объема жидкости для обеспечения ее проникновения в открытые поры [2]; необходимость высушивания материала и измерительной емкости.
Методы измерения плотности с газовым замещением основаны на изменении давления в измерительной емкости с исследуемым веществом. Неразрушающие методы газового замещения иногда относят к бесконтактным, так как при сжатии газа, являющегося составной частью сыпучего материала, никакая другая среда не вступает в контакт с твердыми частицами.
В настоящее время актуальность экспериментальных исследований пневматических методов измерения плотности возросла в результате их использования при комплексном измерении теплофизических характеристик сыпучих материалов [3, 5]. Традиционно при контроле сыпучих материалов определяют эффективные теплофизические характеристики насыпного слоя [6]. Однако на практике часто требуется раздельно определять теплоперенос, возникающий в результате конвекции и теплопроводности. Одним из важных аспектов при решении этой задачи является измерение кажущейся плотности контролируемого материала. Практика применения для этой цели метода газового замещения выявила необходимость исследования факторов, влияющих на точность измерений. В настоящей работе представлены результаты этих исследований.
Среди методов газового замещения выделяют пневмо-динамические [7—9] и манометрические [9—13]. Последние не требуют подключения к источнику сжатого газа и отличаются меньшим количеством параметров, влияющих на результат измерений.
В манометрических методах объем вещества оценивают по изменению давления в пневмосистеме при изменении
ее объема на заданное значение [1, 2]. Установка, реализующая манометрический метод, состоит из измерительной емкости для исследуемого материала, соединенной с емкостью переменного объема и манометром [3, 5, 9—12].
Рассмотрим две модификации манометрического метода измерений кажущейся плотности. В первой емкость переменного объема сжимается на заданное значение, а об объеме сыпучего материала судят по изменению давления [1—3, 5, 11]. Вторая модификация предполагает определение объема материала по изменению объема емкости, необходимой для достижения заданного давления [12, 14]. В обеих модификациях фиксировать показания приборов следует после достижения установившегося режима, когда газ отдаст тепло в окружающую среду [13]. В этом случае нет необходимости проводить анализ тепловыделения и сложные расчеты, как в [12], где показания определяют непосредственно после срабатывания датчика—индикатора давления.
Если не принимать специальных мер, процесс сжатия газа в пневматической системе будет политропным, т. е. законы изотермического и адиабатического процессов к нему не будут применимы [12]. В политропном процессе сжатия газа его температура и давление возрастают. После завершения сжатия газ отдает тепло стенкам сосуда и исследуемому веществу. В результате с течением времени их температуры выравниваются, давление уменьшается. Графики изменения давления в измерительной емкости после сжатия газа приведены в [3], из их анализа следует, что для упрощения процесса измерения целесообразно максимальное заполнение объема емкости. При этом большая часть объема сжимаемого газа непрерывно отдает тепло частицам материала, и процесс сжатия приближается к изотермическо-
В методах контроля теплофизических характеристик веществ температура — наиболее информативный показатель [3, 5, 6]. При сжатии газ нагревается, и соответствующие параметры теплового процесса изменяются, являясь источником погрешностей при определении плотности. Однако при проведении многократных измерений процессы нагревания—охлаждения протекают циклически вследствие попеременного сжатия—растяжения емкости и, в среднем, тепло не выделяется.
После охлаждения газа до температуры окружающей среды его давление соответствует давлению после сжатия в изотермическом процессе и, следовательно, в расчетах допустимо применять закон Бойля—Мариотта. На охлаждение газа затрачивается определенное время, поэтому использование манометрического метода требует соблюдения герметичности пневмосистемы. Утечки приводят к уменьшению давления после сжатия газа, внося существенный вклад в погрешность измерений. Даже микроутечки затрудняют фиксацию установившегося режима.
При комплексном определении теплофизических характеристик сыпучего материала необходим его непрерывный нагрев [3, 5]. В таких условиях невозможно обеспечить изотермическое сжатие газа для измерения плотности. По результатам экспериментов давление в пневмосистеме объемом 120 мл устанавливается за время, не превышающее
10 с. При темпе нагрева 0,1 К/с изменение температуры за это время составит 1 К. Применяя манометр типа MPX5050GP [3] с верхним пределом измерений 50 кПа, целесообразно выбирать избыточное давление в пневмосистеме равным приблизительно 40 кПа. После сжатия газа при измерении кажущейся плотности абсолютное давление составит около 140 кПа. Нагрев на 1 К в изохорном процессе приведет к изменению давления приблизительно на 470 Па, что составляет 1,2 % от изменения давления (40 кПа) в результате изменения объема пневмосистемы. При большей скорости нагрева погрешность будет пропорционально возрастать. Для уменьшения влияния нагрева материала на результат измерения кажущейся плотности возможно внесение поправок или сжатие газа до больших значений давления. Последний вариант не подходит для использования из-за усложнения герметизации измерительной емкости и низкой эффективности.
В соответствии с законом Бойля—Мариотта можно записать уравнение
Р0^0 - ^м + А V) = (Р0 + Ар) (V, - + Vд), (1)
где р0 — атмосферное давление; ^ — объем пневмосистемы после сжатия емкости переменного объема, состоящий из объемов измерительной емкости, соединительных трубок и полости манометра; ^ — объем сыпучего материала; АV — изменение объема при сжатии газа; Ар — изменение давления в пневмосистеме при сжатии; А^ — изменение объема вследствие деформации элементов пневмоситемы при сжатии газа. Примем А^ = kдДV, где кд — коэффициент пропорциональности. Из (1) получим
Ар = Р0 (А V - kдДV)/( Vo - Vм + кдА V). (2)
Из уравнения (2) следует, что Ар прямо пропорционально р0, АV при кд=0, зависимость Ар от объема сыпучего материала — нелинейная. Из пропорциональности величин Ар, АV следует, что нет никаких методических предпосылок для выбора значений этих величин в реальной измерительной установке. Для уменьшения утечек целесообразно выбирать Ар, АV минимально возможными исходя из диапазона измерений использ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.