Исследование адгезионных свойств пылевидных продуктов

Пневмотранспорт широко применяют в пищевой промышленности для перемещения сыпучих, в том числе и тонкодисперсных материалов. Большое значение при распыливании и движении порошков имеют их адгезионные свойства.

Чем меньше размер частиц пыли, тем легче они прилипают к поверхности аппарата. Пыли, у которых 60—70 % частиц имеют диаметр меньше 10 мкм, ведут себя как слипающиеся, хотя те же пыли с размером частиц более 10 мкм обладают хорошей сыпучестью.

В случае работы с сильно слипающимися порошками возможны трудности как в стадии перевода порошка в аэрированное состояние, так и при его движении. Например, при переводе частиц порошков во взвешенное состояние при помощи воздушной струи давление воздуха расходуется на преодоление внешних и внутренних сил, к числу которых относится адгезия между частицами порошка.

Сильная адгезия может способствовать возникновению агрегатов, комков, нарастанию отложений материала на стенках трубопроводов. Это может привести к частичному или полному забиванию аппаратов пылью, закупорке.

Семенихин О.А., 2012

Процесс пылеулавливания состоит из стадий движения частиц к осадительной поверхности, осаждения частиц, закрепления на поверхности и последующего удаления пылевого осадка. Адгезия при этом оказывает влияние на все стадии, кроме первой, а при закреплении и удалении частиц является основным фактором. От величины сил адгезии зависит толщина прочных, трудноразрушаемых отложений пыли на внутренних поверхностях аппаратов и газоходов. Нарастание таких отложений приводит к частичному или полному забиванию аппаратов пылью, закупорке газоходов.

Все эти обстоятельства свидетельствуют о необходимости учета адгезии при проектировании и эксплуатации пылеулавливающего оборудования для обеспечения эффективности и надежности его работы. В зависимости от величины силы адгезии следует решать вопрос о приемлемости тех или иных аппаратов и отдельных узлов, выбирать некоторые оптимальные параметры аппаратов, скорость движения частиц в аппарате.

Нами определялись силы адгезии сухого порошка на поверхности стали 12Х18Н10Т в зависимости от чистоты обработки поверхности.

Одна из важнейших характеристик адгезии — адгезионная прочность, которая характеризует удельное усилие разрушения адгезионного контакта и зависит от энергии связи, обеспечивающей адгезии, полноты контакта, определяемой рельефом поверхности, межфазной поверхностной энергии, смачивания и других поверхностных явлений, а также от условий формирования контакта.

Опыты по определению сил взаимодействия макрочастиц проводились маятниковым методом с использованием двух сферических частиц, диаметром порядка нескольких миллиметров или одной такой частицы и плоскости.

К свободно висящему шарику подносили вертикальную пластину до возникновения контакта. Затем пластину перемещали в направлении, перпендикулярном площади контакта. Отклонение (угол γ) подвешенного шарика от вертикали обусловлено действием сил адгезии и служит их мерой. Величину силы адгезии мы находили из следующего соотношения:

FАД = mg sin Y-

При этом угол γ рассчитывали по величине отклонения шарика от первоначального положения, измеренной микрометром МИР-2. Общее увеличение микроскопа 55,5 раз.

Измерения отклонения шарика с напыленными частицами пищевых продуктов проводили не менее 5 раз.

Были проведены эксперименты по определению сил адгезии между частицами различных пищевых пылей. Результаты измерений представлены в таблице. Характер изменения сил адгезии показан на рисунке. Причиной адгезии являются электростатические силы на границе раздела двух тел, которые возникают благодаря образующемуся в контакте двойному заряженному слою. Его происхождение различно для материалов разных типов. Адгезия – необратимый процесс. При наличии контактной разности потенциалов, например, возникает дрейф электронов, который, как известно, ведет к увеличению энтропии. Именно поэтому силы при сведении и разведении кантилевера и образца различаются, и процесс, тем самым, оказывается неконсервативным.

Адгезионное взаимодействие частиц пищевых пылей со стенками сушильной камеры циклона обусловлено молекулярными, капиллярными и электрическими силами [1, 2].

Наибольшее влияние на адгезию сухих порошков оказывают молекулярные ван-дер-ваальсовы силы, обусловливающие взаимодействие молекул частиц пылевидного продукта и стенок циклона. При этом молекулярные силы адгезии зависят от поверхности циклона, а также от площади контакта частицы с поверхностью циклона [3].

Т а б л и ц а

Изменение силы адгезии между частицами различных пищевых продуктов

Наименование продукта	γ	sin γ	F АД. ∙ 10-4 H
Чайный порошок	0,11	0,001566	0,475
Свекла с патокой	0,17	0,002851	0,866
Яблоки с патокой	0,13	0,002153	0,623
Цикорий	0,38	0,005873	1,783
Концентрат квасного сусла	0,21	0,003172	0,969
Сахарная пыль	0,16	0,003061	0,731
Комбикорм ПК-2	0,19	0,003061	0,911
Комбикорм ПК58	0,20	0,003101	0,939

Рисунок. Зависимость силы адгезии от чистоты обработки поверхности стали: 1 - концентрат квасного сусла; 2 - сахарная пыль; 3 - яблочно-паточная пыль; 4 - цикорий; 5 - чайная пыль

Капиллярные силы адгезии имеют место при контактировании увлажненного пылевидного продукта с поверхностью циклона. В данном случае между частицей и твердой поверхностью образуется жидкая манжета, приводящая к появлению сил поверхностного натяжения.

При трении между частицами или о внутренние поверхности сушильного оборудования частицы пищевых пылей приобретают электрические заряды. Это способствует появлению электрических сил адгезии, что приводит к отложениям сухого продукта, которое имеется на всех типах сушилок и может достигать значительной величины.

Силы адгезии исследованных порошков на поверхности стали 12Х18Н10Т лежат в интервале 0,5-2,5∙10-6 Н в зависимости от чистоты обработки поверхности стали. Максимальная адгезия наблюдается при 7 – 8-ом классе чистоты обработки металла.

По нашим предположениям, это связано с тем, что микропрофиль поверхности стали становится соизмерим с размером частиц порошка. В этом случае площадь контакта частиц пылевидных продуктов с поверхностью будет большая, нежели чем при других классах чистоты.

Значительно уменьшить величину силы адгезии можно доведением класса чистоты обработки поверхности стали до необходимой величины.