METODA BADANIA ODKSZTAŁCALNOŚCI TERMICZNEJ ORGANICZNYCH OŚRODKÓW SYPKICH SKŁADOWANYCH W SILOSACH

Transkrypt

1 METODA BADANIA ODKSZTAŁCALNOŚCI TERMICZNEJ ORGANICZNYCH OŚRODKÓW SYPKICH SKŁADOWANYCH W SILOSACH Janta Anna PRUSIEL, Andrzej ŁAPKO Wydział Budwnictwa i Inżynierii Śrdwiska, Pitechnika Białska, u. Wiejska 45 A, Białystk Streszczenie: W artykue pisan kncepcję stanwiska d wyznaczania iniweg współczynnika rzszerzanści termicznej rganicznych śrdków sypkich raz prcedurę badawczą umżiwiającą kreśenie wyżej wymieninych właściwści ziarna składwaneg w sisach, w warunkach rzeczywisteg stanu naprężenia (knsidacji śrdka). Zagadnienie t ma duże znaczenie w sisach zbżwych z uwagi na mżiwść wystąpienia zjawiska samnagrzewu ziarna. W artykue przedstawin załżenia teretyczne zaprpnwanej metdy badawczej. Badanie naeży przeprwadzić w mdewej kmrze pmiarwej wypsażnej w płytę dciążającą próbkę śrdka sypkieg raz metawy rdzeń umieszczny centrycznie w mdeu umżiwiający nagrzewanie śrdka sypkieg. Mde stanwiska badawczeg zstał zastrzeżny w Urzędzie Patentwym. Słwa kuczwe: sis, śrdek ziarnisty, dkształcanść termiczna ziarna. 1. Wprwadzenie Rzszerzanść termiczna śrdków rzdrbninych jest wynikiem skmpikwanych efektów związanych z występwaniem w kmrach siswych pó termicznwigtnściwych. Zjawisk rzszerzanści termicznej śrdków ziarnistych mże wpływać na wzrst sił wewnętrznych w ścianach kmór siswych przy załżeniu, że współczynnik charakteryzujący tę rzszerzanść śrdka sypkieg jest znacząc większy niż dpwiedni współczynnik materiału knstrukcyjneg ściany (stawej ub żebetwej). Ośrdek sypki, zwiększając pprzecznie swją bjętść, wywiera ddatkwe parcie na ścianę kmry siswej, której dkształcenia termiczne nie są w stanie zrekmpenswać przyrstu dkształceń rdzenia wypełniająceg kmrę. Literatura dtycząca anaizwaneg prbemu jest bardz skrmna. W pracy Jakveva i in. (198), bez głębszeg uzasadnienia pdan, że współczynnik rzszerzanści termicznej ziarna zbóż jest 5-krtnie większy d dpwiednieg współczynnika da ściany żebetwej, c stwarza pważne zagrżenie awarią sisu w przypadku wystąpienia w masie ziarna prcesu nazywaneg samnagrzewem. W tym przypadku temperatura masy ziarna mże wzrsnąć nawet d kł 60 C. Naiast w pracy Kazakva (Kazakv i Kretvič, 1989) pświęcnej prbematyce śrdków ziarnistych wskazan, że zmiany wigtnści i temperatury ziarna mgą spwdwać zmiany bjętściwe masy sypkiej d 0% stanu wyjściweg. W pracach badawczych z zakresu mawianeg prbemu mżna znaeźć prpzycje prcedury pmiaru współczynnika rzszerzanści materiałów w parciu metdę mikrkarymetrii (Frtier i in., 1979), jednak spsób ten nie dpwiada warunkm, jakie występują przy składwaniu śrdków ziarnistych w sisach. Nrmy prjektwania knstrukcji siswych: PN-EN :008 Eurkd 1. Oddziaływania na knstrukcje. Część 4: Sisy i zbirniki raz nrma austraijska AS 3774, 1996 Lads n buk sids cntainer również nie pdają jakichkwiek infrmacji dtyczących współczynnika rzszerzanści termicznej śrdków sypkich. W pracy przedstawin własną kncepcję stanwiska badawczeg i prcedury pmiarwej d wyznaczania teg współczynnika w kmrze mdewej cyindryczneg sisu. Kncepcja ta zstała zastrzeżna w Urzędzie Patentwym RP (Łapk i Prusie, 011).. Załżenia góne metdy pmiarwej Przy pracwaniu prcedury badawczej przyjęt następujące załżenia: pmiary zstaną wyknane na wybranych śrdkach ziarnistych wysusznych d stałej masy ( wigtnści rzędu 10%), a zatem pminięty będzie wpływ zmian wigtnści śrdka na zmianę bjętści; w ceu pminięcia wpływu pełzania termiczneg pmiary będą prwadzne na próbkach ziarna pddanych szybkim przyrs pa temperatury; Autr dpwiedziany za krespndencję. E-mai: j.prusie@pb.edu.p 61

2 Civi and Envirnmenta Engineering / Budwnictw i Inżynieria Śrdwiska 3 (01) ze wzgędów technicznych próbki ziarna będą znajdwały się w stanie granicznych dkształceń pprzecznych (zstaną umieszczne w cyindrze sztywnej ściance); pmiary będą wyknywane da dpwiedni zagęszcznych próbek śrdka sypkieg w warunkach dpwiadających składwaniu w sisach. Załżn, że próbka ziarna zagęszczneg i wysuszneg d stałej masy umieszczna jest w cienkściennym naczyniu cyindrycznym (rys. 1). We wzrze () wyrażenie t 1 t (3) znacza kńcwą wyskść rdzenia śrdka sypkieg p jeg rzgrzaniu (rys. 1). Przyrst bjętści cyindryczneg rdzenia śrdka sypkieg (z uwzgędnieniem przyrstu jeg prmienia i przyrstu wyskści) wynsi: V V r V r r 1 t r r t r r r r (4) Przyrst bjętści ΔV (4) przeiczn na zmianę długści efektywnej rdzenia Δ eff, którą mżna pmierzyć dświadczanie (rys. 1) na pdstawie zmiany płżenia (przemieszczenia) górnej pwierzchni śrdka. P przekształceniach trzyman: V eff F r r t r r r r 1 t r r r r (5) Pdstawiając wyrażenie (1) d wzru (5) trzyman zaeżnść na iniwy współczynnik rzszerzanści termicznej ziarna : Rys. 1. Mde cyindryczneg sisu z próbką ziarna temperaturze wyjściwej t 0 Zakładając, że temperatura ścianki cyindra i rdzenia śrdka sypkieg (p jeg uprzednim nagrzaniu) wzrśnie równmiernie Δt, przy swbdnym dkształceniu płaszcza cyindra nastąpi przyrst jeg prmienia d wartści kreśnej równaniem: r r r t r r 1 t (1) gdzie: jest współczynnikiem rzszerzanści ciepnej materiału ścianki cyindra, a r jest prmieniem pwierzchni śrdkwej płaszcza cyindra. Wzór (1) zakłada, że przyrst prmienia cyindra następuje wyłącznie z tytułu nagrzania się jeg ścianki. Pmija się zatem ewentuany wzrst przemieszczenia radianeg ścianki z pwdu przyrstu parcia śrdka sypkieg w wyniku jeg nagrzania. Przyjęt, że w wyniku nagrzania próbki i naczynia nastąpi wzrst bjętści próbki z bjętści pczątkwej V d bjętści kńcwej V Δ+ Δr : V r r r t gdzie: jest pczątkwą wyskścią próbki śrdka sypkieg, a iniwym współczynnikiem rzszerzanści ciepnej śrdka sypkieg (wiekścią pszukiwaną). () eff t 1 t (6) K Przyrst wyskści rdzenia materiału sypkieg Δ eff jest wiekścią mierzną. Wartść wyrażenia w iczniku wzru (6) wymaga, aby ddatni mierzany przyrst Δ eff spełniał warunek: eff t Da załżneg w badaniach przyrstu temperatury Δt = 60 [deg] i przy stawej ściance cyindra ( = 0,00001 [1/K]) trzyman następujące zaeżnści: eff 1 ub eff 0, , , (7) (8) (9) Prste symuacje biczeniwe wskazują, że warunek (9) będzie spełniny tyk w przypadku, gdy współczynnik rzszerzanści termicznej ziarna każe się znacznie większy d współczynnika rzszerzanści stawej ścianki cyindra. Pnieważ brak jest uzasadnienia teg załżenia a priri przyjęt, że w eksperymencie zstanie zapewniny stały prmień cyindra. Mżna 6

3 Janta Anna PRUSIEL, Andrzej ŁAPKO t siągnąć w przypadku, gdy w czasie pmiarów ścianka naczynia nie uegnie grzaniu. Wymaga t dpwiednieg chłdzenia ścianki w trakcie eksperymentu, aby utrzymywać ją w stałej temperaturze, równej wyjściwej temperaturze pmiaru. W takim przypadku bwiązywać będzie prsta zaeżnść na wydłużenie rdzenia śrdka sypkieg: użebrwanej płyty dciskwej p ułżeniu w mdeu kmry wraz z siłwnikiem hydrauicznym. eff t (10) skąd mżna wyznaczyć iniwy współczynnik rzszerzanści termicznej ziarna eff 1 t (11) K 3. Stanwisk pmiarwe i prcedura badawcza D przeprwadzenia badań zgdnych z pdanymi wyżej załżeniami panuje się wykrzystanie dużeg mdeu cyindrycznej kmry siswej z siatkbetnu, znajdująceg się w abratrium badawczym Katedry Knstrukcji Budwanych Pitechniki Białskiej. Knstrukcję mdeu (rys. ) pisan szerzej między innymi w pracach Prusie i Łapk (007) raz Prusie (011). Wypsażenie kmry mdewej spełnia załżenie kniecznści utrzymania stałej temperatury ścianki mdeu, z uwagi na wmntwany w ściankę mdeu wewnętrzny system hydrauiczny złżny z układu rurek stawych umżiwiających chłdzenie ścianki. Na rysunku widczny jest dny fragment mdeu z instaacją wdną złżną z rurek stawych i przewdów dprwadzających wdę d wnętrza ścianki. Rys.. Widk mdeu sisu z instaacją hydrauiczną umżiwiającą chłdzenie ścianki sisu Knstrukcja mdeu umżiwia pnadt zagęszczenie śrdka sypkieg przy użyciu stawej płyty dciskającej górną pwierzchnię śrdka za pmcą siłwnika hydrauiczneg. Na rysunku 3 pkazan widk Rys. 3. Urządzenie dciskwe górnej pwierzchni ziarna w mdeu Schemat mdeu kmry siswej według zastrzeżenia patentweg w wariancie niezbędnym d przeprwadzenia badań pkazan na rysunku 4. W dnie mdeu zamcwany jest rdzeń nagrzewający śrdek sypki, naiast w ścianie mdeu zamcwane są pzim dwie sndy d pmiaru temperatury długści 350 mm. Prcedura pmiarwa przy użyciu pisaneg wyżej mdeu kmry siswej przewiduje następujące etapy prwadzenia eksperymentu (rys. 4): 1. napełnienie kmry siswej śrdkiem sypkim temperaturze zenia i zamcwanie snd temperaturwych (8);. wypzimwanie pwierzchni górnej śrdka, ułżenie kistej płyty dciskwej (5) i trzykrtne dciążenie i dciążenie płyty siłwnikiem hydrauicznym; 3. zwnienie stateczne dcisku, zamcwanie czujników pmiaru przemieszczenia górnej pwierzchni śrdka (9) raz czujników pmiaru przemieszczenia radianeg ścianki (7); 4. uruchmienie nagrzewania śrdka z jednczesnym utrzymywaniem stałej temperatury ścianki mdeu; 5. skmputeryzwany, równczesny i ciągły pmiar następujących wiekści fizycznych: a) przemieszczenia radianeg ścianki, b) przemieszczenia górnej pwierzchni śrdka sypkieg, c) temperatury śrdka sypkieg (w kiku punktach na średnicy mdeu) i wewnętrznej pwierzchni ścianki, d) temperatury zewnętrznej pwierzchni ścianki, e) dkształcenia bwdweg ścianki mdeu. 63

4 Civi and Envirnmenta Engineering / Budwnictw i Inżynieria Śrdwiska 3 (01) Rys. 4. Schemat knstrukcji stanwiska badawczeg d pmiarów współczynnika rzszerzanści termicznej śrdka sypkieg według Zastrzeżenia Patentweg (Łapk i Prusie, 011): 1 śrdek sypki, siatkbetnwa ściana kmry, 3 dn kmry parte na stendzie, 4 centranie umieszczny nagrzewający rdzeń stawy, 5 płyta stawa zagęszczająca górną pwierzchnię śrdka sypkieg, 6 niezaeżny stend mcujący czujniki przemieszczeń, 7 czujniki przemieszczeń radianych ścianki, 8 sndy temperaturwe w masie sypkiej, 9 czujniki przemieszczenia górnej pwierzchni śrdka sypkieg Nagrzewanie śrdka sypkieg naeży prwadzić tak dług, aż temperatura masy sypkiej uegnie wyrównaniu na długści prmienia kmry mdewej a przyrst temperatury śrdka ziarnisteg w pbiżu centranej si kmry siągnie załżną wartść Δt. Na pdstawie anaizy biczeniwej pdanej wyżej iniwy współczynnik dkształcanści termicznej ziarna biczany będzie z przekształcneg wyrażenia (5) na pdstawie wzru: 1 eff r 1 (1) t r r który p pdstawieniu wymiarów pisaneg mdeu pmiarweg: = 500 mm i r = 408 mm, przybierze pstać eff 1 (13) t r gdzie Δr jest pmierznym przemieszczeniem radianym ścianki. W przypadku, gdy pmierzne przemieszczenie radiane ścianki Δr (zgdnie z załżeniem) każe się zerwe, t wynik trzymany ze wzru (1) będzie tżsamściw równy wynikwi uzyskanemu ze wzru (11). 4. Pdsumwanie W iteraturze przedmitu brak jest szczegółwych infrmacji dtyczących wartści współczynnika rzszerzanści termicznej śrdków ziarnistych składwanych w sisach. Ocenia się, że w przypadku śrdków agrfizycznych współczynnik ten mże siągać wartść znacznie przekraczającą dpwiednie wartści współczynnika materiału ściany sisu. Parametr ten mże mieć więc isttny wpływ na knstrukcję ściany sisu, w przypadku gdy w masie ziarna djdzie d prcesów bigicznych pwdujących zjawisk samnagrzewu. Zaprpnwana metda parta na pmiarach wiekści fizycznych w mdewej kmrze wypełninej śrdkiem ziarnistym umżiwia wyznaczanie iniweg współczynnika rzszerzanści termicznej ziarna w warunkach zagęszczenia masy śrdka sypkieg. Literatura Frtier J. L., Simard M. A., Picker P., Jiceur C. (1979). Direct cntinuus measurements f therma expansin cefficients f iquids and sids using fw micrcarimetry. Review f Scientific Instruments, V. 50, N. 11, Jakvev L. T., Karev W. I., Skrikv B. A. (198). Issedwanija vzdejstvija temperatury na stienki zeezbetnnych zernvych sisv. W: Issedvanija napriażnng sstjanija zeezbetnnych sisnych srużenij, Saratw,

5 Janta Anna PRUSIEL, Andrzej ŁAPKO Kazakv E. D., Kretvič V. L. (1989). Bihimja zerna i prduktv eg pererabtki. Agrprmizdat. Łapk A., Prusie J. A. (011). Stanwisk d pmiaru współczynnika rzszerzanści termicznej śrdków sypkich. Zgłszenie nr P (011), Urząd Patentwy RP. Prusie J. A., Łapk A. (007). Investigatin f heat and misture effects in sis cntaining agricutura buk sids. Partice and Partice Systems Characterizatin, V. 4, N. 4/5, Prusie J. A. (011). Dświadczane wyznaczanie parametrów pisujących mde interakcji ściany sisu i śrdka sypkieg. Inżynieria i Budwnictw, 6/011, METHOD OF THERMAL DEFORMABILITY EVALUATION OF ORGANIC GRANURAL MEDIA STORED IN SILOS Abstract: The paper presents a cnceptin f measuring stand and testing prcedure fr evauatin f therma expansin cefficient f rganic granuar media stred in sis under rea cnsidatin stress state in grain. This prbem is particuary imprtant in rganics sids where the bigica prcess f sef heating cud ccur. Theretica assumptins f prpsed experimenta methd are given. The measurements shud be cnducted in mde si chamber equipped with surcharge rigid stee pate cnsidating the grains and with centray cated cre that enabes heating the grains. The described methd was registered as the Patent Caim. Artykuł pracwan w Pitechnice Białskiej w ramach reaizacji pracy statutwej S/WBiIŚ//01. 65