第六章第二节

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粉尘发火所需的最低温度称为发火点。粒径越小，发火 点越低。 面粉厂里，当面粉在每立方米的空气中悬浮0.15～ 0.20mol时，最容易爆炸。 特别是10μm左右的散粒物料，浓度在0.20mol/m3时，危 险性最大。这一浓度相当于能见度为2m。 面粉、奶粉、淀粉等不良导电物料，构成爆炸的火源， 应当密切注意。
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由于物料层的不均匀性和成拱现象，物料对容器的 压力分布通常是不规则的。 在理想情况下，可以得到理论上的分布规律口料斗 分深仓和浅仓两种。 以料斗底部与侧壁的交点为始点，作散粒体的休止 角斜线，与对面侧壁相交口设交点离料斗底部的距 离为hr，料斗高度为H，当hr>H时定义为浅仓， hr<H时定义为深仓。研究散粒物料对容器的压力分 布时，假设物料不受振动等外界因素的影响。
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6.6.5 粉体仓贮
初始加料状态：当物料慢慢 下沉时，沿着仓壁发生滑移， 并产生摩擦应力。
流动状态 ：颗粒按滑动通 道的形状扩展并在横向收缩， 应力场就重新分布，最大主 应力作用在近于水平的方向 上，形成的应力场称之为消 极应力场，如图(b) 。 转换状态：料仓的流动一开 始就会形成一个大的瞬间转 变应力。积极应力场是在加 料时产生的，当卸料开始时， 正好处于出口上方的物料由 于没有支撑就向下扩展，在 这一区段形成一个消极应力 场。如图(b) 。
降低离析程度的办法有:尽量使颗粒均匀，采用整体流 动，尽可能避免形成料堆，采用多点下料和阻尼下料 等办法。
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6.6.3 散粒体的流动模型
在存仓排料过程中，最麻烦的问题之一是落粒拱现象。 落粒拱是散粒体堵塞在排料口处，在排料口上方形成 拱桥或洞穴。前者称为结拱，后者称为结管。
根据散粒体的流动特点，分为自由流动物料和非自由 流动物料两种。对于非自由流动物料，颗粒料层内的 内力作用（由粘聚性、潮湿性和静电力等造成)大于重 力作用。这种内力在物料流动开始后，会逐渐扰乱原 有的层面而导致形成落粒拱。由于颗粒粒子处于非平 衡状态，落粒拱会周期性地坍塌，之后再重新形成。
式中，fi——散粒体的内摩擦因数，fi=tan ； Fc——单位粘聚力，即发生在单位剪切面积上的 粘聚力。
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试验时，先使载荷FN不变，渐增大剪切力， 测出剪切环移动时的剪切力Fs；改变FN值， 测出不同载荷FN时的剪切力Fs，作Fs一FN曲 线，则该曲线与横坐标FN的夹角即为该物料 的内摩擦角 ,在纵坐标上的截距FcA即为物 料的粘聚力。
2 防止成拱的办法
(1)加大排料口。 (2)尽量使料斗内壁光滑； (3)加大壁面倾角。 (4)将料斗做成非对称形[(a),(b),(c)]形式。
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(5)在料斗内加入纵向隔板以形成左右非对称性[(d)]； (6)在料斗中悬吊链条[图(e)]； (7)在排料口上方插入锥体[图(f)]，以减小排料口承受 物料的压力； (8)将壁面做成抛物线形的曲面[图(g)]，以使物料顺利 滑落； (9)采用条形卸料器[图(h)]； (10)安装振动器； (11)吹入压缩空气，使物料流态化。
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6.6 散粒体流动特性
6.6.1 6.6.2 6.6.3 6.6.4 6.6.5 摩擦性 离析 散粒体的流动模型 散粒体的流动函数 粉体仓贮
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6.6.1 摩擦性
1 基本概念 摩擦力是作用在一个平面内的力(在这个平面内包含有 一个或一些接触点)，阴碍接触表面间的相对运动。 摩擦力正比于正压力，其比例常数称为摩擦因数。 摩擦力由两部分组成，一为接触表面间凹凸不平的剪切 力，一为克服表面粘附所需的力;摩擦力与实际接触面 积成正比；因为滑动速度的不同，接触表面间产生的温 度也不同，所以摩擦力与接触表面间的滑动速度有关； 动摩擦力小于最大静摩擦力；摩擦力与接触物料的特性 有关。
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(2)内摩擦角
内摩擦角 是散粒体内部沿某一断面切断时，反映抗 剪强度的一个重要参数。
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将散粒物料装进剪切环内，盖上盖板，在盖板上施加 垂直压力FN，加载杆上作用剪切力FT。如果剪切环内的 散粒物料被剪断时达到的最大剪切力为FS，设散粒体的 剪切面积为A，则得散粒体的抗剪力等于内摩擦力与粘 聚力之和，即
6.6 散粒体流动特性
内容提要 组成散粒体的颗粒，可根据其粒径分为粗粒、细粒 和粉体三类。 大宗的食品初级原料及半成品表现为散粒体。 散粒体是由许多单个颗粒组成的颗粒群体。 散粒体的流动在工业生产中具有重要的意义，它影 响物料贮存、定量、零售、装卸、控制以及整个加 工运输系统的设计。 本章将介绍散粒体的振动特性、流动特性、应力特 性等方面的散粒体的力学特性。
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2 散粒物料的摩擦角
摩擦角反映散粒物料的摩擦性质，可用以表 示散粒物料静止或运动时的力学特性。 散粒物料的摩擦角一般有四种，即休止角、 内摩擦角、壁面摩擦角和滑动角。 休止角和内摩擦角表示物料本身内在的摩擦 性质，而壁面摩擦角和滑动角表示物料与接 触的固体表面间的摩擦性质。
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(1)休止角
休止角又称静止摩擦角或堆积角，是指散粒 物料通过小孔连续地散落到平面上时，堆积 成的锥体母线与水平面底部直径的夹角。 它与散粒粒子的尺寸、形状、湿度、排列方 向等都有关。 休止角越大的物料，内摩擦力越大，散落能 力越小。
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休止角与粒径大小有关。粒径越小，休止角 越大，这是因为微细粒子相互间的粘附性较 大。粒子越接近于球形，休止角越小。若对 物料进行振动，则休止角将减小，流动性增 加。粒子越接近球形，粒径越大，振动效果 越明显。在有的文献里将休止角分为静态休 止角和动态休止角。物料水分增加时，休止 角增加。
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产生自动分级的原因
①散粒体具有液体的性质，对分散在散粒体中的颗粒有浮 力作用，促使相对密度小的颗粒上浮;
②散粒体在受扰时较松散，使小颗粒能往下运动以填补空 隙；
③表面光滑的球形颗粒，在散粒体中所受阻力较小，容易 向下运动，而粗糙颗粒或片状粒受阻大而留于上层。
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2 粉尘爆炸
粉尘爆炸是指在空气中悬浮的粉尘颗粒急剧地氧化燃 烧，同时产生大量的热和高压的现象。 爆炸的机理：首先是一部分粉尘被加热、产生可燃性 气体，它与空气混合后，当存在一定温度的火源或一 定能量的电火花时，就会引起燃烧。由此产生的热量 又将周围的粉尘加热，产生新的可燃性气体。这样， 就产生连锁反应而爆炸。 粉尘爆炸要求粉尘有一定的浓度。这一浓度极限，称 为爆炸的下限。它与火源强度、粒子种类、粒径、含 水率、通风情况和氧气浓度等因素有关。
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(3)壁面摩擦角和滑动摩擦角
壁面摩擦角表示物料层与固体壁面的摩擦特性，而滑 动摩擦角(又称自流角)则表示每个粒子与壁面的摩擦 特性。
一般缺乏粘聚性的散粒物料，休止角等于内摩擦角， 大于壁面摩擦角;但对于含水率大的谷物种子，休止角 比内摩擦角大得多。 滑动角或称自流角，也是衡量散粒物料散落性的指标。 测定滑动角时，将单个颗粒放在平板上，再将平板轻 轻倾斜，待颗粒开始滑动时，平板角度即为物料的滑 动角。
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6.6.4 散粒体的流动函数
设在一个筒壁 无摩擦的理想刚性 圆筒内，装入散粒 体。以预压实载荷 FQ1压实，散粒体 的预压实应力为 σl，然后轻轻取 去圆筒，不加任何 侧向支撑，即σ3 ＝0，这时散粒体 可能出现如图所示 的两种情况。一为 保持圆柱原形，一 为崩溃后以休止角 23 呈山形。
对于保持原形的圆柱体，须施加一定的载荷FQC以克服 散粒体在一定预压实状态下的表面强度σc，散粒体 才会崩溃。σc称为散粒体的无围限屈服强度。在图 (c)的情况下，σc=0。散粒体的无围限屈服强度σc 与预压实应力σ1之间的关系，称为流动函数FF，
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(a)附着离析是在沉降时粗细粒分离。 (b)填充离析是在倾斜状堆积层移动时产生的。这时粗粒子会有筛分 作用，小粒子从间隙中漏出而被分离出来。
(c)滚落离析的原因是粒子的形状不同和滚动摩擦状态不同。装料时， 颗粒的运动只发生在物料锥体的表面上。物料的运动是滚动运动， 小颗粒会落到大颗粒的孔隙中。一般来说，大颗粒比微细颗粒的滚 动摩擦因数小，大部分滚落到料斗壁面附近，而微细粒子则留在中 心位置。
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6.6.2 离析
粒径差值大且重度不同的散粒混合物料，在给料、排 料或振动时，粗粒和细粒以及密度大和密度小的会产 生分离。这种现象称为离析，又称偏析。 在给料和排料过程中出现离析现象，使粒度失去均一 性，产生质量不合格的产品。 但振动筛选过程中的离析现象，则有助于达到筛选的 目的。容易引起离析的散粒体，多数是流动性好的物 料。
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6.7 食品工业中散粒体力学特性的应用
1 散粒体的自动分级
在受到振动或其他扰动时，散粒体中各颗粒会按其 相对密度、粒度、形状及表面状态的不同而重排。 重排后从上层到下层依次为:相对密度小的大颗粒， 相对密度小的小颗粒，相对密度大的大颗粒，相对密 度大的小颗粒。 此外，按表面状态及形状不同，表面粗糙或片状 颗粒在上层，而表面光滑或接近球形的颗粒在下层。 这种现象称为散粒体的自动分级。
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1 落粒拱的形式
(a) 由于排料口附近粒子相互支撑或咬合形成拱架， (b) 粉体物料由于压力、吸湿或化学反应等原因，会相互粘 结成大块，产生如图中的成拱形式。这种形式较难解决。 (c) 物料在排料口上部垂直地下落，形成洞穴状，常见于粒 子间有附着性的细粉。 (d) 物料附着在料斗的圆锥部表面，常见于壁面倾角过小和 27 对壁面有较强附着性的粉体物料。
料斗本身的流动条件或流动性用流动因素ff表示：
式中，σa——散粒体结成稳定拱的最小拱内应力。
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ff值越小，料斗的流动 条件越好。对于一定形状的 料斗，存在一条流动因素临 界线，如果散粒体的流动函 数曲线在这条临界线下方， 则散粒体的强度不足以支持 成拱，不会产生流动中断。 这条临界线称为料斗的临界 流动因素。 流动函数FF是由散粒体 本身的性质所决定，而流动 因素ff则由散粒体性质和料 斗的几何形状、壁面特性等 因素确定。
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排料口附近自由流动的物料 可分成五个流动带。
D带为自由降落带;
C带为颗粒垂直运动带;
B带是擦过E带向料仓中心方向缓 慢滑动的带;
A带是擦过B带向料仓中心方向迅 速滑动的带;
E带是没有运动的静止带。
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EN带和EG带以几乎恒定的 比率(1:15)连续发展，直到 EN达到表面为止。 EN带产生两种运动，第 一位的垂直运动和第二位的 滚动运动。凡带称为边界椭 圆带，在它以外没有运动。 这种流动称为漏斗流动或中 心流动。 如果料仓的倾角大于物 料与料仓壁面的摩擦角，就 可把物料卸空。在凡椭圆体 边界线以内，产生的是整体 流动。这个理论适用于流动 性好的粉料从小孔中排出的 情况。
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动态落粒拱的角度h与内摩擦因数fi有关
式中，d——排料口直径。
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料仓内散粒体受 重力作用有两种 流动形态，即整 体流和漏斗流 (又称中心流)。
（a）漏斗流只有中央部分的物料流出，上部物料由于崩溃 也可能流出。漏斗流流动时，先进的料后流出去。 （b）整体流流动时，无论中心部分还是靠壁处的物料都充 分滑动，和液体流动相似。整体流时，先进的料先流出去。 为使料仓内的流动为整体流动型，可采用内插锥体法和 流动判定图。内插锥体法是在料斗中加入锥体。
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供料速度越小，物料的流动性越大和粒度分布范围 越广，离析现象越严重。 离析主要是由物料的特性决定的，如粒度分布、颗粒 形状、密度、表面特征、光滑性、体积质量、流动性、 休止角、粘聚力、密度分布等。间接影响离析程度的 有料斗直径、排料口直径、料斗边壁倾斜度、装料高 度、壁面摩擦因数、料斗形状、装料位置、装料方法、 卸料点和卸料方法等。