Sypná hmotnost vyjadřuje, jaká hmotnost sypkého materiálu se nachází v určitém objemu. U prášků a granulátů tento objem nezahrnuje pouze samotné pevné částice, ale také vzduch a volné prostory mezi nimi. Proto sypná hmotnost není totéž jako skutečná hustota materiálu, ze kterého jsou jednotlivé částice vytvořeny.
V průmyslových procesech má tento rozdíl velmi praktický význam. Sypná hmotnost ovlivňuje potřebný objem zásobníků a sil, plnění big bagů, činnost objemových dávkovačů, stabilitu dávkování i chování materiálu po přepravě nebo skladování. Stejná hmotnost prášku může zabírat odlišný objem podle toho, zda je materiál více provzdušněný, zhutněný, vlhký nebo mechanicky namáhaný.
Co znamená sypná hmotnost?
Zjednodušeně je sypná hmotnost poměr hmotnosti sypkého materiálu k celkovému objemu, který materiál jako vrstva částic zaujímá. Lze ji zapsat jako 
, kde 
označuje hmotnost vzorku a 
objem obsazený sypkým materiálem.
Důležité je, že se uvažuje celý objem nasypané vrstvy. Nádoba naplněná práškem neobsahuje souvislý pevný blok materiálu. Mezi částicemi zůstávají mezery a zejména jemné prášky mohou zadržovat značné množství vzduchu. Stejný materiál proto může po volném nasypání zabírat větší objem než po setřesení, vibracích, mechanickém zatížení nebo delším skladování.
Údaj o sypné hmotnosti je proto správně interpretovatelný pouze tehdy, pokud je znám způsob měření a stav materiálu. Sypná hmotnost volně nasypaného materiálu, sypná hmotnost po setřesení a hmotnost materiálu zhutněného pod zatížením popisují různé stavy stejné sypké hmoty.
| Vlastnost | Co znamená? | Praktický příklad |
|---|---|---|
| Sypná hmotnost | Hmotnost materiálu vztažená k objemu volně nasypané vrstvy bez cíleného zhutnění. | Volně nasypaný prášek může zabírat relativně velký objem, protože mezi částicemi zůstává vzduch a volný prostor. |
| Sypná hmotnost po setřesení | Hmotnost vztažená k objemu vrstvy po definovaném mechanickém setřesení nebo jiném způsobu zhutnění. | Stejný prášek může po vibracích nebo přepravě zabírat menší objem. |
| Skutečná hustota nebo hustota částic | Popisuje samotný pevný materiál částic, nikoli volné prostory mezi jednotlivými částicemi. Přesná definice závisí na použité metodě měření. | Materiál může mít vysokou hustotu jako pevná látka, ale jako volně nasypaný prášek relativně nízkou sypnou hmotnost. |
| Zhutnitelnost | Schopnost vrstvy sypkého materiálu zmenšovat svůj objem při rostoucím zatížení nebo konsolidaci. | Jemný soudržný prášek může být ve spodní části sila výrazně více zhutněný než v horních vrstvách. |
| Obsah vlhkosti | Množství vlhkosti v materiálu nebo na povrchu částic. | Vlhkost může měnit soudržnost, tvorbu hrudek, uspořádání částic i tokové vlastnosti materiálu. |
Jak se měří sypná hmotnost prášků?
Samotný výpočet je jednoduchý, ale pro získání reprodukovatelného výsledku je nutné použít definovaný zkušební postup. Známé množství materiálu se vloží nebo nasype do měřicí nádoby či odměrného válce a stanoví se objem vytvořené vrstvy částic. Sypná hmotnost se následně vypočítá z poměru hmotnosti a objemu.
Při stanovení sypné hmotnosti volně nasypaného materiálu se vzorek podle příslušné metody plní bez cíleného zhutnění. Pokud je třeba posoudit také vliv zhutnění, může být nádoba definovaným způsobem setřásána, vibrována nebo jinak mechanicky namáhána. Použité zařízení, množství vzorku a přesný postup závisejí na druhu materiálu a příslušné technické normě.
Neexistuje proto jedna univerzální metoda stanovení sypné hmotnosti, která by byla vhodná pro všechny prášky a granuláty. Pro plasty, keramické prášky, kovové prášky, uhlí nebo jiné sypké materiály mohou být stanoveny rozdílné zkušební postupy. Výsledky jsou dobře porovnatelné především tehdy, pokud byly získány stejnou nebo skutečně srovnatelnou metodou.
Sypná hmotnost se často uvádí v kg/m³, t/m³, kg/l nebo g/cm³. Pokud například 500 ml volně nasypaného prášku váží 350 g, platí:
To odpovídá přibližně 700 kg/m³. Pokud stejných 350 g materiálu po definovaném setřesení zabírá menší objem, naměřená sypná hmotnost se zvýší, přestože se hmotnost ani chemické složení materiálu nezměnily.
Sypná hmotnost a skutečná hustota nejsou totéž
Sypná hmotnost popisuje celou vrstvu prášku nebo granulátu včetně volných prostor mezi částicemi. Skutečná hustota nebo hustota částic se naproti tomu vztahuje k samotnému pevnému materiálu. V závislosti na metodě měření mohou být různým způsobem zohledněny také otevřené a uzavřené póry uvnitř částic.
Tento rozdíl je v praxi důležitý, protože průmyslová zařízení nezpracovávají jednu ideální částici, ale velké množství částic jako sypký materiál. Pevná látka s vysokou hustotou může mít ve formě silně provzdušněného nebo volně nasypaného prášku poměrně nízkou sypnou hmotnost.
Pro obaly, zásobníky, dávkovače nebo základní výpočty potřebného objemu je proto sypná hmotnost často praktičtějším údajem než samotná hustota pevného materiálu. Vytváří přímou vazbu mezi hmotností zpracovávanou v procesu a objemem, který tato hmotnost za určitých podmínek zaujme.
Jemné prášky, granuláty a vlhké materiály se chovají rozdílně
Jemné prášky jsou často citlivější na soudržné síly mezi částicemi, provzdušnění a zhutnění než hrubší, dobře sypné granuláty. Velikost částic však sama o sobě tokové chování materiálu neurčuje. Význam mají také tvar částic, zrnitost a její rozdělení, vlastnosti povrchu, vlhkost, elektrostatické účinky a předchozí mechanické namáhání materiálu.
Granuláty s většími a pravidelnějšími částicemi se mohou za určitých podmínek pohybovat a uspořádávat předvídatelněji než velmi jemné soudržné prášky. Nejde však o univerzální pravidlo. Nepravidelné částice se mohou vzájemně zachytávat, směsi různých velikostí částic se mohou uspořádat těsněji a granulát se může během přepravy segregovat, obrušovat nebo rozpadat.
Také vlhkost může chování sypkého materiálu ovlivnit různými způsoby. V některých případech omezuje prašnost nebo elektrostatické nabíjení, současně však může zvýšit soudržnost, vytvářet kapalné můstky mezi částicemi a podporovat tvorbu hrudek. Ze samotné sypné hmotnosti proto nelze spolehlivě určit, zda bude vlhký prášek bez problémů vytékat ze zásobníku nebo sila.
Zjednodušený vztah:
volně nasypaný nebo silně provzdušněný prášek → více prostoru mezi částicemi → nižší sypná hmotnost
setřesení, vibrace nebo mechanické zatížení → těsnější uspořádání částic → vyšší sypná hmotnost
rozpad nebo otěr částic → změna distribuce velikosti částic → možné změny sypného, tokového a dávkovacího chování
Při mechanické a pneumatické dopravě působí na materiál další vlivy. Částice se urychlují, mění směr pohybu a mohou narážet do sebe nebo do stěn zařízení a potrubí. Křehké granuláty a aglomeráty se mohou poškodit a otěr může zvýšit podíl jemných částic. V důsledku toho se může změnit zrnitost, prašnost, sypná hmotnost i chování materiálu při dávkování.
Proč je sypná hmotnost důležitá při dávkování?
Při objemovém dávkování se za jednotku času dodává určitý objem materiálu. Pokud zůstává sypná hmotnost dostatečně stabilní, lze tento objem relativně spolehlivě převést na odpovídající hmotnost. Pokud je ale prášek jednou více provzdušněný a jindy více zhutněný, stejný objem nemusí představovat stejné množství materiálu.
Například šnekový dávkovač může pracovat stále se stejnými otáčkami, zatímco skutečný hmotnostní průtok se změní, protože se změnila sypná hmotnost nebo míra zaplnění šneku. Nastavení stroje zůstává stejné, ale technologický proces přesto dostává větší nebo menší hmotnost suroviny.
Při vyšších požadavcích na přesnost nebo výrazně proměnlivých vlastnostech materiálu se proto používá hmotnostní nebo gravimetrické dávkování. Takový systém využívá měření hmotnosti a podle něj upravuje dávkovací výkon. Regulace tak není založena pouze na předpokladu, že určitý objem materiálu vždy odpovídá stejné hmotnosti.
Objemové dávkování však může být vhodným a ekonomickým řešením tam, kde má sypký materiál dostatečně stabilní vlastnosti a proces nevyžaduje velmi vysokou přesnost dávkování podle hmotnosti. Důležité je, aby se možné změny sypné hmotnosti zohlednily už při volbě a nastavení dávkovacího systému.
Jak sypná hmotnost ovlivňuje zásobníky a sila?
Sila, zásobníky a další skladovací zařízení poskytují určitý využitelný objem, zatímco výroba a logistika obvykle pracují s hmotností: kilogramy, tunami, pytli, big bagy nebo celými dodávkami. Sypná hmotnost vytváří vazbu mezi těmito dvěma veličinami.
Má-li například sypký materiál sypnou hmotnost 500 kg/m³, jedna tuna zabere přibližně 2,0 m³. Při sypné hmotnosti 800 kg/m³ zabere stejná tuna pouze asi 1,25 m³. Rozdíl činí 0,75 m³ na každou tunu a při větších skladovaných množstvích může výrazně ovlivnit požadovanou kapacitu zásobníku.
Změny sypné hmotnosti ovlivňují také vztah mezi měřenou hladinou a skutečnou hmotností materiálu v silu. Podobná úroveň naplnění nemusí znamenat stejnou hmotnost, pokud je jedna šarže více provzdušněná a jiná více zhutněná.
Sypná hmotnost stanovená v malé měřicí nádobě však sama o sobě nestačí pro návrh spolehlivého toku materiálu v průmyslovém silu nebo zásobníku. Sypká hmota je ve skladovacím zařízení zatěžována vlastní hmotností a může se dále zhutňovat. Stav materiálu ve spodní části vysokého sila proto může být výrazně odlišný od stavu volně nasypaného laboratorního vzorku.
Pro spolehlivý návrh zásobníků, násypek a výpustí je proto podle konkrétního materiálu nutné zohlednit také další vlastnosti. Patří mezi ně například soudržnost, vnitřní tření, tření o stěnu, zhutnitelnost a sklon ke klenbování nad výpustným otvorem. Sypná hmotnost je velmi užitečná pro základní výpočet skladovacího objemu, ale sama nepopisuje celé tokové chování sypké hmoty.
Co ze sypné hmotnosti nezjistíme?
Sypná hmotnost je důležitý parametr, ale nepředstavuje úplný popis sypných a tokových vlastností prášku. Z jedné hodnoty nelze spolehlivě určit, zda materiál vytvoří nad výpustí klenbu, zda bude během plnění segregovat, zda po delším skladování ztvrdne nebo zda bude ze sila bez problémů vytékat.
Tyto jevy mohou záviset na zrnitosti, tvaru částic, obsahu vlhkosti, soudržnosti, vnitřním tření, tření o stěny, zhutnitelnosti, elektrostatických vlastnostech a historii zatížení materiálu. Při problémech v procesu je proto třeba sledovat ty vlastnosti sypkého materiálu, které skutečně souvisejí s danou aplikací.
V praxi jsou důležité zejména tři věci. Za prvé musí být jasně uvedeno, v jakém stavu a jakou metodou byla sypná hmotnost stanovena. Za druhé je nutné provádět měření za reprodukovatelných podmínek, protože příprava vzorku a manipulace s materiálem mohou výsledek ovlivnit. Za třetí nelze problémy s dávkováním, klenbováním nebo vyprazdňováním sila posuzovat pouze podle jediné hodnoty sypné hmotnosti.
Zdroje a další informace
- Česká agentura pro standardizaci – ČSN EN ISO 23145-2: Stanovení objemové hmotnosti keramických prášků – Sypná hmotnost
- Česká agentura pro standardizaci – ČSN EN ISO 23145-1: Stanovení objemové hmotnosti keramických prášků – Sypná hmotnost po setřesení
- Česká agentura pro standardizaci – ČSN ISO 23499: Uhlí – Stanovení sypné hmotnosti
- VŠB – Technická univerzita Ostrava – Sypké hmoty
- VŠB – Technická univerzita Ostrava – Projektování a diagnostika zásobníků a sil pro sypké materiály
- VŠB – Technická univerzita Ostrava – Klenbování sypkých hmot v zásobnících
- Atlas Copco Česká republika – Základní principy pneumatické dopravy sypkých materiálů
