Capa anular de polvo
Se forma una capa anular de polvo cuando un polvo es acelerado intensamente en una cámara de mezcla cilíndrica por un elemento mezclador montado en el centro. El elemento mezclador gira a una alta velocidad periférica. Las partículas de polvo son empujadas por inercia a seguir una trayectoria cuasi circular.
Las partículas experimentan una aceleración centrífuga. Esta es aproximadamente
az = ω2·r
- ω es la velocidad angular
- r es la mitad del diámetro de rotación
La fuerza centrífuga resultante F sobre una partícula de masa m es
Fz = m·ω2·r
De este modo, el polvo es presionado contra la pared interior del cilindro de mezcla. En estado estacionario se forma una zona anular densamente compactada. Se habla de una capa anular de polvo. En esta capa reina el equilibrio entre la fuerza centrífuga, la gravedad y la fricción con la pared.
Las fuerzas de contacto entre las partículas y la pared provocan una fuerte tensión de cizallamiento. La fuerza de fricción con la pared crece con la fuerza normal, que viene determinada por la fuerza centrífuga. Simplificado
FR = μ·FN
- μ es el coeficiente de fricción
- FN es la fuerza normal
Cuanto mayores sean ω y r, mayores serán las fuerzas normales y, por lo tanto, la tensión de cizallamiento en la capa anular. La interacción permanente entre la aceleración provocada por el elemento mezclador y la desaceleración en la pared provoca un intenso movimiento relativo de las partículas. Los aglomerados se desaglomeran. Al mismo tiempo, tiene lugar una mezcla muy intensa de las partículas primarias.
Si se añade una pequeña cantidad de aglutinante, el mecanismo cambia. Las partículas que colisionan se adhieren en sus puntos de contacto. Se forman aglomerados de tamaño definido. En este caso, la capa anular actúa como zona de aglomeración.
La uniformidad de los aglomerados depende en gran medida de la geometría de la cámara de mezcla. Un cilindro de forma muy redondeada presenta una línea de radio de pared prácticamente constante. De este modo, la distancia entre la herramienta de mezcla y la pared se mantiene en gran medida constante. Se habla de un alto grado de equidistancia. Una alta equidistancia da lugar a una banda de distribución estrecha de las tensiones de cizallamiento y normales en la capa anular. Todas las partículas pasan por ciclos de carga similares. Esto favorece una distribución estrecha del espectro granulométrico de los aglomerados resultantes.
La dinámica en la capa anular de polvo puede describirse de forma idealizada mediante índices adimensionales. Una magnitud importante es el número de Froude Fr. Para los recipientes giratorios se define a menudo de la siguiente manera:
Fr=ω2⋅r/g
Donde g es la aceleración de la gravedad, ω la velocidad angular y r el radio característico. El número de Froude caracteriza la relación entre la aceleración centrífuga y la gravedad. Si predomina la fuerza centrífuga (Fr≫1), la capa anular queda fuertemente presionada contra la pared. Con valores más pequeños (Fr<1), aumenta la influencia de la gravedad y el polvo puede fluir parcialmente o circular en una capa rodante o deslizante.