Confine di fase
Un confine di fase indica la superficie di separazione tra due fasi termodinamiche. In questa interfaccia le proprietà della materia cambiano bruscamente. Confini di fase tipici sono solido-gas, solido-liquido e liquido-gas.
Nella tecnologia dei materiali sfusi, i confini di fase non si presentano solitamente come superfici lisce. Sono distribuiti nello spazio e variabili nel tempo. La causa è la grande superficie specifica di polveri, agglomerati e particelle porose. Di conseguenza, l'interfaccia di fase effettiva è molto ampia, sebbene il materiale sfuso appaia macroscopicamente compatto.
Nel caso di materiali sfusi secchi, esiste un'interfaccia di fase tra le particelle solide e la fase gassosa circostante. Questa interfaccia solido-gas determina il trasferimento di calore durante la termoregolazione e il trasferimento di materia durante l'essiccazione. La sua dimensione è influenzata dalla dimensione delle particelle, dalla porosità e dalla miscelazione.
Durante la termoregolazione, il trasferimento di calore avviene attraverso l'interfaccia di fase tra la superficie delle particelle e il fluido termovettore. Il flusso di calore può essere descritto in generale come:
Q̇ = α A_PB (T_fluid − T_solid)
- Q̇ è la portata termica
- α è il coefficiente di trasferimento termico
- A_PB è l'interfaccia di fase effettiva
- T_fluid è la temperatura del fluido
- T_solid è la temperatura del solido
Una miscelazione intensiva aumenta l'interfaccia di fase effettivamente utilizzata e migliora il trasferimento di calore. Nell'essiccazione sotto vuoto, il confine di fase si trova tra l'umidità liquida all'interno o sulla particella e la fase gassosa circostante. A questa interfaccia avviene il passaggio di fase da liquido a vapore. Il flusso di massa attraverso il confine di fase è determinato dal gradiente di pressione di vapore:
ṁ ∝ A_PG (p_vapor,liq − p_vapor,gas)
- ṁ è la velocità di trasferimento di massa in funzione del tempo
- ∝ è il segno di proporzionalità
- A_PG è l'interfaccia di fase effettiva
- p_vapor,liq è la pressione di vapore del liquido sulla superficie delle particelle
- p_vapor,gas è la pressione di vapore nella fase gassosa
Abbassando la pressione ambiente si riduce il punto di ebollizione e si accelera il trasferimento di massa. Durante l'evaporazione e l'essiccazione, l'interfaccia liquido-gas costituisce il confine di fase. Qui avvengono contemporaneamente il trasferimento di calore e quello di massa. Il calore apportato viene convertito in entalpia di evaporazione al confine di fase:
Q̇ = ṁ_vapor Δh_v
- Q̇ è la portata termica
- ṁ_vapor è la portata massica della sostanza evaporata
- Δh_v è l'entalpia di evaporazione specifica
Nei materiali sfusi, questo confine di fase può trovarsi sulla superficie delle particelle o all'interno di strutture porose e spostarsi continuamente durante il processo.
La posizione, le dimensioni e l'accessibilità del confine di fase influenzano in modo determinante l'efficienza dei processi di tempera, essiccazione ed evaporazione. Essi determinano il fabbisogno energetico e la qualità del prodotto. Attraverso la miscelazione, la sgranatura o l'agglomerazione mirata è possibile influenzare in modo mirato l'interfaccia di fase effettiva.