Letto di polvere
Un letto di polvere è un cumulo di particelle di polvere, fermo o in movimento, all'interno di un contenitore o su una superficie. Si forma quando le particelle si dispongono in un cumulo sotto l'influenza della forza di gravità. Un letto di polvere può essere utilizzato in modo aperto verso l'ambiente circostante o chiuso a tenuta di gas, ad esempio in un ambiente inerte. Può funzionare a pressione ambiente, in sovrapressione o sotto vuoto.
Le particelle formano così un mezzo poroso con una porosità definita. I gas possono fluire attraverso gli spazi vuoti. In questo modo è possibile trasferire calore. Inoltre, può avvenire uno scambio di sostanze.
ε = Vvuoto/ Vtotale
- Vvuoto è il volume tra le particelle
- Vtotale è il volume totale del letto di polvere
- ε è la porosità (percentuale di volume vuoto, adimensionale)
In un letto di polvere è possibile eseguire numerose operazioni di processo. Tra queste figurano, ad esempio, la miscelazione, l'essiccazione, il riscaldamento, il raffreddamento, la reazione, l'agglomerazione o la calcinazione. È fondamentale che le particelle possano essere considerate come materiale sfuso fluido.
I letti di polvere sono presenti negli impianti di processo in forme molto diverse. Ne sono un esempio gli apparecchi a letto fluido, i forni rotativi, i silos con miscelazione pneumatica, i miscelatori meccanici di polveri, i miscelatori-essiccatori sottovuoto e gli impianti di rivestimento. Nei processi di produzione additiva (fusione a letto di polvere), ad esempio, il letto di polvere deve essere estremamente omogeneo.
In un letto fluido, il letto di polvere viene fluidificato dal basso da un flusso di gas. Le particelle fluttuano quindi in uno stato quasi liquido e subiscono trasferimenti di calore e di materia molto intensi. Nei forni rotativi, il letto di polvere viene miscelato tramite rotazione e trattato termicamente lungo tutta la lunghezza del forno.
A livello macroscopico, il letto di polvere può essere descritto tramite bilanci di massa ed energia. L'andamento locale della temperatura può essere modellato, ad esempio, tramite un bilancio energetico con trasferimento di calore per convezione e conduzione. Il flusso attraverso il letto poroso può essere approssimativamente descritto con equazioni di perdita di carico come l'equazione di Ergun.
Δp = L · [150·(1−ε)2/ ε3·μ·u/(dp)2+1,75 (1−ε)/ε3·ρf·u2/dp]
- Δp è la perdita di pressione attraverso il letto di polvere
- L è la lunghezza del letto o l'altezza di riempimento nella direzione del flusso
- ε è la porosità del letto (vedi sopra)
- μ è la viscosità dinamica del fluido
- u è la velocità di flusso superficiale (apparente)
- dp è il diametro medio delle particelle
- ρf è la densità del fluido in movimento
Un obiettivo importante del processo è ottenere una distribuzione degli stati il più omogenea possibile nel letto di polvere. Temperatura, umidità, composizione e struttura delle particelle dovrebbero alla fine rientrare tutte in tolleranze ristrette. Solo allora si può parlare di un prodotto finale omogeneo. Un trattamento della polvere si considera concluso solo quando il letto di polvere rappresenta un prodotto finale di questo tipo.