Strato anulare di polvere
Si forma uno strato anulare di polvere quando una polvere viene fortemente accelerata in una camera di miscelazione cilindrica da un utensile di miscelazione montato centralmente. L'utensile di miscelazione ruota ad alta velocità periferica. Le particelle di polvere vengono costrette, per inerzia, in una traiettoria quasi circolare.
Le particelle subiscono un'accelerazione centrifuga. Essa è approssimativamente pari a
az = ω2·r
- ω è la velocità angolare
- r è il semidiametro di rotazione
La forza centrifuga risultante F su una particella di massa m è
Fz = m·ω2·r
La polvere viene così pressata contro la parete interna del cilindro di miscelazione. Allo stato stazionario si forma una zona anulare densamente compattata. Si parla di strato anulare di polvere. In questo strato regna l’equilibrio tra forza centrifuga, forza di gravità e attrito con la parete.
Le forze di contatto tra particelle e parete determinano una forte sollecitazione di taglio. La forza di attrito con la parete cresce con la forza normale, determinata dalla forza centrifuga. In forma semplificata
FR = μ·FN
- μ è il coefficiente di attrito
- FN è la forza normale
Maggiore è il valore di ω e r, maggiori sono le forze normali e quindi lo sforzo di taglio nello strato anulare. L'interazione permanente tra l'accelerazione causata dall'utensile di miscelazione e la decelerazione sulla parete provoca un intenso movimento relativo delle particelle. Gli agglomerati vengono disgregati. Contemporaneamente avviene una miscelazione molto intensa delle particelle primarie.
Se viene aggiunta una piccola quantità di legante, il meccanismo cambia. Le particelle in collisione si incollano nei punti di contatto. Si formano agglomerati di dimensioni definite. In questo caso lo strato anulare funge da zona di agglomerazione.
L'uniformità degli agglomerati dipende fortemente dalla geometria della camera di miscelazione. Un cilindro di forma molto arrotondata presenta una linea del raggio della parete pressoché costante. In questo caso, la distanza tra l'utensile di miscelazione e la parete rimane sostanzialmente costante. Si parla di un elevato grado di equidistanza. Un'elevata equidistanza porta a una banda di distribuzione ristretta delle sollecitazioni di taglio e normali nello strato anulare. Tutte le particelle subiscono cicli di sollecitazione simili. Ciò favorisce una distribuzione ristretta dello spettro granulometrico degli agglomerati che si formano.
La dinamica nello strato anulare di polvere può essere descritta in modo idealizzato con indici adimensionali. Una grandezza importante è il numero di Froude Fr. Per i contenitori rotanti viene spesso definito come segue:
Fr=ω2⋅r/g
Dove g è l'accelerazione di gravità, ω la velocità angolare e r il raggio caratteristico. Il numero di Froude caratterizza il rapporto tra accelerazione centrifuga e forza di gravità. Se la forza centrifuga è dominante (Fr≫1), lo strato anulare viene fortemente premuto contro la parete. Con valori più piccoli (Fr<1), l'influenza della forza di gravità aumenta e la polvere può in parte defluire o circolare in uno strato rotolante o scorrevole.