Порошковый слой
Порошковый слой представляет собой неподвижный или подвижный слой частиц порошка в емкости или на поверхности. Он образуется, когда частицы под действием силы тяжести складываются в насыпной слой. Порошковый слой может эксплуатироваться в открытом доступе к окружающей среде или в герметичной среде, например, в инертизованном состоянии. Он может эксплуатироваться при атмосферном давлении, избыточном давлении или в вакууме.
При этом частицы образуют пористую среду с определенной пористостью. Через пустоты могут проходить газы. Таким образом, может происходить передача тепла. Кроме того, может происходить обмен веществами.
ε = Vпустоты/ Vобщий
- Vпустоты — объем между частицами
- Vобщий — общий объем порошкового слоя
- ε — пористость (доля пустого объема, безразмерная величина)
В порошковом слое можно выполнять множество технологических операций. К ним относятся, например, смешивание, сушка, нагрев, охлаждение, реакции, агломерация или кальцинация. Решающим фактором является то, что частицы можно рассматривать как сыпучий материал, способный к течению.
В технологических установках порошковые слои имеют самые разные формы. Примерами являются аппараты с кипящим слоем, вращающиеся трубчатые печи, силосы с пневматическим перемешиванием, механические смесители порошка, вакуумные смесители-сушилки и установки для нанесения покрытий. При аддитивных методах производства (послойная печать) порошковая подушка, например, должна быть чрезвычайно однородной.
В кипящем слое порошковая подушка флюидизируется потоком газа снизу. Частицы тогда парят в квазижидком состоянии и подвергаются очень интенсивному тепло- и массообмену. В вращающихся трубчатых печах порошковая подушка перемешивается за счет вращения и подвергается термической обработке по всей длине печи.
На макроскопическом уровне порошковый слой можно описать с помощью балансов вещества и энергии. Локальное изменение температуры, например, можно смоделировать с помощью энергетического баланса с конвективным и кондуктивным теплообменом. Протока через пористый слой можно приблизительно описать с помощью уравнений потерь давления, таких как уравнение Эргуна.
Δp = L · [150·(1−ε)2/ ε3·μ·u/(dp)2+1,75 (1−ε)/ε3·ρf·u2/dp]
- Δp — потеря давления в порошковой подушке
- L — длина слоя или высота насыпного слоя в направлении потока
- ε — пористость слоя (см. выше)
- μ — динамическая вязкость жидкости
- u — поверхностная (кажущаяся) скорость потока
- dp — средний диаметр частиц
- ρf — плотность текущей жидкости
Важной целью процесса является максимально однородное распределение состояния в порошковой подушке. Температура, влажность, состав и структура частиц в конечном итоге должны находиться в пределах узких допусков. Только в этом случае можно говорить о однородном конечном продукте. Обработка порошка считается завершенной только тогда, когда порошковая подушка представляет собой такой конечный продукт.