Ultraschall-Entgasung mit Glyzerin als Testumgebung für weitere Untersuchungen.
Entgasung von geschmolzenem Glas mit Glycerin: Nachweis des Konzepts visualisiert
Für die Entgasung wurde Glyzerin gewählt, da es eine ähnliche Viskosität wie geschmolzenes Glas aufweist. Da die Versuche bei Raumtemperatur durchgeführt werden, ist die Überwachung des Ultraschallkavitationsprozesses wesentlich einfacher. Wir verwendeten zwei Versuchsaufbauten, in denen wir den Entgasungsprozess visuell beobachten und aufzeichnen konnten. Durch die physikalische Modellierung der Ultraschallentgasung von geschmolzenem Glas unter Verwendung von Glyzerin können wir die zukünftige Prozessoptimierung vereinfachen.
Kavitation mit Ultraschall
Bei der Ultraschallkavitation werden Flüssigkeiten mit Ultraschallwellen beaufschlagt, was zur Erzeugung, zum Wachstum, zur Pulsation und zum Kollaps von Mikrobläschen führt. Die Kavitation wird ausgelöst, sobald ein Schwellenenergieniveau erreicht ist, das bei Glyzerin etwa 0,15 MPa beträgt. Es bilden sich viele Tausende von Blasen. Diese dehnen sich aus und kollabieren rasch, wodurch Schockwellen mit hoher Geschwindigkeit und hohe Drücke von mehreren GPa entstehen. Außerdem treten lokal hohe Temperaturen auf.
An den Kavitationskernen bilden sich Gasblasen, die durch Diffusion aus dem Glycerin in die Blase wachsen. Enthält die Flüssigkeit bereits Blasen, so wachsen diese durch Diffusion. Die einzelnen Blasen verschmelzen aufgrund der Anziehungskräfte zwischen ihnen(Bjerknes- und Bernoulli-Kräfte ). Wenn sie wachsen, erhöht sich ihr Auftrieb, sie schwimmen an die Oberfläche und geben das Gas an die Atmosphäre ab.
Registrieren Sie sich hier, um den ganzen Film zu sehen
Schieben Sie die mittleren Pfeile mit der Maus von links nach rechts und umgekehrt, um die vollständigen Bilder vor und nach der Ultraschallentgasung zu sehen.
Ergebnisse der Ultraschallkavitation
Videos des gesamten Prozesses sind auf YouTube verfügbar (bitte registrieren Sie sich, um sie anzusehen): In beiden Versuchsanordnungen sind das Blasenwachstum und der Blasentransport durch akustische Strömung deutlich zu erkennen. Die akustische Strömung führt zu dicken Blasenwolken, die schließlich die Oberfläche der Flüssigkeit erreichen und sich auflösen. In Versuchsaufbau 1 traten die Kavitationsereignisse hauptsächlich an der Oberfläche der Sonotrode auf, und der erste Streamer erschien nach etwa 30 Sekunden. In Versuchsaufbau 2 bildeten sich in der gesamten Flüssigkeit Streamer, und aufgrund der Form des Behälters wurden die Auswirkungen stehender Wellen, Knoten- und Anti-Knoten-Zonen, mit hoher und niedriger Energie beobachtet. In beiden Zonen bewegen sich die Blasen aufeinander zu und verschmelzen miteinander, was vielversprechend für ein verbessertes Glasreinigungsverfahren ist.
Bevor die Proben mit Ultraschall beschallt wurden, enthielten sie viele winzige Bläschen, die sie halb undurchsichtig machten. Mit der Zeit wurden die Bläschen entfernt, und die Glyzerinproben wurden klarer. Abbildung 1 zeigt das Glyzerin im Versuchsaufbau 1 vor und nach dem Experiment. Abbildung 2 zeigt die Versuchsprobe und die Kontrollprobe vor und nach der Anwendung von Ultraschall in Versuchsaufbau 2. In Versuchsaufbau 1 wurden etwa 4,5 Liter Glyzerin innerhalb von zehn Minuten geklärt.
Experimenteller Aufbau
Es wurden zwei Versuchsaufbauten verwendet. Der erste (Aufbau 1) bestand aus einer 4,5-Liter-Schale mit Glyzerin, die die Keramiksonotrode enthielt. Der zweite (Aufbau 2) bestand aus einer mit Glyzerin gefüllten Quarzglas-Sichtzelle mit den Abmessungen H 63 x B 35 x T 10 mm, die mit externer Ultraschallenergie beschallt wurde. Der zweite Aufbau umfasste auch eine identische Kontrollprobe, auf die keine Ultraschallenergie angewendet wurde.
Die in Aufbau 1 verwendete Keramiksonotrode wurde speziell entwickelt, um stehende Wellen bei 20 kHz zu eliminieren. Dadurch wird die Gefahr der Rissbildung beseitigt.
Fazit
Die Ultraschallkavitationsmuster waren in beiden Versuchsaufbauten im Glyzerin deutlich sichtbar, was zeigt, dass dieses physikalische Modell eine hervorragende Möglichkeit zur Untersuchung der Entgasung in viskosen Medien wie geschmolzenem Glas darstellt.
Die Ultraschallentgasung von geschmolzenem Glas hat viele Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Entgasungsmethoden. Zum Beispiel ist sie schneller, verbraucht erheblich weniger Energie und verwendet keine giftigen Zusatzstoffe. Darüber hinaus bietet die physikalische Modellierung des Prozesses mit Glyzerin eine ideale Möglichkeit zur weiteren Untersuchung und Optimierung des Verfahrens.