Desgasificación por ultrasonidos con glicerina, que proporciona un banco de pruebas para su estudio.
desgasificación de vidrio fundido con glicerina: prueba de concepto visualizada
Se eligió la glicerina para la desgasificación, ya que tiene una viscosidad similar a la del vidrio fundido. Como los experimentos se llevan a cabo a temperatura ambiente, la supervisión del proceso de cavitación ultrasónica es sustancialmente más sencilla. Utilizamos dos montajes experimentales en los que pudimos observar y registrar visualmente el proceso de desgasificación. La modelización física de la desgasificación ultrasónica del vidrio fundido con glicerina puede simplificar la optimización del proceso en el futuro.
Cavitación ultrasónica
La cavitación ultrasónica consiste en aplicar ondas ultrasónicas a líquidos, lo que provoca la producción, el crecimiento, la pulsación y el colapso de microburbujas. La cavitación se inicia una vez que se alcanza un nivel de energía umbral, que es de aproximadamente 0,15 MPa para la glicerina. Se forman miles de burbujas. Éstas se expanden y colapsan rápidamente, creando ondas de choque de alta velocidad y altas presiones de varios GPa. También se producen altas temperaturas localizadas.
Las burbujas de gas se forman en los núcleos de cavitación y crecen por difusión desde la glicerina hacia la burbuja. Si el líquido ya contiene burbujas, éstas experimentan un crecimiento por difusión. Las burbujas individuales se unen debido a las fuerzas de atracción entre ellas( fuerzas deBjerknes y Bernoulli ). A medida que crecen, su flotabilidad aumenta, y flotan hacia la superficie y liberan el gas a la atmósfera.
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Deslice las flechas centrales con el ratón de izquierda a derecha y viceversa para ver las imágenes completas antes y después de la desgasificación por ultrasonidos.
Resultados de la cavitación ultrasónica
Los vídeos del proceso completo están disponibles en YouTube (regístrese para verlos): En ambas configuraciones, el crecimiento de las burbujas y el transporte de las mismas por flujo acústico son claramente visibles. El flujo acústico da lugar a gruesas formaciones de nubes de burbujas que finalmente alcanzan la superficie del líquido y se dispersan. En la configuración 1, los eventos de cavitación se produjeron principalmente en la superficie del sonotrodo, y el primer streamer apareció después de aproximadamente 30 segundos. En el montaje 2, se formaron serpentinas en todo el líquido y, debido a la forma del recipiente, se observan los efectos de las ondas estacionarias, zonas nodales y antinodales, de alta y baja energía. En ambas zonas se observa que las burbujas se acercan unas a otras y se fusionan, lo cual es muy prometedor para mejorar el proceso de clarificación del vidrio.
Antes de aplicar la energía ultrasónica a las muestras, ambas contenían muchas burbujas diminutas que las hacían semiopacas. Con el tiempo, las burbujas se eliminaron y las muestras de glicerina se aclararon. La figura 1 muestra la glicerina en el montaje experimental 1 antes y después del experimento. La figura 2 muestra la muestra experimental y la muestra de control antes y después de la aplicación de ultrasonidos en el montaje 2. En el montaje 1, se clarificaron aproximadamente 4,5 litros de glicerina en diez minutos.
Montaje experimental
Se utilizaron dos montajes experimentales. El primero (montaje 1) consistía en un recipiente de 4,5 litros de glicerina que contenía el sonotrodo cerámico. El segundo (montaje 2) consistía en una célula de vidrio de cuarzo llena de glicerina con unas dimensiones de 63 x 35 x 10 mm, a la que se aplicó energía ultrasónica externa. La segunda configuración también incluía una muestra de control idéntica a la que no se aplicó energía ultrasónica.
El sonotrodo de cerámica utilizado en el montaje 1 se ha desarrollado especialmente para eliminar las ondas estacionarias a 20 kHz. Esto elimina el peligro de que se produzcan grietas.
Conclusión:
Los patrones de cavitación ultrasónica eran claramente visibles en la glicerina en los resultados de ambas configuraciones experimentales, lo que demuestra que este modelo físico es una forma excelente de estudiar la desgasificación en medios viscosos como el vidrio fundido.
La desgasificación por ultrasonidos del vidrio fundido presenta muchas ventajas en comparación con los métodos de desgasificación convencionales. Por ejemplo, es más rápido, consume mucha menos energía y no utiliza aditivos tóxicos.. Además, la modelización física del proceso con glicerina constituye un medio ideal para profundizar en su estudio y optimizarlo.