Dégazage par ultrasons à l'aide de glycérine, fournissant un banc d'essai pour une étude plus approfondie.
dégazage du verre fondu à l'aide de glycérine : visualisation de la preuve de concept
La glycérine a été choisie pour le dégazage car elle a une viscosité similaire à celle du verre fondu. Les expériences étant réalisées à température ambiante, le contrôle du processus de cavitation ultrasonique est nettement plus simple. Nous avons utilisé deux dispositifs expérimentaux qui nous ont permis d'observer et d'enregistrer visuellement le processus de dégazage. En modélisant physiquement le dégazage ultrasonique du verre fondu à l'aide de glycérine, nous pouvons simplifier l'optimisation future du processus.
Cavitation ultrasonique
La cavitation ultrasonique consiste à appliquer des ondes ultrasoniques à des liquides, ce qui entraîne la production, la croissance, la pulsation et l'effondrement de microbulles. La cavitation est déclenchée lorsqu'un seuil d'énergie est atteint, soit environ 0,15 MPa pour la glycérine. Plusieurs milliers de bulles se forment. Celles-ci se dilatent et s'effondrent rapidement, créant des ondes de choc à grande vitesse et des pressions élevées de plusieurs GPa. Des températures élevées localisées se produisent également.
Les bulles de gaz se forment sur les noyaux de cavitation et se développent par diffusion de la glycérine dans la bulle. Si le liquide contient déjà des bulles, celles-ci se développent par diffusion. Les bulles individuelles coalescent en raison des forces d'attraction entre elles( forces deBjerknes et de Bernoulli ). Au fur et à mesure de leur croissance, leur flottabilité augmente, elles flottent à la surface et libèrent le gaz dans l'atmosphère.
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Faites glisser les flèches centrales avec votre souris de gauche à droite et vice versa pour voir les images complètes avant et après le dégazage par ultrasons.
Résultats de la cavitation ultrasonique
Des vidéos du processus complet sont disponibles sur YouTube (veuillez vous inscrire pour les regarder) : Dans les deux configurations, la croissance des bulles et le transport des bulles par streaming acoustique sont clairement visibles. Le flux acoustique conduit à la formation de nuages de bulles épais qui finissent par atteindre la surface du liquide et se disperser. Dans le montage 1, les événements de cavitation se sont produits principalement à la surface de la sonotrode, et le premier streamer est apparu après environ 30 secondes. Dans le montage 2, les streamers se sont formés dans tout le liquide et, en raison de la forme du récipient, les effets des ondes stationnaires, des zones nodales et anti-nodales, de haute et de basse énergie sont observés. Dans les deux zones, les bulles se déplacent les unes vers les autres et coalescent, ce qui laisse présager un processus amélioré de collage du verre.
Avant que l'énergie ultrasonore ne soit appliquée aux échantillons, ils contenaient tous deux de nombreuses petites bulles qui les rendaient semi-opaques. Avec le temps, les bulles ont été éliminées et les échantillons de glycérine se sont clarifiés. La figure 1 montre la glycérine dans le dispositif expérimental 1 avant et après l'expérience. La figure 2 montre l'échantillon expérimental et l'échantillon témoin avant et après l'application des ultrasons dans le dispositif 2. Dans le dispositif 1, environ 4,5 litres de glycérine ont été clarifiés en dix minutes.
Configuration expérimentale
Deux dispositifs expérimentaux ont été utilisés. Le premier (dispositif 1) consistait en un bol de glycérine de 4,5 litres contenant la sonotrode en céramique. Le second (configuration 2) était une cellule de visualisation en verre de quartz remplie de glycérine, de dimensions H 63 x L 35 x P 10 mm, à laquelle était appliquée une énergie ultrasonique externe. La deuxième configuration comprenait également un échantillon de contrôle identique auquel aucune énergie ultrasonique n'était appliquée.
La sonotrode en céramique utilisée dans le montage 1 a été spécialement conçue pour éliminer les ondes stationnaires à 20 kHz. Le risque de fissuration est ainsi éliminé.
Conclusion
Les motifs de cavitation ultrasonique étaient clairement visibles dans la glycérine dans les deux configurations expérimentales, ce qui démontre que ce modèle physique est un excellent moyen d'étudier le dégazage dans des milieux visqueux tels que le verre fondu.
Le dégazage par ultrasons du verre en fusion présente de nombreux avantages par rapport aux méthodes de dégazage conventionnelles. Par exemple, il est plus rapide, consomme beaucoup moins d'énergie et n'utilise pas d'additifs toxiques.. En outre, la modélisation physique du processus à l'aide de glycérine constitue un moyen idéal d'étudier plus avant et d'optimiser le processus.