Degasaggio a ultrasuoni con glicerina, fornendo un banco di prova per ulteriori studi.
degassificazione del vetro fuso utilizzando la glicerina: prova di concetto visualizzata
Per il degasaggio è stata scelta la glicerina , che ha una viscosità simile a quella del vetro fuso. Poiché gli esperimenti vengono eseguiti a temperatura ambiente, il monitoraggio del processo di cavitazione ultrasonica è sostanzialmente più semplice. Abbiamo utilizzato due setup sperimentali per osservare e registrare visivamente il processo di degassificazione. Modellando fisicamente il degasaggio a ultrasuoni del vetro fuso con la glicerina, possiamo semplificare la futura ottimizzazione del processo.
Cavitazione ultrasonica
La cavitazione a ultrasuoni consiste nell'applicazione di onde ultrasoniche ai liquidi, con conseguente produzione, crescita, pulsazione e collasso di microbolle. La cavitazione viene avviata una volta raggiunto un livello di energia di soglia, pari a circa 0,15 MPa per la glicerina. Si formano molte migliaia di bolle. Queste si espandono e collassano rapidamente, creando onde d'urto ad alta velocità e pressioni elevate di diversi GPa. Si verificano anche alte temperature localizzate.
Le bolle di gas si formano sui nuclei di cavitazione e crescono per diffusione dalla glicerina nella bolla. Se il liquido contiene già delle bolle, queste subiscono una crescita per diffusione. Le singole bolle si fondono a causa delle forze attrattive tra loro( forze diBjerknes e Bernoulli ). Man mano che crescono, la loro galleggiabilità aumenta, ed esse galleggiano in superficie e rilasciano il gas nell'atmosfera.
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Fai scorrere le frecce centrali con il tuo mouse da sinistra a destra e viceversa per vedere le immagini complete prima e dopo la degassificazione a ultrasuoni.
Risultati della cavitazione a ultrasuoni
I video del processo completo sono disponibili su YouTube (si prega di registrarsi per guardarli): In entrambe le configurazioni, la crescita delle bolle e il trasporto delle bolle tramite lo streaming acustico sono chiaramente visibili. Lo streaming acustico porta alla formazione di dense nuvole di bolle che alla fine raggiungono la superficie del liquido e si disperdono. Nel setup 1, gli eventi di cavitazione si sono verificati principalmente sulla superficie del sonotrodo, e il primo streamer è apparso dopo circa 30 secondi. Nel setup 2, gli streamer si sono formati in tutto il liquido e a causa della forma del contenitore si osservano gli effetti delle onde stazionarie, zone nodali e antinodali, di alta e bassa energia. In entrambe le zone si vede che le bolle si muovono l'una verso l'altra e si fondono, mostrando una promessa significativa per un migliore processo di chiarificazione del vetro.
Prima che l'energia ultrasonica fosse applicata ai campioni, entrambi contenevano molte piccole bolle che li rendevano semi-opachi. Con il tempo, le bolle sono state rimosse e i campioni di glicerina si sono chiariti. La figura 1 mostra la glicerina nella configurazione sperimentale 1 prima e dopo l'esperimento. La figura 2 mostra il campione sperimentale e il campione di controllo prima e dopo l'applicazione degli ultrasuoni nella configurazione 2. Nella configurazione 1, circa 4,5 litri di glicerina sono stati chiariti in dieci minuti.
Configurazione sperimentale
Sono stati utilizzati due setup sperimentali. Il primo (setup 1) consisteva in una bacinella da 4,5 litri di glicerina contenente il sonotrodo in ceramica. Il secondo (setup 2) era costituito da una cella di visualizzazione in vetro di quarzo riempita di glicerina con dimensioni H 63 x L 35 x P 10 mm, alla quale è stata applicata energia ultrasonica esterna. Il secondo setup comprendeva anche un campione di controllo identico al quale non veniva applicata alcuna energia ultrasonica.
Il sonotrodo in ceramica usato nel setup 1 è stato sviluppato appositamente per eliminare le onde stazionarie a 20 kHz. Questo elimina il pericolo di crepe.
Conclusione
I modelli di cavitazione ultrasonica erano chiaramente visibili nella glicerina in entrambe le configurazioni sperimentali, dimostrando che questo modello fisico è un modo eccellente per studiare il degassamento in mezzi viscosi come il vetro fuso.
Il degasaggio a ultrasuoni del vetro fuso presenta molti vantaggi rispetto ai metodi di degasaggio tradizionali. Ad esempio, è più veloce, consuma molta meno energia e non utilizza additivi tossici.. Inoltre, la modellazione fisica del processo con la glicerina rappresenta un modo ideale per approfondire e ottimizzare il processo.