Ultraljud avgasning med glycerin, vilket ger en testbädd för vidare studier.
avgasning av smält glas med glycerin: konceptbevis visualiserat
Glycerin valdes för avgasning eftersom det har en viskositet som liknar den hos smält glas. Eftersom experimenten utförs vid rumstemperatur är det betydligt enklare att övervaka ultraljudskavitationsprocessen. Vi använde två experimentella uppställningar där vi visuellt kunde observera och registrera avgasningsprocessen. Genom att fysiskt modellera ultraljudsavgasning av smält glas med hjälp av glycerin kan vi förenkla framtida processoptimering.
Ultraljud kavitation
Ultraljudskavitation innebär att ultraljudsvågor appliceras på vätskor, vilket resulterar i produktion, tillväxt, pulsering och kollaps av mikrobubblor. Kaviteringen initieras när en tröskelenerginivå har uppnåtts, vilket är cirka 0,15 MPa för glycerin. Många tusen bubblor bildas. Dessa expanderar och kollapsar snabbt, vilket skapar höghastighetsstötvågor och höga tryck på flera GPa. Lokalt uppstår också höga temperaturer.
Gasbubblor bildas på kavitationskärnorna och växer genom diffusion från glycerinet in i bubblan. Om vätskan redan innehåller bubblor, genomgår dessa diffusionstillväxt. Enskilda bubblor förenas på grund av attraktiva krafter mellan dem (Bjerknes och Bernoulli krafter). När de växer ökar deras boj, och de flyter till ytan och släpper ut gasen i atmosfären.
Registrera dig här för att se hela filmen
Skjut mittenpilarna med musen från vänster till höger och vice versa för att se fullständiga bilder före och efter ultraljudsavgasning.
Resultat av ultraljudskavitation
Videor av hela processen finns tillgängliga på YouTube (registrera dig för att titta på dem): I båda konfigurationerna är bubbeltillväxt och bubbeltransport genom akustisk streaming tydligt synliga. Den akustiska streamingen leder till tjocka bubbelmolnformationer som så småningom når ytan av vätskan och sprider sig. I inställning 1 inträffade kavitation händelser främst vid ytan av sonotrode, och den första streamer dök upp efter cirka 30 sekunder. I inställning 2 bildas streamers i hela vätskan och på grund av behållarens form observeras effekterna av stående vågor, nodala och anti-nodalzoner, av hög och låg energi. I båda zonerna ses bubblor röra sig mot varandra och sammanförs och visar ett betydande löfte om en förbättrad glasfenningsprocess.
Innan ultraljud energi tillämpades på proverna, de båda innehöll många små bubblor gör dem halvgenomskinliga. Med tiden avlägsnades bubblorna, och glycerinproverna klargjordes. Figur 1 visar glycerin i experimentell installation 1 före och efter experimentet. Figur 2 visar det experimentella provet och kontrollprovet före och efter applicering av ultraljud i inställning 2. I inställning 1 klargjordes cirka 4,5 liter glycerin inom tio minuter.
Experimentell installation
Två försöksuppställningar användes. Den första (setup 1) bestod av en 4,5-liters skål med glycerin innehållande den keramiska sonotroden. Den andra (setup 2) var en glycerinfylld kvartsglasblickcell med dimensionerna H 63 x B 35 x D 10 mm, till vilken applicerades extern ultraljudsenergi. Den andra uppställningen innehöll också ett identiskt kontrollprov som inte utsattes för någon ultraljudsenergi.
Den keramiska sonotroden som används i inställning 1 har utvecklats speciellt för att eliminera stående vågor vid 20 kHz. Detta eliminerar risken för sprickbildning.
Slutsats
Ultraljudskavitationsmönstren var tydligt synliga i glycerinet i båda försöksuppställningarna, vilket visar att denna fysiska modell är ett utmärkt sätt att studera avgasning i viskösa medier som smält glas.
Ultraljudsavgasning av smält glas har många fördelar jämfört med konventionella avgasningsmetoder. Det är till exempel snabbare, använder betydligt mindre energi och använder inga giftiga tillsatser. Genom att fysiskt modellera processen med hjälp av glycerin får man dessutom ett idealiskt sätt att studera processen vidare och optimera den.