- Ultralydsafgasning af smeltede metaller op til 2.300 °C og smeltet glas
- Mandag – fredag: 09:00 – 19:00
- Sialon Ceramics Aps – Østerbrogade 226, st. tv. – 2100 København – Danmark
Ultralydsafgasning ved hjælp af glycerin, hvilket danner grundlag for yderligere undersøgelser.
Afgasning af smeltet glas ved hjælp af glycerin: visualisering af proof of concept
Glycerin blev valgt til afgasning, da det har en viskositet, der svarer til smeltet glas. Da forsøgene udføres ved stuetemperatur, er det betydeligt nemmere at overvåge ultralydskavitationsprocessen. Vi anvendte to forsøgsopstillinger, hvor vi kunne observere og registrere afgasningsprocessen visuelt. Ved at modellere ultralydsafgasning af smeltet glas ved hjælp af glycerin kan vi forenkle den fremtidige procesoptimering.
Ultralydskavitation
Ultralydskavitation indebærer, at der påføres ultralydsbølger på væsker, hvilket medfører dannelse, vækst, pulsering og sammenbrud af mikrobobler. Kavitationen indledes, når et tærskelenerginiveau nås, hvilket for glycerin er ca. 0,15 MPa. Der dannes mange tusinde bobler. Disse udvider sig og brister hurtigt, hvilket skaber chokbølger med høj hastighed og høje tryk på flere GPa. Der opstår også lokale høje temperaturer.
Der dannes gasbobler på kavitationskernerne, og disse vokser ved diffusion fra glycerinen ind i boblen. Hvis væsken allerede indeholder bobler, vokser disse ved diffusion. De enkelte bobler smelter sammen på grund af tiltrækningskræfter mellem dem (Bjerknes- og Bernoulli-kræfter ). I takt med at de vokser, øges deres opdrift, og de stiger op til overfladen, hvor de frigiver gassen til atmosfæren.
Tilmeld dig her for at se hele filmen
Træk de midterste pile med musen fra venstre mod højre og omvendt for at se de fulde billeder før og efter ultralydsafgasning.
Resultater af ultralydskavitation
Der findes videoer af hele processen på YouTube (du skal registrere dig for at kunne se dem): I begge forsøgsopstillinger kan man tydeligt se boblevækst og bobletransport via akustisk strømning. Den akustiske strømning fører til dannelsen af tætte bobleskyer, som til sidst når væskens overflade og spredes. I forsøgsopstilling 1 forekom kavitationsbegivenheder hovedsageligt ved sonotrodens overflade, og den første strømmer dukkede op efter ca. 30 sekunder. I opsætning 2 dannedes strømmer i hele væsken, og på grund af beholderens form kunne man observere effekterne af stående bølger, knudepunkter og antiknudepunkter med henholdsvis høj og lav energi. I begge zoner ses boblerne bevæge sig mod hinanden og smelte sammen, hvilket tegner meget lovende for en forbedret glasfiningsproces.
Inden prøverne blev udsat for ultralydsenergi, indeholdt de begge mange små bobler, hvilket gjorde dem halvgennemsigtige. Med tiden blev boblerne fjernet, og glycerinprøverne blev klare. Figur 1 viser glycerinen i forsøgsopstilling 1 før og efter forsøget. Figur 2 viser forsøgsprøven og kontrolprøven før og efter anvendelsen af ultralyd i opsætning 2. I opsætning 1 blev ca. 4,5 liter glycerin klaret inden for ti minutter.
Forsøgsopstilling
Der blev anvendt to forsøgsopstillinger. Den første (opstilling 1) bestod af en 4,5-liters skål med glycerin, der indeholdt den keramiske sonotrode. Den anden (opstilling 2) var en med glycerin fyldt kvartsglas-gennemsigtig celle med dimensionerne H 63 x B 35 x D 10 mm, hvorpå der blev tilført ekstern ultralydsenergi. Det andet forsøgsopstillingen omfattede også en identisk kontrolprøve, som ikke blev udsat for ultralydsenergi.
Den keramiske sonotrode, der anvendes i opsætning 1, er specielt udviklet til at eliminere stående bølger ved 20 kHz. Dette fjerner risikoen for revnedannelse.
Konklusion
Ultralydskavitationsmønstrene var tydeligt synlige i glycerinen i resultaterne fra begge forsøgsopstillinger, hvilket viser, at denne fysiske model er en fremragende metode til at undersøge afgasning i viskose medier såsom smeltet glas.
Ultralydsafgasning af smeltet glas har mange fordele i forhold til traditionelle afgasningsmetoder. For eksempel foregår den hurtigere, bruger betydeligt mindre energi og kræver ingen giftige tilsætningsstoffer. Desuden giver fysisk modellering af processen ved hjælp af glycerin en ideel mulighed for at undersøge og optimere processen yderligere.