- Desgasificación ultrasónica de metales fundidos hasta 2300 °C y vidrio fundido
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Modelado físico de la desgasificación ultrasónica en glicerina
Modelado físico de la desgasificación ultrasónica en glicerina
Desgasificación ultrasónica mediante glicerina, que proporciona un banco de pruebas para estudios posteriores.
Desgasificación de vidrio fundido con glicerina: visualización de la prueba de concepto
la glicerina para la desgasificación debido a su viscosidad similar a la del vidrio fundido. Dado que los experimentos se realizan a temperatura ambiente, el monitoreo del proceso de cavitación ultrasónica resulta mucho más sencillo. Utilizamos dos configuraciones experimentales que nos permitieron observar y registrar visualmente el proceso de desgasificación. Al modelar físicamente la desgasificación ultrasónica del vidrio fundido con glicerina, podemos simplificar la optimización del proceso en el futuro.
Cavitación ultrasónica
La cavitación ultrasónica consiste en aplicar ondas ultrasónicas a líquidos, lo que provoca la formación, el crecimiento, la pulsación y el colapso de microburbujas. La cavitación se inicia al alcanzar un umbral de energía, que en el caso de la glicerina es de aproximadamente 0,15 MPa. Se forman miles de burbujas, que se expanden y colapsan rápidamente, generando ondas de choque de alta velocidad y presiones elevadas 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 el interior de la burbuja. Si el líquido ya contiene burbujas, estas crecen por difusión. Las burbujas individuales se fusionan debido a las fuerzas de atracción entre ellas (de Bjerknes y Bernoulli ). A medida que crecen, su flotabilidad aumenta, ascienden a 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 ultrasónica.
Resultados de la cavitación ultrasónica
Los vídeos del proceso completo están disponibles en YouTube (regístrese para verlos): En ambas configuraciones, el crecimiento y el transporte de burbujas mediante flujo acústico son claramente visibles. El flujo acústico genera densas formaciones de nubes de burbujas que finalmente alcanzan la superficie del líquido y se dispersan. En la configuración 1, los eventos de cavitación ocurrieron principalmente en la superficie del sonotrodo, y el primer filamento apareció aproximadamente a los 30 segundos. En la configuración 2, los filamentos se formaron en todo el líquido y, debido a la forma del recipiente, se observan los efectos de ondas estacionarias, zonas nodales y antinodales, de alta y baja energía. En ambas zonas, se observa que las burbujas se mueven unas hacia otras y se fusionan, lo que demuestra un gran potencial para mejorar el proceso de refinamiento del vidrio.
Antes de aplicar la energía ultrasónica a las muestras, ambas contenían numerosas burbujas diminutas que las volvían semiopacas. Con el tiempo, las burbujas se eliminaron y las muestras de glicerina se clarificaron. 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.
Configuración experimental
Se utilizaron dos configuraciones experimentales. La primera (configuración 1) consistió en un recipiente de 4,5 litros con glicerina que contenía el sonotrodo cerámico. La segunda (configuración 2) fue una celda de visualización de vidrio de cuarzo llena de glicerina, con dimensiones de 63 mm de alto x 35 mm de ancho x 10 mm de profundidad, a la que se aplicó energía ultrasónica externa. Esta segunda configuración también incluyó una muestra de control idéntica a la que no se aplicó energía ultrasónica.
El sonotrodo cerámico utilizado en la configuración 1 ha sido desarrollado especialmente para eliminar las ondas estacionarias a 20 kHz. Esto elimina el riesgo de agrietamiento.
Conclusión
los patrones de cavitación ultrasónica fueron claramente visibles en la glicerina, lo que demuestra que este modelo físico es una excelente manera de estudiar la desgasificación en medios viscosos como el vidrio fundido.
La desgasificación ultrasónica del vidrio fundido ofrece numerosas ventajas en comparación con los métodos de desgasificación convencionales. Por ejemplo, es más rápida, consume mucha menos energía y no utiliza aditivos tóxicos . Además, la modelización física del proceso mediante glicerina proporciona una forma ideal de estudiarlo en profundidad y optimizarlo.