- Desgasificación ultrasónica de metales fundidos hasta 2.300°C y vidrio fundido
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Desgasificado ultrasónico usando glicerina, proporcionando un banco de pruebas para estudios posteriores.
desgasificación de vidrio fundido usando glicerina: prueba de concepto visualizada
Glicerina fue elegida para el desgasificado ya que tiene una viscosidad similar a la del vidrio fundido. Como los experimentos se llevan a cabo a temperatura ambiente, el monitoreo del proceso de cavitación ultrasónica es sustancialmente más sencillo. Utilizamos dos configuraciones experimentales donde pudimos observar y registrar visualmente el proceso de desgasificado. Al modelar físicamente el desgasificado ultrasónico del vidrio fundido usando glicerina, podemos simplificar la optimización futura del proceso.
Cavitación ultrasónica
Cavitación ultrasónica implica aplicar ondas ultrasónicas a líquidos, lo que resulta en la producción, crecimiento, pulsación y colapso de microburbujas. La cavitación se inicia una vez que se alcanza un nivel de energía umbral, que es de aproximadamente 0,15 MPa para la glicerina. Se forman muchos miles de burbujas. Estas se expanden y colapsan rápidamente, creando ondas de choque de alta velocidad y altas presiones 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 la burbuja. Si el líquido ya contiene burbujas, estas experimentan un crecimiento por difusión. Las burbujas individuales se fusionan debido a las fuerzas de atracción entre ellas (Bjerknes y Bernoulli fuerzas). A medida que crecen, su flotabilidad aumenta, y flotan hacia la superficie y liberan el gas a la atmósfera.
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Deslice las flechas centrales con el mouse de izquierda a derecha y viceversa para ver las imágenes completas antes y después de la desgasificación ultrasónica.
Resultados de la cavitación ultrasónica
Los videos del proceso completo están disponibles en YouTube (por favor regístrese para verlos): En ambas configuraciones, el crecimiento de burbujas y el transporte de burbujas por flujo acústico son claramente visibles. El flujo acústico conduce a la formación de densas nubes de burbujas que eventualmente 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 streamer apareció después de aproximadamente 30 segundos. En la configuración 2, los streamers 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, mostrando un gran potencial para un proceso mejorado de afinado de vidrio.
Antes de aplicar energía ultrasónica a las muestras, ambas contenían muchas burbujas diminutas que las hacían semitranslúcidas. 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 de glicerina que contenía el sonotrodo cerámico. La segunda (configuración 2) fue una celda de visualización de vidrio de cuarzo llena de glicerina con dimensiones H 63 x W 35 x D 10 mm, a la que se aplicó energía ultrasónica externa. La segunda configuración también incluyó una muestra de control idéntica a la que no se aplicó energía ultrasónica.
La sonda ultrasónica cerámica utilizada en la configuración 1 ha sido especialmente desarrollada para eliminar ondas estacionarias a 20 kHz. Esto elimina el peligro de agrietamiento.
Conclusión
Los patrones de cavitación ultrasónica fueron claramente visibles en la glicerina en los resultados de ambos montajes experimentales, demostrando que este modelo físico es una excelente manera de estudiar el desgasificado en medios viscosos como el vidrio fundido.
Ultrasonic degassing del vidrio fundido tiene muchos beneficios en comparación con los métodos de desgasificación convencionales. Por ejemplo, es más rápido, utiliza considerablemente menos energía y no usa aditivos tóxicos. Además, modelar físicamente el proceso usando glicerina proporciona una forma ideal de estudiar y optimizar el proceso.