- Degassamento a ultrasuoni di metalli fusi fino a 2.300 °C e vetro fuso
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Degassamento a ultrasuoni mediante glicerina, che fornisce un banco di prova per ulteriori studi.
Degassamento del vetro fuso mediante glicerina: dimostrazione di fattibilità visualizzata
La glicerina è stata scelta per il degassamento in quanto presenta una viscosità simile a quella del vetro fuso. Poiché gli esperimenti vengono condotti a temperatura ambiente, il monitoraggio del processo di cavitazione ultrasonica risulta notevolmente più semplice. Abbiamo utilizzato due configurazioni sperimentali che ci hanno permesso di osservare e registrare visivamente il processo di degassamento. Modellando fisicamente il degassamento ultrasonico del vetro fuso utilizzando la glicerina, possiamo semplificare l'ottimizzazione del processo in futuro.
Cavitazione ultrasonica
La cavitazione ultrasonica consiste nell'applicazione di onde ultrasoniche ai liquidi, con conseguente produzione, crescita, pulsazione e collasso di microbolle. La cavitazione si innesca al raggiungimento di una determinata soglia energetica, che nel caso della glicerina è di circa 0,15 MPa. Si formano migliaia di bolle che si espandono e collassano rapidamente, generando onde d'urto ad alta velocità e pressioni elevate, dell'ordine di diversi GPa. Si verificano anche temperature localizzate elevate.
Le bolle di gas si formano sui nuclei di cavitazione e crescono per diffusione dalla glicerina all'interno della bolla. Se il liquido contiene già bolle, queste crescono per diffusione. Le singole bolle si uniscono a causa delle forze attrattive che si esercitano tra di loro (di Bjerknes e di Bernoulli ). Man mano che crescono, la loro spinta di galleggiamento aumenta, e le bolle risalgono in superficie rilasciando il gas nell'atmosfera.
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Spostate le frecce centrali del mouse da sinistra a destra e viceversa per visualizzare le immagini complete prima e dopo la degassificazione a ultrasuoni.
Risultati della cavitazione ultrasonica
I video dell'intero processo sono disponibili su YouTube (è necessaria la registrazione per visualizzarli): in entrambe le configurazioni, la crescita e il trasporto delle bolle tramite flusso acustico sono chiaramente visibili. Il flusso acustico porta alla formazione di dense nubi di bolle che alla fine raggiungono la superficie del liquido e si disperdono. Nella configurazione 1, gli eventi di cavitazione si sono verificati principalmente sulla superficie del sonotrodo e il primo flusso è apparso dopo circa 30 secondi. Nella configurazione 2, i flussi si sono formati in tutto il liquido e, grazie alla forma del contenitore, si osservano gli effetti di onde stazionarie, zone nodali e antinodali, ad alta e bassa energia. In entrambe le zone si osserva che le bolle si muovono l'una verso l'altra e si fondono, mostrando notevoli potenzialità per un processo di affinamento del vetro migliorato.
Prima dell'applicazione dell'energia ultrasonica ai campioni, entrambi contenevano numerose minuscole bolle che li rendevano semi-opachi. Col tempo, le bolle sono state eliminate e i campioni di glicerina si sono chiarificati. 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 chiarificati in dieci minuti.
Configurazione sperimentale
Sono state utilizzate due configurazioni sperimentali. La prima (configurazione 1) consisteva in una ciotola da 4,5 litri di glicerina contenente il sonotrodo ceramico. La seconda (configurazione 2) era una cella di visualizzazione in vetro di quarzo riempita di glicerina, con dimensioni di H 63 x L 35 x P 10 mm, alla quale veniva applicata energia ultrasonica esterna. La seconda configurazione includeva anche un campione di controllo identico al quale non veniva applicata alcuna energia ultrasonica.
Il sonotrodo ceramico utilizzato nella configurazione 1 è stato sviluppato appositamente per eliminare le onde stazionarie a 20 kHz. Ciò elimina il rischio di rottura.
Conclusione
I modelli di cavitazione ultrasonica erano chiaramente visibili nella glicerina in entrambi i risultati delle configurazioni sperimentali, a dimostrazione che questo modello fisico è un ottimo modo per studiare il degassamento in mezzi viscosi come il vetro fuso.
La degassificazione a ultrasuoni del vetro fuso presenta numerosi vantaggi rispetto ai metodi di degassificazione convenzionali. Ad esempio, è più rapida, consuma molta meno energia e non richiede l'uso di additivi tossici . Inoltre, la modellazione fisica del processo tramite glicerina offre un metodo ideale per studiare ulteriormente e ottimizzare il processo stesso.