Przejdź do treści

Modelowanie fizyczne odgazowywania ultradźwiękowego w glicerynie

Strona główna
Modelowanie fizyczne odgazowywania ultradźwiękowego w glicerynie

Odgazowywanie ultradźwiękowe przy użyciu gliceryny, stanowiące poligon doświadczalny do dalszych badań.

odgazowywanie stopionego szkła za pomocą gliceryny: wizualizacja dowodu koncepcji

glicerynę , ponieważ ma ona lepkość zbliżoną do lepkości stopionego szkła. Ponieważ eksperymenty przeprowadzane są w temperaturze pokojowej, monitorowanie procesu kawitacji ultradźwiękowej jest znacznie prostsze. Wykorzystaliśmy dwa układy eksperymentalne, w których mogliśmy wizualnie obserwować i rejestrować proces odgazowywania. Dzięki fizycznemu modelowaniu ultradźwiękowego odgazowywania stopionego szkła z użyciem gliceryny możemy uprościć przyszłą optymalizację procesu.

Kawitacja ultradźwiękowa

Kawitacja ultradźwiękowa polega na oddziaływaniu fal ultradźwiękowych na ciecze, co powoduje powstawanie, wzrost, pulsację i zapadanie się mikropęcherzyków. Kawitacja inicjowana jest po osiągnięciu progowego poziomu energii, który dla gliceryny wynosi około 0,15 MPa. Powstają tysiące pęcherzyków. Rozszerzają się one i gwałtownie zapadają, tworząc fale uderzeniowe o dużej prędkości i wysokie ciśnienia rzędu kilku GPa. Występują również lokalne wysokie temperatury.

Pęcherzyki gazu tworzą się na jądrach kawitacji i rosną poprzez dyfuzję z gliceryny do pęcherzyka. Jeśli ciecz zawiera już pęcherzyki, ulegają one wzrostowi dyfuzyjnemu. Poszczególne pęcherzyki łączą się ze sobą pod wpływem sił przyciągania (Bjerknesa i Bernoulliego ). Wraz ze wzrostem ich wyporność wzrasta, a one same unoszą się na powierzchni, uwalniając gaz do atmosfery.

Zarejestruj się tutaj, aby obejrzeć cały film
Przesuwaj środkowe strzałki za pomocą myszy z lewej do prawej i odwrotnie, aby zobaczyć pełne obrazy przed i po odgazowaniu ultradźwiękowym.

Wyniki kawitacji ultradźwiękowej

Filmy z całego procesu są dostępne na YouTube (prosimy o rejestrację, aby je obejrzeć): W obu konfiguracjach wyraźnie widoczny jest wzrost i transport pęcherzyków za pomocą strumienia akustycznego. Strumień akustyczny prowadzi do powstawania gęstych chmur pęcherzyków, które ostatecznie docierają do powierzchni cieczy i rozpraszają się. W konfiguracji 1 zjawiska kawitacji występowały głównie na powierzchni sonotrody, a pierwszy strumień pojawił się po około 30 sekundach. W konfiguracji 2 strumienie utworzyły się w całej cieczy, a ze względu na kształt pojemnika obserwowano efekty fal stojących, stref węzłowych i antywęzłowych, o wysokiej i niskiej energii. W obu strefach obserwowano, jak pęcherzyki zbliżają się do siebie i łączą, co stanowi istotną obietnicę ulepszonego procesu klarowania szkła.

Przed zastosowaniem energii ultradźwiękowej do próbek, obie zawierały wiele drobnych pęcherzyków, co czyniło je półprzezroczystymi. Z czasem pęcherzyki zostały usunięte, a próbki gliceryny sklarowały się. Rysunek 1 przedstawia glicerynę w układzie doświadczalnym 1 przed i po eksperymencie. Rysunek 2 przedstawia próbkę doświadczalną i próbkę kontrolną przed i po zastosowaniu ultradźwięków w układzie 2. W układzie 1 w ciągu dziesięciu minut sklarowało się około 4,5 litra gliceryny.

Konfiguracja eksperymentalna

Zastosowano dwa zestawy eksperymentalne. Pierwszy (zestaw 1) składał się z 4,5-litrowej miski wypełnionej gliceryną, zawierającej ceramiczną sonotrodę. Drugi (zestaw 2) składał się z wypełnionej gliceryną kuwety ze szkła kwarcowego o wymiarach wys. 63 x szer. 35 x gł. 10 mm, do której przyłożono zewnętrzną energię ultradźwiękową. Drugi zestaw zawierał również identyczną próbkę kontrolną, do której nie przyłożono energii ultradźwiękowej.

Ceramiczna sonotroda użyta w konfiguracji 1 została specjalnie opracowana w celu eliminacji fal stojących o częstotliwości 20 kHz. Eliminuje to ryzyko pęknięć.

Wniosek

Wzory kawitacji ultradźwiękowej były wyraźnie widoczne w glicerynie w obu eksperymentach, co dowodzi, że ten model fizyczny jest doskonałym sposobem na badanie odgazowywania w lepkich mediach, takich jak stopione szkło.

Odgazowywanie ultradźwiękowe stopionego szkła ma wiele zalet w porównaniu z konwencjonalnymi metodami odgazowywania. Na przykład jest szybsze, zużywa znacznie mniej energii i nie zawiera toksycznych dodatków . Ponadto, fizyczne modelowanie procesu z wykorzystaniem gliceryny stanowi idealny sposób na dalsze badania i optymalizację procesu.