- Odgazowywanie ultradźwiękowe stopionych metali o temperaturze do 2 300 °C oraz stopionego szkła
- Od poniedziałku do piątku: 09:00–19:00
- Sialon Ceramics Aps – Østerbrogade 226, lokal tv. – 2100 Kopenhaga – Dania
Odgazowanie ultradźwiękowe z wykorzystaniem gliceryny, stanowiące platformę badawczą do dalszych badań.
odgazowywanie stopionego szkła przy użyciu gliceryny: wizualizacja weryfikacji koncepcji
Do odgazowywania wybrano glicerynę, ponieważ ma ona lepkość podobną do lepkości stopionego szkła. Ponieważ eksperymenty przeprowadza się 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 odgazowywania stopionego szkła za pomocą ultradźwięków z wykorzystaniem gliceryny możemy uprościć przyszłą optymalizację procesu.
Kawitacja ultradźwiękowa
Kawitacja ultradźwiękowa polega na oddziaływaniu fal ultradźwiękowych na ciecze, co powoduje powstawanie, wzrost, pulsowanie i zapadanie się mikropęcherzyków. Kawitacja rozpoczyna się po osiągnięciu progowego poziomu energii, który w przypadku gliceryny wynosi około 0,15 MPa. Powstają wówczas tysiące pęcherzyków. Rozszerzają się one i gwałtownie zapadają, wytwarzając fale uderzeniowe o dużej prędkości oraz wysokie ciśnienia rzędu kilku GPa. Występują również lokalne wzrosty temperatury.
Pęcherzyki gazu powstają na jądrach kawitacyjnych i powiększają się w wyniku dyfuzji gliceryny do wnętrza pęcherzyka. Jeśli ciecz zawiera już pęcherzyki, ulegają one wzrostowi dyfuzyjnemu. Poszczególne pęcherzyki łączą się pod wpływem sił przyciągania między nimi ( siły Bjerknesa i Bernoulliego ). W miarę powiększania się wzrasta ich wyporność, w wyniku czego unoszą się one na powierzchnię i uwalniają gaz do atmosfery.
Zarejestruj się tutaj, aby obejrzeć cały film
Przesuń myszką środkowe strzałki od lewej do prawej i odwrotnie, aby obejrzeć pełne zdjęcia przed i po odgazowaniu ultradźwiękowym.
Skutki kawitacji ultradźwiękowej
Filmy przedstawiające cały proces są dostępne na YouTube (aby je obejrzeć, należy się zarejestrować): W obu układach wyraźnie widać wzrost pęcherzyków oraz ich transport w wyniku strumienia akustycznego. Strumień akustyczny prowadzi do tworzenia się gęstych chmur pęcherzyków, które ostatecznie docierają do powierzchni cieczy i ulegają rozproszeniu. W układzie 1 zjawiska kawitacji występowały głównie na powierzchni sonotrody, a pierwszy strumień pojawił się po około 30 sekundach. W układzie 2 strumienie tworzyły się w całej objętości cieczy, a ze względu na kształt zbiornika zaobserwowano efekty fal stojących, stref węzłowych i antywęzłowych o wysokiej i niskiej energii. W obu strefach widoczne jest, jak pęcherzyki zbliżają się do siebie i łączą, co stanowi bardzo obiecujący sygnał dla udoskonalenia procesu klarowania szkła.
Przed poddaniem próbek działaniu energii ultradźwiękowej obie zawierały wiele drobnych pęcherzyków, przez co były półprzezroczyste. Z upływem czasu pęcherzyki zostały usunięte, a próbki gliceryny stały się klarowne. Rysunek 1 przedstawia glicerynę w układzie eksperymentalnym nr 1 przed i po eksperymencie. Rysunek 2 przedstawia próbkę eksperymentalną i próbkę kontrolną przed i po zastosowaniu ultradźwięków w układzie 2. W układzie 1 w ciągu dziesięciu minut sklarowano około 4,5 litra gliceryny.
Układ eksperymentalny
Wykorzystano dwa układy eksperymentalne. Pierwszy (układ 1) składał się z miski o pojemności 4,5 litra wypełnionej gliceryną, w której umieszczono ceramiczną sonotrodę. Drugi (układ 2) stanowiła komora obserwacyjna ze szkła kwarcowego o wymiarach wys. 63 × szer. 35 × gł. 10 mm, wypełniona gliceryną, do której doprowadzano zewnętrzną energię ultradźwiękową. W drugim układzie zastosowano również identyczną próbkę kontrolną, do której nie doprowadzano energii ultradźwiękowej.
Sonotroda ceramiczna zastosowana w układzie nr 1 została specjalnie zaprojektowana w celu wyeliminowania fal stojących o częstotliwości 20 kHz. Eliminuje to ryzyko pęknięcia.
Wnioski
W obu układach eksperymentalnych wyraźnie widoczne były wzory kawitacji ultradźwiękowej w glicerynie, co świadczy o tym, że ten model fizyczny stanowi doskonały sposób badania procesu odgazowywania w mediach lepkich, takich jak stopione szkło.
Odgazowywanie stopionego szkła za pomocą ultradźwięków ma wiele zalet w porównaniu z konwencjonalnymi metodami odgazowywania. Na przykład proces ten jest szybsze, zużywa znacznie mniej energii i nie wymaga stosowania toksycznych dodatków. Ponadto fizyczne modelowanie procesu z wykorzystaniem gliceryny stanowi idealny sposób na dalsze badania i optymalizację procesu.