- Desgaseificação ultrassónica de metais fundidos até 2.300 °C e vidro fundido
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A desgaseificação ultrassónica com glicerina oferece uma plataforma de testes para estudos futuros.
Desgaseificação de vidro fundido utilizando glicerina: prova de conceito visualizada
A glicerina foi escolhida para a desgaseificação por apresentar uma viscosidade semelhante à do vidro fundido. Como as experiências são realizadas à temperatura ambiente, a monitorização do processo de cavitação ultrassónica torna-se consideravelmente mais simples. Utilizámos duas configurações experimentais que nos permitiram observar e registar visualmente o processo de desgaseificação. Ao modelar fisicamente a desgaseificação ultrassónica do vidro fundido utilizando glicerina, podemos simplificar a otimização futura do processo.
Cavitação ultrassónica
A cavitação ultrassónica envolve a aplicação de ondas ultrassónicas a líquidos, resultando na produção, crescimento, pulsação e colapso de microbolhas. A cavitação é iniciada quando é atingido um nível de energia limite, que é de aproximadamente 0,15 MPa para a glicerina. Milhares de bolhas formam-se. Estas expandem-se e colapsam rapidamente, criando ondas de choque de alta velocidade e altas pressões de vários GPa. Também ocorrem temperaturas localizadas elevadas.
As bolhas de gás formam-se nos núcleos de cavitação e crescem por difusão da glicerina para o interior da bolha. Se o líquido já contiver bolhas, estas sofrerão crescimento por difusão. As bolhas individuais coalescem devido às forças atractivas entre elas (de Bjerknes e de Bernoulli ). À medida que crescem, a sua flutuabilidade aumenta, fazendo com que subam à superfície e libertem o gás para a atmosfera.
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Deslize as setas centrais com o rato da esquerda para a direita e vice-versa para visualizar as imagens completas antes e depois da desgaseificação ultrassónica.
Resultados da Cavitação Ultrassónica
Os vídeos do processo completo estão disponíveis no YouTube (registe-se para os visualizar): Em ambas as configurações, o crescimento e o transporte de bolhas por fluxo acústico são claramente visíveis. O fluxo acústico leva à formação de densas nuvens de bolhas que acabam por atingir a superfície do líquido e se dispersam. Na configuração 1, os eventos de cavitação ocorreram principalmente na superfície do sonotrodo, e o primeiro fluxo de bolhas apareceu após aproximadamente 30 segundos. Na configuração 2, formaram-se fluxos de bolhas por todo o líquido e, devido à forma do recipiente, observam-se os efeitos das ondas estacionárias, zonas nodais e antinodais, de alta e baixa energia. Em ambas as zonas, as bolhas são vistas a moverem-se umas em direção às outras e a coalescer, demonstrando um potencial significativo para um processo de refinação de vidro melhorado.
Antes da aplicação de energia ultrassónica às amostras, ambas continham muitas bolhas minúsculas, tornando-as semitransparentes. Com o tempo, as bolhas foram removidas e as amostras de glicerina tornaram-se límpidas. A Figura 1 mostra a glicerina na configuração experimental 1 antes e depois da experiência. A Figura 2 mostra a amostra experimental e a amostra de controlo antes e depois da aplicação de ultrassons na configuração 2. Na configuração 1, aproximadamente 4,5 litros de glicerina foram límpidos em dez minutos.
Configuração experimental
Foram utilizadas duas montagens experimentais. A primeira (montagem 1) era constituída por um recipiente de 4,5 litros contendo glicerina e o sonotrodo cerâmico. A segunda (montagem 2) era uma célula de visualização de vidro de quartzo preenchida com glicerina, com as dimensões de 63 mm de altura x 35 mm de largura x 10 mm de profundidade, à qual foi aplicada energia ultrassónica externa. A segunda montagem incluía também uma amostra de controlo idêntica, à qual não foi aplicada qualquer energia ultrassónica.
O sonotrodo cerâmico utilizado na configuração 1 foi especialmente desenvolvido para eliminar ondas estacionárias a 20 kHz. Isto elimina o risco de rachaduras.
Conclusão
Os padrões de cavitação ultrassónica foram claramente visíveis na glicerina em ambas as experiências, demonstrando que este modelo físico é uma excelente forma de estudar a desgaseificação em meios viscosos, como o vidro fundido.
A desgaseificação ultrassónica de vidro fundido apresenta muitas vantagens em comparação com os métodos convencionais. Por exemplo, é mais rápida, utiliza consideravelmente menos energia e não emprega aditivos tóxicos . Além disso, a modelação física do processo utilizando glicerina oferece uma forma ideal de o estudar e otimizar.