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Modelagem física da desgaseificação ultrassônica em glicerina

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Modelagem física da desgaseificação ultrassônica em glicerina

Desgaseificação ultrassônica usando glicerina, fornecendo um leito de teste para estudos futuros.

desgaseificação de vidro fundido usando glicerina: prova de conceito visualizada

Glicerina foi escolhida para desgaseificação por ter uma viscosidade semelhante à do vidro fundido. Como as experiências são realizadas à temperatura ambiente, a monitorização do processo de cavitação ultrassónica é substancialmente mais simples. Utilizámos duas configurações experimentais onde pudemos observar e registar visualmente o processo de desgaseificação. Ao modelar fisicamente a desgaseificação ultrassónica do vidro fundido com glicerina, podemos simplificar a otimização futura do processo.

Cavitação Ultrassônica

Cavitação Ultrassónica envolve a aplicação de ondas ultrassónicas a líquidos, resultando na produção, crescimento, pulsação e colapso de microbolhas. A cavitação é iniciada quando um nível de energia limiar é atingido, que é aproximadamente 0,15 MPa para a glicerina. Formam-se muitos milhares de bolhas. Estas expandem-se e colapsam rapidamente, criando ondas de choque de alta velocidade e pressões elevadas de vários GPa. Temperaturas elevadas localizadas também ocorrem.

As bolhas de gás formam-se nos núcleos de cavitação e crescem por difusão da glicerina para dentro da bolha. Se o líquido já contém bolhas, estas sofrem crescimento por difusão. Bolhas individuais coalescem devido às forças atrativas entre elas (Bjerknes e Bernoulli forças). À medida que crescem, a sua flutuabilidade aumenta, e elas flutuam para a superfície e libertam o gás para a atmosfera.

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Deslize as setas centrais com o mouse da esquerda para a direita e vice-versa para ver imagens completas antes e depois do degassing ultrassônico.

Resultados da Cavitação Ultrassônica

Vídeos do processo completo estão disponíveis em YouTube (por favor, registre-se para assisti-los): Em ambas as configurações, o crescimento de bolhas e o transporte de bolhas por streaming acústico são claramente visíveis. O streaming acústico leva a formações espessas de nuvens de bolhas que eventualmente alcançam a superfície do líquido e se dispersam. Na configuração 1, eventos de cavitação ocorreram principalmente na superfície do sonotrodo, e o primeiro streamer apareceu após aproximadamente 30 segundos. Na configuração 2, streamers se formaram por todo o líquido e, devido ao formato do recipiente, os efeitos de ondas estacionárias, zonas nodais e antinodais, de alta e baixa energia são observados. Em ambas as zonas, as bolhas são vistas se movendo umas em direção às outras e coalescendo, mostrando um potencial significativo para um processo melhorado de refino de vidro.

Antes de a energia ultrassônica ser aplicada às amostras, ambas continham muitas bolhas minúsculas, tornando-as semitransparentes. Com o tempo, as bolhas foram removidas e as amostras de glicerina foram clarificadas. A Figura 1 mostra a glicerina no aparato experimental 1 antes e depois do experimento. A Figura 2 mostra a amostra experimental e a amostra de controle antes e depois da aplicação de ultrassom no aparato 2. No aparato 1, aproximadamente 4,5 litros de glicerina foram clarificados em dez minutos.

Configuração experimental

Foram utilizadas duas configurações experimentais. A primeira (configuração 1) consistia em uma tigela de 4,5 litros de glicerina contendo o sonotrodo cerâmico. A segunda (configuração 2) era uma célula de visualização de vidro de quartzo preenchida com glicerina, com dimensões A 63 x L 35 x P 10 mm, à qual foi aplicada energia ultrassônica externa. A segunda configuração também incluía uma amostra de controle idêntica à qual nenhuma energia ultrassônica foi aplicada.

A sonotroda cerâmica usada na configuração 1 foi especialmente desenvolvida para eliminar ondas estacionárias a 20 kHz. Isso elimina o perigo de rachaduras.

Conclusão

Os padrões de cavitação ultrassônica foram claramente visíveis na glicerina em ambos os resultados das configurações experimentais, demonstrando que este modelo físico é uma excelente maneira de estudar a desgaseificação em meios viscosos, como o vidro fundido.

Ultrasonic degassing de vidro fundido tem muitos benefícios em comparação com métodos convencionais de degassing. Por exemplo, é mais rápido, usa consideravelmente menos energia e não utiliza aditivos tóxicos. Além disso, modelar fisicamente o processo usando glicerina fornece uma maneira ideal de estudar e otimizar ainda mais o processo.