Hoppa till innehåll

Fysisk modellering av ultraljudsavgasning i glycerin

Hem
Fysisk modellering av ultraljudsavgasning i glycerin

Ultrasonisk avgasning med glycerin, som utgör en testbädd för vidare studier.

avgasning av smält glas med glycerin: konceptbevis visualiserat

Glycerin valdes för avgasning eftersom det har en liknande viskositet som smält glas. Eftersom experimenten utförs vid rumstemperatur är övervakningen av den ultraljudsbaserade kavitationsprocessen betydligt enklare. Vi använde två experimentuppställningar där vi visuellt kunde observera och registrera avgasningsprocessen. Genom att fysiskt modellera ultraljudsbaserad avgasning av smält glas med glycerin kan vi förenkla framtida processoptimering.

Ultrasonisk kavitation

Ultraljudskavitation innebär att ultraljudsvågor appliceras på vätskor, vilket resulterar i produktion, tillväxt, pulsering och kollaps av mikrobubblor. Kavitation initieras när en tröskelenerginivå uppnås, vilket är ungefär 0,15 MPa för glycerin. Många tusentals bubblor bildas. Dessa expanderar och kollapsar snabbt, vilket skapar höghastighetsstötvågor och höga tryck på flera GPa. Lokala höga temperaturer förekommer också.

Gasbubblor bildas på kavitationskärnorna och växer genom diffusion från glycerinet in i bubblan. Om vätskan redan innehåller bubblor genomgår dessa diffusionstillväxt. Enskilda bubblor koalescerar på grund av attraktiva krafter mellan dem (Bjerknes och Bernoulli -krafter). När de växer ökar deras flytkraft, och de flyter upp till ytan och släpper ut gasen till atmosfären.

Registrera dig här för att se hela filmen
Dra mittpilarna med musen från vänster till höger och vice versa för att se fullständiga bilder före och efter ultraljudsavgasning.

Resultat av ultraljudskavitation

Videor av hela processen finns tillgängliga på YouTube (registrera dig för att se dem): I båda uppställningarna är bubbeltillväxt och bubbeltransport genom akustisk strömning tydligt synliga. Den akustiska strömningen leder till tjocka bubbelmolnformationer som så småningom når vätskans yta och sprids. I uppställning 1 skedde kavitationshändelser främst vid sonotrodens yta, och den första strömaren uppträdde efter ungefär 30 sekunder. I uppställning 2 bildades strömmare genom hela vätskan och på grund av behållarens form observeras effekterna av stående vågor, nodala och antinodala zoner med hög och låg energi. I båda zonerna ses bubblor röra sig mot varandra och koalescera, vilket visar stor potential för en förbättrad glasreningsprocess.

Innan ultraljudsenergi applicerades på proverna innehöll båda många små bubblor som gjorde dem halvgenomskinliga. Med tiden avlägsnades bubblorna och glycerinproverna klarnade. Figur 1 visar glycerinet i experimentuppställning 1 före och efter experimentet. Figur 2 visar experimentprovet och kontrollprovet före och efter appliceringen av ultraljud i uppställning 2. I uppställning 1 klarnades cirka 4,5 liter glycerin inom tio minuter.

Experimentell uppställning

Två experimentella uppställningar användes. Den första (uppställning 1) bestod av en 4,5-liters skål med glycerin som innehöll den keramiska sonotroden. Den andra (uppställning 2) var en glycerinfylld kvartsglasvycell med dimensionerna H 63 x B 35 x D 10 mm, på vilken extern ultraljudsenergi applicerades. Den andra uppställningen inkluderade även ett identiskt kontrollprov på vilket ingen ultraljudsenergi applicerades.

Den keramiska sonotroden som användes i uppställning 1 har speciellt utvecklats för att eliminera stående vågor vid 20 kHz. Detta eliminerar risken för sprickbildning.

Slutsats

De ultrasoniska kavitationsmönstren var tydligt synliga i glycerinet i båda experimentuppställningarnas resultat, vilket visar att denna fysiska modell är ett utmärkt sätt att studera avgasning i viskösa medier såsom smält glas.

Ultraljuds avgasning av smält glas har många fördelar jämfört med konventionella avgasningsmetoder. Till exempel är den snabbare, använder betydligt mindre energi och inga giftiga tillsatser. Dessutom ger fysisk modellering av processen med glycerin ett idealiskt sätt att studera och optimera processen ytterligare.