PROVE DI MISURA DEL CAMPO
CAVITAZIONALE
La cavitazione ultrasonica
 Gli ultrasuoni sono onde meccaniche sonore
2·104 ÷ 109 Hz
 La generazione degli US è dovuta ai “trasduttori”
5 - 25 µm
elemento vibrazionale: ceramica piezoelettrica
differenza di potenziale
propagazione
dell’onda nel mezzo
deformazione meccanica
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La cavitazione ultrasonica
La propagazione dell’onda ultrasonica nel liquido
 avviene tramite onde di pressione:
alternanza di fasi di compressione e rarefazione
Rarefazione  Formazione delle bolle di vapore
Compressione  Violenta implosione delle bolle
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La cavitazione ultrasonica
La formazione delle bolle cavitazionali avviene quando la pressione
puntuale nel liquido scende al di sotto della tensione di vapore ad una
determinata temperatura mediante l’uso di un campo di onde ultrasoniche
Bolle stabili  variazione di dimensione attorno ad una dimensione di
equilibrio (3 W/cm2)
Bolle di transizione  fase di espansione seguita da un violento collasso
nella fase di compressione (10 W/cm2)
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La cavitazione ultrasonica
esempio di azione cavitazionale applicata ad un foglio di alluminio
5
Dinamica della bolla - Modello
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Dinamica della bolla – Simulazione
Andamento di R(t), Pb(t) e Tb(t) a 50 °C
Andamento della pressione della bolla
Andamento del raggio della bolla
25000
200
Pressione [bar]
Raggio [μm]
150
100
50
0
20000
15000
10000
5000
0
0
10
20
30
40
0
10
Tempo [μs]
30
40
Tempo [μs]
Tomita – Shima
Rayleigh – Plesset
Andamento della temperatura della bolla
2000
Temperatura [°C]
20
1500
Parametri operativi:
1000
500
0
0
10
20
Tempo [μs]
30
40





R0
P0
f
I
P
= 10 μm
= 101325 Pa
= 25 kHz
= 20000 W/m2
= 600 W
7
Dinamica della bolla - Simulazione
Effetto della variazione della frequenza sulla Pb
Parametri operativi:




R0
P0
I
P
= 10 μm
= 101325 Pa
= 20000 W/m2
= 600 W
b
T = 20°C
T = 50°C
T = 92°C
8
Dinamica della bolla - Simulazione
Effetto di variazione della temperatura sulla Pb
Parametri operativi:





R0
P0
f
I
P
= 10 μm
= 101325 Pa
= 25 kHz
= 20000 W/m2
= 600 W
b
9
La mappatura del campo ultrasonico
Per misurare il campo cavitazinale è stato utilizzato
Ultrasonic Energy Meter
misura la cavitazione o il collasso delle bolle formate come se
implodessero su una superficie, a seguito della trasmissione degli ultrasuoni
nel liquido
la misura della cavitazione viene espressa come
densità di energia cavitazionale (W/in2)
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La mappatura del campo ultrasonico
Mappature – Reticolo di misura
Emettitore ultrasonico piano
Sonda connessa al Ultrasonic Energy Meter
Trasduttori ultrasonici
Barra diffusore
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La mappatura del campo ultrasonico
Mappature – Esempio (1)
Temperatura 30 °C
45 mm
15 mm
Altezza liquido
Altezza sonda
Portata
Temperatura 70 °C
45 mm
15 mm
8 l/min
12
La mappatura del campo ultrasonico
Mappature – Esempi (2)
45 mm
Portata 8 l/min
15 mm
Altezza liquido
Altezza sonda
Temperatura
45 mm
15 mm
30 °C
Portata 17 l/min
La mappatura del campo ultrasonico
Analisi dei dati – Uniformità del campo ultrasonico
Altezza del liquido
Portata
Potenza
45 mm
17 l/min
600 W
RDS*100 [%]
Parametri operativi
40
35
30
25
20
15
10
5
0
30 mm
15 mm
20
30
40
50
60
70
80
90
Temperatura [°C]
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La mappatura del campo ultrasonico
Analisi dei dati – Influenza della temperatura e della portata
Parametri operativi
Altezza del liquido
Altezza della sonda
Potenza
45 mm
15 mm
600 W
Potenza cavitazionale specifica
relativa [%]
100
90
80
70
60
50
8 l/min
40
17 l/min
30
20
20
30
40
50
60
70
80
90
Temperatura [°C]
Altezza del liquido
Altezza della sonda
Potenza
45 mm
30 mm
600 W
Potenza cavitazionale specifica
relativa [%]
100
90
80
70
60
8 l/min
50
17 l/min
40
30
20
20
30
40
50
60
70
80
90
Temperatura [°C]
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La mappatura del campo ultrasonico
Analisi dei dati – Influenza della temperatura e dell’altezza
della sonda
Altezza del liquido
Portata
Potenza
45 mm
17 l/min
600 W
Potenza cavitazionale specifica
relativa [%]
Parametri operativi
100
90
80
70
60
50
40
30
20
15 mm
30 mm
20
30
40
50
60
70
80
90
Temperatura [°C]
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La mappatura del campo ultrasonico
Analisi dei dati – Variazione dell’intensità media in funzione
dell’altezza sonda – volume di liquido a potenza costante
20,0
Portata
Potenza
17 l/min
600 W
 La potenza cavitazionale volumica media non
sembra connessa alla potenza installata degli US
I med [W/in2]
Parametri operativi
18,0
165
16,0
150
14,0
135
12,0
120
10,0
105
8,0
90
6,0
75
4,0
60
2,0
Pelo libero del liquido
0
15
30
45
60
75
90
45
105 120 135 150 165
30
altezza della sonda[mm]
20,0
165
16,0
150
14,0
135
12,0
10,0
8,0
6,0
-180 -165 -150 -135 -120 -105 -90 -75 -60 -45 -30 -15
profondità della sonda dal pelo lbero del liquido [mm]
0
I med [W/in2]
18,0
120
105
90
4,0
75
2,0
60
0,0
45
 A parità di distanza dal pelo libero del liquido si
riscontra un andamento similare per le intensità
di potenza media (a causa delle frequenza di
risonanza della macchina)
30
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Conclusioni
 Dinamica
della bolla - Modello
Raggio delle bolle cavitazionali : circa 35 μm
Elevata pressione di implosione della bolla: circa 20000 bar
Elevata temperatura durante il collasso della bolla: circa 1500 °C
Frequenza ottimale degli ultrasuoni: 30 kHz
Temperatura ottimale per massimizzare la cavitazione: 305 K (circa 30°C)
(in funzione del valore di pressione di implosione della bolla)
• Effetto negativo della temperatura
•
•
•
•
•
 La mappatura del campo ultrasonico
• L’aumento della temperatura presenta un effetto negativo sull’intensità
cavitazionale
• Esiste una temperatura ottimale in cui è presente uniformità di campo (50 °C)
• L’aumento di turbolenza nel bagno ha un effetto negativo sulla cavitazione
Fondamentale è lo studio della geometria utilizzata
per la circolazione del bagno di tintura
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GRAZIE
PER
L’ATTENZIONE