Ultraschall und Kavitation in Flu¢¨ssigkeiten -  £¼ssigkeiten
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  • Ultraschallreinigung  und  Kavitation  in  Flüssigkeiten     Leistungsultraschall  in  Wasser,  Kavitationsmessung,  Sonochemie,  FEM-­Simulation  in  Fluiden  

    Leistungsultraschall  in  Flüssigkeiten  

    Leistungsultraschall   in   Flüssigkeiten   kommt   bei   einer   Vielzahl   unterschiedlicher   Prozesse   zum   Einsatz.   Seit   Jahrzehnten  etabliert   ist  die  Ultraschallreinigung.  Weite-­ re  Anwendungsbereiche  sind  die  Sonochemie,  Medizin-­ technik  und  Biotechnologie.      

    Ein   Großteil   der   Anwendungen   basiert   auf   akustischer   Kavitation.   Überschreitet   die   vom   Ultraschallwandler   erzeugte   Schalldruckamplitude   die   Kavitationsschwelle,   so   entstehen   gas-­   und/oder   dampfgefüllte   Blasen,   wel-­ che  in  der  Überdruckphase  des  Schallfeldes  heftig  kolla-­ bieren.  Dabei   entstehen   lokal   extrem  hohe  Drücke   und   Temperaturen,  welche  beispielsweise   chemische  Reak-­ tionen  auslösen  können.  Kollabieren  die  Kavitationsbla-­ sen  nahe  einer  Oberfläche,  so  kommt  es  zur  Ausbildung   von   oberflächengerichteten   Flüssigkeitsstrahlen   (sog.   Micro   Jets),   welche   unter   anderem   zur   Ablösung   von   Schmutzpartikeln   bei   der   Ultraschallreinigung   genutzt   werden  (Bild  1).    

     

    Bild  1:  Links:  Kavitationsnebel  unter  einem  Ultraschaller-­ zeuger,   Rechts:   Reinigung   der   Innenbohrung   von   Bau-­ teilen  eines  Motorrad-­Vergasers  im  Kavitationsstrahl.  

     

    Auslegung  und  Aufbau  von  Ultraschallwandlern  

    Als   Ultraschallerzeuger   werden   in   den   meisten   Fällen   piezoelektrische   Ultraschallwandler   eingesetzt.   Abhän-­ gig   von   der   Anwendung   ergeben   sich   unterschiedliche   Bauformen.   Bei   der   Ultraschallreinigung   werden   in   der   Regel   Ultraschallwandler   mit   vergleichsweise   geringen   Schwingamplituden   und   großen   Abstrahldurchmessern   eingesetzt,   um   Kavitation   direkt   am   Ultraschallwandler   zu   vermeiden.   Bei   größeren   Reinigungssystemen   wer-­ den   mehrere   Ultraschallwandler   parallel   betrieben.   Die   Abmessungen  des  Ultraschallbades  werden  dabei  gele-­ gentlich   so   gewählt,   dass  Resonanzeffekte   in   der  Flüs-­ sigkeit  ausgenutzt  werden.  

     

    Zur  Erzeugung  deutlich  höherer  Schallintensitäten  (>  50   W/cm2)  kommen  in  der  Sonochemie,  der  Medizintechnik   und   der   Biotechnik   auch   Ultraschallwandler   mit   hohen   Schwingamplituden   (>   150   µmPeak-­Peak)   und   kleinen  Ab-­ strahldurchmessern  zum  Einsatz.  

    Zur  Auslegung,  Analyse  und  Optimierung  der  Ultraschal-­ lerzeuger   verwenden   wir   die   Finite-­Elemente-­Methode   (Bild  2),  mit  der  z.B.  die  lokale  Verformung  der  Piezoke-­ ramik  analysiert  werden  kann.  

                        Bild   2:  Reinigungsschwinger   und  Verformung   im  Finite-­ Element-­Modell  (Modalanalyse,  Radialschnitt)  

    Weiterhin   lassen   sich   die   elektromechanischen   Eigen-­ schaften  genau  abbilden,  wodurch  bei   korrekter  Model-­ lierung   die   intern   dissipierte   Wirkleistung   im   Wandler   optimiert  werden  kann.  Zum  Modellabgleich  dienen  u.a.   elektrisch  gemessene  Frequenzgänge  (Bild  3).  

     

    Bild   3:   Kurzschlusseingangsadmittanz   des   Reinigungs-­ schwingers  aus  Bild  2  (Messung  und  FEM)  

    Simulation  von  Ultraschallfeldern  

    Durch   Finite-­Element-­Simulationen   (FEM),   welche   die   unterschiedlichen  Materialgesetze   in   Flüssigkeiten   oder   Gasen,  in  passiven  Materialien  und  aktiven  Piezomateri-­ alien  sowie  die  Fluid-­Struktur-­Kopplungen   (FSI)  berück-­ sichtigen,   analysieren  und  optimieren  wir  Gesamtsyste-­ me   modellbasiert.   So   kann   beispielsweise   die   Schall-­ druckverteilung   in  Folge  der  elektrischen  Anregung  des   Ultraschallwandlers   in   einem   Wassergefäß   analysiert   werden  (Bild  4).    

    40 42 44 46 48 10-5

    10-4

    10-3

    10-2

    10-1

    f [kHz]

    |Y el

    | [ A/

    V]

    38 40 42 44 46 48 -100

    -50

    0

    50

    100

    f [kHz]

    ph as

    e( Y e

    l) [°]

    0 0.01 0.02 0.03 0.04

    -0.01

    0

    0.01

    0.02

    Re(Yel) [A/V]

    Im (Y

    el ) [

    A/ V]

    Rm = 25.67 Ω Lm = 25.31 mH Cm = 612.71 pF Cp = 3.33 nF Qm = 250.35 fr = 40.41 kHz fa = 43.98 kHz Kp = 17.94 Hz/10° M = 46.10

    Rm = 316.92 Ω Lm = 25.22 mH Cm = 612.34 pF Cp = 3.69 nF Qm = 20.25 fr = 40.50 kHz fa = 43.50 kHz Kp = 222.22 Hz/10° M = 3.36

    Messung FEM

  • Zudem   ermöglicht   die   Fluid-­Struktur-­Kopplung   die   Er-­ mittlung  der  Belastung  des  Ultraschallwandlers  durch  die   Flüssigkeit.  Basierend  auf  diesen  Erkenntnissen  sind  wir   in  der  Lage  Systeme  gezielt   zur  Nutzung  oder  zur  Ver-­ meidung  von  Fluidresonanzen  zu  dimensionieren.  

     

    Bild   4:   Vergleich   zwischen   mittels   FEM   berechneter   (links)   und   gemessener   (rechts)   Schalldruckverteilung   unter   der   Sonotrode   eines   Ultraschallwandlers   (Halb-­ schnitt)    

    Betrieb  von  Ultraschallwandlern  unter  Last  

    Eine   effiziente,   robuste   Regelung   der   elektrischen   Sig-­ nale   ist   notwendige   Voraussetzung   für   den   stabilen   Betrieb  von  Ultraschall-­Kavitationserzeugern.  Typisch  für   Leistungsultraschall  in  Flüssigkeiten  sind  Schwankungen   in  der  Belastung  des  Ultraschallwandlers,  welche  durch   die  Regelung  kompensiert  werden  müssen  (Bild  5).    

     

    Bild   5:   Zeitverlauf   der   Betriebsfrequenz   und   der   Impe-­ danz   eines   piezoelektrischen   Ultraschallwandlers   beim   Einsetzen  akustischer  Kavitation.  

    Messung  von  Schallfeldern  und  Kavitation  

    Zur   Analyse   und   Optimierung   kavitationsbasierter   Pro-­ zesse   ist   eine   messtechnische   Charakterisierung   des   Schallfeldes  und  der  Kavitationsaktivität  notwendig.    

    Die   gezielte   Abstimmung   des   Schallerzeugersystems,   bestehend   aus   dem   Ultraschallwerkzeug   mit   Piezo-­ scheiben,   seiner   elektrischen   Ansteuerung   und   dem   angekoppelten   Flüssigkeitsvolumen   setzt   die   genaue  

    Kenntnis   der   Schallausbreitung   voraus.   Mit   speziellen   Verfahren   lässt   sie   sich   in   Wasser   oder   Luft   messen   (Bild  4,  Bild  6).  

    Bild  6  Stehwelle  in  einem  zylindrisch  geformten  Wasser-­ bad  mit  transparenter  Wand    

    Bei  der  Messung  von  Kavitation  kommen  abhängig  von   der   Anwendung   unterschiedliche   Messverfahren   wie   Folientest,   Sonolumineszenz,   Sonochemolumineszenz   oder   akustische   Messungen   zum   Einsatz.   Bild   7   zeigt   die  mittels  Sonochemolumineszenz  und  Folientest  ermit-­ telten  Kavitationszonen  unter  der  Sonotrode  des  piezoe-­ lektrischen  Ultraschallwandlers  aus  Bild  1  und  Bild  4.    

      Bild  7:  Analyse  der  Kavitationszonen  unter  der  Sonotro-­ de  des  Ultraschallwandlers  aus  Bild  4  mittels  Sonoche-­ molumineszenz  (links)  und  Folientest  (rechts).  

     

    Kontakt  

    Peter  Bornmann,  Technische  Entwicklung  der  ATHENA   Technologie  Beratung  GmbH  

     

    ATHENA

    Technologie Beratung GmbH

    Technologiepark 13

    33100 Paderborn

    Tel.: +49-52 51-3 90 65 61

    Fax: +49-52 51-3 90 65 63

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    http://www.myATHENA.de