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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 4810-5
10-4
10-3
10-2
10-1
f [kHz]
|Yel
| [A/
V]
38 40 42 44 46 48-100
-50
0
50
100
f [kHz]
phas
e(Y el
) [°]
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 ΩLm = 25.31 mHCm = 612.71 pFCp = 3.33 nF Qm = 250.35 fr = 40.41 kHzfa = 43.98 kHzKp = 17.94 Hz/10°M = 46.10
Rm = 316.92 ΩLm = 25.22 mHCm = 612.34 pFCp = 3.69 nF Qm = 20.25 fr = 40.50 kHzfa = 43.50 kHzKp = 222.22 Hz/10°M = 3.36
MessungFEM
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
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Technologiepark 13
33100 Paderborn
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Fax: +49-52 51-3 90 65 63
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