Gli ultrasuoni nel lavaggio industriale (parte 10 )

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1 Gli ultrasuoni nel lavaggio industriale (parte 10 ) Una panoramica completa, teorica e pratica, sullo "stato dell arte" di una tecnologia che presenta ancora molti lati sconosciuti e che è caratterizzata da esperienze empiriche a volte controverse A cura della Redazione Metal Cleaning & Finishing 13

2 LA CAVITAZIONE (PARTE II) La soglia di cavitazione non sembra essere influenzata in maniera particolarmente significativa dalla frequenza della perturbazione, perlomeno nell intervallo applicato al lavaggio industriale (da 20 a 100 KHz approssimativamente), anche se alcuni studi mostrano la presenza di un incremento di un fattore 10 quando ci si avvicina alle frequenze megasoniche (circa 1 MHz). L intensità di cavitazione è il parametro che più di tutti rappresenta la capacità pulente del dispositivo ad ultrasuoni, essendo un indice dell energia prodotta durante l implosione della bolla e trasferita alla superficie da pulire (Fig. 31). Generalmente parlando, si può affermare che l intensità di cavitazione è maggiore per bolle di più grosse dimensioni e diminuisce al diminuire del raggio della cavità. Poiché le bolle più grosse sono prodotte dalle onde ultrasonore di più bassa frequenza (Fig. 32, essendo maggiore l intervallo di tempo tra onda di rarefazione e successiva onda di compressione, la bolla ha a disposizione più tempo per accrescersi prima di implodere), si può anche dire che l intensità di cavitazione è inversamente proporzionale alla frequenza applicata. Ciò significa che per avere la stessa intensità di cavitazione alle frequenze più elevate, occorre fornire maggiore potenza alla perturbazione. Poiché due dei principali fattori che determinano la forza di adesione del contaminante alla superficie da pulire sono la dimensione e la geometria della particella di sporco, affinché questa possa essere distaccata occorre che l intensità di cavitazione sia tale da vincere il legame particella-superficie su tutta l area di contatto. Il contributo della frequenza dell onda ultrasonora è invece quello di impedire che la particella staccata si ridepositi sulla superficie, permettendone l allontanamento da parte del liquido di lavaggio. Questo legame tra intensità di cavitazione, frequenza della perturbazione e potenza trasmessa, deve essere inquadrato in un ottica di prestazioni di lavaggio, nel senso che quando si parla di parità di intensità di cavitazione si intende riferirsi ad un grado di lavaggio che deve essere identico per le diverse condizioni operative. L intensità di cavitazione è dunque legata anche alla potenza erogata ma, per valori di potenza di molto superiori alla soglia di cavitazione, essa non ha un equivalente incremento lineare; al contrario, raggiunto un certo valore limite (pari a circa 2-3 volte la soglia di cavitazione, o pari a circa 1,1 KW/cm 2 secondo altre fonti), non mostra più alcun incremento apprezzabile. Una possibile spiegazione di tale fenomeno viene fornita nel capitolo dedicato al fenomeno dell erosione, che pubblicheremo nei prossimi numeri. INTENSITA' DI CAVITAZIONE RELATIVA A 40 KHz I n te n si t à r e l a t i v a ,11 0,01 0,001 0, khz 40 khz 80 khz 120 khz 170 khz 400 khz Frequenza (KHz) Fig.31 - Intensità di cavitazione per differenti frequenze. L'unità di misura è relativa, prendendo come base l'intensità a 40 khz 14 Metal Cleaning & Finishing

3 Relativamente alle caratteristiche chimico-fisiche del liquido ed alle condizioni operative del bagno, si può dire che i liquidi che possiedono un'elevata tensione superficiale mostrano una maggiore intensità di cavitazione, probabilmente dovuta al fatto che le bolle possono accrescersi maggiormente prima di implodere ed il processo m di implosione stesso risulta più esasperato. Analogamente, un incremento della temperatura del bagno fa aumentare l intensità di cavitazione (oltre che diminuirne la soglia), ma ciò è vero solo fino al raggiungimento di un valore critico per questo parametro, che varia da liquido a liquido (per l acqua pura pari a circa 70 C); oltre questo valore critico essa decresce e in prossimità del punto di ebollizione della sostanza si annulla, venendo a mancare l implosione a causa dell elevata presenza di vapore all interno della cavità. L ultimo aspetto da affrontare è quello della presenza di gas disciolti e/o di impurità nel liquido, che produce una riduzione dell intensità di cavitazione. In sintesi quello che succede è che questi gas si diffondono all interno della bolla durante il processo di accrescimento (ciclo di rarefazione della perturbazione) ed agiscono da cuscino durante l implosione (ciclo di compressione della perturbazione), che risulta quindi meno violenta e non produce gli -40 khz Frequenza khz Fig.32 - Dimensioni delle bolle in rapporto alla frequenza effetti desiderati. Nel dettaglio, quello che succede è schematizzato nella fig. 33: quando si sottopone il gas disciolto alla pressione negativa del ciclo di rarefazione dell onda, la pressione ridotta fa si che il gas si espanda fino a che nella soluzione venga liberata una bollicina; questa continua a crescere sotto l azione della pressione negativa della perturbazione e i gas disciolti nel liquido cominciano a diffondere all interno della bolla. Quando poi la bolla inizia a collassare e si comprime sempre più, sotto l azione della pressione positiva della perturbazione, i gas interni (che vengono anche loro compressi) cominciano a diffondersi verso l esterno della bolla, per tornare nel liquido. Ma questa diffusione inversa non ha inizio che durante il ciclo di compressione dell onda, quando la bolla ha ormai una dimensione piccola, e quindi il suo rateo risulta minore rispetto a quello della diffusione primaria; parte del gas rimane quindi intrappolato nella bolla che, di conseguenza, non può implodere. Ciò che rimane è una piccola tasca di gas compresso, che normalmente si aggrega con altri oggetti della stessa natura, fino a quando non vengono raggiunte delle dimensioni tali da permetterne il galleggiamento verso la superficie libera del liquido. La soglia e l intensità di cavitazione sono dunque i due parametri che di fatto regolano il processo di pulizia superficiale a mezzo ultrasuoni, ma l efficacia del lavaggio può essere ottenuta solo se la distribuzione spaziale e temporale delle bolle risulta uniforme in tutto il volume del bagno. Ciò significa che deve risultare uniforme in tutto il volume la distribuzione della potenza effettivamente trasmessa al liquido. Un parametro normalmente utilizzato per avere una stima approssimativa della potenza media presente in vasca è il watt per litro (W/l). Questo parametro è un indice legato principalmente alla soglia di cavitazione, nel senso che la potenza trasmessa al liquido deve essere tale per cui l ampiezza della perturbazione sia in grado di formare le bolle, indipendentemente da quella che sarà poi l energia rilasciata durante l implosione. In quest ottica si può dire che la potenza applicata non ha nessun legame con la frequenza della perturbazione (cioè è indipendente da essa); quest ultima è invece direttamente legata all intensità di cavitazione, come si è visto precedentemente. L adozione di tale parametro comporta però non pochi problemi di comprensione, innanzi tutto per- Metal Cleaning & Finishing 15

4 ché il valore della potenza cui viene fatto riferimento non è ovviamente quello reale presente nel liquido, ma l unico che può essere noto con precisione: cioè quello della potenza acustica nominale del trasduttore che, generalmente, viene riportata nei bollettini tecnici in termini di valor medio temporale. Ma utilizzando questo valore per il conto, si ottiene un dato relativo alla ipotetica (nel senso che andrebbe effettivamente verificata) distribuzione energetica media all interno del volume di liquido, ma nessuna informazione sul fatto che questa energia sia sufficiente per la cavitazione. In secondo luogo, anche a parità di potenza nominale erogata, la potenza realmente trasmessa dipende dall efficienza elettroacustica del sistema generatore/ trasduttore, che il più delle volte non è nota neanche al produttore. La conseguenza è quindi quella di Fig Effetto dei gas disciolti nel liquido di cavitazione utilizzare un apparecchiatura che potrebbe risultare inadeguata rispetto all effettiva necessità. Inoltre, il valore di W/l che viene considerato nel dimensionamento del dispositivo ad ultrasuoni, dipende principalmente dal tipo di sporco che deve essere asportato (a parità di prodotto chimico usato e di temperatura), ma anche dal tipo di materiale e dalla forma e dimensione del pezzo da lavare, nonché dalla sostanza chimica utilizzata come agente di pulizia; per quanto ci risulta, non sono disponibili dati obiettivi sulla questione ed ogni impiantista si basa sulla propria esperienza che, naturalmente, potrebbe essere viziata da una scarsa conoscenza dei fenomeni, nonché da aspetti prettamente commerciali. Non bisogna però trascurare il fatto che molto spesso un incremento della potenza applicata può servire come compensazione alla carenza di un altro parametro importante del lavaggio: il tempo di applicazione. Nel caso in cui, per necessità legate alla produttività della lavatrice, il tempo di applicazione debba essere necessariamente breve, il valore di W/l assumerà inevitabilmente valori più elevati; generalmente la proporzionalità è lineare entro un certo intervallo di potenza e di tempo, al di fuori del quale però un ulteriore piccola diminuzione del tempo di applicazione comporta eccessivi incrementi di potenza e, parallelamente, ulteriori riduzioni di potenza comportano notevoli incrementi di tempo. Infine, va considerato l aspetto relativo al volume di riferimento; se a parità di potenza installata si aumenta il volume di liquido nella vasca (ad esempio per necessità di ridurre la frequenza di sostituzione del bagno), il valore di W/l diminuisce, ma non necessariamente viene ridotta la formazione di bolle utili (quelle che si sviluppano nelle 16 Metal Cleaning & Finishing

5 Fig Curva per il dimensionamento di un dispositivo a ultrasuoni W A T T / G A L L O N E vicinanze del pezzo), anche se tale valore è apparentemente inferiore alla soglia di cavitazione. Infatti, se la distanza del pezzo dal trasduttore rimane la stessa, l onda diretta mantiene la sua efficacia; ciò che diminuisce è l azione dell onda diffusa (prodotta dalle riflessioni contro le pareti della vasca o contro la stessa superficie da pulire), che risulta più diluita. Complessivamente si può avere una riduzione del grado di lavaggio, soprattutto in quelle zone del pezzo non raggiunte dalla perturbazione diretta. Per contro però, l incremento di potenza che si deve fornire per mantenere le stesse prestazioni di lavaggio, non è direttamente proporzionale all incremento di volume del liquido, ma può essere più contenuto. Occorre menzionare anche il fatto che il parametro W/l non è un parametro oggettivo confrontabile, ma costituisce solo un indicatore che viene utilizzato a posteriori dall impiantista, dopo il dimensionamento, per verificare se quest ultimo è stato fatto correttamente, sulla base della sua esperienza; esso non è dunque la base del dimensionamento del sistema, ma solo la sua verifica. In Fig. 34 è riportato un esempio di curva empirica per il dimensionamento di un dispositivo ad ultrasuoni, in funzione del volume di liquido presente in vasca. INDICE DELLE PUNTATE PRECEDENTI: I ) Introduzione e "stato dell'arte" II ) Cenni di acustica III) Gli ultrasuoni IV) I trasduttori magnetostrittivi V) I trasduttori piezoelettrici (1) VI) I trasduttori piezoelettrici (2) VII) I trasduttori piezoelettrici (3) VIII) Il generatore IX) La cavitazione (1) Metal Cleaning & Finishing 17