Hvad er ultralydsrensning

Ultralydsteori

Ultralydsrensning beror på kavitation – dvs. hulrum eller bobler, som lynhurtigt opstår og klapper sammen igen (kollapser) i en rensevæske. De utallige små og kraftigt imploderende bobler giver en meget effektiv renseeffekt på både synlige og skjulte overflader, som er nedsænket i rensevæsken. Hvis frekvensen øges, opstår der også flere bobler, men effekten i hver boble er mindre. Dette gør højfrekvente rensere mere effektive til rensning af små partikler, hvor det er vigtigt at undgå skadelige påvirkninger fra rensevæsken. Kavitation frembringes ved at sende højfrekvente (ultrasoniske) lydbølger igennem en væske. Derfor er de tre hovedelementer i et ultralydsrensningssystem: en tank til væske og emne, en transducer, som omformer elektrisk energi til mekanisk energi og en ultralydsgenerator, som producerer de højfrekvente lydbølger.

Transducere og generatorer

Hjertet i enhver ultralydsrenser er transduceren. Der findes for nærværende to typer transducere. En magnetostriktiv, som er fremstillet af nikkel/nikkellegeringer og en elektrostriktiv, som er fremstillet af bly, zirkon, titanium og keramiske materialer. Elektrostriktive materialer ændrer deres fysiske dimensioner, når de anbringes i et elektrisk vekselfelt. Dette kaldes den piezoelektriske effekt. Magnetostriktive transducere er fremstillet i materialer, som ændrer fysisk dimension, når de udsættes for et vekselfelt. Uanset transducertype er den primære faktor intensiteten i den genererede kavitation. Ultrasonisk energi er som enhver anden lydbølge en serie af trykspidser, eller snarere en serie af kompressioner og dekompressioner.

Hvis lydenergien har en tilstrækkelig styrke, vil væsken faktisk blive trukket fra hinanden i dekompressionsfasen, og der vil derfor dannes små bobler eller hulrum i væsken. I den efterfølgende kompressionsfase vil alle boblerne i væsken kollapse – eller implodere – hvilket skaber en ekstremt effektiv kraft, som er særdeles egnet til rensning. Denne proces er bedst kendt som kavitationsrensning. Ud fra en teoretisk betragtning er det estimeret, at der kan opstå tryk på over 700bar og temperaturer på over 11.000°C i den kollapsende boble, og der vil blive udsendt chokbølger i alle retninger i samme øjeblik. Energien, som udløses af en enkelt kaviterende boble, er ekstremt ringe, men mange millioner bobler kollapser hvert sekund, og sammenlagt bliver effekten meget intensiv og producerer den intensive skrubbende effekt på emnet, som er karakteristisk for al ultralydsrensning. Kavitation opstår overalt i væsken ved tilstrækkelig energiintensitet, og af denne årsag er ultralyd effektiv til rensning af små huller og sprækker. Ultralyd vil også accelerere kemiske reaktioner og hastigheden hvormed overfladebelægninger vil opløses.

Kavitation opstår kun når partieltrykket i en væske er lavere end damptrykket. Amplituden (effekten) af de ultrasoniske bølger, som genereres af transduceren, må være kraftige nok til at frembringe denne tilstand. Den mindste, nødvendige effekt for at frembringe kavitation kaldes kavitationsgrænsen. Forskellige væsker vil have forskellige kavitationsgrænser, men kavitationsgrænsen skal overskrides for at opnå en rensende effekt. Kun ultralydsenergi, som ligger over kavitationsgrænsen, medvirker til at generere kavitationsbobler og dermed til renseprocessen. Øges den ultrasoniske energi over kavitationsgrænsen, vil den rensende effekt øges tilsvarende, indtil et vist niveau. Der vil være et niveau, hvor væsken ikke længere kan optage yderligere ultrasonisk energi, og kavitationen nær ved transducerens vibrerende overflade vil blive så voldsom, at væsken i praksis vil blive elastisk, og således reducere eller hindre yderligere transmission af ultralydsenergi i væsken. I den anden ende af skalaen er der en bestemt nedre grænse, hvor kavitation ikke vil opstå. Et minimum af energi er nødvendig for at frembringe kavitation, men når kavitation finder sted, kan energitilførslen reduceres mens kavitation stadig vil opstå. Ultralydsområdet i hvilket kavitation kan frembringes mellem kavitationsgrænsen og maksimum er sædvanligvis delt i et effektområde på ikke mindre end 2 eller 3 til 1. For eksempel vil en beholder med kun en ringe mængde væske over transduceren udsættes for overfladekavitation ved et lavt energiniveau; en meget dyb tank eller en tank, som er fyldt helt op med dele, som skal renses, behøver at få tilført et meget højere energiniveau for at opnå en effektiv rensning.

Frekvensens betydning

Hvis driftsfrekvensen er lav (inden for det hørbare område), vil støj være et problem. Hvis udstyrets driftsfrekvens falder under 20kHz, vil det ikke kun give en betydelig driftsstøj, men driftsstøjen kan overskride de støjgrænser, som er fastsat af de stedlige myndigheder. Lavere driftsfrekvenser på 20-30kHz vælges generelt ved vanskelige opgaver som kræver højere energiniveauer til fjernelse af genstridigt snavs og hvor destruktion af emnet ikke er et problem. Disse frekvenser benyttes oftest til store eller tunge emner eller ladninger af små dele, som samlet danner en stor masse. Højere frekvenser bruges oftest til rensning af mindre og finere dele eller hvis små partikler skal fjernes fra større emner. Højere frekvenser benyttes også, når ødelæggelse af emnet kan være et problem. Flere faktorer kan medvirke til forbedret renseeffekt ved højere frekvenser. Antallet af kavitationsbobler øges lineært med frekvensen, hvorved en mere intens renseeffekt vil opnås, og de genererede kavitationsbobler vil være i stand til at trænge ind i mindre sprækker og hulrum i emnet. Hvis ultralydseffekten holdes konstant og frekvensen øges, vil kavitationsboblernes størrelse og dermed energien i hver boble reduceres. Dette vil effektivt minimere risikoen for skader på emnets overflade. Højere frekvenser reducerer også det viskøse grænselag (Bernoulli’s effekt), hvorved ultralydsbølgerne kan ”se” mindre partikler. Dette svarer til at sænke vandstanden i et vandløb, så de små sten i bunden bliver synlige.

Hvorfor vælge et ultralydsrensesystem?

De anerkendte fordele ved et ultralydsrensesystem er:

• Præcision: Ultralydsenergi trænger ind i alle revner og sprækker kan enhver del eller ethvert emne rengøres. I mange tilfælde er ultralydsrensning den eneste metode der opfylder kravene til effektiv rensning af ethvert emne.
• Hastighed: Ultralydsrensning er mindre tidskrævende end alle andre konventionelle rensemetoder ved fjernelse af belægninger og forurening fra emner. Hele komponenter kan rengøres uden at skulle adskilles. Ofte vil besparelsen i arbejdstid gøre ultralydsrensning til den mest økonomiske rengøringsmetode.
• Ensartethed :I modsætning til manuel rensning giver ultralydsrensning uden sammenligning den mest ensartede rensning uanset emnets størrelse, kompleksitet, enkeltvis håndtering eller i serier, eller på samlebånd.

Valg af renseproces og renseopløsninger

Inden indkøb af et rensesystem skal delene, som skal renses, gennemgå en analyse, som skal fastlægge:

• Konstruktionsmaterialer, sammensætning og antal af dele der skal renses.
• Forureningens art og omfang.
• Rensemetoden, som foretrækkes, enten baseret på vand eller opløsningsmiddel, baseret på gennemførte prøver. Kun dér er det muligt at vælge et egnet rensesytem designet til den valgte renseproces og det valgte rensemiddel.

Valg af kemi

Idet alle fysiske egenskaber for en given væske vil have indflydelse på effekten af ultrasonisk rensning, vil især partieltrykket (damptrykket), overfladespænding, viskositet og vægtfylde have betydning. Da temperaturen har indflydelse på disse egenskaber, vil temperaturen også have indflydelse på kavitationsprocessens effektivitet. Tages effekten af disse fire nøgleegenskaber i betragtning i forhold til kavitation, har undersøgelser vist at høj vægtfylde, lav viskositet og middel overfladespænding og partieltryk (damptryk) giver de mest ideelle betingelser for den mest effektive kavitationsdannelse. På grund af temperaturens effekt på disse fire egenskaber vil den mest intensive kavitation finde sted betragteligt under væskens kogepunkt, men dog ikke ved så lave temperaturer, at væskens partieltryk bliver for lav eller overfladespændingen bliver for høj. Forskellige væsker vil have forskellige temperaturer, hvor kavitationseffekten vil være størst pga. forskellene i væskens fysiske egenskaber. Derfor vil kavitationseffekten være mindre, når temperaturen er over eller under den ideelle temperatur for den givne væske. Alle rensesystemer bør designes til anvendelse med den valgte rensevæske. Væskebaserede systemer omfatter typisk flere tanke, cirkulationspumper og filtersystemer, skylle- og tørretrin og andet tilbehør. Systemer designet for brug med opløsningsmidler – oftest ultralydsaffedtningssystemer, omfatter typisk arrangementer for kontinuerlig separering af forurenet rensemiddel. Ultralydsdampaffedtning gennemføres i et integreret flerkammersystem, som omfatter pumper til kogende opløsningsmiddel og ultralydsskyllepumper. Kombinationen af varme dampe af opløsningsmiddel og ultrasonisk omrøring fjerner effektivt olie, fedt, voks og andet opløseligt snavs. De rensede dele forlader renseprocessen varme, rene og tørre.

Tre faktorer der bør tages i betragtning ved valg af renseproces

1) Effektivitet: Eksperimenter kan være påkrævet ved søgen efter den mest effektive renseproces. Hvis ultralydsrensning tilføres en eksisterende renseproces, kan renseprocessen blive så meget bedre, at den eksisterende proces kan forblive uændret.

2) Enkelt at bruge: De valgte væsker skal bedømmes efter sikkerhed, enkel håndtering og levetid.

3) Omkostninger: Den billigste rensevæske er nødvendigvis ikke den billigste at bruge. Der bør gøres overvejelser omkring effektivitet, sikkerhed og antallet af dele, der kan renses med en given mængde af opløsningen. Renseopløsningen skal naturligvis være kemisk kompatibel med de emner, der skal renses, ligesom rensevæsken skal være effektiv til at fjerne den aktuelle forurening fra emnet. Vand er den mest almindeligt forekommende rensevæske. og systemer, som anvender vandbaserede rensemidler, vil uvægerligt være enklere at håndtere, have lave driftsomkostninger og vil være effektive over et bredt spekter af anvendelsesområder. Der er dog visse materialer og forureninger, som ikke er egnede til vandbaserede rensesystemer, men hvor andre opløsningsmidler vil være bedre egnede.

Håndtering af emner

En anden faktor ved ultralydsrensning omhandler fyldning af rensekurven med dele eller hele komponenter. Fyldning af dele i en ultralydsrensetank skal udføres så hverken kurv eller emner berører tankens bund eller sider. Summen af delenes tværsnitsarealer bør ikke overstige 70% af tankens tværsnitsareal. Elastomerer og ikke-faste kunststoffer vil absorbere ultralydsenergi og bør bruges med omtanke ved fastgørelse af emner i rensekurven. Isolerede dele bør eventuelt orienteres specielt i kurven. Forkert udformning af rensekurven, eller en kurv med for høj masse, kan medføre en stor reduktion i renseeffekten for selv det bedste ultrasoniske rensesystem. Ethvert kurv materiale, som er vævet tættere end str. 50 vil virke som en fast masse, hvorimod store åbninger vil sprede den ultrasoniske energi. Åbninger større end ca. 7mm vil virke som en fri åbning. Kroge, skinner og bægre kan også benyttes til at understøtte emnerne.