Modellierung und experimentelle Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen Ultraschallwandler und Flüssigkeit in kavitationsbasierten Prozessen

Ultraschall wird zur Effizienzsteigerung in verfahrenstechnischen Prozessen eingesetzt. Die Betriebsparamter der Ultraschallsysteme werden empirisch ermittelt, da derzeit keine systematische Analyse der Wechselwirkung zwischen Ultraschallwandler und Schallfeld sowie kein Verfahren zur Messung der Kavitationsaktivität ohne zusätzlichen Sensor existieren. Auf Basis einer experimentellen Analyse des betrachteten sonochemischen Reaktors wird ein Finite-Elemente-Modell aufgebaut, das die Wechselwirkung zwischen Schallfeld und Ultraschallwandler berücksichtigt. Die modellbasierte Analyse zeigt, dass wegen der akustischen Eigenschaften des Autoklavs nur direkt an der Sonotrode Kavitation entsteht. Die Wechselwirkung zwischen Ultraschallwandler und Schallfeld ermöglicht Aussagen über das Schallfeld und die Kavitationsaktivität auf Basis der Rückwirkung auf den Ultraschallwandler. Die lineare Schalldruckverteilung ermöglicht eine Prognose über die Verteilung von Kavitationszonen. Das beschriebene Modell liefert wertvolle Erkenntnisse für die Auslegung, Analyse und Skalierung sonochemischer Reaktoren. Auf Grund der rauen Prozessrandbedingungen ist die Applikation von Sensoren zur Überwachung der Kavitationsaktivität in vielen sonochemischen Prozessen nicht möglich. Zur prozessbegleitenden Messung der Kavitationsaktivität wird ein Verfahren entwickelt, das die Bewertung der Kavitationsaktivität durch Auswertung der Rückwirkung auf den Ultraschallwandler erlaubt. Das Messverfahren ermöglicht eine vorhersagbare und reproduzierbare Durchführung kavitationsbasierter Prozesse und stellt eine wichtige Erweiterung für bestehende und neue Ultraschallsysteme dar.