La cavitazione ultrasonora

La cavitazione ultrasonora è il fenomeno mediante il quale è possibile comprendere il principio del lavaggio ad ultrasuoni. In un mezzo liquido, le onde ultrasonore generate da un apposito generatore elettronico ultrasonoro e da un particolare trasduttore montato opportunamente sotto il fondo di una vasca in acciaio inox, generano onde di compressione e depressione ad altissima velocità. Questa velocità è dipendente dalla frequenza di lavoro del generatore ad ultrasuoni. Generalmente essi lavorano ad una frequenza compresa tra i 28 e i 50 Khz. Le onde di pressione e depressione nel liquido originano il fenomeno chiamato "cavitazione ultrasonora".

Tensione superficiale, viscosità e pressione di vapore

Per meglio comprendere il fenomeno,dobbiamo richiamare alla nostra attenzione alcuni concetti fondamentali quali la "tensione superficiale" la "viscosità" e la "tensione o pressione di vapore". I liquidi infatti sono caratterizzati dal fatto che le particelle hanno una possibilità di movimento assai più grande che nei solidi, pur essendo soggette a forze di attrazione assai superiori a quelle esistenti nei gas. In particolare l'acqua è un liquido molecolare, evapora a tutte le temperature ma bolle ad una temperatura ben definita, ossia alla "temperatura di ebollizione" che per l'acqua distillata è di 100 gradi centigradi alla quale la pressione di vapore raggiunge il valore di 1 atmosfera.

La formazione di cavità e il fenomeno dell'implosione

Fig. 1

Che cosa succede allora quando sottoponiamo un certo quantitativo di acqua a temperatura ambiente ad un intenso campo ultrasonoro? Durante la fase di depressione (vedi fig. 1 fase A) si crea all'interno del liquido una moltitudine di bollicine di gas che si ingrandiscono fintantochè dura la fase di depressione acustica (pressione negativa). Questa formazione di bollicine microscopiche di gas è l'inizio della cavitazione (ossia formazione di cavità gassose all'interno del liquido). Durante la seconda fase di compressione ultrasonora ( vedi Fig. 1 Fase B), l'enorme pressione esercitata sulla bollicina appena espansa, comprime la stessa aumentando enormemente la temperatura del gas ivi contenuta (vedi Fig. 1 fase C) fintantochè la bollicina collassa su se stessa implodendo con conseguente enorme rilascio di energia d'urto (vedi Fig. 1 fase D). L'energia d'urto provocata dall'implosione della bollicina di gas, colpisce la superficie dell'oggetto da pulire interagendo sia fisicamente che chimicamente. Fisicamente avremo un fenomeno di "microspazzolatura" ad altissima frequenza (circa 50.000 volte al secondo per una macchina che funziona a 50 Khz) e chimicamente con l'effetto detergente della sostanza chimica presente nel detergente del bagno ad ultrasuoni.

La scelta del tipo di detergente e la temperatura di lavoro

Come potremo notare è di fondamentale importanza considerare anche l'aspetto chimico-fisico del tipo di detergente che si utilizza in una lavatrice ad ultrasuoni. Nella scelta di una lavatrice ad ultrasuoni e nel detergente, molti sono i parametri da tenere in considerazione. Primo tra tutti è il tipo sostanza da rimuovere dall'oggetto sporco e di conseguenze scegliere il tipo di sostanza chimica che possa aggredire il contaminante. Chiaramente, la sostanza chimica (detergente) utilizzata per poter cavitare con efficienza, dovrà essere una soluzione acquosa possibilmente con alta pressione di vapore, con una bassa tensione superficiale ed essere utilizzata ad una temperatura di lavoro intorno ai 50°- 60° C. La temperatura della soluzione acquosa in un bagno di lavaggio ad ultrasuoni è molto importante; infatti l'intensità di cavitazione varia con il variare della temperatura. L'intensità di cavitazione aumenta all'aumentare della temperatura, fino a circa 70°C per poi diminuire e cessare completamente alla temperatura di ebollizione del liquido. Un altro parametro importante da considerare è la pressione di vapore della soluzione detergente utilizzata. Per pressione o tensione di vapore si intende il seguente concetto: se consideriamo un liquido in un recipiente chiuso e termostatato, le molecole superficiali che hanno energia sufficiente passano allo stato di vapore e si dispongono nello spazio disponibile sovrastante il liquido. Occasionalmente alcune molecole di vapore ritornano allo stato liquido fintantochè quando si raggiunge lo stato di equilibrio del sistema, a temperatura costante, la velocità di evaporazione eguaglia quella di condensazione. La pressione esercitata dalle molecole di vapore, in queste condizioni , si definisce tensione di vapore. Il suo valore non dipende dalla quantità di liquido presente ma solo dalla temperatura. Perciò se un liquido viene riscaldato, la tensione di vapore aumenta con la temperatura e quando la tensione di vapore eguaglia la pressione esterna avviene il fenomeno dell'ebollizione. Ogni liquido perciò avrà una propria pressione di vapore e una differente temperatura di ebollizione. Per esempio l'alcool etilico avrà una pressione di vapore molto superiore a quella dell'acqua alla stessa temperatura. L'alcool etilico bolle a 78°C e alla temperatura di ebollizione avrà una pressione di vapore di 1 atm, mentre l'acqua bolle a 100 °C con una pressione di vapore di 1 atm. Per temperatura normale di ebollizione si definisce la temperatura alla quale la tensione di vapore del liquido eguaglia la pressione di 1 atm. Comprendere in modo corretto il concetto di pressione di vapore è importante in quanto esso gioca un ruolo predominante nel processo di cavitazione. Infatti l'energia richiesta per formare una bolla di cavitazione è proporzionale sia alla pressione di vapore del liquido e del valore di tensione superficiale. La cavitazione è difficoltosa quando la pressione di vapore del liquido è bassa (acqua fredda). Per contro le bolle di cavitazione implodono con energia più grande, ma tuttavia dobbiamo alzare molto la potenza applicata per raggiungere il livello di soglia minimo di cavitazione. Pertanto il risultato generalmente si riduce in una minore formazione di bolle e un minor numero di implosioni. Per esempio un aumento della temperatura del liquido, innalza la pressione di vapore dello stesso rendendo più facile la cavitazione vaporosa. Quindi un alto valore di pressione di vapore abbassa la soglia minima di cavitazione, creando molte più bolle che collassano implodendo con un'energia più bassa in quanto la differenza tra pressione interna ed esterna è più piccola. Anche la viscosià del liquido è da tenere in considerazione. Valori alti di viscosità impediscono la cavitazione, mentre bassi valori di viscosità permettono la diffusione delle onde ultrasonore e quindi la formazione di bolle di cavitazione. Analogamente liquidi con alti e bassi valori di tensione superficiali si comportano allo stesso modo di quelli con alto o basso valore di viscosità sopra descritti.

Il sistema "sweep system". La tecnologia e i vantaggi

Altri parametri importanti per ottenere buoni livelli di cavitazione in un liquido sono la frequenza del generatore ad ultrasuoni, la potenza, l'impiego del generatore del tipo "SWEEP SYSTEM" ed infine il tipo di trasduttore impiegato. La frequenza del generatore ad ultrasuoni è importante in quanto determina la dimensione della bollicina di gas all'interno del liquido sottoposto a sonificazione ultrasonora. Maggiore è la frequenza del generatore e minore è la dimensione della bollicina di cavitazione che viene generata, al contrario, minore è la frequenza e maggiore sarà la dimensione della bollicina. E' chiaro che, una bollicina più grande avrà bisogno di un'energia maggiore per implodere e di conseguenza avrà anche una maggiore energia d'urto, mentre una bollicina più piccola necessita di un'energia minore per implodere e di conseguenza possiede un'energia d'urto inferiore. Ma allora qual'è il vantaggio nell'utilizzare sistemi di lavaggio ad ultrasuoni con frequenze alte? Le frequenze alte permettono di generare nell'unità di tempo molte più bollicine, permettendo una migliore distribuzione di cavitazione per unità di superficie. Ad esempio,in un sistema a 40 Khz, la distanza tra i nodi e gli antinodi(o ventri) dell'onda acustica, è praticamente doppia rispetto a quella generata dai sistemi a 20 Khz. Pertanto, i sistemi a 40 Khz, generano nell'unità di tempo molte più bollicine e soprattutto di dimensioni minori, permettendo di raggiungere punti anche molto piccoli per unità di superficie. Per fare un'esempio pratico, possiamo paragonare la cavitazione fine ad alta frequenza ad una carta smeriglio a grana molto fine mentre quella a bassa frequenza, ad una carta smeriglio a grana molto grossa. Lo scopo della carta smeriglio è quello di smerigliare, ma è evidente che si possono ottenere risultati assai differenti a seconda che si utilizzi un tipo a grana fine oppure grossa. Il tipo di generatore utilizzato, può essere del tipo piezoelettrico o magnetostrittivo. Generalmente, vengono utilizzati i trasduttori di tipo piezoelettrico in quanto è possibile progettare trasduttori con frequenze molto più elevate rispetto a quelli di tipo magnetostrittivo. I trasduttori magnetostrittivi ad alta potenza solitamente non superano i 22 Khz. Infine, l'impiego di un generatore del tipo "SWEEP SYSTEM" permette di migliorare ulteriormente la distribuzione della cavitazione ultrasonora. Infatti, la frequenza del generatore, è modulata intorno ad una frequenza centrale, con variazioni di più o meno 1 Khz. Per esempio un trasduttore pilotato a 40 Khz oscillerà ad un frequenza compresa tra i 39 e i 41 Khz. Questa variazione di frequenza impedisce il formarsi all'interno del liquido delle cosìdette "onde stazionarie" che possono generare fenomeni di interferenza acustica quando due (o più) treni d'onda si incrociano in una data regione dello spazio. Il sistema "SWEEP", pertanto, diminuisce i tempi di pulitura, previene il danneggiamento delle parti delicate, incrementa notevolmente la distribuzione della cavitazione ultrasonora e ne facilita il processo nei liquidi che cavitano con difficoltà. Generalmente, il sistema "SWEEP" viene impiegato nei sistemi di lavaggio industriali e molto professionali, ma oggi alcune aziende produttrici, incominciano a fornirlo anche sulle lavatrici ad ultrasuoni di piccole dimensioni.