Energieffektivisering genom flödesexciterad, resonansförstärkt och ultraljudskontrollerad kavitation [Elektronisk resurs] Delprojekt inom Mekmassainitiativet för energieffektivitet (E2MPi)

• Projektet syftar till att öka kunskap och förståelse för hur kavitation kan användas och kontrolleras för att koncentrera bearbetningsenergin till frekvensområden som ger effektiv påverkan av cellulosafibrer. Tanken är att skapa ett komplement eller en alternativ teknik till dagens raffinörer. Idén bygger på att resonansförstärkt ultraljud initierar och kollapsar kavitationsbubblor på ytan av cellulosafibrer i vatten. Tidigare forskning har visat att ultraljudsbehandling ger önskade effekter på fiberväggen. Energieffektiviteten har dock inte varit tillräckligt bra och uppskalning är en identifierad problematik. Den föreslagna metoden syftar till att via numerisk och experimentell optimering åstadkomma en energieffektiv och kontrollerad bearbetning av fiberväggen. Den långsiktiga målsättningen är att halvera energiförbrukningen i jämförelse med dagens raffinörer.Hypotesen är att ultraljudskontrollerad kavitation fungerar beroende på att transient asymmetrisk kollapsa av kavitationsbubblor kan ge upphov till extrema tryck på en liten yta. Principen bygger på små att gasbubblor i vatten exciteras av högintensivt ultraljud. Vid en viss kritisk storlek kommer bubblan i resonans och då växer den snabbt. Yttre trycket når sitt max i samband med att bubblan kollapsar. Ultraljud med konstant frekvens (ex 20 kHz) gör att mängder av bubblor, med varierande storlek och harmoniskt relaterade resonansfrekvenser, kollapsar. De jetstrålar i mikroskala som uppstår vid asymmetrisk kollaps av kavitationsbubblor antas ge en mekanisk påverkan av cellulosafibrer i form av både inre och yttre fibrillering.Projektet har resulterat i en utveckling och verifiering av en FE-baserad optimeringsstrategi för flödesinducerad och ultraljudskontrollerad kavitation. Den framtagna kavitationsreaktorn består av en dysa och ett vattenfyllt reaktorrör exciterat med ultraljud. Fibersuspensionen strömmar genom ett inre tunnväggigt rör i reaktorns centrum. Beräkningsmodellen ger stabila resultat avseende ultraljudsexcitering och är kalibrerad med experimentellt bestämda förlustfaktorer för aktuell prototypreaktor. Simuleringar av flödesinducerad kavitation begränsades till ren vattenfas. Den framtagna geometrin är dock verifierad avseende strömning med fibersuspension. Experimentella resultat utan flöde visar mycket god överenstämmelse avseende beräknade svängningsformer och resonansfrekvenser. Beräknad ljudtrycksnivå är högre än uppmätt beroende på de olinjäriteter som uppstår när vätskan utsätts för mycket höga amplituder. Dessutom är förlustfaktorn något högre i experimenten och trycksignalens verkliga effektinnehåll ligger delvis utanför mätområdet.Beräkningsjämförelser med ett alternativt och kommersiellt förekommande reaktorkoncept (behållare), visar att den nyutvecklade rörreaktorn ger högre intensitet i den optimala zonen (+120%). Den totala förlustfaktorn för rörreaktorn är ca 1.1 % vid resonans. Tillförd elektrisk effekt bestäms genom att mäta ström och spänning när kavitationsreaktorn exciteras vid sin resonansfrekvens. Optimal kavitationseffekt identifieras av ljudtrycksamplitudkvoten: pUS(f1.5)/pUS(f1). Kavitation ger effektiv bearbetning av fibermaterialet i zonen för maximal tryckvariation. Initiering av flödesinducerad kavitation med justerbar Venturi-dysa ger intensivare kavitation samt god blandning och sammanhållen fibersuspension. Test och verifiering med fibermaterial är baserad på en HT-CTMP fiber (torkad/aldrig torkad) med 0.5%, 1% och 2% konc. Positiv förändring av fiberkvalitet uppstod endast i några av testfallen. I test med både flödesinducerad och ultraljudsstyrd kavitation uppstod bäst resultat vid lägst energinivå (470 kWh/adt). I övriga testfall finns misstanke om att fibermaterialet har förstörts av för hög kavitationsintensitet. En slutsats som delvis verifieras av SEM-analys av behandlat fibermaterial. Tillförd energinivå var dock inte tillräcklig för att uppnå godkänd massakvalitet, dvs. lika bra eller bättre dragindex. I nuläget går det inte att fastställa om föreslagen metod är energieffektiv på grund av svårigheten i att jämföra en prototyp och fullskaleanläggning. En uppenbar förbättringsmöjlighet med framtagen reaktorlösningen är att förlänga reaktorröret (ej realiserbart i prototypskedet). Den valda reaktorlösningen kan skalas upp genom parallellkoppling och seriekoppling. Seriekoppling och längre reaktorrör kräver ett högre matningstryck vilket kan ge en fördel med högre kavitationsintensitet. Den experimentella valideringen är begränsad till en excitationsfrekvens (22.7 kHz) och normaltryck. En kombination med högre ultraljudsfrekvenser (37 och/eller 53 kHz för rörreaktorn) är en möjlig förbättring genom att de aktiva bubblornas storlek reduceras och får en storleksordning som är bättre anpassad till fiberväggens storlek och struktur. En annan förbättringsaspekt är ett högre statiskt tryck, vilket ökar kavitationsintensiteten och möjliggör en förkortad exponeringstid. 

Ämnesord

Engineering and Technology  (hsv)

Mechanical Engineering  (hsv)

Fluid Mechanics and Acoustics  (hsv)

Teknik och teknologier  (hsv)

Maskinteknik  (hsv)

Strömningsmekanik och akustik  (hsv)

Teknisk akustik  (ltu)

Engineering Acoustics  (ltu)

Indexterm och SAB-rubrik

Forestry

agricultural sciences and landscape planning - Wood fibre and forest products

Engineering mechanics - Other engineering mechanics

Ultrasound structural acoustics resonance cavitation hydro dynamic

Acoustics

optimizatin

Skogs- och jordbruksvetenskap samt landskapsplanering - Träfiber- och virkeslära

Teknisk mekanik - Övrig teknisk mekanik