Teoría
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Las ondas acústicas, de naturaleza puramente mecánica, no se pueden absorber por las moléculas y se tienen que transformar en una forma químicamente útil a través de un proceso indirecto y complejo denominado cavitación. Como todos los sonidos, los ultrasonidos se propagan a través de una serie de ondas de compresión y expansión que viajan a través de un medio. Los ciclos de compresión juntan las moléculas del medio mientras que los ciclos de expansión las separan. En un medio líquido, el ciclo de expansión de los ultrasonidos puede generar suficiente presión negativa cómo para romper las fuerzas de cohesión de las moléculas del líquido, separándolas localmente, creando allí una verdadera microcavidad o burbuja. Normalmente, esto tiene lugar en zonas previamente contaminadas de la disolución, donde existan pequeñas partículas, gases disueltos o microburbujas debidas a un proceso de cavitación anterior. Estas burbujas van creciendo en unos cuántos ciclos, desde una medida inferior al micrómetro hasta unas decenas de micrómetros, atrapando vapores o gases del medio. El crecimiento de la cavidad durante cada expansión es ligeramente más grande que el encogimiento durante la compresión. Así, a lo largo de muchos ciclos acústicos, la cavidad va creciendo hasta lograr finalmente una medida crítica con la cual puede absorber eficientemente energía de la irradiación ultrasónica. En este punto, la cavidad puede crecer rápidamente durante un ciclo acústico adquiriendo una medida inestable con la que ya no puede absorber energía eficientemente. Sin esta energía la cavidad no se puede mantener y el líquido que la rodea entra violentamente a la cavidad, ocasionando su implosión
Ver la siguiente figura con sus fases:
Esta implosión de la cavidad crea un entorno inusual para reacciones químicas. La rápida compresión de los gases y vapores dentro de la burbuja genera temperaturas y presiones enormes, de hasta 5000 ºC y 1000 atm, respectivamente. Dado que las burbujas son muy pequeñas en comparación con el volumen del líquido que hay alrededor, el calor generado se “disipa” muy rápidamente (> 1010 ºC × s−1), con lo cual las condiciones ambientales se mantienen esencialmente inalteradas. Esta combinación de altas temperaturas, altas presiones y rápido enfriamiento genera unas condiciones difícilmente alcanzables con otras técnicas en la química.
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Por lo tanto el efecto de eliminación de patógenos es consecuencia de varias circunstancias derivadas del propio fenómeno físico de la cavitación. Por un lado, las bruscas variaciones de presión y el vacío provocan un estrés celular que, junto con las fuerzas de choque generadas durante el proceso, rompen las membranas de los microorganismos. Por otro lado, las microburbujas formadas implosionan y generan puntos de gran incremento de temperatura que potencian la acción higienizante. El resultado de la aplicación de la cavitación hidrodinámica es una alta mortalidad de la población microbiana del fluido tratado.
Este proceso, utilizado en otros campos, se ha investigado también en la industria alimentaria por su interés como sustituto de procesos higienizantes como la pasteurización o esterilización, entre otros. -
(Extracto de los sitios:
http://www.ub.edu/talq/es/node/252
http://www.ultratecno.es/tecnologia/ultrasonidos-cavitacion/
http://www.consumer.es/seguridad-alimentaria/ciencia-y-tecnologia/2011/03/24/199553.php)
Burbuja de gas a punto de implosionar
Los ultrasonidos son ondas sonoras con frecuencias por encima del rango auditivo humano (20 – 100 kHz). Las aplicaciones de los ultrasonidos se basan en el fenómeno físico de la Cavitación, que puede inducirse en cualquier medio líquido.
Las ondas sonoras provocan que las diminutas burbujas presentes en los líquidos de forma natural se expandan (durante las fases A y B de baja presión) y contraigan hasta implosionar (durante las fases C y D de alta presión). La formación e implosión de burbujas (proceso de cavitación) se produce miles de veces por segundo
Objetivo
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Desarrollar un sistema de ultrasonido capaz de reducir sensiblemente los agentes patógenos de un líquido por efecto de la cavitación. Este estará basado en un sistema de batea la cuál tendrá adosada en su base exterior un piezoeléctrico. Esta batea con el piezoeléctrico ya pegado, fue donado por una empresa.
El piezoléctrico deberá ser energizado a la frecuencia característica del mismo con un circuito que se deberá desarrollar para tal fin.
Luego se realizará el tratamiento sobre un liquido para evaluar su efectividad.
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Desarrollo
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Se elige la opción de utilizar un puente H para alimentar el piezoeléctrico, y considerando que los piezoeléctricos poseen un comportamiento del tipo capacitivo eléctricamente hablando, se buscará implementar un circuito tanque sintonizado a la frecuencia característica del piezoeléctrico. Esto se logra adicionando un inductor en serie con el piezoeléctrico.
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En el esquema siguiente se observa el circuito con todos los componentes electrónicos que lo conforman para generar una onda cuadrada que controlará un puente H, también representado en el mismo esquema.
Además la carga de ese puente H, es justamente el circuito tanque comom se ve en el esquema, donde el capacitor C5 de 3,3 nF representa eléctricamente al piezoeléctrico. Es justamente sobre los bornes de este capacitor donde se encuentran conectadas las puntas de medición del osciloscopio.
En esta simulación con todos los componentes electrónicos presentes se aplica una frecuencia de 35 Khz, la cuál se buscará que sea generada por un procesador.
El circuito tanque recibirá entonces de manera alternada pulsos de onda cuadrada que lo alimentarán desde ambas polaridades.
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En el gráfico siguiente se observa la señal medida sobre el capacitor C5 (piezoeléctrico)
Si bien la señal de alimentación es cuadrada y alterna, se observaba que debido a la implementación del circuito tanque, la señal resultante sobre el piezoeléctrico estará filtrada a la frecuencia de resonancia que es de alrededor de los 35 Khz, ésta es una señal senoidal.
Por otro lado, el principio de funcionamiento de un circuito tanque serie de capacitor-inductor, genera altas tensiones en cada uno de los dos elementos que componen el tanque. La tensión sobre el capacitor llega a alrededor de los 1100 volts, como se observa en la simulación.
Por tal razón habrá que prestar atención a las tensiones máximas admitidas por el piezoeléctrico y por el inductor agregado.
Representación del circuito impreso del puente H con sus componentes en tres dimensiones, y con los disipadores incluídos