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

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Ultraschall wird zur Effizienzsteigerung in verfahrenstechnischen Prozessen eingesetzt. Die Betriebsparameter der Ultraschallsysteme werden empirisch ermittelt, da es derzeit keine systematische Analyse der Wechselwirkung zwischen Ultraschallwandler und Schallfeld sowie kein Verfahren zur Messung der Kavitationsaktivität ohne zusätzlichen Sensor gibt. Durch eine experimentelle Analyse eines sonochemischen Reaktors wird ein Finite-Elemente-Modell entwickelt, das die Wechselwirkung zwischen Schallfeld und Ultraschallwandler berücksichtigt. Die Analyse zeigt, dass aufgrund der akustischen Eigenschaften des Autoklavs Kavitation nur direkt an der Sonotrode entsteht. Die Wechselwirkung ermöglicht Aussagen über das Schallfeld und die Kavitationsaktivität basierend auf der Rückwirkung auf den Ultraschallwandler. Die lineare Schalldruckverteilung erlaubt Prognosen über die Verteilung von Kavitationszonen. Das Modell liefert wertvolle Erkenntnisse für die Auslegung und Skalierung sonochemischer Reaktoren. Aufgrund rauer Prozessbedingungen ist die Anwendung von Sensoren zur Überwachung der Kavitationsaktivität oft nicht möglich. Daher wird ein Verfahren entwickelt, das die Bewertung der Kavitationsaktivität durch Auswertung der Rückwirkung auf den Ultraschallwandler ermöglicht. Dieses Messverfahren gewährleistet eine vorhersagbare und reproduzierbare Durchführung kavitationsbasierter Prozesse und stellt eine bedeutende Erweiterung für be