Desenvolvimento e caracterização de transdutores ultrassônicos de potência para aplicação em incrustações de carbonato de cálcio
Desenvolvimento e caracterização de transdutores ultrassônicos de potência para aplicação em incrustações de carbonato de cálcio
<franciel.silva@arapiraca.ufal.br>
As incrustações de carbonato de cálcio (CaCO3) constituem um problema recorrente em sistemas industriais de transporte de fluidos, pois podem reduzir a seção útil das tubulações, alterar as condições de escoamento e aumentar os custos associados à manutenção e à interrupção dos processos. Nesse contexto, o ultrassom de potência apresenta potencial para aplicações de controle e remoção de depósitos minerais, principalmente devido aos efeitos mecânicos associados à vibração e à cavitação acústica. Este trabalho teve como objetivo desenvolver, fabricar e caracterizar transdutores ultrassônicos de potência do tipo Langevin, avaliando preliminarmente sua aplicação na degradação de incrustações de CaCO3. O desenvolvimento dos dispositivos foi realizado por meio de modelagem numérica bidimensional e tridimensional pelo Método dos Elementos Finitos, utilizando o software COMSOL Multiphysics®. A resposta elétrica dos transdutores fabricados foi caracterizada com um analisador de impedância TRZ®, permitindo comparar experimentalmente as frequências de ressonância com os valores previstos pelos modelos numéricos. As diferenças relativas observadas foram inferiores a 2%, indicando boa capacidade dos modelos em prever as frequências de operação dos dispositivos. A atividade cavitacional do transdutor de ponta foi verificada qualitativamente por meio do ensaio de erosão em folha de alumínio. Posteriormente, foram realizados ensaios exploratórios com amostras de incrustações de CaCO3 provenientes de tubulações industriais, utilizando água e diferentes proporções de solução comercial contendo ácido acético. Em meio aquoso, o tratamento ultrassônico promoveu perda de massa de aproximadamente 3%, evidenciando desgaste mecânico das amostras. Nos ensaios em meio ácido, observou-se maior perda de massa quando a ação química foi associada ao ultrassom, alcançando aproximadamente 40% em uma das condições avaliadas, enquanto a amostra de controle submetida somente ao meio ácido apresentou perda próxima de 8%. Esses resultados demonstram que os transdutores desenvolvidos operaram em frequências próximas às previstas numericamente e foram capazes de produzir efeitos mecânicos associados à degradação das amostras. Conclui-se que a metodologia empregada é adequada para o desenvolvimento de transdutores Langevin destinados a aplicações em incrustações de CaCO3. Entretanto, estudos adicionais envolvendo controle de temperatura, determinação da potência acústica, padronização das amostras e replicação experimental são necessários para quantificar a eficiência do processo e avaliar sua aplicação em sistemas de tubulação.
Calcium carbonate (CaCO3) scale is a recurring problem in industrial fluid transport systems, as it can reduce the useful cross-section of pipelines, alter flow conditions, and increase costs associated with maintenance and process interruptions. In this context, power ultrasound shows potential for applications in the control and removal of mineral deposits, mainly due to the mechanical effects associated with vibration and acoustic cavitation. This work aimed to develop, fabricate, and characterize Langevin-type power ultrasonic transducers, preliminarily evaluating their application in the degradation of CaCO3 scale. The development of the devices was carried out through two-dimensional and three-dimensional numerical modeling using the Finite Element Method, using the COMSOL Multiphysics® software. The electrical response of the fabricated transducers was characterized with a TRZ® impedance analyzer, allowing experimental comparison of the resonance frequencies with the values predicted by the numerical models. The relative differences observed were less than 2%, indicating good ability of the models to predict the operating frequencies of the devices. The cavitational activity of the tip transducer was qualitatively verified through an erosion test on aluminum foil. Subsequently, exploratory tests were carried out with samples of CaCO3 incrustations from industrial pipelines, using water and different proportions of a commercial solution containing acetic acid. In aqueous medium, the ultrasonic treatment promoted a mass loss of approximately 3%, evidencing mechanical wear of the samples. In tests in acidic medium, a greater mass loss was observed when the chemical action was associated with ultrasound, reaching approximately 40% in one of the evaluated conditions, while the control sample subjected only to the acidic medium showed a loss close to 8%. These results demonstrate that the developed transducers operated at frequencies close to those predicted numerically and were able to produce mechanical effects associated with the degradation of the samples. It is concluded that the methodology employed is suitable for the development of Langevin transducers intended for applications in CaCO3 fouling. However, further studies involving temperature control, determination of acoustic power, sample standardization, and experimental replication are necessary to quantify the efficiency of the process and evaluate its application in piping systems.
Dr. Leão Neto, José Pereira.
Carbonato de cálcio.
Cavitação acústica.
Ultrassom de potência .
Incrustações minerais .
Transdutores ultrassônicos.