Fisicoquímica de la limpieza por ultrasonidos sin inmersión

Abstract

La presente tesis se centra en el estudio y escalado de una tecnología disruptiva denominada "limpieza por ultrasonidos sin inmersión". La limpieza ultrasónica convencional se basa en la introducción de componentes sucios en un baño líquido, al cual, se le aplica ultrasonido de alta intensidad que desprende las partículas. La necesidad de sumergir el componente en un recipiente supone una desventaja diferencial frente a otros procedimientos como el cepillado y los chorros de agua a presión. El estudio parte de la hipótesis de poder aplicar los mismos principios de limpieza sin necesidad de sumergir el objeto en cuestión. Para ello, se plantea y se demuestra el concepto aplicar el ultrasonido a través de un puente capilar sustentado entre el emisor de ultrasonido (sonotrodo) y la superficie a limpiar. El puente capilar se barre a lo largo de la superficie, dando lugar a un novedoso proceso de limpieza. De ahí la motivación y principal objetivo del trabajo realizado: estudiar y comprender los fenómenos fisicoquímicos que intervienen durante la limpieza por ultrasonidos sin inmersión. Para ello, se han combinado modelos analíticos, experimentación a escala de laboratorio y escalado de la tecnología para la limpieza de componentes de concentración solar, donde el grado de limpieza impacta directamente sobre la producción energética. El principal resultado del estudio teórico es el planteamiento, modelizado termodinámico y validación de un mecanismo de no-retorno por el cual, los sistemas de tres fases aumentan su mojabilidad mecánicamente al inducirles vibración de alta frecuencia. Dicho aumento de mojabilidad es la clave a la hora de generar un puente capilar estable entre el sonotrodo y el sustrato. Tanto analíticamente como experimentalmente, se ha podido concluir que la eficiencia energética del sonido a la hora de aumentar la mojabilidad entre fases es similar a la del SDBS, siendo a su vez 8 órdenes de magnitud superior al calor. A su vez, se ha estudiado la sinergia de la tecnología con detergentes de carácter ecológico.De cara al proceso de arranque de partículas, se ha concluido que, el efecto de la cavitación acústica es 4 veces superior al aumento de mojabilidad. Las variables críticas de proceso son la potencia del sonido, la altura del puente y la velocidad de barrido. La combinación de las tres variables puede optimizarse, dando lugar a un equilibrio entre consumo, productividad y grado de limpieza. Además, se ha estudiado la sinergia de la tecnología con detergentes de carácter ecológico.Finalmente se ha escalado el sistema de limpieza para poder trabajar en una planta energética del sector termo-solar. Para ello, se ha desarrollado e integrado un equipo capaz de limpiar una faceta completa de un heliostato. Se ha comparado la tecnología frente a la limpieza por chorros de agua a presión, concluyendo que el ultrasonido requiere de 6.4 veces menor cantidad de agua y 2.7 veces menos energía eléctrica. La tecnología tiene por lo tanto el potencial de impactar favorablemente en los tres pilares de la sostenibilidad: economía, sociedad y medioambiente.