Kavitation, förstudie

Projektledare
Örjan Johansson, Luleå Tekniska Universitet

Projektgrupp
Lars Landström, ÅF-Industry
J-C Luneno, ÅF-Industry
Michail Rinakakis, ÅF-Industry
Torbjörn Löfqvist, LTU
Hans Höglund, Mittuniversitetet
Lennart Salmén, Innventia
Roland Bäck, SCA R&D Centre
Christer Sandberg, Holmen
Matthias Wanske, TU Dresden
Tobias Brenner, TU Dresden

Energieffektivisering av mekmassaprocessen baserat på resonansförstärkning och kontrollerad kavitation
Projektet syftar till att med kontrollerad kavitation åstadkomma energieffektiv bearbetning av fibermaterial i en mekmassaprocess. Kontrollerad kavitation innebär att en resonansförstärkt tryckvariation genererar kavitationsbubblor i en specifik del av en vattenfylld volym. Fibermaterialet som styrs in i kavitationszonen utsätts för imploderande kavitationsbubblor som förväntas ge upphov till en påverkan av fiberväggen.

Resonansförstärkning erhålls med hjälp av anpassade geometrier, dels i omgivande material och dels i vätskevolymen. För att hålla förlusterna på låg nivå delas vätskan upp i rent vatten och en koncentrerad vatten-fiberblandning. Målet är att resonansförstärkning och kavitation ska ge en mer effektiv energiöverföring till fiberväggen än dagens teknik med raffinörer. Resultaten förväntas även öka förståelsen för hur befintliga processer kan effektiviseras.

Ultraljudsexcitering av en geometriskt optimerad vätskevolym sker med en så kallad Sonotrod, som är en resonansförstärkt källa. Målet är att sonotrodens excitationsfrekvens ska sammanfalla med vätskevolymens egenfrekvens. Vätskebehållarens material och geometri har optimerats med FE-modellering för att skapa en stabil modform med maximal tryckvariation i centrum av vätskevolymen. Resultaten visar att resonansförstärkningen i vätskevolymen kan ge upphov till 65 gånger högre effektinnehåll än momentant tillförd effekt. Detta skapar förutsättningar för att uppnå kavitation på fiberytorna, utan att kavitation uppstår på Sonotroden.

De experimentella resultaten indikerar att kavitationen påverkat fiberytan och fiberväggen. Fler analyser avseende hur fiberväggen påverkats krävs dock. I nuläget är det för tidigt att bedöma om resultatet är mer energieffektivt än traditionell teknik. En aspekt som försämrade energieffektiviteten i experimentet var att den tillförda energin var för hög. Därigenom bildades för mycket kavitationsbubblor i gränszonen mellan sonotrod och vattenvolym, vilket försämrar överföringseffektiviteten. Excitationsfrekvensen behöver även höjas för att skapa fler och mindre kavitationsbubblor.