Fig.1: Formación de cavidades y el fenómeno de implosión.

Durante la fase de depresión (Fig.1 fase A) se crean en el seno del líquido una infinidad de burbujas de gas que se agrandan mientras dura la fase de depresión acústica (presión negativa). Esta formación de burbujas microscópicas de gas es el inicio de la cavitación ( o sea, la formación de cavidades gaseosas en el interior del líquido). Durante la segunda fase de compresión ultrasónica (Fig. 1 fase B), la enorme presión ejercida sobre las burbujas recién expandidas, comprime a las mismas aumen-tando enormemene la temperatura del gas en ellas contenido (Fig. 1 fase C) hasta que las burbujas colapsan enormemente la temperatura del gas en ellas contenido (Fig. 1 fase C) hasta que las burbujas colapsan si mismas implotando con la consiguiente expulsión de una enorme cantidad de energía (Fig. 1 fase D). La energía provocada por la implosión de las burbujas de gas, golpean la superficie del objeto a limpiar interactuando tanto físicamente como químicamente. Físicamente tendremos un fenómeno de “microbarrido” a una altísima frecuencia (cerca de 40.000 veces por segundo en una máquina que funciona a 40 KHz) y químicamente con el efecto detersivo de la sustancia química presente en el líquido limpiador.

Selección del tipo de detergente y la temperatura de trabajo

Como podemos ver es de fundamental importancia considerar también el aspecto físico-químico del tipo de detersivo que se utiliza en la máquina de lavado ultrasónico. En la elección de la lavadora ultrasónica y el detergente, son muchos los parámetros a tener en cuenta. En primera instancia se debe observar la sustancia que se desea remover del objeto sucio y consecuentemente a esto elegir el tipo de sustancia química que pueda agredir al contaminante. Evidentemente, la sustancia química (detergente) utilizada para tener la mayor eficiencia de cavitación será una solución acuosa posiblemente con alta pre-sión de vapor, con una baja tensión superficial y uti-lizada a una temperatura de trabajo entre 50 y 60 °C.
La temperatura de la solución acuosa en un equipo de lavado ultrasónico es muy importante; es así que la intensidad de cavitación varía con el cambio de temperatura. La intensidad de cavitación aumenta al aumentar la temperatura, hasta cerca de los 65 °C para luego disminuir y desaparecer completamente a la temperatura de ebullición del líquido utilizado.
Otro parámetro importante a considerar es la presión de vapor de la solución utilizada, Se entiende por presión de vapor al siguiente concepto: Si consideramos un líquido en un recipiente cerrado y termostatizado, las moléculas superficiales que tienen energía suficiente pasan al estado de vapor y se distribuyen en el espacio disponible fuera del líquido. Ocasionalmente, algunas moléculas de vapor vuelven al estado líquido hasta que se arriba al estado de equilibrio del sistema, a temperatura constante, la velocidad de evaporación iguala a la de condensación. La presión ejercida por las moléculas de vapor, en estas condiciones, se define como “presión de vapor”. Su valor no depende de la cantidad de líquido, sino solamente de la temperatura. Por lo tanto si un líqui-do es calentado, la presión de vapor aumenta con la temperatura y cuando la presión de vapor iguala a la presión externa seproduce el fenómeno de ebullición. Cada líquido, por lo tanto, tendrá su propia presión de vapor y una diferente temperatura de ebullición.
Por ejemplo: el alcohol etílico tiene una presión de vapor muy superior a la del agua a la misma temperatura. El alcohol etílico hierve a 78°C y a la temperatura de ebullición tendrá una presión de vapor de 1 atm, mientras que el agua hierve a 100°C con una presión de vapor de 1 atm. Como temperatura normal de ebullición se define a la temperatura en la que la presión de vapor del líquido es de 1 atm.
Comprender correctamente el concepto de presión de vapor es importante dado que juega un rol predominante en el proceso de cavitación. Es así que la energía necesaria para formar una burbuja de cavitación es proporcional a la presión de vapor y al valor de la tensión superficial. La cavitación es débil cuando la presión de vapor del líquido es baja (agua fría). Las burbujas de cavitación implotan con energía mas grande, pero todavía tenemos que levantar mucho la potencia aplicada para llegar al nivel del umbral mínimo de cavitación. Por lo tanto el resultado termina siendo una menor formación de burbujas y un menor número de implosiones. Por ejemplo, un aumento de la temperatura del líquido, levanta la presión de vapor del mismo resultando más fácil la cavitación. También un alto valor de presión de vapor baja el umbral mínimo de cavitación, creando muchas más burbujas que colapsan implotando con una energía más baja en cuanto la diferencia entre la presión interna y la externa es más pequeña.
También es necesario tener en cuenta la viscosidad del líquido. Valores altos de viscosidad impiden la cavitación, mientras que bajos valores de viscosidad permiten una buena difusión de las ondas ultrasónicas y por lo tanto la formación de las burbujas de cavitación.
Análogamente, líquidos con altos y bajos valores de tensión superficial se comportan del mismo modo que aquellos con alto o bajo valor de viscosidad ya descriptos.

Frecuencias de trabajo. Sistema de barrido total. (Sweep Sistem).

Otros parámetros importantes para obtener buenos niveles de cavitación en un líquido son la frecuencia del generador ultrasónico, la potencia, el uso del sistema de barrido total (sweep system) y el transductor utilizado. La frecuencia del generador ultrasónico es importante en cuanto determina el tamaño del punto de cavitación en el interior del líquido expuesto a la sonicación ultrasónica. A mayor frecuencia del generador menor es el tamaño del punto de cavitación generado, mientras que a menor frecuencia, mayor es el tamaño de los puntos de cavitación. Está claro que un punto más grande requerirá de una energía mayor para implotar y en consecuencia entregará también una mayor energía mientras que un punto de cavitación más pequeño necesita menos energía para implotar y también menor será la energía que va a entregar.
La pregunta a realizarse ahora es ¿cuál es la ventaja al utilizar sistemas de lavado ultrasónico con frecuencias altas? La frecuencia alta permite generar en una misma unidad de tiempo muchos puntos de cavitación, permitiendo una mejor homogeneidad de cavitación por unidad de superficie. Por ejemplo, en un sistema a 40 Khz, la distancia entre picos y nodos de la onda acústica, es prácticamente la mitad con respecto a la generada por un sistema a 20 Khz. Por lo tanto, el sistema de 40 Khz genera en una unidad de tiempo muchos más puntos de cavitación y sobre todo de dimensiones menores, permitiendo llegar a puntos aun muy pequeños por unidad de superficie. Para hacer un ejemplo práctico, podemos asemejar la cavitación de alta frecuencia con una tela esmeril de grano muy fino mientras que la baja frecuencia la semejamos a una tela esmeril de grano muy grueso.
El fin de la tela esmeril es el de lijar, pero es evidente que se pueden obtener a una tela esmeril de grano muy grueso. El fin de la tela esmeril es el de lijar, pero es evidente que se pueden obtener resultados muy diferentes según se utilice un tipo de grano grueso o uno de grano fino. Los transductores pueden ser del tipo electroestrictivo o magnetoestrictivo. Generalmente se utilizan los del tipo piezoeléctrico por cuanto es posible desarrollar transductores con frecuencias mucho más elevadas que aquellos del tipo magnetoestrictivos que superan los 22 Khz.
El empleo de los generadores con el sistema de barrido total (sweep system) permite mejorar aun más la distribución de la cavitación ultrasónica. Esto se debe a que la frecuencia del generador es modulada alrededor de una frecuencia central, con variaciones de más o menos 1 Khz. Por ejemplo, un transductor sintonizado a 40 Khz oscilará a una frecuencia comprendida entre 39 y 41 Khz. Esta variación de frecuencia impide la formación en el interior del líquido de las indeseables “ondas estacionarias” que pueden generar fenómenos de interferencia acústica cuando dos o más trenes de onda se entrecruzan en una región del espacio. El sistema de barrido total (sweep system), por lo tanto, disminuye los tiempos de limpieza, previene el daño de las partes delicadas, incrementa notablemente la distribución homogénea de la cavitación ultrasónica y facilita el proceso en líquidos que presentan dificultades para cavitar. Generalmente el sistema de barrido total (sweep system) se emplea en sistema de lavado industrial y muy profesionales, pero TESTLAB SRL ha comenzado a aplicarlo también en lavadoras ultrasónicas pequeñas