Приложение на мощен ултразвук с помощта на ултразвукови рога

Ултразвуковите рогове или сонди се използват широко за приложения за обработка на различни течности, включително хомогенизация, диспергиране, мокро смилане, емулгиране, екстракция, разпадане, разтваряне и деаерация. Научете основите на ултразвуковите клаксони, ултразвуковите сонди и техните приложения.

Ултразвуков клаксон срещу ултразвукова сонда

Често терминът ултразвуков рог и сонда се използват взаимозаменяемо и се отнасят до ултразвуковия прът, който предава ултразвуковите вълни в течността. Други термини, които се използват за ултразвуковата сонда, са акустичен клаксон, сонотрод, акустичен вълновод или ултразвуков пръст. Технически обаче има разлика между ултразвуков рог и ултразвукова сонда.
И двете, рог и сонда, се отнасят до части от така наречения ултразвуков ултразвук тип сонда. Ултразвуковият рог е металната част на ултразвуковия преобразувател, която се възбужда чрез пиезоелектрично генерирани вибрации. Ултразвуковият клаксон вибрира с определена честота, например 20 kHz, което означава 20 000 вибрации в секунда. Титанът е предпочитаният материал за производство на ултразвукови клаксони поради отличните си акустични свойства на предаване, здравата си якост на умора и повърхностната твърдост.

Ултразвуковата сонда се нарича още сонотроде или ултразвуков пръст. Това е метален прът, най-често изработен от титан и резбован към ултразвуковия рог. Ултразвуковата сонда е съществена част от ултразвуковия процесор, който предава ултразвуковите вълни в звуковата среда. Предлагат се ултразвукови сонди / сонотроди в различни форми (напр. конични, с върхове, заострени или като Cascatrode). Докато титанът е най-често използваният материал за ултразвукови сонди, има и сонотрод, изработен от неръждаема стомана, керамика, стъкло и други материали.

Тъй като ултразвуковият клаксон и сондата са под постоянна компресия или напрежение по време на ултразвук, изборът на материал на клаксона и сондата е от решаващо значение. Висококачествената титанова сплав (клас 5) се счита за най-надеждния, издръжлив и ефективен метал, който издържа на напрежение, поддържа високи амплитуди за дълги периоди от време и предава акустичните и механичните свойства.

Високопроизводителните ултразвукови апарати работят предимно в честотния диапазон 20-30kHz. При 20 kHz ултразвуковата сонда обикновено е резонансна пръчка с дължина на половината вълна, която непрекъснато се разширява и свива 20 000 пъти в секунда. Движенията на разширение и свиване се предават като ултразвук с висока мощност в технологичната среда, т.е. течност или суспензия, за да се изпълнят приложения като

• Ултразвуково смесване с високо срязване
• ултразвуково мокро фрезоване
• ултразвукова дисперсия на наночастици
• ултразвукова наноемулгиране
• ултразвукова екстракция
• ултразвуково разпадане
• ултразвуково разрушаване на клетките и лизис
• Ултразвукова дегазация и деаерация
• сонохимия (соно-синтез, соно-катализа)

Как работи мощният ултразвук? – Принципът на работа на акустичната кавитация

За високоефективно ултразвуково приложение като хомогенизиране, намаляване на размера на частиците, разпадане или нанодисперсии, високоинтензивен, нискочестотен ултразвук се генерира от ултразвуков преобразувател и се предава чрез ултразвуков рог и сонда (сонотрод) в течност. Ултразвукът с висока мощност се счита за ултразвук в диапазона 16-30kHz. Ултразвуковата сонда се разширява и свива например при 20kHz, като по този начин предава съответно 20 000 вибрации в секунда в средата. Когато ултразвуковите вълни преминават през течността, редуващите се цикли на високо налягане (компресия) / ниско налягане (разреждане / разширяване) създават миниатюрни кухини (вакуумни мехурчета), които растат в продължение на няколко цикъла на налягане. По време на фазата на компресия на течността и мехурчетата налягането е положително, докато фазата на разреждане произвежда вакуум (отрицателно налягане). По време на циклите на компресия-разширяване кухините в течността растат, докато достигнат размер, при който не могат да абсорбират повече енергия. В този момент те се взривяват насилствено. Имплозията на тези кухини води до различни високоенергийни ефекти, които са известни като феномен акустична / ултразвукова кавитация. Акустичната кавитация се характеризира с многобройни високоенергийни ефекти, които въздействат върху течности, твърди/течни системи, както и газови/течни системи. Енергийно плътната зона или кавитационната зона е известна като така наречената зона на гореща точка, която е най-енергийно плътна в непосредствена близост до ултразвуковата сонда и намалява с увеличаване на разстоянието от сонотрода. Основните характеристики на ултразвуковата кавитация включват локално срещащи се много високи температури и налягания и съответните диференциали, турбуленции и поток на течности. По време на имплозията на ултразвукови кухини в ултразвукови горещи точки могат да бъдат измерени температури до 5000 Келвина, налягане до 200 атмосфери и течни струи със скорост до 1000 км/ч. Тези изключителни енергоемки условия допринасят за сономеханични и сонохимични ефекти, които засилват процесите и химичните реакции по различни начини.
Основното въздействие на ултразвука върху течности и суспензии е следното:

• Високо срязване: Ултразвуковите сили на срязване разрушават течностите и системите течност-твърдо вещество, причинявайки интензивно разбъркване, хомогенизиране и пренос на маса.
• Въздействие: Течните струи и струите, генерирани от ултразвукова кавитация, ускоряват твърдите вещества в течностите, което впоследствие води до междупартикуларен сблъсък. Когато частиците се сблъскат с много високи скорости, те ерозират, разбиват се и се смилат и разпръскват фино, често до наноразмер. За биологични вещества като растителни материали, високоскоростните течни струи и променливите цикли на налягане нарушават клетъчните стени и освобождават вътреклетъчния материал. Това води до високоефективна екстракция на биоактивни съединения и хомогенно смесване на биологична материя.
• Възбуда: Ултразвукът причинява интензивни турбуленции, сили на срязване и микродвижение в течността или суспензията. По този начин ултразвукът винаги засилва преноса на маса и по този начин ускорява реакциите и процесите.

Ултразвуковите хомогенизатори и смесителите с високо срязване се използват в почти всяка преработвателна промишленост, която работи с течности или суспензии. Интензивните ултразвукови кавитационни сили създават интензивно разбъркване, срязване, счупване на частици и пренос на маса. По този начин течностите се хомогенизират, диспергират, емулгират, извличат, разтварят и/или започват химични реакции. Като цяло ултразвукът е метод за усилване на процеса, който увеличава добива, подобрява скоростта на преобразуване и прави процесите по-ефективни.
Често срещаните ултразвукови приложения в индустрията са разпространени в много клонове на храните & Фармация, фина химия, енергетика & нефтохимия, рециклиране, биорафинерии и др. и включват следното:

• ултразвуков синтез на биодизел
• Ултразвукова хомогенизация на плодови сокове
• ултразвуково производство на ваксини
• Рециклиране на ултразвукова литиево-йонна батерия
• Ултразвуков синтез на наноматериали
• ултразвукова формулировка на фармацевтични продукти
• ултразвукова наноемулгиране на CBD
• ултразвукова екстракция на растения
• Ултразвукова подготовка на проби в лаборатории
• ултразвукова дегазация на течности
• ултразвукова десулфуризация на суров петрол
• и много други ...

Ултразвукови клаксони и сонди за високопроизводителни приложения

Hielscher Ultrasonics е дългогодишен производител и дистрибутор на високомощни ултразвукови апарати, които се използват по целия свят за тежки приложения в много индустрии.
С ултразвукови процесори във всички размери от 50 вата до 16 kW на устройство, сонди с различни размери и форми, ултразвукови реактори с различни обеми и геометрии, Hielscher Ultrasonics разполага с подходящото оборудване за конфигуриране на идеалната ултразвукова настройка за вашето приложение.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати: