Приложение на мощния ултразвук чрез ултразвукови рупори

Ултразвуковите рупори или сонди се използват широко за разнообразни приложения при обработката на течности, включително хомогенизация, диспергиране, мокро смилане, емулгиране, екстракция, дезинтеграция, разтваряне и обезвъздушаване. Научете основното за ултразвуковите рупори, ултразвуковите сонди и техните приложения.

Ултразвуков рупор и ултразвукова сонда

Често термините ултразвуков рупор и сонда се използват взаимозаменяемо и обозначават ултразвуковия прът, който предава ултразвуковите вълни в течността. Други термини, използвани за ултразвуковата сонда, са акустичен рупор, сонотрод, акустичен вълновод или ултразвуков пръст. От техническа гледна точка обаче има разлика между ултразвуков рупор и ултразвукова сонда.
И рупорът, и сондата са части на така наречения ултразвуков апарат със сонда. Ултразвуковият рупор е металната част на ултразвуковия преобразувател, която се възбужда чрез пиезоелектрически генерирани вибрации. Ултразвуковият рупор вибрира с определена честота, например 20kHz, което означава 20 000 вибрации в секунда. Титанът е предпочитаният материал за изработване на ултразвукови рупори поради отличните си свойства за предаване на акустични вълни, високата си якост на умора и твърдостта на повърхността.

Ултразвуковата сонда се нарича също сонотрод или ултразвуков пръст. Тя представлява метален прът, най-често изработен от титан, който се свързва с ултразвуковия рупор чрез резба. Ултразвуковата сонда е съществена част от ултразвуковия процесор, която предава ултразвуковите вълни в обработваната с ултразвук среда. Ултразвуковите сонди / сонотроди се предлагат с различни форми (например конусовидни, с накрайник, със стесняващ се профил или като Cascatrode). Въпреки че титанът е най-често използваният материал за ултразвукови сонди, се предлагат и сонотроди, изработени от неръждаема стомана, керамика, стъкло и други материали.

Тъй като по време на ултразвуковата обработка ултразвуковият рупор и сондата са постоянно подложени на натиск или опън, изборът на материал за рупора и сондата е от решаващо значение. Висококачествената титанова сплав (клас 5) се счита за най-надеждния, издръжлив и ефективен метал за понасяне на напрежения, поддържане на високи амплитуди за продължителни периоди и предаване на акустичните и механичните свойства.

Разтварянето е често срещано приложение на ултразвуковата обработка. Видеото демонстрира бързото разтваряне на захарни кристали във вода с Hielscher UP200St.

Високопроизводителните ултразвукови апарати работят предимно в честотния диапазон 20–30kHz. При 20 kHz ултразвуковата сонда обикновено представлява резонансен прът с дължина, равна на половината от дължината на вълната, който непрекъснато се разширява и свива 20 000 пъти в секунда. Движенията на разширяване и свиване се предават като мощен ултразвук в технологичната среда, т.е. течност или суспензия, за да се осъществяват приложения като

• ултразвуково смесване с високо срязване
• ултразвуково мокро смилане
• ултразвуково диспергиране на наночастици
• ултразвуково наноемулгиране
• ултразвукова екстракция
• ултразвукова дезинтеграция
• ултразвуково разрушаване на клетките и лизис
• ултразвуково дегазиране и обезвъздушаване
• сонохимия (соносинтез, сонокатализа)

Как действа мощният ултразвук? – Принцип на действие на акустичната кавитация

За високопроизводителни ултразвукови приложения като хомогенизация, намаляване на размера на частиците, дезинтеграция или получаване на нанодисперсии ултразвуков преобразувател генерира нискочестотен ултразвук с висок интензитет, който се предава в течността чрез ултразвуков рупор и сонда (сонотрод). За мощен ултразвук се счита ултразвукът 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 се разпространяват през течността, редуващите се цикли на високо налягане (компресия) / ниско налягане (разреждане / разширяване) създават миниатюрни кухини (вакуумни мехурчета), които нарастват в продължение на няколко цикъла на налягането. По време на фазата на компресия на течността и мехурчетата налягането е положително, докато фазата на разреждане създава вакуум (отрицателно налягане). По време на циклите на компресия и разширяване кухините в течността нарастват, докато достигнат размер, при който не могат да поглъщат повече енергия. В този момент те имплодират бурно. Имплозията на тези кухини води до различни високоенергийни ефекти, известни като явлението акустична / ултразвукова кавитация. Акустичната кавитация се характеризира с разнообразни високоенергийни ефекти, които въздействат върху течности, системи твърдо вещество/течност, както и системи газ/течност. Зоната с висока енергийна плътност, или кавитационната зона, е известна като така наречената зона на горещите точки, в която енергийната плътност е най-висока в непосредствена близост до ултразвуковата сонда и намалява с увеличаване на разстоянието от сонотрода. Основните характеристики на ултразвуковата кавитация включват локално възникващи много високи температури и налягания и съответните им разлики, турбулентност и потоци в течността. По време на имплозията на ултразвуковите кухини в ултразвуковите горещи точки могат да бъдат измерени температури до 5000 келвина, налягания до 200 атмосфери и течни струи със скорости до 1000km/h. Тези изключителни условия с висока енергийна интензивност допринасят за сономеханични и сонохимични ефекти, които интензифицират процесите и химичните реакции по различни начини.
Основните въздействия на ултразвуковата обработка върху течности и суспензии са следните:

• Високо срязване: Високите ултразвукови сили на срязване разрушават структурата на течности и системи течност–твърдо вещество, като предизвикват интензивно разбъркване, хомогенизация и масопренос.
• Ударно въздействие: Течните струи и потоците, генерирани от ултразвуковата кавитация, ускоряват твърдите частици в течностите, което впоследствие води до сблъсъци между частиците. Когато частиците се сблъскват с много високи скорости, те се износват, раздробяват се и се смилат и диспергират фино, често до наноразмери. При биологична материя, като растителни материали, високоскоростните течни струи и редуващите се цикли на налягането разрушават клетъчните стени и освобождават вътреклетъчния материал. Това води до високоефективна екстракция на биоактивни съединения и хомогенно смесване на биологичната материя.
• Разбъркване: Ултразвуковата обработка предизвиква интензивна турбулентност, сили на срязване и микродвижения в течността или суспензията. По този начин ултразвуковата обработка винаги интензифицира масопреноса и така ускорява реакциите и процесите.

Ултразвуковите хомогенизатори и смесителите с високо срязване се използват в почти всяка преработвателна промишленост, която работи с течности или суспензии. Силните ултразвукови кавитационни сили предизвикват интензивно разбъркване, срязване, раздробяване на частиците и масопренос. По този начин течностите се хомогенизират, диспергират, емулгират, екстрахират, разтварят и/или се инициират химични реакции. Като цяло ултразвуковата обработка е метод за интензифициране на процесите, който увеличава добива, подобрява степента на превръщане и прави процесите по-ефективни.
Обичайните промишлени приложения на ултразвука обхващат множество отрасли на хранителната и фармацевтичната промишленост, фината химия, енергетиката и нефтохимията, рециклирането, биорафинериите и др. и включват следното:

• ултразвуков синтез на биодизел
• ултразвукова хомогенизация на плодови сокове
• ултразвуково производство на ваксини
• ултразвуково рециклиране на литиево-йонни батерии
• ултразвуков синтез на наноматериали
• ултразвуково формулиране на фармацевтични препарати
• ултразвуково наноемулгиране на CBD
• ултразвукова екстракция на растителни материали
• ултразвукова подготовка на проби в лаборатории
• ултразвуково дегазиране на течности
• ултразвуково десулфуриране на суров нефт
• и много други …

Ултразвукови рупори и сонди за високопроизводителни приложения

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