Akustische vs. hydrodynamische Kavitation für Misch-Anwendungen

Kavitation für das Mischen und Homogenisieren: Gibt es einen Unterschied zwischen akustischer und hydrodynamischer Kavitation? Und warum könnte eine der beiden Kavitationstechnologien besser für Ihr Verfahren geeignet sein?
Akustische Kavitation – auch bekannt als Ultraschallkavitation – und die hydrodynamische Kavitation sind zwei unterschiedliche Formen der Kavitationserzeugung. Kavitation beschreibt das Wachstum und die Implosion winziger Vakuumhohlräumen in einer Flüssigkeit. Akustische Kavitation tritt auf, wenn eine Flüssigkeit hochintensiven Ultraschallwellen ausgesetzt wird, während hydrodynamische Kavitation auftritt, wenn eine Flüssigkeit durch eine Verengung oder um ein Hindernis (z. B. eine Venturidüse) strömt, wodurch der Druck abfällt und sich Vakuumblasen bilden.
Kavitationsscherkräfte werden zum Homogenisieren, Mischen, Dispergieren, Emulgieren, Zellaufschluss sowie zur Auslösung und Intensivierung chemischer Reaktionen eingesetzt.

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Acoustic cavitation as shown here at the Hielscher ultrasonicator UIP1500hdT is used to initiate and promote chemical reactions. Ultrasonic cavitation at Hielscher's UIP1500hdT (1500W) ultrasonicator for sonochemical reactions.

Ultraschallkavitation an der Kaskaden-Sonotrode des Ultraschallgeräts UIP1000hdT (1000 Watt, 20kHz) in einem Glasreaktor.

Obwohl sowohl akustische als auch hydrodynamische Kavitationstechniken das gleiche Phänomen und den gleichen Effekt der Implosion von Kavitationsblasen nutzen, gibt es einen signifikanten Unterschied zwischen diesen beiden Techniken, die entweder mit Ultraschall oder mit Venturi-Düsen erzeugt werden.

Intensive Ultraschallbehandlung erzeugt Kavitationsblasen im Wasser. Das anschließende Kollabieren der Kavitationsblasen erzeugt eine extreme mechanische Scherung in der Flüssigkeit. Durch diesen Effekt werden Zellen z.B. bei der Pflanzenextraktion aufgebrochen oder Öltröpfchen in Wasser auf kleinste Größe zerkleinert (Emulgierung). Der Kavitationseffekt macht Hielscher Ultraschall-Homogenisatoren zu einem sehr effektiven Mittel zum Dispergieren, Homogenisieren, Emulgieren und Extrahieren. Hielscher Ultrasonics stellt Ultraschallsonden von 50 Watt bis 16000 Watt her, um Ultraschallprozesse im Labor und in der Großproduktion abzudecken.

Ultraschall-Kavitation in Wasser (1000-Watt Ultraschall-Homogenisator)

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Lesen Sie hier, welche Unterschiede es zwischen akustischer und hydrodynamischer Kavitation gibt und warum Sie für Ihren kavitationsgetriebenen Prozess einen Ultraschallkavitator wählen sollten:

Vorteile der akustischen Kavitation gegenüber der hydrodynamischen Kavitation

  1. Effizientere Technologie: Akustische Kavitation ist im Allgemeinen effizienter bei der Erzeugung von Kavitation, da für die Erzeugung von akustischer Kavitation in der Regel weniger Energie benötigt wird für hydrodynamischer Kavitation. Daher sind ultraschall-basierte Kavitatoren und Kavitationsreaktoren energieeffizienter und wirtschaftlicher. Ultraschall gilt als die energieeffizienteste Methode zur Erzeugung von Kavitation. Die mit Ultraschallstabschwingern erzeugte akustische Kavitation verhindert die Entstehung unnötiger Reibung. Die Ultraschallsonotrode oszilliert senkrecht und erzeugt Kavitation energieeffizient, da keine Reibung entsteht. Im Gegensatz zur akustischen Kavitation verwendet die hydrodynamische Kavitation Rotor-Stator- oder Düsensysteme zur Erzeugung von Kavitation. Beide Techniken – Rotor-Statoren und Düsen – verursachen einen relativ hohen Energieverlust durch Reibung, da der Motor große mechanische Teile antreiben muss. Wenn Studien die Energieeffizienz hydrodynamischer Kavitationsverfahren beurteilen, wird fälschlicherweise häufig nur die Nennleistung der jeweiligen Technologie berücksichtigt und der tatsächliche Leistungsverbrauch vernachlässigt. Solche Studien berücksichtigen in der Regel nicht den Verlust von Reibungsenergie, welcher ein bekannter und unerwünschter Effekt hydrodynamischer Kavitationstechnologien ist.
  2. Bessere Kontrolle: Die akustische Kavitation lässt sich leichter steuern und regeln, da die Intensität der Ultraschallamplitude genau eingestellt werden kann, um den gewünschten Grad der Kavitation zu erzeugen. Im Gegensatz dazu ist die hydrodynamische Kavitation deutlich schwieriger zu steuern, da sie von den Fließeigenschaften der Flüssigkeit und der Geometrie der Verengung bzw. des Hindernisses (Düse bzw. Rotor-Stator-Geometrie) abhängt. Außerdem neigen die Düsen zum Verstopfen, was Prozessunterbrechungen und arbeitsintensive Reinigung verursacht.
  3. Für fast alle Materialien geeignet: Während eine Venturidüse und andere hydrodynamische Strömungsreaktoren Schwierigkeiten haben, Feststoffe und insbesondere abrasive Materialien zu verarbeiten, können Ultraschallkavitatoren fast alle Materialien zuverlässig verarbeiten. Ultraschall-Kavitationsreaktoren können selbst hohe Feststoffladungen, abrasive Partikel und faserige Materialien ohne Verstopfung homogenisieren.
  4. Höhere Stabilität: Akustische Kavitation ist im Allgemeinen stabiler und gleichmäßiger als hydrodynamische Kavitation, da die durch akustische Kavitation erzeugten Vakuumblasen in der Regel gleichmäßiger in der Flüssigkeit auftreten. Im Gegensatz dazu können bei der hydrodynamischen Kavitation Vakuumhohlräume entstehen, die stark lokalisiert sind und zu ungleichmäßigen oder instabilen Strömungsmustern führen können.
  5. Größere Vielseitigkeit: Akustische bzw. ultraschall-basierte Kavitation kann für ein sehr breites Spektrum an Anwendungen eingesetzt werden. Dazu gehören unter anderem Homogenisierung, Mischen, Dispergieren, Emulgieren, Extraktion, Lyse und Zellaufschluss sowie für die Sonochemie. Im Gegensatz dazu ist die hydrodynamische Kavitation in erster Linie für Anwendungen in der Strömungskontrolle und Strömungsmechanik gedacht.
    Insgesamt bietet die akustische Kavitation im Vergleich zur hydrodynamischen Kavitation mehr Kontrolle, Effizienz, Stabilität und Vielseitigkeit. Deshalb wird Ultraschallkavitation als sehr effektive Technik für zahlreiche industrielle Anwendungen geschätzt und weltweit erfolgreich eingesetzt.

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Ultraschall-Kavitationsreaktoren

Hielscher Ultrasonics bietet Ihnen ein breites Produktportfolio an Ultraschallsonotroden und Kavitationsreaktoren in leistungsstarker und robuster Industriequalität. Alle Hielscher Ultraschallgeräte und Kavitationsreaktoren sind für hochintensive Anwendungen und 24/7-Betrieb unter Volllast ausgelegt.
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Hielscher Ultraschallkavitatoren sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallkavitatoren in industrielle Anlagen. Heavy-Duty-Anwendungen und anspruchsvolle Betriebsumgebungen werden von Hielscher Ultraschallkavitatoren problemlos gemeistert.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Ultraschallgeräte CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

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In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
15 bis 150 Liter 3 bis 15 l/min UIP6000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Ultraschall-High-Shear-Homogenisatoren werden im Labor, Technikum, in der Pilotanlage sowie in der industriellen Produktion eingesetzt. Die Ultraschallbehandlung ist hocheffizient bei der Herstellung von langzeitstabilen Nanoemulsionen.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.



Dieses Video zeigt Ultraschall / akustische Kavitation in Wasser - erzeugt durch das Hielscher UIP1000. Die Ultraschallkavitation wird für viele Flüssigkeitsanwendungen eingesetzt.

Ultraschall-Kavitation in Flüssigkeiten mit dem UIP1000

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Literatur / Literaturhinweise


Hochleistungs-Ultraschall! Die Produktpalette von Hielscher deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallgerät über Bench-top-Homogenisatoren bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystemen ab.

Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.


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