Εφαρμογή υπερήχων ισχύος με χρήση κεράτων υπερήχων

Τα κέρατα ή οι καθετήρες υπερήχων χρησιμοποιούνται ευρέως σε ποικίλες εφαρμογές επεξεργασίας υγρών, όπως η ομογενοποίηση, η διασπορά, η υγρή άλεση, η γαλακτωματοποίηση, η εκχύλιση, η αποσύνθεση, η διάλυση και η απαέρωση. Μάθετε τα βασικά για τα κέρατα υπερήχων, τους καθετήρες υπερήχων και τις εφαρμογές τους.

Κέρας υπερήχων έναντι καθετήρα υπερήχων

Συχνά, οι όροι κέρας υπερήχων και καθετήρας υπερήχων χρησιμοποιούνται εναλλακτικά και αναφέρονται στη ράβδο υπερήχων που μεταδίδει τα κύματα υπερήχων στο υγρό. Άλλοι όροι που χρησιμοποιούνται για τον καθετήρα υπερήχων είναι ακουστικό κέρας, ηχοτρόδιο, ακουστικός κυματοδηγός ή δάκτυλος υπερήχων. Ωστόσο, από τεχνική άποψη, υπάρχει διαφορά μεταξύ ενός κέρατος υπερήχων και ενός καθετήρα υπερήχων.
Τόσο το κέρας όσο και ο καθετήρας αποτελούν μέρη της λεγόμενης συσκευής υπερήχων τύπου καθετήρα. Το κέρας υπερήχων είναι το μεταλλικό μέρος του μετατροπέα υπερήχων, το οποίο διεγείρεται μέσω πιεζοηλεκτρικά παραγόμενων δονήσεων. Το κέρας υπερήχων δονείται σε συγκεκριμένη συχνότητα, π.χ. 20kHz, που σημαίνει 20.000 δονήσεις ανά δευτερόλεπτο. Το τιτάνιο είναι το προτιμώμενο υλικό για την κατασκευή κεράτων υπερήχων λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων ακουστικής μετάδοσης, της υψηλής αντοχής του σε κόπωση και της επιφανειακής σκληρότητάς του.

Ο καθετήρας υπερήχων ονομάζεται επίσης ηχοτρόδιο ή δάκτυλος υπερήχων. Είναι μια μεταλλική ράβδος, κατασκευασμένη συνήθως από τιτάνιο, η οποία βιδώνεται στο κέρας υπερήχων. Ο καθετήρας υπερήχων αποτελεί απαραίτητο μέρος του επεξεργαστή υπερήχων και μεταδίδει τα κύματα υπερήχων στο μέσο που υποβάλλεται σε κατεργασία με υπερήχους. Οι καθετήρες υπερήχων / τα ηχοτρόδια διατίθενται σε διάφορα σχήματα (π.χ. κωνικά, με ακίδα, με σταδιακή στένωση ή ως Cascatrode). Παρότι το τιτάνιο είναι το συνηθέστερα χρησιμοποιούμενο υλικό για καθετήρες υπερήχων, διατίθενται επίσης ηχοτρόδια από ανοξείδωτο χάλυβα, κεραμικό, γυαλί και άλλα υλικά.

Επειδή το κέρας και ο καθετήρας υπερήχων βρίσκονται συνεχώς υπό θλίψη ή εφελκυσμό κατά την κατεργασία με υπερήχους, η επιλογή του υλικού τους είναι καθοριστική. Το κράμα τιτανίου υψηλής ποιότητας (grade 5) θεωρείται το πιο αξιόπιστο, ανθεκτικό και αποτελεσματικό μέταλλο για την αντοχή σε μηχανικές τάσεις, τη διατήρηση υψηλών πλατών ταλάντωσης για μεγάλα χρονικά διαστήματα και τη μετάδοση των ακουστικών και μηχανικών ιδιοτήτων.

Η διάλυση είναι μια συνήθης εφαρμογή της επεξεργασίας με υπερήχους. Το βίντεο παρουσιάζει την ταχεία διάλυση κρυστάλλων ζάχαρης σε νερό με το Hielscher UP200St.

Οι συσκευές υπερήχων υψηλής απόδοσης λειτουργούν κυρίως στο εύρος συχνοτήτων 20–30kHz. Στα 20 kHz, ο καθετήρας υπερήχων είναι συνήθως μια ράβδος συντονισμού με μήκος ίσο με το μισό μήκος κύματος, η οποία διαστέλλεται και συστέλλεται συνεχώς 20.000 φορές ανά δευτερόλεπτο. Οι κινήσεις διαστολής και συστολής μεταδίδονται ως υπέρηχοι υψηλής ισχύος στο μέσο της διεργασίας, δηλαδή σε ρευστό ή πολτό, για την υλοποίηση εφαρμογών όπως

• ανάμειξη υψηλής διάτμησης με υπερήχους
• υγρή άλεση με υπερήχους
• διασπορά νανοσωματιδίων με υπερήχους
• νανογαλακτωματοποίηση με υπερήχους
• εκχύλιση με υπερήχους
• αποσύνθεση με υπερήχους
• κυτταρική διάρρηξη και λύση με υπερήχους
• απομάκρυνση αερίων και απαέρωση με υπερήχους
• ηχοχημεία (ηχοσύνθεση, ηχοκατάλυση)

Πώς λειτουργούν οι υπέρηχοι ισχύος; – Η αρχή λειτουργίας της ακουστικής σπηλαίωσης

Για εφαρμογές υπερήχων υψηλής απόδοσης, όπως η ομογενοποίηση, η μείωση του μεγέθους των σωματιδίων, η αποσύνθεση ή οι νανοδιασπορές, ένας μετατροπέας υπερήχων παράγει υπερήχους υψηλής έντασης και χαμηλής συχνότητας, οι οποίοι μεταδίδονται σε ένα υγρό μέσω κέρατος και καθετήρα υπερήχων (ηχοτροδίου). Ως υπέρηχοι υψηλής ισχύος θεωρούνται οι υπέρηχοι στο εύρος 16–30kHz. Ο καθετήρας υπερήχων διαστέλλεται και συστέλλεται, π.χ. στα 20kHz, μεταδίδοντας έτσι αντίστοιχα 20.000 δονήσεις ανά δευτερόλεπτο στο μέσο. Καθώς τα κύματα υπερήχων διαδίδονται στο υγρό, οι εναλλασσόμενοι κύκλοι υψηλής πίεσης (συμπίεση) / χαμηλής πίεσης (αραίωση / διαστολή) δημιουργούν μικροσκοπικές κοιλότητες (φυσαλίδες κενού), οι οποίες μεγαλώνουν κατά τη διάρκεια αρκετών κύκλων πίεσης. Κατά τη φάση συμπίεσης του υγρού και των φυσαλίδων, η πίεση είναι θετική, ενώ η φάση αραίωσης παράγει κενό (αρνητική πίεση). Κατά τους κύκλους συμπίεσης–διαστολής, οι κοιλότητες στο υγρό μεγαλώνουν μέχρι να φτάσουν σε ένα μέγεθος στο οποίο δεν μπορούν να απορροφήσουν επιπλέον ενέργεια. Σε αυτό το σημείο, καταρρέουν βίαια προς το εσωτερικό τους. Η κατάρρευση αυτών των κοιλοτήτων προκαλεί διάφορες επιδράσεις υψηλής ενέργειας, οι οποίες είναι γνωστές ως το φαινόμενο της ακουστικής σπηλαίωσης / σπηλαίωσης υπερήχων. Η ακουστική σπηλαίωση χαρακτηρίζεται από ποικίλες επιδράσεις υψηλής ενέργειας, οι οποίες επηρεάζουν υγρά, συστήματα στερεού/υγρού καθώς και συστήματα αερίου/υγρού. Η ζώνη υψηλής ενεργειακής πυκνότητας ή ζώνη σπηλαίωσης είναι γνωστή ως η λεγόμενη ζώνη θερμών σημείων, με τη μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα σε άμεση γειτνίαση με τον καθετήρα υπερήχων και μείωσή της καθώς αυξάνεται η απόσταση από το ηχοτρόδιο. Τα κύρια χαρακτηριστικά της σπηλαίωσης υπερήχων περιλαμβάνουν τοπικά εμφανιζόμενες πολύ υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις και τις αντίστοιχες διαφορές τους, τυρβώδη ροή και ρεύματα υγρού. Κατά την κατάρρευση των κοιλοτήτων που δημιουργούνται από τους υπερήχους στα θερμά σημεία υπερήχων, μπορούν να μετρηθούν θερμοκρασίες έως 5000 Kelvin, πιέσεις έως 200 ατμόσφαιρες και πίδακες υγρού με ταχύτητες έως 1000km/h. Αυτές οι εξαιρετικές συνθήκες υψηλής ενέργειας συμβάλλουν σε ηχομηχανικές και ηχοχημικές επιδράσεις που εντατικοποιούν διεργασίες και χημικές αντιδράσεις με διάφορους τρόπους.
Οι κύριες επιδράσεις της κατεργασίας με υπερήχους σε υγρά και πολτούς είναι οι εξής:

• Υψηλή διάτμηση: Οι ισχυρές δυνάμεις διάτμησης των υπερήχων διαταράσσουν τα υγρά και τα συστήματα υγρού–στερεού, προκαλώντας έντονη ανάδευση, ομογενοποίηση και μεταφορά μάζας.
• Κρούση: Οι πίδακες και τα ρεύματα υγρού που δημιουργούνται από τη σπηλαίωση υπερήχων επιταχύνουν τα στερεά μέσα στα υγρά, γεγονός που στη συνέχεια οδηγεί σε συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων. Όταν τα σωματίδια συγκρούονται με πολύ υψηλές ταχύτητες, υφίστανται διάβρωση, θραύση και λεπτή άλεση και διασπορά, συχνά μέχρι τη νανοκλίμακα. Στη βιολογική ύλη, όπως τα φυτικά υλικά, οι πίδακες υγρού υψηλής ταχύτητας και οι εναλλασσόμενοι κύκλοι πίεσης διαρρηγνύουν τα κυτταρικά τοιχώματα και απελευθερώνουν το ενδοκυτταρικό υλικό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την εξαιρετικά αποδοτική εκχύλιση βιοδραστικών ενώσεων και την ομοιογενή ανάμειξη της βιολογικής ύλης.
• Ανάδευση: Η κατεργασία με υπερήχους προκαλεί έντονη τυρβώδη ροή, δυνάμεις διάτμησης και μικροκινήσεις στο υγρό ή στον πολτό. Έτσι, η κατεργασία με υπερήχους εντατικοποιεί πάντα τη μεταφορά μάζας και επιταχύνει με αυτόν τον τρόπο τις αντιδράσεις και τις διεργασίες.

Οι ομογενοποιητές υπερήχων και οι αναμείκτες υψηλής διάτμησης χρησιμοποιούνται σχεδόν σε κάθε βιομηχανία επεξεργασίας που εργάζεται με υγρά ή πολτούς. Οι ισχυρές δυνάμεις σπηλαίωσης των υπερήχων προκαλούν έντονη ανάδευση, διάτμηση, θραύση σωματιδίων και μεταφορά μάζας. Έτσι, τα υγρά ομογενοποιούνται, διασπείρονται, γαλακτωματοποιούνται, εκχυλίζονται, διαλύονται και/ή εκκινούνται χημικές αντιδράσεις. Συνολικά, η κατεργασία με υπερήχους είναι μια μέθοδος εντατικοποίησης διεργασιών που αυξάνει την απόδοση, βελτιώνει τα ποσοστά μετατροπής και καθιστά τις διεργασίες πιο αποδοτικές.
Οι συνήθεις βιομηχανικές εφαρμογές υπερήχων εκτείνονται σε πολλούς κλάδους των τροφίμων και φαρμάκων, της λεπτής χημείας, της ενέργειας και πετροχημείας, της ανακύκλωσης, των βιοδιυλιστηρίων κ.λπ. και περιλαμβάνουν τα εξής:

• σύνθεση βιοντίζελ με υπερήχους
• ομογενοποίηση χυμών φρούτων με υπερήχους
• παραγωγή εμβολίων με υπερήχους
• ανακύκλωση μπαταριών ιόντων λιθίου με υπερήχους
• σύνθεση νανοϋλικών με υπερήχους
• παρασκευή φαρμακευτικών σκευασμάτων με υπερήχους
• νανογαλακτωματοποίηση CBD με υπερήχους
• εκχύλιση φυτικών υλικών με υπερήχους
• προετοιμασία δειγμάτων με υπερήχους σε εργαστήρια
• απομάκρυνση αερίων από υγρά με υπερήχους
• αποθείωση αργού πετρελαίου με υπερήχους
• και πολλές ακόμη …

Κέρατα και καθετήρες υπερήχων για εφαρμογές υψηλής απόδοσης

Η Hielscher Ultrasonics είναι κατασκευαστής και διανομέας συσκευών υπερήχων υψηλής ισχύος με πολυετή εμπειρία. Οι συσκευές αυτές χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για απαιτητικές εφαρμογές σε πολλές βιομηχανίες.
Με επεξεργαστές υπερήχων όλων των μεγεθών, από 50 watts έως 16kW ανά συσκευή, καθετήρες σε διάφορα μεγέθη και σχήματα και αντιδραστήρες υπερήχων με διαφορετικούς όγκους και γεωμετρίες, η Hielscher Ultrasonics διαθέτει τον κατάλληλο εξοπλισμό για τη διαμόρφωση της ιδανικής διάταξης υπερήχων για την εφαρμογή σας.
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας: