Εφαρμογή υπερήχων ισχύος χρησιμοποιώντας κέρατα υπερήχων

Υπερήχων κέρατα ή ανιχνευτές χρησιμοποιούνται ευρέως για πολλαπλές εφαρμογές επεξεργασίας υγρών, συμπεριλαμβανομένης της ομογενοποίησης, διασπορά, υγρός-άλεση, γαλακτωματοποίηση, εκχύλιση, αποσύνθεση, διάλυση, και απαέρωση. Μάθετε τα βασικά σχετικά με τα υπερηχητικά κέρατα, τους υπερηχητικούς ανιχνευτές και τις εφαρμογές τους.

Υπερήχων κέρατο vs υπερήχων καθετήρα

Συχνά, ο όρος υπερηχητικό κέρατο και καθετήρας χρησιμοποιούνται εναλλακτικά και αναφέρονται στην υπερηχητική ράβδο που μεταδίδει τα κύματα υπερήχων στο υγρό. Άλλοι όροι που χρησιμοποιούνται για τον υπερηχητικό καθετήρα είναι ακουστικό κέρατο, sonotrode, ακουστικός κυματοδηγός, ή υπερηχητικό δάχτυλο. Ωστόσο, τεχνικά υπάρχει μια διαφορά μεταξύ ενός υπερηχητικού κέρατος και ενός υπερηχητικού καθετήρα.
Και οι δύο, κέρατο και καθετήρας, αναφέρονται σε μέρη του λεγόμενου υπερήχων τύπου καθετήρα. Το υπερηχητικό κέρατο είναι το μεταλλικό μέρος του μορφοτροπέα υπερήχων, το οποίο ενθουσιάζεται μέσω πιεζοηλεκτρικά παραγόμενων δονήσεων. Το υπερηχητικό κέρατο δονείται σε μια συγκεκριμένη συχνότητα, π.χ. 20kHz, που σημαίνει 20.000 δονήσεις ανά δευτερόλεπτο. Το τιτάνιο είναι το προτιμώμενο υλικό για την κατασκευή υπερηχητικών κέρατων λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων ακουστικής μετάδοσης, της ισχυρής αντοχής κόπωσης και της επιφανειακής σκληρότητας.

Ο υπερηχητικός καθετήρας ονομάζεται επίσης sonotrode ή υπερηχητικό δάχτυλο. Πρόκειται για μια μεταλλική ράβδο, συνήθως κατασκευασμένη από τιτάνιο, και βιδωμένη στο υπερηχητικό κέρατο. Ο υπερηχητικός καθετήρας είναι ένα ουσιαστικό μέρος του επεξεργαστή υπερήχων, που μεταδίδει τα κύματα υπερήχων στο μέσο υπερήχων. Υπερήχων ανιχνευτές / sonotrodes είναι σε διάφορα σχήματα (π.χ. κωνικό, άκρη, κωνικό, ή ως Cascatrode) διαθέσιμα. Ενώ το τιτάνιο είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο υλικό για υπερηχητικούς ανιχνευτές, υπάρχουν επίσης sonotrode κατασκευασμένα από ανοξείδωτο χάλυβα, κεραμικά, γυαλί και άλλα διαθέσιμα υλικά.

Δεδομένου ότι το υπερηχητικό κέρατο και ο καθετήρας βρίσκονται υπό συνεχή συμπίεση ή ένταση κατά τη διάρκεια της υπερήχων, η επιλογή υλικού του κέρατος και του καθετήρα είναι ζωτικής σημασίας. Το κράμα τιτανίου υψηλής ποιότητας (βαθμός 5) θεωρείται το πιο αξιόπιστο, ανθεκτικό και αποτελεσματικό μέταλλο για να αντέχει σε καταπονήσεις, να διατηρεί υψηλά πλάτη για μεγάλες χρονικές περιόδους και να μεταδίδει τις ακουστικές και μηχανικές ιδιότητες.

Οι υπερήχων υψηλής απόδοσης λειτουργούν κυρίως στην περιοχή συχνοτήτων 20-30kHz. Στα 20 kHz, ο υπερηχητικός καθετήρας είναι συνήθως μια ράβδος συντονισμού μήκους μισού μήκους κύματος, η οποία συνεχώς επεκτείνεται και συστέλλεται 20.000 φορές το δευτερόλεπτο. Οι κινήσεις διαστολής και συστολής μεταδίδονται ως υπερηχογράφημα υψηλής ισχύος στο μέσο διεργασίας, δηλαδή υγρό ή πολτό, προκειμένου να εκπληρωθούν εφαρμογές όπως

• υπερήχων υψηλής διάτμησης ανάμειξη
• υπερήχων υγρή άλεση
• Υπερήχων διασπορά νανοσωματιδίων
• Υπερήχων νανογαλακτωματοποίηση
• Εκχύλιση με υπερήχους
• Υπερήχων αποσύνθεση
• Υπερήχων κυτταρική διαταραχή και λύση
• Υπερήχων απαέρωση και απαέρωση
• sono-χημεία (sono-σύνθεση, sono-κατάλυση)

Πώς λειτουργεί το υπερηχογράφημα; – Η αρχή λειτουργίας της ακουστικής σπηλαίωσης

Για εφαρμογή υπερήχων υψηλής απόδοσης, όπως ομογενοποίηση, μείωση μεγέθους σωματιδίων, αποσύνθεση ή νανο-διασπορές, υψηλής έντασης, χαμηλής συχνότητας υπερηχογράφημα παράγεται από έναν μορφοτροπέα υπερήχων και μεταδίδεται μέσω υπερήχων κέρατο και καθετήρα (sonotrode) σε ένα υγρό. Ο υπερηχογράφος υψηλής ισχύος θεωρείται υπερηχογράφημα στην περιοχή των 16-30kHz. Ο αισθητήρας υπερήχων διαστέλλεται και συστέλλεται π.χ. στα 20kHz, μεταδίδοντας έτσι αντίστοιχα 20.000 δονήσεις ανά δευτερόλεπτο στο μέσο. Όταν τα υπερηχητικά κύματα ταξιδεύουν μέσω του υγρού, εναλλασσόμενοι κύκλοι υψηλής πίεσης (συμπίεσης) / χαμηλής πίεσης (αραίωσης / επέκτασης) δημιουργούν λεπτές κοιλότητες (φυσαλίδες κενού), οι οποίες αναπτύσσονται σε αρκετούς κύκλους πίεσης. Κατά τη διάρκεια της φάσης συμπίεσης του υγρού και των φυσαλίδων, η πίεση είναι θετική, ενώ η φάση αραίωσης παράγει κενό (αρνητική πίεση). Κατά τη διάρκεια των κύκλων συμπίεσης-διαστολής, οι κοιλότητες στο υγρό αναπτύσσονται μέχρι να φτάσουν σε ένα μέγεθος, στο οποίο δεν μπορούν να απορροφήσουν περαιτέρω ενέργεια. Σε αυτό το σημείο, καταρρέουν βίαια. Η κατάρρευση αυτών των κοιλοτήτων έχει ως αποτέλεσμα διάφορα εξαιρετικά ενεργητικά αποτελέσματα, τα οποία είναι γνωστά ως το φαινόμενο της ακουστικής / υπερηχητικής σπηλαίωσης. Η ακουστική σπηλαίωση χαρακτηρίζεται από πολλαπλές εξαιρετικά ενεργητικές επιδράσεις, οι οποίες επηρεάζουν υγρά, στερεά / υγρά συστήματα καθώς και συστήματα αερίου / υγρού. Η ενεργειακά πυκνή ζώνη ή η ζώνη σπηλαίωσης είναι γνωστή ως λεγόμενη ζώνη θερμού σημείου, η οποία είναι πιο ενεργειακά πυκνή σε κοντινή απόσταση από τον υπερηχητικό καθετήρα και μειώνεται με την αυξανόμενη απόσταση από το sonotrode. Τα κύρια χαρακτηριστικά της υπερηχητικής σπηλαίωσης περιλαμβάνουν τοπικά απαντώμενες πολύ υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις και αντίστοιχες διαφορές, αναταράξεις, και ροή υγρών. Κατά τη διάρκεια της κατάρρευσης των υπερηχητικών κοιλοτήτων σε υπερηχητικά καυτά σημεία, μπορούν να μετρηθούν θερμοκρασίες μέχρι 5000 Kelvin, πιέσεις μέχρι 200 ατμόσφαιρες και υγροί πίδακες με έως και 1000km / h. Αυτές οι εξαιρετικές ενεργοβόρες συνθήκες συμβάλλουν σε sonomechanical και sonochemical επιδράσεις που εντείνουν τις διαδικασίες και τις χημικές αντιδράσεις με διάφορους τρόπους.
Ο κύριος αντίκτυπος της υπερήχων σε υγρά και πολτούς είναι τα εξής:

• Υψηλή διάτμηση: Υπερήχων δυνάμεις υψηλής διάτμησης διαταράσσουν υγρά και υγρά-στερεά συστήματα προκαλώντας έντονη διέγερση, ομογενοποίηση και μεταφορά μάζας.
• Αντίκτυπος: Οι υγροί πίδακες και η ροή που παράγονται από υπερηχητική σπηλαίωση επιταχύνουν τα στερεά σε υγρά, γεγονός που οδηγεί στη συνέχεια σε διαμερισματική σύγκρουση. Όταν τα σωματίδια συγκρούονται με πολύ υψηλές ταχύτητες, διαβρώνονται, θρυμματίζονται και αλέθονται και διασκορπίζονται λεπτά, συχνά μέχρι νανο-μεγέθους. Για βιολογική ύλη όπως τα φυτικά υλικά, οι πίδακες υγρού υψηλής ταχύτητας και οι εναλλασσόμενοι κύκλοι πίεσης διαταράσσουν τα κυτταρικά τοιχώματα και απελευθερώνουν το ενδοκυτταρικό υλικό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την εξαιρετικά αποτελεσματική εκχύλιση των βιοδραστικών ενώσεων και την ομοιογενή ανάμειξη της βιολογικής ύλης.
• Ταραχή: Υπερήχους προκαλεί έντονες αναταράξεις, δυνάμεις διάτμησης και μικρο-κίνηση στο υγρό ή πολτό. Με αυτόν τον τρόπο, υπερήχηση πάντα εντείνει τη μεταφορά μάζας και επιταχύνει με αυτόν τον τρόπο αντιδράσεις και διαδικασίες.

Υπερήχων ομογενοποιητές και μίξερ υψηλής διάτμησης χρησιμοποιούνται σε σχεδόν οποιαδήποτε βιομηχανία επεξεργασίας, που λειτουργεί με υγρά ή πολτούς. Οι έντονες υπερηχητικές δυνάμεις σπηλαίωσης δημιουργούν έντονη διέγερση, διάτμηση, θραύση σωματιδίων και μεταφορά μάζας. Με αυτόν τον τρόπο, τα υγρά ομογενοποιούνται, διασκορπίζονται, γαλακτωματοποιούνται, εκχυλίζονται, διαλύονται και/ή ξεκινούν χημικές αντιδράσεις. Συνολικά, υπερήχους είναι μια μέθοδος εντατικοποίησης της διαδικασίας που αυξάνει την απόδοση, βελτιώνει τα ποσοστά μετατροπής και καθιστά τις διαδικασίες πιο αποτελεσματικές.
Κοινές εφαρμογές υπερήχων στη βιομηχανία εξαπλώνονται σε πολλούς κλάδους των τροφίμων & φαρμακευτική, λεπτή χημεία, ενέργεια & πετροχημεία, ανακύκλωση, βιοδιυλιστήρια κ.λπ. και περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:

• Υπερήχων σύνθεση βιοντίζελ
• Υπερήχων ομογενοποίηση χυμών φρούτων
• Υπερήχων παραγωγή εμβολίων
• υπερήχων ανακύκλωση μπαταριών ιόντων λιθίου
• Υπερήχων σύνθεση νανοϋλικών
• Υπερήχων διατύπωση φαρμακευτικών προϊόντων
• υπερήχων νανογαλακτωματοποίηση της CBD
• Υπερήχων εκχύλιση των βοτάνων
• Προετοιμασία δείγματος υπερήχων σε εργαστήρια
• Υπερήχων απαέρωση υγρών
• Υπερήχων αποθείωση του αργού
• και πολλά άλλα ...

Υπερηχητικά κέρατα και ανιχνευτές για εφαρμογές υψηλής απόδοσης

Hielscher Υπέρηχοι είναι μακροχρόνιες εμπειρίες κατασκευαστής και διανομέας υπερήχων υψηλής ισχύος, τα οποία χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για εφαρμογές βαρέως τύπου σε πολλές βιομηχανίες.
Με υπερήχων επεξεργαστές σε όλα τα μεγέθη από 50 watt έως 16kW ανά συσκευή, ανιχνευτές σε διάφορα μεγέθη και σχήματα, υπερήχων αντιδραστήρες με διαφορετικούς όγκους και γεωμετρίες, Hielscher Υπέρηχοι έχει το σωστό εξοπλισμό για να διαμορφώσετε την ιδανική ρύθμιση υπερήχων για την εφαρμογή σας.
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας: