Բարձր հզորության ուլտրաձայնի կիրառումը ուլտրաձայնային կոնցենտրատորների միջոցով

Ուլտրաձայնային կոնցենտրատորները կամ զոնդերը լայնորեն օգտագործվում են հեղուկների մշակման բազմազան կիրառություններում՝ ներառյալ հոմոգենացումը, դիսպերգացումը, թաց աղացումը, էմուլսացումը, էքստրակցիան, քայքայումը, լուծումը և օդազերծումը։ Ծանոթացեք ուլտրաձայնային կոնցենտրատորների, ուլտրաձայնային զոնդերի և դրանց կիրառությունների հիմունքներին։

Ուլտրաձայնային կոնցենտրատորի և ուլտրաձայնային զոնդի համեմատությունը

Հաճախ «ուլտրաձայնային կոնցենտրատոր» և «զոնդ» եզրույթներն օգտագործվում են փոխարինաբար և վերաբերում են այն ուլտրաձայնային ձողին, որը ուլտրաձայնային ալիքները փոխանցում է հեղուկի մեջ։ Ուլտրաձայնային զոնդի համար օգտագործվող այլ անվանումներ են՝ ակուստիկ կոնցենտրատոր, սոնոտրոդ, ակուստիկ ալիքատար կամ ուլտրաձայնային մատ։ Սակայն տեխնիկական առումով ուլտրաձայնային կոնցենտրատորի և ուլտրաձայնային զոնդի միջև տարբերություն կա։
Ե՛վ կոնցենտրատորը, և՛ զոնդը վերաբերում են այսպես կոչված զոնդային տիպի ուլտրաձայնային սարքի մասերին։ Ուլտրաձայնային կոնցենտրատորը ուլտրաձայնային փոխակերպիչի մետաղական մասն է, որը գրգռվում է պիեզոէլեկտրական եղանակով առաջացվող տատանումներով։ Ուլտրաձայնային կոնցենտրատորը տատանվում է որոշակի հաճախականությամբ, օրինակ՝ 20kHz, ինչը նշանակում է վայրկյանում 20 000 տատանում։ Տիտանը ուլտրաձայնային կոնցենտրատորների պատրաստման նախընտրելի նյութն է՝ ակուստիկ փոխանցման իր գերազանց հատկությունների, հոգնածության նկատմամբ բարձր ամրության և մակերևույթի կարծրության շնորհիվ։

Ուլտրաձայնային զոնդը կոչվում է նաև սոնոտրոդ կամ ուլտրաձայնային մատ։ Այն մետաղական ձող է, որն առավել հաճախ պատրաստվում է տիտանից և պարուրակային միացմամբ ամրացվում է ուլտրաձայնային կոնցենտրատորին։ Ուլտրաձայնային զոնդը ուլտրաձայնային մշակման սարքի էական մասն է, որը ուլտրաձայնային ալիքները փոխանցում է ուլտրաձայնով մշակվող միջավայրի մեջ։ Ուլտրաձայնային զոնդերը / սոնոտրոդերը հասանելի են տարբեր ձևերով (օրինակ՝ կոնաձև, ծայրակալով, նեղացող կամ Cascatrode տեսքով)։ Թեև տիտանը ուլտրաձայնային զոնդերի համար առավել հաճախ օգտագործվող նյութն է, հասանելի են նաև չժանգոտվող պողպատից, կերամիկայից, ապակուց և այլ նյութերից պատրաստված սոնոտրոդեր։

Քանի որ ուլտրաձայնային մշակման ընթացքում ուլտրաձայնային կոնցենտրատորն ու զոնդը մշտապես ենթարկվում են սեղմման կամ ձգման, դրանց նյութի ընտրությունը վճռորոշ է։ Բարձրորակ տիտանի համաձուլվածքը (grade 5) համարվում է ամենահուսալի, ամենաերկարակյաց և ամենաարդյունավետ մետաղը՝ լարումներին դիմակայելու, երկար ժամանակ բարձր ամպլիտուդներ պահպանելու և ակուստիկ ու մեխանիկական հատկությունները փոխանցելու համար։

Լուծումը ուլտրաձայնային մշակման տարածված կիրառություններից է։ Տեսանյութը ցուցադրում է շաքարի բյուրեղների արագ լուծումը ջրում՝ Hielscher UP200St-ի միջոցով։

Բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային սարքերը հիմնականում աշխատում են 20–30kHz հաճախականությունների տիրույթում։ 20 kHz հաճախականության դեպքում ուլտրաձայնային զոնդը սովորաբար ալիքի երկարության կեսին հավասար երկարությամբ ռեզոնանսային ձող է, որն անընդհատ ընդարձակվում և կծկվում է վայրկյանում 20 000 անգամ։ Ընդարձակման և կծկման շարժումները բարձր հզորության ուլտրաձայնի ձևով փոխանցվում են մշակվող միջավայրի, այսինքն՝ հեղուկի կամ կախույթի մեջ՝ իրականացնելու այնպիսի կիրառություններ, ինչպիսիք են

Ինչպե՞ս է աշխատում բարձր հզորության ուլտրաձայնը – Ակուստիկ կավիտացիայի աշխատանքի սկզբունքը

Բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային կիրառությունների համար, ինչպիսիք են հոմոգենացումը, մասնիկների չափի փոքրացումը, քայքայումը կամ նանոդիսպերսիաները, ուլտրաձայնային փոխակերպիչն առաջացնում է բարձր ինտենսիվության, ցածր հաճախականության ուլտրաձայն, որն ուլտրաձայնային կոնցենտրատորի և զոնդի (սոնոտրոդի) միջոցով փոխանցվում է հեղուկի մեջ։ Բարձր հզորության ուլտրաձայն է համարվում 16–30kHz տիրույթի ուլտրաձայնը։ Ուլտրաձայնային զոնդն ընդարձակվում և կծկվում է, օրինակ՝ 20kHz հաճախականությամբ՝ այդպիսով միջավայրին փոխանցելով համապատասխանաբար վայրկյանում 20 000 տատանում։ Երբ ուլտրաձայնային ալիքներն անցնում են հեղուկի միջով, բարձր ճնշման (սեղմման) / ցածր ճնշման (նոսրացման / ընդարձակման) հերթագայվող ցիկլերն առաջացնում են մանր խոռոչներ (վակուումային պղպջակներ), որոնք աճում են ճնշման մի քանի ցիկլերի ընթացքում։ Հեղուկի և պղպջակների սեղմման փուլում ճնշումը դրական է, մինչդեռ նոսրացման փուլն առաջացնում է վակուում (բացասական ճնշում)։ Սեղմման և ընդարձակման ցիկլերի ընթացքում հեղուկի խոռոչներն աճում են այնքան, մինչև հասնում են այնպիսի չափի, որի դեպքում այլևս չեն կարող լրացուցիչ էներգիա կլանել։ Այդ պահին դրանք ուժգին փլուզվում են դեպի ներս։ Այդ խոռոչների ներպայթյունն առաջացնում է բարձր էներգիայի տարբեր ազդեցություններ, որոնք հայտնի են որպես ակուստիկ / ուլտրաձայնային կավիտացիայի երևույթ։ Ակուստիկ կավիտացիան բնութագրվում է բարձր էներգիայի բազմազան ազդեցություններով, որոնք ներգործում են հեղուկների, պինդ նյութ/հեղուկ համակարգերի, ինչպես նաև գազ/հեղուկ համակարգերի վրա։ Էներգիայի բարձր խտությամբ գոտին կամ կավիտացիոն գոտին հայտնի է որպես այսպես կոչված թեժ կետերի գոտի, որտեղ էներգիայի խտությունն ամենաբարձրն է ուլտրաձայնային զոնդի անմիջական հարևանությամբ և նվազում է սոնոտրոդից հեռավորության մեծացման հետ։ Ուլտրաձայնային կավիտացիայի հիմնական բնութագրերը ներառում են տեղային առաջացող շատ բարձր ջերմաստիճաններն ու ճնշումները և դրանց համապատասխան տարբերությունները, տուրբուլենտությունն ու հեղուկի հոսքերը։ Ուլտրաձայնային թեժ կետերում ուլտրաձայնային խոռոչների ներպայթյունի ընթացքում կարելի է չափել մինչև 5000 Kelvin ջերմաստիճաններ, մինչև 200 մթնոլորտ ճնշումներ և մինչև 1000km/h արագությամբ հեղուկի շիթեր։ Էներգիայի բարձր ինտենսիվությամբ այս բացառիկ պայմանները նպաստում են սոնոմեխանիկական և սոնոքիմիական ազդեցություններին, որոնք տարբեր եղանակներով ինտենսիվացնում են գործընթացներն ու քիմիական ռեակցիաները։
Հեղուկների և կախույթների վրա ուլտրաձայնային մշակման հիմնական ազդեցությունները հետևյալն են․

Բարձր սահք․ Ուլտրաձայնային բարձր սահքային ուժերը քայքայում են հեղուկներն ու հեղուկ–պինդ նյութ համակարգերը՝ առաջացնելով ինտենսիվ խառնում, հոմոգենացում և զանգվածափոխանակություն։
Հարվածային ազդեցություն․ Ուլտրաձայնային կավիտացիայի առաջացրած հեղուկի շիթերն ու հոսքերն արագացնում են հեղուկներում առկա պինդ մասնիկները, ինչը հետագայում հանգեցնում է միջմասնիկային բախումների։ Երբ մասնիկները բախվում են շատ բարձր արագություններով, դրանք ենթարկվում են էրոզիայի, փշրվում, մանր աղացվում և դիսպերգացվում են՝ հաճախ հասնելով նանոչափերի։ Կենսաբանական նյութերի դեպքում, ինչպիսիք են բուսական նյութերը, հեղուկի բարձր արագությամբ շիթերն ու ճնշման հերթագայվող ցիկլերը քայքայում են բջջապատերը և ազատում ներբջջային նյութը։ Սա հանգեցնում է կենսաակտիվ միացությունների բարձր արդյունավետությամբ էքստրակցիայի և կենսաբանական նյութի համասեռ խառնման։
Խառնում․ Ուլտրաձայնային մշակումը հեղուկում կամ կախույթում առաջացնում է ինտենսիվ տուրբուլենտություն, սահքային ուժեր և միկրոշարժումներ։ Այսպիսով, ուլտրաձայնային մշակումը միշտ ինտենսիվացնում է զանգվածափոխանակությունը և դրանով իսկ արագացնում ռեակցիաներն ու գործընթացները։

Ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներն ու բարձր սահքով խառնիչներն օգտագործվում են հեղուկների կամ կախույթների հետ աշխատող գրեթե բոլոր վերամշակող արդյունաբերություններում։ Ուլտրաձայնային ինտենսիվ կավիտացիոն ուժերն առաջացնում են ինտենսիվ խառնում, սահք, մասնիկների կոտրատում և զանգվածափոխանակություն։ Այդպիսով հեղուկները հոմոգենացվում, դիսպերգացվում, էմուլսացվում, էքստրակցիայի են ենթարկվում, լուծվում են և/կամ հարուցվում են քիմիական ռեակցիաներ։ Ընդհանուր առմամբ, ուլտրաձայնային մշակումը գործընթացներն ինտենսիվացնող մեթոդ է, որը մեծացնում է ելքը, բարելավում է փոխակերպման արագությունները և գործընթացները դարձնում ավելի արդյունավետ։
Արդյունաբերության մեջ տարածված ուլտրաձայնային կիրառություններն ընդգրկում են սննդի և դեղագործության, նուրբ քիմիայի, էներգետիկայի և նավթաքիմիայի, վերամշակման, կենսավերամշակման գործարանների և այլ ոլորտների բազմաթիվ ճյուղեր ու ներառում են հետևյալը․

Ուլտրաձայնային կոնցենտրատորներ և զոնդեր՝ բարձր արդյունավետության կիրառությունների համար

Hielscher Ultrasonics ընկերությունը բարձր հզորության ուլտրաձայնային սարքերի արտադրության և մատակարարման երկարամյա փորձ ունի․ այդ սարքերն ամբողջ աշխարհում օգտագործվում են բազմաթիվ արդյունաբերական ոլորտների ծանր աշխատանքային պայմաններում։
Ունենալով բոլոր չափերի ուլտրաձայնային մշակման սարքեր՝ յուրաքանչյուր սարքի համար 50 վատտից մինչև 16kW հզորությամբ, տարբեր չափերի ու ձևերի զոնդեր, տարբեր ծավալների ու երկրաչափությունների ուլտրաձայնային ռեակտորներ՝ Hielscher Ultrasonics ընկերությունն առաջարկում է համապատասխան սարքավորումներ՝ ձեր կիրառության համար իդեալական ուլտրաձայնային համակարգ կազմավորելու նպատակով։
Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մշակման մոտավոր հզորության մասին․

Խմբաքանակի ծավալը	Հոսքի ծավալային արագությունը	Առաջարկվող սարքեր
1–500mL	10–200mL/min	UP100H
10–2000mL	20–400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1–20L	0,2–4L/min	UIP2000hdT
10–100L	2–10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10–100L/min	UIP16000
n.a.	ավելի մեծ	սարքերի խումբ՝ UIP16000

Կապվե՛ք մեզ հետ / Հարցրե՛ք մեզ

Առնչվող թեմաներ

Գրականություն / Հղումներ

Kenneth S. Suslick, Yuri Didenko, Ming M. Fang, Taeghwan Hyeon, Kenneth J. Kolbeck, William B. McNamara, Millan M. Mdleleni, Mike Wong (1999): Acoustic Cavitation and Its Chemical Consequences. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, Vol. 357, Issue 1751, 1999. 335-353.
Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 77:5; 2015. 155-161.