Applicazione degli ultrasuoni di potenza mediante corna ultrasoniche

Le trombe o le sonde a ultrasuoni sono ampiamente utilizzate per molteplici applicazioni di trattamento dei liquidi, tra cui omogeneizzazione, dispersione, macinazione a umido, emulsificazione, estrazione, disintegrazione, dissoluzione e disaerazione. Scoprite le basi delle trombe a ultrasuoni, delle sonde a ultrasuoni e delle loro applicazioni.

Corno a ultrasuoni vs. Sonda a ultrasuoni

Spesso i termini corno e sonda a ultrasuoni sono usati in modo intercambiabile e si riferiscono all'asta a ultrasuoni che trasmette le onde a ultrasuoni nel liquido. Altri termini utilizzati per la sonda a ultrasuoni sono corno acustico, sonotrodo, guida d'onda acustica o dito a ultrasuoni. Tuttavia, tecnicamente esiste una differenza tra un corno ad ultrasuoni e una sonda ad ultrasuoni.
Entrambi, corno e sonda, si riferiscono a parti del cosiddetto ultrasuonatore a sonda. La tromba a ultrasuoni è la parte metallica del trasduttore a ultrasuoni, che viene eccitata attraverso vibrazioni piezoelettriche. La tromba a ultrasuoni vibra a una certa frequenza, ad esempio 20 kHz, che significa 20.000 vibrazioni al secondo. Il titanio è il materiale preferito per la fabbricazione delle trombe a ultrasuoni grazie alle sue eccellenti proprietà di trasmissione acustica, alla robusta resistenza alla fatica e alla durezza superficiale.

La sonda a ultrasuoni è chiamata anche sonotrodo o dito a ultrasuoni. Si tratta di un'asta metallica, spesso in titanio, collegata alla tromba a ultrasuoni. La sonda a ultrasuoni è una parte essenziale del processore a ultrasuoni, che trasmette le onde ultrasonore nel mezzo sonicato. Le sonde a ultrasuoni / sonotrodi sono disponibili in varie forme (ad esempio coniche, a punta, coniche o a cascata). Sebbene il titanio sia il materiale più comunemente utilizzato per le sonde a ultrasuoni, sono disponibili anche sonotrodi in acciaio inossidabile, ceramica, vetro e altri materiali.

Poiché il corno e la sonda a ultrasuoni sono sottoposti a compressione o tensione costante durante la sonicazione, la scelta del materiale del corno e della sonda è fondamentale. La lega di titanio di alta qualità (grado 5) è considerata il metallo più affidabile, durevole ed efficace per resistere alle sollecitazioni, sostenere ampiezze elevate per lunghi periodi di tempo e trasmettere le proprietà acustiche e meccaniche.

Gli ultrasuonatori ad alte prestazioni lavorano per lo più nella gamma di frequenza di 20-30 kHz. A 20 kHz, la sonda a ultrasuoni è tipicamente un'asta risonante lunga mezza lunghezza d'onda, che si espande e si contrae costantemente 20.000 volte al secondo. I movimenti di espansione e contrazione vengono trasmessi sotto forma di ultrasuoni ad alta potenza nel mezzo di processo, cioè un fluido o una fanghiglia, per soddisfare applicazioni quali

• miscelazione ad ultrasuoni ad alto taglio
• macinazione a umido a ultrasuoni
• dispersione ultrasonica di nano-particelle
• Nano-emulsionamento a ultrasuoni
• estrazione ad ultrasuoni
• Disintegrazione a ultrasuoni
• disgregazione e lisi cellulare a ultrasuoni
• degassificazione e disaerazione a ultrasuoni
• sono-chimica (sono-sintesi, sono-catalisi)

Come funzionano gli ultrasuoni di potenza? – Il principio di funzionamento della cavitazione acustica

Per le applicazioni a ultrasuoni ad alte prestazioni, come l'omogeneizzazione, la riduzione delle dimensioni delle particelle, la disintegrazione o le nano-dispersioni, gli ultrasuoni ad alta intensità e bassa frequenza vengono generati da un trasduttore a ultrasuoni e trasmessi attraverso una tromba ultrasonica e una sonda (sonotrodo) in un liquido. Per ultrasuoni ad alta potenza si intendono gli ultrasuoni nell'intervallo 16-30kHz. La sonda a ultrasuoni si espande e si contrae, ad esempio, a 20 kHz, trasmettendo così nel liquido rispettivamente 20.000 vibrazioni al secondo. Quando le onde ultrasoniche attraversano il liquido, l'alternanza di cicli di alta pressione (compressione) e bassa pressione (rarefazione/espansione) crea minuscole cavità (bolle di vuoto), che si sviluppano per diversi cicli di pressione. Durante la fase di compressione del liquido e delle bolle, la pressione è positiva, mentre la fase di rarefazione produce il vuoto (pressione negativa). Durante i cicli di compressione-espansione, le cavità nel liquido crescono fino a raggiungere dimensioni tali da non poter assorbire ulteriore energia. A questo punto, implodono violentemente. L'implosione di queste cavità provoca vari effetti altamente energetici, noti come fenomeno della cavitazione acustica/ ultrasonica. La cavitazione acustica è caratterizzata da molteplici effetti altamente energetici che colpiscono liquidi, sistemi solido/liquido e sistemi gas/liquido. La zona ad alta densità energetica o zona di cavitazione è nota come zona hot-spot, che è più densa di energia nelle immediate vicinanze della sonda a ultrasuoni e diminuisce con l'aumentare della distanza dal sonotrodo. Le caratteristiche principali della cavitazione ultrasonica includono la presenza di temperature e pressioni molto elevate a livello locale e i rispettivi differenziali, le turbolenze e il flusso di liquido. Durante l'implosione di cavità ultrasoniche in hot-spot ultrasonici, si possono misurare temperature fino a 5000 Kelvin, pressioni fino a 200 atmosfere e getti di liquido fino a 1000km/h. Queste condizioni di eccezionale intensità energetica contribuiscono ad effetti sonomeccanici e sicochimici che intensificano i processi e le reazioni chimiche in vari modi.
I principali effetti dell'ultrasuoni sui liquidi e sugli impasti sono i seguenti:

• Alta resistenza al taglio: Le forze ultrasoniche ad alto taglio perturbano i liquidi e i sistemi liquido-solido provocando un'intensa agitazione, omogeneizzazione e trasferimento di massa.
• Impatto: I getti e i flussi di liquido generati dalla cavitazione ultrasonica accelerano i solidi nei liquidi, portando successivamente alla collisione interparticellare. Quando le particelle si scontrano a velocità molto elevate, si erodono, si frantumano e vengono macinate e disperse finemente, spesso fino a dimensioni nanometriche. Per i materiali biologici, come i materiali vegetali, i getti di liquido ad alta velocità e i cicli di pressione alternati distruggono le pareti cellulari e rilasciano il materiale intracellulare. Ne consegue un'estrazione altamente efficiente dei composti bioattivi e una miscelazione omogenea della materia biologica.
• Agitazione: L'ultrasuonizzazione provoca intense turbolenze, forze di taglio e micromovimenti nel liquido o nel fango. In questo modo, la sonicazione intensifica sempre il trasferimento di massa e accelera le reazioni e i processi.

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni e i miscelatori ad alto taglio sono utilizzati in quasi tutte le industrie di lavorazione che lavorano con liquidi o impasti. Le intense forze cavitazionali degli ultrasuoni creano un'intensa agitazione, taglio, rottura delle particelle e trasferimento di massa. In questo modo, i liquidi vengono omogeneizzati, dispersi, emulsionati, estratti, dissolti e/o vengono avviate reazioni chimiche. In generale, gli ultrasuoni sono un metodo di intensificazione del processo che aumenta la resa, migliora i tassi di conversione e rende i processi più efficienti.
Le applicazioni più comuni degli ultrasuoni nell'industria sono diffuse in molti settori dell'alimentazione. & farmaceutica, chimica fine, energia & petrolchimica, riciclaggio, bioraffinerie, ecc. e comprendono quanto segue:

• sintesi del biodiesel a ultrasuoni
• omogeneizzazione ad ultrasuoni di succhi di frutta
• produzione ad ultrasuoni di vaccini
• riciclaggio ad ultrasuoni delle batterie agli ioni di litio
• sintesi ultrasonica di nano-materiali
• Formulazione a ultrasuoni di prodotti farmaceutici
• nano-emulsionamento a ultrasuoni di CBD
• estrazione a ultrasuoni di prodotti botanici
• preparazione dei campioni a ultrasuoni nei laboratori
• degasificazione ad ultrasuoni dei liquidi
• desolforazione a ultrasuoni del greggio
• e molti altri...

Corni e sonde a ultrasuoni per applicazioni ad alte prestazioni

Hielscher Ultrasonics è un produttore e distributore di lunga data di ultrasuonatori ad alta potenza, utilizzati in tutto il mondo per applicazioni pesanti in molti settori industriali.
Con processori a ultrasuoni di tutte le dimensioni, da 50 watt a 16 kW per dispositivo, sonde di varie dimensioni e forme, reattori a ultrasuoni con volumi e geometrie diverse, Hielscher Ultrasonics ha l'attrezzatura giusta per configurare la configurazione a ultrasuoni ideale per la vostra applicazione.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori: