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 a ultrasuoni 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.

La dissoluzione è un'applicazione comune degli ultrasuoni. Il video mostra la rapida dissoluzione di un cristallo di zucchero in acqua utilizzando l'Hielscher UP200St.

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 sono 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 ad ultrasuoni di prodotti farmaceutici
• nano-emulsionamento a ultrasuoni di CBD
• estrazione ad 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: