Zastosowanie ultradźwięków mocy przy użyciu rogów ultradźwiękowych

Rogi ultradźwiękowe lub sondy są szeroko stosowane do różnorodnych zastosowań przetwarzania cieczy, w tym homogenizacji, dyspergowania, mielenia na mokro, emulgowania, ekstrakcji, dezintegracji, rozpuszczania i odpowietrzania. Zapoznaj się z podstawowymi informacjami na temat tub ultradźwiękowych, sond ultradźwiękowych i ich zastosowań.

Róg ultradźwiękowy a sonda ultradźwiękowa

Często termin róg ultradźwiękowy i sonda są używane zamiennie i odnoszą się do pręta ultradźwiękowego, który przesyła fale ultradźwiękowe do cieczy. Inne terminy używane w odniesieniu do sondy ultradźwiękowej to róg akustyczny, sonotroda, falowód akustyczny lub palec ultradźwiękowy. Jednak z technicznego punktu widzenia istnieje różnica między tubą ultradźwiękową a sondą ultradźwiękową.
Zarówno klakson, jak i sonda odnoszą się do części tak zwanego ultrasonografu typu sondowego. Róg ultradźwiękowy to metalowa część przetwornika ultradźwiękowego, która jest wzbudzana przez drgania generowane piezoelektrycznie. Róg ultradźwiękowy wibruje z określoną częstotliwością, np. 20 kHz, co oznacza 20 000 drgań na sekundę. Tytan jest preferowanym materiałem do produkcji tub ultradźwiękowych ze względu na jego doskonałe właściwości transmisji akustycznej, solidną wytrzymałość zmęczeniową i twardość powierzchni.

Sonda ultradźwiękowa jest również nazywana sonotrodą lub palcem ultradźwiękowym. Jest to metalowy pręt, najczęściej wykonany z tytanu i gwintowany do tuby ultradźwiękowej. Sonda ultradźwiękowa jest istotną częścią procesora ultradźwiękowego, który przesyła fale ultradźwiękowe do sonikowanego medium. Sondy ultradźwiękowe / sonotrody mają różne kształty (np. stożkowe, zakończone, stożkowe lub jako Cascatrode). Podczas gdy tytan jest najczęściej stosowanym materiałem do sond ultradźwiękowych, dostępne są również sonotrody wykonane ze stali nierdzewnej, ceramiki, szkła i innych materiałów.

Ponieważ klakson ultradźwiękowy i sonda są poddawane ciągłemu ściskaniu lub naprężaniu podczas sonikacji, wybór materiału klaksonu i sondy ma kluczowe znaczenie. Wysokiej jakości stop tytanu (gatunek 5) jest uważany za najbardziej niezawodny, trwały i skuteczny metal, który wytrzymuje naprężenia, utrzymuje wysokie amplitudy przez długi czas oraz przenosi właściwości akustyczne i mechaniczne.

Wysokowydajne ultradźwięki pracują głównie w zakresie częstotliwości 20-30 kHz. Przy częstotliwości 20 kHz sonda ultradźwiękowa jest zazwyczaj prętem rezonansowym o długości połowy fali, który stale rozszerza się i kurczy 20 000 razy na sekundę. Ruchy rozszerzania i kurczenia są przenoszone jako ultradźwięki o dużej mocy do medium procesowego, tj. płynu lub zawiesiny, w celu realizacji takich zastosowań, jak

• ultradźwiękowe mieszanie z wysokim ścinaniem
• ultradźwiękowe frezowanie na mokro
• ultradźwiękowa dyspersja nanocząstek
• nanoemulsyfikacja ultradźwiękowa
• ekstrakcja ultradźwiękowa
• dezintegracja ultradźwiękowa
• ultradźwiękowe rozbijanie i liza komórek
• Ultradźwiękowe odgazowywanie i odpowietrzanie
• sono-chemia (sono-synteza, sono-kataliza)

Jak działają ultradźwięki Power Ultrasound? – Zasada działania kawitacji akustycznej

W przypadku wysokowydajnych zastosowań ultradźwiękowych, takich jak homogenizacja, redukcja wielkości cząstek, dezintegracja lub nanodyspersje, ultradźwięki o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości są generowane przez przetwornik ultradźwiękowy i przesyłane przez róg ultradźwiękowy i sondę (sonotrodę) do cieczy. Ultradźwięki o dużej mocy są uważane za ultradźwięki w zakresie 16-30 kHz. Sonda ultradźwiękowa rozszerza się i kurczy np. przy częstotliwości 20 kHz, przenosząc w ten sposób odpowiednio 20 000 drgań na sekundę do medium. Kiedy fale ultradźwiękowe przemieszczają się przez ciecz, naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (kompresja) / niskiego ciśnienia (rozrzedzenie / ekspansja) tworzą drobne wgłębienia (pęcherzyki próżniowe), które rosną w ciągu kilku cykli ciśnienia. Podczas fazy sprężania cieczy i pęcherzyków, ciśnienie jest dodatnie, podczas gdy faza rozrzedzania wytwarza próżnię (ciśnienie ujemne). Podczas cykli sprężania-rozprężania, wnęki w cieczy rosną, aż osiągną rozmiar, przy którym nie mogą absorbować dalszej energii. W tym momencie następuje gwałtowna implozja. Implozja tych wnęk powoduje różne wysoce energetyczne efekty, które są znane jako zjawisko kawitacji akustycznej / ultradźwiękowej. Kawitacja akustyczna charakteryzuje się wieloma wysoce energetycznymi efektami, które wpływają na ciecze, układy ciało stałe/ciecz, a także układy gaz/ciecz. Strefa o dużej gęstości energii lub strefa kawitacyjna jest znana jako tak zwana strefa gorącego punktu, która jest najbardziej gęsta energetycznie w bliskim sąsiedztwie sondy ultradźwiękowej i maleje wraz ze wzrostem odległości od sonotrody. Główne cechy kawitacji ultradźwiękowej obejmują lokalnie występujące bardzo wysokie temperatury i ciśnienia oraz odpowiednie różnice, turbulencje i strumienie cieczy. Podczas implozji wnęk ultradźwiękowych w ultradźwiękowych hot-spotach można zmierzyć temperatury do 5000 kelwinów, ciśnienia do 200 atmosfer i strumienie cieczy o prędkości do 1000 km / h. Te wyjątkowe, intensywne energetycznie warunki przyczyniają się do efektów sonomechanicznych i sonochemicznych, które na różne sposoby intensyfikują procesy i reakcje chemiczne.
Główny wpływ ultradźwięków na ciecze i zawiesiny jest następujący:

• Wysokie ścinanie: Ultradźwiękowe siły ścinające zakłócają ciecze i układy ciecz-ciało stałe, powodując intensywne mieszanie, homogenizację i przenoszenie masy.
• Wpływ: Strumienie cieczy i strumienie generowane przez kawitację ultradźwiękową przyspieszają ciała stałe w cieczach, co prowadzi następnie do zderzeń międzycząsteczkowych. Gdy cząstki zderzają się z bardzo dużymi prędkościami, ulegają erozji, rozpadają się i zostają drobno zmielone i rozproszone, często do rozmiaru nano. W przypadku materii biologicznej, takiej jak materiały roślinne, strumienie cieczy o dużej prędkości i zmienne cykle ciśnienia rozbijają ściany komórkowe i uwalniają materiał wewnątrzkomórkowy. Skutkuje to wysoce wydajną ekstrakcją związków bioaktywnych i jednorodnym mieszaniem materii biologicznej.
• Pobudzenie: Ultradźwięki powodują intensywne turbulencje, siły ścinające i mikroruchy w cieczy lub zawiesinie. W ten sposób sonikacja zawsze intensyfikuje przenoszenie masy i przyspiesza w ten sposób reakcje i procesy.

Homogenizatory ultradźwiękowe i mieszalniki o wysokim ścinaniu są stosowane w prawie każdym przemyśle przetwórczym, który pracuje z cieczami lub zawiesinami. Intensywne ultradźwiękowe siły kawitacyjne powodują intensywne mieszanie, ścinanie, pękanie cząstek i przenoszenie masy. W ten sposób ciecze są homogenizowane, dyspergowane, emulgowane, ekstrahowane, rozpuszczane i/lub inicjowane są reakcje chemiczne. Ogólnie rzecz biorąc, ultradźwięki to metoda intensyfikacji procesu, która zwiększa wydajność, poprawia współczynniki konwersji i sprawia, że procesy są bardziej wydajne.
Powszechne zastosowania ultradźwięków w przemyśle obejmują wiele gałęzi przemysłu spożywczego & farmacja, chemia precyzyjna, energia & petrochemia, recykling, biorafinerie itp. i obejmują następujące elementy:

• ultradźwiękowa synteza biodiesla
• homogenizacja ultradźwiękowa soków owocowych
• ultradźwiękowa produkcja szczepionek
• Ultradźwiękowy recykling akumulatorów litowo-jonowych
• ultradźwiękowa synteza nanomateriałów
• ultradźwiękowy preparat farmaceutyczny
• ultradźwiękowa nano-emulsyfikacja CBD
• ultradźwiękowa ekstrakcja składników roślinnych
• ultradźwiękowe przygotowanie próbek w laboratoriach
• ultradźwiękowe odgazowanie cieczy
• odsiarczanie ultradźwiękowe ropy naftowej
• i wiele innych ...

Tuby i sondy ultradźwiękowe do zastosowań wymagających wysokiej wydajności

Hielscher Ultrasonics jest wieloletnim producentem i dystrybutorem ultrasonografów o dużej mocy, które są używane na całym świecie do ciężkich zastosowań w wielu gałęziach przemysłu.
Dzięki procesorom ultradźwiękowym we wszystkich rozmiarach od 50 watów do 16 kW na urządzenie, sondom o różnych rozmiarach i kształtach, reaktorom ultradźwiękowym o różnych objętościach i geometrii, Hielscher Ultrasonics ma odpowiedni sprzęt do skonfigurowania idealnej konfiguracji ultradźwiękowej dla danego zastosowania.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: