Zastosowanie Power Ultrasound za pomocą ultradźwiękowych klaksonów

Ultradźwiękowe rogi lub sondy są szeroko stosowane do różnorodnych zastosowań związanych z przetwarzaniem cieczy, w tym do homogenizacji, dyspergowania, mielenia na mokro, emulgowania, ekstrakcji, rozpadu, rozpuszczania i odpowietrzania. Zapoznaj się z podstawowymi informacjami o rogach ultradźwiękowych, sondach ultradźwiękowych i ich zastosowaniach.

Ultrasonic Horn vs Ultrasonic Probe

Często termin róg ultradźwiękowy i sonda są używane zamiennie i odnoszą się do pręta ultradźwiękowego, który transmituje fale ultradźwiękowe do cieczy. Inne terminy, które są używane dla sondy ultradźwiękowej to akustyczna tuba, sonotroda, falowód akustyczny lub palec ultradźwiękowy. Technicznie jednak istnieje różnica pomiędzy rogiem ultradźwiękowym a sondą ultradźwiękową.
Zarówno róg, jak i sonda, odnoszą się do części tzw. sondy ultrasonograficznej. Róg ultradźwiękowy to metalowa część przetwornika ultradźwiękowego, która wzbudza się poprzez piezoelektryczne drgania. Trąbka ultradźwiękowa drga z określoną częstotliwością, np. 20kHz, co oznacza 20.000 drgań na sekundę. Tytan jest preferowanym materiałem do produkcji rogów ultradźwiękowych ze względu na swoje doskonałe właściwości transmisji akustycznej, wytrzymałość zmęczeniową i twardość powierzchni.

Sonda ultradźwiękowa nazywana jest również sonotrodą lub palcem ultradźwiękowym. Jest to metalowy pręt, najczęściej wykonany z tytanu i nawleczony na róg ultradźwiękowy. Sonda ultradźwiękowa jest istotną częścią procesora ultradźwiękowego, który transmituje fale ultradźwiękowe do sonicznego ośrodka. Sondy ultradźwiękowe / sondy są dostępne w różnych kształtach (np. stożkowe, z końcówką, stożkowe lub jako Cascatrode). Podczas gdy tytan jest najczęściej stosowanym materiałem w sondach ultradźwiękowych, dostępne są również sondy wykonane ze stali nierdzewnej, ceramiki, szkła i innych materiałów.

Ponieważ róg ultradźwiękowy i sonda znajdują się pod stałą kompresją lub napięciem podczas sondowania, dobór materiału klaksonu i sondy ma kluczowe znaczenie. Wysokiej jakości stop tytanu (gatunek 5) jest uważany za najbardziej niezawodny, trwały i skuteczny metal, aby wytrzymać naprężenia, utrzymać wysokie amplitudy w długim okresie czasu, a także do przenoszenia właściwości akustycznych i mechanicznych.

Sonda ultradźwiękowa emulgująca olej w wodzie za pomocą ultradźwięków mocy

Wysokowydajne ultrasonografy pracują głównie w zakresie częstotliwości 20-30kHz. Przy częstotliwości 20 kHz, sonda ultradźwiękowa jest zazwyczaj półfalowym prętem rezonansowym o długości fali, który stale się rozszerza i kurczy 20 000 razy na sekundę. Ruchy rozprężające i skurczowe są przenoszone w postaci ultradźwięków o dużej mocy do medium procesowego, tj. cieczy lub zawiesiny, w celu realizacji takich zastosowań, jak

• ultradźwiękowe mieszanie wysokoserwuchowe
• ultradźwiękowy do mielenia na mokro
• ultradźwiękowe rozpraszanie nanocząstek
• Nano-Emulsyfikacja ultradźwiękowa
• Ekstrakcja ultradźwiękowa
• Dezintegracja ultradźwiękowa
• rozerwanie komórek ultradźwiękowych i lizę
• odgazowanie ultradźwiękowe i odpowietrzanie
• sono-chemia (sono-synteza, sono-kataliza)

Jak działa Power Ultrasound? – Zasada działania kawitacji akustycznej

Do wysokowydajnych zastosowań ultradźwiękowych, takich jak homogenizacja, redukcja rozmiaru cząstek, rozpad lub nanodyspersja, ultradźwięki o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości są generowane przez przetwornik ultradźwiękowy i przekazywane za pomocą sondy i rogu ultradźwiękowego (sonotrode) do cieczy. Ultradźwięki o wysokiej mocy są uznawane za ultradźwięki w zakresie 16-30kHz. Sonda ultradźwiękowa rozszerza się i kurczy np. przy 20kHz, przekazując do ośrodka odpowiednio 20.000 drgań na sekundę. Kiedy fale ultradźwiękowe przechodzą przez ciecz, naprzemienne cykle wysokiego (kompresja) / niskiego ciśnienia (rzadkość / rozprężanie) tworzą drobne ubytki (pęcherzyki próżniowe), które rosną przez kilka cykli ciśnieniowych. Podczas fazy ściskania cieczy i pęcherzyków ciśnienie jest dodatnie, podczas gdy w fazie rzadkości powstaje próżnia (podciśnienie). Podczas cykli ściskania i rozszerzania wgłębienia w cieczy rosną aż do osiągnięcia wielkości, przy której nie mogą wchłonąć dalszej energii. W tym momencie implodują one gwałtownie. W wyniku implozji tych ubytków powstają różne efekty wysokoenergetyczne, znane jako zjawisko kawitacji akustycznej / ultradźwiękowej. Kawitacja akustyczna charakteryzuje się wieloma efektami wysokoenergetycznymi, które uderzają w ciecze, układy stałe/ciekłe, jak również gaz/ciecz. Strefa energetycznie gęsta lub kawitacyjna jest znana jako tzw. strefa hot-spot, która jest najbardziej energochłonna w bliskim sąsiedztwie sondy ultradźwiękowej i zmniejsza się wraz ze wzrostem odległości od sondy. Głównymi cechami kawitacji ultradźwiękowej są występujące lokalnie bardzo wysokie temperatury i ciśnienia oraz odpowiednie dyferencjały, turbulencje i strumienie cieczy. Podczas implozji kawitacji ultradźwiękowej w ultradźwiękowych gorących miejscach można mierzyć temperatury do 5000 Kelvinów, ciśnienia do 200 atmosfer i strumienie cieczy o prędkości do 1000 km/h. Te wyjątkowe warunki energochłonne przyczyniają się do efektów sonomechanicznych i sonochemicznych, które na różne sposoby intensyfikują procesy i reakcje chemiczne.
Główny wpływ ultrasonizacji na ciecze i zawiesiny jest następujący:

• High-shear: Siły ultradźwiękowe o dużym natężeniu zakłócają działanie cieczy i układów ciecz-ciało stałe powodując intensywne mieszanie, homogenizację i przenoszenie masy.
• Uderzenie: Strumienie cieczy i strumienie generowane przez kawitację ultradźwiękową przyspieszają cząstki stałe w cieczach, co prowadzi następnie do kolizji międzypowierzchniowej. Cząsteczki zderzające się z bardzo dużą prędkością ulegają erozji, rozdrobnieniu i drobnemu rozdrobnieniu, często do wielkości nano. W przypadku substancji biologicznych, takich jak materiały roślinne, strumienie cieczy o dużej prędkości i zmienne cykle ciśnienia zakłócają ściany komórkowe i uwalniają materiał wewnątrzkomórkowy. Powoduje to wysoce wydajną ekstrakcję związków bioaktywnych i jednorodne mieszanie materii biologicznej.
• Agitacja: Ultrasonizacja powoduje intensywne turbulencje, siły ścinające i mikroruchy w cieczy lub zawiesinie. Tym samym ultradźwięk zawsze intensyfikuje przenoszenie masy i przyspiesza tym samym reakcje i procesy.

Homogenizatory ultradźwiękowe i mieszadła wysokoseryjne znajdują zastosowanie w prawie każdej gałęzi przemysłu przetwórczego, która pracuje z cieczami lub zawiesinami. Intensywne ultradźwiękowe siły kawitacyjne powodują intensywne mieszanie, ścinanie, pękanie cząstek i przenoszenie masy. W ten sposób ciecze są homogenizowane, rozproszone, emulgowane, ekstrahowane, rozpuszczane i/lub inicjowane są reakcje chemiczne. Ogólnie rzecz biorąc, ultrasonizacja jest metodą intensyfikującą proces, która zwiększa wydajność, poprawia współczynniki konwersji i czyni procesy bardziej efektywnymi.
Powszechne zastosowania ultradźwięków w przemyśle są rozpowszechnione w wielu gałęziach przemysłu spożywczego. & farmacja, drobna chemia, energia & petrochemia, recykling, biorefinerie itp:

• synteza biodiesla ultradźwiękowego
• ultrasoniczna homogenizacja soków owocowych
• produkcja ultradźwiękowa szczepionek
• Ultradźwiękowy recykling baterii Li-Ion
• ultradźwiękowa synteza nano-materiałów
• Ultrasoniczna receptura farmaceutyków
• ultradźwiękowa nano-emulsyfikacja CBD
• ultradźwiękowa ekstrakcja botaniczna
• przygotowanie próbek ultradźwiękowych w laboratoriach
• ultradźwiękowe odgazowanie cieczy
• odsiarczanie ultradźwiękowe ropy naftowej
• i wiele innych...

Ultradźwiękowe rogi i sondy do zastosowań o wysokiej wydajności

Firma Hielscher Ultrasonics jest wieloletnim producentem i dystrybutorem ultrasonografów dużej mocy, które są wykorzystywane na całym świecie do zastosowań w ciężkich warunkach pracy w wielu branżach.
Dzięki procesorom ultradźwiękowym we wszystkich rozmiarach od 50 W do 16kW na urządzenie, sondom o różnych rozmiarach i kształtach, reaktorom ultradźwiękowym o różnych pojemnościach i geometriach, firma Hielscher Ultrasonics posiada odpowiedni sprzęt do skonfigurowania idealnej konfiguracji ultradźwiękowej dla Twojej aplikacji.
Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: