Применение силового ультразвука с использованием ультразвуковых рупоров

Ультразвуковые рупоры или зонды широко используются для обработки жидкостей в различных формах, включая гомогенизацию, диспергирование, мокрый помол, эмульгирование, экстракцию, дезинтеграцию, растворение и деаэрацию. Узнайте основы об ультразвуковых рупорах, ультразвуковых датчиках и их применении.

Ультразвуковой рупор против ультразвукового датчика

Часто термины «ультразвуковой рупор» и «зонд» используются как синонимы и относятся к ультразвуковому стержню, который передает ультразвуковые волны в жидкость. Другие термины, которые используются для ультразвукового датчика, — это акустический рупор, сонотрод, акустический волновод или ультразвуковой палец. Однако технически существует разница между ультразвуковым рупором и ультразвуковым датчиком.
И рупор, и зонд относятся к частям так называемого ультразвукового аппарата зондового типа. Ультразвуковой рупор — это металлическая часть ультразвукового преобразователя, которая возбуждается за счет пьезоэлектрических колебаний. Ультразвуковой рупор вибрирует с определенной частотой, например, 20 кГц, что означает 20 000 колебаний в секунду. Титан является предпочтительным материалом для изготовления ультразвуковых рупоров благодаря своим превосходным свойствам акустической передачи, высокой усталостной прочности и твердости поверхности.

Ультразвуковой датчик также называют сонотродом или ультразвуковым пальцем. Он представляет собой металлический стержень, чаще всего изготовленный из титана, и надетый на ультразвуковой рупор. Ультразвуковой датчик является неотъемлемой частью ультразвукового процессора, который передает ультразвуковые волны в ультразвуковую среду. Ультразвуковые зонды / сонотроды бывают различных форм (например, конические, с наконечником, конические или в виде каскатрода). В то время как титан является наиболее часто используемым материалом для ультразвуковых датчиков, существуют также сонотроды, изготовленные из нержавеющей стали, керамики, стекла и других материалов.

Поскольку ультразвуковой рупор и преобразователь находятся под постоянным сжатием или растяжением во время ультразвуковой обработки, выбор материала рупора и преобразователя имеет решающее значение. Высококачественный титановый сплав (класс 5) считается самым надежным, долговечным и эффективным металлом, способным выдерживать нагрузки, выдерживать высокую амплитуду в течение длительных периодов времени и передавать акустические и механические свойства.

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты в основном работают в диапазоне частот 20-30 кГц. На частоте 20 кГц ультразвуковой зонд обычно представляет собой резонансный стержень длиной в половину длины волны, который постоянно расширяется и сжимается 20 000 раз в секунду. Движения расширения и сжатия передаются в виде мощного ультразвука в технологическую среду, т.е. жидкость или суспензию, для выполнения таких задач, как

• ультразвуковое перемешивание с большими сдвиговыми усилиями
• ультразвуковой мокрый фрезерование
• ультразвуковое диспергирование наночастиц
• ультразвуковая наноэмульгация
• ультразвуковая экстракция
• ультразвуковая дезинтеграция
• Ультразвуковое разрушение и лизис клеток
• ультразвуковая дегазация и деаэрация
• Сонохимия (соно-синтез, соно-катализ)

Как работает Power Ultra? – Принцип работы акустической кавитации

Для высокоэффективных ультразвуковых исследований, таких как гомогенизация, уменьшение размера частиц, дезинтеграция или нанодисперсия, высокоинтенсивный низкочастотный ультразвук генерируется ультразвуковым преобразователем и передается через ультразвуковой рупор и зонд (сонотрод) в жидкость. Ультразвуком высокой мощности считается ультразвук в диапазоне 16-30 кГц. Ультразвуковой зонд расширяется и сжимается, например, на частоте 20 кГц, тем самым передавая в среду соответственно 20 000 колебаний в секунду. Когда ультразвуковые волны проходят через жидкость, чередующиеся циклы высокого давления (сжатие) / низкого давления (разрежение / расширение) создают мельчайшие полости (вакуумные пузырьки), которые растут в течение нескольких циклов давления. Во время фазы сжатия жидкости и пузырьков давление положительное, в то время как в фазе разрежения образуется вакуум (отрицательное давление). Во время циклов сжатия-расширения полости в жидкости растут до тех пор, пока не достигнут размера, при котором они не смогут поглощать дальнейшую энергию. В этот момент они яростно взрываются. Имплозия этих полостей приводит к различным высокоэнергетическим эффектам, которые известны как явление акустической/ультразвуковой кавитации. Акустическая кавитация характеризуется разнообразными высокоэнергетическими эффектами, которые воздействуют на жидкости, твердые и жидкие системы, а также газожидкостные системы. Энергоемкая зона или кавитационная зона известна как так называемая зона горячих точек, которая наиболее энергоемка в непосредственной близости от ультразвукового зонда и уменьшается с увеличением расстояния от сонотрода. К основным характеристикам ультразвуковой кавитации относятся локально возникающие очень высокие температуры и давления и соответствующие дифференциалы, турбулентность и потоки жидкости. Во время имплозии ультразвуковых полостей в ультразвуковых горячих точках могут измеряться температуры до 5000 Кельвинов, давления до 200 атмосфер и струи жидкости со скоростью до 1000 км/ч. Эти выдающиеся энергоемкие условия способствуют сономеханическим и сонохимическим эффектам, которые интенсифицируют процессы и химические реакции различными способами.
Основное воздействие ультразвука на жидкости и суспензии заключается в следующем:

• Высокий сдвиг: Ультразвуковые силы большого сдвига разрушают жидкости и системы жидкость-твердое тело, вызывая интенсивное перемешивание, гомогенизацию и массоперенос.
• Удар: Струи жидкости и потоки, создаваемые ультразвуковой кавитацией, ускоряют твердые тела в жидкостях, что впоследствии приводит к межпартийным столкновениям. Когда частицы сталкиваются на очень высоких скоростях, они разрушаются, разрушаются, измельчаются и диспергируются тонко, часто вплоть до наноразмера. Для биологических веществ, таких как растительные материалы, высокоскоростные струи жидкости и циклы переменного давления разрушают клеточные стенки и высвобождают внутриклеточный материал. Это приводит к высокоэффективной экстракции биологически активных соединений и однородному смешиванию биологических веществ.
• Агитация: Ультразвуковое воздействие вызывает интенсивные турбулентности, сдвиговые силы и микродвижения в жидкости или суспензии. Таким образом, ультразвук всегда интенсифицирует массоперенос и тем самым ускоряет реакции и процессы.

Ультразвуковые гомогенизаторы и смесители с большими сдвиговыми усилиями используются практически в любой перерабатывающей промышленности, которая работает с жидкостями или шламами. Интенсивные ультразвуковые кавитационные силы создают интенсивное перемешивание, сдвиг, дробление частиц и массоперенос. Таким образом, жидкости гомогенизируются, диспергируются, эмульгируются, экстрагируются, растворяются и/или инициируются химические реакции. В целом, ультразвуковая обработка — это метод интенсификации процесса, который увеличивает выход продукции, улучшает коэффициент конверсии и делает процессы более эффективными.
Распространенные ультразвуковые применения в промышленности распространены во многих отраслях пищевой промышленности & Фармацевтика, тонкая химия, энергетика & нефтехимия, переработка отходов, биоперерабатывающие заводы и т.д. и включают в себя:

• Ультразвуковой синтез биодизеля
• Ультразвуковая гомогенизация фруктовых соков
• ультразвуковое производство вакцин
• ультразвуковая переработка литий-ионных аккумуляторов
• Ультразвуковой синтез наноматериалов
• Ультразвуковая рецептура лекарственных средств
• ультразвуковая наноэмульгация КБД
• ультразвуковая экстракция растительных компонентов
• Ультразвуковая пробоподготовка в лабораториях
• ультразвуковая дегазация жидкостей
• ультразвуковая десульфуризация сырой нефти
• и многое другое...

Ультразвуковые рупоры и преобразователи для высокопроизводительных приложений

Hielscher Ultrasonics является многолетним производителем и дистрибьютором мощных ультразвуковых аппаратов, которые используются во всем мире для тяжелых условий эксплуатации во многих отраслях промышленности.
С ультразвуковыми процессорами всех размеров от 50 Вт до 16 кВт на устройство, преобразователями различных размеров и форм, ультразвуковыми реакторами с различным объемом и геометрией, Hielscher Ultrasonics имеет подходящее оборудование для настройки идеальной ультразвуковой установки для вашего применения.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: