Aplikácia výkonového ultrazvuku pomocou ultrazvukových klaksónov

Ultrazvukové rohy alebo sondy sa široko používajú na rôzne aplikácie spracovania kvapalín vrátane homogenizácie, dispergácie, mokrého mletia, emulgácie, extrakcie, rozpadu, rozpúšťania a odvzdušňovania. Naučte sa základy ultrazvukových klaksónov, ultrazvukových sond a ich aplikácií.

Ultrazvukový klaksón vs ultrazvuková sonda

Termín ultrazvukový roh a sonda sa často používajú zameniteľne a vzťahujú sa na ultrazvukovú tyč, ktorá prenáša ultrazvukové vlny do kvapaliny. Ďalšie pojmy, ktoré sa používajú pre ultrazvukovú sondu, sú akustický klaksón, sonotroda, akustický vlnovod alebo ultrazvukový prst. Technicky však existuje rozdiel medzi ultrazvukovým klaksónom a ultrazvukovou sondou.
Klaksón aj sonda sa vzťahujú na časti takzvaného ultrazvukového zariadenia typu sondy. Ultrazvukový klaksón je kovová časť ultrazvukového prevodníka, ktorá sa excituje piezoelektricky generovanými vibráciami. Ultrazvukový klaksón vibruje pri určitej frekvencii, napr. 20 kHz, čo znamená 20 000 vibrácií za sekundu. Titán je preferovaným materiálom na výrobu ultrazvukových klaksónov vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam akustickej priepustnosti, robustnej únavovej pevnosti a tvrdosti povrchu.

Ultrazvuková sonda sa tiež nazýva sonotroda alebo ultrazvukový prst. Je to kovová tyč, najčastejšie vyrobená z titánu, a navlečená k ultrazvukovému klaksónu. Ultrazvuková sonda je nevyhnutnou súčasťou ultrazvukového procesora, ktorý prenáša ultrazvukové vlny do sonikovaného média. Ultrazvukové sondy? sonotródy sú k dispozícii v rôznych tvaroch (napr. kužeľové, hrotové, kužeľové alebo ako kaskatróda). Zatiaľ čo titán je najčastejšie používaným materiálom pre ultrazvukové sondy, k dispozícii sú aj sonotródy vyrobené z nehrdzavejúcej ocele, keramiky, skla a iných materiálov.

Keďže ultrazvukový klaksón a sonda sú počas sonikácie pod neustálym tlakom alebo napätím, výber materiálu klaksónu a sondy je rozhodujúci. Vysokokvalitná zliatina titánu (trieda 5) je považovaná za najspoľahlivejší, najodolnejší a najúčinnejší kov, ktorý odoláva namáhaniu, udržuje vysoké amplitúdy po dlhú dobu a prenáša akustické a mechanické vlastnosti.

Vysoko výkonné ultrazvukové prístroje väčšinou pracujú vo frekvenčnom rozsahu 20-30 kHz. Pri 20 kHz je ultrazvuková sonda zvyčajne rezonančná tyč s dĺžkou pol vlnovej dĺžky, ktorá sa neustále rozširuje a sťahuje 20 000-krát za sekundu. Expanzné a kontrakciové pohyby sa prenášajú ako vysokovýkonný ultrazvuk do procesného média, t. j. kvapaliny alebo suspenzie, aby sa splnili aplikácie, ako sú

• ultrazvukové miešanie s vysokým strihom
• ultrazvukové mokré frézovanie
• ultrazvuková disperzia nanočastíc
• ultrazvuková nanoemulzifikácia
• ultrazvuková extrakcia
• Ultrazvuková dezintegrácia
• Ultrazvukové narušenie a lýza buniek
• ultrazvukové odplyňovanie a odvzdušňovanie
• Sonochémia (sonosyntéza, sono-katalýza)

Ako funguje Power Ultrasound? – Princíp činnosti akustické kavitácie

Pre vysokovýkonné ultrazvukové aplikácie, ako je homogenizácia, zmenšenie veľkosti častíc, rozpad alebo nanodisperzie, sa ultrazvukový prevodník generuje vysokointenzívny, nízkofrekvenčný ultrazvuk a prenáša sa cez ultrazvukový klaksón a sondu (sonotroda) do kvapaliny. Vysokovýkonný ultrazvuk sa považuje za ultrazvuk v rozsahu 16-30 kHz. Ultrazvuková sonda sa rozširuje a sťahuje napr. pri 20 kHz, čím prenáša do média 20 000 vibrácií za sekundu. Keď ultrazvukové vlny prechádzajú kvapalinou, striedavé vysokotlakové (kompresné)? nízkotlakové (zriedenie? expanzia) cykly vytvárajú nepatrné dutiny (vákuové bubliny), ktoré rastú počas niekoľkých tlakových cyklov. Počas kompresnej fázy kvapaliny a bublín je tlak kladný, zatiaľ čo fáza riedenia vytvára vákuum (podtlak). Počas cyklov kompresie a expanzie dutiny v kvapaline rastú, až kým nedosiahnu veľkosť, pri ktorej nemôžu absorbovať ďalšiu energiu. V tomto bode sa prudko zrútia. Implózia týchto dutín má za následok rôzne vysoko energetické efekty, ktoré sú známe ako fenomén akustickej? ultrazvukovej kavitácie. Akustická kavitácia je charakterizovaná rozmanitými vysokoenergetickými účinkami, ktoré ovplyvňujú kvapaliny, systémy pevná látka/kvapalina, ako aj systémy plyn/kvapalina. Energeticky hustá zóna alebo kavitačná zóna je známa ako takzvaná zóna horúcich bodov, ktorá je energeticky najhustejšia v tesnej blízkosti ultrazvukovej sondy a klesá so zvyšujúcou sa vzdialenosťou od sonotrody. Medzi hlavné charakteristiky ultrazvukovej kavitácie patria lokálne sa vyskytujúce veľmi vysoké teploty a tlaky a príslušné diferenciály, turbulencie a prúdenie kvapaliny. Počas implózie ultrazvukových dutín v ultrazvukových horúcich miestach je možné merať teploty až 5000 Kelvinov, tlaky do 200 atmosfér a kvapalné prúdy s rýchlosťou až 1000 km/h. Tieto vynikajúce energeticky náročné podmienky prispievajú k sonomechanickým a sonochemickým účinkom, ktoré rôznymi spôsobmi zintenzívňujú procesy a chemické reakcie.
Hlavný vplyv ultrazvuku na kvapaliny a kaly je nasledujúci:

• Vysoký strih: Ultrazvukové sily s vysokým šmykom narúšajú kvapaliny a systémy kvapalina-pevná látka, čo spôsobuje intenzívne miešanie, homogenizáciu a prenos hmoty.
• Náraz: Kvapalné prúdy a prúdenie generované ultrazvukovou kavitáciou urýchľujú pevné látky v kvapalinách, čo následne vedie k interpartikuluárnej zrážke. Keď sa častice zrážajú veľmi vysokou rýchlosťou, erodujú, rozbíjajú sa a jemne sa rozmlejú a rozptýlia, často až do nanoveľkosti. V prípade biologických látok, ako sú rastlinné materiály, vysokorýchlostné prúdy kvapaliny a striedavé tlakové cykly narúšajú bunkové steny a uvoľňujú intracelulárny materiál. Výsledkom je vysoko účinná extrakcia bioaktívnych zlúčenín a homogénne miešanie biologických látok.
• Agitácia: Ultrazvuk spôsobuje intenzívne turbulencie, šmykové sily a mikropohyb v kvapaline alebo kale. Sonikácia tým vždy zintenzívňuje prenos hmoty a urýchľuje tým reakcie a procesy.

Ultrazvukové homogenizátory a mixéry s vysokým strihom sa používajú takmer v každom spracovateľskom priemysle, ktorý pracuje s kvapalinami alebo suspenziami. Intenzívne ultrazvukové kavitačné sily vytvárajú intenzívne miešanie, šmyk, lámanie častíc a prenos hmoty. Tým sa kvapaliny homogenizujú, dispergujú, emulgujú, extrahujú, rozpúšťajú a/alebo sa iniciujú chemické reakcie. Celkovo je ultrazvuk metódou zintenzívňujúcou procesy, ktorá zvyšuje výťažnosť, zlepšuje mieru konverzie a zefektívňuje procesy.
Bežné ultrazvukové aplikácie v priemysle sú rozšírené v mnohých odvetviach potravín & farmácia, jemná chémia, energetika & petrochémia, recyklácia, biorafinérie atď. a zahŕňajú:

• ultrazvuková syntéza bionafty
• ultrazvuková homogenizácia ovocných štiav
• ultrazvuková výroba vakcín
• ultrazvuková recyklácia lítium-iónových batérií
• ultrazvuková syntéza nanomateriálov
• Ultrazvukové formulovanie liečiv
• ultrazvuková nanoemulzifikácia CBD
• ultrazvuková extrakcia rastlinných látok
• Ultrazvuková príprava vzoriek v laboratóriách
• ultrazvukové odplyňovanie kvapalín
• ultrazvukové odsírenie ropy
• a mnoho ďalších...

Ultrazvukové klaksóny a sondy pre vysokovýkonné aplikácie

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics je dlhoročným skúseným výrobcom a distribútorom vysokovýkonných ultrazvukových prístrojov, ktoré sa celosvetovo používajú pre náročné aplikácie v mnohých priemyselných odvetviach.
S ultrazvukovými procesormi vo všetkých veľkostiach od 50 wattov do 16 kW na zariadenie, sondami rôznych veľkostí a tvarov, ultrazvukovými reaktormi s rôznymi objemami a geometriami má spoločnosť Hielscher Ultrasonics správne vybavenie na konfiguráciu ideálneho ultrazvukového nastavenia pre vašu aplikáciu.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: