Застосування силового ультразвуку з використанням ультразвукових клаксонів

Ультразвукові ріжки або зонди широко використовуються для обробки різноманітної рідини, включаючи гомогенізацію, диспергування, мокре подрібнення, емульгування, екстракцію, дезінтеграцію, розчинення та деаерацію. Дізнайтеся основи про ультразвукові клаксони, ультразвукові зонди та їх застосування.

Ультразвуковий рупор проти ультразвукового зонда

Часто термін ультразвуковий рупор і зонд використовуються як синоніми і стосуються ультразвукового стрижня, який передає ультразвукові хвилі в рідину. Іншими термінами, які використовуються для ультразвукового зонда, є акустичний рупор, сонотрод, акустичний хвилевід або ультразвуковий палець. Однак технічно є різниця між ультразвуковим рупором і ультразвуковим зондом.
І рупор, і зонд відносяться до частин так званого ультразвукового апарату зондового типу. Ультразвуковий рупор - це металева частина ультразвукового перетворювача, яка збуджується за допомогою п'єзоелектрично генерованих коливань. Ультразвуковий рупор вібрує з певною частотою, наприклад 20 кГц, що означає 20 000 коливань в секунду. Титан є кращим матеріалом для виготовлення ультразвукових рупорів через його чудові акустичні властивості передачі, міцність на втому та твердість поверхні.

Ультразвуковий зонд ще називають сонотроде або ультразвуковий палець. Він являє собою металевий стрижень, найчастіше виготовлений з титану, і з різьбленням до ультразвукового ріжка. Ультразвуковий зонд є важливою частиною ультразвукового процесора, який передає ультразвукові хвилі в ультразвукове середовище. Доступні ультразвукові зонди / сонотроди різної форми (наприклад, конічна, конічна, конічна або як каскатрод). Хоча титан є найбільш часто використовуваним матеріалом для ультразвукових зондів, існують також сонотроди, виготовлені з нержавіючої сталі, кераміки, скла та інших доступних матеріалів.

Оскільки ультразвуковий клаксон і зонд перебувають під постійним стисненням або напругою під час ультразвуку, вибір матеріалу для ріжка та зонда має вирішальне значення. Високоякісний титановий сплав (марка 5) вважається найбільш надійним, міцним і ефективним металом, який витримує навантаження, витримує високі амплітуди протягом тривалих періодів часу, а також передає акустичні та механічні властивості.

Високопродуктивні ультразвукові апарати в основному працюють в діапазоні частот 20-30 кГц. На частоті 20 кГц ультразвуковий зонд зазвичай являє собою резонансний стрижень довжиною в половину хвилі, який постійно розширюється і скорочується 20 000 разів на секунду. Рухи розширення та скорочення передаються у вигляді високопотужного ультразвуку в технологічне середовище, тобто рідину або суспензію, для виконання таких застосувань, як

• Ультразвукове змішування з високим зсувом
• ультразвукове мокре помелування
• ультразвукова дисперсія наночастинок
• ультразвукова наноемульгування
• Ультразвукова екстракція
• ультразвуковий розпад
• Ультразвукове руйнування та лізис клітин
• ультразвукова дегазація і деаерація
• Сонохімія (соносинтез, соно-каталіз)

Як працює силове ультразвукове дослідження? – Принцип роботи акустичної кавітації

Для високоефективного ультразвукового застосування, такого як гомогенізація, зменшення розміру частинок, розпад або нанодисперсія, високоінтенсивний низькочастотний ультразвук генерується ультразвуковим перетворювачем і передається через ультразвуковий рупор і зонд (сонотроде) у рідину. Ультразвуком високої потужності вважається ультразвук в діапазоні 16-30 кГц. Ультразвуковий зонд розширюється і стискається, наприклад, на частоті 20 кГц, тим самим передаючи в середовище відповідно 20 000 коливань в секунду. Коли ультразвукові хвилі проходять через рідину, чергування циклів високого тиску (стиснення) / низького тиску (розрідження / розширення) створює найдрібніші порожнини (вакуумні бульбашки), які ростуть протягом декількох циклів тиску. Під час фази стиснення рідини і бульбашок тиск позитивний, в той час як фаза розрідження створює вакуум (негативний тиск). Під час циклів стиснення-розширення порожнини в рідині ростуть до тих пір, поки не досягнуть розміру, при якому вони не можуть поглинути подальшу енергію. У цей момент вони сильно вибухають. Імплозія цих порожнин призводить до різних високоенергетичних ефектів, які відомі як явище акустичної / ультразвукової кавітації. Акустична кавітація характеризується різноманітними високоенергетичними ефектами, які впливають на рідини, системи тверде тіло/рідина, а також системи газ/рідина. Енергетично щільна зона або кавітаційна зона відома як так звана зона гарячої точки, яка найбільш енергетично насичена в безпосередній близькості від ультразвукового зонда і зменшується зі збільшенням відстані від сонотрода. Основні характеристики ультразвукової кавітації включають локальні дуже високі температури та тиск та відповідні перепади, турбулентності та потік рідини. Під час імплозії ультразвукових порожнин в ультразвукових гарячих точках можна вимірювати температуру до 5000 Кельвінів, тиск до 200 атмосфер і струмені рідини зі швидкістю до 1000 км/год. Ці видатні енергоємні умови сприяють сономеханічним і сонохімічним ефектам, які інтенсифікують процеси і хімічні реакції різними способами.
Основні впливи ультразвуку на рідини і суспензії полягають в наступному:

• Високий зсув: Ультразвукові високозсувні сили руйнують рідини та системи рідина-тверда речовина, викликаючи інтенсивне перемішування, гомогенізацію та масообмін.
• Вплив: Струмені рідини і потоки, що утворюються ультразвуковою кавітацією, прискорюють тверді речовини в рідинах, що призводить згодом до міжроздільного зіткнення. Коли частинки стикаються на дуже високих швидкостях, вони розмиваються, розбиваються і дрібно подрібнюються і розсіюються по дрібній периметрії, часто до нанорозміру. Для біологічної речовини, такої як рослинні матеріали, високошвидкісні струмені рідини та змінні цикли тиску руйнують клітинні стінки та вивільняють внутрішньоклітинний матеріал. Це призводить до високоефективної екстракції біологічно активних сполук і однорідного змішування біологічної речовини.
• Агітації: Ультразвук викликає інтенсивні турбулентності, сили зсуву та мікрорух у рідині або суспензії. Таким чином, ультразвукове випромінювання завжди підсилює масообмін і прискорює тим самим реакції і процеси.

Ультразвукові гомогенізатори і змішувачі з високим зсувом використовуються практично в будь-якій переробній промисловості, яка працює з рідинами або суспензіями. Інтенсивні ультразвукові кавітаційні сили створюють інтенсивне перемішування, зсув, руйнування частинок і масообмін. Завдяки цьому рідини гомогенізуються, диспергуються, емульгуються, екстрагуються, розчиняються та/або ініціюються хімічні реакції. Загалом, ультразвук – це метод інтенсифікації процесів, який збільшує врожайність, покращує коефіцієнт конверсії та робить процеси більш ефективними.
Поширені ультразвукові застосування в промисловості поширені в багатьох галузях харчової промисловості & фармацевтика, тонка хімія, енергетика & нафтохімія, переробка, біопереробні заводи і т.д. і включають наступне:

• Синтез ультразвукового біодизеля
• ультразвукова гомогенізація фруктових соків
• ультразвукове виробництво вакцин
• Переробка ультразвукових літій-іонних акумуляторів
• ультразвуковий синтез наноматеріалів
• Ультразвукова формуляція фармацевтичних препаратів
• ультразвукова наноемульгування КБД
• ультразвукова екстракція рослинних компонентів
• Підготовка ультразвукових зразків в лабораторіях
• ультразвукова дегазація рідин
• Ультразвукова десульфуризація нафти
• і багато іншого ...

Ультразвукові клаксони та зонди для високопродуктивних застосувань

Hielscher Ultrasonics є багаторічним виробником і дистриб'ютором потужних ультразвукових приладів, які використовуються в усьому світі для важких умов експлуатації в багатьох галузях промисловості.
Завдяки ультразвуковим процесорам усіх розмірів від 50 Вт до 16 кВт на пристрій, зондам різних розмірів і форм, ультразвуковим реакторам з різними об'ємами та геометрією, Hielscher Ultrasonics має необхідне обладнання для налаштування ідеальної ультразвукової установки для вашого застосування.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: