Ứng dụng của siêu âm điện sử dụng sừng siêu âm

Còi hoặc đầu dò siêu âm được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng xử lý chất lỏng đa dạng bao gồm đồng nhất, phân tán, xay ướt, nhũ hóa, chiết xuất, phân hủy, hòa tan và khử khí. Tìm hiểu những điều cơ bản về còi siêu âm, đầu dò siêu âm và các ứng dụng của chúng.

Sừng siêu âm vs Đầu dò siêu âm

Thông thường, thuật ngữ còi siêu âm và đầu dò được sử dụng thay thế cho nhau và đề cập đến thanh siêu âm truyền sóng siêu âm vào chất lỏng. Các thuật ngữ khác được sử dụng cho đầu dò siêu âm là còi âm thanh, sonotrode, ống dẫn sóng âm thanh hoặc ngón tay siêu âm. Tuy nhiên, về mặt kỹ thuật, có sự khác biệt giữa còi siêu âm và đầu dò siêu âm.
Cả hai, sừng và đầu dò, đề cập đến các bộ phận của cái gọi là máy siêu âm kiểu đầu dò. Còi siêu âm là phần kim loại của đầu dò siêu âm, được kích thích thông qua các rung động được tạo ra áp điện. Còi siêu âm rung ở một tần số nhất định, ví dụ như 20kHz, có nghĩa là 20.000 rung động mỗi giây. Titan là vật liệu ưa thích để chế tạo còi siêu âm do đặc tính truyền âm thanh tuyệt vời, độ bền mỏi mạnh mẽ và độ cứng bề mặt.

Đầu dò siêu âm còn được gọi là sonotrode hoặc ngón tay siêu âm. Nó là một thanh kim loại, thường được làm từ titan, và được luồn vào còi siêu âm. Đầu dò siêu âm là một bộ phận thiết yếu của bộ xử lý siêu âm, truyền sóng siêu âm vào môi trường siêu âm. Đầu dò siêu âm / sonotrodes có nhiều hình dạng khác nhau (ví dụ: hình nón, ngọn, thuôn nhọn hoặc như Cascatrode) có sẵn. Trong khi titan là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất cho đầu dò siêu âm, cũng có các sonotrode được làm từ thép không gỉ, gốm, thủy tinh và các vật liệu khác có sẵn.

Vì còi siêu âm và đầu dò bị nén hoặc căng liên tục trong quá trình siêu âm, nên việc lựa chọn vật liệu của còi và đầu dò là rất quan trọng. Hợp kim titan chất lượng cao (cấp 5) được coi là kim loại đáng tin cậy, bền và hiệu quả nhất để chịu được ứng suất, duy trì biên độ cao trong thời gian dài và truyền các đặc tính âm thanh và cơ học.

Máy siêu âm hiệu suất cao chủ yếu hoạt động trong dải tần 20-30kHz. Ở 20 kHz, đầu dò siêu âm thường là một thanh cộng hưởng dài một nửa bước sóng, liên tục giãn nở và co lại 20.000 lần mỗi giây. Các chuyển động giãn nở và co lại được truyền dưới dạng siêu âm công suất cao vào môi trường xử lý, tức là chất lỏng hoặc bùn, để đáp ứng các ứng dụng như

• Trộn siêu âm cắt cao
• phay ướt siêu âm
• phân tán siêu âm của các hạt nano
• Siêu âm Nano nhũ tương hóa
• khai thác siêu âm
• Siêu âm tan rã
• Rối loạn tế bào siêu âm và ly giải
• khử khí và khử khí siêu âm
• sono-chemistry (tổng hợp sono, xúc tác sono)

Siêu âm công suất hoạt động như thế nào? – Nguyên lý làm việc của hang động âm thanh

Đối với ứng dụng siêu âm hiệu suất cao như đồng nhất, giảm kích thước hạt, phân hủy hoặc phân tán nano, siêu âm cường độ cao, tần số thấp được tạo ra bởi đầu dò siêu âm và truyền qua còi siêu âm và đầu dò (sonotrode) vào chất lỏng. Siêu âm công suất cao được coi là siêu âm trong khoảng 16-30kHz. Đầu dò siêu âm giãn nở và co lại, ví dụ, ở 20kHz, do đó truyền tương ứng 20.000 rung động mỗi giây vào môi trường. Khi sóng siêu âm truyền qua chất lỏng, các chu kỳ áp suất cao (nén) / áp suất thấp (hiếm / giãn nở) xen kẽ tạo ra các khoang nhỏ (bong bóng chân không), phát triển qua nhiều chu kỳ áp suất. Trong giai đoạn nén của chất lỏng và bong bóng, áp suất dương, trong khi giai đoạn hiếm tạo ra chân không (áp suất âm.) Trong các chu kỳ nén-giãn nén, các khoang trong chất lỏng phát triển cho đến khi chúng đạt đến kích thước, tại đó chúng không thể hấp thụ thêm năng lượng. Tại thời điểm này, chúng nổ tung dữ dội. Sự nổ tung của các khoang đó dẫn đến các hiệu ứng năng lượng cao khác nhau, được gọi là hiện tượng xâm thực âm thanh / siêu âm. Xâm thực âm thanh được đặc trưng bởi các hiệu ứng năng lượng cao, tác động đến chất lỏng, hệ thống rắn / lỏng cũng như hệ thống khí / lỏng. Vùng mật độ năng lượng hoặc vùng xâm thực được gọi là vùng điểm nóng, có mật độ năng lượng cao nhất ở vùng lân cận gần đầu dò siêu âm và giảm dần theo khoảng cách ngày càng tăng từ sonotrode. Các đặc điểm chính của xâm thực siêu âm bao gồm nhiệt độ và áp suất rất cao xảy ra cục bộ và chênh lệch, nhiễu loạn và dòng chất lỏng tương ứng. Trong quá trình nổ các khoang siêu âm trong các điểm nóng siêu âm, có thể đo nhiệt độ lên đến 5000 Kelvin, áp suất lên đến 200 atm và tia chất lỏng lên đến 1000km / h. Những điều kiện cường độ năng lượng vượt trội này góp phần tạo ra các hiệu ứng siêu âm và siêu âm làm tăng cường các quá trình và phản ứng hóa học theo nhiều cách khác nhau.
Tác động chính của siêu âm đối với chất lỏng và bùn như sau:

• Cắt cao: Lực cắt cao siêu âm phá vỡ chất lỏng và hệ thống chất lỏng-rắn gây ra sự khuấy động dữ dội, đồng nhất và truyền khối lượng.
• Tác động: Các tia chất lỏng và dòng chảy được tạo ra bởi quá trình xâm thực siêu âm làm tăng tốc chất rắn trong chất lỏng, sau đó dẫn đến va chạm giữa các bên. Khi các hạt va chạm với tốc độ rất cao, chúng bị xói mòn, vỡ vụn và bị nghiền và phân tán mịn, thường xuống kích thước nano. Đối với vật chất sinh học như vật liệu thực vật, các tia chất lỏng tốc độ cao và chu kỳ áp suất xen kẽ phá vỡ thành tế bào và giải phóng vật liệu nội bào. Điều này dẫn đến việc chiết xuất các hợp chất hoạt tính sinh học hiệu quả cao và trộn đồng nhất các chất sinh học.
• Kích động: Siêu âm gây ra nhiễu loạn dữ dội, lực cắt và chuyển động vi mô trong chất lỏng hoặc bùn. Qua đó, quá trình siêu âm luôn tăng cường truyền khối lượng và tăng tốc do đó các phản ứng và quá trình.

Máy đồng nhất siêu âm và máy trộn có độ cắt cao được sử dụng trong hầu hết mọi ngành công nghiệp chế biến, hoạt động với chất lỏng hoặc bùn. Các lực xâm thực siêu âm mạnh mẽ tạo ra sự khuấy động mạnh, cắt, vỡ hạt và truyền khối lượng. Qua đó, chất lỏng được đồng nhất hóa, phân tán, nhũ hóa, chiết xuất, hòa tan và / hoặc các phản ứng hóa học được bắt đầu. Nhìn chung, siêu âm là một phương pháp tăng cường quy trình giúp tăng năng suất, cải thiện tỷ lệ chuyển đổi và làm cho các quy trình hiệu quả hơn.
Các ứng dụng siêu âm phổ biến trong ngành công nghiệp trải rộng trên nhiều ngành thực phẩm & dược phẩm, hóa học tinh, năng lượng & Hóa dầu, tái chế, nhà máy lọc sinh học, v.v. và bao gồm những thứ sau:

• tổng hợp dầu diesel sinh học siêu âm
• đồng nhất siêu âm của nước ép trái cây
• sản xuất vắc-xin siêu âm
• tái chế pin Li-ion siêu âm
• tổng hợp siêu âm vật liệu nano
• Công thức siêu âm dược phẩm
• siêu âm nano nhũ hóa CBD
• Khai thác siêu âm thực vật
• Chuẩn bị mẫu siêu âm trong phòng thí nghiệm
• siêu âm khử khí chất lỏng
• siêu âm khử lưu huỳnh của dầu thô
• và nhiều hơn nữa ...

Còi và đầu dò siêu âm cho các ứng dụng hiệu suất cao

Hielscher Ultrasonics là nhà sản xuất và phân phối máy siêu âm công suất cao có kinh nghiệm lâu năm, được sử dụng trên toàn thế giới cho các ứng dụng hạng nặng trong nhiều ngành công nghiệp.
Với bộ xử lý siêu âm ở tất cả các kích cỡ từ 50 watt đến 16kW cho mỗi thiết bị, đầu dò ở nhiều kích cỡ và hình dạng khác nhau, lò phản ứng siêu âm với thể tích và hình dạng khác nhau, Hielscher Ultrasonics có thiết bị phù hợp để cấu hình thiết lập siêu âm lý tưởng cho ứng dụng của bạn.
Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: