CC BY
41
УДК 639.2/.3:664.95
А.И. Уколов, В.П. Родионов, П.П. Старовойтов
ГИДРОКАВИТАЦИОННОЕ СТРУЙНОЕ УДАЛЕНИЕ ВНУТРЕННОСТЕЙ
У ОБЕЗГЛАВЛЕННЫХ РЫБ
Работа продолжает цикл статей авторов, посвященных изучению возможности использования гидродинамической суперкавитации для удаления внутренностей у обезглавленных рыб с целью внедрения данного метода в производственную деятельность предприятий рыбной промышленности. Выполненные эксперименты позволили определить оптимальный диапазон давления насосной установки, необходимый для обеспечения данного процесса. Установлено, что при использовании разработанных авторами кавита-торов очистка рыбы от внутренностей без разрушения ее тела происходит при давлении от 0,5 МПа до 1,5 МПа. Компьютерное моделирование этого процесса подтвердило наличие концентрированной паровой фазы во внутреннем объеме брюшной полости рыбы. Однако за счет фазового перехода у поверхности тела рыбы наблюдается уменьшение давления и скорости потока, что способствует сохранению целостности продукта.
Ключевые слова: давление, кавитация, моделирование, очистка, переработка рыбы, удаление внутренностей.
A.I. Ukolov, V.P. Rodionov, P.P. Starovoitov HYDRO-CAVITATION JET REMOVAL OF VISCERA IN DECAPITATED FISH
This work continues a series of our papers on the possibility of using hydrodynamic super-cavitation to remove the viscera in decapitated fish with the aim of introducing this method in the production activities of fish industry enterprises. Our experiments allowed to determine the optimal pressure range of the pumping unit, which is necessary to ensure this process. It was established, when using the developed cavitators, it is possible to clean fish from the viscera at a pressure from 0,5 MPa to 1,5 MPa without destroying its body. The computer simulation of this process confirmed the presence of a concentrated vapor phase in the internal volume of the fish abdominal cavity. However, due to the phase transition a decrease in pressure and flow rate at the surface of the fish body was observed, that contribute to preserving integrity of the product.
Key words: pressure, cavitation, simulation, cleaning, fish processing, viscera removal.
DOI: 10.17217/2079-0333-2019-48-43-48
Введение
Рыба и морепродукты являются важнейшими компонентами пищи человека, поскольку являются источниками белков, жиров, минеральных веществ, содержат такие физиологически важные элементы, как калий, кальций, магний, железо, фосфор и комплекс необходимых для организма человека витаминов. Оптимизация процесса выпуска готовой рыбной продукции связана с внедрением в системы производства высокотехнологичного оборудования, которое решало бы задачу получения рыбного сырья, его хранения и транспортировки.
Исследовательские учреждения и коммерческие компании прилагают усилия для автоматизации и рационализации различных производственных процессов [1], например, использование роботов и автоматизированных систем в процессах захвата и обработки рыбы, операции по ее убою, снятию кожного покрова, филетировке и др. Однако скорость автоматизированной обработки рыбы тормозит ручное вмешательство, такое как мойка тушки и ее очистка от внутренностей.
Для удаления у рыбы внутренностей вспарывают ее брюшную полость и ножом или другим приспособлением механически удаляют ее внутренние органы (рис. 1, а). Наряду с этим на предприятиях рыбной промышленности используют ленточные пилы для распиловки рыб машины для отсекания голов, шкуросъемные и другие машины (рис. 1, б).
Рис. 1. Ручное вспарывание брюшной полости рыбы (а) и механическое обезглавливание рыбы (б)
Особенно эффективная технология очистки, используемая в настоящее время для удаления внутренностей рыб, основана на кавитации - процессе образования в потоке жидкости пузырьков и их последующего схлопывания, сопровождающегося шумом и гидравлическими ударами, образованием в жидкости за счет снижения локального давления кавитационных пузырьков, или пустот, содержащих разреженный пар. Кавитация используется в ряде производственных процессов, таких как очистка оптических устройств и высокоточных приборов [2], обезжиривание металлических объектов и удаление с деликатных поверхностей частиц микронных, субмикронных размеров. Физическая сущность кавитации является приемлемой с экологической точки зрения. Более того, она предотвращает риск бактериального загрязнения обрабатываемой поверхности, и это успешно используется при обработке воды [3-5].
Предполагается, что основным очищающим агентом служит кавитационный пузырек, который возникает при растяжении жидкости сверх ее прочности. Пузырьки колеблются в объеме, а затем растут из-за суммарного притока газов, растворенных в жидкости. Коллапс пузыря при резонансе может быть достаточно сильным, чтобы разбить отдельные пузырьки на более мелкие фрагменты. Динамика отдельных пузырьков определяет физический механизм очистки, который включает напряжение сдвига, создаваемое мгновенным движением пузырьков, и возвратную струю, распространяющуюся к твердой поверхности [6-8].
Однако кавитационная очистка имеет и побочный эффект. Схлопывание пузырьков часто сопровождается ударной эмиссией от сильного коллапса и гидравлическим ударом от столкновения реактивной струи с твердым телом [9], что приводит к повреждению обрабатываемой поверхности. Чтобы управлять динамикой кавитации, очищающий раствор перенасыщается газом. Это приводит к снижению порога возникновения кавитации и может смягчить вынужденный коллапс пузырьков.
В настоящей статье представлены результаты изучения возможности кавитационной очистки обезглавленной рыбы путем гидрокавитационного струйного удаления ее внутренностей и приведены данные компьютерного моделирования этого процесса.
Материалы и методы
Эксперименты по удалению внутренностей рыб путем кавитационной очистки выполняли на представителях семейства карповые толстолобиках (род Hypophthalmichthys) и сазанах (Cyprinus carpio). Длина их тела при этом колебалась от 30 до 50 см, а масса от 2 до 4 кг. Для гидрокавитационной очистки брюшной полости рыбы под водой использовали разработанные нами и защищенные патентами РФ техническое устройство [10-11] и способ очистки [12]. Для удаления внутренностей рыбу вначале обезглавливали. Затем с помощью разработанного нами метода удаляли внутренности рыбы. Схема этого процесса представлена на рис. 2, а. Согласно представленной на нем схеме в брюшную полость тушки, заполненную внутренними органами, через анальное отверстие резонатором кавитации подается кавитационный струйный поток, содержащий газопаровые пузырьки (рис. 2, б).
Анализ распределения гидродинамических и кавитационных характеристик потока жидкости выполнен при помощи компьютерного моделирования в программной среде ANSYS Workbench 19.1. Для построения геометрии сопла и области истечения струи выбрана программа Design Modeler, которая интегрирована в комплекс ANSYS Workbench 19.1. Размеры в модели соответствовали таковым у сопла, использованного в эксперименте.
а
б
Рис. 2. Схема способа удаления внутренностей у обезглавленных рыб (а): 1 - брюшная полость тушки, 2 - внутренности рыбы, 3 - газопаровые пузырьки, 4 - резонатор кавитации, 5 - водная среда.
Внешний вид на кавитационный пульсирующий поток (б)
С учетом осесимметричности процессов, происходящих в затопленной струе, истекающей из цилиндрического канала, была построена двухмерная геометрия модели сечения плоскостью по центральной линии струи, которая при помощи команды Revolve предана вращению относительно оси х на угол 45о. Подобная модель способствует созданию качественной расчетной сетки, удобна для указания сечений входа (Inlet), выхода (Outlet), плоскости симметрии (Symmetry) и стенок установки (Walls) и позволяет получить значимые результаты решения за относительно небольшое время. Сеточная модель сгенерированная тетраэдрического типа состояла из 0,9 млн элементов и 158 тыс. узлов.
Решение задачи в CFX - Solver, основанное на конечно-объемном методе, проходило в два этапа. Начало формирования задачи в препроцессоре CFX связано с заданием материала тела основного домена и опорного давления. Для этого во вкладке «Основные настройки» (Basic Settings) были выбраны «вода» (Material - Water) и давление (Reference Pressure) - 0,1 МПа. Особенности процесса течения жидкости, указанные во вкладке «Fluid Models», соответствовали однородной несжимаемой жидкости при изотермических условиях истечения. Температура жидкости составляла 25оС. Моделью турбулентности потока была выбрана вкладка Shear Stress Transport (SST). SST модель хорошо рассчитывает течения как вблизи стенки, так и в остальном потоке. Она стабильна и не требует больших вычислительных ресурсов [13, 14]. Параметры входа (Inlet) заданы в окне Mass and Momentum - полное давление (Total Pressure) 1МПа, выхода (Outlet) - статическое давление (Static Pressure) 0,05 МПа.
Для анализа кавитационных характеристик струи на панели Details of Default Domain in Flow Analysis во вкладке «Основные настройки» (Basic Setting) в поле определения жидкости и газа (Fluid and Particle Definition) добавлена область «Vapour». Материалом выбран водяной пар при 25 °С (Water Vapour at 25 °С), Reference pressure - 100 кПа, модель жидкости (Fluid Models) однородная (Homogeneous), процесс изотермический. Кавитация задана на вкладке «Модели жидкости и пара» (Fluid pair Models), опция - Cavitation. Во входном сечении Inlet определена объемная доля воды (Water-1) и пара (Vapour-0).
В ANSYS CFX предоставляется выбор между моделью кавитации, основанной на уравнении Рэлея - Плессета, и «пользовательским» (User Defined) вариантом, в котором могут дополнительно указываться математические выражения для определения скорости межфазного массопе-реноса или давления насыщенного пара, а также могут устанавливаться дополнительные параметры, использующиеся по умолчанию в модели Рэлея - Плессета.
При моделировании использована функция кавитации в ANSYS CFX, которая основана на уравнении Рэлея - Плессета:
где Я - радиус кавитационного пузырька, рн - давление внутри пузырька (в модели давление насыщенных паров), р - локальное давление в жидкости (абсолютное давление CFD-решателя), р - плотность жидкости, о - коэффициент поверхностного натяжения между жидкостью и паром.
2
(1)
Поскольку решить уравнение (1) в общем виде невозможно, в модели Рэлея - Плессета ANSYS CFX его упрощают, пренебрегая вторым порядком и не учитывая поверхностное натяжение жидкости:
dR= 2 Рн - Р
dt ]j 3 р '
Модель Рэлея - Плессета учитывает два фактора: скорость роста пузырька и статистический характер распределения пузырьков в кавитационном потоке. Объемная доля пара в ячейке учитывается статистически на основе определения числа зародышей n и их радиуса R0 и определяется по формуле:
4 , а = —%Rnn.
3
Реализуемая в ANSYS CFX модель кавитации Рэлея - Плессета требует задания таких параметров, как средний диаметр пузырька и давление насыщенного пара. Основной диаметр пузырьков пара (Main diameter) в уравнении Рэлея - Плессета выбран 2 • 10-6 м, давление насыщенных паров (Saturation Pressure) с учетом температуры моделируемой жидкости 25°С рн = 3170 Па. Остальные параметры моделирования, выбранные по умолчанию, считаются стандартными для большинства кавитационных течений.
Результаты и обсуждение
Данные проведенных экспериментов по гидрокавитационному струйному удалению внутренностей у обезглавленных рыб показывают, что при перепаде давления на срезе кавитатора, равного 0,5-1,5 МПа и скорости потока жидкости 32 м/с, статическое давление в струйном потоке становится ниже давления насыщенных паров. Это приводит к образованию, росту и схлопыванию газовых пузырьков, что, в свою очередь, приводит к колебаниям динамического давления струйного потока. Его внешний вид показан на рис. 2, б. За счет гидравлических взрывов и схлопывания газовых пузырьков непосредственно перед внутренностями рыбы, заграждающими движение кави-тационной струи, происходит срыв внутренностей и вынос их через головной срез рыбы.
Проведенные нами эксперименты показали, что очистка рыбы от внутренностей начиналась при перепаде давления на резонаторе кавитации 0,5 МПа. При перепаде давления на резонаторе кавитации 1,5 МПа происходило резкое увеличение производительности очистки, за счет увеличения как динамического давления, так и количества газопаровых пузырьков в струйном кавита-ционном пульсирующим потоке, срывающим и уносящим внутренности рыбы. При этом внутренняя поверхность тушки рыбы не травмировалась. Увеличение давления в рабочем потоке свыше перепада давления 1,5 МПа приводило к разрушению брюшной полости рыбы.
Для смягчения струйного кавитационного воздействия на поверхность тела тушки и увеличения производительности процесса очистки брюшной полости рыб от внутренностей в струйный поток дополнительно вводился воздух. Он демпфировал динамическое силовое струйное воздействие на поверхность тела тушки и способствовал сохранению ее целостности.
На рис. 3 белым цветом показана область паровой фазы внутри полости рыбы. Ее объем был рассчитан в ходе анализа распределения гидродинамических и кавитационных характеристик потока жидкости, выполнен при помощи компьютерного моделирования. Как видно из рис. 3,
содержание пара в брюшной полости рыбы составляет более половины от общего объема. Этого достаточно для эффективного извлечения внутренностей рыбы кавита-тором. При давлении на входе в насадку 1МПа и использовании рекомендованного в наших патентах инструмента [10-12] удавалось получить кавитационную струю, длиной более 15 см, достаточную для практически мгновенной очистки всего объема внутренней полости рыбы и сохранения у нее целостности брюшной
стенки. Увеличение скорости потока на срезе сопла приводит к падению давления ниже насыщенного пара и фазовому переходу. Ближе к телу рыбы давление за счет кавитации мало отличается от атмосферного (рис. 4, а), а механическое воздействие на внутренности оказывают в основном схлопывающиеся кавитационные пузырьки. Произведенные нами расчеты показывают, что высокие скорости потока возникают на оси струи (рис. 4, б), а около стенок брюшной полости скорость падает до 2-6 м/с, и вода только вымывает разрушенные кавитацией внутренности.
а б
Рис. 4. Распределение полного давления (а) и скорости потока воды (б) в сечении модели брюшной полости рыбы
Критический перепад давления в кавитационной струе возникает на суженном участке сопла, что приводит к зарождению и отрыву от твердой поверхности кавитационной каверны. Паровые пузырьки потоком воды движутся по направлению к очищаемым участкам рыбы, где и претерпевают коллапс, оказывая эрозийное воздействие на внутреннюю стенку брюшной полости.
Заключение
В ходе экспериментов было показано, что при использовании разработанных авторами кави-таторов очистка рыбы от внутренностей без нарушения ее целостности происходит при давлении от 0,5 МПа до 1,5 МПа. Компьютерное моделирование процесса кавитационной очистки показало, что разработанный нами метод использования механического рабочего инструмента весьма эффективен за счет создания в брюшной полости рыбы достаточно протяженного, высокоскоростного кавитационного потока с высоким давлением. Предлагаемый нами способ весьма удобен в использовании, позволяет сохранить целостность тела рыб и, следовательно, высокое качество товарной продукции. Немаловажным его преимуществом является экологическая безопасность процесса очистки.
Рыба, как известно, принадлежит к скоропортящимся пищевым продуктам. Кавитация позволяет не только эффективно очищать наружную и внутреннюю поверхность рыбы, но и оказывает на обрабатываемую поверхность антибактериальное действие. Последнее обстоятельство, безусловно, способствует увеличению сроков переработки рыбы и транспортировки полученного из нее продукта.
Дополнительным преимуществом разработанного нами способа первичной обработки сырца является то, что он не требует разработки сложной технологической и проектной документации для создания новых и изменения существующих технологических процессов. Его применение способно обеспечить высокое качество продукции и максимальную производительность оборудования при минимальных затратах энергии.
Литература
1. Experimental study of effectiveness of robotic cleaning for fish-processing plants / L.A.L. Giske, E. Bj0rlykhaug, T. Letvdal, O.J. Mork // Food Control. - 2019. - Vol. 100. - P. 269-277.
2. Mason T.J. Ultrasonic cleaning: a historical perspective // Ultrasonics Sonochemistry. - 2016. -Vol. 29. - P. 519-523.
3. Hydrodynamic cavitation in combination with the ozone, hydrogen peroxide and the UV-based advanced oxidation processes for the removal of natural organic matter from drinking water / M. Cehovin, A. Medic, J. Scheideler // Ultrasonics Sonochemistry. - 2017. - Vol. 37. - P. 394-404.
4. Rotation generator of hydrodynamic cavitation for water treatment / M. Petkovsek, M. Zupanc, M. Dular, T. Kosjek, E. Heath, B. Kompare, B. Sirok// Separation and Purification Technology. - 2013. -Vol. 118. - P. 415-423.
5. The issue of cavitation number value in studies of water treatment by hydrodynamic cavitation / A. Sarc, T. Stepisnik-Perdih, M. Petkovsek, M. Dular // Ultrasonics Sonochemistry. - 2017. - Vol. 34. -P. 51-59.
6. Particle adhesion and removal mechanisms in post-CMP cleaning processes / A.A. Busnaina, H. Lin, N. Moumen, J. W. Feng, J. Taylor // IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing. -2002. - Vol. 15 - P. 374-382.
7. Particle cleaning technologies to meet advanced semiconductor device process requirements / H.F. Okorn-Schmidt, F. Holsteyns, A. Lippert, D. Mui, M. Kawaguchi, C. Lechner, P.E. Frommhold, T. Nowak, F. Reuter, M.B. Piqué, C. Cairós, R. Mettin // ECS Journal of Solid State Science and Technology. - 2014. - Vol. 3 - P. N3069-N3080.
8. Henry C., Minier J.-P. Progress in particle resuspension from rough surfaces by turbulent flows // Progress in Energy and Combustion Science. - 2014. - Vol. 45. - P. 1-53.
9. Scaling laws for jets of single cavitation bubbles / O. Supponen, D. Obreschkow, M. Tinguely, P. Kobel, N. Dorsaz, M. Farhat // Journal of Fluid Mechanics. - 2016. - Vol. 802. - P. 263-293.
10. Устройство для гидрокавитационной очистки поверхностей под водой: пат. 2522793 RU: B63B59/08, B08B3/02 / Родионов В.П.; заявитель и патентообладатель Родионов В.П. -№ 2013108458/11; заявл. 27.02.2013; опубл. 20.07.2014. - 13 с.
11. Кавитатор Родионова В.П.: пат. 2568467 Рос. Федерация. № 2014142566; заявл. 22.10.2014; опубл. 20.11.2015. - 7 с.
12. Способ Родионова В.П. гидродинамической очистки поверхности: пат. № 2635232 Рос. Федерация; № 2016134995; заявл. 29.08.2016; опубл. 09.11.2017. - 21 с.
13. Уколов, А.И., Родионов В. П. Старовойтов П. П. Моделирование колеса центробежного насоса с максимальным эффектом кавитации // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2017. - № 5. - С. 910-919.
14. Уколов, А.И. Родионов В.П. Верификация результатов численного моделирования и экспериментальных данных влияния кавитации на гидродинамические характеристики струйного потока // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки». - 2018. - № 4. -С.102-114.
Информация об авторах Information about the authors
Уколов Алексей Иванович - Керченский государственный морской технологический университет; 298309, Россия, Республика Крым, Керчь; кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры математики, физики и информатики; ukolov_aleksei@mail.ru
Ukolov Alexey Ivanovich - Kerch State Maritime Technological University; 298309, Russia, Kerch, Republic of Crimea; Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of Mathematics, Physics and Informatics Chair; ukolov_aleksei@mail.ru
Родионов Виктор Петрович - Керченский государственный морской технологический университет; 298309, Россия, Республика Крым, Керчь; доктор технических наук, доцент, консультант отдела обеспечения научно-исследовательской деятельности; vik-rodio@yandex.ru
Rodionov Victor Petrovich - Kerch State Maritime Technological University; 298309, Russia, Kerch, Republic of Crimea; Doctor of Technical Sciences, Docent, Consultant of Research Activities Providing Department; vik-rodio@yandex.ru
Старовойтов Павел Петрович - Керченский государственный морской технологический университет; 298309, Россия, Республика Крым, Керчь, курсант; tornzaz@gmail.com
Starovoitov Pavel Petrovich - Kerch State Maritime Technological University; 298309, Russia, Kerch, Republic of Crimea; Cadet; tornzaz@gmail.com
