CC BY
61
УДК 631.561: 633/635 DOI 10.24411/2078-1318-2019-13167
Доктор техн. наук М.М. БЕЗЗУБЦЕВА (ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected]) Аспирант А.Р. РОМАНОВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected]) Канд. техн. наук В.С. ВОЛКОВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected])
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКИ МОЛОКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА
Чтобы превратить жидкий продукт в сухой порошок, необходимо удалить почти всю воду, количество которой часто превышает количество готового продукта. Когда вода удаляется из обработанного продукта, она претерпевает глубокие изменения в своей физической структуре и внешнем виде - от водянистой жидкости до сухого порошка в конце процесса. Поэтому единственный метод удаления воды может быть неоптимальным для всего процесса, особенно потому, что пищевые продукты могут сильно различаться по составу. В пищевой и молочной промышленности для этой цели используются различные методы удаления влаги. Наиболее распространенной распылительной сушкой является превращение сконденсированного продукта в капли и испарение воды из этих капель с получением порошка, состоящего из сухих частиц. Повысить эффективность сушки и улучшить качество порошка можно путем распыления эмульсии с помощью ультразвука [1, 2]. Внедрение в аппаратную технологию линии по производству сухих молочных продуктов совершенно нового способа распыления с использованием методов электротехнологии позволит значительно интенсифицировать процесс сушки. Для того, чтобы эффективно внедрить в производство метод ультразвукового распыления и создать на его основе высокоэффективный тип сушилок нового принципа действия, необходимо более детально изучить физическую природу процесса, установить закономерности распыления и структуру фазовых превращений в молочных полуфабрикатах с различными физико-механическими свойствами.
Цель исследований - теоретические основы формирования распыления эмульсии в ультразвуковой распылительной сушилке, обеспечивающие повышение селективности образования мелкодисперсных капель и энергоэффективности процессов переработки молочного сырья в готовую продукцию высокого качества.
Материалы, методы и объекты исследования. Объектом исследования является метод распылительной сушки молочной продукции с использованием ультразвука. К предмету исследования относится физическая сущность формирования равномерного распыления эмульсии в зоне ультразвукового фонтана в рабочих объемах сушилки.
Результаты исследования. Процесс распыления эмульсий с использованием ультразвука впервые предложен физиками Р.В. Вудом и А.Л. Лумисом [2, 3]. Если высокоинтенсивная ультразвуковая волна мегагерцового диапазона частот направлена из глубины эмульсии к ее поверхности, то в месте выхода волны возникает «ультразвуковой фонтан». В то же время одновременно с фонтанированием жидкости при определенных условиях ее можно распылять с образованием стойкого высокодисперсного аэрозоля в средней и верхней частях фонтана (рис. 1).
Для генерации «ультразвукового фонтана» могут использоваться как плоские, так и фокусирующие излучатели ультразвуковых волн. Процесс начинается уже на малой ультразвуковой мощности.
"Ультразбукобой фонтан"
Ультразбукобая болнп 0,5 - 7 МГц
К электросети
@---г-
Источник ультразвука Резердупр для бады Гчнератор ТВЧ
Рис. 1. Схематичное изображение процесса распыления эмульсии в «ультразвуковом фонтане»
Например, используя плоский излучатель малой мощности, на поверхности жидкости может быть сформирован процесс распыления, имеющий форму «набухания» (рис. 2). В этом случае образование высокодисперсного аэрозоля может и не наблюдаться. Дело в том, что разбрызгивание жидкости в «ультразвуковой фонтан» происходит только в том случае, если мощность акустических колебаний превышает пороговое значение [1, 3]. Пока мощность ультразвуковых колебаний не превышает (или немного превышает) пороговое значение, струя фонтана формируется в форме сферических капелек-шариков диаметром около 1,0 мм.
Рис. 2. Изображение «ультразвукового фонтана», генерируемого плоским излучателем
(при слабой ультразвуковой волне)
При более мощной ультразвуковой волне (например, с использованием фокусирующего излучателя) фонтан приобретет цилиндрическую форму с неровной поверхностью (рис. 3).
Рис. 3. «Ультразвуковой фонтан», образованный слабой ультразвуковой волной, генерируемой
мощным фокусирующим излучателем
При этом диаметр струи определяется ультразвуковой силой, а не частотой. Таким образом, например, на частоте 4 МГц можно получить фонтанную струю диаметром 5-6 мм. При низкой интенсивности ультразвука этой же частоты образуется бусинкообразная струя фонтана диаметром порядка 0,5 мм [2, 4].
Когда мощность ультразвука намного превышает пороговое значение, то есть когда происходит стабильное образование аэрозоля, кинетика распыления имеет следующую природу. Аэрозоль отделяется от струи фонтана непрерывно от многочисленных отдельных областей струйного распыления, расположение которых постоянно меняется. Непрерывное образование аэрозоля при увеличении мощности ультразвука происходит постепенно, и наряду с увеличением частоты аэрозольных импульсов увеличивается количество взрывных аэрозольных выбросов, происходящих одновременно в нескольких местах струи фонтана. На практике образование аэрозоля в режиме высокой мощности представляет интерес, но физический механизм этого явления удобно изучать вблизи его порога, когда образование аэрозоля имеет такой отчетливый импульсный характер, что его можно обнаружить даже невооруженным глазом. Механизм образования аэрозоля основан на кавитационной гипотезе [1, 3, 5, 6, 7] распыления жидкости акустическими колебаниями, согласно которой жидкость распыляется гидравлическими ударами, которые возникают, когда кавитационные пузырьки приближаются к ее поверхности. Под кавитацией в жидкости понимают образование заполненных паровых и газовых полостей (или пузырьков), когда местное давление в жидкости падает до давления насыщенного пара. Когда ультразвуковая волна распространяется в жидкости даже относительно низкой интенсивности, возникает переменное звуковое давление, под действием которого жидкость попеременно испытывает сжатие и растяжение. Растягивающие силы в области волнового разрежения приводят к образованию разрывов в жидкости, то есть мельчайших пузырьков, заполненных газом и парами жидкости. Эти пузырьки называют кавитацией, а явление - ультразвуковой кавитацией [2, 3]. Известно, что в акустической кавитации основной является механическая
работа ударными волнами, возникающими при захлопывании кавитационных пузырьков. Происходит образование ударных волн с частотой, равной частоте возбуждающих акустических колебаний. Распыление жидкости под действием образовавшегося таким образом периодических ударных волн возникает так, что при встрече фронта удара с границей раздела жидкость-газ образуются относительно большие капли-брызги [4, 5].
На графике (рис. 4), полученном в результате радиометрических исследований, можно проследить, как изменяется энергия ультразвуковой волны при ее движении от излучателя к вершине фонтана [2, 3].
Рис. 4. Распределение потока звуковой энергии в «ультразвуковом фонтане» [2, 3]
Кривая графика разбита на участки, соответствующие этапам формирования фонтана и участкам опрыскивания. От точки «г» графика, соответствующей началу области распыления, происходит быстрое уменьшение потока звуковой энергии. Эта тенденция продолжается по всей секции распыления струи фонтана, вплоть до пересечения кривой с осью уровня жидкости. В этом случае максимальная интенсивность аэрозоля соответствует месту наискорейшего спада кривой распределения. Наблюдения за сонолюминесценцией в ультразвуковом фонтане выявили, что с появлением струи, на поверхность которой распыляется жидкость, зона кавитации перемещается в поток. Сравнивая кривые, полученные в результате серии экспериментов с изображениями фонтана, было обнаружено, что расположение нижних границ зоны свечения второго типа и области распыления струи, в которой происходит быстрое уменьшение потока звуковой энергии в струе, примерно
совпадают. На части струи, где нет кавитации и распыления, уменьшение потока звуковой энергии незначительно или практически отсутствует. Таким образом, эксперименты с сонолюминесценцией и изучением распределения потока звуковой энергии в агрегате указывают на то, что распыление жидкости может происходить только при условии образования кавитационной области в самой струе. Вся акустическая энергия, поступившая в струю фонтана, расходуется в основном в области, где наблюдается кавитация и распыляется жидкость.
40 60 80 Температура воды, "С
Рис. 5. Зависимость производительности распыления от температуры распыляемой
жидкости (частота УЗ 2 МГц)
Производительность распыления зависит только от величин давления насыщенных паров, коэффициента динамической вязкости и коэффициента поверхностного натяжения жидкости:
П2^, (1)
уц ' ^^ }
где П — производительность распыления; рн — давление насыщенных паров; о — коэффициент поверхностного натяжения жидкости; щ — коэффициент динамической вязкости жидкости.
В выражении (1) все величины, стоящие в правой части, являются функциями температуры жидкости, особенно рн. Выражение является справедливым не только при варьировании отношения рн / ощ подбором жидкостей, имеющих различные значения величин при фиксированной температуре, но и при изменении температуры одной выбранной жидкости. Следовательно, процесс распыления жидкости в «УЗ фонтане» может
быть интенсифицирован не только за счет увеличения мощности УЗ, но и повышением температуры распыляемой жидкости (рис.5).
Вывод. Представленные результаты исследований физической сущности процесса распыления жидкости в ультразвуковом фонтане позволяют сформулировать базовые практические рекомендации для проектирования УЗС-аппаратов, обеспечивающих повышение показателя энергоэффективности процесса сушки молочных сухих продуктов [5].
Литература
1. Романов А.Р., Беззубцева М.М. К вопросу исследований процесса переработки молока с применением эффектов ультразвукового воздействия // Роль молодых учёных в решении актуальных задач АПК: сборник по материалам международной научно-практической конференции молодых учёных /СПбГАУ. - 2018. - С. 194 - 196.
2. Беззубцева М.М., Сапрыкин А.Е., Пилюков И.Г. Интенсификация технологических процессов АПК ультразвуковой кавитацией // Успехи современного естествознания. -2014. - №12-1. - С. 180.
3. Физика и техника мощного ультразвука. Том III. Физические основы ультразвуковой технологии / Под ред. Л.Д. Розенберга. - М.: Наука, 1970. - 688с.
4. Шутилов В.А. Основы физики ультразвука. - Л.: Машиностроение, 1988. - 288 с.
5. Беззубцева М.М. К вопросу проектирования экспериментальных стендов с ультразвуковой технологией увлажнения воздушных потоков // Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования: материалы научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава / СПбГАУ, 2015. - С. 431 - 435.
6. Экнадиосянц О.К. О роли кавитации в процессе распыления жидкостей в ультразвуковом фонтане // Акустический журнал. - 1968. - 14. - Вып. 1. - С. 107.
7. Bisa K., Dirnagte, Esche R. Zerstäubung von Flüssigkeiten mit Ultraschall // Siemens Zeitschrift, bd. 28, 1954, №8, S. 314-347.
Literatura
1. Romanov A.R., Bezzubceva M.M. K voprosu issledovanij processa pererabotki moloka s primeneniem effektov ul'trazvukovogo vozdejstviya // Rol' molodyh uchyonyh v reshenii aktual'nyh zadach APK Sbornik po materialam mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchyonyh / SPbGAU. - 2018. - S. 194 -196.
2. Bezzubceva M.M., Saprykin A.E., Pilyukov I.G. Intensifikaciya tekhnologicheskih processov APK ul'trazvukovoj kavitaciej // Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya. - 2014. - №12-1. - S. 180.
3. Fizika i tekhnika moshchnogo ul'trazvuka. Tom III. Fizicheskie osnovy ul'trazvukovoj tekhnologii / Pod red. L.D. Rozenberga - M.: Nauka, 1970. - 688s.
4. SHutilov V.A. Osnovy fiziki ul'trazvuka. - L.: Mashinostroenie, 1988. - 288 s.
5. Bezzubceva M.M. K voprosu proektirovaniya eksperimental'nyh stendov s ul'trazvukovoj tekhnologiej uvlazhneniya vozdushnyh potokov // Nauchnoe obespechenie razvitiya APK v usloviyah reformirovaniya: materialy nauchno-prakticheskoj konferencii professorsko-prepodavatel'skogo sostava / SPbGAU, 2015. - S. 431 - 435.
6. Eknadiosyanc O.K. O roli kavitacii v processe raspyleniya zhidkostej v ul'trazvukovom fontane // Akusticheskij zhurnal. - 1968. - 14. - Vyp. 1. - S. 107.
7. Bisa K., Dirnagle, Esche R. Zerstaubung von Flussigkeiten mit Ultraschall // Siemens Zeitschrift, bd. 28, 1954, №8, S. 314-347.
