Обработка пищевых продуктов ультразвуком

Лекция 17

Обработка пищевых продуктов с помощью аккустических методов

Большое количество технологических процессов можно интенсифицировать на базе аккустических методов путем использования ультрозвуковых и звуковых колебаний.

Они представляют собой упругие колебания и в последние годы импульсная техника действие которой основано на них стало очень широко применяться.

Несмотря на количественные отличия по частоте и амплитуде или интенсивности. Имеется много общего в характере воздействия аккстических методов на процессы тепло и массообмена.

Характерной особенностью этого воздействие является одновременное протекание двух противоположных процессов. Аккустические методы отличаются один от другого техническими средствами генерации колебаний, при этом низкочастотная техника значительно проста по конструкции чем высокочастотная техника.

Из всех видов ультразвуковой технике наиболее сложной является электрическая система генерации наиболее широко используются ультрозвуковые колебания.

Обработка пищевых продуктов ультразвуком

Все существующие колебания делятся на четыре группы:

1. f=0-20 Гц- инфразвук

2. f=20-2×10⁴ Гц- звуковая

3. f=2×10⁴ - 2×10⁸ Гц- ультрозвуковая

4. f>2×10⁸ Гц – гиперзвук

Передача звука в среде является волновым процессом, причём скорость распространения звука

С=j(f;l)

Обязательным условием распространения колебаний является наличие упругой среды

Скорость распространения звука и ультрозвука зависит также от химического строения среды ускорения частиц итд

В зависимости от среды скорость изменяется

1. Для газа , см/с

Р- давление газа

- плотность газа

2. Жидкость

- плотность жидкости

- сжимаемость жидкости

3 . Твёрдые тела Е-модуль упругости

Характер передачи энергии зависит от траектории движения элементов в среде то есть от типа волны. Если элементы среды движутся по траектории параллельно направлению равпространению волны то это продольная волна-L. Если взаимно перпендикулярная направлению движения элементов среду и волны – поперечная волна S. Установлено что скорость распространения S меньше скорости L.

Ультрозвук распространяется тем более прямолинейно, чем меньше длина волны. Характер прохождения ультрозвуковой волны через границу раздела сред зависит от следующих факторов:

1. От свойств среды (газ, жидкость, твёрдое тело)

2. От угла распространения волны к поверхности раздела.

Количество энергии в отражйнной ударной волне зависит от свойств среды. Основными свойствами определяющими характер отражения является волновое сопративление среры R_волн, которая есть произведение скорости звука в данной среде на плотность среды.

Чем меньше разность R_волн тем больше передаётся энергии из одной среды в другую.

Кавитация

1. Одним из основных существенных вторичных эффектов возникающих в жидкости является кавитация. Кавитация – это образование ряда местных разрывов в жидкости возникающих под действием растягивающих усилий называемых звуковой волной в период фазы разряжения.

Таким образом это явление сопровождается образованием мелких пузырьков с газом или паром. При захлопывании кавитационных пузырьков возникает мощная ударная волна с большой амплитудой давления что мгновенное значение давления в этой ударной волне достигает нескольких сотен и даже тысяч атмосфер. Очевидно, что такая ударная волна может вызвать механические повреждения твердых поверхностей (образуются раковины, трещины).

Существует ряд формул позволяющих определить максимальное давление в жидкости на определенном расстоянии от центра пузырьков.

Р₀- начальное гидростатическое давление в жидкости

R₀, R- начальные и конечные радиусы пузырьков газа

Большое влияние на протекание кавитации оказывает вязкость жидкости.

Наиболее интенсивна кавитация развивается на границе раздела сред, с различными удельными аккустическими сопротивлениями

Источники ультразвука

Упругие колебания звукового и ультразвукового диапазона частот получают с помощью специальных установок – преобразователей. Преобразователь состоят из двух частей

1. Излучателя упругих колебаний

2. Устройство для их возбуждения

Источники ультразвуковых колебаний – следующие типы преобразователей:

1. Электормеханические

а) электромагнитные

б) электродинамические

в) магнитострекционные

г) пьезоэлектрические

2. Аэродинамические

3. Гидромеханические

4. Механические

Выбор источника зависит:

1. Мощности необходимыъх колебаний

2. Технических и конструктивных показателей

3. Частоты требуемых колебаний.

Различные источники ультразвука позволяют получать частоты:

1. Механические 0-10² Гц

2. Электромагнитные 10² -10⁴ Гц

3. Аэродинамические 10³ -10⁵ Гц

4. Гидродинамические 10³ -10⁴ Гц

5. Магнитострикционные 10² -10⁵ Гц

6. Пьезоэлектрические >10⁶ Гц

Наибольшее распрастранение имеют электромеханические преобразователи. Эти преобразователи состоят из двух частей

1. Генератора- который вырабатывает переменный электроток требуемой частоты

2. Излучателя который преобразует полученную от генератора электроэнергию в механические колебания и передаёт их в сопрекосающуюся с ними среду.

Использование ультразвука

Пищевые продукты представляют собой не однородные гетерагенные среды в силу чего воздействие на них ультразвуком сложно и многообразно. Ультразвук используется:

1. для имульгирования и диспергирования жидкости

2. Для фильтрации

3. Для одработки неоднородных газовых систем

4. Сушки

5. Различных дифузионных и массообменныз процессов

6. для мойки стеклянной тары

Механические генераторы

Принцип действия этих генераторов, называемых иногда политронами, основывается на разделении струи жидкости на ряд плоских струй, получающих дополнительное ускорение. В результате такого разложения основной струи возникают периодические импульсы давления. Рабочая часть аппарата (см. рис. 226) представляет собой концентрические чередующиеся неподвижный St и подвижный R роторы с щелями. Как видно из приведенной схемы, рассечение струи и ее ускорение приводит к образованию импульсов давления. Частота импульсов зависит от числа подвижных роторов и неподвижных статоров, количества щелей и числа оборотов. Практически политроны создают частоты порядка 100—2000 кГц.

Генератор предназначен для непосредственной установки в реакторе. Эти устройства можно применять также и для обработки жидкостей газами, при этом процесс проходит чрезвычайно интенсивно при большой поверхности контакта между фазами. При необходимости один из роторов можно оборудовать зубьями, что улучшает обработку твердой фазы.