книги из ГПНТБ / Рогов И.А. Физические методы обработки пищевых продуктов

влажный материал

Рис. 247. Схемы барабанных акустических сушилок:

7 — вентилятор; 8 — фильтр.

530

щийся барабан, опирающийся на зубчатые бандажи. Барабан наклонен к горизонтальной оси, поэтому при его вращении ма­ териал перемещается в сторону выгрузки. Сжатый теплый воз­ дух через ультразвуковую сирену подается навстречу материа­ лу. Фирма «Demister АВ» (ФРГ) выпускает барабанные сушилки производительностью 45 кг/ч (рис. 247, б). Излучатель работает

Сжатый

Рис. 248. Сушилки с кипящим слоем:

загрузочный бункер.

на частоте 10,9 кГц и создает в сушильной камере стоячую вол­ ну с уровнем в пучности порядка 160 дБ.

Представляют интерес сушилки с кипящим слоем (рис. 248). Эти аппараты имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами: более высокие интенсивность сушки и коэффициент за­ полнения объема, а также возможность сепарации сухого про­ дукта. Наконец, в этих сушилках более полно используется звуковая энергия.

531

В сушилках с кипящим слоем воздух подается через акусти­ ческую сирену. В первой установке (рис. 248, а) в целях устра­ нения влияния отработавшего воздуха на режим сушки звук подается в камеру через разделительную мембрану. В сушилке второго типа (рис. 248, б) озвучивание осуществляется непосред­ ственно газоструйным излучателем ГСИ-4, расположенным в верхней части сушильной камеры. Этот излучатель обладает

камеру и соединенного вентилем со сборником для увлажняю­ щей жидкости; сборник находится под давлением. В комплект устройства входит генератор ультразвуковых колебаний, под­ ключенный к источнику переменного тока. Вибрирующий эле­ мент генератора заканчивается иглой, вставленной в сопло. Острие иглы входит в выходное отверстие сопла. Генератор воз­ буждается, в результате чего вибрирующий элемент и игла на­ чинают колебаться с ультразвуковой частотой. Под воздейст­ вием таких колебаний жидкость, выходящая из сопла, превраща­ ется в гомогенный туман, содержащий частицы жидкости одинакового размера. Распыленная жидкость тщательно и равно­

жидкости, зависящее от количества введенного продукта, регу­ лируют, изменяя степень открытия вентиля.

532

ИМПУЛЬСНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Импульсный подвод энергии к продукту вызы­ вает не только количественные, но и качественные изменения процессов, что особенно специфично для электрофизических ме­ тодов. Большой интерес представляет возможность аккумули­ рования во времени энергии, а затем ее выделение в чрезвычай­ но малые промежутки времени, что позволяет, достигая высоких значений мгновенной мощности, создавать принципиально но­ вые технологические процессы.

В качестве источников импульсных нагрузок можно исполь­ зовать различные системы: механические, гидравлические, электроимпульсные, магнитноимпульсные, оптические и др. Электроимпульсные и магнитноимпульсные системы в качестве источника энергии базируются в основном на генераторе импульсов тока (ГИТ), принципиальная разница заключается лишь в преобра­ зователе электрической энергии в механическую; в первом слу­ чае этим преобразователем является электродная система, по­ мещенная в жидкость, во втором — система, состоящая из ин­ дуктора и электропроводящей пластины (мембраны), причем по­ следняя также может находиться в жидкости.

Для формирования электрических импульсов используется ряд элементов, составляющих импульсный генератор: высоко­ вольтный трансформатор, выпрямитель, батареи конденсаторов,

Электроимпульсный метод основан на импульсном электриче­ ском пробое жидкости при разряде конденсатора. В силу очень быстрого выделения энергии в искровом канале происходит его быстрое расширение, а в результате малой сжимаемости воды при импульсном разряде в жидкости возникает ряд эффектов: высокие импульсные давления, достигающие десятков тысяч ат­ мосфер; пульсации газового пузыря; ударные волны; линейные перемещения жидкости со скоростями, достигающими сотен мет­ ров в секунду; импульсная кавитация в значительном объеме жидкости; полидисперсное ультразвуковое излучение; воздей­ ствие плазмы канала искры, сопровождающееся инфракрасным, ультрафиолетовым и жестким излучением; импульсные элект­ ромагнитные поля, сопровождающие разряд.

Один импульсный разряд вызывает, по крайней мере, два гидравлических удара: первый — в момент образования поло­ сти, второй — при ее захлопывании. При определяющих усло­

533

виях (высота столба жидкости, давление, размер полости и др.) газовая полость совершает несколько пульсаций, что является логическим следствием разрыва сплошности жидкости и адиаба­ тического ее сжатия.

Компоновка простейшего электроимпульсного аппарата прсста (рис. 250, а): он состоит из корпуса с крышкой и двух элект­ родов. В ряде случаев, по технологическим соображениям, це­ лесообразно отделение зоны обработки от зоны искры с целью исключения действия отдельных факторов импульсного разря­ да (рис. 250, б).

в — магнитнонмпульсный: / — корпус; 2 — индуктор; 3 — мембрана.

Пропускание пластинами ударных волн связано обратно про­ порционально с массой мембраны. Коэффициент пропускания в этом случае

Pi c i

(V—40)

/о ’

гдер!, ci— волновое сопротивление жидкости;

т — масса единицы поверхности пластины; 0 — постоянная времени экспоненциального спада давления в

ударной волне.

Наиболее целесообразно изготовлять пластины из легких ма­ териалов, например алюминиевые сплавы, с учетом их прочно­ стных характеристик. При прочих равных условиях большое значение имеет форма пластины, жесткость, характер ее закреп­ ления по периметру, ориентация относительно источника возму­ щения и среды, в которую передается энергия.

Для электроимпульсных мембранных систем возможен ряд вариантов расположения мембран. На рис. 251 показаны прин­ ципиальные варианты мембранных систем в виде схем волн и зон кавитации, возникающих при различных границах раздела и их комбинациях.

534

535

гшо ударной волны через себя. При этом ударная волна под­ ходит к перегородке и частично отражается в виде волны сжатия, а частично проходит через перегородку, создавая волну, которая, отражаясь от свободной поверхности в виде волны раз­ режения, образует область кавитирующей жидкости.

И, наконец, возможна модель мембранного аппарата с дву­ мя перегородками (рис. 251, г). Ударная волна, взаимодействуя с тонкой перегородкой, будет проходить в жидкость за ней, частично отражаясь в виде волны сжатия. Прошедшая волна, отражаясь от поверхности жидкости, покрытой второй тонкой перегородкой, отражается в виде небольшой по протяженности волны сжатия и основной волны разрежения, вызывающей ка­ витацию. Интенсивность кавитации в данном случае будет есте­ ственно ниже в силу разницы в энергетических показателях ударной волны.

Развитие мембранных аппаратов возможно и в другом на­ правлении — высокоскоростном перемещении электропроводной мембраны импульсным магнитным полем. Принципиальная схе­ ма такого аппарата представлена на рис. 250, в. С генератора импульс подается на индуктор, что вызывает образование им­ пульсного магнитного поля. В непосредственной близости от ка­ тушки, ограниченной толщиной изолирующей пленки, парал­ лельно ее поверхности располагается мембрана из токопроводя­ щего материала, например из алюминия. Импульсное магнитное поле индуктора вследствие индукции наводит в мембране вихре­ вые токи, противоположные по направлению основному полю, что приводит к взаимному отталкиванию мембраны и индуктора. При жестком закреплении индуктора перемещаться будет только мембрана, причем, если эти перемещения будут происходить в жидкости, то возникают плоские импульсы давления с большой амплитудой.

В этих аппаратах одним из основных действующих факторов является импульсная кавитация, глубину зоны которой можно ■определить из соотношения

( V — 4 1 )

где ра— амплитудное давление в ударной волне; ро— начальное давление среды;

рр— отрицательное давление, при котором нарушается сплошность жидкости;

с — скорость звука в среде; О— постоянная времени спада давления в ударной волне.

В зависимости от максимальной растягивающей нагрузки, выдерживаемой жидкостью без нарушения сплошности, для каж­ дого обрабатываемого продукта можно рассчитать оптимальные

536

размеры рабочей камеры, при которых условия возникновения импульсной кавитации будут наилучшими.

Исследования, проведенные с помощью сверхскоростной полутеневой киносъемки, показали, что гидродинамические явле­ ния при движении мембраны в несжимаемой среде (вода) анало­ гичны процессам, протекающим в рабочей камере электроимпульсных аппаратов [60].

Развитие разряда в жидкости — сложное явление. В начале образования ударной волны ее фронт является границей искры, но по мере снижения температуры волна отшнуровывается от области высокой температуры и ее дальнейшее распространение

верждается гидродинамическая теория резкого расширения плазмы разряда, вызванного быстрым выделением энергии в канал искры после пробоя. В основу решения этой задачи по­ ложен предложенный Л. И. Седовым [69, 70] метод автомодель­ ного расчета точечного мгновенного и мощного взрыва в идеаль­ ном газе.

С учетом непрерывного поступления энергии в канал разряда радиус фронта ударной волны R в зависимости от величины

где ро — плотность среды;

t— время;

а— безразмерная постоянная;

£(/) — энергия, как функция от времени.

В связи с тем что рабочая среда (вода) подается в камеру непрерывно, можно считать, что ее свойства в процессе работы аппарата не меняются, а следовательно, характер импульсного разряда будет стабильным.

Так как расстояние между электродами мало по сравнению с размерами камеры, а разряд происходит в течение достаточно

cU2

где ~2 ~ — энергия заряженного конденсатора;

% — к. п. д.

537

Для воды в настоящее время пока не существует общеприня­ того уравнения состояния. Чаще всего для описания адиабати­ ческих процессов его берут в виде [42]:

Ро

где р — давление; р — плотность;

Л(р) — некоторая функция энтропии; %— показатель адиабаты принимается обычно близким к 7.

В работах М. Корнфельда, Н. Н. Кочиной и Н. С. Мельни­ ковой [39, 43] путем обработки экспериментальных материалов Бриджмена, определяющих зависимость плотности и температу­ ры воды от давления, были найдены следующие значения пока­ зателя •/ и характерной плотности р0:

Так как определяющих параметров с независимыми перемен­ ными только два (р0 и Е0), то течение жидкости рассматривают, как автомодельное, при этом радиус возникающей ударной вол­ ны гв за отрезок времени, определяется зависимостью:

Безразмерный параметр а находят из закона сохранения энергии. Путем определения теоретических и эксперименталь­

непосредственно за ударной волной на расстоянии г>- 0,85 > -/-в от центра разряда:

о.огтэго

Распределение давления по радиусу в плоскости, параллель­ ной каналу разряда и отстоящей от оси разряда на расстоянии

Б:

0,0279 Е0

(V—47)

Р= « ( r f + P)V.

где £ — высота над центром разряда.

Для электроимпульсных мембранных аппаратов эти уравне­ ния с учетом потерь энергии сохраняют свой общий вид. Так,

538

давление с учетом мембраны определяется по выражению

где Кг и Кх— акустические жесткости соответственно стенки и жидкости.

539