Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор литературы 17
2. Экспериментально-численные исследования уровня интенсивности кавитационного воздействия на посолочный рассол
2.1. Сравнение низко- и высокоамплитудного возбуждения кавитационного реактора 27
2.2. Алгоритм расчета реактора на потребляемую мощность и производительность 31
2.3. Экспериментальное исследование активирования растворов в эталонном реакторе 49
3. Математическое моделирование распределения плотности потенциальной энергии кавитации в реакторе 51
3.1. Плотность потенциальной энергии в реакторе в относительных единицах 51
3.2. Параметры для оценки равномерности распределения плотности энергии 53
3.3. Алгоритм расчета реактора на равномерность обработки потока и объема жидкости 55
4. Моделирование пространственной неоднородности поля давлений кавитации в Д/2-реакторе 62
4.1. Моделирование параметра «фазовый сдвиг» ,3/2-реакторов плоской и цилиндрической волны 62
4.2. Трансцендентное уравнение «нулевой» плотности энергии в плоскости кавитационной области 65
4.3. Алгоритм расчета эрозионно-устоичивого корпуса кавитационного реактора 66 Общетехнические параметры реакторного блока станции при готовления, активирования и дозирования рассола 67
Результаты мониторинга мокрого посола в производстве колбас 75
1 Описание станции приготовления, активирования и дозирования рассола 75
2 Описание промышленных испытаний станции и технологии мокрого посола 79
Выводы 93
Список литературы 95
- Алгоритм расчета реактора на потребляемую мощность и производительность
- Экспериментальное исследование активирования растворов в эталонном реакторе
- Параметры для оценки равномерности распределения плотности энергии
- Алгоритм расчета эрозионно-устоичивого корпуса кавитационного реактора
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
На большинстве мясоперерабатывающих предприятий России, используется технология сухого посола мяса каменной солью (поваренной пищевой по ГОСТ-Р 51574-2000). Такая соль загрязнена большим количеством примесей в виде гидроокисей, глин, солей кальция, магния и железа, а также микроорганизмов.
Использование каменной соли приводит к понижению качества выпускаемой продукции из-за влияния на цвет, запах и продолжительность хранения изделий продуктов химических реакций загрязнений соли с биополимерами мяса и лимитируемой интенсивностью развития микрофлоры продолжительности созревания мяса.
Это сопровождается также ощутимыми технологическими потерями, связанными с протеолитическими изменениями в эмульсионной среде фаршей в результате действия ферментов, продуцентами которых являются микроорганизмы, а также с ингибированием минеральных влагоудер-живающих добавок (натрия фосфатов) в результате их реакций с ионами кальция и магния с образованием нерастворимых солей - кальция и магния фосфатов.
В таких условиях использование потенциально опасных для здоровья человека цветостабилизирующей и консервирующей добавки - нитрита натрия, влагоудерживающих добавок - натриевых солей фосфорной и ор-тофосфорной кислот, является неоправданным и приводящим лишь к повышению экологической опасности вырабатываемого продукта вопреки развивающейся в пищевой отрасли концепции производства продуктов здорового питания.
В таких условиях и хлорид натрия в тех количествах, которые рекомендованы для его использования как консерваща,~хакже -превышает по
Г РОС НАЦИОНАЛЬНА*
содержанию его в продукте норму, необходимую человеческому организму.
Проблемы, связанные с посолом мясного сырья, в том числе в процессе производства колбасных изделий, исследовались ведущими российскими учеными. В работе А.Б. Лисицына, В.И. Любченко, Г.П. Горошко и АА Мотовилиной «Проблемы посола мяса в исследованиях и разработках ВНИИМПа» (Сборник научных трудов / под ред. А.Б. Лисицына.- М: ВНИИМП, 2000 г.) перечислено более 30 имен специалистов и ученых, посвятивших свои исследования этой тематике на протяжении последних 70 лет.
В рамках научной деятельности научно-производственного объединения, в которое входит ЗАО «Вологодский мясокомбинат» в период с 1999 по 2002 г.г. совместно с научно-исследовательскими институтами РАСХН под руководством д.т.н С.Д. Шестакова проводились исследования процессов (и оборудования) активирования воды, используемой в процессе переработки зерна и производстве пищевых эмульсий, основанных на методе кавитационной дезинтеграции.
В результате исследований было установлено, что при контакте активированной воды с биополимерами пищевого сырья, у которых активные центры образованы в процессе, механической деструкции или воздействия ферментов, происходят явления гидратации, в результате которых с этими биополимерами часть воды может быть связана водородными связями, которые не разрушаются даже при нагреве до температуры кипения воды. Такое количество воды без изменения тестируемой влажности не может быть введено в сырье никаким иным способом. Кроме того, вода связывается с белками непосредственно, то есть так, как это обстоит в природе.
Из-за синтеза в воде перекиси водорода, которым сопровождается ка-витационный процесс, а также в силу непосредственного воздействия
энергии кавитации на микробные тела, кавитационная обработка признана также как мощное бактерицидное и бактериостатическое средство. Кавитационная обработка в процессе дезинтеграции осуществляется посредством кавитационного реактора.
В 2004 г. в теоретическом журнале РАСХН «Хранение и переработка сельхозсырья» была опубликована статья академика И.А. Рогова и д.т.н. С.Д. Шестакова под названием «Надтепловое изменение термодинамического равновесия воды и водных растворов: Заблуждения и реальность», в которой приведен анализ явления кавитационной эрозии с точки зрения законов сохранения.
Результаты этого анализа показывают, что кавитационная дезинтеграция как процесс, а кавитационный реактор как средство его реализации могут быть успешно использованы для приготовления, обеззараживания и активирования растворов посолочных веществ, что позволяет наиболее эффективно и безопасно использовать технологию мокрого посола мяса. При этом затраты на основную решаемую задачу повышения качества и безопасности продукции могут быть не только скомпенсированы повышением выхода готовой продукции за счет гидратационного связывания воды, но может быть получен также и дополнительный экономический эффект.
Выполнение настоящей диссертационной работы обусловлено тем, что для максимального эффекта от использования процессов кавитационной дезинтеграции при приготовлении посолочных рассолов потребовались дополнительные исследования с целью специализации технологии, конструкции реакторов и методов их инженерных расчетов. А именно, к аспектам подлежащим исследованиям и требующим выполнения научных и инженерных разработок, были отнесены следующие:
алгоритмизация экспериментально-вычислительного метода определения уровня интенсивности кавитационного воздействия на раствор хлорида натрия, который полностью не диссоциирует на ионы в диапазоне температур, обусловленном технологией посола;
математическое моделирование распределения плотности потенциальной энергии кавитации в реакторе с целью обеспечения равномерности обработки рассола в реакторе, с учетом того факта, что при кавитационнои эрозии основную работу выполняет потенциальная энергия акустического поля кавитации;
моделирование акустического поля кавитации эрозионной и коррозионной прочности элементов конструкции кавитационного реактора, в связи с тем, что раствор хлорида натрия обладает высокой химической активностью, которая в совокупности с кавитационнои эрозией оказывает разрушающее действие на материалы и приводит к загрязнению рассола продуктами эрозии.
Поскольку методы прямого аппаратного контроля таких параметров, например, как распределение в пространстве реактора эрозионного коэффициента отсутствуют, а сам такой параметр не является непосредственно измеряемой физической величиной, то все эти исследования возможны только в виртуальном пространстве математических моделей явлений. Поэтому и тестирование результатов реализации этих моделей осуществлено в диссертации только по конечному результату, например по количеству связанных в сырье или продукте ионов, на которые диссоциирует соль, или по количеству влаги, которая внесена в сырье, но не обнаруживается в продукте методами термогравиметрии.
1. Путем компьютерных экспериментов с разработанной математической моделью и натурных экспериментов установлены оптимальные для 4
равномерной обработки раствора NaCl зависимости соотношения размеров реактора и диапазона среднеквадратичных отклонений от среднего значения объемной плотности потенциальной энергии возникающей в нем кавитации.
-
Дано научное обоснование и путем математического моделирования получены закономерности для оптимального соотношения амплитуды звукового давления гармонического осциллятора (упругой волны, вызывающей кавитацию) и гидростатического давления внутри реактора при обработке раствора NaCl.
-
Выведено новое упрощенное, но достаточно точное для инженерных расчетов алгоритмическое представление эрозионного коэффициента, позволяющее рассчитывать конфигурацию отверстий в диафрагме, профилирующей поток обрабатываемого в Л/2-реакторе посолочного рассола с целью его равномерной обработки.
-
Выявлена и формализована зависимость объемной плотности потенциальной энергии кавитации на стенке корпуса круглого в плане кави-тационного ЛУ2-реактора плоской волны от его радиуса, позволяющая проектировать реакторы, в которых исключено либо минимизировано эрозионное разрушение корпуса.
Работа выполнена в МГУТУ в соответствии планом организации и проведения исследований в рамках осуществления Программы работ по теме «Испытания и подготовка внедрения в производство мясных продуктов процессов и аппаратов кавитационной дезинтеграции пищевых сред», утвержденной объединением «Регионинвест» (г. Вологда) для входящего в его состав ЗАО «Вологодский мясокомбинат». Работа выполнялась по плану зарегистрированной ВНТИЦ научно-исследовательской работы по
теме: «Исследование явления интенсификации физико-химических про-
цессов «мокрого» посола мяса в шроте раствором поваренной соли, подвергнутым кавитационной дезинтеграции, и разработка специализированного оборудования». Шифр КД.ОТ.02-03 «Кавитолиз 2». Государственный регистрационный №0120.0 405099.
Объектами исследований являлись:
теория кавитационного реактора, изложенная в трудах С.Д. Шеста-кова, опубликованных в виде монографии и отдельных работ в изданиях Российского Акустического Общества;
конструкции кавитационных реакторов, изготавливаемых, в том числе по заказам, связанным с выполнением вышеуказанной НИР предприятием «Астор-С» (г. Вологда);
посолочные рассолы на основе каменной соли по ГОСТ-Р 51574-2000 и растворы NaCl марки Ч, обработанные методом кавитационной дезинтеграции в реакторах различной конструкции и в различных режимах;
колбасные изделия ЗАО «Вологодский мясокомбинат», в том числе из сырья, посоленного активированными рассолами.
При выполнении работы использовались методы математического моделирования с представлением результатов в виде компьютерной графики. В качестве базового средства моделирования использовался пакет прикладных программ MathCAD (MathSoft Inc., USA). Результаты лабораторных экспериментов с растворами соли были получены с помощью отечественного анализатора «АНИОН 7051» (Инфраспак Аналит, г. Новосибирск) и обработаны в соответствии со стандартными методами электрохимических исследований. Для лабораторных исследований использовался эталонный кавитационный реактор лабораторной установки «Ультрамикс 250» СИТБ.443124.001ТУ. Результаты сертификационных испытаний аппаратов типа «СИРИНКС» при их сертификации выполнялись в соответствии с правилами системы сертификации ГОСТ Р органом по сертификации
МГУПП. Для натурных исследований в условиях производства использо-6
валась экспериментальная установка «Улырамикс 1000» на базе бескорпусного реактора мощностью 1 кВт и аппарат типа «Сиринкс 4000» СИТБ.443146.002ТУ. При обработке результатов промышленных испытаний технологии посола предварительно измельченного сырья кавитацион-но-активированным рассолом использовались методы математической статистики. Схема организации и проведения исследований показана на рис. 1.
По результатам исследований, выполненных в рамках диссертации, разработаны алгоритмы и программы для инженерных расчетов кавитаци-онных реакторов, предназначенных для обработки агрессивных сред:
-
Алгоритм расчета кавитационного реактора проточного типа на оптимальную равномерность обработки жидких сред (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2004611995 от 08.07.2004 г.)
-
Алгоритм расчета кавитационного реактора на предотвращение эрозионного разрушения элементов конструкции (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2004611996 от 08.07.2004 г.)
При помощи этих методик и алгоритмов разработан типовариантный ряд кавитационных реакторов, предназначенных для использования в пищевой промышленности. Эти промышленные реакторы получили наименование: аппараты типа «СИРИНКС».
Сертифицированы и зарегистрированы групповые технические условия «Аппараты «Сиринкс» для кавитационной дезинтеграции жидких пищевых сред. СИТБ.443146.002ТУ». (Санитарно-эпидемиологическое заключение №50.99.08.000.Т.003066.06.02, Сертификат соответствия №РОСС RU.TM05.B00306).
Разработан проект автоматизированной станции приготовления, активирования, обеззараживания и дозирования растворов посолочных веществ для «мокрого» посола сырья в производстве мясных изделий.
и о
я а.
S н
5 о
< ы
и со
ft. ь
К ft.
со О
< ft.
S аз <
=;
ы О-
S і: U
3" 5 Н
as <
О ft.
S 02 S
н и:
н <
ft.
< ft.
S
(-о
я о
х г»
И g
8.S* 5
о я
лі О
о со
я- н
8.
5 « о ш
с п.
я g
Я о
СО Р-
О С
О, S
- і-
У S
4>
а. о
Си аз
и —
* 5
m з
'5
о ь
Я S
5 S
(3 к
«
сЭ я і- со
еп О m
и О
я о
» О я
о ч F
Моделирование параметра «фазовый сдвиг» Л/2-реакторов плоской и цилиндрической волны
Трансцендентное уравнение «нулевой» плотности энергии в плоскости кавитационной области
Разработка алгоритма расчета эрозионно-устоичивого корпуса кавитационного реактора
Моделирование плотности потенциальной энергии в реакторе в относительных единицах
Параметр для оценки равномерности распределения плотности энергии в реакторе
Разработка алгоритма расчета реактора на равномерность обработки потока и объема жидкости
Сравнение низко- и высокоамплитудного возбуждения реактора. Численный эксперимент
Разработка алгоритма расчета реактора на потребляемую мощность и производительность
Экспериментальное
исследование активирования
растворов NaCl в эталонном ре
актору
X се СО
о ч и ч о о S
8.
X cd
&
S о X
S ft.
Изготовлен и внедрен в производство на ЗАО «Вологодский мясокомбинат» (г. Вологда) промышленный образец станции (Станция производства посолочных рассолов. Решение ФИПС о выдаче патента РФ на полезную модель по заявке №2004120738).
Алгоритм расчета реактора на потребляемую мощность и производительность
Поскольку методы прямого аппаратного контроля таких параметров, например, как распределение в пространстве реактора эрозионного коэффициента отсутствуют, а сам такой параметр не является непосредственно измеряемой физической величиной, то все эти исследования возможны только в виртуальном пространстве разрабатываемых математических моделей явлений. Поэтому и тестирование результатов реализации этих моделей возможно только по конечному результату, например по количеству связанных в сырье или продукте ионов, на которые диссоциирует соль, или по количеству влаги, которая внесена в сырье, но не обнаруживается в продукте методами термогравиметрии.
1. Путем компьютерных экспериментов с разработанной математической моделью кавитационного реактора и натурных экспериментов установлены оптимальные для равномерной обработки раствора NaCl зависимости соотношения размеров реактора и диапазона среднеквадратичных отклонений от среднего значения объемной плотности потенциальной энергии возникающей в нем кавитации.
2. Дано научное обоснование и путем математического моделирования получены закономерности для оптимального соотношения амплитуды звукового давления гармонического осциллятора (упругой волны, вызывающей кавитацию) и гидростатического давления внутри реактора при обработке раствора NaCl.
3. Выведено новое упрощенное, но достаточно точное для инженерных расчетов выражение для эрозионного коэффициента, позволяющее рассчитывать конфигурацию отверстий в диафрагме, профилирующей поток обрабатываемого в Д/2-реакторе посолочного рассола с целью его равномерной обработки.
4. Выявлена и формализована зависимость объемной плотности потенциальной энергии кавитации на стенке корпуса круглого в плане кави-тационного. Л/2-реактора плоской волны от его радиуса, позволяющая проектировать реакторы, в которых исключено либо минимизировано эрозионное разрушение корпуса. Предложены соответствующие алгоритмы инженерных расчетов.
Работа выполнена в Московском Государственном Университете Технологий и Управления в соответствии планом организации и проведения исследований в рамках осуществления Программы работ по теме «Испытания и подготовка внедрения в производство мясных продуктов процессов и аппаратов кавитационнои дезинтеграции пищевых сред», утвержденной объединением «Регионинвест» (г. Вологда) для входящего в его состав ЗАО «Вологодский мясокомбинат». Работа выполнялась по плану зарегистрированной Всероссийским Научно-Техническим Исследовательским Центром научно исследовательской работы по теме: «Исследование явления интенсификации физико-химических процессов «мокрого» посола мяса в шроте раствором поваренной соли, подвергнутым кавитационнои дезинтеграции, и разработка специализированного оборудования». Шифр КД.ОТ.02-03 «Кавитолиз 2». Государственный регистрационный №0120.0 405099. Объектами исследований являлись: - математическая модель кавитационного реактора, изложенная в трудах С.Д. Шестакова, опубликованных в виде монографии и отдельных работ в изданиях Российского Акустического Общества; - конструкции кавитационных реакторов, изготавливаемых, в том числе по заказам, связанным с выполнением вышеуказанной НИР предприятием «Астор-С» (г. Вологда); - посолочные рассолы на основе каменной соли по ГОСТ-Р 51574-2000 и растворы NaCl марки ЧДА, обработанные методом кавитационной дезинтеграции в реакторах различной конструкции и в различных режимах; - мясные изделия ЗАО «Вологодский мясокомбинат», в том числе из сырья, посоленного активированными рассолами.
При выполнении работы использовались методы математического моделирования с представлением результатов в виде компьютерной графики. В качестве базового средства моделирования использовался пакет прикладных программ MathCAD (MathSoft, USA).
Результаты лабораторных экспериментов с растворами соли были получены с помощью отечественного анализатора «Анион 7051» (Инфраспак Аналит, г. Новосибирск) и обработаны в соответствии со стандартными методами электрохимических исследований. Для лабораторных исследований использовался эталонный кавитационный реактор лабораторной установки «Ультрамикс 250» СИТБ.443124.001ТУ.
Результаты сертификационных испытаний аппаратов типа «СИ-РИНКС» при их сертификации выполнялись в соответствии с правилами системы сертификации ГОСТ Р органом по сертификации МГУПП. Для натурных исследований в условиях производства использовалась экспериментальная установка «Ультрамикс 1000» на базе бескорпусного реактора и аппарат типа «Сиринкс 4000» СИТБ.443146.002ТУ.
При обработке результатов промышленных испытаний технологии посола предварительно измельченного сырья кавитационно-активированным рассолом использовались методы математической статистики. Схема организации и проведения исследований показана на рис.1.
По результатам исследований, выполненных в рамках диссертации, разработаны методики, алгоритмы и программы для инженерных расчетов кавитационных реакторов, предназначенных для обработки агрессивных сред:
1. Алгоритм расчета кавитационного реактора проточного типа на оптимальную равномерность обработки жидких сред (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2004611995).
2. Алгоритм расчета кавитационного реактора на предотвращение эрозионного разрушения элементов конструкции (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2004611996).
При помощи этих методик и алгоритмов разработан типовариантный ряд кавитационных реакторов, предназначенных для использования в пищевой промышленности. Эти промышленные реакторы получили наименование: аппараты типа «СИРИНКС». Сертифицированы и зарегистрированы групповые технические условия «Аппараты «Сиринкс» для кавита-ционной дезинтеграции жидких пищевых сред. СИТБ.443146.002ТУ». (Сертификат соответствия №РОСС RU.TM05.B00306, Санитарно-эпидемиологическое заключение №50.99.08.000.Т.003066.06.02, Лицензия на право применения знака соответствия системы сертификации ГОСТ
Экспериментальное исследование активирования растворов в эталонном реакторе
В теории кавитационного реактора распределение потенциальной энергии кавитации в пространстве описывается посредством интеграла по времени квадрата кусочно-линейной обобщенной функции вида [23]: где: t, ф - безразмерные (выраженные в долях периода вызывающей кавитацию акустической волны) мгновенное значение времени и начальная фаза его отсчета, соответственно; [ ] - обозначена целая часть числа.
Эта функция аппроксимирует так называемую интегральную безразмерную жесткость кавитационного пузырька ai — параметр, характеризующий его упругие свойства. Однако такую аппроксимацию правомочно применять только тогда, когда фаза схлопывания (коллапса) кавитацион-ных пузырьков - отрезок времени, на протяжении которого их мгновенный радиус R меньше радиуса покоя До, пренебрежимо мала по сравнению с периодом осциллятора. Когда же это условие не выполняется, или за период акустической волны пузырьки коллапсируют многократно вид функции &(t,0) отличается от кусочно-линейного. Это происходит при низких значениях амплитуды давления осциллятора.
Интегрируя, например, дифференциальное уравнение движения стенки кавитационного пузырька Хиклинга-Плессета можно показать, что при амплитуде звукового давления Р, составляющей, например, 75% от давле 28 ния покоя внутри кавитационного пузырька Р0 при безразмерной жесткости а, показанной нарис. 2.1, его безразмерная интегральная жесткость Ы будет с достаточной точностью аппроксимироваться значимо отличающейся от (2.1) функцией вида (рис. 2.2):
Временные (от числа периодовах гармонического осциллятора) детерминированная и аппроксимирующая функции безразмерной интегральной жесткости Выражение для функции, описывающей плотность потенциальной энергии кавитации в Л/2-реакторе по Шестакову, имеет вид: где: Л - длина волны гармонического осциллятора в обрабатываемой жидкости; f - функция, задающая среднее значение расстояния от любой произвольной точки объема реактора до видимой из нее части стационарной кавитационной области.
При замене вида аппроксимирующей функции с (2.1) на (2.2) необходимой, как показано выше, в случае низких значений Р выражение (2.3) для W, соответственно, примет вид: Можно показать, что у круглого в плане Л/2-реактора для обработки насыщенного раствора соли радиусом, например, 0,038 м при расчете с использованием выражения (2.3), где Di, например, равно 1 результат составит 15,2 Дж/м , а с использованием выражения (2.4) - 0,3 Дж/м .
Поскольку функция распределения плотности потенциальной энергии кавитации зависит от среднего значения плотности акустической мощности, рассеиваемой в реакторе, а, значит, от амплитуды звукового давления акустической волны Р, то можно установить такой диапазон значений этого параметра, при котором эта зависимость будет пренебрежимо малой.
Давление покоя PQ В кавитационном пузырьке зависит от R0, поверхностного натяжения жидкости, плотности паров жидкости и гидростатического давления Рь в ней. Реальный порог кавитации в концентрированном рассоле составляет для кавитационных пузырьков диаметром более м при гидростатическом давлении 105 Па менее чем 105 Па, что объясняется низкой плотностью паров воды по сравнению с гидростатическим давлением в них при равновесном состоянии. С учетом этого, используя уравнение равновесия зародыша кавитационного пузырька в жидкости, можно показать, что при различных вариациях параметров, давление покоя Р0 в пузырьке в равновесном состоянии, начиная с R0 10"5 м становится пренебрежимо мало отличающимся от гидростатического [44, 45, 46, 47, 48, 49, 50]. Таким образом, при установлении диапазона изменения амплитуды звукового давления акустической волны Р, в котором распределение плотности потенциальной энергии в кавитационном реакторе будет инвариантно по отношению к нему, можно гидростатическое давление Д в жидкости принять в качестве константы относительно которой устанавливается Р.
На рис. 2.3 показана полученная путем вычислительных экспериментов с моделью кавитационного пузырька, построенной на основе уравнений Айвени-Хэммита-Шестакова, зависимость давления внутри пузырька от его радиуса при различных начальных условиях.
Таким образом, в диапазоне технически достижимых значений Рь в них, при любых значениях Р, начиная с того, при котором коллапс происходит не чаще 2 раз за период акустической волны вызывающей кавитацию, безразмерная интегральная жесткость Ы с достаточной точностью описывается функцией вида (2.1). Это утверждение истинно в силу закона сохранения импульса давления, так как независимо от того четно или нечетно кратна пауза между коллапсами отдельно взятого пузырька периоду акустической волны среднее давление, порождаемое кавитационной областью за большое число периодов равно нулю. Это значит, что распределение плотности потенциальной энергии в кавитационном реакторе при этом инвариантно по отношению к Р. 10"7 Ю"6 Ю"5Л0[м]
Искомое минимальное значение Р, полученное численным интегрированием с применением рекурсивной процедуры из уравнения типа Хик-линга-Плессета, преобразованного в соответствии с вышеизложенными результатами компьютерных экспериментов и логическими выводами, составляет 4,4Ph.
Алгоритм расчета реактора на потребляемую мощность и производительность (рис. 2.4) разработан с целью установления расчетным путем характеристик реактора и осуществляемого им процесса при известных параметрах излучателя, размерах и характеристиках реактора, выбранного эталонным. Для упрощения и конкретизации модели кавитационного реактора, впервые предложенной С.Д. Шестаковым, были сделаны следующие допущения.
Во-первых, поскольку, как показано выше, коллапс кавитационных пузырьков при оптимальных условиях совпадает, или почти совпадает с концом периода осциллятора, то «динамическое число» можно считать равным 1.
Во-вторых, так как плотность зародышей кавитационных пузырьков в реальных жидкостях, в том числе в растворах натрия хлорида, в стационарных термодинамических условиях одинакова, то можно считать их число, участвующее в кавитационном процессе, пропорциональным суммарной площади кавитационных областей в реакторе и обратно пропорциональным площади проекции кавитационного пузырька в состоянии покоя на плоскость кавитационной области. При таких допущениях выражение для плотности потенциальной энергии кавитации, выделяемой в среднем за период осциллятора примет вид: №- щ-ш4 --гШ} 25) где фигурными скобками обозначена дробная часть числа. Ниже, после рис. 2.4 на рис. 2.5 - 2.19 и в таблицах 2.1 - 2.15 приведены примеры реализации алгоритма расчета вариантов круглых в плане кавитационных реакторов плоской волны с диаметрами корпуса 178 мм, 267 мм и 356 мм предназначенных для обработки посолочного рассола. Частота гармонического осциллятора во всех случаях равна 20 кГц. Параметр «Срендее W, Дж/м3» обозначает среднее за период гармонического осциллятора (1/20000 с.) значение плотности потенциальной энергии кавитации.
Параметры для оценки равномерности распределения плотности энергии
В общем случае можно считать, что область значений s, удовлетворяющих как обеспечению равномерности обработки, так и минимизации эрозионного воздействия на сам реактор, находится в диапазоне между минимальным и максимальным значениями s реактора сферической волны, имеющего более чем одну стационарную кавитационную область с распределенными параметрами. На рис. 3.1 в виде дискретного множества показаны значения реактора сферической волны, содержащего п стационарных кавитационных областей с распределенными параметрами. min= 0,499 и соответствует реактору с п = 3, a smax= 1,027 и соответствует реактору с п = 4. Область, находящаяся в геометрическом центре сферы имеет нулевой номер, считается областью с сосредоточенными параметрами - единичным кавитационным пузырьком и ее влияние в расчетах не учитывается за малостью.
На рис. 3.2 показаны графики зависимости относительного среднеквадратичного отклонения от среднего значения плотности потенциальной энергии кавитации для круглого в плане реактора плоской волны от его диаметра, выраженного в относительных единицах к длине волны.
Ядро алгоритма расчета на равномерность обработки объема идентично блокам 11-13 алгоритма, показанного на рис. 2.4. и может выполняться в принятых относительных единицах.
При решении задачи обеспечения равномерности обработки жидкости в потоке нужно учитывать еще один фактор. Рис. 3.2 Зависимость s круглого в плане реактора плоской волны от его диаметра (номера кривых соответствуют числу стационарных кавитационных областей в реакторе)
Результат акустического воздействия на жидкие среды зависит от соотношения уровней потенциальной и кинетической энергии акустического поля кавитации. Потенциальная энергия является мерой работы скалярного поля переменных давлений в среде, а кинетическая - векторного поля колебательных скоростей частиц среды. Эффекты, производимые воздействием на среду циклическими деформациями и колебательными смещениями принципиально неодинаковы по механизму воздействия и существенно различны по результатам. Наиболее действенным эффектом явления кавитации считается воздействие на жидкость и содержащиеся в ней субстанции перепадов давления во фронтах акустических волн, испускаемых кавитационными пузырьками, то есть рассеяние потенциальной энергии кавитации. Именно от ее уровня зависят результаты кавитационного воздействия на среды [62, 63,64,65,66]. В качестве меры соотношения потенциальной и кинетической энергии кавитации используется эрозионный коэффициент Е, показывающий процентное отношение объемной плотности потенциальной энергии, выделяющейся, например, за период порождающей кавитацию упругой волны, в заданной точке акустического поля кавитации к объемной плотности полной энергии, выделившейся в этой точке за тот же период [65, 66].
Оптимальные параметры процесса и Е, а также время обработки обычно на практике предварительно определяются экспериментальным путем с использованием эталонного реактора [23].
Однако, как известно, эрозионный коэффициент имеет определенного вида функцию распределения по внутреннему объему реактора, параметрами которой являются, в том числе, размеры и форма этого объема. Поэтому, полагаясь на значения параметров процесса полученные посредством эталонного реактора, невозможно обеспечить воспроизводимость результатов при использовании способа с реактором, имеющим отличные от эталонного форму и соотношение размеров. Варьируя размерами внутреннего объема реактора можно добиться соответствия лишь среднего значения эрозионного коэффициента оптимальному. Функцию же распределения Е в реакторе с другим объемом воспроизвести невозможно, так как кавитационные реакторы не обладают подобием формы [23].
Поэтому в реальном процессе части потока жидкости могут проходить сквозь реактор, огибая пространственную область со средним или превышающими его значениями эрозионного коэффициента, даже при турбулизации потока. Тем самым заданный параметр Е процесса в этих частях потока обрабатываемой среды не будет обеспечен, а общий результат обработки будет отличаться в худшую сторону от ожидаемого или от того, который можно было бы получить. Проблема решается следующим образом. Для обеспечения равномерности обработки потока рассола можно устанавливать на его пути диафрагму с отверстием, ограничивающим сечение, в котором значение эрозионного коэффициента выше, чем среднее по объему реактора.
Диафрагма устанавливается в плоскости колебательных смещений осциллятора. Координаты границы отверстия ь, уъ в диафрагме в координатной системе реактора должны удовлетворять уравнению: ЛІ4+УІ 1 ггр/х2+/ + г2 (зло) где: х, у координаты в плоскости диафрагмы; z - координата на оси перпендикулярной плоскости диафрагмы. У круглого в плане кавитационного. А/2-реактора плоской волны ка-витационная область является плоскостью симметрии внутреннего объема реактора. Поток обрабатываемой жидкости проходит сквозь отверстие в диафрагме и в центре его направление потока совпадает с направлением OCHZ. Функции f и g вычисляются аналогично (3.3)-(3.4). Для упрощения процедуры решение можно искать, например, только для первого квадранта системы координат, поскольку отверстие, координаты границы которого вычисляются, обладает центральной симметрией относительно начала координат.
В случае коаксиального реактора, возбуждаемого цилиндрической волной от излучателя в виде цилиндра, диафрагма устанавливается в плоскости симметрии, в которой содержится максимальное значение эрозионного коэффициента. Так как стационарная кавитационная область в таком реакторе представляет собой цилиндр, то начало координат помещено в геометрический центр этого цилиндра. Поток обрабатываемой
Алгоритм расчета эрозионно-устоичивого корпуса кавитационного реактора
Более энергоемкое явление кавитационной дезинтеграции — кавито-лиз реализует «надтепловой» механизм передачи энергии в систему, свойственный химии высоких энергий. Подводится эта энергия в виде импульсов давления, возникающих при трансформации энергии гармонических колебаний осциллятора на явлении акустической кавитации в кавитационной реакторе. Если реактор рассчитан оптимально, то среднее давление на поверхности кавитационного пузырька в фазе коллапса при этом достигает 108...109 Па. Сама эта фаза длится 10"7...Ю 8 с и повторяется через каждые 4,5-10"5 с.
При таком подводе энергии электроны срываются с внешних орбит молекул и в растворе образуется неравновесная концентрация высокоактивных частиц типа катион-радикалов, сольватированных электронов, анионов и катионов, разделенных молекулами воды. Отрыв электронов с внешних орбит молекул солей ведет к коллоидизации растворов, что препятствует дальнейшему объединению молекул в ассоциаты. Свободные электроны, приобретая гидратные оболочки из мономолекул воды, могут существовать достаточно долгое время, пока не отдадут свой заряд заземленным частям конструкции камеры кавитационного реактора.
Такие эффекты нельзя получить, альтернативными методами активации, например, электрохимической активацией, требующей предварительной очистки воды.
В процессе энергетического обмена компонентов активированной воды, например, с биополимерами пищевого сырья образуются комплексные ионы и гетероионные сольваты с увеличенным положительным зарядом, что позволяет связать в их гидратных оболочках больше мономолекул воды. Мономолекулы воды, оставшиеся свободными гидратируют белки сырья и собственные ионы в результате реакций укрупнения кластеров.
Тот факт, что соли раствора, приобретая в процессе кавитационной обработки аморфные свойства, становятся менее способными к объединению в конгломераты, позволит им лучше распределиться в сырье. Гидрат-ные оболочки белковых молекул из активированной воды имеют меньшую толщину, так как состоят из мономолекул. При таком уплотнении сольватного слоя увеличивается плотность заряда на его поверхности, что ведет к более сильной связи между собой оболочек противоположно заряженных активных центров сольватируемых белковых молекул сырья. Это укрепляет структуру белка в эмульсии, например, мясного фарша, в том числе за счет связывания в ней растворимых белков.
В воде под действием кавитолиза, в результате реакции между радикалами синтезируется перекись водорода Н02 + Н02 — Н2Ог + 02, которая в последствии, разлагаясь на ферментах сырья с выделением энергии, способствует улучшению его качества за счет ускорения созревания, а также ведет к снижению активности анаэробных бактерий. Непосредственное воздействие на микробные тела потенциальной энергии кавитации в процессе активации растворов приводит к их гибели из-за механического разрушения клеточных оболочек.
Образование высокоактивных частиц, обладающих запасенной энергией выше, чем энергия водородной связи обеспечивает поддержание ме-тастабильного состояния активированной воды и растворов достаточно долгое время. Рекомбинация ионных пар, происходящая с отдачей энергии, поддерживает за счет ее выделения мономолекулярное состояние воды. Автогидратация воды опять идет с выделением энергии. Все это обеспечивает аномальные свойства активированной воды, в том числе такие, например, как свойства теплового агента. Думается, что именно это вводит в заблуждение исследователей феномена «теплогенератора Потапова», приписывающих ему свойства «вечного двигателя третьего рода», КПД в 300% или реактора холодного термоядерного синтеза. Ниже приведены тепловые расчеты для активированного насыщенного раствора хлорида натрия.
Температура обрабатываемой среды на выходе аппарата «Сиринкс» в режиме паспортной производительности отличается от температуры на его входе на 2...3С. Как известно, изменение температуры массы некоего вещества пропорционально изменению количества теплоты и обратно пропорционально удельной теплоемкости вещества и его массе. Полагая удельные теплоемкости рассола и мясного сырья различающимися незначительно, и считая, что приобретаемое суммарной массой сырья и рассола дополнительное количество теплоты равно теплосодержанию рассола, можно записать простую приближенную формулу для расчета увеличения температуры при смешивании сырья с рассолом: М С -/и)(1+—Г - 0,1(/, j (4.4) где: tm, t, - исходные температуры сырья и рассола, соответственно; " »» ms— массы сырья и рассола, соответственно. Из формулы (1) видно, что при любых реальных сочетаниях параметров нагревание смеси будет незначительным - не более 2...3С. Значение относительного выхода монофазы воды pw в реакторах аппарата «Сиринкс 4000» достигает 0,45 (см. далее). Полагая, что вся эта часть воды вступит в реакцию гидратации (а удельные теплоемкости рассола и сырья, как было принято выше, практически равны), можно вычислить нагрев сырья за счет тепла, выделяемого в результате экзотермической реакции гидратации: A,2= (l + D+ )- С4"5) Mwc С где: Eh - энергия водородной связи 25 кДж/моль; Mw- вес моля воды 0,018 кг/моль; с - удельная теплоемкость смеси мясного сырья с рассолом 4 кДж/(кг-С); С- содержание посолочного вещества (масса сухой соли на 100 кг мясного сырья) 2,3 кг; D - удельная растворимость посолочного вещества (натрия хлорида) в воде 0,263 кг/(1 кг). При заданных параметрах функции значение Af2 составит 7...9С. Таким образом общее приращение температуры смеси составит 9... 12 С.
В сырье (мясе) веществами, проявляющими гидрофильные свойства, являются в основном белки. Они представляют собой линейные полимеры образованные соединенными между собой посредством пептидных связей аминокислотами. Пептидная связь аминокислотных остатков образуется между карбоксильной группой одного и аминной группой другого. Таким образом, каждый аминокислотный остаток в макромолекуле белка имеет, как минимум, два активных центра способных образовать водородные связи, причем аминная группа может связать одну мономолекулу воды, а карбоксильная - четыре.
Однако часть активных центров, как доноров, так и акцепторов водородных связей остается вне внутрибелковых связей. Этими активными центрами связывается вода, составляющая гидратную оболочку глобул и фибрилл, а также формируется третичная и четвертичная структуры белка. Современная наука не дает однозначного ответа на вопрос о соотношении числа занятых и свободных активных центров у белка в различном его состоянии. Ясно одно, что при механическом измельчении мяса затраченная энергия расходуется преимущественно на разрыв самых непрочных связей - водородных и пептидных. Если в момент разрыва водородных связей при измельчении сырья в него ввести активированную воду, то процесс гидратации белка будет максимально интенсивным. Если же использовать активированный рассол, то во вновь образующихся гидратных слоях будут связаны также и комплексные ионы. Предварительные исследования показали, что мясным сырьем различной жирности и влажности может быть связано за счет реакции гидратации 2,5...5,0% воды. В 11 кг концентрированного рассола хлорида натрия, количество которого необходимо для посола 100 кг мяса, содержится 8,3 литра воды. Относительный выход монофазы воды, вступающей в реакцию гидратации, рассчитывается для аппарата типа «Сиринкс 4000» по следующей формуле:
