Utilizarea cavitației în industria alimentară

Introducere

Odată cu creşterea numărului populaţiei s-a majorat şi necesităţile de produse alimentare, respectiv şi rezervele acestora. Concomitent cu majorarea volumului de produse şi lărgirea asortimentului o deosebită atenţie se acordă perfecţionării tehnologiilor de producere a lor.

Problema principală în industria alimantară este menţinerea calităţilor naturale a materiei prime (gustului, aromei, culorii) dar şi a siguranţei păstrării produselor obţinute. În prezent problema abordată se rezolvă prin utilizarea aşa numiţilor-„aditivi alimentari”, care nu au nimic in comun cu produsele alimentare. În schimb asigură inflorirea unor mari concerne de peste hotare care le produc şi le vînd. Medicii au stabilit o leagătură directă a acţiunii unor substanţe chimice, care intră în componenţa adaosurilor alimentare, cu apariţia la oameni a diabetului, hipertensiunii arteriale, problemelor tractului gastro-intestinal şi a dereglării metabolismului.

Omenirea a ajuns la concluzia că metodele de producere a produselor alimenatre prin utilizarea aditivilor alimentari sunt periculoase şi se caută diferite căi de reducere maximă a utilizării lor şi păstrarea calităţilor naturale la prelucrarea materiei prime.

Necesitatea elaborării şi fabricării produselor alimentare de calitate superioară şi ecologic pure în baza tehnologiilor avansate obligă cercetătorii şi practicienii să elaboreze şi să implementeze metode noi de tratare a materiei prime bazată pe acţiunea fizico-mecanică la interfaţa fazelor lichid-lichid sau lichid-solid. În prezent, în acest domeniu frecvent sunt utilizate fenomenele cavitaţionale [1,2,3].

În laboratoarele Institutul de Fizică Aplicată au fost studiate diferite procese de acţiune a efectelor cavitaţionale asupra proceselor de dispersare şi omogenizare a materiei prime la fabricarea produselor alimentare, în particular a sucurilor din mere, piersici şi poamă. În cadrul cercetărilor au fost elaborate tehnologii şi instalaţii de fabricare a produselor alimentare prin metoda cavitaţională.

În prezentul proiect am efectuat un studiu tehnic a instalaţiilor ce funcţionează pe baza efectului de cavitaţie şi am prezentat instalaţia şi rezultatele experimentale privind dispersarea şi omogenizarea pulpei de mere şi piersici sub acţiunea cavitaţiei generate de două frecvenţe.

Capitolul I

1. Studiul tehnic

1.1. Tipuri de cavitaţie. Efectele cavitaţiei. Determinarea tipurilor de cavitaţie. Patente şi destinaţia lor.

1.1.1. Cavitaţia

Cavitaţie se numeşte „ruperea” lichidului în rezultatul scăderilor de presiune locale. Dacă scăderea de presiune are loc ca rezultat al apariţiei unor viteze mari în fluxul de lichid în mişcare, atunci cavitaţia se numeşte hidrodinamică, iar dacă apare în rezultatul trecerii prin lichid a undelor acustice, se numeşte acustică.

1.1.2. Cavitaţia hidrodinamică

Apare în acele regiuni ale fluxului, unde presiunea scade pînp la o oarecare valoare critică. Bulele de gay sau vapori prezente în lichid, mişcîndu-se cu fluxul de lichid de lichid şi nimerind în zona cu o presiune mai mică decît cea critică, capătă posibilitatea de creştere nelimitată. După trecerea în zona cu presiune ridicată creşterea încetează şi bulele încep să se micşoreze. Dacă bulele conţin destul de mult gaz, atunci după atingerea razei minime, ele se restabilesc şi efectuează cîteva cicluri de oscilaţii amortizate, iar dacă este puţin gaz atunci bulele implodează în primul ciclu.

Astfel, în aproprierea corpului supus curentului de lichid se creează o zonă cavitaţională, umplută cu bule în mişcare. Reducerea dimensiunilor bulelor cavitaţionale are loc foarte rapid şi este însoţită de un impuls sonor, care este cu atît mai puternic cu cît cantitatea de gaz din bulă este mai mică. Dacă gradul de dezvoltare a cavitaţiei este atît de înalt încît apar şi implodează o multitudine de bule concomitent, atunci efectul este însoţit de un zgomot puternic cu un spectru continuu de la cîteva sute de Hz pînă la sute de kHz. Spectrul se lărgeşte în zonele cu frecvenţă joasă odată cu creşterea razei maxime a bulelor.

Dacă lichidul ar fi ideal omogen, iar suprafaţa corpului solid, cu care interacţionează, perfect umidificată, atunci ruperea lichidului ar avea loc la o presiune mult mai scăzută, ca presiunea lichidului saturatcu vapori, la care lichidul devine instabil. Rezistenţa teoretică la rupere a apei este egală cu 1500 kg/cm. Lichidele reale sunt mai puţin rezistente. Rezistenţa maximă la rupere a apei purificate, obţinută la întinderea apei la temperatura de 10 grade este egală cu 260 kg/cm. De obicei însă ruperea are loc la presiunea vaporilor saturaţi. Rezistenţa mică a lichidelor reale este legată cu prezenţa în ele a aşa numiţilor embrioni cavitaţionali – sectoare rău umidificate a corpului solid, particule solide, particule, umplute cu gaz, protejate de dizolvare de membarane organice monomoleculare, acumulări ionice, ce apar sub acţiunea razelor cosmice.

Mărirea vitezei curentuluide lichid după începerea cavitaţiei, duce la creşterea bruscă a numărului de bule, în urmă căreia are loc unirea lor într-o cavernă cavitaţională comună şi fluxul de lichid ia formă de jet.

Pentru corpuri cu o formă hidrodinamică rea, ce au margini ascuţite, crearea tipului de cavitaţie sub formă de jet are loc foarte repede. Prezenţa cavitaţiei influenţează negativ asupra lucrului maşinilor hidraulice, turbine, pompe, elicele navelor maritime şi impun luarea deciziilor pentru evitarea cavitaţiei. Dacă aceasta e imposibil atunci în unele cazuri e bine de mărit dezvoltarea cavitaţiei, de creat aşa numitul regim de „supercavitaţie”, ce se deosebeşte prin caracterul hidrodinamic de jet şi utilizînd profilarea specială a paletelor, de asigurat condiţii optime de lucru a mecanizmelor.

Conglomerarea bulelor cavitaţionale în apropierea suprafţei corpului frecvent duce la distrugerea ei ca rezultat al aşa numitei eroziuni cavitaţionale. Pentru a evita implodarea bulelor cavitaţionale, trebuie de dizolvat în regiunea cu presiune scăzută un oarecare gaz,de ex. aer.

Foarte frecvent efectele distrugătoare ale cavitaţiei sunt utilizate la accelerarea diferitor procese tehnologice.

1.1.3. Cavitaţia acustică

Este apariţia şi implozia cavernelordin lichid sub acţiunea sunetului. Cavernele se formează în rezultatul ruperii lichidului în timpul semiperioadei de comprimare. Cavernele sunt umplute de obicei cu vapori saturaţi ai lichidului dat.,de aceea procesul cîteodată se mai numeşte cavitaţie de vapori spre deosebire de cavitaţie de gaz a oscilaţiilor intensive neliniare a bulelor de gaz în cîmpul sonor ce erau în lichid înainte de pornirea sunetului. Dacă cavitaţia de gaz poate decurge cu o intensitate mai mare sau mai mică la orice valoare a amplitudei presiunii undei sonore, atunci cavitaţia de vapori doar la atingerea unei anumite valori critice a amplitudei presiunii, aşa numitul prag al cavitaţiei. Mărimea lui – de la presiunea vaporilor saturaţi pînă la cîteva zeci sau chiar sute de atmosfere. Experimental sa demonstrat mărimea pragului depinde de mai mulţi factori. El se măreşte cu creşterea presiunii hidrostatice, după comprimarea cu presiune statică mare(în jurul la 1000 atm) la degazarea şi răcirea lichidului, cu creşterea frecvenţei sunetului şi reducerea reproducerii. Pragul este mai înalt pentru apa în mişcare decît pentru cea stătătoare.