СМЕСИТЕЛЬ КАВИТАЦИОННОГО ТИПА ДЛЯ ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ СРЕД

Полезная модель относится к пищевой промышленности, а именно к технологическим установкам и линиям пищевых производств для получения пищевых эмульсий путем кавитационной обработки потока жидкой смеси.
Широкое применение кавитационных явлений обусловлено потребностью в таких технологических операциях, как перемешивание, диспергирование, тепло- и массоперенос и пр. В настоящее время кавитационные технологии дают превосходные результаты преобразования газообразных, твердых и жидких сред. Эти технологии применяют для приготовления стойких против расслоения смесей (также для смешения трудносмешиваемых или несмешиваемых сред), гомогенных растворов, эмульсий, взвесей и дисперсий из различных продуктов, для активации ферментов и ускорения процессов за счет поддержания каталитических реакций, для очистки сточных вод, а также для очищения воды в системах водоподготовки. Сфера применения кавитационных явлений распространилась и на пищевую отрасль. В настоящее время в пищевой промышленности известны технологии кавитационной обработки рабочих жидкостей. Так, приготовление хлебопекарного и кондитерского теста на кавитационно-активированной воде позволяет увеличить удельный объем хлеба, повысить его эластичность, замедлить очерствение и сократить использование хлебопекарных улучшителей, а кавитационная обработка сахарно-солевых растворов перед смешиванием их с тестом позволяет снизить содержание в хлебе соли и сахара на 15…20% без изменения вкуса и пищевой ценности продукта. Известна технология кондиционирования зерна перед его помолом аэрозолем кавитационно-активированной воды, технология кавитационной обработки рассолов для мясопродуктов, цельного молока, а кавитационная обработка воды в системе водоподготовки для пищевых производств позволяет обеззаразить ее за счет подавления и разрушения микробных тел.
Столь широкое применение кавитации для различных целей и технологий обусловлено многофункциональным спектром действия кавитационных явлений.
Процесс кавитации напоминает кипение, но при этом не сопровождается ощутимым нагревом жидкости. Самое удивительное, что при этом жидкость, в частности вода, на определенное время приобретает все свойства, присущие кипятку с температурой вблизи точки кипения. Такая вода является мощным растворителем солей, охотно вступает в реакцию гидратации биополимеров пищевого сырья - соединение их с молекулами воды, интенсивно экстрагирует, то есть извлекает из него витамины и другие полезные вещества и при этом не нарушает его природной структуры, так как имеет обычную температуру.
При разработке конструкций смесителей кавитационного типа для этой цели встает проблема обеспечения надежности работы этих устройств, а также проблема минимизации потерь давления на самом смесителе.
Известен смеситель, содержащий цилиндрический корпус с осевым каналом и завихрители (кавитаторы), размещенные последовательно соосно в полости корпуса (RU 2081689, В01F 5/00, заявл. 18.05.1994, опубл. 20.06.1997). Конические участки конфузоров и диффузоров обеспечивают вместе с завихрителями возникновение кавитационных зон. Завихрители могут быть коническими, а также в виде призмы, пирамиды, полусферы и т.п. Создание зон кавитации в потоке повышает эффективность работы смесителя при обработке смесей различных составов. Однако сложность конструкции установки ограничивает возможность его применения в технологиях пищевых производств и снижает надежность работы.
Известен кавитационный смеситель, содержащий проточную камеру с патрубками подвода и отвода обрабатываемого продукта и кавитатор, выполненный в виде установленного перпендикулярно оси проточной камеры диска со сквозными отверстиями в форме диффузоров (SU 1793954 А3, В01F 5/00, заявл. 05.07.90, опубл. 07.02.93). Для интенсификации перемешивания все диффузоры имеют одинаковый диаметр входного отверстия, а диаметры выходных отверстий определяют из заданного соотношения. Выполнение точности установки диффузоров и размеров диаметров отверстий усложняет конструкцию, что снижает надежность работы смесителя.
Известен смеситель кавитационного типа для получения эмульсий путем кавитационной обработки потока жидкостной смеси, применяемый в различных отраслях, в том числе и в пищевой промышленности. Смеситель содержит рабочую камеру постоянного сечения, подводящий и отводящий патрубки, расположенные соосно рабочей камере по ходу движения потока и выполненные в виде конфузора и диффузора соответственно, смесительные элементы, выполненные в виде многоструйного сопла, установленного на входе рабочей камеры, и патрубок подачи добавочного компонента (RU 2158627, В01F 5/08, заявл. 23.03.1999, опубл. 23.03.1999). Многоструйное сопло обеспечивает дробление потока на несколько высокоскоростных струй и формирование очагов кавитации на срезе сопловых отверстий. При этом давление в пограничных слоях струй непосредственно за сопловыми отверстиями снижается до давления насыщенного пара, что приводит, с одной стороны, к подсосу добавочного компонента через патрубок подачи добавочного компонента, а с другой стороны, к интенсивному паровыделению и формированию на некотором удалении от сопловых отверстий потока высокоскоростной парогазовой смеси, которая, обладая средней скоростью выше скорости звука, переходит в дозвуковое течение в прыжке перемешивания с одновременным диспергированием добавочного компонента в несущую среду и, как следствие, образование высокодисперсной эмульсии. При этом нахождение многоструйного сопла вне зоны действия кавитации повышает надежность работы устройства, а однократный разгон потока и последующее его торможение в рабочей камере снижает потери энергии.
Недостаток данного смесителя заключается в повышенных потерях энергии на многоструйном сопле. Так как для формирования сверхзвукового течения в смесителе давление за многоструйным соплом должно быть меньше либо равно давлению насыщенного пара, то это означает большие перепады давления на самом сопле. Это, в свою очередь, определяет большие скорости истечения из многоструйного сопла, определяемые физикой сверхзвуковых течений. Наличие же нескольких сопловых отверстий приводит к повышенным потерям энергии. Чтобы избежать этого, необходимо применение "идеально" спрофилированного одноструйного сопла, например, по кривой Виташинского, с минимальным коэффициентом сопротивления.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение надежности его работы при упрощении конструкции смесителя и обеспечение устойчивости кавитационного процесса.
Указанная задача решается тем, что в смесителе кавитационного типа для жидких пищевых сред, содержащем рабочую камеру, смесительный сопловой элемент, закрепленный на входе камеры, отводящий патрубок в виде диффузора, расположенный на выходе камеры соосно ей и смесительному элементу, и патрубок подачи добавочного компонента смеси, согласно предложению, смесительный элемент выполнен в виде одноструйного сопла, внутри которого по оси по всей его длине установлена обтекаемая плоская вставка, толщина которой к на срезе сопла равна 0,1 D, где D - выходной диаметр сопла, а заостренный конец которой расположен на входе в смеситель.
На повышение надежности работы влияет устойчивость кавитационного процесса, происходящего в смесителе для образования высокодисперсной эмульсии. Устойчивость кавитационного процесса происходит за счет вихреобразования в смесительном элементе и дополнительного вихреобразования и обеспечивается тем, что смесительный элемент выполнен в виде одноструйного сопла, по центру и по оси которого по всей длине установлена обтекаемая плоская вставка, толщина которой h на срезе сопла равна 0,1D, где D - выходной диаметр сопла, а заостренный конец которой расположен на входе в смеситель. При этом упрощение конструкции устройства обеспечивается тем, что выполнение смесительного элемента в виде одноструйного сопла, а не многоструйного, как в прототипе, увеличивает жесткость конструкции, повышая надежность работы. Предлагаемая конструкция, минимизирует потери давления на смесителе, что снижает энергозатраты при эксплуатации устройства и также повышает надежность его работы.
Техническим результатом является устойчивость кавитационного процесса, которая достигается вихреобразованием на срезе сопла, которое дополнительно усиливается установленной в нем обтекаемой плоской вставкой, размеры которой определены расчетным путем по отношению к выходному диаметру сопла.
1
Исходными данными для расчета гидродинамических кавитационных установок являются: номинальный и фактический расход жидкости Q; номинальное и фактическое соблюдение давления перед установкой P; допустимое падение давления на устройстве ΔР; номинальная и фактическая температура жидкости t; физические свойства среды. Задачей расчета является обеспечение геометрии проточной части гидродинамических кавитационных устройств (смесителей), отвечающей формированию на начальном участке рабочей камеры за побудителями кавитации сверхзвукового течения, переходящего в конце рабочей камеры в дозвуковое в прыжке перемешивания. Такие факторы, как большие скорости истечения из сопла, необходимость минимизации потерь давления в устройстве, обуславливают необходимость выполнения следующих условий: выполнение смесительного элемента в виде одноструйного сопла, спрофилированного, например, по кривой Виташинского, и имеющего обтекаемую вставку для создания более благоприятных условий вихреобразования на срезе сопла и, как следствие, дополнительному падению давления на срезе сопла.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 дан общий вид смесителя, на фиг. 2 - расположение обтекаемой вставки в смесительном элементе (одноструйном сопле), на фиг. 3 - вид А фиг. 2.
Смеситель кавитационного типа (фиг. 1) содержит цилиндрическую рабочую камеру 1, смесительный сопловой элемент 2, закрепленный на входе камеры, отводящий патрубок 3, соосно расположенный на выходе рабочей камеры по ходу движения потока и выполненный в виде диффузора, патрубок 4 подачи добавочного компонента смеси, установленный непосредственно за сопловым элементом 2 на входе рабочей камеры 1.
На внутренней поверхности рабочей камеры в начале ее концевого участка, равного 2…3 диаметора от выходного нормального сечения камеры, выполнен порогообразный выступ 5, а по всей длине ее концевого участка расположены радиальные продольные ребра 6.
По центру одноструйного сопла 2 на всей его длине установлена обтекаемая плоская вставка 7, толщина которой b на срезе сопла рана 0,1D, где D - выходной диаметр сопла, и которая заостренным концом 8 расположена навстречу движения потока.
Устройство работает следующим образом.
Один из компонентов смеси или многокомпонентную пищевую смесь (дисперсионная среда плюс дисперсная фаза) подают в смесительный элемент 2 со вставкой 7 (одноструйное сопло или побудитель кавитации), в котором происходит разгон потока и падение давления на срезе сопла до давления насыщенного пара. Это приводит к подсосу добавочной среды, из патрубка 4 подачи добавочного компонента, расположенного непосредственно за одноструйным соплом, интенсивному паровыделению и формированию на некотором удалении от сопла сверхзвукового парогазожидкостного течения, которое переходит в дозвуковое течение в прыжке перемешивания. В прыжке перемешивания происходит интенсивное дробление добавочного компонента (дисперсной фазы) до микрочастиц и их проникновение в несущую дисперсионную среду и, как следствие, образование высокодисперсной эмульсии.
Расположение обтекаемой вставки 7 внутри сопла 2 изменяет геометрию проточной части, создавая более благоприятные условия вихреобразования на срезе сопла и, как следствие, дополнительное падение давления на срезе сопла вплоть до давления насыщенного пара. Это обеспечивает устойчивое развитие кавитационных явлений, тем самым, повышается интенсивность паровыделения и формирование сверхзвукового парогазожидкостного потока, что в конечном итоге повышает надежность работы кавитационного смесителя и качество эмульгируемой смеси.
Кроме того, упрощение конструкции смесительного элемента облегчает обработку смесителя моющими средствами после окончания работы.
Предлагаемый смеситель кавитационного типа может быть использован в технологических линиях пищевых производств, обеспечивая надежную безостановочную работу технологических линий по переработке жидких пищевых сред, повышая и сохраняя качество перерабатываемой продукции.
Например, использование предлагаемого смесителя на мясокомбинатах при его непрерывной работе обеспечивает исключение из рассола для подготовки продукта, а, следовательно, из конечного продукта, неорганических влагоудерживающих и цветостабилизирующих добавок, снижение содержания вкусовых и консервирующих добавок, а также сокращение времени процесса посола при сохранении традиционного вкуса и внешнего вида готового продукта. Применение технологического оборудования со смесителем кавитационного типа положительно влияет и на качество производимой продукции, так как существенно улучшает ее свойства и увеличивает срок реализации в 2 раза.