Использование ультразвука в тепловых и диффузионных процессах

Колебательные возмущения среды ускоряют процесс тепло- и массообмена. Механизм воздействия акустических колебаний в основном сводится к воздействию на ламинар-но движущуюся жидкость и на пограничный слой при турбулентном движении.

Под действием колебаний ламинарный поток деформируется — происходит его турбулизация, что приводит к усилению теплообмена.

Например, скорость теплоотдачи от колеблющегося по вертикальной оси цилиндра (f = 40 Гц) к воде увеличивается при Rc = 104 в 41 раз (Re — критерий Рейнольдса).

При ламинарном режиме движения воздействие акустических колебаний на теплообмен проявляется более сильно. Это объясняется тем, что колебания создают дополнительное возмущение потока и способствуют образованию турбулентных пульсаций.

У турбулентного потока стоячие волны размываются, в результате чего воздействие колебаний на теплопередачу заметно меньше.

С увеличением частоты колебаний теплоотдача увеличивается. Это связано с тем, что толщина пограничного слоя с увеличением частоты несколько уменьшается. В потоке с развитой турбулентностью толщина пограничного слоя мала, поэтому и действие колебаний проявляется слабее.

В маловязких жидкостях коэффициент теплопередачи больше зависит от амплитуды, чем от частоты.

Однако акустические колебания не всегда улучшают теплообмен. Так, в случае кипения жидкости принудительные колебания ухудшают процесс теплопередачи.

Процесс массообмена под действием акустических колебаний ускоряется в результате следующих факторов: перемешивание взаимодействующих фаз, образование циркуляционных токов внутри каждой фазы и устранение застойных зон вблизи поверхности фазового контакта.

Так как воздействие ультразвука сопровождается термическим действием на продукт, то общий эффект интенсификации теплообмена складывается из воздействия механического и теплового факторов.

С помощью ультразвука можно существенно интенсифицировать диффузионные процессы. Например, при посоле сельди обработка ее ультразвуком с помощью магнитострикционных излучений при интенсивности 0,6 Вт/см2 значительно ускоряет процесс проникновения соли.

Под действием ультразвука повышается проницаемость оболочек клеток фруктов и овощей, что облегчает процесс извлечения сока.

Ускоренная технология производства виноградного сока, осветления его и удаления избытка винного камня с применением ультразвуковой обработки включает следующие операции: отжим сока, грубую фильтрацию через мешковину, охлаждение до 3—4°С, обработку ультразвуком в потоке, отстаивание в танках в течение суток, декантацию, сепарирование на механических сепараторах, мгновенный подогрев до 95°С и охлаждение до 40°С, сепарирование на, механических сепараторах, двойную фильтрацию на фильтр-прессах, расфасовку и стерилизацию в автоклавах.

При выработке сока по ускоренной технологии происходит осветление сока, сок хорошо фильтруется и становится кристально прозрачным.

Непосредственно при озвучивании выпадает 6—10% винного камня и при последующем отстаивании — еще 12— 20% от его исходного количества. Ультразвук резко интенсифицирует процесс кристаллизации в основном в результате увеличения центров кристаллизации.

Отделение винного камня зависит от частоты и интенсивности ультразвука, особенно на начальной стадии процесса.