Ультразвуковое кавитационное воздействие на гетерогенные системы со сплошной жидкой фазой при повышенных температурах

Целью работы являлось изучение возможностей повышения эффективности воздействия ультразвуковыми колебаниями на жидкие среды при повышенной температуре. Проведены исследования функциональных возможностей технологического аппарата при повышении эффективности процессов в жидких средах, граничащих с газовой фазой, за счет обеспечения кавитационного ультразвукового воздействия при повышенных температурах до 60 °С и более (вплоть до 75 °С). Показана необходимость согласования выходных параметров электронного генератора с колебательной системой с учетом влияния температуры на свойства обрабатываемых сред для обеспечения максимального ультразвукового воздействия. Результаты исследования влияния повышенных температур обрабатываемых сред на изменения основных параметров аппарата позволили установить оптимальные режимы согласования электронного генератора и ультразвуковой колебательной системы и обеспечить возможность применения ультразвуковой технологии для решения задач повышения эффективности процессов в лабораторных и производственных условиях. Экспериментально подтверждена возможность увеличения межфазной поверхности границы жидкой и газовой фаз в вязких средах за счет снижения затухания капиллярных волн при повышении температуры. Проведенные исследования подтвердили возможность практического применения ультразвуковых технологий как интенсифицирующего фактора при повышенных температурах для обеспечения максимальной эффективности интенсификации процессов, протекающих в жидких средах в кавитационном режиме с интенсивностью от 15 Вт/см² при температурах в диапазоне 55–75 °С, что открывает перспективы для дальнейшего совершенствования подходов к реализации технологических процессов.

1. Гумаров Г.С., Коновалов В.В., Сагингалиева А.Г. Классификация и аспекты применения в пищевых системах ультразвуковых технических средств // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2022. Т. 11. N 4. С. 128–136. EDN: HNCWBE. DOI: 10.46548/21vek-2022-1160-0020.

2. Бурак Л.Ч. Современные методы консервирования, применяемые в пищевой промышленности. Обзор // The Scientific Heritage. 2022. N 89. С. 106–124. EDN: CLHMWH. DOI: 10.5281/zenodo.6575888.

3. Бурак Л.Ч., Завалей А.П. Эффективность комбинированного воздействия ультразвука и микроволн при обработке пищевых продуктов. Обзор // Техника и технология пищевых производств. 2024. Т. 54. N 2. С. 342–357. EDN: HYJQCX. DOI: 10.21603/2074-9414-2024-2-2510.

4. Gu R., Zhou R., Gao Sh., Guo H., Li Sh., Li Y., et al. Numerical analysis of multistage ultrasonic atomization enhanced ammonia-water falling film absorption // Applied Thermal Engineering. 2024. Vol. 257. P. 124438. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2024.124438.

5. Tamidi A.M., Lau K.K., Ng L.H., Yusof S.M.M., Azmi N., Zakariya Sh., et al. Numerical modeling and economic analysis of ultrasonic-assisted CO 2 absorption process for offshore application // Processes. 2023. Vol. 11, no. 11. P. 3089. DOI: 10.3390/pr11113089.

6. Sharayei P., Azarpazhooh E., Zomorodi S., Einafshar S., Ramaswamy H.S. Optimization of ultrasonic-assisted extraction of astaxanthin from green tiger (Penaeus semisulcatus) shrimp shell // Ultrasonics Sonochemistry. 2021. Vol. 76. P. 105666. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2021.105666.

7. Tang J., Zhu X., Dong G., Hannon S., Santos H.M., Sun D.-W., et al. Comparative studies on enhancing pea protein extraction recovery rates and structural integrity using ultrasonic and hydrodynamic cavitation technologies // LWT. 2024. Vol. 200. P. 116130. DOI: 10.1016/j.lwt.2024.116130.

8. Khadhraoui B., Ummat V., Tiwari B.K., Fabiano-Tixier A.S., Chemat F. Review of ultrasound combinations with hybrid and innovative techniques for extraction and processing of food and natural products // Ultrasonics Sonochemistry. 2021. Vol. 76. P. 105625. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2021.105625.

9. Udepurkar A.P., Clasen C., Kuhn S. Emulsification mechanism in an ultrasonic microreactor: Influence of surface roughness and ultrasound frequency // Ultrasonics Sonochemistry. 2023. Vol. 94. P. 106323. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2023.106323.

10. Romanova Y.N., Maryutina T.A., Musina N.S., Spivakov B.Ya. Application of ultrasonic treatment for demulsification of stable water-in-oil emulsions // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2022. Vol. 209. P. 109977. DOI: 10.1016/j.petrol.2021.109977.

11. Delmas H., Barthe L., Cleary R. Ultrasonic mixing, homogenization, and emulsification in food processing and other applications // Power Ultrasonics. Applications of High-Intensity Ultrasound / eds J.A. Gallego-Juárez, K.F. Graff, M. Lucas. Woodhead Publishing, 2023. P. 665–685. DOI: 10.1016/B978-0-12-820254-8.00020-8.

12. Tan W.K., Cheah S.C., Parthasarathy S., Rajesh R.P., Pang C.H., Manickam S. Fish pond water treatment using ultrasonic cavitation and advanced oxidation processes // Chemosphere. 2021. Vol. 274. P. 129702. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2021.129702.

13. Fogel’son R.L., Likhachev E.R. Temperature dependence of viscosity // Technical Physics. 2001. Vol. 46, no. 8. P. 1056–1059. DOI: 10.1134/1.1395131.

14. Li W., Li Zh., Han W., Li Y., Yan Sh., Zhao Q., et al. Measured viscosity characteristics of Fe 3 O 4 ferrofluid in magnetic and thermal fields // Physics of Fluids. 2023. Vol. 35, no. 1. P. 012002. DOI: 10.1063/5.0131551.

15. Пушкин А.А., Леонтьев М.А., Римкевич В.С. Зона протекания гетерофазных физико-химических реакций // Математические исследования в естественных науках. 2014. N 11. С. 238–242. EDN: YQXOJN.

16. Takenaka N., Ueda A., Daimon T., Bandow H., Dohmaru T., Maeda Y. Acceleration mechanism of chemical reaction by freezing: the reaction of nitrous acid with dissolved oxygen // The Journal of Physical Chemistry. 1996. Vol. 100, no. 32. P. 13874–13884. DOI: 10.1021/jp9525806.

17. Ахмадишина Л.Д., Крякунова Е.В. Перспективы применения ультразвука для улучшения качества молочной продукции // Пищевые технологии и биотехнологии: материалы ХVIII Всерос. конф. с междунар. участием (г. Казань, 18–21 апреля 2023 г.). Казань: Изд-во КНИТУ, 2023. С. 721–725. EDN: IIHUGC.

18. Потороко И.Ю., Калинина И.В. Перспективы использования ультразвукового воздействия в технологии экстракционных процессов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии. 2014. Т. 2. N 1. С. 42–47. EDN: RZCMKX.

19. Гришаева И.Н., Хмелев В.Н., Галахов Н.Н. Исследование процесса ультразвуковой экстракции для приготовления пантовых ванн // Южно-Сибирский научный вестник. 2019. N 2. С. 199–203. EDN: QNQLYA. DOI: 10.25699/SSSB.2019.2(26).32550.

20. Калюжин А.С., Казарян К.А., Моргуль Е.В. Дезинфицирующая эффективность работы ультразвука высокой мощности в отношении энтеробактерий (обзор литературы) // Селекция и технология производства продукции животноводства: материалы Междунар. науч.-практ. конф. (пос. Персиановский, 10 февраля 2021 г.). Персиановский: Изд-во Донского ГАУ, 2021. С. 78–82. EDN: IQKKTF.

21. Кондратенко В.В., Федосенко Т.В., Медведева Е.А., Нариниянц Т.В., Пацюк Л.К., Лукьяненко М.В. Закономерности зависимостей плотностей фруктовых пюре от температуры // Садоводство и виноградарство. 2021. N 6. С. 51–58. EDN: FCNAHT. DOI: 10.31676/0235-2591-2021-6-51-58.

22. Бурак Л.Ч., Сапач А.Н. Влияние действия ультразвука на функциональные свойства растительных белков. Обзор предметного поля // Химия растительного сырья. 2024. N 4. С. 5–23. EDN: FPAZGJ. DOI: 10.14258/jcprm.20240413599.

23. Котухов А.В., Красовский А.В., Шаплыко В.В., Дежкунов Н.В. Исследование зависимости активности акустической кавитации от температуры жидкости // Доклады БГУИР. 2015. N 6. С. 36–40. EDN: ZATLXV.

24. Хмелев В.Н., Цыганок С.Н., Барсуков Р.В., Хмелев М.В. Ультразвуковые аппараты для интенсификации процессов в системах с дисперсионной жидкой средой // Современные задачи инженерных наук: сборник науч. трудов VI Междунар. науч.-техн. симпозиума «Современные энерго- и ресурсосберегающие технологии СЭТТ – 2017» Междунар. науч.-техн. форума «Первые международные Косыгинские чтения – 2017» (г. Москва, 11–12 октября 2017 г.). М.: Изд-во РГУ им. А.Н. Косыгина, 2017. Т. 1. С. 268–271. EDN: YKWUOU.

25. Хмелев В.Н., Шалунов А.В., Хмелев С.С., Цыганок С.Н. Ультразвук. Аппараты и технологии: монография. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2015. 687 с.

26. Хмелев В.Н., Шалунов А.В., Нестеров В.А. Пути развития пьезоэлектрических преобразователей для увеличения мощности // Техническая акустика: разработки, проблемы, перспективы: материалы Междунар. науч. конф. (г. Витебск, 25–28 мая 2021 г.). Витебск: Изд-во ВГТУ, 2021. С. 82–85. EDN: GKHXDM.

27. Голых Р.Н., Хмелёв В.Н., Шалунов А.В., Боброва Г.А., Нестеров В.А., Титов Г.А. Выявление оптимальных условий ультразвуковой кавитационной обработки высоковязких и неньютоновских жидких сред // Ползуновский вестник. 2017. N 4. С. 123–128. EDN: YLWWOR.

28. Golykh R.N. Generalized functions of slow growth problem statement for capillary wave formation in gas-liquid interface under ultrasonic cavitation // Mathematical notes of NEFU. 2025. Vol. 32, no. 2. P. 65–80. EDN: NHONUF. DOI: 10.25587/2411-9326-2025-2-65-80.