Вихревой эффект в гомогенизирующих устройствах

4

ВИХРЕВОЙ ЭФФЕКТ В ГОМОГЕНИЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ

Как известно, вихревой эффект широко применяется в технике [1]. Наиболее широкое применение он получил в холодильной технике, где с помощью вихревой трубы Ранка (рис. 1) достигается снижение температуры воздуха до - 60⁰С и ниже. Приобретая вращательное движение в вихревой трубе, воздух разделяется на два вращающихся потока. В центральной части трубы создаётся холодный поток, а на периферии -- горячий. Низкое давление в центральной части трубы производит действие, подобное дроссельному эффекту, при котором температура воздуха падает. Аналогичный эффект наступает при подаче в вихревую трубу жидкости. В центральной части вихревой трубы давление падает, возникают зоны кавитации, что способствует диспергированию эмульсий.

Рис. 1. Движение вихревого потока в трубе Ранка с диафрагмой и конусом: 1 -- труба; 2 -- сопло; 3 -- диафрагма; 4 -- клапан.

Известны конструкции вихревых эмульгаторов для топлива [2], в которых используется идея вихревой трубы. Однако, в пищевой и молочной промышленности даже в конструкциях, обеспечивающих вихревое движение продукта, вихревому эффекту, как правило, не придаётся особого значения. Например, вихревой поток в изобретении [3] (рис.2) осуществляется не с целью создания зон кавитации, а сопутствует, идее автора об увеличении пути прохождения продуктом конической клапанной щели и ускорении потока, что, как принято считать[4], способствует интенсификации процесса гомогенизации.

Рис. 2 Схема движения продукта в гомогенизирующей головке: 1 -- корпус; 2 -- клапан цилиндроконической формы[1].

Зазор между клапаном 2 и корпусом 1 регулируется вертикальным перемещением клапана (рис. 2).

В конструкции [5] (рис. 3) вращательное движение потока в цилиндрической и конической части вихревого канала 3 создаётся с целью обеспечения интенсивного разлёта капель из сопла 4, при котором, как полагают авторы, осуществляется гомогенизация. В гомогенизирующем устройстве, отнесённом автором патента к сопловым гомогенизаторам [6,7] (рис. 4) продукт подаётся в тангенциальный канал 1, приобретает вращательное движение в камере 2 и выходит из конической части камеры 2 через сопло 3.

Рис. 3 Вихревая гомогенизирующая головка: 1 -- отверстия; 2 -- кольцевой канал; 3 -- камера закручивания; 4 -- цилиндрическое сопло; 5, 6 -- диски; 7 -- тангенцальные каналы;

Предполагается, что гомогенизация осуществляется «на выходе каждого из отверстий», то есть, на выходе из канала 1 и сопла 3.

Такого типа гомогензаторы, где поток гомогенизируемого продукта приобретает вращательное движение целесообразно, как мы полагаем, отнести к вихревым гомогенизаторам. Целью нашей работы является попытка показать, что гомогенизация в вихревых гомогенизаторах осуществляется в центральной зоне вихря, расположенной вдоль его оси.

Приобретая вращательное движение в вихревой трубе, поток, как видно из рисунка 1, одновременно вступает в радиальное и поступательное движение. Для описания такого сложного трёхмерного движения воспользуемся полученными нами уравнениями движения жидкости, исходя из гипотезы дискретности жидкой фазы[8]. Полученные нами уравнения в точности соответствуют уравнениям Гельмгольца, которым удовлетворяет однородный винтовой поток, что ещё в 1881 году доказал выдающийся русский гидромеханик И.С. Громека.[9].

Рис. 4. Продольный и поперечный разрезы гомогенизирующей головки с одним входом и одним выходом: 1 -- тангенциально расположенный вход в гомогенизирующую головку; 2 -- корпус гомогенизирующей головки; 3 -- выходное сопло.

Представленные в цилиндрической системе координат (рис. 5), уравнения движения жидкости примут вид:

(1)

(2)

где: r, ц, z -- цилиндрические координаты; v_r, v_ц, v_z -- скорости потока вдоль соответствующих координат; k -- постоянный коэффициент.

Рис. 5. Цилиндрическая система координат

Интересной особенностью осесимметричных потоков, подчиняющихся приведённым уравнениям, как отмечает О.Ф. Васильев, является выполнение закона площадей для окружной скорости на каждой линии тока:

. (3)

Из этого уравнения следует, что вблизи оси вихревой трубы при r 0, окружная скорость потока v_ц стремится к бесконечности. Увеличение скорости потока, как известно, приводит к снижению давления в потоке, в данном случае (формула 3) это давление стремится к нулю. Продукт, при понижении давления, вскипает, а при давлении ниже 0,0006 МПа сублимирует. Если практика показала, что температура воздуха в центральной части вихревой трубы падает до -60⁰С, то имеются все основания предположить, что температура гомогенизируемого продукта в центральной части вихревой трубы упадёт до отрицательных значений, способствуя явлению сублимации. Именно сублимация, как нам представляется, и является движущей силой процесса гомогенизации.

Испытания экспериментального вихревого гомогенизатора, разработанного в ВГМХА показали, что путь, проходимый продуктом по вихревой трубе оказывает существенное влияние на качество гомогенизации. Например, при увеличении пути прохождения продуктом вихревой трубы в 7 раз (при температуре продукта 60⁰С и давлении гомогенизации 15 мПа), средний размер жирового шарика в гомогенизированном молоке уменьшается с 1,99 до 1,16 микрона.

ЛИТЕРАТУРА

1. Поляков А.А. Тепломассообменные аппараты в инженерном оборудовании зданий и сооружений. М.: «Стройиздат», 1989, 193 с.

2. Патент РФ 94030061

3. А.С. 133707

4. Вайткус В. В. Гомогенизация молока. -- М.: изд-во "Пищевая промышленность"; 1967 - 214 с.

5. А.С. 957802

6. Патент РФ 2138158

7. Грановский В.Я. Сравнительная оценка диспергирующих устройсты. журнал «Молочная промышленность» № 11, 1999, с.37-38.

8. Фиалкова Е.А. Обобщённая гипотеза дискретности жидкой фазы. Сб. «Научные и практические аспекты совершенствования традиционных и разработки новых технологий молочных продуктов», Вологда: 2001, с. 32-59.

9. Васильев О.Ф. Гидродинамика винтовых потоков. М.: 1957, 259с. Поляков А.А. Тепломассообменные аппараты в инженерном оборудовании зданий и сооружений