Гомогенизатор молока (стр. 3 из 5)
т – удельный расход на единицу длины окружности клапанной щели, м3/ (сек∙м).
Коэффициент истечения не является постоянной величиной и зависит от высоты клапанной щели и вязкости жидкости. При давлении от 3 до 40 МН/м2 (примерно 30–400 кгс/см2) в случае гомогенизации молока коэффициент истечения колеблется от 0,96 до 0,80.
Несмотря на изменение скорости под клапаном и высоты клапанной щели при изменении давления гомогенизации, число Re для потока жидкости не зависит от давления гомогенизации и при работе с данным продуктом остается постоянным при любых режимах работы:
, (2.4)где d – внутренний диаметр клапанной щели,м;
ν– кинематическая вязкость жидкости, м2/сек.
Следовательно, число Re для потока в клапанной щели зависит от производительности машины, размеров клапана и вязкости жидкости. Обычно при работе гомогенизаторов число Re = 25000–35000.
Давление в клапанной щели зависит в первую очередь от давления гомогенизации. Резкое падение давления в головке происходит на входе в клапанную щель, причем основная часть энергии давления (до 80–90%) расходуется на сообщение жидкости кинетической энергии, а остальная – на преодоление сопротивления под клапаном. Относительно малая величина давления в начале щели обусловлена тем, что большая часть сопротивления трения преодолевается в результате уменьшения скоростного напора при падении скорости расширяющегося потока от υ1 до υ2.
Анализируя условия, в которых происходит процесс дробления жидкой фазы, можно сделать вывод, что он начинается с первоначальной деформации жидких капель, взвешенных в жидкой среде. Степень деформации в начальной стадии дробления характеризует интенсивность действия механических факторов.
В клапанных гомогенизаторах поток эмульсии подвергается в зоне клапана последовательным механическим воздействиям, при которых диспергирующую роль могут играть следующие, наиболее вероятные факторы:
относительное смещение жидких частиц с резкой переменой скорости в связи с переформированием потока в месте перехода жидкости из клапана в седле в клапанную щель;
относительное смещение жидких частиц при наличии высокого градиента скорости поперек потока эмульсии в узкой клапанной щели;
удар плоской струи, выходящей с большой скоростью из-под клапана, о металлическую стенку, окружающую клапан на близком расстоянии.
Эмульсия подвергается механическому действию в цилиндре гомогенизатора, в нагнетательном и всасывающем клапанах, однако интенсивность этого действия незначительна в сравнении с той, которая имеет место в гомогенизирующем клапане.
Экспериментальные исследования, проведенные в МТИММПе H.В. Барановским, позволили установить, что основным фактором, определяющим дисперсность вторичной эмульсии, является скорость потока в начале клапанной щели, где и происходит решающая стадия процесса в результате резкой деформации капель при переформировании потока.
Последующее механическое действие на эмульсию при ее движении в щели и при ударе струи за пределами клапана заметно не влияет на дисперсность эмульсин, несмотря на изменение градиента скорости при движении потока в щели и скорости выходящей струи, в широком диапазоне. На дисперсность эмульсии не влияет также изменение длины пути, проходимого эмульсией под клапаном.
Отсутствие выраженного действия скорости удара на выходе струи и поперечного градиента скорости в щели на дисперсность объясняется тем, что они действуют в то время, когда процесс раздробления частиц уже завершен в результате их деформации при входе в клапанную щель, поэтому последующее влияние вторичных факторов не может проявиться [10].
Механизм процесса гомогенизации
На основании исследования влияния различных гидравлических факторов на степень дисперсности жира при гомогенизации молока Барановским предложена следующая схема механизма дробления жидкой внутренней фазы эмульсии при проходе ее через рабочий орган (рис. 5).
Рисунок 5 – Схема процесса гомогенизации
В каждом гомогенизирующем клапане имеется место резкого изменения сечения потока на переходе из канала седла в клапанную щель, а, следовательно, и место резкого изменения скорости. На подходе к щели скорость потока равна υ0, а при входе – υ1, причем первая представляет собой величину порядка нескольких метров в секунду, а вторая – нескольких сот метров в секунду.
При переходе жировой капли из зоны малых скоростей в зону высоких передние части капли включаются в поток в щели с огромной скоростью υ1, вытягиваются и отрываются от нее, а оставшаяся часть, еще принадлежащая к потоку со скоростью υ0, продолжает проходить через пограничное сечение и постепенно отдавать свой материал вновь образованным частицам.
При большой разности υ1 и υ0 капля может расчленяться последовательным отрывом частиц без промежуточного растягивания всей капли в цилиндр или шнур. При малой разности скоростей υ1 иυ0 вся капля может миновать пограничное сечение, не успев расчлениться, но окажется деформированной до неустойчивого состояния, поэтому возвращение ее к первоначальному виду в условиях потока в щели окажется невозможным. Под механическим действием потока и сил поверхностного натяжения произойдет расчленение капли на более мелкие частицы.
Такое толкование механизма дробления капель объясняет экспериментально установленную зависимость степени дисперсности эмульсии от скорости в начале клапанной щели. Чем выше скорость υ1, тем интенсивнее вытягивается жидкая нить из капли в пограничной зоне, тем тоньше эта нить и мельче частицы после ее распада.
Зависимость дисперсности от скорости υ1 объясняет связь, установленную практикой между эффектом гомогенизации и давлением, так как для любых данных условий скорость определяется давлением гомогенизации. Это позволяет с достаточным основанием построить для любого гомогенизатора зависимость дисперсности гомогенизированной эмульсии от перепада давления ∆ р, которая действительна для других гомогенизаторов того же типа при условии работы на продукте с теми же свойствами.
Рисунок 6 – График зависимости дисперсности гомогенизированной эмульсии от перепада давления
График на рис. 6 показывает, как зависит от давления гомогенизации дисперсность натурального молока при температуре гомогенизации 60°С. Средний диаметр жировых шариков (dcp) быстро уменьшается при повышении давления до 12–14 МН/м2. В интервале 14–20 МН/м2 средний диаметр уменьшается медленнее, при давлении выше 20 МН/м2 дисперсность почти не улучшается. Это вполне объяснимо с точки зрения гидравлических предпосылок процесса.
Основной фактор процесса – скорость υ1– с повышением давления увеличивается пропорционально квадратному корню из перепада давления ∆р и его изменение при давлениях выше 20 МН/м2выражено сравнительно слабо. Технологические результаты процесса гомогенизации находятся, следовательно, в соответствии с гидравлическими закономерностями.
После перенесения зависимости dcp = f(∆р) на логарифмическую сетку можно получить эмпирическую формулу, действительную для обычных условий гомогенизации цельного молока при температуре 60°С и для диапазона давлений 3–20 МН/м2:
dср =
мкм, (2.5)где ∆р – перепад давления в гомогенизаторе, МН/м2.
По формуле (2.5) можно ориентировочно определить давление гомогенизации для получения заданной степени дисперсности гомогенизированного молока [6].
Технические характеристики гомогенизатора
Производительность гомогенизатора равна подаче его насоса. Для плунжерных насосов подача зависит от диаметра плунжеров и величины хода, количества плунжеров и числа оборотов коленчатого вала. При заданных параметрах машины производительность Vсек ее можно рассчитать по формуле
Vсек =
м3/ сек, (2.6)где d‑диаметр плунжера, м;
S– ход плунжера, м;
п – угловая скорость вращения коленчатого вала, об/сек;
φ – объемный к. п. д. насоса (для молока = 0,85; для вязкого продукта значительно меньше);
z– количество плунжеров.
Мощность N, необходимую для работы гомогенизатора, определяют по формуле для расчета мощности насосов
N = 
Вт, (2.7)
где р0 – давление, развиваемое плунжерами гомогенизатора (давление перед клапаном), Н/м2;
η – механический к. п. д. гомогенизатора (= 0,75).
В результате затрат большого количества механической энергии, которая превращается в теплоту, при клапанной гомогенизации заметно нагревается продукт. Повышение температуры продукта в гомогенизаторе можно рассчитать по формуле
∆t=
град, (2.8)где N ‑ потребная мощность, Вт;
Vсек – объемная производительность гомогенизатора, м3/ceк;
ρ – плотность продукта, кг/м3;
С–массовая теплоемкость продукта, Дж/(кг∙ град).
Высокое давление гомогенизации является причиной того, что клапанные гомогенизаторы поглощают много электроэнергии и отличаются большой металлоемкостью. Чтобы уменьшить расход энергии и облегчить конструкцию, за рубежом созданы гомогенизаторы «низкого» давления. Режим их работы позволяет получить эффект гомогенизации, достаточный при выработке цельного гомогенизированного молока.