Теоретические основы диспергирования гидродинамика потока жидкости в клапанной щели

Эффективность гомогенизации зависит от гидравлических условий в зоне клапанной щели. Эти условия в основном определяются давлением гомогенизации, от которого зависит скорость движения жидкости в щели и высота клапанной щели (она определяет гидравлический радиус потока).

В радиально расходящейся клапанной щели (рис. 4) скорость потока υ₁ имеет наибольшее значение в начале щели на радиусе r. По мере расширения потока к выходу скорость уменьшается до величины υ₂. На основании уравнения неразрывности скорость на радиусе R

υ₂ = υ₁ . (2.1)

Наибольшая теоретическая скорость зависит от давления гомогенизации и может быть вычислена по формуле Торричелли

υ ₁ = , (2.2)

где ∆ р = р₀–р₂ – давление гомогенизации, т.е. перепад давления до клапана и после него, Н/м²;

γ – объемный вес жидкости, Н/м³.

Рисунок 4 – Основные параметры клапана и потока жидкости и клапанной щели: D ‑наружный диаметр клапана; d ‑внутренний диаметр; R‑наружный радиус клапана; r‑внутренний радиус; h‑высота щели; l‑длина щели; p ₀–давление перед клапаном; p ₁ – давление в начале щели; р₂ – давление в конце щели (противодавление); υ₀ – скорость потока перед клапаном; υ₁ – скорость потока в начале щели; υ₂ – скорость выходящего потока

Действительная скорость истечения υ₁ меньше теоретической, причем величина отклонения зависит от вязкости жидкости и высоты клапанной щели. Высота клапанной щели h при работе гомогенизатора нестабильна, а изменяется в широких пределах в зависимости от расхода жидкости через клапан, размеров клапана, давления гомогенизации и вязкости жидкости. Ее можно определить по формуле

h =  =  м, (2.3)

где V – расход жидкости через клапан (производительность гомогенизатора), м^з/ceк;

µ – коэффициент расхода при истечении через клапан;

d – внутренний диаметр клапанной щели, м;

γ – объемный вес жидкости, Н/м³;

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].