CC BY
35
тока. В прямотоке «вихря» эффективное давление возрастает в 2,8 раза в связи с уменьшением скорости движения полуфабриката в «вихре». Отрицательный знак эффективного давления в противотоке объясняется тем, что полуфабрикат отдает накопленную энергию. Эффективное давление в прямотоке «вихря» по модулю больше, чем в противотоке. Эго можно объяснить тем, что часть накопленной в полуфабрикате энергии израсходована на поворот потока.
Приведенные примеры демонстрируют перспективность использования эффективного давления в качестве средства для анализа движения полуфабриката в канале шнека и энергетического воздействия на полуфабрикат.
ЛИТЕРАТУРА
1. Термопластическая экструзия: научные основы, технология, оборудование /Под ред. А.Н. Богатырева, В.П. Юрьева. -М.: Ступень, 1994. - 200 с.
2. Василевская С.П., Николаев А.Н., Полищук В.Ю. Синтез технологии утилизации отходов бродильных производств. -Казань: Новое знание, 2007. - 170 с.
3. Полищук В.Ю., Василевская С.П. Оценка воздействия на экструдируемый материал в канале шнека экструдера. Развитие и внедрение эффективных энергосберегающих технологий // Тр. Оренбург, регион, отд-ния Рос. инженер, акад. - Оренбург, 2004. -Вып. 4. - С. 117-122.
4. Василевская С.П. Уточнение модели движения полуфабриката в канале шнека экструдера // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2007. - № 5-6. - С. 67-69.
Кафедра машин и аппаратов химических и пищевых производств
Поступила 29.10.07 г.
621.43.038.8:66.069.83
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ РА СПЫЛИВАНИИ ФР УКГОВЫХИ ОВОЩНЫХ ПЮРЕ
А.Н. ОСТРИКОВ, Ф.Н. ВЕРТЯКОВ
Воронежская государственная технологическая академия
Для равномерного распыливания струи фруктовых и овощных пюре в вакуум-камере при их концентрировании методом сброса давления необходимо определить дисперсные характеристики капель продукта.
Целью данной работы - определение дисперсных характеристик пюре при дроблении струи продукта на капли и параметров распределения этих капель в рабочем пространстве вакуум-камеры.
Проведенный анализ основных типов гидравлических форсунок (струйные, центробежные, центробежно-струйные, ударно-струйные, с соударением струй и комбинированные) показал, что применительно к исследуемому процессу концентрирования фруктовых и овощных пюре методом сброса давления наиболее предпочтительны струйные форсунки.
Односопловая струйная форсунка (рис. 1) представляет собой насадок с соплом, из которого вытекает
струя пюре, распадающаяся на капли относительно крупного размера и образующая факел с малым корневым углом и значительной дальнобойностью струи Вначале струяпюре при входе в сопловой канал струйной форсунки сжимается, причем диаметр наиболее узкого сечения струи меньше входного диаметра сопла. В зависимости от длины соплового канала, его формы и конфигурации входной кромки течение жидкости, характеристики струйных форсунок заметно различаются. В струйных форсунках с конически расходящимся сопловым каналом (рис. 1) в области сжатия струи создается более глубокое разрежение, причем с увеличением угла конусности 9 оно возрастает. Однако чрезмерное увеличение угла приводит к отрыву струи от стенок канала.
Сопловые форсунки дробят струю пюре на большое количество капель различных размеров. В инженерных расчетах используют следующие средние диаметры капель: средний арифметический диаметр (/= 1, К = 0), средний поверхностный диаметр (/= 2, К = 0), средний объемный диаметр (/ = 3, К = 0), средний объемно-поверхностный диаметр (/= 3, К = 2), средний массовый диаметр (/= 4, К = 3), средний медианный
т и
диаметр (б/м = )> средний логариф-
1=1
1=Ш+ 1
мический диаметр (с1а =ехр^^<^13и1. 1п с1!
[1,2].
В общем случае уравнение для любого среднего диаметра имеет вид [1]
с! = /-к
/, к •* -
где/и К -целые числа, зависящие от способа осреднения; ^ - средний диаметр капли, м; индекс / - номер фракции; щ - число капель.
Выбор того или иного среднего диаметра зависит от вида процесса. Для характеристики тепло- и массообменных процессов наиболее предпочтительно использование среднего объемно-поверхностного диаметра £^32 (/’= 3, К = 2), который мало чу вствителен к исключению мелких фракций:
Е<3».
32 £44’
где <%1 - средний диаметр соответствующей фракции, м.
В результате проведенных исследований были получены значения среднего объемно-поверхностного диаметра капель яблочного пюре в распылах струйных форсунок: они колебались в пределах
£^32 ~ 0,180...0,390 мм. Некоторые расхождения полученных экспериментальных данных по среднему объемно-поверхностному диаметру капель яблочного пюре объясняются различиями в форме соплового канала и физико-механических свойствах яблочного пюре. Самый мелкий распыл создают форсунки с конически расходящимся сопловым каналом, однако чрезмерно мелкий распыл пюре вызывал повышенный унос продукта из вакуум-камеры с испаряемыми парами, поэтому экспериментально был установлен рациональный у гол конусности 0 120 °.
При расчете многих тепломассообменных процессов и аппаратов необходимо знать также поверхность контакта, т. е. поверхность капель, находящихся в рабочей зоне, которая определяется соотношением [2]
Р = /■ Ух ,
-1 ./уд у ’
где/д-удельная поверхность (поверхность единицы объема распыленной жидкости), м2/м3; V - объемный расход жидкости, м3; ту -продолжительность движения капель пюре в рабочей зоне аппарата, с.
В уравнении (3)/уд непосредственно связано с дисперсностью распыливания, поэтому /уд определяется из уравнения
= 6ИЯ=_6.
УД 2ЧЧ л32
Значения /уд яблочного пюре для некоторых диаметров приведены в таблице.
й^32 • 10 , М 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,6 0,8 1,0 2,0 3,0
/уд • Ю-3, м ,0 0, £ч 60,0 30,0 20,0 15,0 11,0 7,5 6,0 3,0 2,0
От характера распределения пюре в вакуум-камере зависит эффективность процесса концентрирования пюре методом сброса давления. Распределение пюре в факеле распыла характеризуется полем удельных потоков плотностей орошения в различных точках факела. В нашем случае за удельный поток пюре принято
1,0
1,5 2,0 2,5
Рис. 2
3,0 10 3, і
отношение секундного расхода пюре А¥ж к величине площадки Л*?, перпендикулярной оси сопла, т. е.
9 = д^уда.
Для оценки однородности распыла был использован критерий гомогенности И, который показывает, во сколько раз число капель в некотором фиктивном распыле больше или меньше числа капель в реальном распыле (при И = 1 имеет место монодисперсный распыл)
И =
6
J VI
£’
£#
аі
л2.
где а20 - средний поверхностный диаметр, м.
Выполненные расчеты показали, что к изменялся в диапазоне от 1,389 до 2,081.
Проведенные исследования позволили выявить зависимость среднего объемно-поверхностного диаметра капель от диаметра соплового отверстия струйной форсунки при различном перепаде давления яблочного пюре АР (рис. 2) и зависимость среднего безразмерного диаметра капель яблочного пюре от перепада давления пюре АР при различных диаметрах сопла (1С струйной форсунки (рис. 3).
Струйные форсунки максимально орошают центр факела. У струйных форсунок |1 ~ 0,85, ср ~ 0,9 и Т|г = 0,69. Корневой угол факела струйной форсунки варьировался в пределах 30-120°.
Максимальная дальнобойность струйной форсунки достигала 1,8 м. Дальнобойность факела определялась энергией струии размером капель: она была тем больше, чем меньше потери энергии при истечении, чем больше средний объемно-поверхностный диаметр капель и чем меньше угол факела. Установлено, что струйные форсунки создавали неравномерный распыл. Плотность орошения, создаваемая ими, максимальна на оси факела и при удалении от нее резко убывает.
2
с
Р, І I а
Рис. 3
С увеличением расстояния от форсунки распределение плотности орошения потока распыленного пюре несколько выравнивается. Наиболее существенное влияние на дисперсные характеристики яблочного пюре, распыливаемого в вакуум-камере, оказывали такие физические свойства пюре, как вязкость и поверхностное натяжение.
Установлено, что при увеличении вязкости распыливаемого пюре распыл становится более грубым, но и более однородным. При малых вязкостях яблочного пюре (|1п = 1,4...2,0 Па • с при содержании сухих веществ от 6 до 13%) ее влияние незначительно.
В процессераспыливанияяблочного пюре с возрастанием поверхностного натяжения о увеличивался средний объемно-поверхностный диаметр капель.
Анализ влияния скорости истечения жидкости 11;п показал, что с увеличением и'и яблочного пюре средний объемно-поверхностный диаметр капель ^32 уменьшался, вначале быстро, затем более плавно.
Для определения дисперсных характеристик распыливаемого в вакуум-камере при помощи струйной форсунки яблочного пюре было получено критериальное уравнение
= 2381 \¥е~°'574Ьр~0'004
(1)
где \\с СТ - критерий Вебера; Ьр = (/р.а) II/ крите-
рий Лапласа; №п-скорость потока пюре на выходе из форсунки, м/с; а - поверхностное натяжение пюре, Е[/м; рп - плотность пюре, кг/м3; Цп - динамичес кая вязкость пюре, Па • с; / - длина соплового канала форсунки, м; О - диаметр факела распыла пюре (за диаметр факела
принят диаметр сечения внутри которого протекает не менее 95% всего пюре), м: /. дальнобойность факела распыла пюре, м (за дальнобойность вертикального факела распыла принято расстояние 1,95, на которое переносится не менее 95% всего пюре).
При этом физические свойства окружающего газа не учитывались, так как распыление пюре осуществлялось в вакууме при величине давления от 1 до 5 кПа. Полученное критериальное уравнение (1) позволяет с достаточной точностью (±19%) рассчитать дисперсные характеристики пюре при распыливании его в вакуум-камере.
Используя критериальное уравнение (1), можно определить дисперсные характеристики - средний объемно-поверхностный диаметр капель яблочного пюре при дроблении струив вакуум-камере; характеристики распределения - критерий гомогенности й; характеристики формы - диаметр и дальнобойность факела распыла; расходные характеристики - пропускную способность струйной форсунки. Следовательно, при расчете дисперсных характеристик яблочного пюре при его распыливании в вакуум-камере нужно учитывать не только конструкцию форсунки, режим ее работы, но и физические свойства распыливаемого пюре.
выводы
1. Установлен характер изменения плотности орошения, создаваемый струйными форсунками: плотность орошения потока распыленного пюре максимальна на оси факела и с увеличением расстояния от форсунки резко убывает. Полученный критерий гомогенности к = 1,389...2,081 свидетельствует об однородности распыла пюре.
2. Наиболее существенное влияние на дисперсные характеристики яблочного пюре, распыливаемого в вакуум-камере, оказывали величина перепада давления и физические свойства пюре: вязкость и поверхностное натяжение.
3. Получено критериальное уравнение, позволяющее определить дисперсные характеристики и характеристики формы (диаметр и дальнобойность факела распыла) капель пюре при дроблении струи в вакуум-камере.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пажи Д.Г. Основы техники распиливания жидкостей. -М.: Химия, 1984.-254 с.
2. Бородин В.А. Распыливание жидкостей. - М.: Машиностроение, 1967. -263 с.
Кафедра процессов и аппаратов химических и пищевых производств
Поступила 11.03.08 г.
