Определение оптимальных условий диспергирования крови убойных животных при истечении из центробежной форсунки

Аннотация. В статье изложены результаты исследования гидродинамической картины истечения крови убойных животных из центробежной форсунки для интенсификации ее последующей тепловой коагуляции в рабочей камере струйного коагулятора. Определено критериальное уравнение, позволяющее оценить качество распыливания крови центробежными форсунками.
Abstract. The paper presents the results of the study of the hydrodynamic picture of slaughter animal blood efflux from a centrifugal atomizer for intensification of its following thermal coagulation in the working chamber of a jet coagulator. The criterial equation that allows assessing quality of blood atomization by centrifugal atomizers was determined.


Одним из основных направлений повышения эффективности производства в мясной отрасли является сбор, использование и реализация побочного сырья, в том числе крови убойных животных, являющейся резервом ценных животных белкой при выработке сухих животных кормов [1].

Важным этапом при производстве кровяной муки является процесс коагуляции крови.

Наибольший интерес для организации дробления потока крови с последующей ее коагуляцией в среде острого пара пред­ставляют струйные способы обработки с предварительным дис­пергированием кровяной струи форсунками различных типов, например - центробежными.

Принцип работы центробежной форсунки состоит в том, что жидкость, получившая интенсивное вращение в камере закручивания, вытекает из сопла в виде тонкой пленки, образующей полый конус. Пленка под влиянием окружающей газовой среды и других возмущений распадается на капли.

Характер воздействия различных факторов (скорость истечения жидкости, толщина пленки, плотность газовой среды, физические свойства жидкости) на мелкость распыла в центробежных форсунках отличается от характера воздействия этих же факторов на мелкость распыла в струйных форсунках, что связано с тем, что толщина пленки, создаваемой центробежной форсункой, убывает по мере удаления от соплового отверстия  и др. [2]. Влияние вязкости в случае центробежных форсунок несколько слабее, чем при распыливании струйной форсункой [2].

Размеры капель крови определяют интенсивность проте­кания тепломассообменных процессов при ее коагуляции. Более мелкое распыливание создает условия для сокращения времени тепловой обработки, необходимого для коагуляции, позволяет снизить расход пара на единицу обрабатываемого сырья и температуру ведения процес­са, что улучшает качество готового продукта.

Целью исследований является изучение гидродинамиче­ской картины истечения и определение оптимальных условий, обеспечивающих максимальную степень диспергирования кро­ви убойных животных для ускорения тепломассообменных про­цессов при ее струйной коагуляции.

Распыливание жидкости при струйной обработке происходит в двух фазах: в пер­вой - за счет энергии давления, передаваемого жидкостному потоку насосом, во второй фазе происходит дополнительное дробление (диспергирование)  капель за счет аэродинамических сил обтекания.

В струйном коагуляторе наблюдается только первая фаза дробления, так как диспергированная кровь, истекая из сопла центробежной форсунки, мгновенно взаимодействует с грею­щим паром и изменяет свое агрегатное состояние: жидкая кровь при тепловом воздействии коагулирует и переходит в твердообразное состояние - коагулят.

Основными параметрами, влияющими на процесс диспер­гирования крови и условия ее истечения, являются: перепад давления на форсунке (ΔР), определяющий скорость истечения крови, начальная температура крови, подаваемой в форсунку, диаметр выходного сопла форсунки (dc).

Установлено, что предварительный подогрев крови, по­нижая ее вязкость, улучшает условия диспегирования, вызывая уменьшение среднего диаметра капель. Так, повышение темпе­ратуры диспергируемой центробежной форсункой крови с 20 до 40°С приводит к уменьшению размера капель в среднем на 15%.

Это объясняется тем, что с понижением вязкости умень­шается толщина пограничного слоя жидкости в сопловом от­верстии, вследствие сокращения потерь на трение по тракту форсунки. При снижении вязкости внутренние силы трения ус­коряют переток жидкости из сужения (сопло форсунки) в рас­ширение (рабочая камера коагулятора). Продолжительность об­разования капель сокращается, средний диаметр капель умень­шается вследствие более быстрого формирования капли, захва­тывающей меньший участок струи.

Размеры капель крови при повышении перепада давления и уменьшении диаметра выходного сопла форсунки уменьша­ются. Однако увеличение ΔР свыше 1,0 МПа приводит к росту размера капель, что объясняется их слиянием, которое происхо­дит при больших плотностях орошения.

Зависимость среднего диаметра капель (dк) от диаметра выходного сопла форсунки (dc) и перепада давления (ΔР) можно описать уравнением вида:

Физическая картина дробления потока крови, вытекающей из сопла центробежной форсунки в рабочую камеру струйного коагулятора, установлена на основании визуальных наблюдений и анализе соотношений чисел Вебера (We) и Рейнольдса (Re), определяющих картину истечения.

При перепаде давления ΔР = 0,2 МПа струя крови из фор­сунки истекает прозрачным пузырем, замыкающимся в одну точку, из которой начинается распад струи на капли (Re< 1500). При ΔР = 0,3 МПа образуется «тюльпан» с  четко  выраженной цилиндрической частью, от рваной кромки которого отрывают­ся капли. Значения числа Рейнольдса в этом случае находятся в пределах 1500<Re<2100. Дальнейшее повышение перепада дав­ления до 0,5 МПа вызывает истечение в форме «тюльпан» ко­нической формы, от колеблющихся кромок которого срываются капли различной величины, а в центре наблюдаются мелкие капли. Повышение перепада давления до 0,8 МПа приводит к резкому возрастанию количества мелких капель и начинается нарушение сплошности жидкостной пленки.

Этой форме рас­пада соответствуют числа Рейнольдса равные 2100-2500. Уве­личение расхода жидкости через форсунку, характеризуемое значениями числа Re < 2500, приводит к полному нарушению сплошности пленки истечения. При этом режиме течения про­изводительность форсунки, а следовательно, и струйного коагу­лятора не зависит от вязкости диспергируемой жидкости, а угол распыления при дальнейшем повышении перепада давления ос­тается постоянным.

Следует отметить, что при перепаде давления на форсунке больше 0,8 МПа в ее работе устанавливается инерционный ре­жим течения, характеризуемый в гидродинамике условием по­стоянства числа Эйлера (Eu = const).

В рассматриваемом случае пленочная форма распада от­деляется от беспленочной прямыми в координатах Weэ = f(Reэ), приведенными на рисунке и определенными для эквивалентного диаметра сопла (dэ). Выше прямых линий наблюдается беспленочная форма распада струи крови, ниже – пленочная.



Рисунок 1 – Границы пленочной и беспленочной формы распыления
при истечении крови в: 1 – воздух; 2 – среду водяного пара
 
Нарушение сплошности жидкостной пленки, вытекаю­щей из сопла центробежной форсунки с увеличением скорости истечения, сви­детельствует о том, что наибольшее влияние на характер исте­чения за счет энергии давления оказывают силы инерции, при этом по­верхностное натяжение жидкости практически не влияет на процесс распыливания в первой фазе истечения.
Процесс диспергирования крови в первой фазе дробления с учетом физической картины ее истечения может быть описан формулой:

которая справедлива при величине Re < 6000. Это означает, что, начиная с этого значения числа Рейнольдса, увеличение скоро­сти истечения и уменьшение вязкости крови практически не приводит к улучшению качества диспергирования.

Данное критериальное уравнение позволяет оценить качество распыливания крови центробежными форсунками.

Литература

1. Воротников И.Л.Наилучшие доступные технологии убоя животных и птицы на мясоперерабатывающих предприятиях. Переработка побочных продуктов / Воротников И.Л., Гиро Т.М., Горбунова Н.А., Кривенко Д.В., Лисицын А.Б., Левина Т.Ю., Молчанов А.В., Петров К.А., Пудовкин Н.А., Ситникова О.И. – Саратов: Амирит, 2018. – 609 с.
2. Дитякин, Ю.Ф. Распыливание жидкостей  / Ю.Ф.Дитякин, Л.А. Клячко, Б.В. Новиков, В.И. Ягодкин. – М.: Машиностроение, 1977. – 208 с.

Горбунова Н.А., канд. техн. наук
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН, г. Москва

 

 
Наверх ↑