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 (d
c).
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 (d
к) от диаметра выходного сопла форсунки (d
c) 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 We
э = f(Re
э), приведенными на рисунке и определенными для эквивалентного диаметра сопла (d
э). 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