CC BY
128
ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
УДК 532.529.5:66.093.4:665.347.8 И.Я. Федоренко,
И.Ю. Александров, И.А. Наумов
МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ЭМУЛЬСИИ В КАВИТАТОРЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ГИДРАТАЦИИ ПОДСОЛНЕЧНОГО МАСЛА
Ключевые слова: масляно-водная эмульсия, кавитация, размер частиц, гидратация подсолнечного масла, фос-фолипиды.
Свойства фосфолипидов при взаимодействии с водой снижать устойчивую растворимость их в масле вплоть до образования отдельной фазы положены в основу промышленного метода извлечения фосфолипидов из масла, получившего название «гидратация» [1].
Гидратация фосфолипидов представляет собой завершающий этап в технологии производства растительных масел, так как гидратированные масла устойчивы к хранению и транспортированию. Основным способом выведения гидратируемых фосфолипидов из подсолнечного масла
является гидратация их водой с образованием масляно-водной эмульсии [1].
Качественное образование эмульсии из двух несмешиваемых жидкостей возможно под действием кавитации. Кавитация возникает во всех устройствах, где поток претерпевает местное сужение с последующим расширением.
Кавитация в обычных случаях — нежелательное явление, и ее не следует допускать в трубопроводах и других элементах гидросистем. Но иногда оно может оказаться полезным, например, используется в кавитационных регуляторах расхода. На принципе использования гидравлических микроударов построены также устройства для очистки от загрязнений фильтрующих элементов и образований эмульсии.
В АГАУ предложены способ и линия для проведения гидратации, использующие кавитирующее воздействие на смесь: подсолнечное масло — вода [2]. Эксперименты показали высокую эффективность предложенного способа [3].
В данной работе рассматриваются механизм образования эмульсии и выясняются основные его закономерности.
Для характеристики процесса кавитации применяется безразмерный критерий, называемый числом кавитации и равный [4]:
X =
Р3 - Pn PUl/2 '
(1)
где р3 — абсолютное давление, Па;
рп — давление насыщенных паров, Па; р — плотность, кг/м3; и2 — скорость потока из сопла, м/с. Физический смысл числа кавитации выясняется непосредственно из рассмотрения процесса образования кавитационной каверны и ее дальнейшего движения из области низкого давления в область высокого. С этой точки зрения число кавитации представляет собой отношение давления, под действием которого происходит схло-пывание каверны, к давлению, под действием которого каверна возникает и растет.
Используемый нами кавитатор, в котором осуществляется гидратация подсолнечного масла, представляет собой устройство, состоящее из сопла 1 и отражателя 2 (рис. 1).
/ / / /
/ / /\ / / / / / / Рз[
Рис. 1. Схема получения эмульсии в кавитаторе предлагаемой установки для гидратации подсолнечного масла
Для определения скорости потока при истечении жидкости через сопло запишем уравнение Бернулли и уравнение расхода для сечений 1-1 и 2-2 (рис. 1):
2
z + P1 + U z + P2 + U2 + V h
zi +— + — = z2 +-+ ^ + ' (2)
Y 2g Y 2g
где z1' z2 — геометрический напор в сечении 1-1 и 2-2' м;
p,' p2 — абсолютное давление в сечении 1-1 и 2-2' Па;
у — объёмный (удельный) вес' H/м3; vu v2 — скорость течения жидкости в сечении 1-1 и 2-2' м/с;
Zh — суммарные потери напора на участке между рассматриваемыми сечениями' м.
UiSi = SU2S2' (3)
где S,' S2 — площадь поперечного сечения трубопровода 1-1 и 2-2' м2; е, — коэффициент сжатия. Комбинируя выражение (2) и (3)' получим скорость течения жидкости из сопла:
2
P2 U
U = Mi
2 g
Pi - P2 Y
(4)
где ¡л, — коэффициент расхода.
Последний определяется формулой:
£i
Mi = , i, ' (5)
Vi + £-£¡2(d2 /di2)2 '
где ^ — коэффициент сопротивления; d1 — диаметр трубопровода, м; d2 — диаметр сопла, м.
В нашем случае р1 — абсолютное давление в трубопроводе, р2 — атмосферное давление, разность этих давлений есть избыточное давление рм.
U2 =Mi-
2gpM .
Y
(6)
При рассмотрении сечения 3-3 получим значение абсолютного давления р3, при котором происходит схлопывание кавита-ционных пузырьков:
Рз = PU3 '
(7)
где и3 — скорость течения жидкости в сечении 3-3, м/с.
Так как расстояние от сопла до отражателя мало, то скорость и3 = и2. Подставляя в выражение (1) уравнения (6) и (7), получим:
x = 2
PnY
PMi gPм
(8)
выражение (8)
При подстановке в уравнения (5) получим:
рЖ + £-е\ (22/d12 )2)
2
(9)
х = 2-
ёРмР
Основной характеристикой эмульсии является дисперсность смеси. Она выражается диаметром частиц смешиваемых жидкостей. Такая характеристика принята в большинстве работ, в частности, В.М. Червякова и В.Г. Однолько [5]. Кавитация оказывает интенсифицирующее действие на процесс диспергирования, при
этом с увеличением числа кавитации сначала происходит уменьшение диаметра частиц, а затем увеличение. Зависимость между числом кавитации и размером частиц можно выразить уравнением:
dч — d0 - k1 х + k2х , (10)
где d0 — начальный диаметр частиц, м;
к1, к2 — экспериментально определяемые коэффициенты, м.
При подстановке в уравнение (10) выражения (9) получим:
$ — кл
ч 0 1
2 -
Рп7(\ + ^ (^ $12 )2 )
ёРмР
+ кп
Р
2--
7{\ + (^ $12 )
е1 ёРмР
(11)
Параметры процесса и кавитационной установки таковы: рп = 2425 Па; у = 9070 H/м3; £ = 0,03; £1 = 1; d1 = 0,005 м; d2 = 0,0036 м; рм =1 ■ 106 Па; р = 925 кг/м3;
к2 = 7 ■ 10-6 м. На основе этих данных можно построить
do = 25
10-6 м; к1 = 26 ■ 10-6 м;
зависимость размера частиц dч от давления в системе рм (рис. 2) и размера частиц dч от диаметра сопла d2 (рис. 3).
чз я
н о ев ¡Г
а
<и
а
со ев
1,85 1,8 1,75 1,7 1,65 1,6 1,55 1,5 1,45 1,4
0,3
0,8
1,3
1,8
Давление в системе р м , МПа
Рис. 2. Зависимость размера частиц от давления в системе
С увеличением давления в системе до рм = 1,3 МПа размер частиц dч уменьшается (рис. 2), так как увеличивается число кавитации, далее — незначительный рост размеров частиц из-за того, что происходит слияние и укрупнение кавитационных пузырьков, в результате чего уменьшается сила удара при схлопывании, такой же эффект наблюдается и с увеличение диаметра сопла (рис. 3).
При кавитации рост пузырьков сменяется их схлопыванием. Весь процесс занимает время около tоK = 0,5-10-3 с [6]. Во время схлопывания при ударе об отражатель образуется ударная волна, сопровождающаяся резким повышением температуры и давления газов. При этом расстояние от сопла до отражателя I должно обеспечивать образование кавитационных пузырьков и схлопывание в момент удара об отражатель:
1 = ^2
(12)
где tок — время образования кавитационного пузырька, с.
На основании вышесказанного можно построить зависимость требуемого расстояния
между соплом и отражателем I от скорости течения жидкости и2 (рис. 4).
1,56
1,54
чз 1,52
Я 8 Н
¡3
(Г
а
1,5
1,48
1,46
1,44
т м
о м
е
и
н я
я ц
о е
т т
с ей
с
ей ж
р Л
е т
о о
м о
е д
Ю ей
е Ц
р С
Н о с
12 3 4
Диаметр сопла й 2, мм Рис. 3. Зависимость размера частиц от диаметра сопла 45
40
30
25
20
30
40
50
60
70
Скорость течения жидкости и 2, м/с
Рис. 4. Зависимость требуемого расстояния между соплом и отражателем от скорости течения жидкости
Выводы
1. Предложен механизм образования кавитации в установке для гидратации подсолнечного масла и разработаны основы теории этого процесса, отражающие конструктивные особенности кавити-рующего устройства.
2. По теоретическим расчётам минимальный размер частиц смеси обусловливается давлением в системе pм = 1,6 МПа, диаметром сопла d2 = 3,4 мм и расстоянием от сопла до отражателя l = 43 мм.
Библиографический список
1. Руководство по технологии получения и переработки растительных масел и жиров / под ред. А.Г. Сергеева и др. — Л.: ВНИИЖ, 1974. — Т. 2. — Кн. 1. — 350 с.
2. Патент России № 2288948 С1 МПК, С 11 В 3/16. Способ очистки растительного масла и линия для его осуществления / И.Я. Федоренко, И.Ю. Александров. —
№ 2005113650/13; заявл. 04.05.05; опубл. 10.12.06. Бюл. № 34. — 5 с.
3. Александров И.Ю. Обоснование конструктивных параметров установки для выведения кормовых фосфолипидов из подсолнечного масла / И.Ю. Александров // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. — 2003. — № 9. — С. 65-67.
4. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы / под ред. Т.М. Башты и др. — М.: Машиностроение, 1970. — 504 с.
5. Червяков В.М. Использование гидродинамических и кавитационных явлений в роторных аппаратах: монография / В.М. Червяков, В.Г. Однолько. — М.: Машиностроение, 2008. — 116 с.
6. Иванов Б.Н. Мир физической гидродинамики: от проблем турбулентности до физики космоса / Б.Н. Иванов. — М.: Едиториал УРСС, 2002. — 240 с.
+ + +
