РАЗДЕЛ 2
Гидродинамические аспекты гомогенизации
Специфика работы ГД связанна с наличием внутреннего высокоскоростного движения
гомогенизируемой жидкости, чем эти устройства отличаются от других устройств
высокого давления.
В настоящие время моделирование гидродинамических процессов успешно реализуется
с помощью математического моделирования методами:
конечных элементов МКЭ,
конечных объемов МКО,
разностей МР.
Они являются основой ряда коммерческих программ, таких как: Algor, ADINA
SYSTEM, ICEM CFD, Flow 3D и другие [59]. В предложенной работе использован
метод конечных объемов МКО, имеющий ряд преимуществ. Сущность метода состоит в
непосредственной дискретизации уравнений, описывающих принципы сохранения
массы, энергии и импульса в любой метрике вычислительной сетки. Исходными
являются интегральные уравнения:
сохранения массы
, (2.1)
сохранения импульса
, (2.2)
сохранения энергии (e=ew+0,5u2)
, (2.3)
где: , (2.4)
Учитывая, что с формальной точки зрения они подобны, можно их представить в
виде одной зависимости
, (2.5)
где вектор f называется вектором состояния.
Его элементами являются масса, энергия и импульс единицы объема жидкости,
определяющие его физическое состояние. Левая сторона определяет скорость
изменения этого состояния под влиянием внешних источников. Этот фактор приводит
к изменению импульса и энергии, а поверхностный интеграл определяет потоки этих
величин сквозь внешнюю поверхность. эго называется конвекционным членом. Правая
сторона называется элементом источником и содержат так называемые диффузионные
члены. Способ представления задачи и установление граничных условий с помощью
этого метода является наиболее естественным и независимым от метрической шкалы.
Как и в случае всех вычислительных методов требуется контролирование
итерационного процесса. В МКО наиболее часто используется определение поля
давления и отвечающих ему полей скоростей, соответствующих уравнению сплошности
среды.
2.1. Особенности конструкции и работы гомогенизаторов давления
Как отмечалось, ГД наиболее часто состоит из 3-х, 5-х или 8-х плунжерного
насоса высокого давления большой производительности и одной или двух
гомогенизационных головок, содержащих гомогенизационные клапана, а также
элементы настройки давления. В промышленной практике применяется много
различных конструкционный решений гомогенизационных клапанов. Наиболее часто
используемыми являются плоские и конические клапана.
Гомогенизационный клапан является наиболее важным и наиболее нагруженным
элементом ГД. Его работа может рассматриваться на основе системного анализа как
система трех взаимосвязанных подсистем:
гидромеханической (движения);
измельчающей (процесс);
трибологической (износ).
Система клапана плунжерного насоса ГД в случае наиболее распространенных З-х
плунжерных насосов состоит из трех всасывающих и трех нагнетающих клапанов,
мобильные элементы которых взаимодействуют с винтовыми пружинами. Конструкция
рабочих поверхностей клапанов зависит от плотности гомогенизированного
вещества. Для веществ с плотностями rc =1000-1400 кг/м3 применяются конические
поверхности нагнетающих и всасывающих клапанов, а для веществ с rc > 1400 кг/м3
– шаровые поверхности. Колебания грибка при гомогенизации приводят к изменению
условий работы гомогенизатора, увеличивают уровень шума и приводят к снижению
долговечности его элементов, вызывая ряд нежелательных процессов. Возможность
возбуждения колебаний возрастает при сниженных зазорах и недостаточной
жесткости системы настройки давления. Колебательные движения грибка клапана
увеличивают вероятность развития в щели кавитационных явлений. В результате
работа клапана становятся непредсказуемой, амплитуда колебаний превышает
среднюю высоту рабочей щели. На рис.2.1 показано распределение скорости
жидкости при двух высотах рабочей щели клапана. При меньшей её высоте заметно
стремительное падение скорости. Более точной и стабильной установке высоты
рабочей щели гомогенизационного клапана, улучшая эксплуатационные
характеристики устройства и уменьшая уровня шумов способствует применение более
надежного (например гидравлического) управления гомогенизационным клапаном.
Рис.2.1. Схема движения струи через разной высоты щель клапана: а –
распределение скорости при h=350мкм, б – распределение скорости при h=145мкм.
Вычисления проведены для m=0,002Пас при температуре 80оС и давлении 25 МПа
Важным элементом гомогенизатора является насос высокого давления. В условиях
работы гомогенизатора он состоит из подсистем:
проточной;
трибологической.
Протекание гидравлических явлений в нагнетающей системе искажается вследствие
недостаточной герметичности. Она зависит от технологических факторов (размер
поршня, цилиндра и уплотнений), гидравлических факторов (подавление течения
гомогенизированного вещества на границе поршень – уплотнение), эксплуатационных
(скорость движения, ход поршня, давления в рабочей камере нагнетающей системы),
свойств гомогенизированного вещества (вязкость) [26].
2.2. Гидродинамика движения ЖНС в каналах ГД
Строение каналов, их форма, размеры в значительной степени определяют
гидродинамическую характеристику работы ГД. Изменяя сечение канала, положение,
геометрию граней, угловые характеристики каналов можно получить оптимальный
характер течения и улучшить энергетические показатели. Одновременно возможно
ограничить опасные явления, а также повысить качество или улучшение обработки
продуктов. На рис.2.2., 2.3. представлено влияние формы элементов клапанов на
скорость и характер движения жидкости в их каналах.
Рис.2.2. Распред
- Київ+380960830922