Drop Break-up in High-Pressure Homogenisers

Abstract: Popular Abstract in Swedish Den här avhandlingen behandlar hur fettdroppar i mjölk slås sönder i en mjölkhomogenisator. Mekanismerna bakom sönderslagningen har analyserats genom uppmätning av flödesfältet i spalten samt genom att fotografera dropparna, när de slås sönder. För att möjliggöra mätning och fotografering har två skalmodeller av en homogenisator tagits fram. En fullskalemodell, vilken är en direkt kopia av en homogenisatorspalt, men med fönster för att möjliggöra fotografering. Normala homogeniseringstryck kunde användas och det var möjligt att fotografera droppar ner till 5µm. Ännu noggrannare mätningar kunde utföras, när en uppskalad modell i plexiglas konstruerades, där homogenisatorspalten uppskalades cirka 100 gånger. Uppskalningen gjordes genom att hålla de relevanta dimensionslösa talen konstanta, så att de mekanismer som styr droppsönderbrytningen i en riktig homogenisator också dominerade i modellen. Mätningarna visade att dropparna inte slogs sönder i spaltens inlopp. Stora droppar dras ut något i inloppet, medan de små dropparna förblir runda. I spaltens inlopp är hastighetsprofilen plan. I en liten pilotskalehomogenisator hinner gränsskikten växa till och den turbulenta hastighetsprofilen är helt utvecklad i spaltens utlopp, medan i en stor produktionshomogenisator så hinner gränsskikten knappt växa till alls och hastighetsprofilen är därför plan även i utloppet. Gränsskikten verkar påverka dropparna mycket lite, men under färden genom spalten hinner små droppar, som har blivit deformerade relaxera tillbaks till sin sfäriska form, medan de stora dropparna förblir deformerade. Den här studien visar tydligt att droppsönderslagningen sker i den turbulenta jetstrålen, som bildas i spaltens utlopp. Hastighetsmätningarna visar att jetstrålen är mycket fladdrig och att den bryts ner mycket fortare än en jetstråle i fri vätska. Beroende på utseendet av utloppskammaren så kan jetstrålen antingen gå rakt fram eller vidhäfta till någon av 45-gradigt ställda väggarna. Jetstrålen är mycket turbulent med turbulenta intensiteter på 50-100%. Turbulensmätningarna indikerar att de turbulenta strukturer vars storlek är något mindre än spalten är ovanligt intensiva och att de antagligen är viktiga för droppsönderbrytningen. Från fotografier på dropparna som bryts upp, kan man se att de turbulenta virvlar som bryter sönder dropparna varierar i storlek, från lite mindre till mycket större än dropparna själva. De stora virvlarna bryter sönder dropparna genom att de skapar höga hastighetsgradienter vilka drar sönder dropparna. De små virvlarna däremot skapar vätskestötar som deformarar dropparna så att de bryts upp. Den kritiska fasen i droppsönderbrytningen är den initiala deformationen. När väl droppen är deformerad så att den är 3-5 gånger längre än vad den är tjock, så går resten av processen mycket fort. Den förlängda droppen blir snabbt ännu mer utdragen till en tråd, vilken sedan virvlas runt av turbulensen, för att till slut brytas ner till många små droppar.