Вплив шляху змішування на процес диспергування в струминному гомогенізаторі молока

Abstract

UA: Дослідження присвячено аналізу процесу гомогенізації молока в струминному гомогенізаторі з роздільною подачею жирової фази. Основною метою роботи було визначення ключових механізмів подрібнення жирових кульок та розробка теоретичних передумов для створення математичної моделі процесу. В якості об’єкта дослідження розглядається лабораторний зразок струминного гомогенізатора, потік у якому моделюється як затоплений турбулентний струмінь. Ключовим результатом аналітичних розрахунків є визначення впливу геометрії робочої зони – діаметра конфузора в місці найбільшого звуження (dк). Встановлено, що його зменшення до 2 мм призводить до підвищення дотичних напружень до 1,1·10-4 Па, що є оптимальним для інтенсифікації процесу. Проте, розрахована товщина граничного шару, в якому створюються максимальні градієнти швидкості, виявилася надзвичайно малою – від 1,2·10⁻³ мм до 5,3·10⁻² мм. Це дозволяє зробити висновок про другорядну роль механізму руйнування безпосередньо біля твердої поверхні. Наукова новизна роботи полягає у кількісному обґрунтуванні домінуючого механізму диспергування – подрібнення за рахунок різниці швидкостей фаз. Розрахована величина шляху змішування (lзм = 0,78–1,56 мм для dк = 2–4 мм) та аналіз динаміки процесу дозволили встановити, що саме досягнення критичного значення критерію Вебера за рахунок високої швидкості знежиреного молока (>24,5 м/с) є визначальним фактором. Інші досліджені механізми (осциляція, руйнування турбулентними пульсаціями) визнані другорядними через відсутність умов для резонансу або незначний обсяг зони їхньої дії. Отримані результати є основою для подальшого моделювання та проектування енергоефективних струминних гомогенізаторів. /// EN: This study investigates the milk homogenization process in a jet homogenizer with separate injection of the fat phase. The primary objective was to identify the dominant mechanisms governing fat globule breakup and to establish theoretical foundations for the development of a mathematical model of the process. A critical review of existing homogenization mechanisms— including disruption caused by longitudinal and transverse velocity gradients, centrifugal effects, bubble-induced breakup, and related phenomena-is presented. An alternative approach is proposed, based on maximizing the relative velocity between the dispersed phase (cream) and the continuous phase (skim milk), which is considered the key factor for effective dispersion in jet based systems. The experimental object is a laboratory-scale jet homogenizer, where the flow is modeled as a submerged turbulent jet, a configuration commonly used in food process engineering analyses. The analytical study focuses on the influence of the working zone geometry, particularly the diameter of the converging section at the point of maximum constriction (dк). It was found that reducing dк to 2 mm increases the shear stress up to 1.1·10-4 Pa, which is favorable for homogenization intensification. At the same time, the calculated thickness of the hydrodynamic boundary layer, where the highest velocity gradients occur, was extremely small (1.2·10⁻³–5.3·10⁻² mm), indicating a limited contribution of wall-induced breakup mechanisms. The scientific novelty of this work lies in the quantitative justification of the dominant dispersion mechanism—fat globule breakup driven by interphase velocity differences. The calculated mixing path length (lmix=0.78–1.56 mm for dк=2–4 mm), together with the dynamic analysis of the flow, demonstrates that achieving the critical Weber number due to the high velocity of the continuous phase (~24.5 m/s) is the governing factor of the homogenization process. Other mechanisms, such as oscillatory deformation and breakup caused by turbulent fluctuations, were found to be secondary due to the lack of resonance conditions or the limited spatial extent of their effective regions. The results obtained form a basis for further modeling and design of energy efficient jet homogenizers for dairy applications.