3.8.3. Вирпул

Приблизительно с 1960 года все в большей степени для удаления взвесей горячего сусла применяют вирпул (гидроциклонный аппа­рат). Он представляет самый элегантный способ удаления взвесей горячего сусла и яв­ляется наиболее экономичной альтернативой всем другим способам их удаления.

Вирпул — это вертикальная цилиндричес­кая емкость без встроенных элементов, в кото­рую горячее охмеленное сусло закачивается тангенциально. Этим достигают в емкости закручивание потока, которое действует так, что взвеси в форме конуса осаждается в цент­ре дна емкости.

Сусло может отбираться сбоку. Принцип работы вирпула мы хотим пояснить с помо­щью опыта.

3.8.3.1. Принцип действия вирпула

Эксперимент

Берем большой стеклянный сосуд или боль­шую емкость минимум 40 см в диаметре, с плоским дном и наполняем ее наполовину во­дой. Затем берем столовую ложку песка и лож­ку более легкого зернистого материала, кото-

331

рый должен быть однако тяжелее воды (на­пример, кусочков измельченного мела) и до­бавляем их в этот сосуд. Частицы падают на дно и находятся в тех местах, куда упали.

Затем приводим жидкость во вращение погруженной в нее рукой, и по возможности как можно быстрее. Мы видим, что частицы песка и мела прижимаются возникшим цент­робежным ускорением наружу и собираются у наружной стенки, тогда как поверхность воды приобретает вогнутую форму параболоида вращения (рис. 3.87).

В этом нет, собственно говоря, ничего но­вого. Теперь удаляем руку из сосуда и наблю­даем за происходящим в нем: видим, что час­тицы песка и мела очень быстро движутся по спирали на середину и там собираются в виде кучки, которая сначала еще вращается. При этом наблюдаем сверху образование завихре­ний, причем частички кучки, находящиеся снаружи, постоянно изменяют свое положе­ние. У внешних стенок наблюдаем, что ско­рость сильно тормозится. Это торможение из-за трения о стенки и дно так велико, что вращение в нашем сосуде практически за­капчивается за несколько минут. Благодаря этому внутри сосуда возникает сильный пер­вичный вихревой поток, который способ­ствует тому, что частицы песка и мела быстро собираются к середине сосуда (рис. 3.88). Причина состоит в том, что в этом так назы­ваемом придонном граничном слое наруша­ется равновесие между силами давления и центробежными силами. В этом слое умень­шается скорость жидкости особенно сильно из-за трения о дно. Этот замечательный эф­фект обозначил уже Альберт Эйнштейн как «эффект чашки чая», так как этот эффект можно хорошо наблюдать на примере части­чек чая в чашке.

Наряду с этим главным потоком в вирпуле возникают во время уменьшения скорости вра­щения создающие помехи вторичные вихре­вые потоки, которые могут сильно препят­ствовать основному вихревому эффекту, а зна­чит и отделению взвесей (рис. 3.89-3.91). При этом особенно отрицательно действуют вих­ревые потоки в форме тора (Т), расположен­ные у дна, которые возбуждают и другие вре­менно возникающие вихревые потоки и пре­пятствует быстрому осаждению.

Основной предпосылкой для успешной работы вирпула является прежде всего нали-

332

Рис. 3.87-3.91. Потоки и силы в вирпуле:

1 — центробежная сила действует наружу; 2 — силы трения о стенки и дно перемещают частицы внутрь; 3 — образо­вание завихрений препятствует нормальному оседанию частиц взвесей в центре; 4 — разрез образования завихре­ний; 5 — кольца Денка (Denk) облегчают хорошее осаждение

чие сусла, пригодного для осветления в вир­пуле [171]. Для контроля пригодности сусла предлагается метод, в котором в остроуголь­ную (изолированную) воронку наливают 380 мл сусла и с помощью источника света сле­дят за осаждением взвесей горячего сусла (рис. 3.92): пригодное для вирпула сусло характе­ризуется полным осаждением взвесей, сусло над осадком прозрачное. Проблемное сусло не дает удовлетворительного результата даже через 10 мин и более.

Возможные причины плохого отделения взвесей горячего сусла в вирпуле [171]:

• при фильтровании затора были допуще­ ны ошибки;

• слишком сильное воздействие касатель­ ных напряжений на сусло в трубопрово­ дах и поворотах;

• неправильный расчет центробежных на­ сосов;

• слишком высокая скорость сусла на входе в вирпул;

Рис. 3.92а. Решетка в вирпуле (по Денку)

333

Рис. 3.92. Воронка Имхоффа (imhoff) для контроля осаждения взвесей

• слишком сильные вторичные вихревые потоки в вирпуле;

• слишком высокая скорость выпуска сусла;

• неблагоприятное соотношение высоты сусла и диаметра вирпула.

Особенно важно, чтобы:

• скорость входного потока не превышала 3,5 м/с;

• при перекачке сусла в вирпул обеспечить максимально возможный объемный рас­ ход;

• при этом не были разбиты крупные хло­ пья взвесей горячего сусла;

• в вирпуле не было никаких встроенных эле­ ментов и деталей, препятствующих враще­ нию сусла.

Особенно удачным решением считается отделение взвесей горячего сусла в той же са­мой емкости, в которой производилось кипя­чение (котле-вирпуле), так как тогда только часть сусла должна перекачиваться с помо­щью насоса, чтобы приводить во вращатель­ное движение весь объем сусла и поэтому только часть хлопьевидных взвесей гомогени­зируется. Кроме того, экономится время, тре­буемое на перекачку сусла в вирпул и полнос­тью исключается поглощение кислорода (для оптимизации работы насосов могут приме­няться частотные преобразователи VHT (см. прил. 1 на правах рекламы, с. 869).

В некоторых вирпулах возникают большие нежелательные вторичные вихревые потоки.

В исследованиях Денка (Denk) [20] пыта­лись помешать влиянию вихревых потоков, не

нарушая эффекта вирпула. Это оказалось воз­можным путем применения устройства в виде решетки или кольца, установленного на опре­деленной высоте над дном вирпула (рис. 3.90). Путем применения устройства в виде ре­шетки или кольца «разрезается» горообразный вихревой поток и тем самым он лишается силы. Вместе с ним разрушается весь меха­низм образования вторичных вихревых пото­ков во всем вирпуле и тем самым образуется без помех донный поток, направленный к цен­тру (рис. 3.91). Эти кольца или решетки разме­щаются в вирпуле концентрически (рис. 3.92а).