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, который 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 наличие сусла, пригодного для осветления в вирпуле. 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:

· при фильтровании затор а были допущены ошибки;

· слишком сильное воздействие касательных напряжений на сусло в трубопроводах и поворотах;

· неправильный расчет центробежных насосов;

· слишком высокая скорость сусла на входе в вирпул;

· 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 хлопья взвесей горячего сусла;

· в вирпуле не было никаких встроенных элементов и деталей, препятствующих вращению 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) 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).