Rosnące zapotrzebowanie na żywność determinuje dynamiczny wzrost produkcji. Wymaga to stosowania coraz to bardziej zaawansowanych technologii zapewniających odpowiednią jakość wytwarzanych produktów spożywczych oraz optymalizację procesu produkcji zwłaszcza w perspektywie zużycia energii. Z kolei wykorzystanie metod numerycznych pozwala na rozwiązywanie istotnych problemów dotyczących procesów technologicznych oraz przetwórstwa żywności, czyli procesów przetwarzania surowych składników w gotowe wyroby.
- Ansys Rocky
- Particleworks
- Przykłady praktycznego zastosowania symulacji w branży spożywczej w MESco
- Podsumowanie
Ansys Rocky
Obliczeniowa mechanika płynów – CFD (ang. Computational Fluid Dynamics) – to dział mechaniki płynów, który wykorzystuje metody numeryczne do rozwiązywania zagadnień przepływu płynów. Innymi słowy można to określić jako narzędzie szeroko stosowane w różnych dziedzinach nauki i przemysłu. Jednym z głównych zastosowań CFD są analizy oraz projektowanie systemów, w których kluczową rolę odgrywają ciecze i gazy. Możliwości wykorzystania CFD są bardzo szerokie, a jednym z przykładowych obszarów może być branża niezwykle istotna dla życia codziennego, czyli przetwórstwo żywności Na szczególną uwagę zasługują tutaj wszelakie procesy związane z obróbką termiczną, procesy mieszania, czy aplikacji nawozów.
Nawiązując do CFD w kontekście branży spożywczej, warto wspomnieć o oprogramowaniu Ansys Rocky, które od niedawana znajduje się w gamie narzędzi przepływowych firmy Ansys. Bazuje ono na podejściu DEM (ang. Discrete Element Method), polegającym na bardzo dokładnym modelowaniu wzajemnego oddziaływania cząstek z uwzględnieniem ich kształtu i właściwości materiałowych. Narzędzie Ansys Rocky znajdzie zastosowanie we wszelakich procesach transportu i składowania żywności, a także – z uwagi na bardzo dobrą integrację ze środowiskiem Ansys – w rozwiązywaniu problemów związanych z obróbką termiczną lub w analizach wytrzymałościowych urządzeń. Bardzo dokładne podejście do oddawanych kształtów oraz ich właściwości wytrzymałościowych pozwala na dokładne symulacje procesów pakowania, transportu a nawet kruszenia i mielenia materiałów. Poniższe przykłady przedstawiają wyniki symulacji pakowania chipsów i nakładania przypraw, które pozwoliły na modyfikacje procesu w taki sposób aby jak najmniejsza ich ilość ulegała pęknięciu przy zachowaniu odpowiedniego stopnia pokrycia przyprawami.
Możliwym jest także bardzo dokładne odzwierciedlanie procesów mieszania materiałów sypkich, jak chociażby mieszanie orzechów różnych gatunków. Tego typu symulacje pozwalają na dokładne określenie czasu mieszania potrzebnego do osiągnięcia odpowiedniego stopnia wymieszania oraz precyzyjnego wyznaczenia mocy silników.
Zaawansowane modele numeryczne w Ansys Rocky pozwalają także na precyzyjne oddanie procesów mielenia i kruszenia materiałów sypkich, takich jak np. ziarna kawy.
Ansys Rocky może także służyć jako wydajne narzędzie do symulacji transportu materiałów sypkich na taśmach transportowych, transportu hydraulicznego oraz pneumatycznego. Większe elementy również mogą być traktowane jako cząsteczki przy zachowaniu ich właściwości (jak masa i środek ciężkości), dzięki czemu możliwym jest przeprowadzanie symulacji linii transportowych z uwzględnieniem zatorów, miejsc, w których towar może się przewrócić i optymalizacje całego procesu.
Particleworks
Niezwykle wartościowe w kontekście procesów w branży spożywczej okazuje się także oprogramowanie Particleworks. Pozwala ono na modelowanie zachowania płynu z wykorzystaniem metody bezsiatkowej MPS (ang. Moving Particle Simulation) i znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie klasyczne podejście CFD jest problematyczne w zastosowaniu ze względu na gęstość siatki. Program powstał głównie z myślą o modelowaniu przepływów z powierzchnią swobodną, jednak świetnie się sprawdzi również w projektowaniu procesów dla takich gałęzi przemysłu, jak: budownictwo, inżynieria chemiczna, czy właśnie przetwórstwo żywności.
Najczęściej w branży spożywczej Particleworks wykorzystywany jest do symulacji procesów mieszania cieczy oraz mieszania ciał stałych w cieczach. Tak samo jak w przypadku Ansys Rocky, symulacje te pozwalają na dokładne określenie czasu mieszania potrzebnego do osiągnięcia odpowiedniego stopnia wymieszania oraz precyzyjnego wyznaczenia mocy silników, co bezpośrednio przekłada się na oszczędności w czasie oraz w energii potrzebnej do przeprowadzenia skutecznego procesu.
Jednym z mniej oczywistych przykładów wykorzystania metody MPS są symulacje procesu mycia aparatury procesowej. Pozwalają one na bardzo dokładne oddanie całego procesu wraz z określeniem jego czasu, umiejscowienia dysz oraz wyznaczeniem problematycznych obszarów, w których nie następuje wystarczające wyczyszczenie powierzchni.
Particleworks świetnie sobie radzi także w symulacjach z uwzględnieniem przepływu ciepła i zmiany parametrów płynów w funkcji temperatury. Symulacje nakładania warstwy czekolady, jej topienia/tężenia oraz transportu są dobrym przykładem na to, jak można precyzyjnie zaplanować proces produkcji i go zoptymalizować. Co więcej, symulacje pozwalają precyzyjnie zidentyfikować aspekty, które powodują problemy w czasie produkcji.
Dzięki bardzo dużym możliwościom ustawień parametrów płynów symulować można bardzo lepkie ciecze, takie jak miód lub ciecze zapowietrzone o złożonej strukturze, takie jak bita śmietana.
Przykłady praktycznego zastosowania symulacji w branży spożywczej w MESco
W MESco mieliśmy możliwość przeprowadzenia kilku ambitnych projektów dla Klientów z branży spożywczej, w tym dla Zakładów Mięsnych Łuków oraz firmy DeLaval.
Symulacje numeryczne mogą się przyczynić do optymalizacji procesów przetwórstwa żywności, przykładowo w przemyśle mięsnym. Procesy te, poza etapem produkcji właściwej, obejmują transport i składowanie gotowego produktu czy odpadów nienadających się do dalszego przetworzenia. To właśnie transport i składowanie odpadów z obróbki mięsa (tj. kości czy ścięgien) stanowi poważne wyzwanie dla projektantów i konstruktorów. Odpowiednie zaprojektowanie instalacji umożliwiającej płynny spływ tego dość nietypowego materiału jest istotne z uwagi na ewentualne uszkodzenia systemu rurociągu czy zbiornika zbiorczego. Program Particleworks pozwala na określenie zachowania się transportowanego osadu, jego prędkości w istotnych miejscach instalacji, jak również ustalenie miejsc tworzenia się potencjalnych złogów. Na Rys. 1 przedstawiono przykładowy zbiornik tego typu odpadów, zaprojektowany we współpracy z firmą Zakłady Mięsne ŁUKÓW.
Istotnym problemem po skończonych procesach produkcyjnych jest również mycie i dezynfekcja wszelakich maszyn w celu zapewnienia jak najwyższej jakości produktu i bezpieczeństwa. Zachowanie tych procedur jest istotne zwłaszcza w przemyśle mleczarskim, ponieważ przetwarzane produkty charakteryzują się bogatą mikroflorą. Biofilmy powstające w wyniku procesów produkcyjnych są głównym źródłem bakterii silnie odpornych na działanie środków dezynfekujących1. Wykorzystanie symulacji numerycznych pozwala na określenie poprawności spłukania takich osadów, sprawdzenie ewentualnych newralgicznych stref stagnacji, a także na dobranie odpowiednich parametrów procesu postprodukcyjnego. Przykład zastosowania oprogramowania Particleworks w przemyśle mleczarskim, przy współpracy z firmą DeLaval sp. z o.o., zaprezentowano na Rys. 2.
Podsumowanie
Podsumowując, CFD w kontekście przemysłu spożywczego jest niezwykle wszechstronnym narzędziem, które umożliwia modelowanie, analizę i optymalizację różnorodnych procesów związanych z produkcją, przetwarzaniem i przechowywaniem żywności. Dodatkowo programy, takie jak Ansys Rocky czy Particleworks, przeznaczone do modelowania przepływów z powierzchnią swobodną i materiałów sypkich, są nieocenionymi narzędziami wspierającymi pracę projektantów i inżynierów w przemyśle spożywczym. Współpraca z firmami branżowymi, takimi jak Zakłady Mięsne ŁUKÓW S.A. i DeLaval Sp. z o.o., pokazuje praktyczne zastosowanie symulacji numerycznych w rozwiązywaniu konkretnych problemów przemysłowych.
Autorzy: Maciej Bara, Łukasz Marzec, MESco Sp. z o.o
Bibliogriafia:
1 M. Baranowska, W. Chojnowski, H. Nowak, 2014, Dezynfekcja w zakładach mleczarskich, „Engineering Sciences and Technologies.
Obserwuj nas w mediach społecznościowych i bądź na bieżąco
