Производители оборудования разных отраслей промышленности осознают, какой вклад привносит численное моделирование в проектирование надежных, эффективных и экономичных изделий. Один из главных принципов моделирования – внедрять технологии виртуальной разработки своевременно, то есть задолго до того, как предприятие понесет большие затраты. Несмотря на то, что задачи пищевой промышленности немного отличаются от других отраслей производства, моделирование также может принести большую пользу и в этой сфере. При разработке современного оборудования для обработки пищевых продуктов моделирование поможет спроектировать изделие и оптимизировать его эксплуатационные параметры, а также контролировать качество производимой продукции и ее безопасность для потребителей.
Независимо от отрасли проектные решения при создании нового оборудования определяют экономическую эффективность научно-исследовательской деятельности, так как 70% от стоимости проекта отводится на реализацию проектных решений. Начальный этап, затраты на котором составляют только десятую часть от стоимости проекта, лучше всего подходит для внедрения инженерного моделирования (Бартон и др., 2001).
Отраслевые задачи
В пищевой промышленности задействуется множество технологий и видов оборудования: конвейерные ленты; барабанные смесители; дробилки, разбивающие частицы пищевых продуктов; грануляция и сушка; упаковка и оптимизация формы конечного продукта. Ведущие компании отрасли уделяют особое внимание повышению производительности и эффективности. Конечно, этого недостаточно. Усилия инженеров направлены на то, чтобы сделать конечный продукт более однородным, уменьшив области с недостаточным смешиванием. Анализ на уровне системы и на уровне элементов оборудования позволяет минимизировать истирание и разрушение частиц, исследовать способы нанесения покрытий, загрузки и разгрузки конвейера, а также рассчитывать производительность.
Стандартные процессы обработки пищевых продуктов: транспортировка влажного и липкого ячменя (слева); материалы с равномерно нанесенным покрытием (справа).
Основная цель исследований – спрогнозировать, как отдельные частицы или группы частиц, каждая из которых имеет определенную форму, будут взаимодействовать в реальных условиях друг с другом и с оборудованием для смешивания, нанесения покрытия, загрузки, сортировки, сушки или упаковки продукции. Вычислительные инструменты, выполняющие DEM-расчеты, способны дополнять теоретические и экспериментальные данные, а также предоставлять входные данные, которые зачастую нецелесообразно или невозможно получить путем валидации в реальных условиях. Использование моделирования также позволяет значительно сократить затраты и уменьшить срок выхода продукта на рынок.
Лучший DEM-инструмент
Без моделирования невозможно обойтись, исследуя поведение материала внутри оборудования. Rocky DEM является ведущим программным инструментом для моделирования твердых частиц на уровне системы и ее компонентов. Возможность интерпретации реальных форм частиц позволяет с высокой точностью моделировать поток гранулированных частиц, разрушение частиц и решать другие сложные задачи.
В Rocky DEM можно создавать объемные сплошные частицы (жевательный мармелад в форме мишек), оболочечные частицы (картофельные чипсы) и гибкие волокна (паста), а также реалистично моделировать их перемещение благодаря необходимому количеству поступательных, вращательных и свободных движений.
Многофункциональный решатель позволяет анализировать динамику твердых тел без необходимости интеграции со сторонними инструментами. Кроме того, решатель Rocky имеет высокую производительность, а параллельные вычисления на ядрах центрального процессора (CPU) и графической карты (GPU) позволяют производить сложные расчеты. Также важно отметить, что Rocky DEM интегрируется с инструментами ANSYS в расчетной среде Workbench и может быть использован для решения междисциплинарных задач.
Модели разрушения в Rocky сохраняют массу и объем и могут быть использованы для расчета сил (осевые, изгибающие, сдвигающие, скручивающие), действующих на частицы и оборудование.
Примеры моделей оборудования для пищевой промышленности
Rocky DEM можно применять в пищевой промышленности для контроля качества продукции, моделирования смешивания и сушки материала, теплообмена, а также процессов выгрузки, сортировки и упаковки. Ниже представлены несколько примеров.
V-образный смеситель
В этом примере основной задачей было улучшить качество продукции путем достижения более равномерного распределения порошка, оптимизации процесса загрузки материала и длительности смешивания. Для этого было необходимо смоделировать процесс смешивания и поведение материала в реальных масштабах производства. В рамках данного исследования с помощью инструментов Rocky для постпроцессинга был смоделирован процесс распределения материала. Сравнив различные методы загрузки, инженерам удалось добиться более равномерного перемешивания материалов.
Оптимизация V-образного смесителя.
Барабанный смеситель
Целью исследования было сократить время смешивания, проанализировать продолжительность рабочего цикла машины, добиться равномерного перемешивания материала при более высокой загрузке, а также оценить эффективность различных сценариев смешивания, используя средства параметрической оптимизации. Встроенные в Rocky инструменты для постобработки сделали анализ модели более простым и удобным. Можно представить дискретные значения параметров в непрерывной форме и, собрав пробу, определить коэффициент смешивания. Эти данные помогают принимать обоснованные проектные решения. Инструмент Rocky помог в целом оптимизировать процесс и сделать его более энергоэффективным при максимальной загрузке материала.
Винтовой транспортер ячменя.
Коническая сушилка
В данной модели исследовался теплообмен между частицами и конструкцией оборудования. Основной задачей было повышение эффективности и сокращение продолжительности рабочего цикла. Инженерам было крайне важно в рамках одного проекта смоделировать весь рабочий цикл оборудования – от наполнения до разгрузки. Они проанализировали распределение температуры в слоях материала, чтобы обеспечить максимально эффективное непрерывное просушивание.
Модель конической сушилки.
Машина для обжарки кофе
В данном исследовании инженерам было необходимо рассчитать конвективный и кондуктивный теплообмен с помощью связного CFD-DEM-моделирования. В Rocky DEM были рассчитаны параметры эксплуатации (температура, скорость движения ротора) для оптимальной продолжительности рабочего цикла, проведен анализ уровня загрузки и увеличена производительность. Кроме того, интерпретация реальной формы кофейных зерен позволила добиться высокой точности расчетов.
Машина для обжарки кофе.
Расчет эрозии частиц
Крайне важно контролировать качество конечного продукта в тех сферах производства, где частицы часто сталкиваются друг с другом. В данном исследовании технологический процесс разрабатывался таким образом, чтобы продукт, будучи подверженным истиранию, соответствовал критериям качества.
Rocky DEM помог улучшить качество продукта исходя из данных о форме конечного продукта и параметров конструкции, минимизировать износ частиц, а также получить более полное представление о данном процессе и поведении частиц с помощью виртуальной интерпретации на основе физических законов.
Распределение касательных напряжений при взаимодействии частиц друг с другом для таблеток разной формы.
Нанесение покрытий. Жидкостная пленка и жидкостный мостик
В данной модели жидкостной пленки и жидкостного мостика жидкость покрывает каждую частицу и должна быть равномерно распределена по ней. Программный инструмент Rocky DEM помог проанализировать и улучшить процесс нанесения покрытия, рассчитать скорость и угол распыления, чтобы оптимизировать время нанесения покрытия, а также позволил добиться однородной структуры конечного продукта и протестировать производственные участки в виртуальной среде с физическим представлением данных.
Процесс нанесения покрытия в барабане.
Анализ методом трассировки лучей для исследования процесса распыления.
Ленточный шевронный конвейер
Модель конвейера, транспортирующего картофель, позволила проанализировать процесс разгрузки, а также получить максимально эффективную скорость загрузки и разгрузки путем оптимизации конструкции оборудования.
Упаковочное оборудование. Заполнение упаковки чипсами
Моделирование частиц также может быть полезно и для расчета процессов упаковки. Чтобы улучшить процесс упаковки чипсов, инженеры проанализировали его в Rocky DEM и смогли добиться максимального наполнения пакета, при этом контролируя целостность продукции.
Процесс упаковки чипсов.
Моделирование методом дискретных элементов является незаменимым инструментом для проведения виртуальных испытаний производственных участков и моделирования процессов на основе физических законов. Очевидно, что инструменты Rocky DEM играют ключевую роль в различных аспектах пищевой промышленности, в особенности когда необходимо получить полное представление об элементах конструкции оборудования, чтобы сделать производство более эффективным. Rocky DEM предоставляет исчерпывающую информацию в любых задачах с частицами, позволяя принимать решения на основе комплексных знаний.
Оригинал статьи доступен по ссылке. Автор – Ahmad Haghnegahadar, специалист по внедрению Rocky DEM.