dr inż. Marek Jakubowski Autoreferat

Transkrypt

1 POLITECHNIKA KOSZALIŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY KATEDRA PROCESÓW I URZĄDZEŃ PRZEMYSŁU SPOŻYWCZEGO dr inż. Marek Jakubowski Załącznik nr 2a do wniosku o przeprowadzenie postępowania habilitacyjnego w dziedzinie Nauk Rolniczych w dyscyplinie Technologia Żywności i Żywienia Koszalin,

2 Spis treści 1. CHARAKTERYSTYKA HABILITANTA Uzyskane stopnie i tytuły naukowe Przebieg pracy zawodowej Obszar działalności badawczych habilitanta WSKAZANIE OSIĄGNIĘCIA NAUKOWEGO Wykaz pozycji wchodzących w skład osiągnięcia Omówienie celów naukowych prac stanowiących osiągnięcie OPIS POZOSTAŁYCH OSIĄGNIĘĆ NAUKOWYCH SYNTETYCZNA CHARAKTERYSTYKA DOROBKU NAUKOWEGO Strona 2

3 1. Charakterystyka habilitanta 1.1. Uzyskane stopnie i tytuły naukowe 2009 stopień doktora nauk technicznych w dyscyplinie Budowa i Eksploatacja Maszyn Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, promotor: prof. dr hab. inż. Jarosław Diakun, temat pracy doktorskiej: Wpływ wybranych parametrów konstrukcyjnych i procesowych na proces zawirowań w kadzi wirowej tytuł magistra inżyniera kierunku Technika Rolnicza i Leśna Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, kierunek Technika Rolnicza i Leśna, specjalność Inżynieria Żywności, promotor: prof. dr hab. inż. Jarosław Diakun, tytuł pracy dyplomowej: Projekt instalacji wody technologicznej na warzelnie browaru Praca wyróżniona Przebieg pracy zawodowej do dziś Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra Procesów i Urządzeń Przemysłu Spożywczego. Praca na stanowisku adiunkta Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Spożywczej i Tworzyw Sztucznych (od Katedra Procesów i Urządzeń Przemysłu Spożywczego). Praca na stanowisku asystenta Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra Systemów Sterowania (od Katedra Automatyki). Praca na stanowisku samodzielnego referenta Politechnika Koszalińska - Wydział Mechaniczny - Katedra Inżynierii Spożywczej i Tworzyw Sztucznych. Doktorant w Katedrze Politechnika Koszalińska. Pełnienie obowiązków asystenta stażysty w Katedrze Inżynierii Spożywczej i Tworzyw Sztucznych Obszar działalności badawczych habilitanta Moja działalność naukowa koncentruje się głównie na szeroko rozumianym modelowaniu i symulacji komputerowej w inżynierii żywności. Moją specjalnością są analizy z wykorzystaniem numerycznej mechaniki płynów oraz metod obrazowania przepływów. W zakresie samej technologii przetwarzania żywności moje główne zainteresowania badawcze są powiązane tematycznie z browarnictwem. Strona 3

4 2. Wskazanie osiągnięcia naukowego Jako osiągnięcie, wynikające z artykułu 16. ustęp 2. ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki, wskazuję cykl sześciu powiązanych tematycznie publikacji oraz patent udzielony przez Urząd Patentowy RP. Wspólny tytuł osiągnięcia brzmi: Teoretyczne, symulacyjne i doświadczalne podstawy identyfikacji układu przepływowego w kadzi wirowej o zmodyfikowanej konstrukcji studium zjawisk i ich wpływ na działanie separatora 2.1. Wykaz pozycji wchodzących w skład osiągnięcia 1. Jakubowski M., Sterczyńska M., Matysko R., Poreda A Simulation and experimental research on the flow inside a whirlpool separator. Journal of Food Engineering, 133, (35 pkt*; IF=2,771). Mój wkład w powstanie tej pracy polegał na zaplanowaniu i wykonaniu analiz symulacyjnych oraz badań eksperymentalnych, opracowaniu i interpretacji ich wyników oraz opracowaniu manuskryptu. Mój udział procentowy wynosi 70%. 2. Jakubowski M., Wyczałkowski W., Poreda A Flow in a symmetrically filled whirlpool: CFD modelling and experimental study based on Particle Image Velocimetry (PIV), Journal of Food Engineering, 145, (40 pkt*; IF=2,771). Mój wkład w powstanie tej pracy polegał na zaplanowaniu i wykonaniu analiz symulacyjnych oraz badań eksperymentalnych, opracowaniu i interpretacji ich wyników oraz opracowaniu manuskryptu. Mój udział procentowy wynosi 80%. 3. Jakubowski M Secondary flows occurring in the whirlpool separator - study of phenomena - observation, simulation and measurements, Chemical and Process Engineering, 36(3), (15 pkt*; IF=0,653). Mój wkład w powstanie tej pracy polegał na zaplanowaniu i wykonaniu analiz symulacyjnych oraz badań eksperymentalnych, opracowaniu i interpretacji ich wyników oraz opracowaniu manuskryptu. Mój udział procentowy wynosi 100%. 4. Diakun J., Jakubowski M Dimensionless numbers of structural and process similitude of a whirlpool hot trub separator, Journal of Food Process Engineering, 36(6), (20 pkt*; IF=0,626). Mój wkład w powstanie tej pracy polegał na zaplanowaniu i opracowaniu podstaw analizy będącej przedmiotem opracowania oraz opracowaniu manuskryptu. Mój udział procentowy wynosi 50%. Strona 4

5 5. Jakubowski M Pomiar PIV przepływu niestacjonarnego w kadzi wirowej, Pomiary Automatyka Kontrola, 7, (7 pkt*; IF=0). Mój wkład w powstanie tej pracy polegał na zaplanowaniu i wykonaniu badań eksperymentalnych, opracowaniu sposobu interpretacji wyników oraz opracowaniu manuskryptu. Mój udział procentowy wynosi 100%. 6. Jakubowski M., Antonowicz A., Janowicz M., Sterczyńska M., Piepiórka-Stepuk J., Poreda A An assessment of the potential of Shadow Sizing analysis and Particle Image Velocimetry (PIV) to characterise hot trub morphology, Journal of Food Engineering, 2016, 173, (40 pkt**; IF=2,771). Mój wkład w powstanie tej pracy polegał na zaplanowaniu i wykonaniu badań eksperymentalnych, opracowaniu i interpretacji ich wyników oraz opracowaniu manuskryptu. Mój udział procentowy wynosi 70%. 7. Jakubowski M Kadź wirowa, wykorzystywana zwłaszcza w browarnictwie oraz sposób jej napełniania, Urząd Patentowy RP, patent nr P (25 pkt***); udział własny - 100%. Mój wkład w powstanie patentu polegał na rozpoznaniu dotychczasowego stanu wiedzy, opracowaniu koncepcji zastrzeżeń patentowych, założeń i opisu wynalazku. Mój udział procentowy wynosi 100%. *(wg roku opublikowania); **(wg danych za rok 2015); ***(wg oceny param. jedn. za rok 2013) Sumaryczny IF osiągnięcia wynosi 9,592. Sumaryczna liczba punktów osiągnięcia, wg listy MNiSW oraz kryteriów oceny parametrycznej jednostek naukowych (patent), wynosi 182 pkt (liczba punktów udziału własnego w osiągnięciu wynosi 141,5 pkt) We wszystkich przedstawionych powyżej publikacjach i opracowaniu patentowym byłem pomysłodawcą hipotez i koncepcji analiz symulacyjnych oraz badań eksperymentalnych. Wszystkie publikacje stanowiące osiągnięcie powstały w oparciu o wyniki prac badawczych zrealizowanego projektu badawczego własnego NN pt: Opracowanie modeli symulacyjnych i badania eksperymentalne dotyczące przepływu i rozdziału mieszaniny separowanej w kadzi wirowej, którego byłem wnioskodawcą i kierownikiem. We wszystkich pracach stanowiących osiągnięcie byłem autorem odpowiedzialnym za merytoryczną i korespondencyjną stronę publikacji (corresponding author). Zakres tematyczny większości moich osiągnięć dotyczy, w szerszym ujęciu, wykorzystania zaawansowanych narzędzi modelowania i symulacji komputerowej do analizy zagadnień w inżynierii żywności. Analizy symulacyjne w tym kierunku badań są w Polsce relatywnie mało popularne, ponieważ wymagają specyficznego przygotowania w zakresie mechaniki i technik komputerowych. Odmienna sytuacja występuje w wielu innych krajach, gdzie zastosowanie modelowania i symulacji Strona 5

6 komputerowej jest dość powszechne i zdobywa coraz większą popularność w światowej nauce o żywności. W inżynierii żywności istnieją trzy podstawowe kierunki prowadzenia analiz symulacji komputerowych. Pierwszym z nich są symulacje oddziaływań fizycznych na surowce i produkty żywnościowe. Drugim zakresem tematycznym są dość popularne analizy symulacyjne oddziaływań termicznych. Ostatnim z nich jest bardzo popularny kierunek prac symulacyjnych w zakresie analizy przepływu. Numeryczna mechanika płynów (CFD) jest często wykorzystywana do analiz procesów przetwórczych realizowanych w przemyśle spożywczym. Wprowadzając do wyszukiwarki Web of science hasło tematu CFD łącznie z hasłem food uzyskać można ponad 570 wyników. Wprowadzając te same hasła w wyszukiwanie łączne w Google uzyskuje się ponad milion wyników. Symulacje komputerowe w naukach o żywności to nie tylko pojedyncze prace zespołów badawczych, ale także zwarte opracowania z zakresu przetwarzania żywności, takie jak: książka pt. Computational Fluid Dynamics in Food Processing pod redakcją Da-Wen Sun-a, książka pt. Computational Fluid Dynamics Applications in Food Processing autorstwa C. Anandharamakrishnan-a, czy też Mathematical Modeling of Food Processing autorstwa Mohammed-a M. Farid-a, a także Food Properties and Computer-Aided Engineering of Food Processing Systems autorstwa R.P. Singh-a i Augusto G. Medina. Postęp w zakresie rozwoju algorytmów symulacji powoduje, iż coraz większą popularność zdobywają także analizy zespolone. Do takich należą symulacje analizujące zmiany energii wewnętrznej układu (w tym przypadku żywności) jako konsekwencje oddziaływania przepływu, a także symulacje jego oddziaływania na ciało stałe. Taka właśnie jest przyszłość i kierunki rozwoju symulacji komputerowych w inżynierii żywności Omówienie celów naukowych prac stanowiących osiągnięcie Jednym z etapów w produkcji piwa jest oddzielenie od brzeczki związków białkowo-garbnikowych, czyli osadu gorącego (tzw. przełomu) powstałego w wyniku gotowania roztworu. W tym celu po zakończonym procesie gotowania gorącą brzeczkę przepompowuje się do kadzi wirowej typu whirlpool, gdzie jest ona poddawana wirowaniu. Klasyczna kadź wirowa jest więc separatorem osadu gorącego. Posiada kształt cylindrycznego zbiornika napełnianego za pomocą stycznie usytuowanego przewodu rurowego. Efektem takiego zasilania kadzi jest wprowadzenie brzeczki piwnej w ruch wirowy, który w procesie technologicznym przyspiesza wytrącanie i osadzanie powstałych osadów gorących. Separacja następuje z wykorzystaniem sedymentacji grawitacyjnej wspomaganej ruchem wirowym. Konsekwencją wirowania separowanej mieszaniny jest powstawanie w kadzi przepływu wtórnego Strona 6

7 (w tzw. warstwie granicznej Ekmana) namywającego osad, w formie stożka, w centralnej części dna zbiornika (tzw. efekt filiżanki herbaty). Celem prac stanowiących osiągniecie było określenie możliwości identyfikacji przepływów występujących w kadzi wirowej, a jej efektem określenie wpływu oddziaływania przepływu pierwotnego i przepływów wtórnych na warunki rozdziału mieszaniny brzeczki piwnej i osadu gorącego w separatorze grawitacyjnym. Przeprowadzono analizy symulacyjne oraz badania eksperymentalne przepływów występujących podczas procesu napełniania kadzi wirowej i rozdziału w niej mieszaniny brzeczki piwnej i osadu gorącego. Określono założenia do dalszych prac badawczych, które będą uwzględniały zagadnienia oddziaływań międzyfazowych. Prace stanowiące osiągnięcie dotyczyły poszerzenia wiedzy niezbędnej do prowadzenia działań optymalizacyjnych w zakresie konstrukcji separatora, jak i procesu technologicznego poprzez modyfikację sposobu realizowania operacji rozdziału w kadzi wirowej. Osiągnięcie stanowi kontynuację i znaczące rozszerzenie prac zrealizowanych w ramach rozprawy doktorskiej habilitanta. Opracowano koncepcję adaptacji opisu formalnego przepływu w zbiorniku kadzi wirowej z uwzględnieniem przepływu fazy rozproszonej. Określono warunki brzegowe modelu W celu zdefiniowania warunków brzegowych i początkowych modelu numerycznego przepływu wirowego występującego w separatorze zmodyfikowano, znany z opracowań innych autorów opis formalny w postaci równań bilansowych i konstytutywnych. Równania opisują napełnianie zbiornika cieczą wieloskładnikową z fazą rozproszoną (osadem gorącym). Zaproponowano rozwinięcie podstawowych równań modelu dwufazowego opisującego przepływ z fazą zdyspergowaną. Dla ruchu mieszaniny w separatorze zaproponowano układ współrzędnych walcowych jako naturalny dla rozpatrywanego ruchu mieszaniny w ograniczonej przestrzeni separatora. Do opisu prędkości poślizgu między składnikami zastosowano model Schillera- Naumanna, który dobrze opisuje zachowanie cząstek stałych w cieczach. Równanie bilansu pędu przybiera postać: T u uu p T u u cd 1 cd slide slide, t u u g F (1) równanie ciągłości dla mieszaniny: 1 ru t r r r u z a równanie przepływu fazy zdyspergowanej: d d u d t z u 0, md dc 1 c. d (2) D m u slizg d (3) d d W modelu Schillera Naumana założono, że do wyznaczenia prędkości ślizgu miedzy fazami rozproszonej fazy stałej i cieczy można wykorzystać równanie w postaci: Strona 7

8 3 4 f d d d d c u slizg u slizg p. (4) Modele przepływów wieloskładnikowych są modelami o złożonej strukturze z uwagi na zależności matematyczne wykorzystywane do opisu konkretnego wariantu przepływu. Jedną z trudności w modelowaniu takich przepływów jest właściwy dla zjawiska fizycznego dobór modelu turbulencji (Dutta i inni, 2010). W celu prawidłowego dobru modelu właściwie opisującego zagadnienia wirów turbulentnych podczas napełniania zbiornika mieszaniną wieloskładnikową przeanalizowano prace opisujące podobne zagadnienia. W wyniku dokonanej analizy zaproponowano półempiryczny model SST (Shear Stress Transport) z uwagi na możliwość uwzględnienia odległości wiru od ścianki (Zhang i inni, 2010) oraz warunków przepływu jakim podlega mieszanina fazy zdyspergowanej w cieczy napełniającej separator. Model turbulencji zastosowany do opisu wirów w układzie przepływowym zaprezentowano poniżej. Równanie energii kinetycznej turbulencji posiada postać: gdzie: a w tym: k * u k kt k P k k, t (5) T 2 : 2 P 2 k T k, u u u 3 u 3 u (6) k T. (6.1) Równanie dyssypacji energii kinetycznej turbulencji posiada postać: u T k t k P 2. Warunki brzegowe na ścianie separatora zostały zdefiniowane w postaci wartości prędkość przepływu w kierunku normalnym do powierzchni ścianki: u n 0 (8) Człon lepkościowy w bilansie pędu na ściance zależny jest od naprężeń stycznych: T 2 2 u T u u T ui ki n u u nn. (9) 3 3 Zmiana kinetycznej energii turbulencji na ściance równa jest: k n 0. (10) Dyssypacja właściwa energii kinetycznej turbulencji na ścianie opisana jest: k, (11) gdzie: k v w w (7) Strona 8

9 u w w. (11.1) Przepływ fazy zdyspergowanej na ściance jest równy: n 0. (12) N d Warunki brzegowe na wlocie do zbiornika zostały zdefiniowane w postaci prędkości średniej: u U 0n, (13) energii kinetycznej turbulencji na wlocie do zbiornika: 3 k U 2 0l T (14) 2. Dyssypacja energii kinetycznej turbulencji na wlocie do zbiornika: 1/ 2 k * 4 0 LT. (15) Udział fazy rozproszonej na wlocie do zbiornika: d d 0. (16) Pozostałe wielkości są wielkościami stałymi dla modelu turbulencji. Tak sporządzony opis formalny stanowi postawę do dalszych rozważań i analiz w zakresie symulacji warunków przepływu w separatorze typu whirlpool. Jakubowski M., Sterczyńska M., Matysko R., Poreda A Simulation and experimental research on the flow inside a whirlpool separator, Journal of Food Engineering, 133, Opracowano model symulacyjny przepływu w separatorze z zawirowaniem. Przeprowadzono procedurę testowania jakości siatki dla tego typu przepływu Dynamicznie rozwijająca się gospodarka, postęp techniczno-technologiczny oraz konieczność tworzenie produktów o wysokiej jakości powoduje, że współczesne procesy produkcyjne są coraz bardziej skomplikowane. Pociąga to za sobą szybkie zmiany technologii, produktów oraz wymagań im stawianych i wpływa na skrócenie czasu jaki potrzebny jest technologom, aby poznać proces, co ogranicza możliwości jego optymalizacji na podstawie własnego doświadczenia. W takiej sytuacji nie można pominąć znaczenia i możliwości implementacji metod numerycznych do optymalizacji procesów technologicznych. Ułatwieniem tego rodzaju działań jest zautomatyzowanie i odpowiednie uzbrojenie pomiarowe, co pozwala na gromadzenie danych monitorujących procesy i powoduje wzrost znaczenia ich optymalizacji. W warunkach codziennej praktyki produkcyjnej brak jest możliwości optymalizacyjnych w zakresie zmian parametrów realizowanego procesu technologicznego. Dotyczy to także realizacji zmian parametrów konstrukcyjnych separatora stanowiącego element linii technologicznej. Możliwe są jedynie badania na etapie tworzenia prototypu nowego rozwiązania. Najlepszym podejściem do zagadnienia optymalizacji w przypadku aparatów przepływowych okazuje się budowa modeli laboratoryjnych, przeprowadzenie badań, Strona 9

10 a następnie skalowanie zjawisk zachodzących w przepływie z wykorzystaniem teorii podobieństwa. Wymaga to jednak wykonania wielu wariantów konstrukcyjnych modeli rzeczywistych zbiornika. Takie analizy są z oczywistych względów bardzo kosztowne, a jednocześnie posiadają pewne ograniczenia w zakresie pomiarów intensywności samego zjawiska przepływu. Dlatego też coraz powszechniej stosuje się metody numeryczne. Jedną z nich jest modelowanie z wykorzystaniem CFD (Computational Fluid Dynamics), które pozwala prowadzić analizę przepływu w zbiornikach (np. separatorów) posiadających modyfikacje konstrukcyjne, w oparciu o siatki wygenerowane na bazie geometrycznego odwzorowania obiektu rzeczywistego. Narzędzie z zaimplementowanym kodem CFD pozwala, także na wprowadzenie i dowolną zmianę parametrów wejściowych w zakresie warunków początkowych symulowanego zjawiska. Oczywiście, jak każda dostępna dziś metoda symulacji, jest ona jednak tylko pewnym przybliżeniem rzeczywistości. Na podstawie wyników takich analiz można jednak z powodzeniem wnioskować o charakterze symulowanego zjawiska, a także uzyskać dane dotyczące parametrów przepływu wewnątrz separatora. Wyniki symulacji wymagają jednak zawsze weryfikacji eksperymentalnej. Zagadnienie przepływu płynu w kadzi wirowej zamodelowano w oparciu o sporządzony opis formalny zaprezentowany w poprzedniej części opracowania. Analiza uwzględniała napełnianie pustego zbiornika separatora oraz etap wirowania (w technologii browarniczej określany jako tzw. postój). Wymiary geometryczne obiektu symulacji były właściwe dla obiektu eksperymentalnego przedstawionego w dalszej części opracowania dotyczącej badań eksperymentalnych PIV (Particle Image Velocimetry). Symulację przeprowadzono korzystając z kodu CFD zaimplementowanego w pakiecie symulacyjnym ANSYS CFX. Narzędzie to pozwala na uzyskanie rozwiązania numerycznego układu równań opisujących ruch płynu w przestrzeni dyskretnej modelu. Ze względu na charakter zjawiska ruchu płynu w kadzi wirowej zagadnienie modelowano jako turbulentne zgodnie z przeprowadzonym rozpoznaniem i założeniami zaprezentowanymi w poprzedniej części opracowania. Turbulentny charakter przepływu w whirlpoolu wynika z jego wirowej natury i jest postulowany przez autorów innych opracowań (np. Dürholt, 1988). Opracowano model geometryczny zbiornika. Następnie przeprowadzono dyskretyzację przestrzeni modelu siatką FEM (Finite Element Method) wykorzystując typ elementu siatki o nazwie Fluid 142 posiadający siedem stopni swobody (Ansys-APDL, 2009). Siatka posiadała zagęszczenie elementów w pobliżu ściany i dna zbiornika. Inflacja elementów wynikała z potrzeby analizy symulacyjnej zjawisk przepływowych występujących w pobliżu warstwy granicznej przy dnie i ścianie zbiornika. Model przygotowany do analizy posiadał odwzorowanie zasilania wielostronnego (zgodnie z założeniami zgłoszenia patentu zaprezentowanego w dalszej części opracowania). Wykonano obliczenia symulacyjne wirowań przy napełnianiu jedno i wielostronnym. Dla modelu zadeklarowano warunki brzegowe zgodne z opisem formalnym i warunki początkowe właściwe dla dalszych badań eksperymentalnych. Strona 10

11 Model przygotowano tak, aby możliwa była analiza występowania przepływu pierwotnego i przepływów wtórnych, w tym szczególnie przepływu odpowiedzialnego za namywanie stożka osadu. Wyniki uzyskane na drodze symulacji CFD były weryfikowane za pomocą pomiarów PIV (Particle Image Velocimetry). Symulacje przeprowadzono jako proces zmienny w czasie (analiza typu transient). Ze względu na złożoność zagadnienia i występowanie w przepływie swobodnej powierzchni konieczne było prowadzenie analizy ze zmiennym krokiem czasowym, który wynosił od 0,025 do 1 sekundy. Ilość iteracji była również zmienna i wynosiła od 20 do 300. Dla modelu przyjęto kryterium zbieżności RMS (Root Mean Square) dla podstawowego kroku czasowego na poziomie 1e -4. Wprowadzono także dodatkowe kryterium zbieżności w postaci rozbieżności reszt RMS na poziomie 0,01. Symulowano napełnianie zbiornika do osiągnięcia wysokości słupa cieczy równej średnicy zbiornika (H:D=1). W analizowanym przypadku zwierciadło swobodne przybierało kształt paraboloidy obrotowej, a więc konieczne było wprowadzenie dodatkowego kryterium objętości napełnienia, która była właściwa dla zbiornika eksperymentalnego. W celu przetestowania poprawności siatki FEM wygenerowano izopowierzchnie udziału frakcji VOF (Volume of Fluid) na poziomie testowym wynoszącym 0,5 dla zobrazowania kształtu zwierciadła swobodnego wirującej cieczy. Dla wybranych kroków czasowych porównano kształt swobodnej powierzchni i objętość cieczy nią ograniczonej do stanu napełniania zbiornika testowego PIV. Ukształtowanie powierzchni swobodnej wirującego płynu jest jedną z podstawowych informacji o poprawności zbudowanego i analizowanego modelu symulacyjnego. Kształt granicy fazy ciekłej i powietrza jest stosunkowo łatwy do zweryfikowania eksperymentalnego poprzez porównanie kształtu uzyskanego na drodze symulacji i napełniania zbiornika w warunkach rzeczywistych. Porównano także objętość napełnienia dla wybranych kroków czasowych. Porównanie wykazało, iż kształt był właściwy, zbliżony do naturalnego (w tym przypadku paraboloidy obrotowej). Także objętości kontrolne dla wybranych czasów pokrywały się z danymi eksperymentalnymi. Świadczy to o odpowiednio dobranej postaci geometrycznej i wielkości elementu siatki elementów skończonych. Jakubowski M., Sterczyńska M., Matysko R., Poreda A Simulation and experimental research on the flow inside a whirlpool separator, Journal of Food Engineering, 133, Jakubowski M., Wyczałkowski W., Poreda A Flow in a symmetrically filled whirlpool: CFD modelling and experimental study based on Particle Image Velocimetry (PIV), Journal of Food Engineering, 145, Zidentyfikowano występowanie przepływu pierwotnego i przepływów wtórnych w zakresie warunków realizacji operacji technologicznej oddzielania osadu gorącego W ramach badania procesu rozdziału brzeczki i osadu gorącego w separatorze typu whirlpool zidentyfikowano oraz przeanalizowano występowanie przepływu Strona 11

12 pierwotnego i przepływów wtórnych. Analiza miała na celu określenie ich oddziaływania na ruch, i pośrednio, na rozdział mieszaniny brzeczki i osadu gorącego. Na rys. 1 przedstawiono mapy pola prędkości przepływu wtórnego występującego przy dnie kadzi wirowej typu whirlpool dla poziomo (rys. 1a) i pionowo (rys. 1b i 1c) zorientowanej płaszczyzny przekroju. Rys. 1. Mapy pola prędkości przepływów wtórnych modelu separatora typu whirlpool dla przepływu: a) pierwotnego (ekspozycja pozioma ); b) namywającego (A); c)centralnego (B) i przyściennego (C) (ekspozycja pionowa ) Na rysunku 1a przestawiono linie prądu przepływu uzyskane dla warstwy granicznej, w której występuje przepływ namywający. Dla wszystkich składowych wektora prędkości z dominującą wartością prędkości składowej obwodowej, linie prądu przepływu przyjmują postać właściwą dla tzw. spirali Ekmana. Jej występowanie jest konsekwencją napełniania separatora po stycznej do jego ściany i jej oddziaływania na przepływ. Spiralny tor ruchu cząstki osadu gorącego podczas separacji jest wypadkową składowej obwodowej i promieniowej, którą można opisać jako spiralę Ekmana. Na rys. 1b przedstawiono wektorową mapę pola prędkości wygenerowaną dla składowej r i z wektora prędkości. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie obrazu dla przepływów wtórnych. Ze względu na znaczne różnice wartości prędkości przepływu pierwotnego i przepływów wtórnych, tylko dla takiej ekspozycji możliwe jest uzyskanie ich obrazu. Przy dnie zbiornika widoczny jest, dominujący pod względem prędkości, przepływ (oznaczony na rys. 1 jako A) skierowany od połączenia płaszcza oraz dna zbiornika do centralnej strefy samego dna. Jest on odpowiedzialny za kierowanie cząstek osadu gorącego do części centralnej separatora. Analiza kształtu przepływu pozwala stwierdzić fakt, że jest on bardziej rozciągnięty wzdłuż dennicy zbiornika Strona 12

13 niż wynika to z kształtu prezentowanego w literaturze dotyczącej tego rodzaju rozważań (np. Denk i Dürholt, 1989). Ten charakterystyczny kształt uzyskano także dla pierwszego przybliżenia modelu CFD płaskiego z rotacją - prezentowanego w publikacji (Jakubowski i Diakun, 2007). Kolejnym zagadnieniem w prowadzonych badaniach było określenie możliwości występowania i położenia przepływu centralnego. Na rysunku 1c przedstawiono mapę, na której przepływ o przekroju kołowym widoczny powyżej przepływu namywającego zidentyfikowano jako centralny (oznaczony na rys. 1 jako B). Występuje w strefie środkowej zbiornika i jest określany wyłącznie dla wybranego interwału czasowego. Charakterystyczne dla przepływu centralnego jest to, że nie zmienia on swojego położenia i oddziałuje na przepływ w znacznej objętości napełnienia. Jednocześnie podczas analizy prowadzonych badań stwierdzono, że kształt tego przepływu różni się od kształtów prezentowanych przez autorów w innych publikacjach (np. w Denk, 1998), co wykazano również w przypadku przepływu wtórnego opisanego powyżej. Mimo, że wartości prędkości dla przepływu centralnego są około dziesięciokrotnie mniejsze w porównaniu do przepływu namywającego jednak przepływy te są ze sobą powiązane. Przepływ centralny stanowi przedłużenie przepływu namywającego ku górnej przestrzeni zbiornika, a jego oddziaływanie jest odpowiedzialne za efekty przejściowe formowania się stożka w kształt torusa. Ostatnim zagadnieniem analizy danych symulacyjnych była identyfikacja występowania przepływów przyściennych (wirów Taylora - Görtlera), które są konsekwencją oddziaływań ściany zbiornika kadzi wirowej na przepływ rozdzielanej mieszaniny. Na rys. 1c przedstawiono płaszczyznę przekroju dla obszaru zbliżonego do ściany zbiornika. Tak zidentyfikowane i zlokalizowane przepływy występują jako seria par wirów (oznaczony na rys. 1 jako C), a ich oddziaływanie ma charakter lokalny i zmienny w czasie. Zawirowania te zgodnie z rezultatami zaprezentowanymi w badaniach opisanych w pracy (Jakubowski, 2011) powstają już na etapie napełniania zbiornika, a w miarę upływu czasu wirowania, przemieszczają się wzdłuż ściany zbiornika, a następnie zanikają. Przepływy wtórne występujące w kadzi wirowej mają bardzo złożoną naturę. Już pobieżna analiza dostarcza wystarczających dowodów dla wskazania pozytywnego lub negatywnego ich wpływu na tzw. efekt whirlpoola. Bezsporne jest pozytywne oddziaływanie przepływu namywającego stanowiącego istotę efektu whirlpoola, co w zdecydowany sposób wpływa na efektywność oraz jakość prowadzonego procesu technologicznego, poprzez odpowiednią separację brzeczki i osadu gorącego. Oprócz tego stwierdzono wstępowanie innych przepływów wtórnych. W zakresie rozważań dotyczących wirów przyściennych stwierdzono, że ich oddziaływanie jest umiarkowanie pozytywne. Przepływy te mogą transportować cząstki osadu gorącego od ścianek separatora do jego centralnej strefy. Ich wędrowny charakter ku górze może przeciwdziałać zjawisku sedymentacji osadu. Jako końcowy argument niech posłuży fakt, iż wiry przyścienne występują w dość ograniczonym przedziale Strona 13

14 czasu, głównie podczas stabilizowania się przepływu związanego z końcowym etapem napełniania. Przepływ centralny jest zasadniczo zjawiskiem umiarkowanie korzystnym. Może intensyfikować przemieszczanie osadu w kierunku oddziaływania przepływu namywającego. Charakteryzuje się on niestacjonarnością objawiającą się zmianą swego położenia, a okresowo nawet kierunku rotacji. Z tego względu, gdy występuje on powyżej formującego się osadu (po zamknięciu się torusa) może powodować rozmywanie się górnej części stożka. Jakubowski M., Sterczyńska M., Matysko R., Poreda A Simulation and experimental research on the flow inside a whirlpool separator. Journal of Food Engineering, 133, Jakubowski M., Wyczałkowski W., Poreda A Flow in a symmetrically filled whirlpool: CFD modelling and experimental study based on Particle Image Velocimetry (PIV), Journal of Food Engineering, 145, Jakubowski M Secondary flows occurring in the whirlpool separator - study of phenomena - observation, simulation and measurements, Chemical and Process Engineering, 36(3), Przeprowadzono weryfikację wyników symulacji CFD w oparciu o wyniki własnych badań eksperymentalnych PIV. Określono ograniczenia zastosowania metody PIV do pomiaru prędkości przepływu w separatorze z zawirowaniem. Wyniki uzyskane na drodze symulacji wymagają weryfikacji eksperymentalnej. Do badań weryfikacyjnych wykorzystano bezkontaktową technikę pomiaru bazującą na anemometrii obrazowej PIV (Particle Image Velocimetry). Jest to metoda analizy przepływu z wykorzystaniem cząstek wskaźnikowych (tzw. posiewu). Są to cząstki o wielkości do kilkudziesięciu mikrometrów, które wprowadza się do badanego ośrodka. W przypadku pomiarów przepływu cieczy są to cząstki stałe, np. poliamid o wielkości µm. Cząstki te są unoszone wraz z przepływem i zasadniczo nie zakłócają ruchu badanego ośrodka. W przepływie (podczas pomiaru) są one oświetlone arkuszem światła laserowego (tzw. noża świetlnego), które ulega rozproszeniu na ich powierzchni. Przemieszczenie cząstek wskaźnikowych jest rejestrowane przez kamerę (lub wiele kamer) i zapisywane w postaci klatki obrazu zawierającej dwie ramki (osobne obrazy tej samej ekspozycji uzyskane w odstępie krótkiego czasu) stanowiące bazę do analizy korelacyjnej. W jej wyniku, na podstawie określenia przemieszczenia cząstek, możliwe jest wyznaczenie wektora prędkości przepływu. Do badań weryfikacyjnych wykorzystano stanowisko pomiarowe zbudowane w laboratorium testowym działu R&D Philadelphia Mixing Solutions, Palmyra, PA, USA. Do pomiarów wykorzystano kamerę PIV FlowSense 2M, oraz dwuimpulsowy laser z układem chłodzenia wodą NewWave Solo 120 TX. Synchronizację prowadzono z wykorzystaniem Systemu Hub DantecDynamics. Do przechwytywania i archiwizacji obrazów wykorzystano oprogramowanie FlowManager, a do obróbki obrazów oprogramowanie DynamicStudio z zestawem narzędzi i filtrów IPL (Image Processing Library). Do analizy wyników zastosowano algorytm korelacji adaptacyjnej oraz algorytm RMS (Root Mean Square). Strona 14

15 Pomiary przeprowadzono w zbiornikach testowych wykonanych z poli(metakrylanu metylu) o pojemności nominalnej ok. 6 litrów. W celu przeprowadzenia całościowych badań eksperymentalnych zaprojektowano i wykonano cztery zbiorniki o zróżnicowanych układach doprowadzenia cieczy. Do pomiarów weryfikacyjnych, będących przedmiotem opracowania, wykorzystano zbiornik o podwójnych wlotach, który posłużył do prowadzenia napełniania jednostronnego, a także podwojonego, co zaprezentowano w dalszej części opracowania. Na rys. 2 przedstawiono przykładowe wyniki wirowania z napełnianiem jednostronnym dla wybranych kroków czasowych. Arkusz światła był dla tego przypadku umiejscowiony możliwie blisko dna zbiornika. Ponieważ przepływ ma charakter niestacjonarny analizę wyników (w tym przypadku korelację adaptacyjną) wykonano na podstawie pojedynczej klatki obrazu. Wyniki analizy przepływu w kadzi wirowej prezentowane w postaci map wektorowych rozkładów pola prędkości obrazują jedynie rotację cieczy o lokalnie zmiennych wartościach prędkości. Na rys. 2a można wydzielić obszar o podwyższonej prędkości. Jest to przestrzeń w pobliżu wlotu cieczy do zbiornika. Kolejne obrazy (rys. 2b-2d) przedstawiają obszar występowania wartości maksymalnych prędkości. Wraz z upływem czasu wirowania można zaobserwować przepływ z jego maksymalnymi wartościami prędkości, który przemieszcza się od krawędzi do środka dna zbiornika. Takie zjawisko można również zaobserwować w analizie symulacyjnej zbiornika kadzi wirowej napełnianej jednostronnie. Rys. 2. Mapy pola prędkości przepływu w kadzi wirowej napełnianej jednostronnie (na podstawie analizy PIV) dla czasów wirownia: a) 22,5 s; b) 60 s; c) 90 s; d) 135 s Strona 15

16 W celu weryfikacji poprawności danych symulacyjnych przeprowadzono także analizę porównawczą rozkładu prędkości wzdłuż promienia zbiornika. Porównano wyniki napełniania jednostronnego z prędkością 1,42 m/s (dla eksperymentu była to wartość natężenia przepływu wynosząca 5,68e -5 m 3 /s) w warunkach rzeczywistych z wynikami symulacji. Na rys. 3 przedstawiono wykres zawierający porównanie danych uzyskanych na drodze analizy symulacyjnej i eksperymentu. Wykres dotyczy 10 sekundy czasu wirowania od momentu zakończenia napełniania i przedstawia rozkład wartości składowej obwodowej (przepływ pierwotny) prędkości przepływu. Porównanie wyników pozwala stwierdzić, że rozkłady prędkości są do siebie zbliżone. Jedyne rozbieżności występują w pobliżu ściany zbiornika. W trakcie analizy PIV nie uzyskano wyników pomiarów pozwalających wykazać istniejący wpływ hamowania przepływu przy ścianie zbiornika. Jest to związane z odbijaniem się światła laserowego na powierzchni wewnętrznej ścianki zbiornika. Prowadzi to do konieczności tzw. maskowania obrazu w tym obszarze, co skutkuje brakiem możliwości uzyskania obrazu posiewu przy ściance zbiornika testowego. Rys. 3. Porównanie wyników symulacji komputerowej i badań eksperymentalnych w odniesieniu do lokalnych wartości prędkości przepływu cieczy w modelu kadzi wirowej o średnicy ok. 0,2 m Analogicznie do wyników analiz symulacyjnych zweryfikowano występowanie spiralnie ułożonych linii prądu przepływu w obszarze warstwy granicznej Ekmana. Na rys. 4a zaprezentowano mapę rozkładu pola prędkości, dla której można zidentyfikować linie w kształcie spiralnym. Stanowi to potwierdzenie, iż cząstki separowane poruszają się po torach spiralnych przy dnie zbiornika. Celem weryfikacji eksperymentalnej występowania przepływów wtórnych przeprowadzono pomiary PIV dla pionowej ekspozycji arkusza światła. Na rys. 4b zidentyfikowano i wydzielono obszar przepływu wtórnego odpowiedzialnego za namywanie stożka osadu (A). Tak jak to uzyskano w przypadku analiz CFD kształt przepływu namywającego jest wydłużony. Także na pozostałych rysunkach (rys. 4c i 4d) Strona 16

17 przepływ ten jest widoczny, co umożliwia identyfikację zmian położenia i występowania wartości maksymalnych prędkości przepływu. Na rys. 4c przedstawiono wir centralny (B) występujący w przepływie w kadzi wirowej typu whirlpool. Jego kierunek jest zgodny z kierunkiem przepływu namywającego i posiada znacznie mniejsze wartości prędkości w porównaniu do przepływu namywającego. Weryfikacja eksperymentalna potwierdza, że jest on powiązany bezpośrednio z przepływem namywającym, tak jak zostało to wykazane na podstawie wcześniej prezentowanych analiz CFD. Na rys. 4d przedstawiono wyniki badań, dla których wyodrębniono przepływy Taylora-Görtlera (C). Występują one parami i mają charakter wędrowny. Potwierdza to wyniki prezentowanych analiz symulacyjnych CFD. Wiry te powstają przy połączeniu dennicy ze ścianą zbiornika i przemieszczają się w kierunku powierzchni swobodnej wirującej cieczy. W porównaniu do przepływu namywającego stożek posiadają one wartości prędkości ponad dziesięciokrotnie mniejsze. Wiry Taylora-Görtlera zanikają z czasem. Należy więc traktować je w kontekście niestabilności przepływu w warstwie granicznej występującej w pobliżu ścianki zbiornika. Rys. 4. Mapy pola prędkości przepływów dla pomiaru PIV ( ) w zbiorniku testowym kadzi wirowej dla przepływu: a) namywającego (ekspozycja pozioma); b) namywającego (A); c) centralnego (B); d) przyściennego(c) ekspozycje pionowe Analizując mapy rozkładu pola prędkości uzyskane dla pomiarów PIV można zauważyć, iż pomimo pewnych rozbieżności, możliwe jest określenie miejsc występowania przepływów będących przedmiotem rozważań. Występowanie przepływów przy ścianie zbiornika ma charakter okresowy, a więc czas, dla którego zostały zidentyfikowane w wydzielonym obszarze, może być różny w odniesieniu Strona 17

18 do wyników symulacji. Potwierdzono to również podczas badania przepływu centralnego. Jedynym stale utrzymującym się przepływem jest przepływ namywający stożek osadu (widoczny na przekrojach pionowych). Wyniki pomiarów PIV dostarczają danych do prowadzenia prac z zakresu optymalizacji konstrukcji separatora typu whirlpool, które mogą w sposób istotny decydować o innowacjach technologicznych mających wpływ na poprawę jakości gotowego produktu, a w efekcie komercjalizację uzyskanych wyników badań. Pozwalają także na skalowanie w oparciu o zjawiska przepływowe występujące w separatorze. Podejście do zagadnienia skalowania na bazie analizy wymiarowej, w oparciu o ich występowanie zaprezentowano w dalszej części opracowania. Jakubowski M Pomiar PIV przepływu niestacjonarnego w kadzi wirowej, Pomiary Automatyka Kontrola, 7, Jakubowski M., Sterczyńska M., Matysko R., Poreda A Simulation and experimental research on the flow inside a whirlpool separator. Journal of Food Engineering, 133, Jakubowski M Secondary flows occurring in the whirlpool separator - study of phenomena - observation, simulation and measurements, Chemical and Process Engineering, 36(3), Określono wpływ rozwiązania symetrycznego sposobu napełniania separatora na poprawę warunków realizacji operacji technologicznej oddzielania osadu gorącego. Wariant klasycznego umiejscowienia otworu wlotowego do kadzi wirowej determinuje powszechnie stosowany sposób prowadzenia napełniania separatora. Taki stan jest właściwy dla aktualnie występującego sposobu realizacji operacji w cyklu technologicznym produkcji brzeczki piwnej. Stanowi, więc odniesienie do dalszych rozważań dotyczących modyfikacji zarówno konstrukcji separatora jak i sposobu jego napełniania. W przypadku napełniania jednostronnego przepływ wtórny odpowiedzialny za formowanie się stożka osadu zaczyna oddziaływać w czasie zbliżonym do całkowitego czasu napełniania zbiornika separatora. Znajduje to potwierdzenie w badaniach eksperymentalnych zrealizowanych z wykorzystaniem zbiornika testowego w skali półtechnicznej oraz analizach porównawczych przeprowadzonych w ramach wstępnych badań przemysłowych, jak i na stanowisku warzelni laboratoryjnej (Jakubowski, 2013). Wielkością charakterystyczną przepływu wtórnego odpowiedzialnego za namywanie stożka osadu jest wartość maksymalna prędkości ( ), która występuje przy dnie zbiornika. Przepływ formujący stożek jest dominującym pod względem wartości prędkości przepływem wtórnym, co pozwala go bez trudu zidentyfikować dla całej mapy rozkładu pola prędkości w pionowym przekroju ekspozycji zbiornika (dla składowych r i z wektora prędkości). Na rys. 5 przedstawiono przykładowe mapy rozkładu pola prędkości przepływu uzyskane na drodze symulacji dla początkowych kroków czasowych napełniania zbiornika kadzi wirowej w wariancie napełniana jednostronnego i podwojonego. Na rys. 5a przedstawiono rozkład pola prędkości przepływów wtórnych wariantu Strona 18

19 napełniania jednostronnego dla końcowego czasu napełniania. Na tym etapie stwierdzono brak występowania przepływu wtórnego w pobliżu połączenia płaszcza i dna zbiornika. Zidentyfikowano natomiast inne przepływy wtórne o charakterze lokalnym. Szczególnie charakterystyczne jest występowanie symetrycznie rozmieszczonej pary zawirowań powstających powyżej i poniżej otworu wlotowego. Ich występowanie jest konsekwencją oddziaływania przepływu napełniającego. Dla dalszych kroków czasowych analizy symulacyjnej po zakończeniu napełniania uzyskano potwierdzenie występowania przepływu namywającego odpowiedzialnego za formowanie się stożka osadu. Na rys. 5b przedstawiono przekrój z uwidocznionym przepływem wtórnym odpowiedzialnym za formowanie się stożka osadu. Jego charakterystyczny, wydłużony kształt został uzyskany także dla wcześniejszych analiz symulacyjnych (Jakubowski i Diakun, 2007) z wykorzystaniem modelu 2D z dodaną składową kątową (analiza typu swirl w środowisku ANSYS Mechanical APDL z zaimplementowanym modułem Flotran). Drugim analizowanym symulacyjnie wariantem było dwustronne napełnianie separatora (przez otwory wlotowe umiejscowione symetrycznie). Analizując wyniki symulacji ustalono, iż dla tego wariantu napełniania już na początkowym etapie napełniania występuje przepływ namywający stożek osadu (rys. 5c). Po zakończeniu napełniania (rys. 5d) uzyskano znacznie większą wartość prędkości przepływu namywającego, niż miało to miejsce dla analogicznej sytuacji napełniania jednostronnego. Rys. 5. Przykładowe wyniki symulacji dla modelu kadzi wirowej w etapach: a) napełniania jednostronnego zbiornika ( ); b) wirowania w zbiorniku napełnianym jednostronnie ( ); c) napełniania zbiornika dwustronnie ( ); d) wirowania w zbiorniku napełnianym dwustronnie ( ) Dla analizowanych wariantów zasilania, w oparciu o wyniki modelowania, wykonano zbiorczą analizę czasu powstawania i prędkości przepływu namywającego. Na rys. 6 przedstawiono wykres zmian wartości maksymalnej ( ) prędkości przepływu namywającego. Analiza czasu powstawania i zmiany prędkości maksymalnej przepływu namywającego pozwoliła stwierdzić znaczne różnice pomiędzy badanymi wariantami zasilania. Dla wariantu symetrycznego podwojonego napełniania widoczne jest znaczne Strona 19

20 skrócenie czasu powstawania zjawiska przepływu namywającego oraz wyższe wartości prędkości w całym rozpatrywanym przedziale czasu napełniania separatora oraz wirowania płynu. Dla analizowanego wariantu napełniania jednostronnego wartość prędkości maksymalnej przepływu namywającego uzyskana dla początkowego stanu jego występowania wyniosła 0,11 m/s, co stanowi ok. 0,04 wartości prędkości napełniania. W przypadku napełniania dwustronnego prędkość maksymalna przepływu namywającego wynosiła, co stanowi wartości sumarycznej prędkości zasilania. To ponad 50% zwiększenie wartości prędkości w odniesieni do napełniania jednostronnego. Przeprowadzono badania eksperymentalne PIV wariantu napełnienia dwustronnego. Dla tego przypadku stwierdzono wcześniejsze występowanie lokalnych wartości maksymalnych prędkości, które (w miarę upływu czasu wirowania) przemieszczają się od krawędzi do środka dna zbiornika. Taka sytuacja wskazuje, iż możliwe jest formowanie się stożka osadu w krótszym czasie. Rys. 6. Wykres wartości prędkości przepływu wtórnego odpowiedzialnego za formowanie się stożka osadu dla modelu napełnianego jednostronnie i dwustronnie (wartości pobrane z map pola prędkości dla kolejnych kroków czasowych symulacji) Prowadzono analizy symulacyjne i badania eksperymentalne także dla innych wariantów wielostronnego napełniania separatora. Wyniki potwierdziły skuteczność rozwiązania, przy czym poziom skomplikowania rozwiązania pod względem technicznej i technologicznej realizacji operacji powoduje, iż są one niepraktyczne. Jakubowski M., Wyczałkowski W., Poreda A Flow in a symmetrically filled whirlpool: CFD modelling and experimental study based on Particle Image Velocimetry (PIV), Journal of Food Engineering, 145, Strona 20

21 dr inż. Marek Jakubowski Opracowano i opatentowano rozwiązanie konstrukcyjne i sposób realizacji operacji rozdzielania w separatorze z zawirowaniem napełnianym wielostronnie Jak wykazały wyniki analiz symulacyjnych, oraz badania eksperymentalne niedoskonałością realizacji procesu rozdziału w kadzi wirowej typu whirlpool jest jej niesymetryczne napełnianie. Niedoskonałość objawia się tym, iż operacja napełniania jednostronnego powoduje opóźnienie występowania zjawiska przepływu wtórnego, namywającego stożek osadu. Przepływ w separatorze dąży dynamicznie do symetryzacji, co powoduje, iż część energii kinetycznej przepływu zostaje rozproszona celem jego ustabilizowania. Opatentowana kadź wirowa jest wyposażona, w co najmniej dwa styczne przewody rurowe zasilające. Otwory wylotowe tych przewodów umiejscowione są przeciwlegle, w jednakowych odległościach od siebie na obwodzie ściany zbiornika. Rozwiązanie proponowane w wynalazku zapewnia równoważące dwulub wielopunktowe napełnianie kadzi wirowej, prowadzące do symetryzacji przepływu w separatorze już na etapie napełniania. Uzyskuje się przez to efekt występowania wtórnego przepływu namywającego już na etapie napełniania zbiornika, co ostatecznie powoduje skrócenie czasu postoju brzeczki w kadzi oraz poprawia uwarunkowania formowania się stożka osadu. W konsekwencji istnieje możliwość skrócenia czasu realizacji procesu rozdziału w cyklu technologicznym na warzelni. Opatentowane rozwiązanie zakłada również zastosowanie zestawu otworów wlotowych. Dzięki temu można modyfikować napełnianie separatora prowadząc je w sposób sekwencyjny (np. otwierając i zamykając kolejne zawory na przewodach wlotowych, w miarę napełniania zbiornika). Zwielokrotnienie ilości otworów wlotowych pozwala jednocześnie uzyskiwać zmienne charakterystyki napełniania wywołane celową zmianę natężenia przepływu w przewodach napełniających, usytuowanych na tej samej lub różnej wysokości. Opatentowane rozwiązania umożliwiają automatyzację i optymalizację operacji klarowania brzeczki piwnej po jej gotowaniu, w zależności od potrzeb i wymogów technologicznych. Jakubowski M Kadź wirowa, wykorzystywana zwłaszcza w browarnictwie oraz sposób jej napełniania, patent nr P388831, Urząd Patentowy RP. Opracowano kryteria podobieństwa na bazie analizy zjawisk przepływu wtórnego występującego w kadzi wirowej Konstrukcję zbiornika separatora kadzi wirowej typu whirlpool oraz jej podstawowe parametry procesowe opisują: wielkość wymiarowa - średnica zbiornika ( ), parametr operacji napełniania - wysokość napełnienia zbiornika w stanie spoczynku cieczy ( ). Własności cieczy (zgodnie z załażeniem masowego udziału fazy stałej na poziomie ok. 1%) określają: gęstość ( ) i lepkość dynamiczna ( ). Oddziaływanie zewnętrzne na układ reprezentuje jednostkowa siła masowa - Strona 21

22 przyspieszenie ziemskie ( ). Parametrem procesowym w tym przypadku jest czas wirowania ( ). Przepływ pierwotny w separatorze można wyrazić za pomocą wartości prędkości obwodowej przepływu cieczy ( ). Do wyznaczenia liczb kryterialnych podobieństwa procesowego przyjąć można wartość średniej prędkości strumienia cieczy napełniającej zbiornik kadzi wirowej. Wartość prędkości wirownia jest, ze względu na rozpraszanie energii różna od maksymalnej wartości prędkości napełniania przyjętej do analizy. Analiza zagadnienia przepływów wtórnych pozwoliła na określenie podstawowych wielkości charakteryzujących przepływ drugorzędowy występujący przy dnie zbiornika. Są to oznaczone na rys. 7: wysokość wiru namywającego i jego wartość maksymalna prędkości ( ). Różnicę wysokości wirującej swobodnej powierzchni ( ) można wyrazić jako funkcję,, oraz. Jest to zatem wielkość zależna i nie zostanie włączona w zakres dalszych rozważań. W ten sposób określono zbiór dziewięciu wielkości podstawowych, które można wyrazić za pomocą trzech wielkości niezależnych, którymi są: wymiar liniowy, masa wirującej cieczy i czas wirowania. Zgodnie z twierdzeniem dotyczącym analizy wymiarowej można zastosować sześć niezależnych liczb kryterialnych podobieństwa pomniejszonych o wymiary podstawowe będących iloczynami potęgowymi tych wielkości (Singh i Heldman, 2009). Rys. 7. Schemat i parametry geometryczno procesowe kadzi wirowej Do wyprowadzenia liczb kryterium podobieństwa wykorzystano metodę proporcji (ilorazów) wielkości tego samego rodzaju. Określono trzy liczby kryterialne wyrażone jako ilorazy wielkości podstawowych. Jako parametr odniesienia przyjęto średnicę separatora ( ) oraz maksymalną początkową prędkość przepływu pierwotnego ( ). Na tej podstawie wyznaczono liczbę proporcji wymiarowej kadzi: liczbę wysokości przepływu wtórnego namywającego stożek: (17) (18) Strona 22

23 oraz liczbę prędkości przepływu wtórnego namywającego stożek: Kolejne trzy liczby podobieństwa procesowego zostały określone jako stosunek sił właściwych dla zjawisk przepływowych występujących w kadzi wirowej. Można je wyrazić jako funkcje wielkości podstawowych. Pierwszą z nich jest siła bezwładności przepływu pierwotnego ( ). W zapisie elementarnym: (19) (20.1) Całkując ten zapis, przy uwzględnieniu rozkładu prędkości i masy po promieniu, a następnie uwzględniając różniczkowanie prędkości po czasie, otrzymano: (20.2) Wszystkie wartości stałe zostały wyrażone jako wartość liczbowa. Ponieważ w liczbach kryterialnych istotny jest wpływ wielkości czynników zmiennych, wartości stałe można pominąć. Zatem można zapisać: (20.3) Kolejna siła odnosi się do oddziaływania hamującego ścianek. Jest ona tożsama z siłą oporu profilowego w ośrodku płynu i wynika z przekazywania pędu sąsiadującym ze sobą cząsteczkom płynu: (21.1) gdzie - to współczynnik oporu i to powierzchnia. Zatem siła oddziaływania hamującego od ścianki cylindrycznej kadzi: oraz siła oddziaływania hamującego od dna kadzi: W wyrażeniach (21.2) i (21.3) pominięto wartości stałe tak, jak w wyrażeniu (20.3). Rozpatrując dyssypację energii cieczy lepkiej otrzymano: (21.2) (21.3) (22.1) Uwzględniając charakter oddziaływania czynników i pomijając wartości stałe, otrzymano (dla dyssypacji energii cieczy lepkiej, dla przepływu pierwotnego): oraz (analogicznie) dla przepływu przy dnie: (22.2) (22.3) Strona 23

24 Siła odśrodkowa przepływu pierwotnego wirowania ma taką samą postać jak siła hamowania od ścianki cylindra (21.2), a siła od ciśnienia hydrostatycznego jak siła hamowania od dna kadzi (21.3). Możliwe było określenie wzajemnych stosunków poszczególnych sił, odpowiednio: z uwzględnieniem sił oraz. Uwzględniając oddziaływanie ściany zbiornika kryterium podobieństwa wynikające ze stosunku siły bezwładności do siły oddziaływania hamującego przyjmuje postać: a po uproszczeniach: (23.1) (23.2) Otrzymane wyrażenie (23.2) znane jest jako liczba Strouhala (Kuneš, 2012), która charakteryzuje przepływ niestacjonarny. W przypadku kadzi wirowej występuje oddziaływanie hamujące ścianki cylindra i dna. Sumując te dwie siły otrzymujemy: a podstawiając wyrażenie (17) otrzymujemy: (24.1) (24.2) Otrzymano wyrażenie, które określa kryterium czasu wirowania w kadzi. W technologii browarniczej zwane jest zwyczajowo czasem postoju (Kunze, 2014). Odwrotność tego wyrażenia przyjmuje postać: (24.3) Kryterium podobieństwa wynikające ze stosunku siły bezwładności do siły dyssypacji lepkiej, dla przepływu pierwotnego ma postać: Rozpraszanie energii przepływu w warstwie Ekmana: (25) (26.1) Po wprowadzeniu zależności z wyrażeń (18) i (19) opisujących przepływ przy dnie oraz zapisując odwrotność wyrażenia otrzymuje się: (26.2) Strona 24

25 W wyrażeniu tym występują liczby podobieństwa charakteryzujące wtórny przepływ występujący przy dnie zbiornika, zatem możliwe było określenie liczby kryterialnej podobieństwa przepływu formującego stożek osadu. Następie możliwe było określenie kryterium podobieństwa wynikające ze stosunku siły tarcia na ściance do siły dyssypacji lepkiej. W pierwszym ujęciu uwzględniono oddziaływanie ściany zbiornika. Dla przepływu pierwotnego otrzymano: Uzyskano wyrażenie w postaci powszechnie znanego zapisu liczby Reynoldsa. W przypadku kadzi wirowej istotne jest nie tylko hamujące oddziaływanie ścianek cylindra, ale również dna. Analizy symulacyjne i badania eksperymentalne udowodniły, iż wartość maksymalna prędkości przepływu wtórnego przy dnie jest ponad dziesięć razy mniejsza od prędkości przepływu pierwotnego. Ograniczony jest także zasięg oddziaływania przepływu namywającego, a więc jego siłę dyssypacji można pominąć. Uwzględniając powyższe skorygowana liczba Reynoldsa dla kadzi wirowej ma postać: Z powyższego wyrażenia wynika, iż hamujące oddziaływanie dna zwiększa się zwłaszcza dla zbiorników o smukłości napełnienia posiadających małą wartość. Przepływ wtórny przy dnie zbiornika formuje się przy oddziaływaniu hamowania od dna oraz ciśnienia hydrostatycznego zależnego od zmiennej wysokości. Te rodzaje oddziaływań opisuje ta sama siła. Dla opisu przepływu namywającego ważny jest zatem stosunek sił hamowania dna oraz dyssypacji lepkiej przepływu przy dnie. Przy uwzględnieniu zapisów dla przepływu wtórnego (18) i (19) otrzymuje się skorygowaną liczbę Reynoldsa właściwą dla tego przepływu: Podstawowym parametrem pracy separatora jest czas postoju mieszaniny. Zależy on od masy brzeczki będącej w ruchu i sił powodujących hamowanie. W przypadku kadzi wirowej hamowanie klarowanej brzeczki jest konsekwencją oddziaływania ściany i dna zbiornika oraz dyssypacji energii pochodzącej od deformacji lepkiej płynu. Ten drugi parametr jest o kilka rzędów mniejszy od oddziaływania hamującego przepływ przez ścianę i dno zbiornika. Wyraża się to przez wartość liczby Reynoldsa, która wiąże ilościowo stosunek tych dwóch składowych oporu. Liczba podobieństwa będąca stosunkiem bezwładności do oporu od ścianek cylindra i dennicy zbiornika (24.3) jest zatem bezwymiarowym wyróżnikiem czasu wirowania, który może być podstawą obliczenia czasu postoju: (27) (28) (29) (30) Strona 25

26 Z analizy wyprowadzonych liczb kryterialnych podobieństwa wynika, że liczba kryterialna czasu jest funkcją liczby Reynoldsa dla kadzi wirowej (28): Wyprowadzone zależności mogą stanowić pomoc dla projektowania zbiorników typu whirlpool jak i służyć do skalowania przepływów w nim występujących. Diakun J., Jakubowski M. 2013, Dimensionless numbers of structural and process similitude of a whirlpool hot trub separator, Journal of Food Process Engineering, 36 (6), (31) Opracowano dane morfometryczne cząstek osadu gorącego z wykorzystaniem analizy Shadow Sizing oraz metody PIV dla dalszych prac symulacyjnych Metody obrazowania cząstek mieszanin są coraz częściej stosowane w wielu obszarach badań przepływów wielofazowych. Szczególnie interesujące jest zastosowanie technik obrazowania w przypadku mieszanin naturalnie występujących, jako aglomeraty budujące się w przepływie. Są przypadki, dla których niemożliwym jest wprowadzenie do układu czujników, których obecność może zakłócić przepływ. Często niemożliwe jest także zastosowanie wymaganej w wielu aparatach pomiarowych wstępnej homogenizacji mieszaniny, ponieważ taki pomiar nie daje rzetelnej informacji odnośnie morfologii fazy rozproszonej. Takim przypadkiem jest analiza osadu gorącego. Powstawanie, kształt i wielkość cząsteczek uwarunkowana jest przede wszystkim poprawnością realizowanego procesu technologicznego, a także składem surowcowym brzeczki. Z wielu powodów rynkowych i ekonomicznych browary wprowadzają do składu recepturowego surowce niesłodowane, np.: jęczmień, grys kukurydziany, ryż czy też pszenicę. Skład chemiczny dodatków różni się od składu słodu jęczmiennego, w szczególności, jeśli chodzi o udział substancji białkowych, który wpływa na efektywność wytrącania się przełomu podczas gotowania brzeczki z chmielem (Agu, 2002). Wzrost udziału surowca niesłodowanego w recepturze piwa prowadzi do problemów klarowania oraz uzyskania odpowiedniego składu chemicznego sklarowanej brzeczki. Określenie ilości osadu gorącego i znajomość morfologii jego cząstek jest kluczowym zagadnieniem w zakresie optymalizacji konstrukcji separatora typu whirlpool. Na etapie opadania cząstek osadu jego udział objętościowy jest znaczący, co dodatkowo utrudnia analizę takiego układu. W przypadku mieszaniny brzeczki i osadu gorącego możliwe jest więc zastosowanie metody nieinwazyjnej do określenia parametrów morfologicznych cząstek badanych substancji, opartej na analizie obrazu. W tej części opracowania przedstawiono możliwość zastosowania analizy obrazu metodą Shadow Sizing do identyfikacji rozkładu wielkości cząstek przełomu na podstawie pomiaru ich średnicy (de). Określono możliwości i ograniczenia detekcji cząstek osadu gorącego znajdujących się w próbce. Przedstawiono metody wstępnego przetwarzania obrazu za pomocą wybranych filtrów dostępnych w IPL, przeprowadzone w celu lepszej detekcji cząstek. Zaprezentowano także możliwość zastosowania Shadow Processing do określenia prędkości cząstek poruszających się w próbce brzeczki piwnej. Strona 26

27 Bazując na uzyskanych rezultatach zaprezentowano sposób wykorzystania przetworzonego obrazu do analizy anemometrycznej PIV wybranymi algorytmami. Materiał badawczy stanowiła brzeczka piwna produkowana w warunkach przemysłowych. W trakcie cyklu produkcyjnego trwającego 3 tygodnie pozyskano próbki z całego asortymentu brzeczek piw jasnych produkowanych przez browar średniej wielkości. Surowce słodowe i niesłodowane oraz granulat chmielu pochodziły z tej samej partii produkcyjnej i dostawy. Były przechowywane w tych samych warunkach. Próbki brzeczki pobierano z kadzi wirowej o pojemności 530 hl po jej całkowitym napełnieniu. Materiał pozyskiwano z zaworu probierczego umiejscowionego przy dnie zbiornika. Pozwoliło to na uzyskanie próbek z tego samego etapu realizacji operacji wirowania, przed wystąpieniem rozdziału sedymentacyjnego. Brzeczkę pobierano do termo izolowanego pojemnika o pojemności 1,2 dm 3. W trakcie prac pobrano próbki brzeczek słodowych o zawartości ekstraktu 12,5; 14,1; 16,1 i 18,2 P oraz ich odpowiedniki z udziałem surowca niesłodowanego w postaci jęczmienia obłuszczonego o recepturowym udziale w zasypie wynoszącym ok. 40% ekwiwalentu słodu. Z punktu wiedzenia analizy działania separatora najważniejszym parametrem opisującym mieszaninę o wysokim stopniu koncentracji fazy rozproszonej jest ilość i charakterystyka granulometryczna cząstek. Na rysunku 8 przedstawiono wyniki analiz rozkładu wielkości cząstek dla wszystkich badanych brzeczek. Brzeczki słodowe charakteryzowały się osadem o cząstkach mniejszych, których częstość występowania była znacznie większa. Największym zróżnicowaniem cząstek pod względem wielkości charakteryzowała się brzeczka o ekstrakcie 12,5 P (rys. 8a). Natomiast najwięcej małych rozmiarów cząstek zaobserwowano w brzeczce o ekstrakcie 14,1 P (rys. 8c). Dodatek surowca niesłodowanego przyczynił się do wytrącenia mniejszej ilości cząstek osadu o większej średnicy ekwiwalentnej de (rys. 8b i d) w porównaniu do brzeczki wytworzonej wyłącznie ze słodu jęczmiennego (rys. 8a i c). Zależność ta widoczna jest we wszystkich próbkach niezależnie od ich ekstraktu (rys. 8e i f oraz rys. 8g i h). W brzeczkach z jęczmieniem zaobserwowano także większe zróżnicowanie wielkości cząstek determinowane zmniejszającym się ekstraktem (rys. 8b, d, f i h). Jednakże wzrastający ekstrakt brzeczki podstawowej spowodował spadek ilości wytrąconych cząstek aglomeratów białkowych i chmielin we wszystkich analizowanych wariantach. Wyniki przeprowadzonej analizy wykazały, że istnieją rozbieżności danych literaturowych w odniesieniu do uzyskanych danych eksperymentalnych dotyczących średnic osadu gorącego w brzeczkach piwnych. Uzyskane wyniki są odmienne do prezentowanego w literaturze poglądu, że cząstki osadu gorącego posiadają wielkości rzędu od 30 do 80 µm. Wielkość cząstek opadających na dno separatora szacowana jest na 200 µm (Kunze, 2014). Moduł analizy Shadow poza detekcją i charakteryzacją cząstek pozwala również na określenie wektora prędkości dla każdej wykrytej cząstki. Jednakże określenie Strona 27

28 wektora prędkości nieregularnej cząstki o przesunięciu pomiędzy kolejnymi ekspozycjami obrazu kilkukrotnie mniejszym od średnicy elementu może się okazać w wielu przypadkach niepoprawne. Rys. 8. Rozkład wielkości cząstek osadu gorącego w brzeczkach: a) 12,5 P; b)12,5 P (jęczmień niesłodowany - 40%); c) 14,1 P; d) 14,1 P (jęczmień niesłodowany - 40%); e) 16,1 P; f) 16,1 P (jęczmień niesłodowany - 40%); g) 18,2 P; h)18,2 P (jęczmień niesłodowany - 40%) - po prawej stronie wykresu przedstawiono obszar ekspozycji i zidentyfikowane cząstki osadu gorącego Strona 28

29 Szybszą i dokładniejszą alternatywą pomiaru prędkości cząstek osadu gorącego była w tym przypadku analiza PIV. W wyniku wstępnych analiz kilkunastu akwizycji brzeczek piwnych stwierdzono, iż najlepsze rezultaty dla tego typu obrazów daje zastosowanie algorytmów LSM (Least Squares Matching) i Adaptive PIV. Rysunek 9a przedstawia zestawienie wektorów prędkości uzyskanych na drodze analizy obrazu z wykorzystaniem tych dwóch wybranych algorytmów. Mapa wektorowa została nałożona na przykładowy obraz poddany analizie. Rys. 9. Analiza ruchu cząstek osadu gorącego z wykorzystaniem: a) LSM i Adaptive PIV (powiększony lewy górny fragment obszaru ekspozycji LSM kolor zielony, Adaptive PIV kolor żółty); b) LSM; c) Adaptive PIV; d) Adaptive PIV łącznie z POD Już wstępna analiza wyników pozwala stwierdzić, iż w obu przypadkach kierunek i długości wektorów prędkości na mapie są zbliżone do siebie. Jednak prowadząc dalszą analizę statystyczną z kilkudziesięciu map wektorowych stwierdzono różnice w postaci bardziej równomiernego rozkładu prędkości podczas analiz z wykorzystaniem algorytmu LSM. Na rys. 9b i 9c przedstawiono wyniki analizy algorytmami LSM i Adaptive PIV. Wektorową mapę rozkładu pola prędkości naniesiono na obraz tła będącego skalarnym odwzorowaniem wartości lokalnych prędkości. W celu porównania obrazów ujednolicono skalę barwną w zakresie prędkości od 0 do 125 µm/s. Wartość prędkości dla każdego z wektorów na mapie jest odwzorowana jego długością. Tak, jak w przypadku wcześniejszym stwierdzono znaczne podobieństwo obu rozkładów prędkości. Dlatego też wyniki korelacji adaptacyjnej PIV poddano dodatkowo zaawansowanej analizie POD (Proper Orthogonal Decomposition). Jest to technika, która uwydatnia spójność struktury przepływu i pozwala zredukować chwilowo występujące zakłócenia czy interpolować brakujące wartości prędkości. Rysunek 9d przedstawia wyniki takiej właśnie analizy. W wyniku dodatkowej obróbki stwierdzono znaczną Strona 29