Казалось бы, какая связь между самыми передовыми научными достижениями ракетно-космической отрасли и жареной картошкой? Оказывается, самая прямая. И вы убедитесь в этом, прочитав перевод статьи Rocket science for French fries из авторитетного британского журнала Tank storage («Резервуарное хранение»). Данная статья является участником конкурса журналистов и блогеров «Открытая Сфера». Ее авторы — генеральный директор компании ЕВНАТ Екатерина Тузовская и Евгений Староказников, соучредитель представительства компании в Евросоюзе SIA SABER EVNAT.
О выгодах и преимуществах, которые предприятия получат в результате внедрения устройства перемешивающего струйного УПС-ЕВНАТ рассказывали такие издания как «СФЕРА: Масложировая индустрия. Масла и жиры» (№ 1 (4), 2018), журнал «Масла и жиры» (октябрь-сентябрь, 2020), журнал «Нефть. Газ. Новации» и другие. И вот в октябре 2020 года вышла первая публикация и в зарубежном журнале на английском языке!
ФОТО ЖУРНАЛА
Российские авторы считают, что благодаря информационной поддержке журнала Tank storage о разработке узнают многие зарубежные специалисты и компании, а сама статья станет «рецептом» получения дополнительной прибыли для всех предприятий, чья деятельность связана с резервуарным хранением жидкостей.
Ниже мы приводим перевод статьи на русский язык.
Как вычислительная гидродинамика помогает в разработке инновационных струйных смесителей для резервуаров?
Немногие знают, что масло, которое используется для приготовления картофеля фри, на своем пути от поля до сковородки претерпевает множество изменений. Некоторые из них возникают на этапе хранения. Из-за неэффективного перемешивания в резервуарах происходит расслоение масла с образованием осадка. Этот процесс ведет к ухудшению качества продукта и прямым убыткам, вызванным необходимостью очищать резервуары и утилизировать осадок. Производство между тем вынужденно простаивает.
Устройство перемешивающее струйное УПС-ЕВНАТ.
Перемешивание – это наиболее важный элемент фазы хранения многих жидкостей, таких, как растительные масла, биотопливо, нефтепродукты, сырая нефть, очищенная нефть, молочные продукты, краски, ароматизаторы, и многих других. Обеспечить эффективную конструкцию смесителя помогут компьютерные алгоритмы.
Что такое вычислительная гидродинамика?
Вычислительная гидродинамика (CFD) – это область науки, которая изучает движение жидкости. Для анализа поведения жидкостей используется расширенный диапазон численных методов и структур данных. Выбор применения отдельного численного метода или комбинаций методов зависит от типа анализируемой жидкости и окружающей среды. Различные методы или их комбинации достигают лучших результатов при изучении взаимодействия жидкостей и газов. Этот подход нашел ценное применение в широком спектре отраслей - от прогнозирования погоды до сложной аэродинамики, не исключая междисциплинарные приложения – в биологии, нано- и микро- инженерии.
Врезка Наиболее важно то, что применение CFD позволяет получить точные результаты для жидкостей и сред, эксперименты с которыми невозможны, либо крайне опасны.
Прототипы современных методов CFD лежат в основе первых исследований поведения жидкостей Архимедом, Леонардо да Винчи, Исааком Ньютоном, Даниэлем Бернулли и многими другими учеными. Настоящее рождение методологии произошло более 200 лет назад, после завершения работы над уравнениями Навье-Стокса, описывающими физику субстанций вязкой жидкости. Французский инженер Клод-Луи Навье ввел сложные уравнения, описывающие такие элементы, как сохранение массы, импульса, давления, видов частиц и турбулентности, которые были развиты британским физиком и математиком сэром Джорджем Габриэлем Стоксом.
Пример симуляции поведения жидкости, полученный с помощью программного обеспечения ANSYS.
Потенциал уравнений Навье-Стокса был полностью раскрыт только с развитием вычислительной мощности компьютеров. Таким образом, в 1960-ых годах НАСА совершило большой прорыв, обогатив методологию CFD полным спектром численных методов, включая расчетную сетку ячеек, функцию завихрения потока и моделирование турбулентности. Сегодня современные программы CFD используют широкий спектр вычислительных методов и алгоритмов, что делает их применение настоящим искусством. Выбор применяемых допущений и связанных уравнений имеет большое влияние на результат решения конкретной задачи.
Подход CFD к изучению работы промышленных смесителей
Применение CFD-моделирования к промышленным процессам перемешивания жидких сред приобрело популярность в 1990-х годах. Эффективное перемешивание является решающим компонентом фазы хранения многих жидких продуктов.
ВРЕЗКА Диапазон целей, преследуемых при смешении продуктов, хранящихся в резервуарах, на удивление широк – от поддержания однородности или определенных целевых физико-химических характеристик всей смеси до обеспечения единства двух (или более) ингредиентов составной жидкости.
Хотя круг задач, стоящих перед смесителями, обширен, в настоящее время на рынке инженерных решений широко представлены только два основных типа перемешивающих устройств – пропеллерные и струйные. Совершенствование струйных смесителей может быть результатом успешного развития методов CFD. Данные методы позволяют достичь оптимальной достоверности моделирования потоков жидкости, исходящих из сопел смесителя, и точно рассчитать конфигурацию устройства. Струйный смеситель может показаться очень простым по своей конструкции, однако гораздо большая его ценность заключается в сложных вычислениях, предшествующих производству. В зависимости от исходных данных вычислительный этап может длиться до нескольких недель.
Правильно спроектированные струйные перемешивающие устройства показывают гораздо лучшие результаты, чем лопастные. Было проведено CFD-исследование процесса перемешивания сырой нефти с помощью комбинированной системы струйных и лопастных миксеров в резервуаре емкостью 19000 м3. Оно показало, что скорость гомогенизации нефти была в четыре раза выше при применении струйного перемешивающего устройства по сравнению с лопастными миксерами. [1] Судя по опыту SABER EVNAT и расчетным данным, аналогичное повышение эффективности перемешивания было доказано сравнением струйных перемешивающих устройств с лопастными, использующимися в резервуарах различных размеров - от 500 до 20,000 м3.
CFD и струйные смесители SABER EVNAT
Инновации рождаются либо как изобретение совершенно новых технических приспособлений, либо как междисциплинарная комбинация существующих инструментов для получения более эффективных решений. Разработка смесителя SABER EVNAT велась по второму пути. Основная идея заключалась в том, что если реактивный двигатель может двигать самолет вперед, сжимая воздух и создавая воздушный поток, тогда должна быть возможность создать поток жидкости, сжимая ее с помощью реактивной силы. Накопив обширный опыт в области моделирования CFD, SABER EVNAT сфокусировался на разработке сверхбыстрого и эффективного устройства для струйного перемешивания, которое можно было бы применять в широком спектре отраслей и для длинного списка продуктов.
Конечный результат использования программного обеспечения ANSYS для расчета оптимальных параметров устройства перемешивающего струйного УПС-ЕВНАТ
Компания SABER EVNAT доказала свое глубокое понимание и владение инструментами CFD, спроектировав, изготовив и установив десятки устройств для резервуаров объемом от 500 до 20,000 м3, работающих с такими продуктами, как жидкое топливо и сырая нефть, бензин, рапсовое, подсолнечное соевое и другие масла, а также лецитин и битум. SABER EVNAT использует программное обеспечение ANSYS для индивидуального проектирования каждого перемешивающего устройства. Для создания рабочей 3D-модели для каждого конкретного случая требуется до 300 часов использования вычислительной мощности с учетом полного набора параметров как характеристик продукта, так и геометрии хранилища. Все сотрудники, занимающиеся моделированием и проектированием, являются опытными инженерами, и сертифицированными пользователями ANSYS, что обеспечивает высокий уровень качества и точности на этом важнейшем этапе. В результате клиенты SABER EVNAT получают высокотехнологичное производственное оборудование, позволяющее достичь отличных результатов и экономии с первого дня эксплуатации.
Струйный смеситель EVNAT обеспечивает перемешивание продукта в четыре раза быстрее, чем традиционные пропеллерные смесители. Например, партии жидкого топлива разного качества общим объемом 4000 м3 можно гомогенизировать всего за 2 часа по сравнению с 10-12 часами для пропеллерной мешалки. Поскольку каждый струйный смеситель EVNAT разработан и изготовлен индивидуально, он не оставляет «слепых зон», чего обычно нельзя достичь с помощью пропеллерных смесителей. Это ускорит производственные процессы и повысит уровень качества готовой продукции.
При регулярном использовании струйный смеситель предотвращает накопление осадка продукта внутри резервуара, устраняет проблему очистки емкости и утилизации донных отложений, что также снижает сопутствующие расходы. Помимо скорости перемешивания и качества, которые находятся на высоком уровне, клиенты SABER EVNAT также ценят безопасность и надежность устройств. Струйный смеситель не содержит движущихся частей - ни механических, ни электрических. Следовательно, нет ничего, что могло бы сломаться и вызвать задержку или остановку производства, нет необходимости в обслуживании или ремонте, а также нет связанных со всем этим затрат.
Пример устройства перемешивающего струйного УПС-ЕВНАТ.
Для резервуаров вместимостью более 10,000 м3 обычно необходимо установить два или более пропеллерных смесителя для достижения приемлемого уровня перемешивания. Оба смесителя потребляют энергию и увеличивают выбросы CO2. Струйные смесители EVNAT гораздо более энергоэффективны и соответствуют стандарту ISO 50001.
Решения, предлагаемые SABER EVNAT, являются хорошим примером применения цифровых технологий в сфере хранения и транспортировки жидкостей, которые, помимо повышения эффективности, предлагают дополнительные преимущества, такие, как минимизация нежелательных потерь продукта.
Справочные материалы:
1. Рахими М. и Парварех А. Расчетная гидродинамика смешивания с помощью сопряженных струйных смесителей в большом резервуаре для хранения сырой нефти. Компьютеры и химическая инженерия 31 (7). 737-744. (2006).
Примечание: статью на английском языке вы можете прочитать на сайте журнала «Tank storage» по ссылке https://www.tankstoragemag.com/feature/rocket-science-for-french-fries
