autoreferat - wydział technologii Żywności ur · 2016. 4. 26. · dr inż. marek jakubowski...

POLITECHNIKA KOSZALIŃSKA

WYDZIAŁ MECHANICZNY

KATEDRA PROCESÓW I URZĄDZEŃ PRZEMYSŁU SPOŻYWCZEGO

dr inż. Marek Jakubowski

Autoreferat

Załącznik nr 2a do wniosku o przeprowadzenie postępowania

habilitacyjnego w dziedzinie Nauk Rolniczych w dyscyplinie

Technologia Żywności i Żywienia

Koszalin, 27.01.2016

dr inż. Marek Jakubowski Autoreferat

Strona | 2

Spis treści

1. CHARAKTERYSTYKA HABILITANTA .................................................................................................. 3

1.1. Uzyskane stopnie i tytuły naukowe ......................................................................................... 3

1.2. Przebieg pracy zawodowej ......................................................................................................... 3

1.3. Obszar działalności badawczych habilitanta ....................................................................... 3

2. WSKAZANIE OSIĄGNIĘCIA NAUKOWEGO ....................................................................................... 4

2.1. Wykaz pozycji wchodzących w skład osiągnięcia .............................................................. 4

2.2. Omówienie celów naukowych prac stanowiących osiągnięcie ..................................... 6

3. OPIS POZOSTAŁYCH OSIĄGNIĘĆ NAUKOWYCH ......................................................................... 35

4. SYNTETYCZNA CHARAKTERYSTYKA DOROBKU NAUKOWEGO ......................................... 39


Strona | 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”.

2001 – 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.

1.2. Przebieg pracy zawodowej

01.10.10 – do dziś Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra

Procesów i Urządzeń Przemysłu Spożywczego. Praca

na stanowisku adiunkta.

28.02.07 – 01.10.08 Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra

Inżynierii Spożywczej i Tworzyw Sztucznych (od 01.11.2008

Katedra Procesów i Urządzeń Przemysłu Spożywczego). Praca

na stanowisku asystenta.

01.06.06 – 30.06.08 Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra

Systemów Sterowania (od 01.06.2007 Katedra Automatyki).

Praca na stanowisku samodzielnego referenta.

01.10.01 – 30.09.06 Politechnika Koszalińska - Wydział Mechaniczny - Katedra

Inżynierii Spożywczej i Tworzyw Sztucznych. Doktorant

w Katedrze.

10.12.00 – 30.06.01 Politechnika Koszalińska. Pełnienie obowiązków asystenta

stażysty w Katedrze Inżynierii Spożywczej i Tworzyw

Sztucznych.

1.3. 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 | 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. 2014. Simulation

and experimental research on the flow inside a whirlpool separator. Journal

of Food Engineering, 133, 9-15. (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. 2015. Flow in a symmetrically filled

whirlpool: CFD modelling and experimental study based on Particle Image

Velocimetry (PIV), Journal of Food Engineering, 145, 64-72. (40 pkt*; IF=2,771).




3. Jakubowski M. 2015. Secondary flows occurring in the whirlpool separator - study

of phenomena - observation, simulation and measurements, Chemical and Process

Engineering, 36(3), 277-289. (15 pkt*; IF=0,653).




4. 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), 748-752. (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 | 5

5. Jakubowski M. 2013. Pomiar PIV przepływu niestacjonarnego w kadzi wirowej,

Pomiary Automatyka Kontrola, 7, 632-635. (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. 2016. 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, 34-41. (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. 2013. Kadź wirowa, wykorzystywana zwłaszcza w browarnictwie

oraz sposób jej napełniania, Urząd Patentowy RP, patent nr P388831. (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

NN313429639 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 | 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.

2.2. 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 | 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:

1 ,T

T d d slide slidep c ct

uu u u u u u g F

(1)

równanie ciągłości dla mieszaniny:

,01

uuu

zr

r

rt

zr (2)

a równanie przepływu fazy zdyspergowanej:

.1d

dc

d

d

md

slizgddd

d mDcu

t

u (3)

W modelu Schillera – Naumana założono, że do wyznaczenia prędkości ślizgu miedzy

fazami rozproszonej fazy stałej i cieczy można wykorzystać równanie w postaci:


Strona | 8

.4

3p

d

f d

slizgslizgc

d

d

uu (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:

* ,k T k

kk k P k

t

u

(5)

gdzie:

22 2

: ,3 3

T

k TP k

u u u u u

(6)

a w tym:

.T

k

(6.1)

Równanie dyssypacji energii kinetycznej turbulencji posiada postać:

2.T kPt k

u

(7)

Warunki brzegowe na ścianie separatora zostały zdefiniowane w postaci wartości

prędkość przepływu w kierunku normalnym do powierzchni ścianki:

0nu (8)

Człon lepkościowy w bilansie pędu na ściance zależny jest od naprężeń stycznych:

nnuunIIuuu

w

T

T

T

uk

3

2

3

2. (9)

Zmiana kinetycznej energii turbulencji na ściance równa jest:

.0 nk (10)

Dyssypacja właściwa energii kinetycznej turbulencji na ścianie opisana jest:

wvk

k, (11)

gdzie:


Strona | 9

.

w

w

u (11.1)

Przepływ fazy zdyspergowanej na ściance jest równy:

.0d

Nn (12)

Warunki brzegowe na wlocie do zbiornika zostały zdefiniowane w postaci prędkości

średniej:

nu 0U, (13)

energii kinetycznej turbulencji na wlocie do zbiornika:

202

3TlUk

. (14)

Dyssypacja energii kinetycznej turbulencji na wlocie do zbiornika:

TL

k4/1*

0

2/1

. (15)

Udział fazy rozproszonej na wlocie do zbiornika:

0dd . (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. 2014. Simulation and experimental research

on the flow inside a whirlpool separator, Journal of Food Engineering, 133, 9-15.

• 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 | 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 | 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. 2014. Simulation and experimental research

on the flow inside a whirlpool separator, Journal of Food Engineering, 133, 9-15.

Jakubowski M., Wyczałkowski W., Poreda A. 2015. Flow in a symmetrically filled whirlpool: CFD modelling

and experimental study based on Particle Image Velocimetry (PIV), Journal of Food Engineering, 145, 64-

72.

• 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 | 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 | 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 | 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.


on the flow inside a whirlpool separator. Journal of Food Engineering, 133, 9-15.


and experimental study based on Particle Image Velocimetry (PIV), Journal of Food Engineering, 145, 64-72.

Jakubowski M. 2015. Secondary flows occurring in the whirlpool separator - study of phenomena

- observation, simulation and measurements, Chemical and Process Engineering, 36(3), 277-289.

• 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 10-50 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 | 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 | 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 m3/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 | 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 | 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. 2013. Pomiar PIV przepływu niestacjonarnego w kadzi wirowej, Pomiary Automatyka

Kontrola, 7, 632-635.


on the flow inside a whirlpool separator. Journal of Food Engineering, 133, 9-15.

Jakubowski M. 2015. Secondary flows occurring in the whirlpool separator - study of phenomena

- observation, simulation and measurements, Chemical and Process Engineering, 36(3), 277-289.

• 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 | 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 | 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.


and experimental study based on Particle Image Velocimetry (PIV), Journal of Food Engineering, 145, 64

-72.


Strona | 21

• 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 dwu-

lub 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. 2013. 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 | 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:

(17)

liczbę wysokości przepływu wtórnego namywającego stożek:

(18)


Strona | 23

oraz liczbę prędkości przepływu wtórnego namywającego stożek:

(19)

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:

(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:

(21.2)

oraz siła oddziaływania hamującego od dna kadzi:

(21.3)

W wyrażeniach (21.2) i (21.3) pominięto wartości stałe tak, jak w wyrażeniu (20.3).

Rozpatrując dyssypację energii cieczy lepkiej otrzymano:

(22.1)

Uwzględniając charakter oddziaływania czynników i pomijając wartości stałe,

otrzymano (dla dyssypacji energii cieczy lepkiej, dla przepływu pierwotnego):

(22.2)

oraz (analogicznie) dla przepływu przy dnie:

(22.3)


Strona | 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:

(23.1)

a po uproszczeniach:

(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:

(24.1)

a podstawiając wyrażenie (17) otrzymujemy:

(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:

(25)

Rozpraszanie energii przepływu w warstwie Ekmana:

(26.1)

Po wprowadzeniu zależności z wyrażeń (18) i (19) opisujących przepływ przy dnie

oraz zapisując odwrotność wyrażenia otrzymuje się:

(26.2)


Strona | 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:

(27)

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:

(28)

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:

(29)

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:

(30)


Strona | 26

Z analizy wyprowadzonych liczb kryterialnych podobieństwa wynika, że liczba

kryterialna czasu jest funkcją liczby Reynoldsa dla kadzi wirowej (28):

(31)

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), 748-752.

• 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 | 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 dm3. 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 | 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 | 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 | 30

poprawę ekspozycji wyników szczególnie w obszarze znajdującym się po prawej stronie

rozpatrywanego obszaru przepływu cząstek osadu gorącego.

Analizując rozkłady wielkości cząstek osadu gorącego metodą obrazowania

Shadow Sizing stwierdzono rozbieżności w przedziale wielkości cząstek w odniesieniu

do stanu prezentowanego dotychczas w literaturze. Stwierdzono, że w próbkach

brzeczek piwnych przemysłowych cząstki osadu gorącego posiadają wielkości od 24

do ponad 700 µm w przypadku brzeczek o niższej zawartości ekstraktu do ok. 500 µm

w przypadku wyżej ekstraktywnych. Ponadto stwierdzono zróżnicowanie wielkości

i ilości osadu gorącego w brzeczkach słodowych, i z dodatkiem jęczmienia

niesłodowanego.

Uzyskane dane dotyczące rozkładu wielkości cząstek osadu gorącego pozwolą

na dalszy postęp w zakresie rozwijania modelu CFD zaprezentowanego w ramach

wcześniejszych prac.

Na przykładzie identyfikacji cząstek osadu gorącego wykazano możliwości

zastosowania i ograniczenia metody Shadow Sizing do analizy mieszaniny o wysokim

stopniu koncentracji cząstek w zawiesinie.

Stwierdzono możliwość zastosowania danych obrazowania uzyskanych do analizy

Shadow jako materiał wyjściowy do analizy PIV. Na podstawie przeprowadzonych analiz

wykazano, że możliwe jest zastosowanie algorytmów LSM i Adaptive PIV do analizy

prędkości cząstek osadu gorącego. Analiza w przedstawionej skali i z wykorzystaniem

wspomnianych algorytmów stanowi ciekawą alternatywę pomiarową z pogranicza PIV

i µPIV.

Jakubowski M., Antonowicz A., Janowicz M., Sterczyńska M., Piepiórka-Stepuk J., Poreda A. 2016,

An assessment of the potential of Shadow Sizing analysis and Particle Image Velocimetry (PIV)

to characterise hot trub morphology, Journal of Food Engineering, 173, 34-41.

• Podsumowanie

Opracowany model symulacyjny poprawnie odwzorowuje zjawiska przepływów

występujących w zbiorniku kadzi wirowej podczas jej napełniania i wirowania cieczy.

Po rozszerzeniu założeń, na podstawie przeprowadzonych analiz morfologii cząstek

osadu gorącego możliwe będzie prowadzenie symulacji dla przepływu dwufazowego

z uwzględnieniem sedymentacji fazy rozproszonej zgodnie z zaproponowanym opisem

formalnym. Przeprowadzone analizy symulacyjne oraz badania eksperymentalne

pozwoliły poznać charakter niestacjonarnego przepływu wirowego w separatorze typu

whirlpool. Za pomocą metody PIV zweryfikowano eksperymentalnie opracowany model

CFD i wykazano jego właściwe przygotowanie pod względem poczynionych założeń

i uproszczeń.

Wyniki prac pozwoliły na zweryfikowanie dotychczasowych hipotez i poglądów

w zakresie położenia i oddziaływania przepływów wtórnych występujących w kadzi

wirowej.


Strona | 31

Przepływy wtórne występujące w kadzi wirowej mają bardzo złożoną naturę.

Oprócz bezspornie pozytywnego oddziaływania przepływu namywającego

stanowiącego istotę „efektu whirlpoola” stwierdzono wstępowanie innych przepływów

wtórnych, takich jak przepływ centralny i przepływy przyścienne.

Na podstawie analiz symulacyjnych i wyników badań eksperymentalnych

określono charakter oddziaływania przepływ centralnego i przepływów przyściennych.

W przypadku tych przepływów stwierdzono, iż posiadają one charakter umiarkowanie

korzystny. Mogą intensyfikować efekt transportu sedymentującego osadu w kierunku

oddziaływania przepływu namywającego. Charakteryzują się one jednak

niestacjonarnością w zakresie swojego położenia i kierunku rotacji. Niezależnie

od sposobu oddziaływania tych przepływów należy zwrócić uwagę, iż wszystkie

przepływy wtórne są ze sobą w pewien sposób powiązane tworząc swoisty naturalny

układ przepływowy.

Podobne układy przepływów wtórnych występują także w innych separatorach

o cylindrycznej konstrukcji komory rozdziału. Wobec powyższego możliwe wydaje się

przeniesienie rozważań i zaproponowanych rozwiązań badawczych na niektóre inne

konstrukcje, w których występuje separacja wspomagana zawirowaniem.

Zbudowany model symulacyjny, oraz eksperymentalne stanowisko badawcze

pozwoliło na testowanie nowych wariantów rozwiązań sposobu napełniania zbiornika

kadzi wirowej. Modyfikacje takie pozwalają na poprawę warunków występowania

przepływu wtórnego odpowiedzialnego za formowanie stożka osadu, a tym samym

mogą wpływać korzystnie na poprawę warunków technologicznych realizacji operacji

oddzielania osadu gorącego od brzeczki piwnej.

W zakresie sposobu podawania rozdzielanej mieszaniny do zbiornika stwierdzono,

iż w przypadku napełniania jednostronnego występuje strata energii wirowania

związana z symetryzacją przepływu pierwotnego. Powoduje to, iż część energii

wirowania zostaje pochłonięta na symetryzowanie się przepływu, a przepływ wtórny

odpowiedzialny za namywanie stożka osadu powstaje dopiero po ustabilizowaniu się

wirującej mieszaniny. Potwierdzają to zarówno wyniki analizy symulacyjnej CFD

jak i wyniki badań eksperymentalnych PIV.

W wyniku wprowadzonej modyfikacji, polegającej na podwojeniu symetrycznie

(po obwodzie) otworów zasilających oraz modyfikacji realizacji napełniania kadzi

wirowej, polegającej na jednoczesnym napełnianiu dwustronnym stwierdzono

korzystniejsze (w odniesieniu do napełniania jednostronnego) uwarunkowania

formowania się przepływu odpowiedzialnego za powstawanie stożka osadu. Uzyskano

skrócenie czasu powstawania tego przepływu jak i jego wyższą wartość prędkości.

Dla napełniania dwustronnego stwierdzono występowanie przepływu namywającego

już na etapie napełniania, w przeciwieństwie do zasilania jednostronnego, dla którego

zidentyfikowano występowanie przepływu odpowiedzialnego za formowanie się stożka

dopiero po zakończeniu prowadzenia napełniania.


Strona | 32

Na podstawie analizy metodą Shadow Sizing wykazano rozbieżności w zakresie

rozkładu wielkości cząstek osadu gorącego pozyskanego z brzeczek piwnych

przemysłowych. Stwierdzono także zróżnicowanie wielkości i ilości osadu gorącego

w zależności od składu surowcowego brzeczek słodowych i z dodatkiem jęczmienia

niesłodowanego (brzeczka nie była poddawana dodatkowej obróbce enzymatycznej).

Na podstawie przeprowadzonej analizy obrazu potwierdzono możliwość

wykorzystania materiałów pierwotnie przeznaczonych do obróbki metodą Shadow

Sizing, do określenia prędkości ruchu cząstek. Wskazano jednak ograniczenia

stosowania tej metody identyfikacji ruchu cząstek w przypadku mieszanin o wysokim

stopniu koncentracji fazy rozproszonej. Wykazano możliwość zastosowania algorytmów

LSM i Adaptive PIV do analizy prędkości cząstek osadu gorącego.

Wcześniejsze prace badawcze w zakresie analiz metodą PIV zrealizowane zostały

w laboratoriach badawczych działu R&D firmy Philadelphia Mixing Solutions (USA).

Na podstawie doświadczeń zebranych podczas stażu możliwe było odtworzenie

stanowiska badawczego w ramach prac statutowych Katedry, oraz częściowe uzbrojenie

w aparaturę pomiarową pozyskaną w ramach realizacji projektów badawczych, między

innymi projektu własnego nr NN313429639. Pozwoliło to, na przeprowadzenie analiz

metodą Shadow Sizing. Pozyskano (w ramach współpracy z Philadelphia Mixing

Solutions) unikatowy zestaw zbiorników testowych, co pozwala na prowadzenie

dalszych prac o charakterze eksperymentalnym, dotyczących koncepcji nowych

rozwiązań w zakresie konstrukcji i sposobu realizacji rozdziału w kadzi wirowej.

Opracowany i rozwijany model symulacyjny stanowi wartościowe narzędzie

wspomagania projektowania tego typu separatorów, a także innych, w których

występuje ruch wirowy rozdzielanej mieszaniny. W zakresie technologicznych

uwarunkowań realizacji operacji usuwania osadu gorącego zaproponowanie

rozwiązanie, w zakresie modelowania, może stanowić podstawę do działań w zakresie

optymalizacji operacji przetwarzania brzeczki piwnej.

Opracowano kompleksowy opis procesu wirowania w kadzi wirowej za pomocą

liczb podobieństwa wymiarowego. Może on stanowić wartościowe narzędzie dla

obliczeń o charakterze inżynierskim dotyczące parametrów procesowych właściwych

dla realizacji rozdziału brzeczki piwnej i osadu gorącego w warunkach

technologicznych.

• Perspektywa dalszych prac

W zakresie prac badawczych dotyczących poznania natury przepływów

w separatorze typu whirlpool prowadzone są obecnie badania PIV w zakresie wpływu

zabudowy zbiornika elementem wewnętrznym w postaci zredukowanej przegrody.

Zgodnie z założeniami zgłoszenia patentowego numer P.407021 element zabudowy

przy dnie o specyficznym kształcie pozwoli korzystnie zorientować przepływ pierwotny

do strefy środkowej dna i tym samym wystąpi możliwość pełniejszego wykorzystania

zawirowania jako czynnika wspomagającego rozdział (Sterczyńska i inni, 2014).


Strona | 33

W szerszym ujęciu wyniki dotychczasowych prac badawczych są kontynuowane

w ramach pracy doktorskiej mgr inż. Moniki Sterczyńskiej. Temat pracy dotyczy

technologicznych aspektów klarowania brzeczki piwnej z uwzględnieniem

zmodyfikowanej metody separacji osadów w kadzi wirowej.

Prowadzone są także prace koncepcyjne, oraz wstępne analizy symulacyjne

związane z zastosowaniem profilowanych dennic zbiornika w połączeniu z innymi

zabiegami dotyczącymi sposobu prowadzenia napełniania. Działania te ukierunkowane

są na uzyskanie efektu korzystnej orientacji przepływu namywającego.

• Bibliografia

Agu R. C. A., 2002. Comparison of Maize, Sorghum and Barley as Brewing Adjuncts J. Inst.

Brew, 108, 19–22.

Ansys-APDL, 2009. Dokumentacja programu.

Denk V., 1998. The Whirlpool State-of-the-art 1997 Brauwelt Int., 1, 31–43.

Denk V., Dürholt A. 1991. Experimental investigations of the unsteady rotating flow field

in a cylindrical Lessel Exp. Fluids, 12 (1–2), pp. 97–105.

Dutta T, Sinhamahapatra K.P., Bandyopdhyay S.S., 2010. Comparison of different

turbulence models in predicting the temperature separation in a Ranque–Hilsch vortex

tube International Journal of Refrigeration 33, 783 – 792

Dürholt, A., 1988. Experimental investigation of the unsteady rotational flow in the

settling Lessel „Whirlpool”. Fortschritt-Berichte VDI Reihe 14 (38). VDI-Verlag,

Düsseldorf, 24–28.

Jakubowski M., Diakun J., 2007. Simulation investigations of the effects of whirlpool

dimensional ratios on the state of secondary whirls J. Food Eng., 83 (1), 107–110.

Jakubowski M., 2011 Model symulacyjny przepływu w kadzi wirowej

o zwielokrotnionym zasilaniu. Postępy Techniki Przetwórstwa Spożywczego, 2, 58-61.

Jakubowski M., 2013. Raport końcowy projektu badawczego własnego NN313429639

(opracowanie niepublikowane).

Kuneš J., 2014. Dimensionless Physical Quantities in Science and Engineering, Elsevier,

87–90.

Kunze W., 2014. Technology Brewing and Malting. VLB, Berlin, 387–391.

Kühbeck F., W. Back W., Krottenthaler M., T. Kurz T. 2007. Particle Size Distribution

in Wort During Large Scale Brewhouse Operations, AIChE J, 53 (5), 1373–1388.

Singh R. P., Heldman, D. R., 2013. Introduction to Food Engineering. Academic Press.

Schnitzenbaumer B., Arendt E. K., 2014. Brewing with up to 40% unmalted oats (Avena

sativa) and sorghum (Sorghum bicolor): a review J. Inst. Brew., 120, 315–330.


Strona | 34

Sterczyńska M., Jakubowski M., Tadeusz Tuszyński T., 2014. Kadź wirowa,

wykorzystywana zwłaszcza w browarnictwie, zgłoszenie patentowe nr P407021.

Zhang W, Ma Z., Yu Y, Chen H., 2010. Applied new rotation correction k SST model

for turbulence simulation of centrifugal impeller in the rotating frame of reference,

Journal of Hydrodynamics, 22 (5), 404-407.


Strona | 35

3. Opis pozostałych osiągnięć naukowych

Jak już przedstawiłem wcześniej moje zainteresowania naukowe dotyczą przede

wszystkim zagadnień modelowania i symulacji komputerowej w inżynierii żywności.

Moją specjalnością są analizy symulacyjne z wykorzystaniem CFD. W zakresie

eksperymentalnej mechaniki płynów rozwijam swoje zainteresowania w kierunku

możliwości zastosowania bezkontaktowych metod pomiaru prędkości przepływu,

a także analizy obrazu ukierunkowanej na badania morfologii cząstek w układach

wielofazowych. W zakresie technologii i techniki przetwarzania żywności moje

zainteresowania badawcze są powiązane tematycznie z browarnictwem.

Poniżej przedstawiłem syntetyczny opis zakresu tematycznego dla poszczególnych

obszarów działań badawczych.

• Modelowanie i symulacją zagadnień przepływu podczas mycia elementów

instalacji przetwórstwa żywności w systemie CIP.

Zrealizowane analizy symulacyjne w ramach tego tematu ukierunkowane były

na poznanie zjawisk i procesów istotnych dla mycia płytowych wymienników ciepła

(oraz wybranych elementów rurociągów, tj. zawory, rozdzielacze, itp.). Wymienniki

to podstawowe aparaty instalacji produkcyjnych w przetwórstwie żywności płynnej

i półpłynnej. Główne podejście do tego zagadnienia koncentrowało się na poznaniu

hydromechanicznych oddziaływań cieczy myjących na płyty wymiennika w trakcie jego

mycia w przepływie.

Zrealizowałem szereg symulacji mających na celu określenie rozkładów prędkości

przepływu i ciśnienia w przestrzeni pomiędzy płytami i ich kolejnymi parami

w zależności od konstrukcji kanału przepływowego oraz ich liczby. Modele dotyczyły

różnej geometrii płyt typu „straight flow”. Uzyskane wyniki badań pozwoliły określić

wpływ ukształtowania powierzchni płyty na charakter przepływu oraz wskazać miejsca

na płycie, w których niedostateczny przepływ może powodować trudności z ich

domywaniem. Badania numeryczne potwierdzano eksperymentalnie określając czystość

powierzchni płyty w określonych jej obszarach po procesie mycia.

Zagadnienia symulacji przepływu w elementach instalacji mycia w obiegu

zamkniętym były realizowane, między innymi, w ramach projektu badawczego

własnego NN313136838, w którym byłem wykonawcą odpowiedzialnym za analizy

symulacyjne. Opracowania dotyczące analiz symulacyjnych zostały przedstawione

w czasopiśmie wyróżnionym w Journal Citation Reports® (2.1.2. – 3*),

oraz w czasopiśmie recenzowanym o zasięgu ogólnopolskim (2.3.2. – 18*). W chwili

obecnej trwają dalsze prace i analizy symulacyjne dotyczące przepływu w elementach

instalacji technologicznych poddawanych myciu. Jednocześnie, moje dalsze prace w tym

zakresie zorientowane są na określenie możliwości zastosowania komputerowej analizy

obrazu do identyfikacji cząstek zabrudzeń wypłukiwanych w trakcie eksploatacji

roztworów myjących.


Strona | 36

• Modelowanie i symulacja przepływu mieszaniny powietrza i dymu w komorach

wędzarniczych.

Koncepcja zrealizowanych badań polegała na połączeniu zaawansowanych

obliczeń symulacyjnych z badaniami ilościowymi określającymi stopień kumulacji

związków genotoksycznych w produkcie wędzonym oraz jego ocenę jakościową.

Celem badań było opracowanie rozwiązań konstrukcyjnych układu

rozprowadzenia dymu w wybranych komorach wędzarniczych, na podstawie analiz

symulacyjnych przepływu mieszaniny dymu, w trakcie wędzenia produktów mięsnych

o różnej geometrii wsadu.

Przeprowadzono badania przemysłowe, w których określone zostały parametry

pracy komory wędzarniczej. Pozwoliło to na opracowanie wielu wariantów modeli

symulacyjnych. Wstępne analizy posłużyły do stworzenia modelu komputerowego

komory wędzarniczej oraz modelu przepływu mieszaniny wielofazowej dla operacji

wędzenia. Wykonano analizy symulacyjne przepływu wielofazowego w komorach

wędzarniczych o zmodyfikowanej konstrukcji i rozmieszczeniu dysz wlotowych.

Analiza modeli symulacyjnych przepływu mieszaniny powietrza i dymu

w komorze wędzarniczej pozwoliła na właściwy dobór rozwiązań konstrukcyjnych,

które w połączeniu ze zmodyfikowanym przebiegiem procesu pozwoliły zapewnić

równomierny rozkład dymu podczas wędzenia. Zrealizowano badania weryfikacyjne na

obiektach rzeczywistych z uwzględnieniem koncentracji związków zawartych w dymie

wędzarniczym (w tym kancerogennych z grupy WWA). Wykonano także analizę barwy

produktów mięsnych wędzonych, jako wizualnego wyróżnika stopnia uwędzenia pod

kątem natężenia barwy wyrobów po procesie wędzenia. Do weryfikacji analiz

symulacyjnych została wykorzystana pełnowymiarowa komora wędzarnicza jednego

z wiodących producentów krajowych. W komorze dokonano szeregu zmian

konstrukcyjnych.

Zagadnienia powyższe były realizowane w ramach projektu rozwojowego

nr NR12012510, w którym byłem wykonawcą odpowiedzialnym za analizy symulacyjne

i koncepcje modyfikacji konstrukcyjnych komór wędzarniczych. Nowatorskie

rozwiązania konstrukcyjne stały się przedmiotem dwóch zgłoszeń patentowych

(P405399 i P405400), których jestem współautorem. Opracowania dotyczące

przedstawionego zagadnienia opublikowano w czasopiśmie wyróżnionym w Journal

Citation Reports® (2.1.2. – 5*), oraz w czasopismach recenzowanych o zasięgu

ogólnopolskim (2.3.2. – 6, 8, 9, 11, 14, 15, 20, 25*).

• Modelowanie i symulacja przepływu tworzyw w układach uplastyczniających

wytłaczarek ślimakowo-tarczowych.

Celem prowadzonych prac symulacyjnych, zrealizowanych w ramach niniejszego

tematu, było określenie warunków przepływu tworzywa w zmodyfikowanym

wielostopniowym mechanizmie tarczowo – stożkowym wytłaczarki ślimakowo –


Strona | 37

tarczowej oraz zaprojektowanie i zbudowanie prototypu doświadczalnego

wielostopniowego mechanizmu tarczowo-stożkowego wytłaczarki. Wykazano,

że warunki uplastyczniania w układzie ślimakowo – tarczowym wpływają

na właściwości użytkowe przetworzonego tworzywa. Analizując prowadzane

o szerokim spektrum, badania symulacyjne i eksperymentalne dla innowacyjnego

układu jedno- i dwustożkowej strefy tarczowej wytłaczarki ślimakowo-tarczowej

stwierdzono, iż w konstrukcjach tych występuje korzystne zjawisko wydłużania

pierwotnej długości konformacyjnej łańcuchów polimerowych. Sprzyja to poprawie

właściwości użytkowych wytłoczyny. Utrzymanie tego efektu pozwoli na uzyskanie

materiału o większej wytrzymałości mechanicznej. Polepszone własności sprawiają,

że uzyskany materiał charakteryzuje się większą barierowością i termokurczliwością.

Uzyskane wyniki sugerują, że zastosowanie tej innowacyjnej technologii przetwarzania

tworzyw polimerowych w przemyśle opakowaniowym pozwoli na uzyskanie bardziej

wytrzymałego i odpornego na przenikalność gazów i pary wodnej materiału

opakowaniowego. Cechy te są bardzo istotne przy produkcji opakowań stosowanych

w przemyśle spożywczym.

Opracowania dotyczące tej tematyki zostały przedstawione w recenzowanym

czasopiśmie wyróżnionym w Journal Citation Reports® (2.1.2. – 2, 9*), oraz czasopiśmie

recenzowanym o zasięgu ogólnopolskim (2.3.2. – 5*).

• Modyfikacje technologii browarniczej z uwzględnieniem ich wpływu

na przebieg procesów wytwarzania brzeczki piwnej.

Prace dotyczące wpływu dodatków niesłodowanych na parametry brzeczek piwnych

realizuję w ramach współpracy z Katedrą Technologii Fermentacji i Mikrobiologii

Technicznej Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie. Badania z tego zakresu dotyczyły

składu chemicznego i parametrów fizycznych brzeczki piwnej wytworzonej z udziałem

pszenicy lub grysu kukurydzianego. Szczególną uwagę poświęcono stężeniu jonów

wybranych metali w surowcach browarniczych i brzeczce. Skupiono się na jonach

odpowiedzialnych za przebieg procesu fermentacji, tj. Mg2+, Zn2+ i Ca2+.

Weryfikowano także możliwość wykorzystania karagenu do poprawy klarowności

brzeczki słodowej, w aspekcie możliwości obniżenia zużycia ziemi okrzemkowej

na etapie filtracji piwa gotowego. Ziemia okrzemkowa stanowi szczególnie uciążliwy

odpad przemysłu browarniczego, stąd obniżenie jej zużycia przez wstępne klarowanie

brzeczki na etapie warzelni, jest szansą na zmniejszenie obciążenia biologicznego

ścieków w browarach.

Przeprowadzono doświadczenia fermentacyjne z udziałem komórek drożdży

unieruchomionych na różnego typu nośnikach, w celu sprawdzenia wpływu tych

nośników na stężenie jonów metali w fermentowanej brzeczce. Określono też

oddziaływanie drożdży immobilizowanych przy użyciu różnych technik, na przebieg

fermentacji brzeczki.

Tematyka prac prowadzonych w obrębie technologii browarniczej jest bezpośrednio

związana m.in. z przewodem doktorskim mgr inż. Moniki Sterczyńskiej, w którym


Strona | 38

jestem promotorem pomocniczym. Opracowania dotyczące zagadnień technologii

browarniczej zostały przedstawione w czasopismach wyróżnionym w Journal Citation

Reports® (2.1.2. – 4, 6, 7, 8*), oraz w czasopiśmie recenzowanym o zasięgu

ogólnopolskim (2.3.2. – 26*).

*numeracja czasopism dotyczy zestawiania z załącznika nr 3 do wniosku

o przeprowadzenie postępowania habilitacyjnego


Strona | 39

4. Syntetyczna charakterystyka dorobku naukowego

Ilościowy wykaz najważniejszych osiągnięć naukowo-badawczych

Wykaz osiągnięć Przed

doktoratem Po

doktoracie Łącznie

Publikacji recenzowanych ogółem 6 45 51

Publikacje w czasopismach wyróżnionych w Journal Citation Reports® indeksowanych przez Thomson Reuters® Web of Science®

1 (IF = 1,848)

14 (IF = 15,246)

15 (IF = 17,094)

Punktacja za publikacje wg listy MNiSW* wraz z punktacją za udzielony patent

52 503 555

Cytowania według Thomson Reuters® Web of Science® 10 (indeks Hirscha: 2)

Cytowania według Elsevier® Scopus® 14 (indeks Hirscha: 2)

Patenty krajowe – 1 1

Zgłoszenia patentowe 1 3 4

Udział w konferencjach krajowych / wygłoszone referaty

7/7 7/7 14/14

Udział w konferencjach międzynarodowych / zaprezentowane postery i e-postery

1/1 2/6 3/7

Zlecone prace badawcze – 1 1

Opracowania naukowe w formie raportów z realizacji projektów badawczych

– 12 12

Projekty badawcze MNiSW/NCN/NCBiR 1 3 4

Projekty finansowane ze środków UE 1 1 2

Zagraniczne staże naukowe – 1 1

Nagrody i wyróżnienia – 4 4

*Liczba punktów wg listy MNiSW zgodna z rokiem publikacji – artykuły opublikowane w 2015

i zaliczone do 2016 roku zostały przeliczone wg punktacji obowiązującej za 2014 rok.


Strona | 40

Punktacja osiągnięć wg list MNiSW i danych do oceny parametrycznej jednostek

Publikacje w recenzowanych czasopismach naukowych wyróżnionych w Journal Citation

Reports® indeksowanych przez Thomson Reuters® Web of Science®

Tytuł czasopisma Liczba

publikacji Punkty wg listy

MNiSW Suma

punktów IF

Journal of Food Engineering 4 32 (2007) 35 (2014)

40 (2015, 2016)

147 1,848

2,771*

Chemical and Process

Engineering 3

13 (2010) 15 (2013, 2015)

43 0,252 0,467

0,653*

Przemysł Chemiczny 2 15 (2012, 2015) 30 0,344

0,399*

Journal of Food Process

Engineering 1 20 (2013) 20 0,626

Italian Journal of Food Science 1 15 (2013) 15 0,2

Journal of the Institute

of Brewing 3

25 (2013) 20 (2014) 25(2015)

70 0,837

1,240*

Czech Journal of Food Science 1 20 (2015) 20 0,675*

Publikacje w recenzowanych czasopismach wyszczególnionych na liście B MNiSW

Tytuł czasopisma Liczba

publikacji Punkty wg listy

MNiSW Suma

punktów IF

Inżynieria Rolnicza 9 4 (04-09) 5 (11-14)

41 -

Inżynieria i Aparatura

Chemiczna 9

4 (03-09) 5 (11-14)

41 -

Zeszyty Problemowe

Postępów Nauk Rolniczych 2

6 (2010) 9 (2014)

15 -

Nauki Inżynierskie

i Technologie 2 4 (2013) 8 -

Pomiary Automatyka Kontrola 2 7 (2013) 7 (2014)

14 -

Przemysł Spożywczy 1 6 (2013) 6 -

Nauka Przyroda Technologie 2 6 (2010) 5 (2012)

11 -

Postępy Techniki

Przetwórstwa Spożywczego 8

4 (2009) 6 (2010)

5 (2011, 2014) 6 (2015)

43 -

Przetwórstwo Tworzyw 1 6 (2010) 6 -

autoreferat - wydział technologii Żywności ur · 2016. 4. 26. · dr inż. marek jakubowski...

Documents