Дослідження потоків та липкості молочних продуктів в розпилювальних сушарках за допомогою CFD технологій

Abstract

Ця стаття охоплює область обчислювальної гідродинаміки (CFD) та її застосування в розпилювальній сушці, а також типові схеми потоку, які зустрічаються в цих сушарках. Ці моделі потоків особливо стосуються питань, пов’язаних із розпилювальним сушінням харчових продуктів, у тому числі харчових інгредієнтів, а саме термічної деградації. Втрати хімічних властивостей та липкості частинок на стінках сушильного апарату, і зв’язки між моделями потоків, траєкторій висушених частинок. Проведено моделювання, щоб продемонструвати, що рішення не залежить від вибраного розміру сітки, вибраного кроку за часом (у перехідних розрахунках) і кількості використовуваних типових частинок. Крім того, вибрано відповідні чисельні схеми, щоб забезпечити високу чисельну точність для даної задачі. Зокрема, наближення конвективних параметрів сушіння має вирішальне значення, оскільки схеми низького порядку є стабільними, але дифузними, тоді як схеми високого порядку більш точні, але їх важче розраховувати. В результаті, правильне рішення може бути отримане лише за умови вибору відповідних фізичних моделей і правильної конвергенції розрахунків. Загальні елементи будь-якого аналізу сушіння включають баланс маси та енергії, процеси транспортування, такі як конвекція та дифузія, а також підхід до аналізу реакційних процесів, швидкості реакції та її результатів. З використанням пакетів обчислювальної гідродинаміки (CFD) у сфері розпилювального сушіння було розглянуто та продемонстровано траєкторії руху продукту в розпилювальній сушарці, розраховані вектори направлення польоту частинки та інші фактори. Приклади того, як класичні хіміко-технічні аналізи та 3д моделювання процесу розпилення можуть бути застосовані в продуктах харчування, обробка включає оцінку втрати хімічних властивостей вже готового продукту і ступеня термічної деградації. This article covers the field of Computational Fluid Dynamics (CFD) and its application to spray drying, as well as typical flow patterns found in these dryers. These flow models are particularly relevant to issues related to the spray drying of food products, including food ingredients, namely thermal degradation. Losses of chemical properties and stickiness of particles on the walls of the spray dryer, and connections between flow patterns and trajectories of dried particles. Simulations are performed to demonstrate that the solution is independent of the grid size chosen, the time step chosen (in transient calculations) and the number of typical particles used. In addition, appropriate numerical schemes are chosen to ensure high numerical accuracy for this problem. In particular, approximating the convective drying parameters is crucial because low-order schemes are stable but diffuse, while high-order schemes are more accurate but more difficult to calculate. As a result, the correct solution can be obtained only if the appropriate physical models are selected and the calculations are correctly converged. Common elements of any drying analysis include mass and energy balance, transport processes such as convection and diffusion, and an approach to the analysis of reaction processes, reaction rates, and outcomes. With the use of computational fluid dynamics (CFD) packages in the field of spray drying, product movement trajectories in the spray dryer, calculated particle flight direction vectors and other factors were considered and demonstrated. Examples of how classical chemical and technical analyzes and 3D modeling of the spraying process can be applied in food products, processing includes the assessment of the loss of chemical properties of the already finished product and the degree of thermal degradation.