Approccio avanzato alla progettazione degli impianti industriali con l’ausilio della fluidodinamica computazionale

Abstract

La ricerca svolta ha avuto come obiettivo lo sviluppo di nuovi approcci metodologici allo studio ed alla progettazione degli impianti alimentari che avessero nella fluidodinamica computazionale l’elemento trainante. Nello specifico si sono affrontati tre diversi ambiti: la sterilizzazione dell’acqua con raggi ultravioletti, la miscelazione di liquidi alimentari e l’essiccazione della pasta. Nel primo caso, si è partiti da un codice fluidodinamico commerciale, Tdyn Multiphysics e lo si è integrato con un modulo che permettesse, da un lato, il calcolo dell’irraggiamento nell’intorno di una lampada, e dall’altro l’integrazione tra risultati ottici e risultati fluidodinamici. Lo strumento sviluppato è stato validato, ed utilizzato per la progettazione di reattori UV e per ricavare curve di funzionamento e diagrammi progettuali che permettono il controllo pressoché completo del sistema. È stata inoltre proposta una tecnica di validazione delle simulazioni fluidodinamiche che può essere una valida alternativa, più veloce più economica e più sostenibile, ai metodi tradizionali (biodosimetria e attinometria lagrangiana). Nel secondo caso si è sfruttata la capacità delle simulazioni fluidodinamiche di fornire risultati in pressoché tutti i punti del dominio fluido, per ricavare una valutazione globale delle prestazioni di impianti di miscelazione per fluidi alimentari. Si sono introdotti quattro indici di performance, che danno poi origine ad uno globale, in grado di valutare l'impianto sotto tutti i punti di vista (capacità di agitazione, di destratificazione, di preservazione dell'integrità dei pezzi, e di omogeneizzazione). L’approccio metodologico sviluppato è stato applicato a due differenti applicazioni industriali, e ha permesso, da un lato, di quantificare l’influenza di varie leve operative sulle performance del processo e, dall’altro, di ricavare funzioni sperimentali che mettono in relazione, per un dato serbatoio, le prestazioni dell’impianto, in termini funzionali ed in termini di potenza assorbita, alle caratteristiche geometriche dell’agitatore. Nel terzo caso si è realizzato un codice alle differenze finite, implementato in Microsoft Excel, in grado di riprodurre il processo di essiccazione della pasta, fissate le condizioni termo-igrometriche dell’aria in ingresso, le caratteristiche dell’impasto, ed il particolare ciclo di essiccazione (in termini di curve tempo-temperatura). Il modello ha fornito risultati in accordo con i dati derivanti da processi reali, riuscendo a prevedere con buona approssimazione l’andamento dell’umidità interna al prodotto durante l’intero ciclo di essiccazione. I risultati del modello alle differenze finite si sono dimostrati in accordo anche con i risultati ottenuti da un’analisi agli elementi finiti. Quest’ultima è stata poi utilizzata per ottimizzare la fluidodinamica interna di un essiccatore statico modificando i punti di immissione e di aspirazione dell’aria al fine di ottimizzare l’uniformità di trattamento. Le attività svolte hanno dimostrato come la fluidodinamica computazionale sia un valido strumento a supporto della progettazione degli impianti alimentari, in quanto consente di ottenere risultati in qualsiasi punto del dominio, consente di testare sempre l’impianto nella sua scala reale e consente di acquisire una vasta esperienza “virtuale” sul sistema studiato difficilmente acquisibile, in così breve tempo, con un approccio tradizionale. Inoltre, possiede il notevole punto di forza di essere uno strumento flessibile che, con le adeguate competenze, può essere integrato con modelli “ad-hoc” che permettono di effettuare studi approfonditi in numerosi ambiti industriali.