MIDAS NFX - Analisi CFD E Pulizia Condotti Tramite Wall Shear Stress
- FGCAEANALYST
- 28 mag
- Tempo di lettura: 4 min
I wall shear stress sono un risultato che solitamente viene ignorato nelle analisi CFD. Il loro utilizzo però è prezioso quando si vuole simulare la pulizia dei condotti da residui di processo, soprattutto nel campo farmaceutico/alimentare. Tale procedura può essere automatica (CIP) oppure manuale. In questo articolo si prende a riferimento la CIP, in quanto è quella che si basa su alcuni parametri ben precisi.
CLEANING IN PLACE
La CIP o Cleaning In Place è oggi la tecnica più comune per pulire impianti di processo per tipologie di fluidi in campo alimentare e farmaceutico.
Essa consiste in un sistema automatizzato che permette di igienizzare l'interno di un macchinario utilizzando una soluzione detergente che viene fatta circolare al suo interno.
Esistono diverse normative che ne parlano tra cui la Direttiva Macchine. Tutte comunque si basano su quanto proposto dalla EHEDG, ossia dall' European Hygienic Engineering And Design Group.
I parametri su cui si basano i diversi fattori della CIP sono:
chimica: l'utilizzo di soluzioni che modificano la resistenza del deposito da rimuovere.
Temperatura: la variazione termica, oltre ad avere degli impatti sulla densità del fluido, ha anche degli impatti sulla capacità resistente del fluido. Il suo aumento o diminuzione può avere un forte impatto in termini di costo.
Tempo: Il fattore tempo influenza la quantità di sforzo che viene esfoliato dallo strato da rimuovere. Più tempo impiego, maggiore sarà il grado di pulizia che si ottiene.
Sforzi Meccanici: gli sforzi meccanici sono dovuti allo sfregamento del fluido sulla parete a seconda della velocità del fluido o della sua viscosità.
Considerando i parametri qui esposti, il più facilmente implementabile a livello di simulazione CFD è quello relativo agli sforzi meccanici. Infatti, mentre i primi 3 riguardano dati relativi alle caratteristiche del deposito e dalla sua conformazione, il quarto è facilmente misurabile tramite qualsiasi analisi CFD utilizzando i Wall Shear Stress (WSS).
WALL SHEAR STRESS (WSS)
I Wall Shear Stress indicano gli sforzi di taglio a parete che un fluido esercitando sfregando su di esso.
La sua formulazione è la seguente:
Tale parametro è quindi calcolato come il prodotto tra la viscosità dinamica del fluido ed il gradiente di velocità lungo il tubo.
Tale parametro è preso come riferimento dalla EHEDG. Questo ente ci indica un valore di riferimento, ad una temperatura standard di 3Pa per la pulizia d
A livello di simulazione, è importante comprendere quanto è importante il la definizione del y+ per il calcolo dei Wall Shear Stress. Tale parametro può influenzare in maniera critica il valore dei stress a parete, portando a risultati completamente errati.
Si riporta il calcolo del y+ con la sua formulazione.
Delle relazioni qui scritte, quella che interessa per la stima dei WSS è il termine tw, essendo proprio il valore di WSS.
A seconda dell'algoritmo utilizzato si può impostare di conseguenza il valore di y+ desiderato.
CASO STUDIO: ANALISI DEI WALL SHEAR STRESS (WSS) IN UNA CURVA A GOMITO
Si vuole analizzare la distribuzione dei wall shear stress all'interno di una curva a gomito per verificare quali zone non ricevo una adeguata pulizia.
In figura è riportata la geometria.
Il fluido in questione è acqua a 25°C. In figura sono riportate le caratteristiche impostate all'interno di MidasNFX.
Con queste proprietà, tramite un foglio di calcolo excel, sono state calcolati i valori di altezza dimensionale per la funzione di parete da inserire nella simulazione. Il flusso all'inlet è di 1m/s mentre all'outlet è impostata una pressione relativa pari a 0 Pa.
All'interno di MidasNFX, l'impostazione delle funzioni di parete è molto semplice. Definita la condizione di Wall, è possibile definire la tipologia di trattamento della parete.
Se si seleziona "Wall Distance Applied", si può definire il valore di altezza della modellazione della zona viscosa.
Da queste impostazioni, ci si aspetta, impostando un y+ di 200, un valore di WSS di circa 3.8Pa.
Eseguendo quindi una simulazione stazionaria e raggiungendo la convergenza, si ottiene il seguente campo di WSS. Si riporta il campo di y+ per confrontarlo con quanto atteso e si mostrano gli stessi punti con il relativo valore di WSS.
Si nota come, tagliando i risultati in maniera tale che la parte estrema in rosso sia tutta sopra i 3Pa, con questi valori è presente una zona che non risulterà pulita.
Da quanto fin qui visto, i valori sono confrontabili con quanto previsto analiticamente (ovviamente con le dovute accortezze essendo il modello di calcolo y+ tarato su una lastra piana mentre qui si ha a che fare con una configurazione particolare).
Il modello di turbolenza utilizzato è un k-eps.
ATTENZIONE ALLA TEMPERATURA
A livello di simulazione CFD, un altro parametro che si può utilizzare è la temperatura.
Come detto in precedenza, il suo effetto non interviene in maniera diretta ma interviene sulla tipologia di legami del deposito.
Bisogna però fare attenzione. Infatti non sempre il suo aumento porta contributi positivi. Se si prende ad esempio un deposito di proteine, un aumento della temperatura porta ad una contrazione delle stesse, aumentando di conseguenza la forza necessaria per staccarle ed aumentando quindi il valore di soglia.
Per tale motivo, anche se la EHEDG prevede un valore massimo critico di 3Pa, è sempre meglio avere dei valori di riferimento precisi (come ad esempio avviene per il calcolo dello snervamento).
CONCLUSIONI
La complessità di oggi dei condotti porta a dover introdurre tecniche predittive per la loro pulizia. L'analisi CFD è forse lo strumento migliore per poter effettuare questa tipologia di controlli. Infatti già con una semplice analisi stazionaria, impostata con criterio, è possibile predire in maniera quasi esaustiva se una certa parte risulterà pulita oppure no. Inoltre l'utilizzo di software che facilmente possa permettere di impostare queste analisi, permette di agevolare sia il time-to-market sia la ripetizione di prove per variare al meglio i parametri del processo automatico.
MidasNFX, in questo contesto, si presta perfettamente a tale scopo, riuscendo a unire economicità, tempi rapidi di simulazione e postprocessing facilmente eseguibile.
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Ing. Francesco Grispo
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