تجهیزات مدرن قهوه سازی باید طعم ثابت، استخراج مناسب و بهره وری انرژی را ارائه دهد. پویایی مایع محاسباتی (CFD) با ANSYS Fluent تبدیل به یک ابزار ضروری برای مهندسان که به دنبال درک و بهینه سازی ترکیب پیچیده جریان مایع و انتقال حرارت در داخل این دستگاه ها هستند. با شبیه سازی حرکت آب از طریق تخت های قهوه، رفتار عنصر گرمایشی و توزیع حرارتی، تولید کنندگان می توانند زمان تولید کننده را بهبود بخشند و سیستم های کیفیت پیچیده تر را توسعه دهند.

مقدمه ای بر CFD در قهوه

دینامیک مایع محاسباتی از روش های عددی و الگوریتم ها برای حل مشکلات مربوط به جریان های مایع استفاده می کند. ANSYS Fluent، یک بسته نرم افزار پیشرو CFD، به کاربران اجازه می دهد تا حرکت مایع، انتقال گرما و حتی حمل و نقل گونه (به عنوان مثال، جامدات قهوه حل شده) را با وفاداری بالا، در زمینه دم کردن قهوه، CFD یک آزمایشگاه مجازی را فراهم می کند که مهندسان می توانند صدها تغییر طراحی را بدون ساخت یک نمونه اولیه خاص، به ویژه سیستم های تمیز کردن کیفیت کافی برای تمیز کردن قهوه و تحمل مواد غذایی با توجه به این دستگاه های قهوه، به طور دقیق، به ویژه سیستم های تمیز کردن کیفیت کافی است.

اصول انتقال جریان و گرما در تجهیزات قهوه

هر دم کننده قهوه بر روی همان فیزیک پایه عمل می کند: آب گرم می شود، از طریق یک تخت قهوه زمینی حرکت می کند و مایع حاصل جمع آوری می شود، با این حال جزئیات بسیار مهم است. یکنواختی جریان، ثبات دما و زمان اقامت همه نفوذ استخراج و تعادل طعم دهنده کمک می کند.

معادلات پرش

ANSYS Fluent معادلات Navier- ⁇ را برای حرکت مایع حل می کند (همراه با معادله انرژی برای انتقال حرارت) در یک بستر قهوه، جریان اغلب لامینار یا انتقالی است، اما بسته بندی تصادفی ذرات به طور معمول در مسیر های شیب دار به طور خاص، مدل های توربولانس مانند k-ε] (ertepsilon) استفاده می شود.[۱]

مکانیسم انتقال گرما

گرمایش آب از طریق رسانای یک عنصر گرمایشی (اغلب یک تر بلوک یا دیگ بخار)، آلودگی به عنوان آب جریان سطوح حرارت گذشته، و گاهی اوقات تابش اگر سطوح به اندازه کافی گرم باشد، انتقال گرما تحت تاثیر تداخل بین مایع و ذرات ساختاری جامد، همراه با هدایت در داخل ذرات قهوه خود دقیق نیاز به مشخص کردن خواص حرارتی مانند ظرفیت حرارتی خاص، هدایت و چگالی مواد پلاستیکی (مواد شیمیایی، و مواد شیمیایی) دارد.

ساخت مدل شبیه سازی در ANSYS Fluent

ایجاد یک شبیه سازی قابل اعتماد شامل چندین مرحله است: ایجاد هندسه، ایجاد محتوا، تنظیم فیزیک و تعریف شرایط مرزی.هر مرحله نیاز به توجه دقیق به ویژگی های منحصر به فرد تجهیزات قهوه دارد.

هندسه و خمینگ

مدل باید شامل مخزن آب، پمپ، عنصر گرمایش، محفظه آبجو، سبد فیلتر و صفحه دوش (در صورت لزوم) هندسه های پیچیده داخلی – مانند کانال های مارپیچ در یک تر بلوک یا شکاف باریک بین صفحه نمایش دوش و تخت قهوه – باید به طور دقیق ضبط شود.

خواص مواد و شرایط اولیه

خواص آب (دناساسی، ویسکوزیته، هدایت حرارتی، حرارت خاص) وابسته به دما هستند و باید با استفاده از تابع های پاره ای از لایه یا ⁇ تعریف شود. بستر قهوه به عنوان یک منطقه متخلخل با منافذ مشخص شده (معمولا 0.3-0.5 برای قهوه زمینی)، مقاومت و مقاومت ذرات بی اثر می تواند از تجزیه و تحلیل استخراج شود و به استخراج آب اولیه (به طور معمول تنظیم شده در برابر حرارت).

شرایط بی حد

شرایط مرزی معمولی شامل:

  • اینلت: نرخ جریان توده ای یا سرعت در خروجی پمپ، با دمای مشخص (به عنوان مثال، 95 ° C).
  • [در این میان] [از روی زمین]: [[[۱]] [۱]] فشار بر خروجی سبد آبجو، که به فشار اتمسفری تنظیم شده است، وارد شوید.
  • دیوارها: هیچ گونه اختلال در لغزش با دمای ثابت (در صورت گرم شدن فعال) یا ضریب انتقال حرارت (در صورت قرار گرفتن در معرض هوا) برای دیوارهای عایق، یک وضعیت مرز حرارتی می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
  • [FLT 1] اگر هندسه متقارن باشد (به عنوان مثال، یک ماشین اسپرسو دو سر) تنها نیمی از آنها می توانند برای ذخیره منابع محاسباتی مدل سازی شوند.

تحلیل نتایج و بهینه سازی طراحی

پس از همگرایی، مهندسان خطوط سرعت، فشار، دما و غلظت گونه ها (اگر استخراج جامد قهوه مدل شده باشد) بررسی می کنند، معیارهای کلیدی شامل شاخص یکنواختی جریان، میانگین زمان اقامت، افت دما در سراسر تخت و کاهش فشار است.

معرفی بازی Flow Mal توزیعon

بردارهای سرعت شهری و ساده می توانند مناطق مرده را آشکار کنند که در آن آب راکدها یا کانال های با سرعت بالا که استخراج سریع است، به عنوان مثال، در یک ماشین اسپرسو استاندارد با یک صفحه نمایش حمام منفرد، شبیه سازی ها اغلب نشان می دهند که آب ترجیح می دهد به سمت لبه بیرونی سبد جریان یابد مگر اینکه صفحه نمایش برای توزیع آن حتی تنظیم شده باشد تا الگوهای صفحه نمایش، یا تنظیمات قبل از آزمایش قطعات فشار سوراخ مجازی، یا قطعات فشار جدید را در محیط های فشار.

یکنواختی دما

طرح های خطوط دما به شناسایی نقاط سرد که منجر به کم ارتفاع یا نقاط داغ می شوند که باعث تلخی می شوند.در یک طراحی ترکس، شبیه سازی می تواند نشان دهد که چگونه دمای آب به عنوان آن را از طریق عنصر گرمایش عبور می کند، به ویژه در طول فاز "سوختگی" اولیه، مهندسان می توانند اندازه و مسیریابی کانال های آب را برای کاهش نوسانات حرارتی بهینه بهینه کنند.

مطالعات پارامتری و بهینه سازی

ANSYS Fluent شامل ابزارهای تجزیه و تحلیل پارامتری است که به مهندسان اجازه می دهد پارامترهای مختلفی مانند نرخ جریان، دمای آب، اندازه پیچ و خم (از طریق مقاومت متخلخل)، و روش سطح پاسخ اتاق آبجو (RSM) را ایجاد کنند تا نمونه اولیه ای را برای پیش بینی عملکرد یا مصرف انرژی به عنوان یک تابع از این ورودی ها ایجاد کنند.

مطالعات موردی و برنامه های صنعت

چندین تولید کننده تجهیزات قهوه به طور عمومی بینش های خود را از شبیه سازی های CFD به اشتراک گذاشته اند.برای مثال، La Marzocco از CFD برای طراحی مجدد گروه آبجو از ماشین Linea PB خود، بهبود توزیع آب و کاهش تغییرات دما به طور مشابه، طراحی از طریق تنظیمات کوچک CFD-urn = 0Stagg [X] بیش از کتری بزرگ با شبیه سازی آب از طریق دستور العمل های کوچک برای دستیابی به مقیاس ثابت و سازگار با استفاده از حد 5.

منابع خارجی برای خواندن بیشتر شامل صفحه محصول رسمی ANSYS Fluent ، که جزئیات قابلیت های نرم افزار برای جریان های چند فاز و متخلخل رسانه ها، انجمن قهوه ویژه (SCA) همچنین منتشر می کند Research در مورد پویایی آبجو ، برخی از مطالعات CFD که نمونه برش دقیق قهوه را در مقایسه با مواد شیمیایی (F4) می توان آن را در دینامیک کاغذ مایع (F4) یافت.

مسیرهای آینده در شبیه سازی قهوه

همانطور که قدرت محاسباتی رشد می کند، شبیه سازی ها شامل فیزیک واقعی تر خواهند بود.

  • جریان چند فاز: مدل سازی انتشار و انحلال CO2 از قهوه تازه زمین، که بر فوم (crema) در اسپرسو تاثیر می گذارد.
  • حمل و نقل با گرایش های واکنش: سیم کشی استخراج اسید های کلروژنیک، کافئین و چربی به عنوان یک تابع از زمان و دما، پیوند مستقیم به طعم شیمی.
  • تعامل ساختار یافته: تجزیه و تحلیل چگونه بستر قهوه فشرده تحت فشار و چگونه سبد فیلتر تجزیه و تحلیل، تغییر مسیر جریان.
  • ادغام یادگیری ماشین: با استفاده از داده های شبیه سازی برای آموزش شبکه های عصبی که می توانند کیفیت استخراج را از ورودی های سنسور در زمان واقعی پیش بینی کنند، قادر به ایجاد الگوریتم های دمینگ سازگار است.

صنعت قهوه در حال حاضر به سمت آبجوهای هوشمند حرکت می کند که پارامترهای را در پرواز تنظیم می کنند. CFD درک بنیادی مورد نیاز برای طراحی این سیستم های هوشمند را فراهم می کند.

نتیجه گیری

انتقال جریان و گرما در تجهیزات قهوه با استفاده از ANSYS Fluent یک مسیر دقیق و مبتنی بر داده را به طراحی بهتر ارائه می دهد.از مشخص کانال برای تثبیت دماهای متعادل سازی، CFD کار حدس می زند و نوآوری را تسریع می کند، زیرا تقاضا برای کیفیت قهوه و بهره وری انرژی بالاتر، شبیه سازی یک ابزار استاندارد برای هر مهندس در این زمینه خواهد شد.