Giswerk elimineren bij het ontwerpen van producten met CFD van GEA
27 Aug 2020
GEA bekijkt Computational Fluid Dynamics (CFD) en legt uit hoe dit kan worden gebruikt voor een nauwkeurigere kostprijsberekening, een grotere nauwkeurigheid in het ontwerp, een beter procesbegrip en aanzienlijk lagere risico's voor klanten met sproeidrogers voor voedingsingrediënten, zetmeel en eiwitten.
Computational Fluid Dynamics, in de context van sproeidrogen voor voedingsingrediënten, zetmeel en eiwitten, is een beproefde techniek om op de computer te bepalen hoe producten zich gedragen tijdens het drogen - voordat wordt overgegaan naar de werkelijke engineering.
CFD is allesbehalve uniek in de industrie. In veel sectoren, bijvoorbeeld de ruimtevaart en auto-industrie, wordt CFD gebruikt als een integraal onderdeel van productontwikkelingsprocessen. Maar bij het sproeidrogen van voedingsingrediënten, zetmeel en eiwitten zijn er andere variabelen die een centrale rol spelen: de klant en zijn product.
Stig Skalshøj Christensen is verkoopingenieur bij GEA. Hij zegt dat iedere klant en ieder product weer anders is. “Klanten werken met verschillende grondstoffen en proberen vaak subtiel verschillende resultaten te behalen. Als we die klanten het vertrouwen willen geven dat ze ertoe aanzet om onze technologie te kiezen, moeten we ervoor zorgen dat we een goed begrip hebben van de klanten zelf en hun product, maar ook van waar ze naar op zoek zijn.”
Kristian M. Ingvorsen, is Hoofd van CFD bij GEA. Hij somt de voordelen van het proces voor klanten op. "Ten eerst vinden alle tests plaats op een computer, niet op locatie,” legt hij uit. “Testen op locatie is moeilijk en duur. Computersimulaties vormen een low-cost omgeving zonder risico's. Ten tweede levert modellering een diepgaand procesinzicht op. Je krijgt een gedetailleerd begrip van de gevolgen die wijzigingen in verschillende inputparameters hebben op het proces in zijn geheel. Dit is duidelijk een veel betere manier van werken dan de traditionele methode van vallen en opstaan waarbij veel wordt overgelaten aan speculatie."
Aziatische soja-eiwitfabriek
Stig Skalshøj Christensen geeft als voorbeeld een soja-eiwitfabriek in Azië. Het bedrijf exploiteerde al grote sproeidrogers, maar wilde zijn capaciteit verdubbelen. In een dergelijke situatie wordt bij voorkeur gewerkt met maar één grote sproeidroger, maar zo'n grote machine was nog nooit eerder gebruikt voor deze toepassing. Er moest worden vastgesteld of het überhaupt mogelijk was en, als dat het geval was, welke specifieke ontwerpkenmerken de droger zou moeten hebben om hem efficiënt in te zetten om een eindproduct te krijgen met de kwaliteit die de klant vroeg.
“Ons CFD-team kon data gebruiken van een grote droger die een soortgelijk product verwerkt. Deze data werden ingevoerd in het computermodel waarna de omvang en capaciteit van de kamer werden vergroot om te zien wat dat opleverde. Pas toen bewezen was dat het technisch mogelijk is om de droger te bouwen, presenteerden we het ontwerp aan de klant. De klant accepteerde ons voorstel en het project is nu in uitvoering. Het gebruik van maar één droger bespaart de klant veel geld in de aanschaf van kapitaalgoederen en de installatie- en bouwkosten. Dit zou veel te riskant zijn geweest als CFD niet was toegepast, en de klant zou waarschijnlijk het compromis van twee drogers hebben aanvaard, wat duurder en minder efficiënt geweest zou zijn.”
Houd het klein
Maar het is heel goed mogelijk dat de berekening ander uitvalt. Het kan ook zijn dat een klant denkt een droger van een bepaalde omvang nodig te hebben, maar dat GEA-ingenieurs aan de hand van CFD duidelijk kunnen aantonen dat hetzelfde resultaat kan worden behaald met een kleinere machine. “Ook dan spaart het hen geldt, niet alleen op de droger maar ook op de installatie, de bouwwerkzaamheden en bedrijfskosten op lange termijn,” zegt Stig. “Hoe kleiner de droger, hoe beter, zolang hij het werk maar aankan.”
De echte bekwaamheid
Lars Voigt is Hoofd van Engineering Data and Tools Management bij GEA. Hij zegt dat het belangrijk is om als team met collega's samen te werken. Zo combineer je de aanwezige kennis van de klant en de toepassing tot zo nauwkeurig mogelijke data die je dan kunt gebruiken op wat hij de "virtuele testbank" noemt. GEA heeft de rapporten die afkomstig zijn van de virtuele testbank gestandaardiseerd om het proces te versnellen en Lars te helpen om nuttige informatie te leveren die kan worden ingezet voor het nemen van kritieke beslissingen.
“Hier komt onze bekwaamheid in het spel,” zegt hij. “We zijn experts in het maken van modelleringshypotheses en aanpassen van de modellen, zodat we snel betrouwbare besluiten kunnen nemen. We interpreteren de data van het CFD-systeem om te laten zien hoe een apparaatonderdeel kan worden aangepast voor een bepaalde klant. Het is een kwestie van data omzetten in kennis. En belangrijk is dat we dat snel doen.”
Tijd is geld
En met snel bedoelt Lars heel snel. “Omdat we betrouwbare werkwijzen volgen en steunen op ons ervaren team, kunnen we vaak binnen twee weken conclusies leveren waarover de concurrentie, die misschien wel een researchproject zou moeten uitvoeren, minstens twee jaar zou doen.” Snelheid is ook belangrijk als je problemen moet oplossen. Hierbij zouden simulaties nodig kunnen zijn om te zien waarom er zich afzettingen ophopen in een droger en, belangrijker nog, welke aanpassingen moeten worden gedaan om het probleem te verhelpen.
Maar er zijn nog andere, langdurigere toepassingen voor CFD. Productresearch en -ontwikkeling is een continu proces bij GEA en voor een groot deel hiervan wordt CFD-analyse toegepast om de evolutie van bestaande producten en de ontwikkeling van nieuwe aan te drijven. Maar volgens Lars wordt dit van secundair belang wanneer er een urgente kwestie optreedt. “Onze projecten volgen altijd de tijdlijn van onze klanten, intern of extern.”
De voordelen in de praktijk
Als CFD wordt gecombineerd met GEA’s knowhow van engineering, kan het dus een krachtig instrument worden. Het kan worden gebruikt om kosten te verlagen; om snel de consequenties van ontwerpwijzigingen in producten te beoordelen; om vroeg inzicht te krijgen in het ontwerpproces en om fysiek testen te vermijden; het kan ontwikkelaars een visuele informatiestroom geven vanuit elk punt op het systeem, iets wat anders onmogelijk zou zijn met sensoren of meters; ontwerpers kunnen elke serie condities modelleren om verschillende flow- en hitteoverdrachtprocessen te testen; en ontwerpers hebben de vrijheid om te experimenteren door parameters soms tot het uiterste op te voeren.
De GEA-factor
GEA heeft meer dan 50 jaar ervaring in procesengineering voor de voedingsingrediëntensector. Deze ervaring wordt weerspiegeld door het aantal installaties dat wereldwijd geëxploiteerd wordt en de ongeëvenaarde kennis van de procestechnologen van het bedrijf.
Stig Skalshøj Christensen is van mening dat CFD, gecombineerd met deze lange ervaring en diepgaande kennis van producten en processen, uniek is in de industrie en vooral nuttig om klanten het vertrouwen te geven dat GEA robuuste oplossingen biedt. “De software op zich is niet voldoende,” zegt hij. “Het is de visie, expertise en ervaring van het team achter elk project, dat het verschil maakt. Klanten moeten weten dat we niet alleen vertrouwen op wat de computer ons vertellen, maar dat we technologie gebruiken om onze ervaring in de praktijk toe te passen. Ik denk dat GEA dit beter en sneller kan dan wie dan ook, vooral als het gaat om heel grote drogers waarvoor onze specifieke vaardigheden nodig zijn.”
Elke klant wil weten dat sproeidrooginstallaties specifiek ontworpen worden voor hun toepassing en dat we op het optimale niveau opereren. In vroegere dagen betekende dit onvermijdelijk er compromissen nodig waren om aan de veilige kant te blijven. Door CFD-modellering is het nu mogelijk om de grenzen veel verder te verleggen, en klanten zodoende een commercieel topproduct te geven in een competitieve markt, waarmee ze in staat zijn om veilig, snel en zonder al te hoge kosten nieuwe producten te ontwikkelen.
