Výpočetní program pro návrh míchacích zařízení

Výpočetní program pro návrh míchacích zařízení Zpráva o stavu řešení za rok 2014

TAČR - TA02011251 Optimalizace smaltovaných míchacích zařízení z hlediska technologické potřeby uživatele

Jiří Moravec Martin Dostál

České vysoké učení technické v Praze, Fakulta strojní, Ústav procesní a zpracovatelské techniky Technická 4, 166 07 Praha 6

Stav řešení V roce 2014 byl výpočetní software pro návrh míchacích zařízení dokončen a je připraven pro praktické použití. Detaily o konečném řešení programu jsou uvedeny níže.

Základní informace Software pro návrh míchacích zařízení je vytvořen v programovacím jazyku Python (verze 3.3), což je objektově orientovaný, interpretovaný jazyk. Pro spuštění konečné verze aplikace je třeba nainstalovat na pracovním počítači interpret programovacího jazyka Python verze 3.3 a vyšší a také modul Openpyxl, který slouží pro práci se sešity MS Excel. Všechny požadované programy jsou volně dostupné z internetových stránek. Pro snadnější instalaci byla připravena distribuce všech požadovaných součástí na jednom CD. Navržená aplikace je koncipována pro použití na platformě operačního systému Windows. Základní koncepce softwaru byla popsána již v předchozích zprávách. Práce v aplikaci probíhá interaktivně a vyžaduje spolupráci uživatele během výpočtu a interpretaci jednotlivých výsledků. Uživatel by měl být znalý problematiky míchání a návrhu míchacích zařízení. Základní postup práce v programu je následující: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Založení nového / otevření staršího projektu. Specifikace / úprava základních vstupních dat (zakázka, nádoba, míchadlo, vsádka). Volba zdrojových dat pro výpočet procesních parametrů z dostupné databáze míchadel. Specifikace řídícího procesu a metody výpočtu. Prohlížení a interpretace výsledků návrhového nebo kontrolního výpočtu a provádění změn. Uložení dat projektu / Export dat do výstupního formuláře.

Program umožňuje uložit rozpracovaný projekt včetně provedených výpočtů do souboru a zpětně se pak k těmto výpočtům vracet. Detaily k jednotlivým bodům práce s programem jsou uvedeny dále.

Grafické uživatelské rozhraní (GUI) Pro grafické zpracování programu je použito prostředí Tkinter, které pro zobrazení jednotlivých grafických prvků využívá uživatelského nastavení operačního systému, na němž je aplikace spuštěna. Ukázky grafického uživatelského rozhraní v různých fázích práce s aplikací jsou uvedeny na obrázcích 1 až 6. Všechna zobrazení odpovídají použití programu v operačním systému Windows 7 s defaultně nastaveným barevným schématem a zapnutou funkcí Aero. Filozofie práce s programem odpovídá z hlediska grafického uživatelského prostředí standardnímu způsobu ovládání počítačových programů. Po spuštění programu se zobrazí okno s prázdnou plochou (obr. 1). Základní ovládání programu začíná v horní liště. Menu Projekt obsahuje následující položky:

• • • • •

• •

Nový – vytvoří nový projekt (viz dále) Otevřít – otevře starší uložený projekt Uložit – uloží rozpracovaný projekt pod stávajícím jménem ve stávajícím adresáři (nabídne volbu jména souboru a místo uložení v případě nového projektu) Uložit jako… – uloží rozpracovaný projekt s možností stanovení jména a cesty souboru Export dat – exportuje zadaná data i vypočtené parametry do externího souboru (Excel 2007+) a vybraná data zkopíruje a případně dle nastavení uživatele zobrazí v programu MS Excel v podobě výstupního formuláře (dle návrhu uživatele) Zavřít – ukončí práci na aktuálním projektu bez ukončení aplikace (s kontrolou uložení rozpracované práce) Konec – ukončí práci s programem (s nabídkou možnosti uložení rozpracovaného projektu)

Druhá položka menu na hlavní liště – Nastavení – umožňuje uživateli aplikace nastavit následující parametry programu: • Pracovní adresář – defaultní adresář pro otvírání a ukládání dat • Nastavení filtrování seznamu míchadel – možnost volby filtrování vypisované databáze míchadel dle všech základních parametrů míchadel a dostupných procesních charakteristik • Automatické doplňování hodnot – možnost automatického návrhu hodnot některých parametrů dle daných kritérií • Oddělovač desetinných míst – volba oddělovače desetinných míst, který se použije při exportu dat do výstupního soboru

Obr. 1. Grafické uživatelské rozhraní programu – otevření aplikace.

Nastavené parametry lze uložit do konfiguračního souboru a mohou tak být automaticky inicializované při každém využití programu, nebo je lze také použít pouze dočasně pro stávající práci v aplikaci po dobu, dokud není aplikace uzavřena. Ukázka grafického okna, které se zobrazí po volbě položky menu Nastavení, je uvedena na obr. 2. Poslední položka menu na hlavní liště – Nápověda – v sobě skrývá dvě položky: • •

O prostředí – výpis použité symboliky (viz obr. 3) O programu – základní informace o verzi programu a copyright (viz. obr. 4)

Začátek praktické práce je v aplikaci spojen se založením nového nebo otevřením staršího projektu. V případě volby nového projektu se po kliknutí zobrazí pracovní plocha obsahující prvky pro vyplnění všech potřebných údajů (viz obr. 5). Pracovní plocha je rozdělena do několika základních oblastí. Horní oblast Informace o projektu slouží k uvedení základních údajů, jako je název projektu, číslo zakázky, informace o zákazníkovi, jméno autora výpočtu, datum zpracování projektu nebo libovolné poznámky.

Obr. 2. Grafické uživatelské rozhraní programu – nastavení programu.

Obr. 3. Grafické uživatelské rozhraní programu – výpis použité symboliky.

Obr. 4. Grafické uživatelské rozhraní programu – informace o programu.

Následuje oblast Návrhové parametry, která je připravena pro specifikaci všech potřebných dat. Jednotlivá pole pro požadované informace se v prostředí objevují na základě volby příslušného prvku z rozevíracího seznamu (viz obr. 5 a 6). Do první třetiny oblasti návrhových parametrů ve směru zleva jsou soustředěna pole pro popis nádoby (průměr, výška hladiny, typ a počet narážek). Rovněž se zde nachází políčko volby technologie aparátu (nerez, smalt), které by mělo v případě potřeby umožnit rozlišení mezi míchadly vhodnými pro uvedené technologie aparátů. V současné době je aktivní pouze možnost Smalt. Uprostřed oblasti Návrhové parametry se nachází prostor pro volbu typu míchadla a následně specifikaci jeho rozměrů a umístění v nádobě. Pravá část oblasti pak slouží pro specifikaci informací o vsádce, tj. pro volbu, zda se jedná o kapalinu nebo suspenzi a následně o specifikaci jejích termofyzikálních vlastností včetně volby reologického modelu vsádky a jeho parametrů. Napravo od oblasti návrhových parametrů je připravena oblast Schéma, ve které jsou zobrazovány schematické obrázky odpovídající zvolené geometrii nádoby a míchadla. Pod oblastí s návrhovými parametry se nachází oblast Databáze míchadel, v níž se zobrazuje seznam míchadel z databáze odpovídajících parametrům specifikovaným v oblasti návrhových parametrů. Seznam zobrazených míchadel je možné filtrovat dle jednotlivých zadávaných geometrických parametrů míchadel a také dle požadovaných procesních dat, která jsou pro dané míchadlo v databázi obsažena. Filtrování je možné zapínat a vypínat pomocí zaškrtávacích políček nad seznamem míchadel. Volba míchadla pro výpočet procesních a návrhových parametrů ze seznamu míchadel probíhá kliknutím myši nebo projížděním seznamu pomocí šipek „nahoru“ a „dolu“. Pro přehlednost se napravo od oblasti s výpisem míchadel (v oblasti Schéma míchadla) zobrazuje schéma aktuálního vybraného míchadla. Nejdůležitější část aplikace z hlediska uživatele se nachází ve spodní části pracovní plochy. Jedná se o oblast s návrhovými a procesními parametry. Zde může uživatel volit mezi dvěma způsoby výpočtu procesních a návrhových parametrů – ze známých / požadovaných otáček míchadla (kontrolní výpočet) či z požadovaného měrného příkonu (návrhový výpočet). Po volbě způsobu výpočtu a zadání požadované hodnoty je automaticky proveden výpočet všech ostatních procesních a návrhových parametrů, a to pro míchadlo, které je aktuálně vybráno v seznamu míchadel (podbarveno modrou / šedou barvou). Výsledky jsou zobrazeny v šesti sloupcích rozdělených dle zaměření jednotlivých parametrů z hlediska procesu při míchání (tvorba středového víru, homogenizace, průtok míchadlem, suspendace, příkon při míchání, přestup tepla). Pro výpočet procesních a návrhových veličin je třeba zadat určité parametry. V případě, že některý z parametrů, který je pro výpočet třeba, chybí, je zobrazen červeným písmem na spodu dané oblasti počítaných parametrů (viz obr. 5, 6). Pokud požadovaná hodnota není známa, musí ji uživatel kvalifikovaně odhadnout. Vzhledem k rozsahu počítaných parametrů a počtu míchadel v databázi je také možné, že pro míchadlo vybrané v databázovém listu chybí data požadovaná pro výpočet určitých procesních parametrů, a to buď kompletně, nebo jsou omezena jen na určitou oblast závislých parametrů. V tomto případě se u počítané procesní charakteristiky (vždy první parametr v každém sloupci) zobrazí místo hodnoty informace „NoChar“.

Obr. 5. Grafické uživatelské rozhraní programu – nový projekt.

Obr. 6. Grafické uživatelské rozhraní programu – rozpracovaný projekt.

V tomto případě je pak třeba měnit hodnoty zadaných parametrů tak, aby se uživatel dostal do oblasti platných hodnot závislých veličin, případně aby vybral jiné míchadlo z databázového listu. Z tohoto důvodu je také program vybaven možností „zafixovat“ určité vybrané míchadlo pro určitou oblast výpočtů. Pomocí zaškrtávacích políček u jednotlivých výpočtových oblastí je možné dosáhnout toho, že pro výpočet např. příkonu a příkonové charakteristiky je vybráno jiné míchadlo než pro výpočet přestupu tepla. Návaznost vypočtených hodnot na použité míchadlo je pak vyjádřena barevným zvýrazněním míchadel a výpočtů. Tento postup však zvyšuje nároky na kvalifikaci uživatele z hlediska jeho znalostí míchání a návrhu míchacích zařízení. Počítané veličiny, zobrazované ve spodní části pracovního okna, jsou aktualizovány okamžitě při jakékoliv změně vstupních parametrů nebo při změně výběru míchadla z databázového listu. Z tohoto důvodu bylo v konečné verzi aplikace ustoupeno od původního plánu doplnit program o možnost dočasného uložení zadaných parametrů a vypočtených hodnot do samostatných oken, která by se generovala po stisku tlačítka tak, jak bylo naznačeno v předchozích zprávách. Porovnání variantních řešení problémů je totiž možné dělat okamžitě, což přináší úsporu v čase. Výsledná data tak lze buď exportovat do externího souboru (Excel) nebo uložit v podobě dat aplikace pro pozdější práci. Program je vybaven kontrolou zadávaných hodnot. Do políček se vstupními hodnotami používanými pro výpočet neumožňuje zadávat neplatné hodnoty (písmena, záporná čísla). Program však neobsahuje žádnou databázi termofyzikálních vlastností látek a neumožňuje proto kontrolu zadaných hodnot z hlediska jejich praktického významu.

Výběr vhodných míchadel z databáze míchadel Seznam míchadel zobrazovaný v hlavním okně aplikace se aktualizuje na základě specifikace základních geometrických parametrů míchaného aparátu. Interaktivně se seznam filtruje a uváděna jsou pouze míchadla, která vyhovují zadaným geometrickým parametrům. Co jeden řádek seznamu, to jeden záznam v databázi míchadel odpovídající dané geometrické konfiguraci (viz databázové listy). Vzhledem k tomu, že zadané geometrické parametry někdy neodpovídají přesně daným geometrickým parametrům, které jsou uvedeny v databázi míchadel a odpovídají podmínkám, při nichž byly požadované charakteristiky stanoveny, jsou ve výběru uvedena i míchadla, jejichž parametry jsou zadaným parametrům „blízké“. Variabilitu zobrazovaných míchadel zvyšuje již zmíněná možnost zapnutí/vypnutí filtrování seznamu dle jednotlivých geometrických a procesních parametrů. Tímto způsobem je možné získat výsledky založené na výpočtu s použitím míchadlo, které se například svými parametry blíží požadovaným, ale nejsou jim přímo rovny. Takto získané výsledky je pak ale nutné používat velice obezřetně (kvalifikace uživatele). Omezování výběru seznamu vhodných míchadel probíhá na základě volby geometrických parametrů, které se liší v závislosti na typu míchadla. Jsou to zejména: • •

počet lopatek míchadla, průměr míchadla specifikovaný parametrem
⁄ ,

• • •

výška míchadla nade dnem specifikovaná parametrem  ⁄ , výška a tloušťka lopatek míchadla specifikované parametry ℎ⁄ a ⁄ , počet narážek, typ narážek (standardní, prstové, …).

Výběr je možné omezit i volbou požadované procesní charakteristiky, pro níž by měla být v databázi dostupná data, tedy: • • • • • •

příkonové číslo PO, modifikované Froudeho číslo FR, bezrozměrná doba homogenizace NT, Nusseltovo číslo NU, průtokové číslo NQ, hloubka středového víru VD.

Databáze míchadel a jejich procesních charakteristik Databáze míchadel je využívána programem pro uložení všech informací týkajících se jednotlivých míchadel, resp. spíše geometrických konfigurací míchadel a nádoby. V každém databázovém listu jsou uvedeny všechny procesní charakteristiky míchadla daného geometrického tvaru, které však přísluší určité nádobě vybavené i daným systémem narážek (dvě míchadla se stejnými geometrickými parametry, ale v různých nádobách, jsou uloženy ve dvou databázových listech a jsou to v podstatě dvě různé konfigurace). Jednotlivé databázové listy jsou označeny jednoznačným číselným identifikátorem, který udává v podstatě pouze pořadové číslo míchaného systému a je interně používán k jejich identifikaci. Jednotlivé identifikátory jsou přidělovány podle toho, jak jsou do databáze postupně listy vkládány. V případě, že nějaké parametry míchadla nebo celé míchadlo pozbudou platnosti, jednotlivé databázové listy budou zablokovány k použití a budou nahrazeny novými aktivními listy, avšak nebudou z databáze smazány, aby zůstala zachována konzistence databáze z hlediska historie výpočtů.

Struktura databázového listu 1. Typ míchadla (ITYPE) • E (etážové míchadlo) … dále rozlišeno číslem dle konkrétního typu • J (Jiroutovo míchadlo) • K (kotvové míchadlo) • RLL (míchadlo s rovnými lomenými lopatkami) • SL (míchadlo se šikmými lopatkami) • SVM (speciální vrtulové míchadlo) • ZLKD (míchadlo se zakřivenými lopatkami pro klenuté dno)

• ZLRD (míchadlo se zakřivenými lopatkami pro rovné dno) 2. Geometrické parametry (G) • G1 ... počet lopatek ( ) • G2 ... úhel sklonu lopatek ( ) • G3 ... bezrozměrný průměr míchadla (
⁄ ) • G4 ... bezrozměrná tloušťka lopatek (⁄) • G5 ... bezrozměrná výška lopatek (ℎ⁄ ) • G6 ... bezrozměrná vzdálenost míchadla nade dnem (nad spodním míchadlem) ( ⁄) • G7 … počet narážek ( ) 3. Typ narážek (BTYPE) • N … bez narážek • S … ploché (standardní) • F … prstové • M … zploštělé (modifikované) 4. Procesní charakteristika (CHAR) • PO … Příkonová charakteristika (Po) • FR … Suspendační charakteristika (Fr′) • NT … Homogenizační charakteristika () • NQ … Průtokové číslo (N) • NU … Nusseltovo číslo (Nu) • VD … Hloubka víru (ℎ ) 5. Parametry a obor jeho platnosti (P) 6. Konstanty procesních charakteristik (C) 7. Literatura/Reference (LIT) • Zde je uvedena citace, kde byla procesní charakteristika uvedena/nalezena/získána. Citace je v textové podobě.

Ukázka databázového listu [00000001] ITYPE=SL;G1=3;G2=45;G3=3;G4=0.09;G5=0.2;G6=0.75;G7=0; {CHAR=NT,1;P1=RE,11000,105000;C1=87.9;LIT=1} {CHAR=PO,1;P1=RE,60000,90000;C1=0.32;LIT=1} [00000002] ITYPE=SL;BTYPE=F;G1=3;G2=45;G3=3;G4=0.09;G5=0.2;G6=0.75;G7=1; {CHAR=NT,1;P1=RE,8290,96200;C1=98.25;LIT=1} {CHAR=PO,1;P1=RE,68000,95000;C1=0.57;LIT=1} [00000003] ITYPE=SL;BTYPE=F;G1=3;G2=45;G3=3;G4=0.09;G5=0.2;G6=0.75;G7=2; {CHAR=NT,1;P1=RE,14900,88500;C1=84.7;LIT=1} {CHAR=PO,1;P1=RE,68000,97000;C1=0.69;LIT=1}

Výše uvedené databázové záznamy popisují tři konfigurace systémů míchané třílopatkovým míchadlem se šikmo skloněnými lopatkami se stejnými geometrickými parametry s výjimkou počtu narážek (žádná, jedna či dvě, viz parametr G7). U každého míchaného systému jsou uvedeny dvě procesní charakteristiky. První z nich je homogenizační (CHAR=NT) a druhá příkonová. Pro jejich výpočet je použita rovnice prvního typu (viz dále). Parametrem těchto charakteristik je Reynoldsovo číslo (i když v nich přímo nevystupuje jako proměnná) v daném rozsahu. Konstanta (C) upřesňuje informace potřebné k výpočtu dané rovnice (viz dále). Charakteristiky pochází z literatury s indexem 1. [000000__] ITYPE=ZLKD;BTYPE=S;G1=3;G3=2;G5=0.12;G6=0.16;G7=2; {CHAR=PO,1;P1=RE,28000,153000;C1=0.85;LIT=3} {CHAR=FR,2;P1=CV,0.0025,0.25;P2=DPD,0.00604,0.0388;C1=0.389;C2=7.87;LIT=3} {CHAR=FR,3;P1=CV,0.0025,0.116;P2=DPD,0.000892,0.00604;C1=0.717;C2=54.2;C3=0.104;C4=7.93;LIT=3} {CHAR=FR,3;P1=CV,0.116,0.158;P2=DPD,0.000892,0.00604;C1=0.717;C2=54.2;C3=0.104;C4=7.93;LIT=3} {CHAR=FR,3;P1=CV,0.158,0.25;P2=DPD,0.000892,0.00604;C1=415;C2=0;C3=1.02;C4=0;LIT=3}

Záznam popisuje charakteristiky systému míchaného míchadlem se zakřivenými lopatkami v nádobě s klenutým dnem se dvěma narážkami (G7) standardního typu (BTYPE). V listu je uvedena příkonová charakteristika (PO) a suspendační charakteristika (FR). Do této charakteristiky vstupují dva parametry, počítá se s pomocí dvou typů rovnic (2 a 3, viz dále) a vzhledem k tomu, že konstanty v těchto rovnicích se liší pro různé rozsahy parametrů, musí být tato charakteristika rozdělena do několika.

Databáze typů procesních charakteristik V databázových listech nejsou uvedeny přímo rovnice, z nichž se příslušné parametry počítají. Jsou zde uvedeny pouze typy parametrů těchto rovnic a obory jejich platnosti (P), tvar rovnic (indexem do seznamu rovnic) a konstanty, které jsou pro vyčíslení rovnic potřeba. Výpočtový program je možné doplňovat dalšími a dalšími typy procesních charakteristik. V následující tabulce je pro ukázku uveden příklad základních typů charakteristik, které jsou v databázi a programu implementované.

Index 1 2 3 …

Rovnice Y= Y =   

!

Y =    ! & '()

!

Použití Po, NT ' Fr = # $% + -(.% ' $% Fr = # * ,


Závěr Vytvořený program pro výpočet návrhových a procesních parametrů byl otestován pro přibližně 20 variant řešených příkladů. Proběhlo také školení pracovníků firmy TENEZ zaměřené na práci s programem. Databáze programu obsahuje data všech dostupných procesních charakteristik pro míchadla využitelná v oblasti smaltovaných aparátů. Do budoucna je možné aplikaci dále rozvíjet např. rozšířením databáze i o míchadla pro nerezové aparáty, případně úpravami uživatelského prostředí.