Grilování při správné teplotě se Simcenter FLOEFD

Tags: CAE | CFD | FloEFD | Siemens | Simcenter | Simulace

Po­kro­či­lé si­mu­la­ce se již běžně po­u­ží­va­jí v prů­mys­lu i dal­ších od­vět­vích. Od­bor­ní­ci Si­e­mens však zku­si­li vy­u­žít pro­vě­ře­nou tech­no­lo­gii Si­e­mens FLOED, aby přes­ně zjis­ti­li, jak prou­dí horký vzduch v kot­lí­ko­vém grilu na dře­vě­né uhlí a do­sáh­li op­ti­mál­ních pod­mí­nek pro letní gri­lo­vá­ní. Téměř každý z nás v létě při­pra­vu­je na grilu maso či ze­le­ni­nu.

Jak se stát dokonalým mistrem grilu

Mi­s­trům v gri­lo­vá­ní trvá dlou­ho, než se sta­nou od­bor­ní­ky, a to z velmi jed­no­du­ché­ho dů­vo­du – každý gril má totiž je­di­neč­né vlast­nos­ti jako jsou tvar, ma­te­ri­ál apod. Výkon a cho­vá­ní grilu může změ­nit do­kon­ce i druh po­u­ži­té­ho uhlí.

Od­bor­ní­ci Si­e­mens se za­mě­ři­li na mi­mo­řád­ně ob­lí­be­ný model grilu, kte­ré­mu se říká kot­lí­ko­vý. Na spod­ní části má ven­ti­lač­ní ot­vo­ry pro pro­měn­li­vý prů­tok vzdu­chu, na­ho­ře pak pro únik hor­ké­ho vzdu­chu. Uhlí je umís­tě­no v blíz­kos­ti spod­ních ven­ti­lač­ních ot­vo­rů.

Fak­to­rem, který je pro do­sa­že­ní do­ko­na­le ugri­lo­va­né­ho jídla velmi dů­le­ži­tý, je rov­no­měr­né roz­lo­že­ní tepla, které je ne­zbyt­né k rov­no­měr­né­mu pro­pe­če­ní. Mi­stři grilu mají své triky a po­stu­py, ně­kte­ří je do­kon­ce tají a nikdy by se o ně dob­ro­vol­ně ne­po­dě­li­li. Zde však může po­mo­ci si­mu­la­ce prou­dě­ní vzdu­chu (CFD) a Sim­cen­ter FLO­EFD, které do­ká­žou do de­tai­lů od­ha­lit výkon kot­lí­ko­vé­ho grilu.

Pa­ra­me­t­ry grilu (obr. 1)

1. Horní víko – Víko je ob­vykle vy­ro­be­no z oceli a na­tře­no bar­vou. Má plas­to­vou ru­ko­jeť pro bez­peč­né zved­nu­tí.
2. Spod­ní kot­lík – Tato část má po­dob­nou kon­struk­ci jako horní víko. Má pří­ru­by pro umís­tě­ní roštu na uhlí a roštu na gri­lo­vá­ní.
3. Za­chy­co­vač po­pe­la – Ně­kte­ré grily po­jmou popel, když se spod­ní ven­ti­lač­ní ru­ko­jeť po­su­ne tam a zpět.
4. Spod­ní ven­ti­lač­ní ot­vo­ry – Umožňují vstup stu­de­né­ho vzdu­chu tak, aby po­sky­to­va­ly do­sta­tek vzdu­chu pro spa­lo­vá­ní uhlí.
5. Rošt na uhlí – Ob­vykle je umís­těn přímo nad spod­ní­mi vě­t­ra­cí­mi ot­vo­ry.
6. Rošt na va­ře­ní – Je umís­těn nad roš­tem na uhlí.
7. Horní vě­t­ra­cí ot­vo­ry – Tudy opouš­tí horký vzduch gril. Jsou to plyny, které vzni­ka­jí spa­lo­vá­ním uhlí.
8. Tep­lot­ní sonda – Zpra­vi­dla se po­u­ží­vá k po­sou­ze­ní, jak je gril roz­pá­le­ný.

Již při prv­ním po­hle­du na gril lze za­zna­me­nat ně­ko­lik po­zo­ro­vá­ní: Tep­lot­ní sonda je umís­tě­na úplně na­ho­ře na grilu. Uvnitř grilu může být roz­díl tep­lot, který nelze son­dou za­chy­tit. Ně­kte­ré části grilu mohou být tep­lej­ší či chlad­něj­ší než místo, kde je umís­tě­na sonda. Umís­tě­ní spod­ních a hor­ních vě­t­ra­cích ot­vo­rů může ovliv­nit výkon grilu. Další fak­to­ry, které způ­so­bu­jí va­ri­a­bi­li­tu vý­ko­nu grilu jsou:

• množ­ství jídla na grilu
• umís­tě­ní jídla
• množ­ství a umís­tě­ní dře­vě­né­ho uhlí

Gri­lo­va­cí ex­pe­ri­ment – si­mu­la­ce vý­po­čet­ní dy­na­mi­ky te­ku­tin

Pro stu­dii před­po­klá­dá­me rov­no­měr­nou dis­tri­buci dře­vě­né­ho uhlí na roštu, toto zá­klad­ní pra­vi­dlo berou mi­stři grilu velmi vážně. Jako první zjis­tí­me tep­lo­tu ho­ře­ní dře­vě­né­ho uhlí. Zde vy­chá­zí­me z člán­ku Ab­hishe­ka Va­na­parti­ho z Au­burn Uni­ver­si­ty, kde po­pi­su­je dva typy uhlí – rych­le vzpla­nou­cí a po­ma­lu ho­ří­cí. Mě­ře­ní tep­lo­ty se pro­vá­dí, když uhlí ze­šed­ne, to je chví­le, kdy jej vět­ši­na lidí po­va­žu­je za při­pra­ve­né ke gri­lo­vá­ní. Před­po­klá­dá­me také, že dře­vě­né uhlí udr­žu­je tep­lo­tu po celou dobu na­še­ho ex­pe­ri­men­tu.

Další před­po­klad se týká typu gri­lo­va­ných po­tra­vin. Maso se sklá­dá z růz­ných druhů tkání a vlá­ken, což cha­rak­te­ri­za­ci této části kom­pli­ku­je. Výběr hod­not hus­to­ty, tep­lo­ty a te­pel­né vo­di­vos­ti po­u­ži­té si­mu­la­ce od­po­ví­dá vlast­nos­tem ku­ře­te. Zvlášt­ní po­zor­nost je vě­no­vá­na i hod­no­tě emi­si­vi­ty ko­vo­vých kom­po­nen­tů kot­lí­ko­vé­ho grilu. Barva hor­ní­ho a dol­ní­ho kot­lí­ku je po­va­žo­vá­na za čer­nou. Před­po­klá­dá se, že všech­ny ko­vo­vé části jsou vy­ro­be­ny z oceli.
Gril je umís­těn v ote­vře­ném pro­stře­dí při okol­ní tep­lo­tě cca 15,5 °C. V úvahu je vzato i ve­de­ní tepla v pev­ných lát­kách, zá­ře­ní a gra­vi­ta­ce. Te­pel­né vy­za­řo­vá­ní hrálo ve stu­dii vel­kou roli, pro­to­že znač­né množ­ství tepla opouš­tí dře­vě­né uhlí právě v této formě. Vlast­ní ana­lý­za je roz­dě­le­na do dvou kroků: za­hřá­tí grilu a vlast­ní gri­lo­vá­ní.

Co nám o gri­lo­vá­ní pro­zra­di­ly tech­no­lo­gie

Při po­hle­du na tra­jek­to­rie prou­dě­ní (viz ob­rá­zek 2) vi­dí­me, že stu­de­ný vzduch vstu­pu­je ze­spo­du a cir­ku­lu­je v ob­las­ti roštu na uhlí. Další velká re­cir­ku­lač­ní zóna je pod hor­ním víkem grilu, ta za­jiš­ťu­je rov­no­měr­né roz­lo­že­ní tep­lo­ty uvnitř grilu.

Ob­rá­zek níže (viz ob­rá­zek 3) uka­zu­je střed grilu ve chví­li, kdy jsou všech­ny vě­t­ra­cí ot­vo­ry za­vře­né. Dis­tri­buce tep­lo­ty je po­měr­ně rov­no­měr­ná. Vi­dí­me také ně­ko­lik hor­kých míst, která jsou asi o 7 °C tep­lej­ší než ob­last v blíz­kos­ti ku­ře­te. Tento roz­díl by mohl být dů­le­ži­tý v pří­pa­dě, že by se jídlo gri­lo­va­lo delší dobu.

Ob­rá­zek 4 uka­zu­je řez pro­ve­de­ný u jed­no­ho z ven­ti­lač­ních ot­vo­rů. Jasně vi­dí­me, že roz­lo­že­ní tepla v této části není pří­liš jed­not­né. Dů­vo­dem je ně­ko­lik fak­to­rů – spod­ní ot­vo­ry jsou umís­tě­ny přímo pod ně­ko­li­ka kous­ky uhlí a pře­de­vším, horní vě­t­ra­cí otvor a spod­ní vě­t­ra­cí otvor jsou v zá­kry­tu, takže vzduch vchá­zí spod­ním vě­t­ra­cím ot­vo­rem a od­chá­zí hor­ním, aniž by cir­ku­lo­val uvnitř. To je důvod, proč máme velké horké místo po­blíž uhlí ve­dou­cí až k hor­ní­mu ot­vo­ru. Levá stra­na to­ho­to ob­ráz­ku uka­zu­je horký vzduch vy­chá­ze­jí­cí z grilu, za­tím­co na pravé stra­ně stále do­chá­zí k cir­ku­la­ci.

Roz­lo­že­ní tep­lo­ty na vněj­ším po­vrchu grilu

Další si­mu­la­ce (ob­rá­zek 5) uka­zu­je, že tep­lot­ní roz­lo­že­ní na vněj­ším po­vrchu není rov­no­měr­né. Horký vzduch vy­chá­zí hor­ní­mi ven­ti­lač­ní­mi ot­vo­ry (viz ob­rá­zek 5 bub­li­na 1) a tato ob­last jasně vy­ka­zu­je vyšší tep­lo­tu. Spod­ní a vrch­ní ven­ti­lač­ní ot­vo­ry jsou v zá­kry­tu, takže v je­jich okolí je tep­lo­ta nižší než jinde. To může být způ­so­be­no ne­do­sta­teč­nou re­cir­ku­la­cí nebo od­ve­de­ním tepla ko­vo­vým dr­ža­dlem (viz obr. 5 bub­li­na 2). Stav druhé stra­ny grilu, kde je umís­tě­na sonda, uka­zu­je ob­rá­zek číslo 6 a je vidno, že tep­lo­ta této spod­ní části grilu je mno­hem rov­no­měr­něj­ší.

Po­sky­tu­je tep­lot­ní sonda na víku spo­leh­li­vé in­for­ma­ce o funk­ci grilu?

Tep­lot­ní sonda bývá umís­tě­na na víku a obec­ně se před­po­klá­dá, že uka­zu­je prů­měr­nou tep­lo­tu uvnitř grilu. Ze si­mu­la­ce však vy­plý­vá (viz ob­rá­zek 7), že sonda uka­zu­je tep­lo­tu 143 °C, ale tep­lo­ta v horní části grilu, kde se gri­lu­jí po­tra­vi­ny, může být kde­ko­li mezi 204 – 210 °C. To je více než 37 °C roz­díl mezi na­mě­ře­nou a sku­teč­nou tep­lo­tou.

Další kroky a shr­nu­tí

CFD si­mu­la­ce po­moh­la po­cho­pit, co se vlast­ně děje uvnitř na­še­ho grilu. Vý­sled­ky si­mu­la­ce po­skyt­ly cenné in­for­ma­ce bez nut­nos­ti pro­vá­dět fy­zic­ké testy nebo kon­zu­mo­vat ne­do­pe­če­né či spá­le­né kuře. Tyto si­mu­la­ce ve sku­teč­nos­ti po­sky­tu­jí vý­raz­ně po­drob­něj­ší ana­lý­zu fun­go­vá­ní grilu než jaké lze do­sáh­nout fy­zic­kým tes­to­vá­ním.

S ná­stro­jem Sim­cen­ter FLO­EFD mohli in­že­ný­ři do­kon­ce pro­vá­dět ana­lý­zu kon­struk­ce jed­not­li­vých mo­de­lů grilů a na­vrh­nout nové s lep­ším vý­ko­nem a funkč­nos­tí, a to přímo pro­střed­nic­tvím svého CAD sys­té­mu. Upra­vit lze řadu pa­ra­me­t­rů, jako ge­o­me­t­rie nebo úpra­va ome­ze­ní, navíc lze op­ti­ma­li­zo­vat pa­ra­me­t­ry, jako např. tep­lo­ta v da­ných ob­las­tech, rych­los­ti prou­dě­ní v klí­čo­vých ob­las­tech atd. Si­mu­la­ce s vy­u­ži­tím po­kro­či­lých sys­té­mů Si­e­mens přes­ně a rych­le in­for­ma­ce o všem, co se mi­stři grilu učí lety zku­še­nos­tí.

Ně­kte­ré zá­vě­ry a do­po­ru­če­ní pro mi­s­try kot­lí­ko­vé­ho grilu

Roz­lo­že­ní tep­lo­ty uvnitř kot­lí­ku je po­měr­ně rov­no­měr­né, ale exis­tu­jí horká místa s roz­dí­lem vyš­ším než 4, 4 °C. Stej­no­měr­né roz­lo­že­ní tep­lo­ty je po­třeb­né ve všech čás­tech grilu. Tento pro­blém může být způ­so­ben umís­tě­ním spod­ních a hor­ních vě­t­ra­cích ot­vo­rů v zá­kry­tu. Lepší umís­tě­ní vě­t­ra­cích ot­vo­rů by vedlo ke zlep­še­ní.
Na vněj­ším po­vrchu spod­ní části grilu do­chá­ze­lo k ne­rov­no­měr­né­mu roz­lo­že­ní tep­lo­ty, jež může být způ­so­be­no úni­kem hor­ké­ho vzdu­chu nebo ko­vo­vý­mi doplňky. Zde je po­tře­ba sku­teč­ný důvod ne­rov­no­měr­nos­ti od­ha­lit hlub­ší ana­lý­zou.
Tep­lot­ní sonda uka­zu­je o více než 37, 7 °C nižší tep­lo­tu, než mají ně­kte­ré ob­las­ti grilu. Bylo by vhod­né pro­vést víc stu­dií a si­mu­la­cí a zjis­tit ko­rekč­ní fak­tor, který by ne­srov­na­lost vy­ře­šil. Mož­ným ře­še­ním by bylo i vy­u­ži­tí více tep­lot­ních sond k zís­ká­ní lepší před­sta­vy o dis­tri­buci tep­lo­ty uvnitř grilu.