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.


Jak se stát dokonalým mistrem grilu

Téměř každý z nás v létě připravuje na grilu maso či zeleninu. 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 číslo 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 6) ukazuje, že teplotní rozložení na vnějším povrchu není rovnoměrné. Horký vzduch vychází horními ventilačními otvory (viz obrázek 6 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. 6 bublina 2). Stav druhé strany grilu, kde je umístěna sonda, ukazuje obrázek číslo 7 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 8), 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.

Váš komentář