دستور العملی برای طراحی اجاق القایی با استفاده از شبیه سازی چند فیزیک

وقتی کوچک بودم، دوست داشتم شب را در خانه پدربزرگ و مادربزرگم بگذرانم، جایی که اجازه داشتم تلویزیون ببینم، تا دیروقت بیدار بمانم و صبح ها به مادربزرگم کمک کنم تا پنکیک درست کند. سخت ترین قسمت همیشه انتظار برای گرم شدن مشعل برقی قدیمی و آهسته اش بود – برای خود شش ساله من، به نظر می رسید ساعت ها طول می کشد تا مشعل به اندازه کافی داغ شود پس از اتمام مخلوط کردن خمیر. خوشبختانه برای من، و برای دیگر سرآشپزهای بی حوصله، اکنون یک گزینه سریعتر و مطمئن تر وجود دارد: اجاق گاز القایی.

با یک اجاق گاز القایی، قابلمه داغ می شود، در حالی که
سطح اجاق گاز خنک می شود.

تاریخچه طراحی اجاق گاز القایی

اگرچه اولین ثبت اختراع اجاق گازهای القایی به دهه 1900 برمی گردد، اولین طرح ها تا دهه 1970 در بازار ظاهر نشدند و از بسیاری جهات فاقد آن بودند. آنها در پاسخگویی به تنظیمات دما آهسته بودند، پر سر و صدا، گران بودند و هنوز پیشرفت هایی در بهره وری انرژی داشتند. امروزه اجاق‌های القایی راه طولانی را طی کرده‌اند و نسبت به مدل‌های اول پیشرفت‌های زیادی را ارائه می‌کنند.

در مقاله‌ای که اخیراً برای اخبار COMSOL امسال نوشتم ، «شبیه‌سازی چندفیزیکی به Miele برای بهینه‌سازی طرح‌های اجاق‌های القایی کمک می‌کند»، در مورد اینکه چگونه COMSOL Multiphysics توسط محققان Miele برای بهبود طرح‌های اجاق‌های القایی‌شان استفاده شد، آشنا شدم. من این فرصت را داشتم که مستقیماً با کریستین شرودر از mieletec FH Bielfeld (آزمایشگاه مشترک بین دانشگاه علوم کاربردی بیله‌فلد، آلمان و Miele & Cie. KG) صحبت کنم و در مورد روش‌های جالبی که آنها از رویکرد چندفیزیکی در شبیه‌سازی‌های خود استفاده کرده‌اند، بشنوم. . کریستین تجربیات طراحی بسیار جالبی برای توصیف داشت، و مصاحبه من که فقط 30 دقیقه برنامه ریزی شده بود، در نهایت بیش از یک ساعت به طول انجامید و یک لحظه از آنجا گذشت.

شبیه سازی مولتی فیزیک و طراحی اجاق القایی

در طول مصاحبه، با فیزیک مربوط به طراحی آنها آشنا شدم. اجاق های القایی از گرمایش القایی برای گرم کردن محتویات یک قابلمه یا تابه استفاده می کنند. یک جریان متناوب (AC) از یک سیم پیچ مسی که در زیر اجاق گاز قرار دارد عبور می کند تا یک میدان مغناطیسی در داخل فلز دیگ ایجاد شود. این میدان مغناطیسی جریان های گردابی ایجاد می کند که به نوبه خود فلز دیگ را از طریق اثر گرمایش ژول گرم می کند.. برخلاف اجاق های گازی یا برقی سنتی که از رسانایی برای گرم کردن اجاق گاز و سپس قابلمه استفاده می کنند، اجاق القایی فقط فلز خود دیگ را گرم می کند. این باعث می‌شود صفحه اجاق گاز خنک شود – که برای سرآشپز جوانی مثل من طراحی بسیار ایمن‌تری داشت – و همچنین تمیز کردن آن آسان‌تر است، زیرا غذا روی سطح آن پخته نمی‌شود. علاوه بر این، اجاق‌های القایی سریع‌تر هستند و می‌توانند یک قابلمه آب را در کمتر از نیمی از زمانی که در اجاق‌های برقی طول می‌کشد بجوشانند.

در طول مصاحبه، کریستین همچنین چند چالش طراحی جالب را که محققان mieletec هنگام تجزیه و تحلیل نمونه‌های اولیه خود با آن مواجه بودند، توضیح داد. به عنوان مثال، قبل از بهینه‌سازی، سیستم به دلیل فرکانس جریان الکتریکی که از سیم‌پیچ‌های مسی عبور می‌کند، صدایی با صدای بلند منتشر می‌کرد. برای حل این مشکل، کریستین و تیم محققانش از COMSOL Multiphysics برای یافتن فرکانس جریان متناوب و هندسه سیم پیچی استفاده کردند که کمترین نویز ممکن را تولید کند.

میدان های مغناطیسی تولید شده توسط جریان الکتریکی نیز پدیده جالب دیگری را ایجاد کرد – فعل و انفعالات مغناطیسی بین دیگ و سیم پیچ ها باعث شد تا دیگ روی اجاق گاز حرکت کند. مهندسان mieletec با استفاده از COMSOL Multiphysics، مجموعه‌ای را پیدا کردند که نیروهای مغناطیسی وارد بر دیگ را متعادل می‌کرد و از ثابت ماندن آن بر روی اجاق گاز اطمینان می‌داد.

راه اندازی یک کمپین آزمایشی که توسط دانشمندان کارکنان ورنر کلوز (چپ) و میخائیل تولستیک (راست) انجام شد. از آنجایی که صفحه اجاق گاز برداشته شده است، می توانید عملکرد داخلی اجاق گاز مانند هندسه کویل های مسی را مشاهده کنید.

شبیه سازی پنکیک عالی را می پزد

یکی از جنبه های فرآیند آزمایش و تأیید که برای من جالب بود، روش آزمایش طرح نهایی بود: استفاده از یک پنکیک! محققان Mieletec از یک پنکیک صبحانه استاندارد استفاده کردند تا تعیین کنند که آیا گرما به طور مساوی در سطح تابه توزیع می شود – اگر پنکیک در بعضی جاها سوخته و در بعضی جاها کمتر پخته شده باشد، می دانند که اجاق گاز به درستی بهینه نشده است. حتی یک مرجع آلمانی در مورد کالاهای مصرفی وجود دارد، Stiftung Warentest، که بسیاری از مارک های اجاق گاز مصرفی را بر اساس این “تست پنکیک” رتبه بندی می کند. Stiftung Warentest به این نتیجه رسید که طراحی اجاق القایی آنها در حد یکسان است و می تواند یک پنکیک کاملا قهوه ای و خوشمزه را بپزد. و بهترین چیز در مورد اجاق القایی این است که، با ترکیب سرعت اجاق گاز و دقت دمایی، می دانم که تا زمانی که مشعل برقی قدیمی مادربزرگم به دمای عالی برای پنکیک هایی که هنوز هم گرم می شود، طول نمی کشد. دوست دارد در خانه اش غذا بخورد

بیشتر خواندن

• “شبیه سازی چند فیزیک به Miele کمک می کند تا طرح های اجاق القایی را بهینه کند” در صفحه. 8 از COMSOL News 2013
• ” آشپزی القایی “