Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 88
Sett./Ottobre
ISSN 1128-3874
Energetica

La simulazione aiuta Whirlpool ad aumentare l’efficienza termica ed energetica dei suoi forni

A cura di COMSOL

I ricercatori di Whirlpool Corporation usano la simulazione per testare tecnologie innovative e sostenibili per la progettazione di nuovi forni.

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In collaborazione con il Progetto GREENKITCHEN, un’iniziativa europea che incentiva lo sviluppo di elettrodomestici ad alta efficienza energetica con un ridotto impatto ambientale, i ricercatori che lavorano per Whirlpool R&D (società italiana) stanno studiando il consumo energetico dei loro forni, analizzando i processi di trasferimento del calore per convezione, conduzione e irraggiamento. “Le analisi multifisiche ci consentono di comprendere meglio il processo di trasferimento del calore che si verifica all’interno di un forno per uso domestico, ma anche di testare strategie innovative per aumentare l’efficienza energetica,” afferma Nelson Garcia Polanco,  Ricercatore e Ingegnere Termico presso Whirlpool R&D, impegnato nel progetto GREENKITCHEN. “Il nostro obiettivo è quello di ridurre il consumo energetico dei forni Whirlpool di oltre il 20%.” Anche se in Europa è installato un solo forno elettrico ogni tre famiglie, l’aumento di efficienza che potremmo ottenere ridurrebbe il consumo domestico annuale di elettricità in Europa di circa 850 terawatt orari. Questo porterebbe a una riduzione di circa 50 milioni di tonnellate di emissioni di CO2 all’anno.

Fig 1 - A sinistra: il forno Minerva di Whirlpool preparato per il “test del mattone”. Sopra: La geometria discretizzata.

Leggero come una piuma, non pesante come un mattone

Una pagnotta dovrebbe essere leggera come una piuma e non, come si dice, pesante come un mattone. Per ironia della sorte, il test standard stabilito dall’Unione Europea per misurare il consumo energetico, noto come “il test del mattone”, consiste nel riscaldare un mattone impregnato d’acqua e misurare la distribuzione della temperatura e l’evaporazione dell’acqua durante il processo. “Viene usato un mattone perché in questo modo è possibile garantire un test standard per tutti i forni. Il mattone è realizzato in modo tale da avere delle proprietà termiche e una porosità simili a quelle di molti alimenti e questo lo rende un buon sostituto,” afferma Garcia-Polanco.  

Durante l’esperimento, un mattone umido con una temperatura iniziale di  5°C viene posizionato al centro del forno e riscaldato finché non si ottiene un incremento di temperatura definito (in questo caso, 55°C). La temperatura e la quantità di acqua evaporata nel mattone vengono acquisite per tutta la durata dell’esperimento. Usando il software di simulazione COMSOL Multiphysics, Garcia-Polanco e il suo gruppo hanno creato un modello del forno Minerva di Whirlpool, per studiare la sua prestazione termica durante il test (Figura 1).

 

Simulazioni accurate forniscono la soluzione corretta in minor tempo

Il segreto di una cottura “efficiente” è legato alla velocità del trasferimento di calore, che consiste nella velocità con la quale il calore si sposta da un punto a un altro. All’interno di un forno, il cibo viene riscaldato mediante una combinazione di conduzione, convezione e irraggiamento. “Un ciclo statico riscalda il forno dal basso (cottura) e dall’alto della cavità (griglia) usando i corrispondenti elementi riscaldanti, mentre un ciclo di cottura a convezione forzata usa la stessa configurazione con l’aggiunta di un ventilatore interno,” afferma Garcia-Polanco. “Quindi, il riscaldamento per irraggiamento è più importante durante un ciclo statico mentre il riscaldamento per convezione è predominante durante un ciclo a convezione forzata.” La simulazione ha considerato le diverse velocità di trasferimento del calore per i vari metodi di riscaldamento (Figura 2), oltre a una combinazione di diversi altri elementi, tra cui le proprietà dei materiali, la forma del forno e il tipo di cibo da preparare.

Fig. 2 - Temperature previste sulle superfici del forno (scala di colori in °C) dopo 50 minuti in un ciclo di cottura (sinistra) e in un ciclo con grill (destra). Le simulazioni sono state realizzate con l’Heat Transfer Module di COMSOL Multiphysics. 

Vi sono diversi fattori di particolare importanza da tenere in considerazione quando si esamina il comportamento transitorio del modello di un forno. “Abbiamo considerato l’emissività dello sportello di vetro, lo spessore delle pareti e le proprietà dei materiali di cui sono costituite” racconta Garcia-Polanco. “Abbiamo quindi effettuato un confronto dettagliato tra i risultati ottenuti dalla simulazione e quelli sperimentali per tutto il ciclo di riscaldamento. Questo ci ha aiutato a verificare l’accuratezza della nostra simulazione.” 

Oltre alle previsioni sulla temperatura delle superfici del forno, sono state acquisite informazioni dettagliate sui profili di temperatura e di concentrazione dell’acqua all’interno del mattone. “Abbiamo osservato il comportamento termico nel mattone,” afferma Garcia-Polanco (Figura 3). “Quando poi abbiamo paragonato i dati ottenuti dalla simulazione con quelli sperimentali, abbiamo scoperto che le nostre previsioni relative alla temperatura interna del mattone trovavano ottimo riscontro.” Sapere che la simulazione è accurata permetterà al team di Whirlpool di analizzare il forno e il mattone in qualsiasi punto dello spazio e del tempo, sicuri dei risultati che otterranno. “Per i nostri esperimenti futuri, questa sicurezza ci aiuterà a risparmiare tempo e denaro, riducendo il numero di prototipi e di iterazioni progettuali solitamente necessarie prima di definire il progetto finale di un forno.”

Fig. 3 - Sopra: concentrazione dell’acqua sulla superficie del mattone (in moli per metro cubo) alla fine del test di simulazione. A destra: profili di temperatura previsti in diverse sezioni del mattone dopo 50 minuti a 200°C.

Il gruppo ha anche monitorato la concentrazione dell’acqua nel mattone nel corso dell’esperimento. I risultati sperimentali si avvicinavano molto a quelli della simulazione: il valore sperimentale era infatti pari a 171 grammi di acqua evaporata dopo 50 minuti, mentre il valore medio calcolato era di 166 grammi.  “Conoscere la velocità con la quale l’acqua evapora nel mattone ci aiuterà a condurre ulteriori studi per individuare diverse strategie finalizzate alla riduzione del consumo energetico, senza penalizzare la qualità finale del prodotto,” sostiene Garcia-Polanco. 

 

La ricetta per una cottura di alta qualità ed ad alta efficienza

I risultati ottenuti da questo studio contribuiranno ulteriormente al raggiungimento dell’obiettivo del progetto GREENKITCHEN, che è quello di creare la cucina del futuro, per ridurre il consumo nazionale di energia e migliorare l’efficienza energetica in Europa. Avere un modello di riferimento collaudato e affidabile semplifica la verifica di nuove idee progettuali e lo studio delle modifiche da apportare a un prodotto, perché aiuta i progettisti a trovare la soluzione corretta in minor tempo. “Questo studio ha confermato che il nostro modello è corretto. In questo modo, quando in futuro testeremo nuove idee progettuali potremo essere confidenti riguardo ai risultati ottenuti,” conclude Garcia-Polanco. “Il nostro prossimo passo sarà quello di usare questo modello per ottimizzare l’uso delle fonti energetiche del forno e lanciare sul mercato europeo un prodotto robusto ed efficiente.”

Gli autori:

Joaquin Capablo, Ingegnere Energetico; John Doyle, Capo Ingegnere presso il Dipartimento di Energia & Ambiente; Nelson Garcia-Polanco, Ingegnere Termico.

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