SUPERVISOR
Mohsen DavazdahEmami,Ahmad Saboonchi
محسن دوازده امامی (استاد مشاور) احمد صابونچی (استاد راهنما)
STUDENT
Faramarz Kahbandeh
فرامرز کاه بنده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
mathematical simulation of heat transfer process in the food industry
Identify and control the process temperature changes and homogeneous distribution in a heating or cooking process is particularly important in the final quality of the product. Therefore, solving equations and finding identical and homogeneous temperature distribution that can accurately predict these changes, contributed greatly to this issue. In previous research solving equations and factors of food is thoroughly investigated. Factors that affect how the heat transfer is achieved for various foodstuffs. In the design of household microwave ovens geometry not considered to more homogeneous and faster increase distribution of temperature food. In this study. In addition to predict temperature distribution in various foods in household microwave studied geometry suitable for the microwave heated combined with direct heat transfer is investigated. In the present work, according to the need and the lack of analytical solution of equations, finite element method has been used for discretize equations, which Comsol commercial software is used. Simulation Microwave ovens for two and three-dimensional geometry simulation was conducted, comparing the results of two and three-dimensional geometry was observed that the two-dimensional model results are totally unacceptable. In a three-dimensional model results compared with experimental data and good agreement is observed for numerical and experimental, the maximum error of 5 percent was observed. By comparing the different modes of grid, grid size of a quarter wave amplitude results were independent of the grid. According to internal generation of heating food in microwave. Convection heat transfer from food did not has any effect on calculation. The average maximum temperature in addition to reducing cooking time also creates a favorable quality. In addition to reducing cooking time, homogeneous temperature is important for avoiding raw food in cooking. Entrance area of electromagnetic waves in different conditions compared and it was observed that when the width of the inlet microwave is equal to the dielectric object, maximum average temperature of the object is created. With increasing area of opening more than size of dielectric body, temperature distribution will be more heterogeneous. But in the case of a dielectric body height, if the height of the inlet was equal with the dielectric body heigh, the most homogeneous temperature is created which is also the desired mode. In microwave cooking it was shown that in higher temperature, imaginary part of dielectric property will increse and it means dielectric material lose more waves and got warmer. For having more efficency in microwave heating, microwave can be used in combined with heat system. In this study, combination microwave cooking and direct heat transfer has taken place. In this case part of the dielectric body has a higher temperature compare to the whole object at the beginning of cooking. The maximum temperature in microwave cooking and combined mode were the same, but the average temperature distribution at each time step in combined cooking was more than microwave cooking. Baking with more homogeneous temperature distribution is desirable. Keywords: Microwave, Dielectric properties, Microwave cooking
: شناسایی و کنترل روند تغییرات دما و توزیع همگن در یک فرآیند گرمادهی و یا پخت اهمیت ویژه ای در رسیدن به کیفیت نهایی محصول دارد. لذا حل معادلات و یافتن توزیع دمای یکسان و همگن که بتواند این تغییرات را به صورت دقیق پیش بینی کند، کمک زیادی به این مساله خواهد کرد. در تحقیقات گذشته نحوه ی حل معادلات و فاکتورهای موثر در پخت غذا به صورت کامل مورد بررسی قرار گرفته است. ضرایب موثر در نحوه ی انتقال حرارت برای مواد غذایی گوناگون بدست آمده است. در طراحی مایکروویوهای خانگی به هندسه مایکرو,یو در توزیع افزایش دمای سریعتر و همگن تر مواد غذایی توجه ای نشده است. در این تحقیق علاوه بر پیش بینی توزیع دما در مواد غذایی گوناگون، هندسه مناسب برای مایکروویو خانگی مورد بررسی قرار گرفته و گرمایش ترکیبی مایکروویو همزمان با انتقال حرارت مستقیم بررسی شده است. در کار حاضر بنا به نیاز مسئله و نداشتن حل تحلیلی معادلات از روش عددی اجزا محدود و از نرم افزار تجاری کامسول استفاده شده است.شبیه سازی مایکروویو برای هندسه دو و سه بعدی انجام شد، با مقایسه نتایج دو هندسه دو و سه بعدی مشاهده شد که مدل کردن دو بعدی پخت با مایکروویو نتایج کاملاً غیر قابل قبولی ارائه می دهد و برای مدل کردن درست پدیده پخت با مایکروویو نیاز به حل سه بعدی است. نتایج کار حاصل در مدل کردن سه بعدی با نتاج آزمایشگاهی پتچای مقایسه و مشاهده شده نتایج عددی و آزمایشگاهی تطابق خوبی را داراست، که حدا کثر خطا 5 درصد است. با مقایسه حالت های مختلف شبکه بندی و انتخاب اندازه شبکه بندی برابر یک چهارم دامنه موج نتایج از شبکه بندی مستقل شد. با توجه به انتقال حرارت درونی ماده دی الکتریک در پخت با مایکروویو در نظر گرفتن انتقال حرارت همرفت اطراف ماده دی الکتریک تاثیری در دمای ماده دی الکتریک ندارد.دمای میانگین بیشنه علاوه بر افزایش زمان پخت کیفیت مطلوب را نیز ایجاد می کند. در مایکروویوها علاوه بر کاهش زمان پخت دمای همگن و جلوگیری از خام بودن قسمتی از غذا باید مد نظر قرار بگیرد. مساحت دهانه ورودی امواج الکترومغناطیس در حالت های مختلف مقایسه و مشاهده شد در حالتی که عرض دهانه ورودی امواج مایکروویو برابر جسم دی الکتریک باشد دمای میانگین بیشینه در جسم دی الکتریک ایجاد می شود. با افزایش سطح دهانه ورودی امواج بیشتر از اندازه جسم دی الکتریک توزیع دمایی ناهمگن تر است. ارتفاع دهانه ورودی امواج مایکروویو نیز بررسی و مشاهده شد که در حالتی که ارتفاع دریچه از کف مایکروویو برابر طول موج امواج ورودی باشد بیشینه دما ایجاد می شود. اما در حالتی که ارتفاع دهانه ورودی برابر ارتفاع جسم دی الکتریک باشد، همگن ترین دما ایجاد می گردد که حالت مطلوب و مورد نظر نیز می باشد. در بررسی دمای حاصل از پخت مواد مواد غذایی مختلف با مایکروویو نشان داده شدکه در دما های بالاتر قسمت موهومی ویژگی دی الکتریک افزایش یافته و توانایی جذب مواد در اتلاف امواج دی الکتریک بیشتر است. برای افزایش کارایی و بهینه سازی سیستم مایکروویو می توان از سیستم ترکیبی گرمایی استفاده کرد. در این سیستم ها چند نوع پخت همزمان روی ماده مورد نظر انجام می شود. در این تحقیق پخت ترکیبی مایکروویو و انتقال حرارت مستقیم مد نظر قرار گرفته است، که قسمتی از جسم دی الکتریک دارای دمای بالاتری از جسم در لحظه شروع پخت است. در نهایت دمای بیشینه در حالت پخت با مایکرویو و پخت ترکیبی یکسان، اما دمای میانگین در هر گام زمانی در پخت ترکیبی بیشتر از پخت مایکرویو است و دمای میانیگن بیشتر باعث پخت همگن تر است. کلمات کلیدی: امواج مایکروویو، خاصیت دی الکتریک، پخت مایکروویو