Con la parola forno si identificano tantissimi prodotti e dispositivi differenti che però sono tutti accomunati da una cosa: il fatto di usare il calore.
 
Calore che può essere generato da una restanza elettrica piuttosto che dalla combustione di un combustibile, per effettuare un processo di riscaldamento di un prodotto. Il prodotto può essere un alimento, ma ci sono anche forni molto più complessi per i processi industriali, trattamenti termici, o una declinazione particolare possono essere forni a tunnel nei quali si utilizzano flussi di aria calda per asciugare e trattare un prodotto o una fase intermedia in un processo, per esempio del packaging.
 
Come dicevamo è una classe di apparecchi molto variegata, anche se si pensa solo all’applicazione alimentare, si spazia dal forno da cucina al forno professionale per la pasticceria a forni continui per la cottura di biscotti su nastro trasportatore o i forni utilizzati nelle pizzerie per poter sfornare rapidamente il prodotto.

Tutti questi macchinari sono in qualche maniera accomunati da una serie di sfide, che sono:

• Il fatto di dover garantire la medesima qualità del prodotto finito, quindi un’omogeneità di cottura indipendentemente da dove vado a posizionare il prodotto all’interno del forno o sul nastro trasportatore.
• Il consumo energetico, fattore sempre più importante è quello di riuscire a migliorare la cottura, riuscire a ottenere una cottura più veloce al contempo minimizzando la spesa di tipo energetico.
• Il costo del forno, è chiaro che io potrei ottimizzare i processi, diciamo budget infinito si potrebbe pensare di aumentare in maniera importante gli isolamenti, migliorare la qualità dei materiali, aumentare gli spessori, però questo va poi ad incidere sul costo finale del prodotto per cui il prodotto che realizzo inteso come prodotto forno deve essere comunque economicamente sostenibile per l’azienda.

Per cui alla fine si tratta di riuscire a trovare un punto di equilibrio tra tutte queste problematiche.
 
Abbiamo visto che ci sono molti punti a comune e bene o male il comportamento all’interno del forno è governato attraverso vari fenomeni che vengono tradotti alla fine in equazioni matematiche, che sono stati studiati negli anni dai ricercatori.
 
Conduzione
Questa è un’equazione matematica che ci dice che il calore si sposta spontaneamente dalle zone di temperatura più alta alle zone a temperatura più bassa.
 
Convezione
Altro fenomeno che può avvenire all’interno del forno è lo scambio termico tra il prodotto, il pollo, e l’aria circostante. Il flusso di calore dipende dalla superficie bagnata, dal coefficiente di scambio termico convettivo, che dipende a sua volta dal moto del fluido e dal salto di temperatura tra il solido e il fluido.
 
Irraggiamento
Il calore si trasferisce tra due corpi a distanza attraverso una radiazione ottica.
 
Combustione
Esiste una reazione chimica tra combustibile e comburente che produce energia e dei gas prodotti dalla combustione. Questa energia poi in qualche maniera viene trasferita sotto forma di calore con i meccanismi che abbiamo visto sopra.
 
Da qui si capisce che questo è un vero e proprio problema multifisico perché entrano in gioco vari meccanismi nello scambio termico, che può essere risolto a vari livelli di dettaglio o di complessità attraverso la simulazione termo-fluidodinamica CFD.

Perché l’uso della simulazione al calcolatore, rispetto a un workflow tradizionale dove si va per tentativi, quindi con un approccio trial & error, costruisco, provo, se non funziona aggiorno, ricostruisco e riprovo con tempi e costi di una certa entità.
 
L’utilizzo della simulazione al calcolatore mi permette di limitare al massimo le iterazioni sulla macchina finita e di concentrarmi su una serie di test e prove che faccio in ambiente virtuale, dove sicuramente riesco a reagire molto più rapidamente a eventuali problemi che vado a identificare durante lo sviluppo della macchina e soprattutto riesco a accorciare il time to market e a ridurre di molto il costo di realizzazione della macchina in quanto scarto, riesco ad individuare e scartare prima di averci picchiato la testa tutti quei problemi che mi comporterebbero poi di dover fare delle modifiche in corso d’opera.
 
Al progettista in sostanza che cosa offre l’analisi fluidodinamica?
Offre la possibilità di studiare gli effetti dello scambio termico. Quindi cosa succede se cambio un determinato materiale, cosa succede se aumento lo spessore dell’isolante, cosa succede se sposto la posizione di una certa resistenza, ne cambio la lunghezza, cambio la forma. Riesco a vedere il percorso che fa il calore all’interno del sistema, chi lo cede, chi lo riceve, chi ne riceve di più, chi ne riceve di meno. Posso studiare i flussi, nel momento in cui non è solo una questione di calore, ma all’interno del processo è importante anche per omogeneità avere velocità dell’aria, temperature locali, riesco a identificare e eventualmente modificare le distribuzioni di queste variabili intervenendo sulla geometria.
 
Posso simulare il processo, quindi in questo caso l’interazione tra il forno e il prodotto.

Nella simulazione termica è possibile tenere conto di un termostato?
Allora si, dipende dallo strumento che viene utilizzato.
Chiariamo che cosa si intende per termostato nell’analisi fluidodinamica. Si tratta di una specie di sensore che misura la temperatura in un modello, in un punto del modello CFD e in base al valore di temperatura che raggiunge funziona come uno switch. Quindi, se la temperatura cresce sopra un valore di soglia si spegne, oppure si accende quando la temperatura scende sotto un altro valore di soglia. Questa funzione non è presente in FloEFD, mentre sia con Simcenter 3D con il modulo Thermal che con Star-CCM+ c’è la possibilità di controllare le condizioni al contorno utilizzando uno switch termico.
 
Nella simulazione della combustione è possibile calcolare la composizione dei gas generati?
Allora premetto che non sono un esperto di simulazione di combustione però la risposta è affermativa. In questo caso Simcenter 3D non è in grado di simulare la combustione, mentre sia FloEFD che Star-CCM+ hanno dei modelli di materiale che sono in grado di gestire la reazione chimica tra il combustibile e il comburente. Questa reazione produce energia e calcola la composizione dei fumi in termini di quantità di vapore d’acqua, quantità di CO2, quantità di CO, quantità di NOX. È chiaro che si tratta di modelli matematici che hanno delle approssimazioni, però vanno molto vicino al comportamento reale.
 
È possibile simulare fenomeni di essiccazione quindi con arricchimento dell’aria in umidità?
Si, in questo caso sia FloEFD che Star-CCM+ hanno la possibilità di definire l’umidità dell’aria e definire anche i livelli di umidità all’interno dei solidi, quindi vedere anche la traspirazione dal solido verso l’esterno.
 
Quando esposto finora può essere trasposto nell’analisi di una cella frigo? Nella fattispecie una ferma lieviti quindi abbattimento termico prima e riscaldamento poi?
Certamente sì, si può, dipende tutto dal meccanismo di scambio termico, il processo può essere basato su convezione, conduzione e irraggiamento in questo caso può essere sia per aggiungere calore, quindi riscaldare ed era il tema del webinar di oggi, ma lo si può utilizzare anche per il raffreddamento.
 
Processo per usare le mappe termiche risultanti per analisi strutturali e come vengono rimpattate sulle mesh strutturali?
Allora questa è una domanda molto tecnica, uno dei temi giustamente dell’analisi multifisica è quella di dire va beh l’aspetto termico sul prodotto è una cosa, ma questa temperatura che cosa mi produce sul prodotto da un punto di vista strutturale? Posso avere dei problemi? Queste mappe di temperatura si possono trasferire a modelli strutturali usando delle tecniche di mappatura quindi usando Simcenter 3D, usando Femap, NX Nastran è possibile prendere i risultati sia di FloEFD, che Simcenter 3D, che di Star-CCM+ e eseguire diciamo un’analisi termo-strutturale in questo caso disaccoppiata, quindi non tengo conto degli effetti, di come la struttura, la risposta strutturale, mi cambia la mappa di temperatura, ma io riesco a mapparle su modelli completamente differenti e da questi tirar fuori le mappe di sollecitazione. Quindi sono dei Widzard che sono presenti all’interno del software che permettono di fare automaticamente questo tipo di trasferimento. Un caso particolare, giusto per chiudere questa domanda, Star-CCM+ permette anche di fare analisi strutturale usando un approccio ai volumi finiti, per cui in quel caso riesco a fare un’analisi termo-strutturale accoppiata, però con un approccio che numericamente è meno accurato rispetto al FEM per vedere gli stress sul componente.
 
È possibile fare una simulazione su uno stagionatore di salumi, dove vado a controllare umidità, temperatura e tempo?
La risposta è sì, si può fare, in una risposta precedente ho detto che si può tener conto non solo dei flussi di aria all’interno della camera, ma si può simulare anche l’umidità presente all’interno del prodotto e quindi facendo delle simulazioni di tipo transitorio si può andare a modellare il livello di umidità all’interno del prodotto. È chiaro che dentro i software di analisi fluidodinamica non c’è il materiale “salame” che mi definisce quella che è la diffusività dell’umidità all’interno del prodotto per cui sicuramente ci sarà da fare delle ricerche bibliografiche per capire che tipo di caratteristiche deve avere questo materiale, il materiale salame, però una volta che sappiamo quali numeri possiamo mettere dentro a livello di densità, conducibilità, parametri della legge di Darcy, della legge di Fick e così via si può simulare esattamente come altri oggetti.