Opvarmning i Mikrobølgeovn: Beregninger med Finite Element metoden Danish Technological Institute Lars Rindorf
Mikrobølgeovn Ovn som varmer med radiobølger Elektrisk frekvens 2.45 GHz Bølgelængde l = 12 cm Materialer er karakteriseret ved: Elektrisk permitivitet = brydningsindeks2 Tabstangent angiver absorption Varmekapacitet Massetæthed Varmeledningsevne Madvarer og væsker absorberer stråling men glas og keramik er næsten gennemsigtigt
Udfordringer med mikroovn Ovnens rum er omtrent samme størrelse som bølgelængde l. Ujævn opvarmning pga. ujævn elektromagnetisk tæthed Komplekst fysisk problem: Elektromagnetisk Ovenstørrelse sml. bølgelængde giver stort numerisk problem Usikkerhed på elektromagnetiske parametre (svære at måle) Varmeledning Madens absorption afhænger af temperatur Luftkonvektion spiller en betydelig rolle Vanddamp i luften måske betydelig Tid: Stråling ændrer sig på ~ nanosekund, varmeledning ~1 sekund Roterende tallerken med mad 3D = ulineært koblet elektromagnetisk og varmelednings problem i 3 dimensioner
Model Finite element metode Som i Center for Emballage og Transport Deler rummet op i ’endelige elementer’ Kan i teori og praksis løse hele problem eksakt Kræver betydelig computerkraft + viden Forsimplende antagelser (i vores model) Ingen luft- og væskekonvektion Varmeabsorption konstant i temperatur Tallerken roterer ikke Inderside af oven (metal) Keramikkrus med ’suppe’ Model Som i Center for Emballage og Transport Strålingsindgange Glastallerken
Resultater: Elektrisk felt Elektromagnetisk intensitet = Elektrisk felt kvadreret Kompliceret mønster af stående bølger Indgange Elektrisk felt normal på udbredelsesretning Ringe indtrængning i maden
Resultater: Effekt strøm felt Varme afsat er proportional med effekt strøm Effekt reflekteres fra ovnens bagvæg Indstrøm af effekt Ringe indtrængning i maden
Resultater: Varme afsat ved 50 W indgangseffekt Efter 38 sekunder Væske temperatur cold spot = 30o Hot spot = 65o Effekt strøm
Konklusion Simuleringen af opvarmning er muligt Komplekst problem ’Hot spots’ i opvarmning ses af en kop suppe Model kan udvides MED Rotation af tallerken Temperatur afhængig Effektivitet af ovnen kan beregnes (ca. 60 %) På lang sigt Aluminiumsfolie kan simuleres (i alle former) Hurtigere design af indpakning Større indsigt i design af indpakning, da man kan se ’det som ikke kan fysisk ses/måles’