LA SIMULAZIONE AIUTA WHIRLPOOL AD AUMENTARE L'EFFICIENZA TERMICA ED ENERGETICA DEI SUOI FORNI
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u acusticau
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.
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 la-
vorano per Whirlpool R&D (società italiana) stan-
no 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 comprende-
re meglio il processo di trasferimento del calore
che si verifica all’interno di un forno per uso do- Fig 1 - A sinistra: il forno Minerva di Whirlpool preparato
mestico, ma anche di testare strategie innovative per il “test del mattone”. Sopra: La geometria discretizzata.
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per aumentare l’efficienza energetica,” afferma
In termini di consumo energetico, Nelson Garcia Polanco, Ricercatore e Ingegnere
i forni sono l’elettrodomestico da Termico presso Whirlpool R&D, impegnato nel pro-
cucina con il maggior margine getto GREENKITCHEN. “Il nostro obiettivo è quello
di ridurre il consumo energetico dei forni Whirlpo-
di miglioramento, dal momento
ol di oltre il 20%.” Anche se in Europa è installato
che solo il 10-12% dell’energia un solo forno elettrico ogni tre famiglie, l’aumento
totale consumata viene usata per di efficienza che potremmo ottenere ridurrebbe il
riscaldare il cibo durante la sua consumo domestico annuale di elettricità in Euro-
pa di circa 850 terawatt orari. Questo porterebbe
preparazione. Questo è uno dei a una riduzione di circa 50 milioni di tonnellate di
motivi per cui Whirlpool Corporation, emissioni di CO2 all’anno.
la più grande azienda produttrice
di elettrodomestici al mondo, sta Leggero come una piuma, non pesante
studiando nuove strategie per come un mattone
aumentare l’efficienza dei suoi forni Una pagnotta dovrebbe essere leggera come una
per uso domestico. Utilizzando una piuma e non, come si dice, pesante come un mat-
tone. Per ironia della sorte, il test standard stabi-
combinazione di prove sperimentali lito dall’Unione Europea per misurare il consumo
e analisi agli elementi finiti (FEA), energetico, noto come “il test del mattone”, con-
gli ingegneri di Whirlpool sono alla siste nel riscaldare un mattone impregnato d’ac-
ricerca di soluzioni per migliorare qua e misurare la distribuzione della temperatura
e l’evaporazione dell’acqua durante il processo.
l’efficienza energetica, esplorando “Viene usato un mattone perché in questo modo
nuove possibilità di utilizzo dei è possibile garantire un test standard per tutti i
materiali e nuove modalità di forni. Il mattone è realizzato in modo tale da ave-
produzione e di progettazione degli re delle proprietà termiche e una porosità simili a
quelle di molti alimenti e questo lo rende un buon
elementi termici. sostituto,” afferma Garcia-Polanco.
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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.
Durante l’esperimento, un mattone umido con Simulazioni accurate forniscono la
una temperatura iniziale di 5°C viene posiziona- soluzione corretta in minor tempo
to al centro del forno e riscaldato finché non si Il segreto di una cottura “efficiente” è legato alla
ottiene un incremento di temperatura definito (in velocità del trasferimento di calore, che consiste
questo caso, 55°C). La temperatura e la quantità nella velocità con la quale il calore si sposta da
di acqua evaporata nel mattone vengono acqui- un punto a un altro. All’interno di un forno, il cibo
site per tutta la durata dell’esperimento. Usando viene riscaldato mediante una combinazione di
il software di simulazione COMSOL Multiphysics, conduzione, convezione e irraggiamento. “Un ci-
Garcia-Polanco e il suo gruppo hanno creato un clo statico riscalda il forno dal basso (cottura) e
modello del forno Minerva di Whirlpool, per stu- dall’alto della cavità (griglia) usando i corrispon-
diare la sua prestazione termica durante il test denti elementi riscaldanti, mentre un ciclo di cot-
(Figura 1). tura a convezione forzata usa la stessa configu-
razione con l’aggiunta di un ventilatore interno,”
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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.
afferma Garcia-Polanco. “Quindi, il riscaldamento di di riscaldamento (Figura 2), oltre a una combi-
per irraggiamento è più importante durante un ci- nazione di diversi altri elementi, tra cui le proprietà
clo statico mentre il riscaldamento per convezio- dei materiali, la forma del forno e il tipo di cibo
ne è predominante durante un ciclo a convezione da preparare. Vi sono diversi fattori di particolare
forzata.” La simulazione ha considerato le diverse importanza da tenere in considerazione quando si
velocità di trasferimento del calore per i vari meto- esamina il comportamento transitorio del modello
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di un forno. “Abbiamo considerato l’emissività del- lore sperimentale era infatti pari a 171 grammi di
lo sportello di vetro, lo spessore delle pareti e le acqua evaporata dopo 50 minuti, mentre il valore
proprietà dei materiali di cui sono costituite” rac- medio calcolato era di 166 grammi. “Conoscere la
conta Garcia-Polanco. “Abbiamo quindi effettuato velocità con la quale l’acqua evapora nel mattone
un confronto dettagliato tra i risultati ottenuti dalla ci aiuterà a condurre ulteriori studi per individuare
simulazione e quelli sperimentali per tutto il ciclo diverse strategie finalizzate alla riduzione del con-
di riscaldamento. Questo ci ha aiutato a verificare sumo energetico, senza penalizzare la qualità fina-
l’accuratezza della nostra simulazione.” le del prodotto,” sostiene Garcia-Polanco.
Oltre alle previsioni sulla temperatura delle su-
perfici del forno, sono state acquisite informazio- La ricetta per una cottura di alta qua-
ni dettagliate sui profili di temperatura e di con- lità ed ad alta efficienza
centrazione dell’acqua all’interno del mattone.
“Abbiamo osservato il comportamento termico I risultati ottenuti da questo studio contribuiranno
nel mattone,” afferma Garcia-Polanco (Figura 3). ulteriormente al raggiungimento dell’obiettivo del
“Quando poi abbiamo paragonato i dati ottenuti progetto GREENKITCHEN, che è quello di creare la
dalla simulazione con quelli sperimentali, abbia- cucina del futuro, per ridurre il consumo naziona-
mo scoperto che le nostre previsioni relative alla le di energia e migliorare l’efficienza energetica in
temperatura interna del mattone trovavano ottimo Europa. Avere un modello di riferimento collaudato
riscontro.” Sapere che la simulazione è accurata e affidabile semplifica la verifica di nuove idee pro-
permetterà al team di Whirlpool di analizzare il for- gettuali e lo studio delle modifiche da apportare a
no e il mattone in qualsiasi punto dello spazio e un prodotto, perché aiuta i progettisti a trovare la
del tempo, sicuri dei risultati che otterranno. “Per soluzione corretta in minor tempo. “Questo studio
i nostri esperimenti futuri, questa sicurezza ci aiu- ha confermato che il nostro modello è corretto. In
terà a risparmiare tempo e denaro, riducendo il questo modo, quando in futuro testeremo nuove
numero di prototipi e di iterazioni progettuali so- idee progettuali potremo essere confidenti riguar-
litamente necessarie prima di definire il progetto do ai risultati ottenuti,” conclude Garcia-Polanco.
finale di un forno.” Il gruppo ha anche monitora- “Il nostro prossimo passo sarà quello di usare que-
to la concentrazione dell’acqua nel mattone nel sto modello per ottimizzare l’uso delle fonti ener-
corso dell’esperimento. I risultati sperimentali si getiche del forno e lanciare sul mercato europeo
avvicinavano molto a quelli della simulazione: il va- un prodotto robusto ed efficiente.”
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