Utilizzo di tecnologie avanzate per applicazioni di "high speed cooking"

The microwave (MW) technology has become crucial in "high speed cooking" equipment. This new generation of cooker is still being refined and still finding its place in today's kitchens, but it is clear that these new high speed ovens can cook a wide variety of products and cook them faster than anything previously on the market. In ordinary cooking, heat is applied to the outside of food and it gradually penetrates to the inside. In MW cooking, the heat is generated within the food. Thus, a shorter heating time and a higher efficiency are some of the benefits of this technology. MW cooking is rapid, but non-uniform. MW heating is non-uniform mainly because of the inherently uneven distribution of the electromagnetic (EM) field inside the oven cavity. As the energy penetrates a lossy material, it is absorbed and less of it remains to penetrate further. Thus, energy absorption is non-uniform. Moreover, the energy absorption process is strongly affected by shape, size, dielectric properties of materials, position of the workload, as well as by the cavity geometry and dimensions. MW heating systems must provide uniform heating to obtain high quality products and avoid the so-called hot spots and cold spots. Traditionally, the temperature uniformity is accomplished by moving parts within the applicator, using mode stirrers, employing turntable or a combination of these techniques. Unfortunately, these techniques are not applicable within all type of resonant cavities. Other techniques which do not involve moving parts are: the pulsing MW energy or the phase shifting for different sources of MW energy. The phase shift technique and its effects on the EM field distribution and heating of a workload is discussed in the Thesis. The study of MW power sources has increased popularity among researchers in the field of cooking systems. In the last few years the innovative high frequency power solid state devices has gained much attention in place of magnetron due to their higher performances. In particular, a more careful control of the cooking process, which guarantees a more uniform heating of the foodstuff, can be achieved by using the solid state devices. This result can be reached, for instance, by using a properly phase shift for different sources of MW energy and it is discussed in the Thesis. Another solution, that is examined, involves the use of slots in the waveguide wall, which radiate EM energy from the waveguide. Since a multi slotted waveguide can be considered as an antenna array, a proper design of the slotted waveguide antennas, which feed the launch box and the MW applicator, is proposed in order to attain a more uniform temperature distribution without the need of moving parts. The effectiveness of the aforementioned technical solutions has been verified by means of numerical simulations on a test case model of practical interest, named "panini grill". The use of MW technology ensures a sandwich is heated through without a cold centre while reducing cooking time significantly. In the 3D numerical model two physical phenomena, i.e. EM wave propagation and heat transport, are coupled together by the thermal effects of MW energy deposition and the temperature-dependent material parameters. The coupled problem is solved by means of a FEA commercial software (COMSOL). In order to achieve the design parameters for the slotted waveguide feeding system and the phase shifting, which guarantee the more uniform hating, an optimization problem has been solved. More specifically, a metamodels-based optimization method has been set up. The metamodels can significantly reduce the problem complexity and simulation time. The optimization procedure has been characterized by pre-processing, programming, and post-processing coupling COMSOL Multiphysics and Matlab software.

Nella progettazione di sistemi di cottura "high speed cooking" l"utilizzo della tecnologia a microonde si rivela essenziale. A differenza dei metodi tradizionali di riscaldamento in cui il calore fluisce dall"ambiente esterno verso l'interno, nel riscaldamento a microonde il campo elettromagnetico (EM) permette la generazione del calore all"interno del cibo stesso. Alcuni vantaggi di questo metodo sono i tempi di riscaldamento molto brevi e il rendimento elevato. Per contro, il riscaldamento a microonde è intrinsecamente non uniforme: la distribuzione del campo EM all'interno di una camera di cottura è disomogenea, altresì, l'onda EM che attraversa un workload cede energia e via via si attenua, determinando un assorbimento di energia non uniforme da parte del carico. Lo scenario si complica ulteriormente in relazione a geometria e dimensioni della cavità nonchè alla geometria, dimensioni, posizione e proprietà dielettriche del carico di cottura. Per migliorare l'uniformità del riscaldamento vengono adottate tecniche che favoriscono il rimescolamento del campo EM durante il processo, come ad esempio il piatto rotante e gli agitatori di campo (stirrers). Non sempre la tipologia del sistema di cottura permette l'utilizzo di parti meccaniche in movimento per l'agitazione del campo e quindi la mitigazione di hot spot e cold spot. In alcuni casi vengono utilizzate tecniche senza parti mobili quali: l'accensione intermittente di sorgenti a microonde di potenza o lo sfasamento tra le sorgenti. Quest'ultima tecnica, ed in particolare i suoi effetti sulla distribuzione del campo EM e sul riscaldamento del carico di cottura sono stati affrontati in questa tesi di dottorato. Lo studio delle sorgenti a microonde di potenza è diventato sempre più importante tra i ricercatori che si occupano di sistemi di cottura. Negli anni recenti, i dispositivi a stato solido, caratterizzati da prestazioni sempre più elevate, hanno trovato impiego in molte aree di applicazioni prima riservate ai magnetron. In particolare, l'utilizzo di generatori a stato solido consente un controllo della cottura più accurato garantendo un riscaldamento uniforme del cibo, per esempio agendo sullo sfasamento tra le diverse sorgenti a microonde. Una ulteriore tecnica, oggetto di indagine in questa tesi, per migliorare le prestazioni di cottura del cibo si giova dell'utilizzo di opportune aperture di accoppiamento tra le guide d'onda e la camera di lancio, ovvero antenne a fessura utilizzate per realizzare una schiera di antenne in una guida d'onda. L'efficacia delle tecniche proposte per migliorare l'obiettivo del riscaldamento uniforme è stata verificata tramite simulazione numerica di un prototipo d'interesse pratico: un sistema di cottura detto "panini grill" che grazie all'utilizzo della tecnologia a microonde permette di riscaldare un sandwich anche all'interno e ridurre significativamente i tempi di cottura. Il corrispondente modello multifisico 3D è stato realizzato mediante il software commerciale COMSOL Multiphysics che sfrutta il metodo degli elementi finiti per le simulazioni. In relazione agli accorgimenti impiegati, il problema di determinare quali siano i valori delle loro grandezze peculiari (e.g. sfasamento tra le sorgenti a microonde, layout schiera di antenne) che assicurano una cottura uniforme, è stato affrontato come un problema di ottimizzazione. In particolare, il metodo di ottimizzazione utilizzato si basa sulla costruzione di metamodelli al fine di ridurre la complessità ed il tempo complessivo di simulazione del modello numerico multifisico. Il processo di ottimizzazione ha coinvolto fasi di pre-elaborazione, programmazione e postelaborazione attraverso l'accoppiamento tra COMSOL e il software di calcolo scientifico Matlab