Så placeras grillkolen rätt!

Efter det underbara vädret under maj månad har många säkerligen redan haft grillen framme. Kanske använder du en kolgrill? I den här artikeln kommer vi att visa hur du kan använda simuleringar med COMSOL Multiphysics för att ta reda på hur grillkolen ska placeras för att få en så jämn temperatur som möjligt och undvika så kallade ”hot spots”. Jämn värme är ett måste när du grillar många köttbitar samtidigt eller om du vågar dig på att grilla en pizza.

Värmetransport och kolgrillning

När du använder en grill med kol eller briketter sker värmetransporten till maten främst genom värmestrålning. I en vanlig klotgrill värms maten upp genom direkt värmestrålning från glöden underifrån samt via reflektionen från grillens väggar.

Grillning av pizza. En video från vårt experiment med grillad pizza kan ses här. 

Om du till exempel grillar en stek vill du kanske fördela glöden på ena sidan av grillen. Du kan då bryna den på glödsidan och därefter ugnsbaka den på sidan utan glöd där den direkta värmestrålningen är lägre. När du lägger på locket blir grillen som en vanlig köksugn. Den här metoden passar bra för större stekar och till exempel en hel kyckling.

Om du vill grilla en pizza behöver värmen vara intensiv och jämnt fördelad utan hot spots som kan bränna maten. Rent intuitivt kan man tro att ett jämnt lager av glöd är den bästa placeringen för att uppnå detta, men både tester och simulering visar att det är en något oväntad placering som ger den jämnaste värmespridningen.

MISSA INTE: Vilken vinkylare väljer du?

En ring av glöd

Den bästa metoden för en jämn grillvärme, som togs upp i en artikel från Cook’s Illustrated, är att placera glöden i en ring där mitten av grillen är tom. Motsatt mot vad man kan tro, så skapar en jämnt fördelad glöd alltså inte en jämn värmespridning på grillgallret. Detta beror på att maten på grillgallret inte bara värms upp underifrån utan även av den reflekterande värmestrålningen från väggarna. Klotgrillens form skapar på så sätt en hot spot i mitten av grillen.

Låt oss nu se hur du med simuleringsprogrammet COMSOL Multiphysics, kan jämföra olika placering av glöd och dess inverkan på värmen i en grill för att se vilken placering som är bäst för att uppnå en så jämn värmefördelning som möjligt.

MISSA INTE: Spelar bollen någon roll i fotbolls-VM?

Simulering av värmestrålning i en grill

Med COMSOL Multiphysics och tilläggsprodukten Heat Transfer Module kan vi testa hur olika placering av glöden påverkar temperaturen. Vi testar tre olika scenarier:

• Glöden centrerad
• Glöden i en yttre ring
• Glöden spridd överallt

Målet med simuleringen är att kontrollera medeltemperaturen och skillnaden mellan högsta och lägsta temperaturen vid gallret vid de tre olika konfigurationerna. Ju lägre temperaturskillnaden är, desto jämnare är värmespridningen, vilket är precis vad vi vill uppnå.

Vi kommer att studera en klotgrill och kan därför utnyttja rotationssymmetrin för att spara beräkningstid. COMSOL-modellen använder därför en axialsymmetrisk tvådimensionell geometri istället för tredimensionell, vilket också hade varit fullt möjligt. För modelleringen av de tre olika placeringarna av glöden lägger vi till parametrar för glödens avstånd från centrum, antal kolbitar samt avståndet mellan varje kolbit. Därefter sätter vi upp ett parametersvep så att alla tre konfigurationer kan testas under en enda simulering. Vi bortser från naturlig konvektion då värmestrålningen anses vara dominerande.

Vi använder följande material under simuleringen:

1. Luft som omger glöden inuti grillen
2. Stål för väggarna i klotgrillen och grillgallret
3. Kol där materialdata för konduktivitet, densitet och värmekapacivitet hämtats från Heat Transfer (Wiley) by A. Bejan; värdena är ungefärliga.
   Väggarna ansätts till att reflektera intensiteten från värmestrålningen jämnt åt alla håll. Utöver det så agerar varje kolbit som en värmekälla med den totala effekten 3 kW.

För att öka noggrannheten i modellen som använder yta-till-yta-strålning har vi använt en gränsskiktsmesh (boundary layer mesh) för ränderna på kolbitarna.

Vi kör en automatisk analys för de tre fallen med olika placeringar av glöden. Simuleringen tar cirka en minut med en vanlig dator.

När vi visualiserar en lösning från en axialsymmetrisk modell representeras det tvådimensionella resultatet automatiskt i en tredimensionell vy för en mer intuitiv visualisering. Resultatet nedan visar en analys av temperaturfördelningen i en grill med glöden i en ring.
 

Vilken placering av glöden ger jämnast temperatur?

När simuleringarna är klara använder vi de inbyggda funktionerna i COMSOL Multiphysics för att få fram den högsta och lägsta temperturen samt medeltemperaturen i grillgallret. Utvärderingen av temperaturen vid grillgallret ger följande avrundade resultat i grader Celsius.

Temperaturskillnaden vid gallret är som lägst när glöden ligger i en ring, men medeltemperaturen är nästan lika i de tre fallen. Simuleringen visar vad de praktiska erfarenheterna också visar: Placera glöden i en ring i en vanlig klotgrill för att uppnå den jämnaste temperaturen!

I den här artikeln visar vi hur simuleringar kan hjälpa till att avgöra vilken design som är bäst lämpad till och med i vårt vardagliga liv. Genom att använda oss av COMSOL Multiphysics och Heat Transfer Module för simulering av värmestrålningen i en klotgrill kan vi klart och tydligt se att om vi placerar glöden i en ring får vi jämnast värmespridning. Nu är det bara att hem och testa själv och ha en skön sommar vid grillen!