AIR CURTAIN DESIGN IN INDUSTRIAL OVENS WITH CFD ANALYSES

Öz

The aim of this study is to optimize the air curtain design in industrial food ovens and to ensure a more homogeneous distribution of airflow. Optimizing airflow in industrial ovens increases the efficiency of the baking process by minimizing temperature differences and achieving more uniform baking results. In this context, oven modeling was carried out using SolidWorks 2022 software, and computational fluid dynamics (CFD) analyses were performed in Ansys software. Six different air curtain designs were analyzed to examine the effect of each design on airflow and temperature distribution. Initial analyses revealed that the airflow was not homogeneous, leading to geometric modifications in the designs. The new designs aimed to balance airflow, prevent vortex formation, and optimize temperature distribution. The analyses demonstrated that the air curtain design had a significant effect on homogenizing the internal temperature distribution of the oven and improving baking quality. In the results of Design 1, considerable temperature differences were observed between trays, with the upper trays showing lower temperatures compared to the lower trays. Following optimizations applied to Design 6, simulations showed a meaningful increase in tray temperatures and a reduction in temperature differences between trays. Gains in the upper trays ranged from 12.50 °C to 12.97 °C, while increases in the lower trays ranged from 1.35 °C to 3.85 °C, thereby significantly reducing the maximum temperature difference between trays. When the average temperature of all trays was evaluated, Design 6 achieved nearly a 4% increase compared to Design 1. The temperature difference between the first and the last tray decreased from 12.76% in Design 1 to 5.77% in Design 6. These results reveal that improvements in air curtain geometry not only minimize inter-tray temperature differences by optimizing the thermal distribution inside the oven but also increase the overall baking temperature, thus ensuring more uniform and higher- quality baking. This study provides an important contribution toward enhancing energy efficiency and product quality in industrial ovens. Future studies indicate that different fan configurations and variable- speed controlled airflow systems should be investigated.

Anahtar Kelimeler

• Air Curtain
• CFD Analysis
• Convection Oven
• Industrial Oven

ENDÜSTRİYEL FIRINLARDA CFD ANALİZLERİ İLE HAVA PERDESİ TASARIMI

Öz

Bu çalışmanın amacı, endüstriyel yiyecek fırınlarındaki hava perdesi tasarımını optimize etmek ve hava akışının daha homojen bir şekilde yayılmasını sağlamaktır. Endüstriyel fırınlarda hava akışının optimize edilmesi, pişirme sürecinin verimliliğini artırarak, sıcaklık farklarını minimize edip daha eşit pişirme sonuçları elde edilmesini sağlamaktadır. Bu doğrultuda, SolidWorks 2022 yazılımıyla fırın modellemesi yapılmış ve Ansys yazılımında hesaplamalı akışkan dinamiği (HAD) analizleri gerçekleştirilmiştir. Altı farklı hava perdesi tasarımı üzerinde yapılan analizlerde, her bir tasarımın hava akışı ve sıcaklık dağılımına etkisi incelenmiştir. İlk analizlerde hava akışının homojen olmadığı tespit edilerek, tasarımlarda geometri değişiklikleri yapılmıştır. Yeni tasarımlar, hava akışını daha dengeli hale getirmeyi, vorteks oluşumlarını engellemeyi ve sıcaklık dağılımını optimize etmeyi hedeflemiştir. Yapılan analizler sonucunda, hava perdesi tasarımının fırın içi sıcaklık dağılımını homojenleştirmede ve pişirme kalitesini artırmada önemli etkiler gösterdiği gözlemlenmiştir. Tasarım 1 analiz sonuçlarında, tepsiler arası sıcaklık farklarının belirgin olduğu ve üst tepsilerde sıcaklıkların alt tepsilere göre daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Tasarım 6’ya yönelik optimizasyonlar sonucunda gerçekleştirilen simülasyonlarda, tepsi sıcaklıklarında anlamlı bir artış gözlemlenmiş ve tepsiler arası sıcaklık farklarının azaldığı görülmüştür. Üst tepsilerdeki kazanımlar 12,50 °C ile 12,97 °C arasında değişirken, alt tepsilerdeki artışlar 1,35 °C ile 3,85 °C arasında gerçekleşmiş ve böylece tepsiler arası maksimum sıcaklık farkı önemli ölçüde azalmıştır. Tüm tepsilerin ortalama sıcaklığı değerlendirildiğinde, tasarım 6’da tasarım 1’e göre yaklaşık %4’e yakın oranda bir artış sağlandığı tespit edilmiştir. Son tepsi ile ilk tepsi arasındaki sıcaklık farkı tasarım 1’de %12,76 iken tasarım 6’da %5,77’lere kadar gerilemiştir. Bu sonuçlar, hava perdesi geometrisinde yapılan iyileştirmelerin, fırın içerisindeki termal dağılımı optimize ederek hem tepsiler arası sıcaklık farklarını minimize ettiğini hem de genel pişirme sıcaklığını artırarak daha eşit ve kaliteli pişirme sağladığını ortaya koymaktadır. Bu çalışma, endüstriyel fırınlarda enerji verimliliği ve ürün kalitesini artırmak adına önemli bir katkı sunmaktadır. Gelecekteki çalışmalar, farklı fan konfigürasyonları ve değişken hız kontrollü hava akışı sistemlerinin incelenmesi gerektiğini göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Endüstriyel Fırın
• Hava Perdesi
• Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Analizi
• Konveksiyonel Fırın

Kaynakça

1. [1] Julio Cesar Zanchet Piaia, Carlos Alberto Claumann, Marintho Bastos Quadri and Ariovaldo Bolzan, Air Flow CFD Modeling in an Industrial Convection Oven, 2018.
2. [2] Stigter JD, Scheerlinck N, Nicolaï B, Van Impe JF Optimal heating strategies for a convection oven. J Food Eng 48(4), 335–344, 2001.
3. [3] Mistry H, Dey S, Bishnoi P, Castillo JL Modeling of transient natural convection heat transfer in electric ovens. Appl Therm Eng 26 (17), 2448–2456, 2006.
4. [4] Bakerpedia Oven Temperature, https://bakerpedia.com/processes/oven-temperature/ (accessed on 8 July 2024).
5. [5] Sabovics, M.; Straumite, E.; Galoburda, R. The influence of baking temperature on the quality of triticale bread. In Proceedings of the 9th Baltic Conference on Food Science and Technology FOODBALT 2014 Conference Proceedings, Jelgava, Latvia, 24–26 April 2014, 228–233.
6. [6] Chhanwal, N.; Anishaparvin, A.; Indrani, D.; Raghavarao, K.S.M.S.; Anandharamakrishnan, C. Computational fluid Dynamics (CFD) modeling of an electrical heating oven for bread-baking process. J. Food Eng. 100(3), 452–460, 2010.
7. [7] Chukwuneke, J.; Nwuzor, I.C.; Anisiji, E.O.; Digitemie, I.E. Design and Fabrication of a Dual Powered Baking Oven. Adv. Res2018, 16, 1–8.
8. [8] Chukwuneke, J.; Nwuzor, I.C.; Anisiji, E.O.; Digitemie, I.E. Design and Fabrication of a Dual Powered Baking Oven. Adv. Res, 16(4), 1–8, 2018.

9. [9] Gundu, R.; Datta, A.K.; Jayashree, G.C. Optimization of Bread Baking Parameters in Conventional Oven. J. Agric. Eng. Res. 49(2), 54–57, 2012.
10. [10] Kokolj, U.; Škerget, L.; Ravnik, J. The Validation of Numerical Methodology for Oven Design Optimization Using Numerical Simulations and Baking Experiments. J. Mech. Eng. 63(4), 215–224 2017.
11. [11] Rek, Z.; Rudolf, M.; Zun, I. Application of CFD Simulation in the Development of a New Generation Heating Oven. J. Mech. Eng.58(2), 134–144, 2014.
12. [12] Norton, T.J.; Sun, D.-W. Computational fluid dynamics (CFD)—An effective and efficient design and analysis tool for the food industry: A review. J. Food Sci. Technol. 17(11), 600–620, 2006.
13. [13] Norton, T.; Tiwari, B.; Sun, D.-W. Computational Fluid Dynamics in the Design and Analysis of Thermal Processes: A Review of Recent Advances. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 53 (3), 251–275, 2013.
14. [14] Padhi, M.R. A Review on Applications of Computational Fluid Dynamics (CFD) in the Food Industry. PJAEE 2020, 17, 10159–10169.
15. [15] Badea, A. Basics of Heat Transfer and Mass; Romanian Academy: Bucharest, Romania, 2004.
16. [16] S.-Y. Wong, W. Zhou, J. Hua, Designing process controller for a continuous bread baking process based on CFD modelling, J. Food Eng. 81 (3) 523-534, 2007.
17. [17] P.-S. Mirade, Computational fluid dynamics (CFD) modelling applied to the ripening of fermented food products: basics and advances, Trends Food Sci. Technol. 19 (9) 472-481, 2008.
18. [18] J. Stamatios, S.J. Babalis, V.G. Belessiotis, Influence of the drying conditions on the drying constants and moisture diffusivity during the thin-layer drying of figs, J. Food Eng. 65 (3) 449-458, 2004.
19. [19] P.-S. Mirade, A. Kondjoyan, J.-D. Daudin, Three-dimensional CFD calculations for designing large food chillers, Comput. Electron. Agric. 34 (1-3) 67-88, 2002.
20. [20] P.-S. Mirade, Prediction of the air velocity field in modern meat dryers using unsteady computational fluid dynamics (CFD) models, J. Food Eng. 60 (1) 41-48, 2003.
21. [21] H.B. Nahor, M.L. Hoang, P. Verboven, M. Baelmans, B.M. Nicolai, CFD model of the airflow, heat and mass transfer in cool stores, Int. J. Refrig. 28 (3) 368-380, 2005
22. [22] S. Gunasekaran, H.-W. Yang, Effect of experimental parameters on temperature distribution during continuous and pulsed microwave heating, J. Food Eng. 78 (4) 1452-1456, 2007.
23. [23] P. Navaneethakrishnan, P.S.S. Srinivasan, S. Dhandapani, Heat transfer and heating rate of food stuffs in commercial shop ovens, Sadhana-Acad. P. Eng. S. 32 (5) 535-544, 2007.