Analysis of temperature distribution in convection ovens using radial and tangential fans with different heat sources and air curtain designs

Öz

The performance of convectional food ovens is critical not only for optimizing the cooking process through rapid and efficient heat transfer but also for ensuring homogeneous temperature distribution both between and within trays. In this study, the effect of radial-type fans used in ovens on the temperature distribution across trays was analyzed using both experimental and numerical methods. It was determined that radial fans in conventional designs increase temperature differences between trays, negatively impacting heat transfer uniformity. To address this issue, an innovative airflow system incorporating a tangential fan (cross-flow fan) was designed. The developed system was subjected to CFD analyses under different fan speeds and heater power settings using the FloEFD software. The most suitable design was determined, and a prototype was subsequently produced. Experimental measurements on the prototype were compared with CFD analysis results, and validation was achieved. The findings indicate that the design utilizing a tangential fan reduced the temperature difference from 35 °C to 16 °C and provided more efficient heat transfer, achieving 11,4% energy savings within 1 hour. This study comprehensively highlights the impact of fan type, air curtain design, and heating element selection on oven performance, offering an innovative solution to enhance energy efficiency and improve cooking uniformity

Anahtar Kelimeler

• Convection oven
• CFD
• heat transfer
• homogeneous cooking
• energy saving

Proje Numarası

119C031

Konveksiyonlu fırınlarda kullanılan radyal ve tanjansiyel fanların, farklı ısı kaynağı ve hava perdesi tasarımıyla fırın içi sıcaklık dağılımının analizi

Öz

Konveksiyonlu gıda fırınlarının performansı, yalnızca hızlı ve etkili ısı transferi ile pişirme sürecini optimize etmekle kalmayıp, aynı zamanda tepsiler arasındaki ve tepsi içindeki sıcaklık dağılımının homojenliğini sağlaması açısından büyük önem taşır. Bu çalışmada, fırınlarda kullanılan radyal tip fanların tepsiler üzerindeki sıcaklık dağılımına etkisi hem deneysel hem de sayısal yöntemlerle analiz edilmiştir. Geleneksel tasarımlarda radyal fanların, tepsiler arasındaki sıcaklık farklarını artırarak ısı transferi homojenliğini olumsuz etkilediği belirlenmiştir. Bu sorunun çözümü için, tanjansiyel fan (cross-flow fan) kullanılan yenilikçi bir hava akış sistemi tasarlanmıştır. Geliştirilen bu sistem, farklı fan hızları ve ısıtıcı güçleri altında FloEFD programı ile CFD analizlerine tabi tutulmuş, en uygun tasarım belirlenerek prototip üretilmiştir. Prototip üzerinde yapılan deneysel ölçümler ile CFD analiz sonuçları doğrulanmıştır. Elde edilen bulgular, tanjansiyel fan kullanılan tasarımın, sıcaklık farkını 35 °C’den 16 °C’ye düşürdüğünü ve daha verimli bir ısı transferi sağlayarak 1 saatte %11,4 enerji tasarrufu sağladığını göstermiştir. Çalışma, fan tipi, hava perdesi tasarımı ve ısıtıcı eleman seçiminin fırın performansı üzerindeki etkilerini kapsamlı bir şekilde ortaya koymuş ve enerji verimliliği ile pişirme homojenliğini artırmaya yönelik yenilikçi bir çözüm sunmuştur.

Anahtar Kelimeler

• Konveksiyonlu fırın
• CFD
• ısı transferi
• homojen pişirme
• enerji tasarrufu

Destekleyen Kurum

Bu çalışma TÜBİTAK 2244 Sanayi Doktora Programı 119C031 projesi kapsamında desteklenmektedir.

Proje Numarası

119C031

Teşekkür

Bu projenin gerçekleşmesinde desteğini esirgemeyen İnoksan Mutfak A.Ş firmasına teşekkür ederim.

Kaynakça

1. 1. Mansour, Y., Rouaud O., Slim R., Rahmé P., Thermal characterization of a high-temperature industrial bread-baking oven: A comprehensive experimental and numerical study, Applied Thermal Engineering, 236, 121467, 2024.
2. 2. Medapati S., Monde A.D., Discretized low – order model of an electric oven: Transient thermal analysis of door sub-system, International Communications in Heat and Mass Transfer, 142, 106619, 2023.
3. 3. Köse U., Öğüt E., Heat exchanger design and CFD analysis for milk powder production process needs in a milk factory, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 38 (4), 2119–2132, 2023.
4. 4. Yang Z., Cheng D., Su B., Li H., Zhang K., Study on the optimization of temperature uniformity in the oven under the forced convection mode, Scientific Reports 13 (1), 12486, 2023.
5. 5. Çelik A.B., Pulat E., Sökmen K.F., Balkan Ç., Coşkun S., Numerical and experimental investigation of energy efficiency by applying phase change material to open vertical type refrigerated display cabinet, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 38 (3), 1453-1466, 2023.
6. 6. Burhan M., Kişin B., Efeler E., Özalp A.A., Turbo kuzine fırınlarının radyal ve tanjansiyel fan ile farklı kanat açıları ve gövde izolasyonları kullanılarak kabin içi sıcaklık dağılımlarının deneysel ve nümerik olarak incelenmesi, Uluslararası Bilim Teknoloji ve Tasarım Dergisi, 3 (2), 116-129, 2022.
7. 7. Bilen F., Ankastre fırınlarda farklı delk opsiyonlarına sahip U bükümlü yeni tip fan kapakları ile homojen pişirme ve enerji verimliliği optimizasyonu. Yüksek lisans tezi, Dumlupınar Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Kütahya, 2021.
8. 8. Azmi M.M.Z., Ahmedov A., Taip F.S., Experimental studies and mathematical modeling on the effects of rapid airflow and baking, Emirates Journal of food and Agriculture, 32 (6), 469-478, 2020.

9. 9. Gürbüz M.H., Bir porselen pişirme fırınının enerji ve ekserji analizi. Yüksek Lisans Tezi, Dumlupınar Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Kütahya, 2020.
10. 10. Mohammed H.N., Thermal and Radiative Energy / Exergy Analyses of Parabolic Trough Collector Systems, Doktora Tezi, Özyeğin Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2018.
11. 11. Vatandaş S., Sanayi fırınlarında Enerji ve ekserji verimliliği; örnek çalışma emaye pişirme fırını verimlilik projesi ve ekserji analizlerinin gerçekleştirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Uludağ Ü., Bursa, 2016.
12. 12. Çelik A., Fırın enerji tüketiminin iyileştirilmesi için simülasyon programının geliştirilmesi ve doğrulanması,İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2015.
13. 13. Shahapuzi N.S., Taip F.S., Ab Aziz N., Ahmedov A., Effect of oven temperature profile and different baking conditions on final cake quality, International Journnal of Food Science and Technology, 50 (3), 723-729, 2015.
14. 14. Ünalsan İ.D., Numerical and Experimental Investigations of Heat Transfer and Fluid Flow Analyses of Domestic Ovens, Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, 2014.
15. 15. Cernela J., Heyd B., Broyart B., Evaluation of heating performances and associated variability of domestic cooking appliances (oven-baking and pan-frying), Applied Thermal Engineering, 62 (2), 758-765, 2014.
16. 16. Khatir Z., Paton J., Thompson H., Optimisation of the energy efficiency of bread-baking ovens using a combined experimental and computational approach, Applied Energy, 112, 918-927, 2013.
17. 17. Yılmazer M.S., Kemerli T., Isleroglu H., Baking kinetics of muffins in convection and steam assisted hybrid ovens, Journal of Food Engineering, 119 (3) 483-489, 2013.
18. 18. Zheng Q., Wei H., Three-dimensional numerical simulations and analysis of a heat-recovery coke oven, Energy & Fuels, 27 (6), 3570-3577, 2013.
19. 19. Sari T., Çelik A., Işık O., Effects of insulation parameters on the energy consumption in domestic ovens and the most efficient insulation design, EPJ Web of Conferences, 45, 01019, 2013.
20. 20. Chopade R.P., Mishra S.C., Mahanta P., Estimation of power of heaters in a radiant furnace for uniform thermal conditions on 3-D irregular shaped objects, International Journal of Heat and Mass Transfer, 55, 4340-4351, 2012.
21. 21. Moon M.A., Kim K.Y., Multi-objective optimization of a guide vane in the turning region of a rotating U-duct to enhance heat transfer performance, Heat and Mass Transfer, 48, 1941-1954, 2012.