Join the forum for Designers!
Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!
Join the Forum NowShare, learn and grow with the best professionals in the industry.
Dla niektórych miłośników jedzenia nie ma nic lepszego niż zapach świeżo upieczonych muffinek. Niezależnie od tego, czy są czekoladowe, jagodowe czy dyniowe, te słodkie przysmaki są szczególnie pyszne, gdy są ciepłe. Będąc głodnymi i ciekawskimi, postanowiliśmy spróbować podgrzać muffinki za pomocą niekonwencjonalnego urządzenia: anteny Yagi-Uda. Dzięki modelowaniu multifizycznemu przekonamy się, czy możliwe jest wykorzystanie anteny w tym pysznym zastosowaniu – czy też jesteśmy skazani na jedzenie naszych smakołyków na zimno.
Czy słyszeli Państwo o tych wyjątkowych metodach ogrzewania?
Odkąd istnieje żywność, ludzie bawią się najlepszym sposobem na jej podgrzanie. Dla tych, którzy wciąż szukają idealnej metody ogrzewania, proszę spojrzeć nie dalej niż na domowy piekarnik słoneczny i jego możliwości robienia s’mores. W tym zabawnym eksperymencie ludzie dodają folię aluminiową i folię plastikową do niestandardowego kartonowego pudełka i umieszczają je w świetle słonecznym. Tekturowe pudełko może następnie działać jako piekarnik słoneczny, powoli gotując przekąski w środku do chrupiącej perfekcji. Kierując się tą kreatywną energią, podeszliśmy do podgrzewania naszych muffinek w całkowicie niekonwencjonalny sposób.
Anteny są zwykle używane do przesyłania sygnałów telewizyjnych, na przykład w urządzeniach mobilnych lub w samolotach. W tych zastosowaniach ruch ładunków elektrycznych w antenie wytwarza fale elektromagnetyczne, które są nieszkodliwe i nie mają większego wpływu na ogrzewanie. Jednakże, przy określonych częstotliwościachAnteny są w stanie generować tarcie międzycząsteczkowe w obiektach i podgrzewać je. Przy odpowiednim dostrojeniu antena powinna działać dobrze jako nasz hipotetyczny zamiennik piekarnika.
Pustułka siedząca na antenie delektuje się muffinką z kawałkami czekolady. Kto by pomyślał, że te ptaki mają słabość do wypieków? Zdjęcie autorstwa Regine Tholen na Unsplash. Oryginalna praca została zmodyfikowana.
Modelowanie mikrofal (tylko nie urządzeń)
W tym zabawnym przykładzie modelowania chcieliśmy uniknąć anteny dookólnej ze względu na jej 360-stopniowy wzór promieniowania i stosunkowo niski zysk. Atrybuty te sprawiają, że ten styl anteny jest mniej bezpieczny i mniej skuteczny w użyciu niż ich kierunkowe odpowiedniki. Z tego powodu zdecydowaliśmy się na model anteny Yagi-Uda.
Anteny – kierunkowe lub dookólne – niosą ze sobą ograniczenia, jeśli chodzi o gotowanie. Na przykład, anteny generują ciepło tylko poprzez promieniowanie. Jest to wada w porównaniu z tradycyjnymi urządzeniami w kuchni, które mogą polegać na konwekcji i przewodzeniu. Mimo to mieliśmy nadzieję, że nasza antena wygeneruje pole elektryczne o wystarczającej sile i kontroli kierunkowej, aby przezwyciężyć to ograniczenie.
Nasz model anteny, który zbudowaliśmy przy użyciu oprogramowania COMSOL Multiphysics®, zawiera element napędzany (gdzie moc jest podawana przez linię zasilającą), reflektor (umieszczony w przeciwnym kierunku pola elektromagnetycznego) i cztery direktory (które mają tendencję do zwiększania mocy i kierunkowości anteny). Skorzystaliśmy również z modułu RF, dodatkowego produktu do COMSOL Multiphysics, który zapewnia specjalistyczną funkcjonalność do modelowania RF. Za pomocą tego modułu użytkownicy mogą łatwo scharakteryzować wydajność elementów promieniujących (takich jak antena w naszym przykładzie) pod względem kierunkowości i wzmocnienia na podstawie wzoru promieniowania.
Antena Yagi-Uda w oprogramowaniu COMSOL Multiphysics® z 4 direktorami na dole, elementem napędzanym u góry i reflektorem u góry. Elementy te są przymocowane do pręta wykonanego z politetrafluoroetylenu (PTFE), a każdy element jest uważany za doskonały przewodnik elektryczny (PEC).
Dla tego zastosowania anteny Yagi-Uda powinniśmy ustalić nasze parametry. Podążając śladami tradycyjnych konsumenckich kuchenek mikrofalowych, dostroiliśmy naszą antenę Yagi-Uda do częstotliwości 2,45 GHz. Stwarza to tarcie międzycząsteczkowe wymagane do podgrzewania żywności. Zdecydowaliśmy również, że muffinki będą przemieszczać się przez pole elektromagnetyczne anteny za pomocą przenośnika taśmowego, aby zmniejszyć ryzyko ich przegrzania. W końcu próbowaliśmy podgrzać babeczki, a nie je spalić. Na potrzeby tej symulacji zamodelowaliśmy dwie babeczki o następujących właściwościach:
- Względna przenikalność elektryczna = 65-j20
- Przewodność elektryczna = 0
- Przewodność cieplna = 0,55 W/(m*K)
- Pojemność cieplna przy stałym ciśnieniu = 3640 J/(kg*K)
- Gęstość = 1050 kg/m3
W symulacji przeprowadziliśmy parametryczny przegląd, aby uwzględnić ruch babeczek, a także badanie zależne od czasu, aby zobaczyć zmianę temperatury w ciągu 12 sekund. Dzięki zmiennym transferu ciepła w badaniu zależnym od czasu, symulacja pokazała pole elektromagnetyczne wytwarzane przez antenę, umożliwiając nam wizualizację rozprzestrzeniania się temperatury w babeczkach.
Gdybyśmy mieli wprowadzić tę symulację w życie, obserwowalibyśmy, jak nasza para pysznych babeczek porusza się wzdłuż przenośnika taśmowego, pod anteną i na drugą stronę.
Po skonfigurowaniu i rozwiązaniu modelu możemy sprawdzić wyniki i przekonać się, czy nasza przekąska została odpowiednio podgrzana.
Sygnalizowanie skutecznego, ale niekonwencjonalnego sposobu podgrzewania
Wyniki wskazują na parę gorących muffinek. Porcje każdej muffinki osiągnęły temperaturę powyżej 45°C i, zgodnie z oczekiwaniami, obszary znajdujące się najbliżej anteny wygenerowały najwięcej ciepła. Po wystawieniu muffinów na działanie energii elektromagnetycznej, średnia zmiana temperatury obu muffinów przekroczyła 40°C przed upływem wyznaczonego czasu. Obie babeczki doświadczyły również maksymalnych wahań temperatury przekraczających 110°C. Druga muffinka osiągnęła wyższą średnią i maksymalną temperaturę, przekraczając 120°C.
Te symulowane wyniki wskazują, że anteny Yagi-Uda mogą być używane do szybkiego i znacznego podgrzewania muffinek. Chociaż sprawia to, że nasza symulacja zakończyła się sukcesem, istnieje muffin które te anteny zastąpią w Państwa kuchni w krótko- lub długoterminowej perspektywie. Zamiast tego prawdopodobnie powinien Pan trzymać antenę Yagi-Uda na dachu, a babeczki w piekarniku.
Join the forum for Designers!
Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!
Join the Forum NowShare, learn and grow with the best professionals in the industry.