En busca del maestro asador perfecto

Casi todos cocinamos algo a la parrilla, desde carne hasta verduras. Los maestros de la parrilla tardan mucho tiempo en convertirse en expertos y eso es por una muy buena razón. Cada parrilla tiene características únicas, como forma, materiales, ubicación del carbón, etc. Incluso el tipo de carbón que se utiliza puede cambiar drásticamente el rendimiento de la parrilla de una cocción a otra.

El tipo de parrilla que veremos es una parrilla de caldera, estilo americano, típica. Tiene respiraderos en la parte inferior para un flujo de aire variable, respiraderos en la parte superior para dejar escapar el aire caliente y el carbón se coloca cerca de los respiraderos inferiores. Algunos factores que son muy importantes cuando se trata de lograr una comida perfectamente cocida son la distribución uniforme del calor que conducirá a una cocción uniforme, un buen dorado sin quemar la comida. Los maestros de la parrilla hacen todo lo posible en la búsqueda de la perfección, algunos incluso tienen secretos que nunca comparten voluntariamente. Usando CFD, veremos el rendimiento de una parrilla de caldera. Veamos si podemos revelar algunos de los secretos que tanto guardan los maestros de la parrilla.

Los conceptos básicos de una parrilla de caldera. Analicemos la construcción de una parrilla de caldera típica

1. Tapa superior: esta tapa suele estar hecha de acero y recubierta con pintura. Esta tapa también tiene un asa de plástico para levantar la tapa de forma segura.

2. Sección inferior: esta pieza tiene una construcción similar a la tapa superior. Tiene bridas para colocar las parrillas de carbón y la parrilla de cocción.

3. Recogedor de cenizas: algunas parrillas de caldera pueden contener cenizas cuando la manija de ventilación inferior se desliza hacia adelante y hacia atrás.

4. Ventilaciones inferiores: estas ventilaciones permiten que entre aire frío a fin de proporcionar suficiente aire para que se quemen las brasas.

5. Rejilla para carbón: generalmente se coloca justo encima de los orificios de ventilación inferiores.

6. Rejilla de cocción: se coloca sobre la rejilla de carbón.

7. Orificios de ventilación superiores: el aire caliente sale de la parrilla por estos orificios. Estos gases son productos de combustión de la quema del carbón.

8. Sonda de temperatura: esta sonda se usa generalmente para juzgar qué tan caliente está la parrilla.

Se pueden hacer algunas observaciones después de observar este diseño en particular. La sonda de temperatura se coloca completamente en la parte superior de la parrilla. Podría haber una diferencia de temperatura dentro de la parrilla que no se puede capturar. Algunas partes de la parrilla pueden estar más calientes o más frías que la ubicación de la sonda de temperatura. La ubicación de las rejillas de ventilación inferiores y superiores también puede tener un impacto en el rendimiento de la parrilla. Otros factores que causan variabilidad en el desempeño de la parrilla son:

• Cantidad de comida a la parrilla en cualquier momento

• Colocar alimentos

• Cantidad de carbón

• Colocar carbón

Usemos CFD para cocinar como maestros de la parrilla

Para este estudio, estamos usando una distribución uniforme de carbón en la rejilla, los maestros de la parrilla se lo toman muy en serio. Como primer paso, necesitamos encontrar la temperatura a la que se quema el carbón. Abhishek Vanaparti, de la Universidad de Auburn, publicó un artículo [1] que caracterizaba dos tipos de carbón (encendido instantáneo vs. combustión lenta). La temperatura del carbón vegetal para nuestro estudio se obtiene de este artículo. La medición de temperatura se realiza cuando el carbón alcanza una condición gris. Por lo general, se supone que el carbón vegetal está listo para usarse cuando se vuelve gris. Además, asumimos que el carbón mantiene la temperatura durante la duración de nuestro experimento.

La siguiente suposición se relaciona con el tipo de comida que se pone a la parrilla. Dado que la carne se compone de diferentes tipos de tejidos y fibras, caracterizar las propiedades del material es una tarea abrumadora. Por simplicidad, se ha seleccionado un valor de densidad, calor específico y conductividad térmica para imitar las propiedades del pollo. Se presta especial atención al valor de emisividad de los componentes metálicos de esta parrilla. Se supone que el color de la caldera superior e inferior es negro. Se asume que todas las partes metálicas están hechas de acero.

La parrilla se coloca en un ambiente abierto a una temperatura ambiente de 3.3 ° C. Las físicas que se están considerando son la conducción de calor en sólidos, la radiación y la gravedad. La radiación jugó un papel importante en este estudio, ya que una cantidad significativa de calor deja el carbón en forma de radiación.

El análisis se divide en dos pasos, precalentamiento de la parrilla y etapa de cocción. Esto se hace para imitar la forma en que normalmente se preparan los alimentos a la parrilla.

Resultados y Hallazgos

Trayectorias de flujo dentro de la parrilla:

Para comprender mejor la distribución del flujo dentro de la parrilla, veamos los diagramas de corte y las trayectorias de flujo que muestran cómo se mueve el aire dentro de la parrilla.

Temperature cut plots inside the grill:

La siguiente imagen muestra una sección tomada en una de las rejillas de ventilación. Vemos claramente que la distribución en esta sección no es muy uniforme. Hay algunas cosas que contribuyen a esto, las rejillas de ventilación inferiores se colocan directamente debajo de algunas piezas de carbón. Más importante aún, la ventilación superior e inferior se alinean, por lo que el aire puede entrar por la ventilación inferior y salir por la ventilación superior sin circular hacia adentro. Esta es la razón por la que tenemos un gran punto caliente que comienza cerca del carbón y llega hasta el respiradero superior. El lado izquierdo de esta imagen muestra el aire caliente saliendo de la parrilla mientras que en el lado derecho todavía hay recirculación.

Distribución de temperatura en la superficie exterior de la parrilla::

Mientras miramos la imagen de abajo podemos ver que la distribución de temperatura en la superficie exterior no es uniforme. El aire caliente sale por las rejillas de ventilación superiores (ver Figuras siguientes) y podemos ver claramente esa región a una temperatura más alta. Como puede ver, las rejillas de ventilación inferiores están alineadas con las rejillas de ventilación superiores, por lo que, cuando miramos ese lado de la parrilla, vemos temperaturas más bajas que las áreas circundantes. Esto podría deberse a la falta de recirculación o debido a que el calor se disipa a través del accesorio metálico que está diseñado para sujetar la tapa mientras se abre la parrilla. El otro lado de la parrilla se muestra a continuación con la sonda de temperatura visible, en este lado la distribución de temperatura en la parrilla inferior es mucho más uniforme

¿Es el sensor de temperatura una buena métrica para medir la temperatura de la parrilla?

Un sensor de temperatura se usa típicamente para medir la temperatura de la parrilla. La gente asume que la temperatura promedio dentro de la parrilla es la temperatura de la sonda. En la imagen de abajo podemos ver que la sonda está a 290°F, pero la temperatura en la sección superior de la parrilla que contiene la comida podría estar entre 400-410°F. Esta es una diferencia de más de 100°F entre la temperatura medida y la real.

Próximos pasos y resumen

CFD ha sido muy útil para comprender lo que está sucediendo realmente dentro de nuestra parrilla. Se puede extraer información valiosa de estos resultados sin tener que realizar pruebas físicas rápidamente y sin tener que consumir pollo poco cocido o quemado. De hecho, estas simulaciones ofrecen un análisis más profundo del rendimiento de la parrilla que lo que se puede lograr mediante pruebas físicas. Con CFD los ingenieros podrían incluso realizar una exploración de diseño inteligente en diseños existentes para mejorar el rendimiento directamente y dentro de su sistema CAD. Se pueden cambiar varias cosas como la geometría, las condiciones de los límites y las restricciones y se pueden optimizar cosas como la temperatura en ciertas regiones, las velocidades de flujo en las áreas clave, etc. Es de esperar que este estudio de CFD haya dado una idea de lo que los maestros de la parrilla aprenden a partir de años de experiencia.

Algunas de las conclusiones y posibles próximos pasos para esta parrilla son las siguientes:

La distribución de temperatura dentro del la parte inferior de la parrilla es bastante uniforme, pero hay algunos puntos calientes con una diferencia superior a los 40°F que los alrededores. Se desea una distribución uniforme de la temperatura en todas las regiones de la parrilla. La ubicación de los respiraderos superiores en relación con los respiraderos inferiores podría ser responsable de este problema. Se puede realizar una exploración del diseño para variar la orientación de estos respiraderos para encontrar la mejor disposición de los mismos.

Hubo una distribución de temperatura desigual en la superficie exterior de la caldera inferior. Esto podría deberse a una fuga de aire caliente oa los accesorios metálicos. Es necesario seguir trabajando para identificar la causa de esta diferencia de temperatura.

La sonda de temperatura muestra una temperatura más baja de 100F que algunas regiones en la parrilla, es posible que los maestros de la parrilla ya lo entiendan. Un mejor enfoque sería realizar varios estudios y encontrar un factor de corrección que se pueda aplicar para resolver esta discrepancia. También se pueden utilizar múltiples sondas de temperatura para tener una mejor idea de la distribución de temperatura dentro de la parrilla.

[1] Abhishek Vanaparti (2016), Experimental Study of Radiative Properties of Charcoal Combustion in Grills