Vilken vinkylare väljer du?

Under sommardagarna är det frestande att avnjuta både mat och dryck utomhus i det vackra vädret.

Jag skulle vilja utmana dig. Ta en minut och fundera på hur en vinkylare fungerar. Kan vi hålla drycken kall i 30 minuter, 1 timme eller kanske flera timmar? Hemma har jag tre olika vinkylare av olika design. Vilken av dessa tre tror du är mest effektiv för att behålla kylan i vinet eller valfri dryck?  Du måste välja en och det är inte uppenbart vilken som är rätt val. Ett sätt att ta reda på svaret är att testa och mäta. Detta är tidskrävande och kan vara väldigt dyrt, i det här fallet om drycken är mer än 30 år och är av en bra årgång från Frankrike. Ett av de mest effektiva sätten att förstöra ett vin är nämligen att utsätta det för stora temperaturskillnader, så låt oss istället utnyttja simuleringens vackra konst för att utreda vilken design som är bäst.

Så fungerar en vinkylare

Vad händer egentligen i en vinkylare och vilka fysikaliska fenomen måste beaktas för att kunna förklara vilken design som är bäst? Innan flaskan placeras i vinkylaren kyls den ner i en kyl eller frys. När den kalla flaskan sänks ner i vinkylaren kyler den ner luften i springan mellan flaskan och vinkylaren. Eftersom den kalla luften har högre densitet än den varma, så sjunker den kalla luften och därför behålls kylan i vinkylaren. Vinkylare består oftast av metall och har en luftficka mellan väggarna (Design #1 och Design #2 ). Luften mellan väggarna är isolerad från omgivningen, men samtidigt rör sig den inneslutna luften inuti väggarna på grund av naturlig konvektion, ibland kallat fri konvektion.  Design #3 består istället av granit utan luftficka.

MER SIMULERING: SÅ PLACERAR DU GRILLKOLEN RÄTT

Låt oss först anta följande:

• Flaskan står på ett bord i skuggan och vi har ingen värmeöverföring via strålning från solen
• Det är helt vindstilla
• Vi tar inte hänsyn till kondens

Eftersom vi har temperaturskillnader i vinet så måste även den naturliga konvektionen i vinet beaktas. På grund av densitetsskillnader i luften runt om vinet och vinkylaren rör sig även den luften och detta påverkar värmeutbytet. Redan nu kan (nästan) vem som helst inse att det är mer eller mindre omöjligt att förutse hur mycket de olika parametrarna påverkar temperaturen i flaskan efter en tid utomhus.

Simulera en vinkylare med COMSOL Multiphysics och Heat Transfer Module

En rekommenderad temperatur för att servera vitt vin ligger omkring 6-12 grader Celsius. Eftersom vinet värms upp snabbt i glaset vid hög utomhustemperatur, så antas en bra serveringstemperatur en varm sommardag vara cirka 10 grader Celsius. Enligt vissa tillverkare av vinkylare ska drycken kunna hållas kyld i cirka en timme (och till och med upp mot 3 timmar).  Kan detta verkligen stämma?

MER SIMULERING: SPELAR FOTBOLLEN NÅGON ROLL I VM?

Till att börja med byggs geometrin med de inbyggda ritverktygen i COMSOL Multiphysics. Modellen använder följande materialdata:

• Kork
• Glas i flaskan
• Luft mellan korken och vätskenivån, mellan flaskan och vinkylaren och i luftfickan mellan vinkylarens väggar.
• Vatten för vätskan i flaskan
• Stål (Design #1 och Design #2) i vinkylarens väggar
• Granit (Design #3) i vinkylarens helt solida väggar
• Trä i bordet

Eftersom både vinkylaren och flaskan är rotationssymmetriska används ett gränssnitt för axialsymmetri i COMSOL Multiphysics. Detta leder till snabbare beräkningar utan att förlora noggrannheten. Vi antar att modellen har axialsymmetriska yttre randvillkor, det vill säga vi tar inte hänsyn till effekter som att det blåser en varm vind från sidan eller att solen strålar mot en sida.

Värmetransport sker i alla olika material och simuleras som ren värmeledning i flaskan, korken, bordet, vinkylarens väggar samt luften mellan korken och flaskan. Värmetransporten i övrig luft och i innehållet i flaskan sker både genom värmeledning och konvektion. Vi bortser helt från värmestrålning i modellen, då vi antar att flaskan står på en skuggig plats och att temperaturerna är relativt låga.  Initialt antas flaskan och dess innehåll ha en temperatur av 6 grader Celsius. Begynnelsetemperaturen på övriga delar samt den omgivande luftens temperatur ansätts till 21 grader Celsius. Flaskan antas att vara oöppnad under hela simuleringen och vi undersöker temperatur och flöden under de första tre timmarna.

Låt resultaten tala instället för intuitionen

Den naturliga konvektionen har stor inverkan på resultat och i bildserien nedan visualiseras flödet efter tre timmar i varje enskild fluid.

Hur gick det då? Vilken design var faktiskt var bäst? Gissade du på Design #1 visar simuleringarna att du valde rätt! I bilden nedan visas temperaturen efter tre timmar.

De färgglada bilderna ger oss en väldigt bra bild av resultatet, men tydligast visas detta i en graf. I bilden nedan ser vi medeltemperaturen i drycken mot tiden i minuter.

Testa olika konfigurationer

Låt oss fokusera på Design #1 vilket verkar vara den konfiguration som har bäst potential att kunna förfinas ytterligare. Vad händer till exempel om vi ändrar vinkylarens väggtjocklek, men behåller dess inre diameter? I den initiala modellen var ytterdiametern 135 mm. Låt oss testa ytterdiametern 120 mm, 150 mm och ta i lite extra för att testa 200 mm också.

I grafen nedan ser vi att vi får en något lägre medeltemperatur i flaskans innehåll om vi ökar väggtjockleken något. Å andra sidan ökar temperaturen drastiskt om vi sätter ytterdiametern för stor. Den troliga orsaken till detta fenomen är att den naturliga konvektionen inuti vinkylaren blir större vilket innebär att isoleringen minskar.

Det skulle vara enkelt att prova många andra geometriska parametrar som höjd, bottentjocklek och avstånd mellan flaskan och vinkylaren. Naturligtvis kan vi också testa olika utomhustemperaturer och materialparametrar.

Att bygga modellen tar cirka en timme för en erfaren användare av COMSOL Multiphysics och Heat Transfer Module. Simuleringen tar enbart några minuter med en vanlig dator.  När modellen har utvecklats är det lätt och snabbt att göra designförändringar för att skapa en optimerad produkt som är överlägsen konkurrenternas. Simuleringar gör att test och dyra prototyper blir färre och på så sätt minskas kostnader samtidigt som nya produkter når marknaden snabbare.  Är du nyfiken på hur du kan börja använda simuleringar för dina applikationer är du välkommen att kontakta COMSOL.