Vad gör en bra stekpanna bra?

Har du också undrat vad som gör en stekpanna till just det – en bra stekpanna?
Idag ska vi simulera värmeöverföring i olika material för att sedan undersöka om något material är bättre för att skapa en bra stekpanna.

Vilket program?

Simulation Professional eller Thermal SOLIDWORKS Flow Simulation

Vid värmeberäkningar rekommenderar vi i de flesta fall mjukvaran SOLIDWORKS Flow Simulation.

Det finns tre olika typer av värmeöverföring:

• Konvektion leder värme från en solid materia till en gas, till exempel luft. Exempel, en grill kyls ned av luften omkring samtidigt som luften värms upp av grillens värme.
• Värmestrålning värmer omgivningen och kan studsa mot material.
• Värmeledning sker när ett material blir varmt och transporterar temperaturen genom andra material vid direkt kontakt.

Alla värmeöverföringar kommer att spela roll för vilket resultat vi får och hur vi sedan ställer oss till det.

Både SOLIDWORKS Simulation Professional och SOLIDWORKS Flow Simulation klarar av värmeberäkningar. I Flow Simulation behövs inte värmeöverföringstalet skrivas in manuellt, det räknas i stället ut automatiskt och tas med i beräkningen. Även gasens rörelser, i det här fallet luften runt om, simuleras och räknas med i resultatet när vi simulerar i Flow Simulation. Det ger ett mer precist och verklighetstroget resultat, vilket gör att vi rekommenderar SOLIDWORKS Flow Simulation vid värmeberäkningar.

Vad gör en bra stekpanna bra, är det bara materialval?
Vi kommer att titta på simulering av värme i stekpannor gjorda av olika material; rostfritt stål, koppar och aluminium.

Är värme av en stekpanna strukturellt- eller flödesbetingat?

När värme i en stekpanna ska analyseras kan det göras utifrån olika aspekter. Om vi vill titta på hur luften runt om påverkar värmen är det flödesbetingat. Om vi i stället vill använda resultatet av värme i en stekpanna för att beräkna belastning på material är det strukturellt betingat och löses genom statisk linjär analys.

Här kommer vi titta närmare på flödet kring värme i en stekpanna.

Hur ser processen ut?

Vi vill genomföra en extern simulering eftersom vi vill titta på hur luften runt omkring påverkar värmen, medan en intern simulering visar flödet inuti ett material. Vi börjar med att specificera vilka resultat vi är ute efter, är det är temperatur eller tryck. I nästa steg bygger vi en matematisk mesh som har jämna mellanrum, vilka är tillräckligt bra för att få ett relevant resultat. Vi behöver också kontrollera med jämna intervall hur modellen påverkas under simuleringen. Ju fler celler vi bygger meshen av desto längre tid tar beräkningen. Därför måste vi bygga en mesh som inte är för stor och heller inte för liten. Det lättaste är att börja med en mesh som har färre celler för att sen bygga på fler celler och se hur det påverkar resultatet. När resultatet inte längre förändras vet vi att vi har ett tillräckligt bra underlag, det vill säga tillräckligt många celler i vår mesh.

Vad är nyttan med att göra en sådan här simulering?

Vi gör värmeberäkningar för att se hur temperaturen påverkar materialegenskaper olika. Information om temperaturen kan i sin tur användas för att analysera belastning av materialet, till exempel deformation. Hur mycket påverkas geometrin på modellen av värmen? Olika material beter sig olika och expanderar vid olika temperaturer. Vid kombination av olika material kan man få spänningar i materialet då de påverkas olika vid olika temperaturer. Genom att simulera belastningen i materialen för sig och tillsammans kan vi sen dra slutsatser om vilken kombination som är bäst.

Deformation

Till exempel blir aluminium väldigt varmt, inklusive handtaget. Därför har aluminiumpannor ofta plasthandtag.

Aluminium

Rostfritt stål har inte samma värmeledningsförmåga som aluminium, det blir stor skillnad på värmen i mitten och ute i kanterna.

Rostfritt stål 

Kopparstekpannan presterar någonstans mitt emellan de andra två materialen och blir mycket varmt.

Koppar

Därför finns det stekpannor som kombinerar de olika material för att få fram de bästa egenskaperna hos vardera och utnyttja det till den bästa slutprodukten. I den här simuleringen går vi materialen var för sig.

Kombination av alla tre material

Hur får vi rätt resultat?

Det viktigaste är att meshen runt din modell är tillräckligt välbyggd, det vill säga med rätt mängd celler för att få så riktiga resultat som möjligt. Att bygga en mesh kan vara svårt första gångerna.
Vi på SolidEngineer har mycket kunniga konsulter som kan hjälpa till med detta för att få rätt resultat.

Mesh

Vilka analyser kan vi dra ur den här simuleringen?

Material påverkas olika av värme, resultatet följer sedan en avvägning av vad som är viktigt för slutprodukten. Ska stekpannan vara i lågprissegment eller i det mer pris okänsliga segmentet? Materialvalen spelar stor roll för slutproduktens pris. Aluminium kan köpas in till en lägre kostnad men inte lika tåligt som till exempel koppar. Koppar har dock inte de mest hygieniska egenskaperna då det släpper koppar när det når en viss temperatur.

Nästa steg kan vara att simulera hur kombination av olika material beter sig vid upphettning för att skapa bästa möjliga slutprodukt.