Utilizzo di tecnologie avanzate per applicazioni di "high speed cooking"

Nella progettazione di sistemi di cottura "high speed cooking" l"utilizzo della tecnologia a microonde si rivela essenziale. A differenza dei metodi tradizionali di riscaldamento in cui il calore fluisce dall"ambiente esterno verso l'interno, nel riscaldamento a microonde il campo elettromagnetico (EM) permette la generazione del calore all"interno del cibo stesso. Alcuni vantaggi di questo metodo sono i tempi di riscaldamento molto brevi e il rendimento elevato. Per contro, il riscaldamento a microonde è intrinsecamente non uniforme: la distribuzione del campo EM all'interno di una camera di cottura è disomogenea, altresì, l'onda EM che attraversa un workload cede energia e via via si attenua, determinando un assorbimento di energia non uniforme da parte del carico. Lo scenario si complica ulteriormente in relazione a geometria e dimensioni della cavità nonchè alla geometria, dimensioni, posizione e proprietà dielettriche del carico di cottura. Per migliorare l'uniformità del riscaldamento vengono adottate tecniche che favoriscono il rimescolamento del campo EM durante il processo, come ad esempio il piatto rotante e gli agitatori di campo (stirrers). Non sempre la tipologia del sistema di cottura permette l'utilizzo di parti meccaniche in movimento per l'agitazione del campo e quindi la mitigazione di hot spot e cold spot. In alcuni casi vengono utilizzate tecniche senza parti mobili quali: l'accensione intermittente di sorgenti a microonde di potenza o lo sfasamento tra le sorgenti. Quest'ultima tecnica, ed in particolare i suoi effetti sulla distribuzione del campo EM e sul riscaldamento del carico di cottura sono stati affrontati in questa tesi di dottorato. Lo studio delle sorgenti a microonde di potenza è diventato sempre più importante tra i ricercatori che si occupano di sistemi di cottura. Negli anni recenti, i dispositivi a stato solido, caratterizzati da prestazioni sempre più elevate, hanno trovato impiego in molte aree di applicazioni prima riservate ai magnetron. In particolare, l'utilizzo di generatori a stato solido consente un controllo della cottura più accurato garantendo un riscaldamento uniforme del cibo, per esempio agendo sullo sfasamento tra le diverse sorgenti a microonde. Una ulteriore tecnica, oggetto di indagine in questa tesi, per migliorare le prestazioni di cottura del cibo si giova dell'utilizzo di opportune aperture di accoppiamento tra le guide d'onda e la camera di lancio, ovvero antenne a fessura utilizzate per realizzare una schiera di antenne in una guida d'onda. L'efficacia delle tecniche proposte per migliorare l'obiettivo del riscaldamento uniforme è stata verificata tramite simulazione numerica di un prototipo d'interesse pratico: un sistema di cottura detto "panini grill" che grazie all'utilizzo della tecnologia a microonde permette di riscaldare un sandwich anche all'interno e ridurre significativamente i tempi di cottura. Il corrispondente modello multifisico 3D è stato realizzato mediante il software commerciale COMSOL Multiphysics che sfrutta il metodo degli elementi finiti per le simulazioni. In relazione agli accorgimenti impiegati, il problema di determinare quali siano i valori delle loro grandezze peculiari (e.g. sfasamento tra le sorgenti a microonde, layout schiera di antenne) che assicurano una cottura uniforme, è stato affrontato come un problema di ottimizzazione. In particolare, il metodo di ottimizzazione utilizzato si basa sulla costruzione di metamodelli al fine di ridurre la complessità ed il tempo complessivo di simulazione del modello numerico multifisico. Il processo di ottimizzazione ha coinvolto fasi di pre-elaborazione, programmazione e postelaborazione attraverso l'accoppiamento tra COMSOL e il software di calcolo scientifico Matlab