Pişirmenin Sayısal Modellenmesi

Abstract

Tez çalışması kapsamında, ev tipi fırınlarda turbo modda muffin kek pişirmenin ısı ve kütle geçişi modellenmiştir. Buna ek olarak, kek pişirme sırasında meydana gelen dinamik olaylar da incelenmiştir. Muffin kek pişirme sırasında ısı ve kütle geçişine ek olarak gözle görülür bir takım değişimler de meydana gelmektedir. Fırın içerisindeki kek hamuru, meydana gelen kimyasal reaksiyonların etkisiyle kabararak şekil değiştirmektedir. Böylece pişme sırasında hacim değişikliği, buna bağlı olarak ısı ve kütle geçiş yüzey alanı değişmektedir. Deneysel olarak, yüzey sıcaklığı 100°C civarına eriştiğinde kabarmanın durduğu gözlemlenmiştir. Yapılan literatür araştırmaları sonucunda bu durumun kabuk oluşumu ile ilişkili olduğu belirlenmiştir. 100°C sıcaklıkta yüzeydeki su zerrecikleri faz değiştirmektedir.Kütle kaybı sırasında hamur yüzeyi kurumakta ve sertleşmektedir. Böylece kabuk oluşmaktadır. Kabuğun oluşumundan sonra kabuk rengi koyulaşmaktadır ve iç kısımlardan farklı bir renk değeri almaktadır. Kabarma, kabuk oluşumu ve renk gibi parametreler, ısı ve kütle geçişi sebebiyle meydana gelen dinamik değişikliklerdir. Genel olarakkek pişirme prosesi incelendiğinde; pişirme sıcaklığı, hamurun başlangıç sıcaklığı ve başlangıç özgül nemi, ortamın özgül nemi, fırın içi hava hızı, kek hamurunun termofiziksel özellikleri (ısı iletim katsayısı, kütle yayılım katsayısı gibi) girdi parametrelerdir. Kekin son sıcaklık değeri, kütle kaybı, kabarma miktarı, kabuk oluşumu ve renk değişimi ise çıktı parametrelerdir. Tez çalışmasının birinci bölümünde kek ile birlikte, hamur içeriği ve yapısı keke çok benzeyen ekmek başta olmak üzere fırıncılık ürünlerinin pişirilmesi sırasında oluşan ısı ve kütle geçişinin modellenmesi ile ilgili literatür araştırması yapılmıştır. Ayrıca yükseklik, hacim değişimi ve renk değişimi gibi dinamik değişimlere yönelik literatür araştırması da yapılmıştır. Böylece modelleme çalışmaları kapsamında; incelenmesi gereken parametreler, deney düzeneği kurulumu, pişirme sırasında meydana gelen dinamik değişiklikler ve modelleme üzerine yapılmış çalışmalar incelenmiştir. İkinci bölümde; kurulan deney düzeneği, ölçüm aletleri ve metodları anlatılmıştır. Üçüncü bölümde, yapılan deneylerin sonuçları paylaşılmıştır. Pişirme işleminde girdi ve çıktı parametreler ile bu parametreler arasındaki ilişki anlatılmıştır. Dördüncü bölümde analitik ve sayısal modelleme çalışmalarına yer verilmiştir. Analitik modelde açısal simetri kabulü ile silindirik koordinatlarda eksenel ve radyal yönde, zorlanmış ısı ve kütle taşınımı göz önünde bulundurularak, geçici rejimde ısı ve kütle geçişi ayrı ayrı modellenmiştir. Analitik model için gerekli olan kabullerin çözüm için yeterli olmaması üzerine çalışmalara sayısal modelleme ile devam edilmiştir. Eşzamanlı ısı ve kütle geçişi denklemi sayısal olarak çözülmüştür. Sayısal modellemede, geçici rejimde silindirik koordinatlarda, zorlanmış ısı ve kütle taşınımı göz önünde bulundurularak modelleme çalışmaları yapılmıştır. Son bölümde oluşturulan modeller, gerçekleştirilmiş olan deneysel çalışmalar ile kıyaslanmıştır.In this master thesis, heat and mass transfer model of baking muffin cake by a household oven is investigated and the results of the model and experimental data are compared with each other. The dynamics of cooking are also investigated and entegrated to numerical model. While baking muffin cakes, some other changes are observed, in addition to heat and mass transfer. Chemical reactions make the cake dough rise so the shape of dough changes while being cooked. As result of this situation, value of volume rises, so the heat and mass transferarea value gets greater. It s experimentally determined that dough stops rising when the average surface teperature is about 100 °C. According to literature survey, it is known that this situation is related with the crust formation. While the surface of the dough is about 100°C, the crust formation occurs as a result of phase change of the water particules on the surface.Crust of the cake gets harder texturally because of water loss. As a result, dough surface loses its elasticity and resistance occurs against dough rise. After the crust occurs, the surface color gets darker. Finally, the color of crust becomes different than crumb.Parameters like rise of the dough, crust formation and color difference are some examples of dynamics of baking as an effect of heat and mass transfer. Generally, the input parameters of cake baking process are accepted as cooking temperature, initial temperature and initial specific mass of cake dough, specific mass of ambient, the speed ofthe air inside oven and some thermophysical properties of cake dough, for example coefficient of heat conduction, coefficient of mass diffusion... The output parameters of baking process are the last temperature value, mass loss, height difference according to rise of dough, crust formation and color difference of cake. In the first section of the thesis, literature survey was made which includes heat and mass transfer of baking process of cake dough and other baking products that has similar ingredients with cake dough. Also dynamics of baking process like increase of height and volume of dough, color difference in crustwere included to the literature survey. Within the scope of literature survey; the parameters that have to be investigated, experimental setup of testing apparatus, measurement techniques of inputs and outputs of baking dynamics, heat and mass transfer models of baking process were researched. In the second section of the study, experimental setup, testing apparatus and measurement techniques were explained. In the thirth part of the study, the results of experimantal studies wereshared. Input and output parameters and the relation between them were explained. In the fourth section of the thesis, the analytical and numerical models were explained. Muffin cake geometry was assumed to be cylinder for the models. While modelling the heat and mass transfer of baking process analytically,azimuthal symmetry was assumed andconvective heat and mass transfer conditions were considered. Model was based on unsteady conditions. Heat and mass transfer were solved seperately. The assumptions for analytical model was not enough, that’s whystudies were continued with numerical modelling. Also numerical model was based on unsteady convective heat and mass transfer conditions. In the last section, results of analytical and numerical models were compared with experimental results.