王　璟，劉　東，項(xiàng)琳琳

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海　200092)

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某烤箱不同運(yùn)行階段內(nèi)部的傳熱機(jī)理研究

王璟，劉東，項(xiàng)琳琳

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海200092)

0引言

烤箱作為一種便捷的廚房工具，正在我國逐漸地普及開來。國內(nèi)一些廚具生產(chǎn)企業(yè)也開始自主研發(fā)相關(guān)的烤箱產(chǎn)品。但是，作為一個(gè)國內(nèi)新興的產(chǎn)品，國產(chǎn)烤箱也不可避免地面臨一些問題，如烤箱結(jié)構(gòu)不合理造成的內(nèi)部溫度場(chǎng)不均勻，局部熱堆積等。造成的結(jié)果就是烘烤食物時(shí)，可能一部分已經(jīng)烤焦，另一部分尚未烤熟，影響質(zhì)量。

同濟(jì)大學(xué)的莊江婷等對(duì)工業(yè)煙草烘箱內(nèi)的熱環(huán)境進(jìn)行了實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬，研究了烘箱內(nèi)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，提出了改進(jìn)措施以改善煙草干燥均勻度，但對(duì)溫度場(chǎng)均勻性沒有研究[1]。南京信息工程大學(xué)的劉暢等利用偏微分方程研究了不同烤箱形狀下何種面包形狀最不易烤糊[2]；西北大學(xué)的姚靖等用MATLAB求解烤箱內(nèi)部溫度場(chǎng)，給出了加熱過程中幾種典型食物的熱分布，并得出圓形為器皿的最優(yōu)形狀[3]。

本文作為某國產(chǎn)烤箱改進(jìn)項(xiàng)目中的理論研究部分，從傳熱的角度對(duì)烤箱內(nèi)部換熱過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，通過換熱量的計(jì)算，分析出烤箱內(nèi)部加熱過程各階段的主導(dǎo)傳熱方式?？梢愿玫亓私饪鞠鋬?nèi)部傳熱過程，對(duì)烤箱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提出指導(dǎo)性意見。

1烤箱概況

該烤箱采用3D立體循環(huán)烘烤，在烤箱內(nèi)膽的底部、頂部、背部各布置有一個(gè)加熱管，背部擋板外還設(shè)有熱風(fēng)機(jī)，促進(jìn)箱內(nèi)空氣定向循環(huán)。烤箱的物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。烤箱內(nèi)膽尺寸為：長450 mm×寬392 mm×高340 mm。頂部有一小孔可供空氣流通，另外門縫處也可能有部分熱空氣的泄露。

圖1　烤箱內(nèi)腔結(jié)構(gòu)示意圖

烤箱共有七種烘烤模式，每種模式對(duì)應(yīng)的加熱管及風(fēng)扇開閉情況見表1。

表1烤箱七種模式說明表

編號(hào)圖標(biāo)上加熱管背加熱管下加熱管熱風(fēng)扇貫流風(fēng)扇模式一√√√√√模式二√××√√模式三××√√√模式四×√×√√模式五√×√×√模式六√×××√模式七××√×√

根據(jù)目前對(duì)烤箱內(nèi)部溫度場(chǎng)的實(shí)測(cè)情況來看，其溫度分布并不均勻，不同測(cè)點(diǎn)的溫度最高值和最低值之差最大可達(dá)10℃，導(dǎo)致食物烘烤時(shí)各部位出現(xiàn)冷熱不均，生熟不勻的現(xiàn)象。因此需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)對(duì)各種模式的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果，提出烤箱內(nèi)腔結(jié)構(gòu)改良、小孔位置變動(dòng)或加熱管功率改變的方案?？鞠鋬?nèi)部的換熱量計(jì)算是作為理論研究的一部分，可以對(duì)后續(xù)改進(jìn)起到一定程度的指導(dǎo)作用，并提供參考。

2傳熱機(jī)理研究

2.1　研究思路

烤箱內(nèi)的傳熱主要通過兩種方式，一為對(duì)流換熱，二為輻射換熱。兩種換熱方式同時(shí)進(jìn)行，且在不同時(shí)刻，各自換熱的強(qiáng)度不同，即起主導(dǎo)作用的方式不同。對(duì)流換熱主要包括：壁面與空氣間的對(duì)流換熱、空氣與食物間的對(duì)流換熱；輻射換熱包括：壁面與食物間的輻射換熱，加熱管與食物間的輻射換熱。

在烘烤過程中，由于加熱管管徑細(xì)小，其面積和壁面相比很小，因此在計(jì)算中將這部分輻射量不考慮。另外，由于空氣的主要成分是氧氣和氮?dú)?，這兩種氣體的輻射和吸收能力很微弱，在此可以認(rèn)為空氣是透明體，即不考慮空氣與壁面間的輻射換熱。

對(duì)烤箱內(nèi)的傳熱過程作如下分析[3]：使用者將食物放入烤箱后，選擇一個(gè)烘烤模式，設(shè)定好時(shí)間，啟動(dòng)開關(guān)。這時(shí)加熱管開始發(fā)熱，且烤箱內(nèi)的空氣在風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。加熱管通過輻射加熱壁面和食物，同時(shí)，熱壁面通過對(duì)流加熱空氣，熱空氣還通過對(duì)流加熱食物。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)烤箱內(nèi)的氣體作如下假設(shè)：

(1)各壁面溫度相等且均勻；

(2)空氣溫度分布均勻；

(3)空氣流在烤箱中為活塞流，速度場(chǎng)均勻。

2.2　分析計(jì)算

選取模式一，即上、下、背面加熱管全開模式作為理論分析的背景。考察如下情況下的烤箱內(nèi)部傳熱問題：加熱一段時(shí)間后，壁面溫度和空氣溫度基本穩(wěn)定，食物溫度上升。

2.2.1工況一分析

取食物溫度和空氣溫度相等這一瞬時(shí)為工況一，計(jì)算對(duì)流換熱量和輻射換熱量。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，已知模式一時(shí)，內(nèi)部溫度場(chǎng)基本達(dá)到穩(wěn)定時(shí)。

壁面溫度

tw=(217.7+226.3+232.4+215.3+218.1)/5=221.96℃

空氣溫度

ta=211.16℃

定性溫度

tm=(tw+ta)/2=216.56℃

根據(jù)定性溫度查空氣參數(shù)得

運(yùn)動(dòng)粘度ν=36.76×10-6m2/s

導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.0404 W/(m·℃)

普朗特?cái)?shù)Pr=0.679

(1)對(duì)流換熱量計(jì)算

選取流體外掠平板對(duì)流換熱模型為計(jì)算模型。則x處的雷諾數(shù)

Rex=ux/ν

(1)

其中，u取整個(gè)流場(chǎng)的平均風(fēng)速，x為對(duì)流換熱的板長。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，背面熱風(fēng)扇回風(fēng)口的直徑為0.14 m，回風(fēng)風(fēng)速為2.24 m/s?？鞠鋬?nèi)腔背板示意如圖2所示。

平均風(fēng)速計(jì)算：

循環(huán)風(fēng)量

2.24×3.14×(0.14/2)2=0.034 5 m3/s

空氣一個(gè)循環(huán)內(nèi)流過的體積約

2V=2×0.45×0.392×0.34=0.12 m3

則換氣次數(shù)

0.0345/0.12=0.287 s-1

流體一個(gè)循環(huán)內(nèi)流過的路徑如俯視圖3所示。

圖2　烤箱內(nèi)腔背板示意圖

圖3　氣流循環(huán)路徑示意圖(俯視圖)

則一個(gè)循環(huán)內(nèi)流體流經(jīng)的長度

L=2×0.392+0.45/2+0.08=1.089 m

由此得流場(chǎng)內(nèi)平均風(fēng)速

u=1.089×0.287=0.313 m/s

對(duì)流換熱板長

x=0.45/2+0.392+0.08=0.697 m

x處的雷諾數(shù)為

Rex=0.313×0.697/(36.76×10-6)=5.878×103

層流換熱根據(jù)局部對(duì)流換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式

(2)

帶入已知數(shù)據(jù)計(jì)算得

hx=1.297 W/(m2·℃)

平均對(duì)流換熱系數(shù)

h=2hx=2.594 W/(m2·℃)

對(duì)流換熱量計(jì)算公式

Qc=h(tw-ta)·A

(3)

對(duì)流換熱面積

A=2x·H=2×0.697×0.34=0.474 m2

所以，對(duì)流換熱量Qc=2.594×(221.96-211.16)×0.474+0=13.279 W

由于該工況下已經(jīng)假定空氣和食物溫度相等，故這部分對(duì)流換熱量為0。

(2)輻射換熱量計(jì)算

假定食物為一個(gè)邊長5 cm的小立方體形狀，由于不同食物的表面發(fā)射率不同，故取食物表面發(fā)射率ε1=1。

食物表面積

A1=6×0.05×0.05=0.015 m2

烤箱內(nèi)表面積

A2=0.925 m2

A1/A2=1.6%，食物與烤箱內(nèi)表面積的比值較小，同時(shí)烤箱內(nèi)表面搪瓷層發(fā)射率較大，因此可以在工程誤差允許范圍內(nèi)看作是小物體對(duì)大空間的輻射。根據(jù)小物體對(duì)大空間的輻射公式

(4)

式中σb——黑體輻射常數(shù),σb=5.67×10-8W/(m2·℃4);

T2——烤箱內(nèi)壁平均溫度/℃；

T1——食物表面溫度/℃。

代入數(shù)據(jù)得

Qr=1×0.015×5.67×10-8×(495.114-484.314)=4.315 W

綜上，在該假定工況下，由于壁面與食物間溫差較小，屬于烘烤后期，對(duì)流換熱量約為輻射換熱量的3倍，對(duì)流為主導(dǎo)換熱方式。

2.2.2工況二分析

若假定食物溫度為100℃，其他條件不變?yōu)楣r二，計(jì)算該工況下的換熱量情況。在這種情況下，壁面和空氣間的對(duì)流換熱量不變，但空氣和食物間對(duì)流換熱量不為0，根據(jù)類似的計(jì)算過程算得為13.410 W，故

Qc2=13.279+13.410=26.689 W

Qr2=1×0.015×5.67×10-8×(495.114-373.154)=34.617 W

該工況下，由于壁面與食物間溫差較大，屬于烘烤前期，輻射換熱的強(qiáng)度大，是對(duì)流換熱的1.3倍。

2.2.3進(jìn)一步分析

仍采用以上的計(jì)算思路，調(diào)整食物溫度，可以計(jì)算出輻射換熱與對(duì)流換熱二者重要性相當(dāng)?shù)狞c(diǎn)。表2中是計(jì)算結(jié)果。

表2換熱量計(jì)算結(jié)果

編號(hào)食物表面溫度/℃對(duì)流換熱量/W輻射換熱量/W輻射/對(duì)流比值111025.53732.7781.28212024.33630.7881.27313023.10228.6401.24414021.90326.3271.20515020.68123.8391.15616019.48121.1691.09717017.06018.3071.07818017.06715.2440.89917517.67116.8010.951017317.90917.4100.971117218.03517.7110.981217118.14818.0100.99

由表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)食物溫度為171℃時(shí)，對(duì)流和輻射換熱的強(qiáng)度相同，在171℃以下時(shí)，輻射換熱占主導(dǎo)；171℃以上時(shí)，對(duì)流換熱占主導(dǎo)。

根據(jù)烤箱內(nèi)溫度場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(模式一)，找出對(duì)應(yīng)點(diǎn)處達(dá)到指定溫度171℃的時(shí)間。模式一下烤箱內(nèi)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線如圖4所示。

圖4　烤箱內(nèi)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

測(cè)試儀器每秒鐘記錄一次溫度，根據(jù)原始數(shù)據(jù)、結(jié)合圖表，在烤箱運(yùn)行709 s，食物溫度達(dá)到171℃，在此之前，烤箱內(nèi)輻射為主導(dǎo)的換熱方式；之后，烤箱內(nèi)的溫度先是上升到230℃，之后基本維持在210℃，以對(duì)流為主導(dǎo)換熱方式。

2.2.4小結(jié)

以上雖然只計(jì)算了烤箱在模式一下的傳熱過程，但對(duì)于其他的模式，也可以用同樣的方法來分析其傳熱過程，進(jìn)而找出換熱方式從輻射主導(dǎo)轉(zhuǎn)為對(duì)流主導(dǎo)的點(diǎn)。需要注意的是，在不同模式下，經(jīng)一定的時(shí)間建立起穩(wěn)態(tài)后，烤箱內(nèi)壁面溫度、空氣溫度及加熱管溫度都是相同的，也就是說，雖然模式不同，但最后達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)都是一樣的，不同的是建立穩(wěn)態(tài)的過程，以及輻射和對(duì)流轉(zhuǎn)換的溫度點(diǎn)。

在食物被加熱逐漸升溫的過程中，對(duì)流和輻射都是其主要的換熱方式。在加熱前期，當(dāng)食物溫度還較低時(shí)(約170℃以下)，由于食物與壁面間溫差大，其間的輻射換熱成為主導(dǎo)；當(dāng)食物溫度上升到超過170℃時(shí)，溫差的作用減弱，此時(shí)，由于烤箱內(nèi)有高溫空氣的循環(huán)流動(dòng)，對(duì)流換熱成為主導(dǎo)加熱方式。

3優(yōu)化建議

由以上計(jì)算結(jié)果分析可知，在該烤箱的烘烤過程中，僅前十分鐘內(nèi)是以輻射為主要的換熱方式，之后的約一個(gè)多小時(shí)內(nèi)，對(duì)流的作用強(qiáng)于輻射。因此，對(duì)烤箱的改進(jìn)主要從增強(qiáng)對(duì)流換熱強(qiáng)度，改善溫度場(chǎng)均勻性著手，可以從以下三個(gè)方面對(duì)烤箱進(jìn)行改進(jìn)。

3.1　提高熱風(fēng)扇風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增大場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速

增大對(duì)流換熱強(qiáng)度一方面有助于空氣和食物間更快速地?fù)Q熱，從而縮短烘烤時(shí)間；另一方面也有助于使烤箱內(nèi)各處的空氣更充分地混合，使溫度場(chǎng)更均勻。由于對(duì)流換熱強(qiáng)度和風(fēng)速正相關(guān)，因此可以考慮增大熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，從而加強(qiáng)對(duì)流。

3.2　改變背部熱風(fēng)扇擋板結(jié)構(gòu)，改善溫度場(chǎng)

通過分析烤箱內(nèi)腔原來的結(jié)構(gòu)以及溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，僅靠背部擋板側(cè)邊的兩個(gè)小口進(jìn)風(fēng)對(duì)溫度場(chǎng)的均勻性有很大影響，不利于空氣更好地對(duì)流。因此，考慮由背擋板四周的細(xì)長狹縫進(jìn)風(fēng)，同時(shí)，將直角形狀的凸起改為30°的斜坡，更加利于空氣對(duì)流，促進(jìn)溫度場(chǎng)均勻。

3.3　移動(dòng)頂部小孔位置，緩解局部熱堆積

由于頂部的小孔處也會(huì)有部分空氣外漏，小孔的位置會(huì)影響溫度場(chǎng)的分布，起到導(dǎo)流作用。因此可以嘗試移動(dòng)小孔的位置，或改變小孔的直徑，從而改善溫度場(chǎng)。

4數(shù)值模擬

對(duì)烤箱的數(shù)值模擬方法是一種很好的方式，花費(fèi)少，速度快，并且可以同時(shí)模擬多種不同工況[5]。根據(jù)以上改進(jìn)思路對(duì)烤箱進(jìn)行了數(shù)值模擬。首先建立烤箱內(nèi)膽的幾何模型，用FLUENT軟件對(duì)烤箱內(nèi)部熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，之后再用內(nèi)腔溫度場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)模擬和實(shí)測(cè)所得的溫度值平均偏差為5.71%，最大偏差為9.82%，均在可接受的范圍內(nèi)，由此，采用了模型。

表3為現(xiàn)有烤箱的溫度計(jì)算結(jié)果，由方差值最大達(dá)到17.2℃可知，溫度場(chǎng)極不均勻。

針對(duì)現(xiàn)有烤箱，考慮了幾種改進(jìn)措施，包括：小孔位置改變、小孔數(shù)量增加、熱風(fēng)扇風(fēng)速改變、上下加熱管位置改變以及蓋板結(jié)構(gòu)的改變。以下詳細(xì)介紹改變小孔位置、改變熱風(fēng)扇風(fēng)速和改變蓋板結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果。

4.1　頂部出風(fēng)小孔位置改變

頂部的小孔是內(nèi)外氣流交換的通道之一，內(nèi)部熱氣流有可能在小孔處形成短路，造成小孔處的局部高溫以及靠近門處出現(xiàn)低溫區(qū)域。因此，模擬了幾種位置移動(dòng)方案，如表4。

由表4可見，方案1.3，即小孔內(nèi)移50 mm時(shí)溫度場(chǎng)為最優(yōu)，平均溫度270℃，它的上、中、下三層的方差值最小，溫度均勻性好。

圖5(a)顯示了方案1.3中層烤架位置的溫度場(chǎng)圖，由圖可見，相比現(xiàn)有烤箱，溫度場(chǎng)均勻很多。圖5(b)截面圖也可看出，在烤架所在范圍內(nèi)溫度波動(dòng)為268~273℃，均勻性有了很大改善。因此，頂部小孔內(nèi)移對(duì)于溫度場(chǎng)的影響較為顯著，改善比較明顯。

表3現(xiàn)有烤箱溫度計(jì)算結(jié)果

編號(hào)說明下層中層上層總方差平均值/℃方差平均值/℃方差平均值/℃方差0原烤箱,回風(fēng)速度v=1.5m/s266.76.1267.36.1267.017.29.5

表4小孔位置移動(dòng)模擬結(jié)果

編號(hào)說明下層中層上層總方差平均值/℃方差平均值/℃方差平均值/℃方差1.1小孔外移120mm262.617.7261.87.2261.55.69.61.2小孔外移73mm266.815.9264.55.1264.18.810.71.3小孔內(nèi)移50mm270.32.8269.91.4269.71.71.91.4小孔內(nèi)移100mm270.64.8271.36.3271.77.35.91.5小孔內(nèi)移150mm271.03.6270.12.0269.42.32.9

圖5　頂部小孔內(nèi)移50 mm時(shí)的溫度分布

表5熱風(fēng)扇回風(fēng)速度改變

編號(hào)說明下層中層上層總方差平均值/℃方差平均值/℃方差平均值/℃方差3.1回風(fēng)風(fēng)速v=1.0m/s268.68.3268.98.4270.120.711.13.2回風(fēng)風(fēng)速v=0.5m/s267.812.9266.811.2267.611.411.93.3回風(fēng)風(fēng)速v=0m/s 261.126.7256.39.9256.711.119.53.4回風(fēng)風(fēng)速v=2.0m/s264.14.5264.55.7265.212.57.2

表6熱風(fēng)扇蓋板結(jié)構(gòu)改變

編號(hào)說明下層中層上層總方差平均值/℃方差平均值/℃方差平均值/℃方差5.1蓋板拉長260.33.9260.43.0261.39.45.25.2蓋板結(jié)構(gòu)改變,進(jìn)風(fēng)口位于蓋板邊緣側(cè)部259.74.0259.62.2260.52.52.85.3蓋板結(jié)構(gòu)改變,進(jìn)風(fēng)口位于蓋板邊緣側(cè)部及蓋板左右各一259.83.7259.73.0259.72.93.05.4蓋板結(jié)構(gòu)改變,進(jìn)風(fēng)口位于蓋板邊緣側(cè)部及蓋板上下左右各一260.33.5259.63.5259.72.93.15.5蓋板拉長,頂部小孔內(nèi)移50mm262.33.6262.42.9264.12.33.45.6蓋板拉長,頂部小孔外移73mm260.315.9258.54.4259.818.412.55.7蓋板拉長,頂部小孔增至三個(gè)(d=22mm)265.46.5264.74.6265.61.94.25.8蓋板拉長,背部進(jìn)風(fēng)口2個(gè)(左右)變4個(gè)(上下左右)260.55.1260.52.9261.010.35.75.9蓋板拉長,蓋板增設(shè)4個(gè)進(jìn)風(fēng)小孔(d=10mm)260.43.7260.33.3261.29.45.25.10蓋板拉長,蓋板增設(shè)4個(gè)進(jìn)風(fēng)小孔(d=22mm)260.96.7260.53.1261.311.36.6

4.2　熱風(fēng)扇風(fēng)速改變

由第二、三章節(jié)的分析和優(yōu)化建議可知，熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)速大小決定了箱體內(nèi)空氣流動(dòng)的速度，從而影響對(duì)流換熱的強(qiáng)度，考慮改變熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

由表5可見，改變回風(fēng)速度對(duì)溫度場(chǎng)的改善作用并不明顯，有時(shí)甚至?xí)夯瘻囟葓?chǎng)，總體來說，回風(fēng)速度越大，溫度場(chǎng)越均勻，增大回風(fēng)速度可以一定程度地改善溫度場(chǎng)。但考慮到噪聲以及產(chǎn)生的抽吸力對(duì)食物的影響，回風(fēng)速度也不宜任意增大。

4.3　熱風(fēng)扇蓋板結(jié)構(gòu)改變

原先背部進(jìn)風(fēng)口位于凸起的熱風(fēng)扇蓋板的左右兩側(cè)，蓋板結(jié)構(gòu)的改變包括兩方面，一是將凸起的蓋板四邊設(shè)置成角度較小的斜坡，以改善背板附近的氣流分布，減少渦流、死角，進(jìn)風(fēng)口位于蓋板四周邊緣，對(duì)應(yīng)方案5.2-5.4；二是將凸起蓋板按比例拉大，進(jìn)風(fēng)口依然位于左右兩側(cè)，尺寸變?yōu)?90 mm×26 mm，對(duì)應(yīng)方案5.1, 5.5-5.10。

由表6可見，方案5.2，即緩斜坡結(jié)構(gòu)的蓋板可以獲得較好的溫度均勻性，但是僅僅從結(jié)構(gòu)角度改變，溫度場(chǎng)的改善效果還是有限，并且仍存在小的局部低溫區(qū)和局部高溫區(qū)，因此，該項(xiàng)措施可以作為其他措施的輔助手段。

綜合影響烤箱內(nèi)部溫度均勻性的多種因素，改進(jìn)后的內(nèi)腔設(shè)計(jì)模型如圖6所示。

圖6　改進(jìn)后的烤箱內(nèi)腔模型

5結(jié)論

(1)現(xiàn)有烤箱內(nèi)部溫度場(chǎng)分布不均現(xiàn)象明顯，最高溫與最低溫處的溫差可達(dá)10℃以上，考慮以模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)的手段對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，本文從傳熱學(xué)角度對(duì)烤箱內(nèi)部各階段的傳熱機(jī)理進(jìn)行了計(jì)算和分析。

(2)通過對(duì)烤箱模式一(加熱管、熱風(fēng)扇全開)下的傳熱過程進(jìn)行計(jì)算，可知在烘烤第一階段，食物溫度在171℃以下時(shí)，傳熱方式以輻射為主導(dǎo)，該階段持續(xù)約10 min；烘烤第二階段，也就是食物溫度上升至171℃以上之后，對(duì)流成為主導(dǎo)的換熱方式。

(3)為了加強(qiáng)對(duì)流，使內(nèi)部溫度場(chǎng)更均勻，建議從三方面對(duì)烤箱進(jìn)行改進(jìn)：①增大熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；②背部擋板形狀改變、進(jìn)風(fēng)口形狀改變；③頂部小孔位置的移動(dòng)或尺寸的改變。

(4)根據(jù)理論計(jì)算提供的改進(jìn)思路，對(duì)現(xiàn)有烤箱進(jìn)行了移動(dòng)小孔位置、改變熱風(fēng)扇回風(fēng)速度和改變背板結(jié)構(gòu)的措施，最終得到了一個(gè)最優(yōu)模型。模擬的主要結(jié)論是：①頂部出風(fēng)小孔內(nèi)移50 mm時(shí)可以有效改善溫度場(chǎng)；②改變回風(fēng)速度對(duì)溫度場(chǎng)的改善作用并不明顯，有時(shí)甚至?xí)夯瘻囟葓?chǎng)，但總體來說，回風(fēng)速度越大，溫度場(chǎng)越均勻；③將背部熱風(fēng)扇蓋板四周改成緩斜坡可以獲得較好的溫度均勻性。

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摘要：為探究烤箱內(nèi)部各階段的傳熱機(jī)理，了解各階段主導(dǎo)的傳熱方式，本文通過國產(chǎn)某烤箱的溫度場(chǎng)均勻性優(yōu)化改進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)行了研究。研究采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試、理論計(jì)算以及運(yùn)用FLUENT模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的方法進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論計(jì)算結(jié)果表明食物溫度上升至171℃以上之后，對(duì)流成為主導(dǎo)的換熱方式，利用數(shù)值模擬得到了烤箱的優(yōu)化模型。本文為類似烤箱的研究提供了一種理論分析計(jì)算和數(shù)值模擬的思路。

關(guān)鍵詞：烤箱；傳熱機(jī)理；溫度場(chǎng)均勻性；理論計(jì)算；數(shù)值模擬

Study of the Heat Transfer Mechanism of an Oven during Different PhasesWANG Jing1,LIU Dong,XIANG Lin-lin

(Tongji University,School of Mechanical Engineering,Shanghai 200092,China)

Abstract：In this paper, in order to study the heat transfer mechanism and the dominant ways of heat transfer during different phases in the oven, an oven optimization project has been researched. The methods of the research are measurement, theoretical calculation and simulation by using FLUENT. The results of measurement and theoretical calculation show that convection become the dominant way of heat transfer when the temperature is above 171℃. An optimized model of oven is simulated with the software FLUENT. This paper provides a new approach of theoretical calculation and numerical simulation to study the analogous oven.

Key words：oven;heat transfer mechanism;uniformity of the temperature field;theoretical calculation;numerical simulation

作者簡(jiǎn)介：王璟(1991~)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)榻ㄖ苄а芯亢褪覂?nèi)污染物控制研究。

收稿日期2014-12-20修訂稿日期2015-04-24

中圖分類號(hào)：TM925.51

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6339 (2015) 06-0539-07