顧思源 劉東 項(xiàng)琳琳

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

影響烤箱內(nèi)腔溫度場(chǎng)均勻性的關(guān)鍵因素分析

顧思源 劉東 項(xiàng)琳琳

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

家用電烤箱在日常生活中的使用日益頻繁，烤箱內(nèi)部溫度分布的均勻性是衡量烤箱質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。本文針對(duì)現(xiàn)有烤箱溫度場(chǎng)不均的情況進(jìn)行分析和研究，建立烤箱的三維簡(jiǎn)化模型，模擬了多種改善措施對(duì)內(nèi)腔溫度分布的影響，最終綜合多種措施得到了烤箱的最優(yōu)模型，即頂部出風(fēng)小孔在原有基礎(chǔ)上向內(nèi)移50mm，熱風(fēng)扇回風(fēng)速度由1.5m/s增大至2m/s，并且改變背部熱風(fēng)扇蓋板的結(jié)構(gòu)。在最優(yōu)模式下，烤箱內(nèi)腔的溫度場(chǎng)均勻性得到極大改善。

烤箱溫度 均勻性 關(guān)鍵因素 數(shù)值模擬

0 引言

隨著生活水平的提高，家用烤箱在人們的日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用，而烤箱內(nèi)部溫度的均勻性直接關(guān)系到烘烤食物的品質(zhì)，如果烤箱內(nèi)部溫度不均勻，則會(huì)導(dǎo)致食物不同部位冷熱不均，生熟不勻。對(duì)烤箱內(nèi)部溫度均勻性進(jìn)行研究一般可以采用兩種方法：實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)模擬。實(shí)驗(yàn)研究的優(yōu)點(diǎn)是可在實(shí)際烤箱中測(cè)量分析，結(jié)果可靠，但投資大，時(shí)間長，同時(shí)受實(shí)驗(yàn)條件等的限制；而數(shù)值模擬方法是一種很好的方式，花費(fèi)少，速度快，可以同時(shí)模擬多種不同工況[1，2]。

目前已有一些針對(duì)烤箱類的設(shè)備內(nèi)的熱環(huán)境進(jìn)行的研究，如文獻(xiàn)[2]、[3]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。北京化工大學(xué)彭威等針對(duì)滾塑機(jī)烘箱內(nèi)部的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，最終得到有利于模具內(nèi)原料加熱過程的改進(jìn)方案[4]。

本文以某廠家的嵌入式電烤箱為研究對(duì)象。該款烤箱據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，烤箱內(nèi)腔不同測(cè)點(diǎn)的溫度最高值和最低值之差可達(dá)10℃，會(huì)影響食物的烘烤質(zhì)量。為了改善電烤箱在實(shí)際使用過程中的性能，本研究通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，優(yōu)化烤箱內(nèi)腔的溫度分布，使其分布均勻。

1 烤箱模型建立

1.1 幾何模型

為了模型簡(jiǎn)化，只對(duì)烤箱內(nèi)膽進(jìn)行建模分析，應(yīng)用Gambit軟件進(jìn)行建模，圖1為電烤箱內(nèi)膽的模型，坐標(biāo)原點(diǎn)位于烤箱的幾何中心，烤箱內(nèi)膽尺寸為450mm（長，X）×340mm（高，Y）×392 mm（深，Z）。加熱管分別設(shè)在內(nèi)膽頂部、底部和背部，同時(shí)背部設(shè)有熱風(fēng)機(jī)，開有兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口和一個(gè)回風(fēng)口，以增強(qiáng)烤箱內(nèi)部氣流循環(huán)，進(jìn)風(fēng)口尺寸103mm×26mm，風(fēng)扇回風(fēng)風(fēng)速v=1.5m/s?？鞠淇蓪?shí)現(xiàn)單面、雙面、多面等多種烘烤模式。頂部出風(fēng)小孔是為了防止內(nèi)腔過熱，空氣膨脹而設(shè)置的氣流通道，小孔直徑d=2 mm，距離烤箱門150mm。同時(shí)為體現(xiàn)門密封性能的局限性和門縫空氣的泄露，模型中畫出了3mm寬的門縫。

圖1 烤箱模型

烤箱的背部、頂部和底部加熱管的形狀和尺寸見圖2。

圖2 加熱管構(gòu)造及尺寸（mm）

1.2 邊界條件

表1為模型定義面和邊界條件設(shè)置。

表1 模型定義面和邊界條件設(shè)置

1.3 數(shù)值方法

采用Fluent軟件對(duì)烤箱內(nèi)部的熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，研究多種改進(jìn)方案下的內(nèi)腔溫度場(chǎng)，尋求優(yōu)化烤箱內(nèi)部溫度均勻性的有效措施。

模擬烤箱內(nèi)的氣流為穩(wěn)態(tài)的三維不可壓縮湍流流動(dòng)，湍流黏性模型選擇標(biāo)準(zhǔn)κ-epsilon模型，近壁面處理選擇增強(qiáng)壁面處理，輻射模型選擇DO模型[5]。材料選擇空氣，采用Boussinesq模型。計(jì)算時(shí)壓力與速度的耦合運(yùn)用SIMPLEC算法，3個(gè)坐標(biāo)方向的速度方程和κ方程的對(duì)流項(xiàng)離散采用二階迎風(fēng)差分格式，擴(kuò)散項(xiàng)的離散采用二階中心差分格式[6]。網(wǎng)格形式選擇Tet/Hybrid，模擬時(shí)試算得429255，665590兩種網(wǎng)格數(shù)得到的模擬結(jié)果相差不大，因此最終確定網(wǎng)格總數(shù)429255，網(wǎng)格步長為3mm。

圖3 三層烤架位置示意圖及三層烤架平面實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖

1.4 模型驗(yàn)證

針對(duì)現(xiàn)有烤箱，對(duì)內(nèi)腔溫度進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的可靠性。在下、中、上三層烤架位置分別布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，共27個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)（圖3），采用溫度記錄儀進(jìn)行溫度測(cè)量，精度0.1℃，每隔2s記錄一次數(shù)據(jù)，測(cè)量范圍0～800℃。下層烤架位于距箱底65mm高處，中層烤架位于130mm高處，上層烤架位于195mm高處。

圖4為三層烤架27個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)和模擬溫度對(duì)比圖：烤箱內(nèi)腔平均溫度模擬值為267℃，實(shí)測(cè)值為253℃，模擬值平均高于實(shí)測(cè)值14℃，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%＜10%，在可接受的范圍內(nèi)。雖然模擬的內(nèi)腔溫度比實(shí)測(cè)高，但溫度分布趨勢(shì)基本一致，而本研究的重點(diǎn)在于內(nèi)腔空氣溫度的均勻性，因此，該模型可以采用。

圖4 三層烤架27個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)和模擬溫度對(duì)比圖

2 影響烤箱內(nèi)腔溫度場(chǎng)均勻性的關(guān)鍵因素探索

烤箱內(nèi)部的傳熱作用主要由輻射和對(duì)流兩部分組成，兩者對(duì)內(nèi)腔溫度場(chǎng)均勻性均有重要影響。首先，頂部小孔對(duì)內(nèi)腔溫度場(chǎng)影響較為明顯，小孔附近及正下方溫度明顯比鄰近區(qū)域高些；其次，熱風(fēng)扇起著引導(dǎo)內(nèi)部氣流的作用，可以使內(nèi)部氣流均勻流通，增強(qiáng)溫度場(chǎng)的均勻性；再者，加熱管是烤箱的核心部件，它的輻射作用主導(dǎo)著食物烘烤的均勻性，可以通過改變它們的位置和功率，使輻射加熱更加均勻；另外，背部蓋板結(jié)構(gòu)也會(huì)影響內(nèi)部氣流，現(xiàn)有烤箱蓋板結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)局部空氣的渦流和死角，從而影響溫度均勻性。表2為現(xiàn)有烤箱的溫度計(jì)算結(jié)果，溫度場(chǎng)極不均勻，最大溫差達(dá)到11℃。

表2 現(xiàn)有烤箱溫度計(jì)算結(jié)果

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。

2.1 頂部出風(fēng)小孔位置改變

由于頂部小孔是內(nèi)外氣流交換通道之一，內(nèi)部的熱氣流有可能通過小孔時(shí)形成短路，造成靠近門處出現(xiàn)低溫區(qū)。因此，模擬了幾種位置移動(dòng)方案，如表3。

表3 小孔位置移動(dòng)模擬結(jié)果

由表3可見，方案1.3，即小孔內(nèi)移50mm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。

圖5 頂部小孔內(nèi)移50mm時(shí)的溫度分布（℃）

2.2 小孔數(shù)量增加

由于內(nèi)膽壁面的小孔對(duì)內(nèi)腔氣流有很大的影響，因此考慮增加頂壁面出風(fēng)小孔的數(shù)量（方案2.1～2.5），在背壁面、左右壁面增加進(jìn)風(fēng)小孔以及改變進(jìn)風(fēng)小孔風(fēng)速（方案2.6～2.11）。

由表4可見，方案2.2，即在原出風(fēng)小孔兩邊各增加一個(gè)相同小孔時(shí)，可以獲得較好的溫度均勻性。但是，烤架位置溫度差別還是比較大，整體溫度均勻性還是不夠，在門附近的溫度偏低，有局部的低溫區(qū)。

表4 小孔數(shù)量增加

2.3 熱風(fēng)扇風(fēng)速改變

由于熱風(fēng)扇抽風(fēng)引起內(nèi)腔氣流循環(huán)，對(duì)溫度場(chǎng)起著一定的調(diào)節(jié)作用，考慮改變熱風(fēng)扇的回風(fēng)速度。

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)速度也不能隨意增大。

表5 熱風(fēng)扇回風(fēng)速度改變

2.4 上、下加熱管位置改變

由于加熱管的輻射加熱作用對(duì)食物烘烤有著關(guān)鍵作用，因此考慮改變加熱管的位置，期待能夠改善溫度場(chǎng)的均勻性。

表6 上下加熱管位置改變

由表6可見，上下加熱管外移30mm時(shí)，可以獲得較好的溫度均勻性。同時(shí)，門附近的低溫區(qū)得到改善。但整體來說，改善效果有限，上部區(qū)域溫差還是比較大。

2.5 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)置成緩斜坡，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，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)?90mm×26mm，方案5.1，5.5～5.10。

由表7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，但是僅僅結(jié)構(gòu)改變，改善的效果還是有限，并且仍存在小的局部低溫區(qū)和局部高溫區(qū)，因此，必須輔以前述其他措施。

表7 熱風(fēng)扇蓋板結(jié)構(gòu)改變

3 烤箱綜合優(yōu)化

根據(jù)4.1～4.5的研究結(jié)果，綜合了影響烤箱內(nèi)部溫度均勻性的多種因素，對(duì)烤箱作出了綜合優(yōu)化。

由表8和圖6可見，方案6.1，即改變了背部蓋板結(jié)構(gòu)，將頂部出風(fēng)小孔內(nèi)移50mm，并且增大熱風(fēng)扇回風(fēng)速度至2m/s時(shí)，可以獲得很好的溫度場(chǎng)。此時(shí)，食物烤架位置的最大溫差為3.5℃，溫度波動(dòng)范圍很小，可以達(dá)到先進(jìn)水平。

表8 烤箱綜合優(yōu)化方案

圖6 方案6.1溫度場(chǎng)分布（℃）

從圖7可見，相比現(xiàn)有烤箱，綜合優(yōu)化之后的烤箱的溫度均勻性得到很大提高。圖8為優(yōu)化烤箱的模型圖。

圖7 原烤箱和優(yōu)化烤箱模擬溫度對(duì)比圖

圖8 最終烤箱優(yōu)化模型

4 結(jié)論

本文研究了改善烤箱內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻性的措施，在現(xiàn)有烤箱的基礎(chǔ)上考慮了移動(dòng)頂部小孔位置、增加小孔數(shù)量、改變熱風(fēng)扇回風(fēng)速度、改變上下加熱管位置、改變背部蓋板結(jié)構(gòu)等措施，最終綜合得到了一個(gè)最優(yōu)模型。主要結(jié)論如下：

1）頂部出風(fēng)小孔內(nèi)移50mm時(shí)可以有效改善溫度場(chǎng)。

2）原小孔兩邊各增加一相同小孔，并減小小孔直徑，可以一定程度改善溫度場(chǎng)，但門附近還是有較大低溫區(qū)域。

3）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。

4）上下加熱管外移30mm時(shí)，可以對(duì)溫度均勻性有一定改善，但效果有限。

5）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。

6）綜合優(yōu)化，將小孔內(nèi)移50mm，熱風(fēng)扇速度增至2m/s，蓋板結(jié)構(gòu)改變，可以在烤箱內(nèi)部獲得很好的均勻溫度場(chǎng)。

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Re s e a rc h on the Ke y Fa c tors Influe nc ing the Te m pe ra ture Uniform ity of Cooking Ove n

GU Si-yuan,LIU Dong,XIANG Lin-lin
School of Mechanical Engineering,Tongji University

Home electrical cooking oven is used in daily life with increasing frequency,and the temperature uniformity is critical to the oven.This article is based on the uneven distribution of temperature in existing oven,and a simplified 3D model is established through CFD method to consider the influence of multiple measures to improve temperature distribution.Eventually,an optimal model is obtained,that is,to move the top hole 50mm inward,to increase the fan velocity from 1.5m/s to 2m/s,and to modify the structure of the back fan cover.The temperature uniformity has been improved a lot under the optimal model.

cooking oven,temperature uniformity,key factors,numerical simulation

1003-0344（2015）02-054-5

2014-2-1

顧思源（1990～），女，碩士研究生；上海市四平路1239號(hào)同濟(jì)大學(xué)濟(jì)陽樓408室（200092）；021-65981390；E-mail:cathy_gsy@163.com