陶敏 吳亮宏 鮑鑫

惠而浦（中國）股份有限公司 安徽合肥 231283

隨著主食廚房革命逐漸深化，烘焙文化流行，烘焙及烘焙食品得以普及化、大眾化，這一趨勢帶動了家用烤箱品類市場呈現(xiàn)強勁漲勢。據(jù)相關(guān)資料顯示，2017年嵌入式烤箱市場規(guī)模已達到20.7億元。

一款受歡迎的家用烤箱產(chǎn)品，不僅僅要有創(chuàng)新的造型和舒適的用戶交互，更重要的是能夠輕松地烘焙出色香味俱全的食物，帶來良好的烹飪體驗。這其中關(guān)鍵的影響因素之一是烤箱內(nèi)部的溫度均勻性。烤箱內(nèi)部溫度不均勻，烤制的食物會出現(xiàn)冷熱不均、生熟不均的現(xiàn)象，影響食物的感官特性，甚至?xí)蚴称沸l(wèi)生的問題而影響人體健康。換句話說，烤箱內(nèi)部溫度分布特性直接影響著烤制食物的品質(zhì)?；诖耍嚓P(guān)研究得以開展并不斷深入。

烤箱作為一個熱容系統(tǒng)，具有大慣性和大滯后的特點，而且它所加工的食物種類及物性也千差萬別。不同烤箱內(nèi)部溫度分布特性相差較大，溫度分布不均勻的成因也相當(dāng)復(fù)雜。本文旨在梳理近年來國內(nèi)外烤箱內(nèi)部溫度分布的研究進展，對比分析各自的研究思路和研究內(nèi)容，從而挖掘出提升烤箱內(nèi)部溫度分布均勻性的策略及發(fā)展趨勢，以期為改善烤箱溫度均勻性提供新的方向，為高品質(zhì)烤箱產(chǎn)品的開發(fā)提供設(shè)計參考。

1 家用烤箱組成與加熱模式

實際上，烤箱是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，電流通過電熱元件產(chǎn)生熱量，借助輻射和對流的傳遞方式，將熱量傳遞給所要加熱的物品，使其加熱到所要求的溫度。普通家用電烤箱自2013年開始迅速發(fā)展，產(chǎn)品包括臺面式小烤箱和嵌入式烤箱，主要由箱體、箱門、電熱元件、控制系統(tǒng)、電器件和烹飪附件等組成，如圖1示例（1-控制面板；2-風(fēng)扇；3-后部加熱元件；4-箱門；5-底部加熱元件；6-頂部加熱元件）?，F(xiàn)代家用電烤箱通過溫度傳感器控制爐腔溫度，可以設(shè)置高低溫，還可以控制焦酥程度及通過食物探針測量食物溫度控制爐腔運行。

烤箱電熱元件多采用金屬加熱管，具有機械強度高、壽命長、絕緣性能高、表面溫度分布不均勻度低等特點?？鞠浼訜峁茉O(shè)置通常包括頂部加熱管、底部加熱管，可實現(xiàn)燒烤加熱模式和自然對流加熱模式。通過在后部加熱管處增加風(fēng)扇及電機組件，實現(xiàn)強制對流加熱模式。通過設(shè)置多個后部加熱管或側(cè)部加熱管實現(xiàn)分區(qū)加熱模式。表1列舉了幾種烤箱典型的加熱模式。傳統(tǒng)的自然對流加熱模式依賴于流體密度的變化，由流體自身溫度場不均勻引起的流動來實現(xiàn)；熱風(fēng)對流模式及強制對流模式，主要是利用循環(huán)風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)作用來帶動烤箱內(nèi)部空氣流動，從而實現(xiàn)烤箱內(nèi)部空氣循環(huán)。

2 烤箱溫度分布研究方法

目前，烤箱溫度場分布的研究方法主要包括試驗研究和計算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬兩種。

2.1 試驗研究

試驗研究通常根據(jù)烤架位置選擇上、中、下三層為參考面，每一測試層采用3×3分布式布置9個測點，動態(tài)測量烤箱各層溫度的分布，如圖2所示。該方法易受試驗條件和測試過程影響，測試時間較長。該方法一方面用于驗證烤箱品質(zhì)，另一方面則用于驗證數(shù)值模擬的結(jié)果。

2.2 數(shù)值模擬研究

CFD數(shù)值模擬作為一種仿真工具，具有速度快、花費少、可多工況模擬的特點，被廣泛用于研究烤箱內(nèi)部流體力學(xué)特性和傳熱特性，與烘焙系統(tǒng)優(yōu)化緊密相聯(lián)。其計算方法豐富，包括有限差分法、有限體積法、有限元法、基于粒子的算法（BGK）及無網(wǎng)格算法等等，其中以有限元法和有限體積法應(yīng)用較多。可選的商用計算軟件包括FLUENT、CFX、STAR-CD /CCM+、PHOENICS、XFlow等。

數(shù)值模擬研究的前提是建立與實際相吻合的仿真模型。實際建模過程中，所要選擇的子模型和各種條件參數(shù)對模型的可靠性和能否模擬真實情況至關(guān)重要。只有強魯棒性的模型才可以為溫度分布的研究提供有力的證據(jù)支持。

烤箱溫度分布特性研究的模型建立需要考慮設(shè)置合適的網(wǎng)絡(luò)分格、邊界條件和求解控制，選擇合適的湍流模型、輻射模型、多相流模型等。隨著研究深入，采用三維仿真模型進行分析相比二維模型更多。Verboven[1,2]等建立包含連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和標準k-ε模型在內(nèi)的CFD模型，模擬空氣強制

對流烤箱中的溫度分布，實際測得的腔內(nèi)溫度結(jié)果與模擬平均溫度基本吻合，最大誤差為4.6℃。隨后，其還引入風(fēng)機模型和湍流模型模擬腔內(nèi)氣流流場，并通過實際測得數(shù)據(jù)進行驗證，分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)壓、風(fēng)機漩流和烤箱的幾何尺寸對模擬結(jié)果影響很大，但由于湍流模型的局限性和網(wǎng)格劃分的問題，模擬與實測數(shù)據(jù)存在22%的平均誤差。Mistry[3]等開發(fā)了一個三維時間相關(guān)的數(shù)值模型，用于模擬非穩(wěn)態(tài)自然對流烤箱的熱傳遞過程。將加熱元件的邊界條件設(shè)置為體積熱源，通過應(yīng)用時間相關(guān)仿真，成功地模擬了加熱元件的開關(guān)。在強制對流爐中，他們能夠預(yù)測實驗值4%范圍內(nèi)的溫度場。當(dāng)上部加熱元件采用紅外加熱管時，模擬和實驗結(jié)果之間的差異是10%。Smolka[4]等則建立包括傳熱模式、溫度相關(guān)的空氣特性和外腔的熱傳遞系統(tǒng)等參數(shù)的CFD仿真模型分析強制對流烤箱中氣流流動與傳熱過程，結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)高度吻合，并根據(jù)計算提出改變加熱器位置、風(fēng)扇和風(fēng)扇擋板等措施提高烤箱內(nèi)溫度的分布均勻性。Chhanwal[5]等研究對比分析了三種輻射模型：離散傳輸輻射模型（DTRM）、表面輻射模型（S2S）、離散坐標輻射模型(DO)均有良好的精度。與S2S模型相比，DO模型還考慮中間介質(zhì)對傳熱的影響。因此，烤箱內(nèi)部面包烘烤模型最終選用DO輻射模型以研究其溫度分布曲線，且通過試驗方法驗證了數(shù)值模擬結(jié)果。Boulet[6]等采用k-ε可實現(xiàn)模型研究面包烤箱，該模型預(yù)測結(jié)果與實驗測量值具有良好的一致性。Khatir[7,8]等在研究工業(yè)直接加熱噴管式烤箱時，考慮了強制對流爐內(nèi)氣流在噴嘴區(qū)域處于高度湍流形式，建立了聯(lián)合RANS湍流模型和現(xiàn)實的邊界條件的CFD模型并進行了試驗驗證，結(jié)果顯示此模型可為研究高速撞擊氣流的強制對流烤箱提供有價值數(shù)據(jù)。在研究帶面包的小型強制對流烤箱內(nèi)部空氣流動及溫度的分布時，模擬結(jié)果顯示邊界條件的設(shè)置和流動模型的選擇對模擬烤箱溫度有較大影響。

圖1 烤箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 烤箱內(nèi)部溫度測試點分布圖

表1 烤箱常見加熱模式

3 烤箱溫度分布研究內(nèi)容

3.1 傳熱機制研究

近年來，國外很多學(xué)者利用數(shù)值化模擬方法研究家用烤箱的熱傳遞現(xiàn)象[5-9]，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部傳熱主要為輻射傳熱與對流傳熱。

首先考慮烤箱加熱的自然對流的過程。他們認為，在使用自然對流烘烤法時，輻射是傳熱的主要機制。Mistry[7]等模擬研究的非穩(wěn)態(tài)自然對流烤箱的熱傳遞過程結(jié)果表明加熱元件的輻射率對烤箱爐腔溫度場的影響高于爐腔壁的輻射率。

其次，有不少學(xué)者通過建模研究了強制對流的傳熱機制[5,6,10]。Chhanwal[9]等研究一種電加熱烤面包烤箱的CFD模型，結(jié)果顯示輻射是熱傳遞的主導(dǎo)機制。Boulet[10]等研究通過對瞬態(tài)烤箱的熱傳遞模擬研究，發(fā)現(xiàn)烤箱內(nèi)部氣體流速為低速時，熱量傳遞方式以輻射傳熱為主。同一烤箱具有多種加熱模式。不同加熱模式下烤箱內(nèi)部溫度特性不同。王璟[11]等人則研究了某烤箱強制對流模式下不同工作階段烤箱內(nèi)部的傳熱機理，通過計算熱量交換，分析了烤箱內(nèi)部加熱過程各階段的主要換熱方式。結(jié)果顯示食物溫度約170℃以下，傳熱方式以輻射為主導(dǎo)，持續(xù)約10min。超過170℃，對流成為主導(dǎo)的換熱方式。值得注意的是，該研究還闡明了在不同模式下經(jīng)一定的時間建立起穩(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。即雖然加熱模式不同，但最后達到的穩(wěn)定狀態(tài)都是一樣的，不同的是建立穩(wěn)態(tài)的過程，以及輻射和對流轉(zhuǎn)換的溫度點。

此外，也有學(xué)者模擬研究了食物輻射與爐腔溫度場的關(guān)聯(lián)性。Rek[12]等研究認為短面包的輻射率對爐腔溫度場的數(shù)值模擬結(jié)果沒有顯著影響，這是由于進入爐腔的入口溫度恒定而導(dǎo)致的結(jié)果。Mena Ciarmiello[13]等建立一種基于有限體積法的Neapolitan披薩電烤箱的3D CFD模型，仿真研究包括披薩在內(nèi)的烤箱熱狀況。披薩被設(shè)為一個具有恒定密度的均一的固體物質(zhì)，不考慮面團水分含量和水分蒸發(fā)。將披薩置于爐內(nèi)，在烹調(diào)前90s，烹調(diào)床的溫度會降低，溫度降低值主要受墻輻射率的影響，而圓頂內(nèi)壁平均溫度則主要受披薩的熱輻射率影響。披薩熱輻射率和墻熱輻射率的差異并不會顯著影響披薩烹調(diào)過程中的平均溫度。這一研究也被認為是進一步深入研究烤箱溫度控制的基礎(chǔ)。

3.2 烤箱溫度均勻性優(yōu)化研究

3.2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略

國內(nèi)烤箱溫度分布的相關(guān)研究多集中在利用CFD模擬仿真指導(dǎo)烤箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化。多項研究[11,14,15]均通過數(shù)值模擬的方法研究烤箱模型內(nèi)部溫度特性，結(jié)果表明通過改善烤箱熱風(fēng)扇風(fēng)速、熱風(fēng)扇擋板結(jié)構(gòu)、出風(fēng)小孔位置、出風(fēng)小孔的大小和數(shù)量、上下加熱管形狀和位置等方面，可實現(xiàn)烤箱內(nèi)部溫度均勻性的最優(yōu)化。這與Smolka[4]等人的研究結(jié)果一致。合適的風(fēng)扇風(fēng)速可提供充足的進風(fēng)量，引導(dǎo)內(nèi)部氣流；背部熱風(fēng)扇擋板處都有進風(fēng)口，改進擋板結(jié)構(gòu)可改善進風(fēng)口附近的流場分布，減少中心渦流和流動死角區(qū)域出現(xiàn)；合適的出風(fēng)小孔的位置、大小和數(shù)量可使外界氣流和烤箱內(nèi)部氣流適時交換，減少低溫區(qū)的存在對溫度場分布的直接影響；加熱管是烤箱最重要的部件，它直接影響著烤箱內(nèi)部的溫度，調(diào)整加熱管位置和改進加熱管形狀可減少烤箱相對側(cè)的強制熱風(fēng)的溫差。袁宏[16]等建立的數(shù)值模擬方法分析可知烤箱內(nèi)腔靠近壁面處溫度較高，靠近烤箱門體處溫度較低，由此他提出了新的改進方法——添加合理的徑向?qū)~結(jié)構(gòu)，通過試驗和數(shù)值模擬對比研究，說明添加合理的徑向?qū)~結(jié)構(gòu)可減少風(fēng)扇出口環(huán)量，進而消除烤箱內(nèi)部大尺度漩渦。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略提升溫度均勻性可能會影響烤箱的預(yù)熱時間及爐腔內(nèi)部溫度。Christian O.[17]等人利用CFD和實驗驗證通過在不同的加熱溫度下改變風(fēng)扇擋板的標稱幾何形狀揭示了溫度均勻性、預(yù)熱時間與內(nèi)部溫度的差異。結(jié)果顯示最大半徑圓形案例通過提供最低的溫度均勻性，最接近設(shè)定值的溫度和最少的預(yù)熱時間來獲得烘焙的最佳特性。同時指出系統(tǒng)內(nèi)的湍流產(chǎn)生溫度均勻性但會抑制溫度上升到設(shè)置值，所設(shè)置的溫度值也會影響溫度的均勻性。

3.2.2 非結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略

溫濕度是烘焙加工過程中重要的控制參數(shù)，利用蒸汽輔助可提升烘烤效果。蒸汽輔助烤箱中蒸汽行為與溫度分布與單純烤箱區(qū)別顯著。黃宜坤[18]等人選用Mixture 多相流模型、標準Κ-ε湍流模型和DO輻射模型進行了相關(guān)研究。結(jié)果顯示提高蒸汽溫度和蒸汽噴射量均可提高腔內(nèi)溫度且有協(xié)同作用，且后者增幅更大。但是其所建立模型的仿真值在預(yù)加熱階段與溫度標準差測量值存在明顯差距。還有一些學(xué)者研究微波烤箱內(nèi)部溫度分布特性。Combi（微波+燒烤/烘烤）模式下，食物快速熟制并且具有良好的表面色澤及口感。除烤箱結(jié)構(gòu)外，該場景影響溫度分布均勻性的關(guān)鍵因素還包括電磁場的分布，以及轉(zhuǎn)盤類機型的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤等，這一復(fù)雜系統(tǒng)的溫度分布研究還需要更深入地進行。

烤箱附件包括烤盤、烤架等，其對烤箱溫度均勻性影響也相當(dāng)重要。雖然現(xiàn)實烤箱產(chǎn)品的烤盤附件形狀為矩形，但多數(shù)研究認為圓形器皿具有烘焙優(yōu)勢。姚靖等[19]通過建?？疾旒訜徇^程中食物的熱能分布情況和定義熱能分布均勻系數(shù)，對比不同形狀的器皿上食物的受熱均勻程度，并得到圓形器皿為最佳選擇方案。黃嘉欣[20]通過探究烤盤形狀對烤箱空間利用率和受熱烤盤溫度分布的影響，分析矩形烤盤四角容易烤焦的食物的原因，結(jié)合實際和假設(shè)條件提出優(yōu)化模型，設(shè)計出最優(yōu)的烤盤：若只關(guān)注烤箱容納烤盤能力時，最佳烤盤是矩形；若考慮均勻受熱程度因素，最佳烤盤是圓形烤盤。

4 總結(jié)與展望

相比較國外對烤箱內(nèi)部傳熱機制的深入研究，國內(nèi)研究更側(cè)重于利用數(shù)值模擬方法優(yōu)化烤箱結(jié)構(gòu)提升溫度均勻性。但總體而言，國內(nèi)外烤箱內(nèi)部溫度分布特性的研究方法及提升溫度分布均勻性的主要策略是一致的，通過仿真模擬和實驗研究提出了包括引入強制對流結(jié)構(gòu)、加熱管結(jié)構(gòu)優(yōu)化、熱風(fēng)循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計、溫度均勻性評估等在內(nèi)的關(guān)鍵優(yōu)化方案。此外，考慮蒸汽輔助等復(fù)雜烤箱爐腔環(huán)境、特定食物對象、特定的烘焙模式的研究也在開展，這些研究的仿真結(jié)果更趨近于實際場景，將為烤箱溫度分布均勻性的提升提供更科學(xué)合理的指導(dǎo)。

但就研究現(xiàn)狀來看，烤箱溫度分布特性的試驗研究方法相對單一。雖然現(xiàn)在烤箱的研發(fā)不僅測試溫度點的數(shù)值，還會考察煮食效果。但是如何將溫度值與煮食效果的測試結(jié)果同步用于烤箱溫度均勻性的優(yōu)化提升依然是未來重要的研究課題。其次，相關(guān)研究的數(shù)值模型始終是仿真研究可靠的前提。氣流流場的均勻性對溫度場的均勻有很大影響。目前在模擬氣流流場方面，數(shù)值模型還有待進一步改善，使其能準確地預(yù)測氣流流動的分布情況。并且具有典型特征的食物的烘焙模擬過程也期望能在仿真模型的幫助下得到分析。最后，烤箱溫度分布受溫度控制的影響?？鞠涞臏乜鼐哂猩郎貑蜗蛐?、大時滯性和時變，以及溫度在工作區(qū)域內(nèi)非線性變化的特點?？鞠錅囟确植继匦缘难芯窟€將會考慮溫度控制過程，充分地利用模糊控制、PID溫控、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等先進的溫控技術(shù)手段讓烤箱溫度分布在動態(tài)中保持均勻性。