鄧洋 唐相偉 孫炎軍

DENG Yang TANG Xiangwei SUN Yanjun

廣東美的廚房電器制造有限公司 廣東佛山 528311

Guang Dong Midea Kitchen Appliances Manufacturing Co., Ltd. Foshan 528311

1 引言

隨著廚房電器的發(fā)展，各式各樣的廚房電器進(jìn)入人們的日常生活中[1]，烤箱作為燒烤和烘焙的主要烹飪工具，也越來越廣泛的流行起來。而燒烤或烘焙效果的好壞，除了個(gè)人手法的差異外，烤箱本身的性能對(duì)烹飪結(jié)果影響最大。一臺(tái)合格的烤箱應(yīng)該具備精準(zhǔn)的溫控和均勻的溫度場(chǎng)。國內(nèi)小烤箱基本以上下發(fā)熱管輻射加熱為主，大烤箱或是嵌入式烤箱一般都有熱風(fēng)對(duì)流功能，且以單風(fēng)扇熱風(fēng)對(duì)流為主，但隨著人們對(duì)燒烤或烘焙的要求越來越高，單風(fēng)扇對(duì)流已不能很好的滿足烹飪需求。為了使烤箱更好地滿足人們對(duì)烹飪的追求，性能更優(yōu)秀的雙風(fēng)扇對(duì)流烤箱正逐漸進(jìn)入人們的視野。

2 傳熱機(jī)理研究

2.1 傳熱方式

根據(jù)傳熱學(xué)可知，熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射是熱量傳遞的三種基本方式[2]。熱傳導(dǎo)是指熱量從物體溫度較高部分傳遞到溫度較低部分的方式；熱對(duì)流是指不同溫度的流體粒子運(yùn)動(dòng)的熱量傳遞[3]；熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。

2.2 烤箱內(nèi)部的傳熱機(jī)理

烤箱內(nèi)部的傳熱主要為對(duì)流換熱和輻射換熱，常見只有上下加熱管的小烤箱，其主要通過加熱管輻射熱量來烘烤食物。具有熱風(fēng)風(fēng)扇的烤箱，根據(jù)其加熱模式的不同，可選擇上下管加熱或是背部熱風(fēng)加熱。根據(jù)一些學(xué)者的研究，烤箱在不同的烘烤階段，起主導(dǎo)作用的加熱方式不同[4]，本文主要研究背部熱風(fēng)對(duì)流加熱，因此可主要考慮對(duì)流加熱方式對(duì)烤箱內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響。

對(duì)流換熱方程，也叫牛頓冷卻定律：

式中：h——對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2·k；

A——對(duì)流換熱面積，m2；

Tw——固體表面溫度，℃；

Tf——周圍流體溫度，℃。

2.3 數(shù)值模擬方法

采用三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮湍流流動(dòng)，研究烤箱內(nèi)部空氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布情況，因?yàn)槟Ｐ椭杏须x心風(fēng)機(jī)，選擇RNG K-epsilon模型，壁面模型選擇scalable wall function模型，輻射模型選擇DO模型[5]，離散格式采用二階迎風(fēng)格式，采用SIMPLEC算法[6]提高收斂速度。

烤箱內(nèi)壁面為黑色搪瓷，壁面邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件

為了模擬烤箱中的溫度場(chǎng)更接近烘烤食物時(shí)的溫度場(chǎng)，采用導(dǎo)熱系數(shù)低的特氟龍塊來模擬食物，經(jīng)過長時(shí)間的仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，利用特氟龍塊模擬食物能很好的反映出烤箱烘焙食物時(shí)的溫度場(chǎng)狀況。

3 仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 簡化模型

根據(jù)烤箱的結(jié)構(gòu)，簡化模型如圖1所示，其中圖1a)為烤箱三維模型，圖1b)為烤箱仿真簡化模型，烤盤上均勻布置20個(gè)特氟龍塊來模擬食物負(fù)載，通過仿真結(jié)果特氟龍塊的溫度來反映烤箱的溫度場(chǎng)。

3.2 雙風(fēng)扇同向旋轉(zhuǎn)仿真和測(cè)試結(jié)果

左右兩個(gè)離心風(fēng)扇均順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，得到的仿真結(jié)果如圖2所示，其中圖2a)為溫度場(chǎng)，圖2b)為流場(chǎng)。

圖1 烤箱結(jié)構(gòu)模型和仿真模型

圖2 烤箱溫度場(chǎng)和流場(chǎng)

仿真結(jié)果計(jì)算20個(gè)特氟龍塊溫度的方差值，用方差值的大小來反映特氟龍塊的溫度分布均勻性，仿真得到的特氟龍塊溫度值（℃）和方差值如表2所示。

表2 仿真特氟龍塊溫度及方差

從表2可得出穩(wěn)態(tài)下特氟龍塊的方差值為14.16，實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到穩(wěn)定狀態(tài)下特氟龍塊的溫度曲線如圖3所示，計(jì)算特氟龍塊溫度的極差值，利用測(cè)試的極差值來反映腔體的溫差，溫差曲線如圖4所示。

圖3 烤箱特氟龍塊的溫度

圖4 烤箱腔體溫差

從實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果得出，最大溫差17.3℃左右，腔體溫度穩(wěn)定后溫差在12.5℃左右波動(dòng)，與仿真結(jié)果得到的特氟龍塊的方差值14.16比較接近，誤差值也在接受范圍之內(nèi)。同樣的方法，在同平臺(tái)單風(fēng)扇的腔體測(cè)得最大溫差24.8℃左右，穩(wěn)定后的溫差22.6℃左右，對(duì)比單、雙熱風(fēng)腔體的溫差情況如圖5所示。從圖5可看出，雙風(fēng)扇對(duì)流腔體最大溫差比單風(fēng)扇減小30.2%左右，穩(wěn)定后的溫差比單風(fēng)扇降低45%左右，雙風(fēng)扇烤箱腔體溫度場(chǎng)比單風(fēng)扇烤箱的溫度場(chǎng)均勻性更好。

圖5 單、雙風(fēng)扇對(duì)流腔體溫差

圖6 左側(cè)風(fēng)扇順時(shí)針旋轉(zhuǎn)右側(cè)風(fēng)扇逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)烤箱溫度場(chǎng)和流場(chǎng)

3.3 雙風(fēng)扇左順右逆旋轉(zhuǎn)仿真和測(cè)試結(jié)果

左側(cè)風(fēng)扇順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右側(cè)風(fēng)扇逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（左順右逆，下同）時(shí)，仿真結(jié)果的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)如圖6所示。從仿真結(jié)果來看，雙風(fēng)扇左順右逆旋轉(zhuǎn)時(shí)，烤盤中間位置的特氟龍塊的溫度偏高，兩側(cè)溫度偏低，整個(gè)烤盤面的溫度分布呈現(xiàn)出中間區(qū)域偏高，兩側(cè)偏低的溫度分布。造成此種現(xiàn)象的原因可從腔體的流場(chǎng)來分析，發(fā)現(xiàn)從腔體兩側(cè)吹出的高溫氣體在腔體中間區(qū)域有重疊，導(dǎo)致熱量在中間區(qū)域聚集，造成特氟龍塊溫度偏高。因此，基于雙風(fēng)扇左順右逆旋轉(zhuǎn)的仿真結(jié)果，預(yù)測(cè)腔體中心升溫速度要比雙風(fēng)扇同順時(shí)針旋轉(zhuǎn)快，且對(duì)體積較大的食材的烹飪速度也會(huì)更快。

為了驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果，測(cè)試雙風(fēng)扇左順右逆和雙風(fēng)扇均順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的腔體中心升溫速度，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。從圖7中可看出，升溫階段雙風(fēng)扇左順右逆要比同順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的升溫速度快，以腔體中心溫度升至230℃為例，雙風(fēng)扇左順右逆要比同順時(shí)針旋轉(zhuǎn)快17%左右。測(cè)試結(jié)果和仿真預(yù)測(cè)結(jié)果吻合較好，因此，可用雙風(fēng)扇左順右逆旋轉(zhuǎn)的方式來達(dá)到提升腔體預(yù)熱速度的效果。

圖7 烤箱腔體中心升溫速度

為了驗(yàn)證雙風(fēng)扇左順右逆旋轉(zhuǎn)比雙風(fēng)扇同順時(shí)針旋轉(zhuǎn)對(duì)大體積食材的烹飪速度更快，對(duì)兩臺(tái)爐子進(jìn)行烤整雞測(cè)試，分別在雞胸、雞腿和雞翅位置布置溫度測(cè)試點(diǎn)，溫度測(cè)試曲線如圖8所示。

從圖8中可以看出，雙風(fēng)扇左順右逆旋轉(zhuǎn)時(shí)，烤雞溫度測(cè)試點(diǎn)的升溫速度明顯快于雙風(fēng)扇同順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，雞胸位置的溫度測(cè)試點(diǎn)在升溫階段尤為明顯。由于檢測(cè)到雞肉溫度為80℃時(shí)可判定烤雞烤熟，整體來看，升溫到80℃，雙風(fēng)扇左順右逆旋轉(zhuǎn)可比雙風(fēng)扇同順時(shí)針旋轉(zhuǎn)烤快12%左右，測(cè)試結(jié)果也驗(yàn)證了仿真預(yù)測(cè)的雙風(fēng)扇左順右逆可加速體積較大食材的烹飪速度的結(jié)果。

4 結(jié)論

通過對(duì)雙風(fēng)扇對(duì)流烤箱的仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的一些研究可得到如下結(jié)論：

圖8 烤雞溫度曲線

（1）仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合較好，可利用仿真分析來指導(dǎo)或預(yù)測(cè)腔體溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布情況。

（2）雙風(fēng)扇同順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，腔體溫差較小，均勻性較好，且比同平臺(tái)單風(fēng)扇對(duì)流烤箱的均勻性提升30%左右。

（3）雙風(fēng)扇左順右逆旋轉(zhuǎn)比同順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的腔體中心升溫速度快17%左右，可用雙風(fēng)扇左順右逆的方式加快腔體中心的預(yù)熱速度。

（4）雙風(fēng)扇左順右逆旋轉(zhuǎn)比同順時(shí)針旋轉(zhuǎn)烤雞要快12%左右，可利用其左順右逆旋轉(zhuǎn)時(shí)熱量往中間區(qū)域聚集的特點(diǎn)，來加速烹飪一些體積較大的食材。