譚毅斌 張林峰 鐘源豪 張繼東

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

隨著廚房電器的發(fā)展，各式各樣的廚房電器進入人們的日常生活中[1]，傳統(tǒng)中餐的飲食習(xí)慣于使用較多碗碟，碗碟的清洗是餐后繁重的工作，耗時耗力，家用洗碗機應(yīng)運而生。在洗碗機各種復(fù)雜的程序中，碗碟的干燥一直是其中比較重要的一環(huán)[2]。目前家用洗碗機常用的烘干技術(shù)，主要有余溫熱交換冷凝烘干、內(nèi)外部換氣烘干、內(nèi)循環(huán)吸附式烘干等。

除了干燥性能是洗碗機性能的一項重要指標外，餐具儲存往往也是一個用戶所需的重要功能。在洗碗機運行完洗凈程序后，可能由于排水不完全導(dǎo)致洗碗機內(nèi)部水杯內(nèi)有少量的殘余水，這部分殘余水會使內(nèi)部濕度重新上升。若用戶未能及時將機器內(nèi)部餐具取出，餐具將長期暴露在內(nèi)膽的潮濕環(huán)境中，從而滋生細菌影響健康。本文介紹了一種雙風(fēng)機干燥系統(tǒng)對于洗碗機內(nèi)腔氣流影響與改善洗碗機烘干保潔效果的研究。

1 機理分析

凝露是由于高溫、高濕的氣體在遇到低溫物體時，當達到露點溫度而在其表面液化為液體的現(xiàn)象[3]。空氣的濕含量越大，則空氣所包含的水分越多，越容易在溫度相同的餐具、內(nèi)膽內(nèi)壁飽和析出水分，凝露形成時間更短。減少內(nèi)膽內(nèi)部流場和濕度的不均勻性，減少凝露現(xiàn)象即可優(yōu)化洗碗機的干燥保潔效果。

對于氣體的流動問題，其流動符合質(zhì)量守恒定律。質(zhì)量守恒方程可表述為：單位時間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。按照這一定律，可以得出質(zhì)量守恒方程：

式中：源項Sm是從分散的二級相中加入到連續(xù)相的質(zhì)量（例如由于液滴的蒸發(fā)），也可以是任何的自定義源項（無量綱數(shù)），ρ為流體密度（kg/m3），t為時間（s），xi為微元大?。╩3），ui為總流速（m/s）。

洗碗機烘干階段時，內(nèi)腔的濕度變化主要由室外干燥空氣的擴散引起絕對濕度的變化。兩種氣體的互相擴散遵循菲克定律，對于各項同性的三維擴散體系，菲克定律的方程如下：

式中：H為空氣的絕對濕度（g/m3）；D為干空氣和水蒸氣之間的擴散系數(shù)（無量綱數(shù)）；t為時間（s）；qd為空氣內(nèi)部自降低項（例如由于水蒸氣的冷凝）（無量綱數(shù)）。

其中，由于空氣相對濕度無法直接用于計算，因此需要把相對濕度轉(zhuǎn)換為干空氣和濕空氣的混合質(zhì)量分數(shù)才能利用ANSYS FLUENT數(shù)值計算，其中計算混合氣體的質(zhì)量分數(shù)需要先求解混合氣體的濕含量，濕含量與相對濕度的轉(zhuǎn)換公式如下：

式中：d為濕含量（g/kg）；為相對濕度（%RH）；Ps為水蒸氣分壓力（Pa）；P為空氣壓力（Pa）[4]。

利用大氣壓、溫度、相對濕度通過公式（4）求解混合濕空氣的密度，利用混合氣體濕含量和混合空氣的密度即可推算水蒸氣和干燥空氣的混合質(zhì)量分數(shù)代入數(shù)值模擬。

式中：ρ為混合空氣密度（kg/m3）；T為空氣溫度（℃）[5]。

針對流場和濕度的不均勻性，可由公式（5）進行量化不均勻度kv：

式中：σv為均方根偏差，為腔內(nèi)n個點的平均值。

鑒于上述論證，計算流體空間的速度場和濕度場是可行的，但由于洗碗機內(nèi)腔是多異性曲面多相混合流動的復(fù)雜模型，直接計算復(fù)雜、工作量大。因此借助ANSYS軟件對內(nèi)腔速度場和濕度場進行仿真計算，并結(jié)合實驗結(jié)果進行分析。

2 雙風(fēng)機干燥系統(tǒng)簡介

相對于余溫熱交換冷凝烘干、內(nèi)循環(huán)吸附式烘干技術(shù)，利用風(fēng)機進行內(nèi)外部空氣交換烘干技術(shù)能置換出內(nèi)腔水蒸氣，有效提升干燥效果；同時避免水蒸氣內(nèi)部冷凝、吸附后造成內(nèi)腔返潮，實現(xiàn)內(nèi)腔較長時間的餐具儲存。

單風(fēng)機干燥系統(tǒng)通常為單排風(fēng)風(fēng)機干燥系統(tǒng)和單進風(fēng)風(fēng)機干燥系統(tǒng)。由于洗碗機內(nèi)腔空間巨大，且裝載大量餐具，其流場復(fù)雜，風(fēng)機氣流極容易被阻擋，造成流場不均勻，局部干燥效果不佳。

雙風(fēng)機干燥系統(tǒng)是利用進風(fēng)風(fēng)機和排風(fēng)風(fēng)機同步工作，進風(fēng)風(fēng)機把外界的干燥空氣吹入洗碗機內(nèi)腔，排風(fēng)風(fēng)機把洗碗機內(nèi)腔的濕熱空氣抽出并排放到洗碗機外。進風(fēng)口和排風(fēng)口分別設(shè)置于內(nèi)腔的兩個對角處附近，提高內(nèi)腔的速度和濕度均勻性，提高內(nèi)腔的換氣效率。同時，雙風(fēng)機干燥系統(tǒng)有效地解決了單進風(fēng)風(fēng)機造成內(nèi)腔氣壓過高，導(dǎo)致蒸汽從呼吸器排出并冷凝在內(nèi)腔外側(cè)，容易引起電氣故障的問題；也有效地解決了單排風(fēng)風(fēng)機無法附加熱風(fēng)干燥的問題。

3 流體仿真

3.1 數(shù)值模型建立

為簡化計算，簡化洗碗機內(nèi)膽模型，內(nèi)膽大小為543 mm×543 mm ×510 mm。假設(shè)內(nèi)膽為完全密封（除兩處換氣口），且內(nèi)膽各面均設(shè)為絕熱，與外界不存在換熱。餐具大小和種類按照GB/T 38383-2019[6]的內(nèi)銷洗碗機標準餐具建模，餐具數(shù)量為13套洗碗機標準容量，餐具擺放按照某洗碗機擺放布局，紅色區(qū)域為進風(fēng)口，綠色區(qū)域為出風(fēng)口，如圖1所示。

圖1 內(nèi)膽簡化模型和餐具擺放

為計算內(nèi)腔里空氣的濕度，將內(nèi)腔里的濕空氣看作干空氣和水蒸氣的混合物，兩種組分混合時應(yīng)該遵守組分守恒定律和濕含量與相對濕度的轉(zhuǎn)換公式（公式3和公式4）[7]。

其中對于濕空氣擴散的兩相流仿真模擬，其計算和結(jié)果需符合質(zhì)量守恒方程（公式1）和菲克定律（公式2）。

由于洗碗機單排風(fēng)系統(tǒng)無法附加加熱模塊，因此此處僅對單進風(fēng)系統(tǒng)與雙風(fēng)機系統(tǒng)進行對比，并對模型設(shè)定特定的仿真邊界條件，如表1所示。

表1 仿真的邊界條件

3.2 仿真結(jié)果比對

為了能明顯直觀地表示兩種干燥系統(tǒng)的干燥情況，文中圖表均采用相同的單位（飽和水蒸氣在內(nèi)膽混合空氣中所占的質(zhì)量分數(shù)）。

從上述表2濕度場時間情況來分析，單風(fēng)機干燥系統(tǒng)對內(nèi)膽的干燥更快，但出現(xiàn)了明顯的濕度難以下降的局部區(qū)域。

表2 不同仿真步數(shù)內(nèi)膽濕度分布對比（圖中單位：飽和水蒸氣在混合空氣內(nèi)的質(zhì)量分數(shù)）

從上述表2濕度場分布情況來分析，雙風(fēng)機干燥系統(tǒng)內(nèi)膽濕度較均勻，除頂部殘余少量濕空氣外，無明顯的高濕度區(qū)域。單風(fēng)機干燥系統(tǒng)內(nèi)膽壁面濕度降低速度較快，相比雙風(fēng)機系統(tǒng)，內(nèi)膽頂部的空氣濕度降低較快，但馬克杯和玻璃杯等倒置的深腔體餐具內(nèi)部形成了明顯的濕空氣滯留區(qū)，導(dǎo)致內(nèi)膽內(nèi)部濕度不均勻，降低餐具的干燥效果。

從濕度的不均勻度（方差）分析，雙風(fēng)機干燥系統(tǒng)的方差更小，表明內(nèi)膽濕度分布更加均勻，這對于洗碗機餐具的烘干和保潔都更有優(yōu)勢。

為了更直觀地觀察內(nèi)膽風(fēng)速度流線分布，將兩者進行對比如表3所示。雖然兩者速度方差接近，但仍可發(fā)現(xiàn)雙風(fēng)機流線分布更均勻，表示吹風(fēng)更均勻；而單風(fēng)機流線出現(xiàn)內(nèi)膽中底部（進風(fēng)口附近）局部集中，內(nèi)膽頂部分布較少，表示內(nèi)膽頂部可能出現(xiàn)吹風(fēng)不均勻現(xiàn)象。

表3 內(nèi)膽穩(wěn)態(tài)速度流線對比

通過內(nèi)膽濕度與時間之間的變化關(guān)系：圖2針對內(nèi)膽水蒸氣平均質(zhì)量分數(shù)隨時間的降低曲線分析，單風(fēng)機干燥內(nèi)膽下降到水蒸氣質(zhì)量分數(shù)40%的時間步數(shù)為3906，雙風(fēng)機干燥內(nèi)膽下降到水蒸氣質(zhì)量分數(shù)40%的時間步數(shù)為2909，雙風(fēng)機對比單風(fēng)機系統(tǒng)平均濕度降低加快了25.52%。

圖2 內(nèi)膽飽和水蒸氣平均質(zhì)量分數(shù)-時間變化曲線圖

圖3針對內(nèi)膽水蒸氣質(zhì)量分數(shù)最大值隨時間的降低曲線分析，單風(fēng)機干燥系統(tǒng)運行4000步后，水蒸氣最高質(zhì)量分數(shù)為90.14%。雙風(fēng)機干燥系統(tǒng)運行4000步后，水蒸氣最高質(zhì)量分數(shù)為50.81%。雙風(fēng)機對比單風(fēng)機系統(tǒng)內(nèi)膽水蒸氣最高質(zhì)量分數(shù)降低了39.33%。

圖3 內(nèi)膽飽和水蒸氣質(zhì)量分數(shù)最大值-時間變化曲線圖

4 實驗方案及結(jié)果

通過上述仿真結(jié)果，實驗采用洗碗機內(nèi)部高濕度環(huán)境（40℃，99%RH），按碗籃結(jié)構(gòu)擺放13套標準餐具，運行一小時保潔程序，對應(yīng)仿真計算中的4000步（保潔程序是利用風(fēng)機系統(tǒng)對內(nèi)膽內(nèi)部空氣與外界進行置換，以達到程序運行期間內(nèi)防止內(nèi)膽、餐具返潮的效果）。對雙風(fēng)機與單風(fēng)機系統(tǒng)進行效果比對。

從以上實驗餐具進行比對（如表4所示），上層碗籃的玻璃杯由于腔體較深，內(nèi)膽濕氣進入后，單風(fēng)機系統(tǒng)在保潔程序時間內(nèi)，未能將杯內(nèi)濕氣進行有效置換而造成內(nèi)腔底部冷凝，有明顯的水滴。而雙風(fēng)機系統(tǒng)內(nèi)的玻璃杯底部仍然保持干燥。

表4 保潔實驗效果比對

5 結(jié)論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

（1）通過建立洗碗機內(nèi)部簡化模型，對雙風(fēng)機、單風(fēng)機結(jié)構(gòu)分別進行仿真分析。從時間推移對比內(nèi)膽濕度變化、內(nèi)膽穩(wěn)態(tài)后速度流線對比、內(nèi)膽平均濕度-時間變化關(guān)系、內(nèi)膽最高濕度-時間變化關(guān)系等多個方面分析，可以發(fā)現(xiàn)雙風(fēng)機系統(tǒng)對洗碗機內(nèi)部濕氣置換效率更高、更有效。

（2）結(jié)合實驗?zāi)M測試不同系統(tǒng)對濕氣置換的影響，雙風(fēng)機系統(tǒng)對深腔杯子保潔干燥效果比單風(fēng)機要好，單風(fēng)機系統(tǒng)杯子內(nèi)有明顯水滴，所得出的實驗結(jié)果基本與仿真結(jié)果一致。證明仿真分析可為干燥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論數(shù)據(jù)支撐，同時將有利于后續(xù)的持續(xù)優(yōu)化改善工作。

（3）從仿真分析與實驗現(xiàn)象來看，雙風(fēng)機系統(tǒng)對洗碗機內(nèi)膽干燥效果更有利。然而另一方面，雙風(fēng)機系統(tǒng)還有可持續(xù)研究的方向，例如雙風(fēng)機風(fēng)口位置設(shè)置、進出風(fēng)口的氣流流速設(shè)定等。