陳如金 陳盼吉 姜彥胥 林召平 段新營 金 輝

（寧波安佳衛(wèi)廚電器有限公司 寧波 315000）

引言

目前市場上配置有風(fēng)機(jī)的洗碗機(jī)一般為單風(fēng)機(jī)、雙風(fēng)機(jī)和三風(fēng)機(jī)模式。風(fēng)機(jī)的作用是在干燥階段令內(nèi)膽產(chǎn)生對流空氣，加速水分子的蒸發(fā)，提高干燥率的效果。2005年，江西省水利廳鄱陽湖水文分局的閔騫同志所著的《道爾頓公式的應(yīng)用研究》一文論證了風(fēng)速越快蒸發(fā)也越快的特點(diǎn)。然而對于洗碗機(jī)而言，風(fēng)速是其中的一個影響因素，其位置不同也導(dǎo)致干燥效果的不同。本次研究所針對的是目前市場上應(yīng)用較為廣泛的單進(jìn)風(fēng)口和單出風(fēng)口模式[1]；從水分蒸發(fā)、風(fēng)機(jī)功率和通風(fēng)口截面積、仿真圖像以及具體的實(shí)驗(yàn)對比組這四個方面，對進(jìn)、出風(fēng)口的不同位置所對應(yīng)干燥效果的不同進(jìn)行較為深入的分析。

1 風(fēng)速與水分蒸發(fā)的關(guān)系

1.1 風(fēng)速與餐具、擱架及內(nèi)膽表面上的水分蒸發(fā)量是成正比的關(guān)系

根據(jù)英國物理學(xué)、化學(xué)家道爾頓（John Dalton）的蒸發(fā)定律，關(guān)于水分子蒸發(fā)量、風(fēng)速、飽和水汽壓差以及氣壓的相關(guān)性，有以下關(guān)系式：

將（1）式和（2）式整合，得到：

式中：

E-水表面蒸發(fā)量，單位為毫米（mm）；

C-與風(fēng)速相關(guān)的系數(shù)；

Δe-飽和水汽壓差，單位為百帕（hPa），即表面水溫對應(yīng)的飽和水汽壓 e0（hPa）與水面上空氣實(shí)際水汽壓絕對濕度e（hPa）的差值；

P-水面上的氣壓，單位為百帕（hPa）。

根據(jù)上式可以看出，水分蒸發(fā)量E與風(fēng)速系數(shù)C是成正比的關(guān)系，即風(fēng)速越快，水分蒸發(fā)量E的值越大，水分被蒸發(fā)的速度也越快[2]。

由于洗碗機(jī)是在程序運(yùn)行的最后階段啟動風(fēng)機(jī)進(jìn)行干燥，根據(jù)上述公式可以看出，當(dāng)內(nèi)膽溫度、風(fēng)道結(jié)構(gòu)、餐具擺放及烘干時間等因素固定的情況下，風(fēng)速越快則干燥效果越好。

1.2 風(fēng)速對水表面蒸發(fā)作用的兩面性

從風(fēng)對水面蒸發(fā)作用的機(jī)制上看，其作用是加強(qiáng)水分子的溢出，促進(jìn)水面的蒸發(fā)速度：當(dāng)風(fēng)速由小變大時，風(fēng)對水面蒸發(fā)的作用變得強(qiáng)烈，水分子的蒸發(fā)速度也加快，然而當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定的程度后，強(qiáng)盛的水面蒸發(fā)使水面大量失溫而形成冷水阻隔膜，降低了溫度，對水面蒸發(fā)的進(jìn)一步加強(qiáng)反而起到一定的抑制作用；因而，風(fēng)對表面水分蒸發(fā)的作用是兩方面的，一方面起到加強(qiáng)水分子溢出而促進(jìn)水表面蒸發(fā)的作用，另一方面又起到產(chǎn)生冷水阻隔膜從而抑制水面蒸發(fā)的作用；風(fēng)速越大，兩方面的作用越強(qiáng)烈，但前一作用始終超過后者，故水面蒸發(fā)雖然隨風(fēng)速的加大而增強(qiáng)，當(dāng)風(fēng)速超過一定的范圍則蒸發(fā)的速度是呈逐漸放慢的趨勢，這是由于風(fēng)速加快導(dǎo)致失溫同樣加快而產(chǎn)生的結(jié)果[3]。

結(jié)合上述的分析及洗碗機(jī)的功能結(jié)構(gòu)，由于洗碗機(jī)的烘干是在最后的熱漂洗階段將內(nèi)膽溫度加熱升高，然后啟動風(fēng)機(jī)，在高溫和風(fēng)機(jī)的雙重作用下將餐具進(jìn)行干燥，風(fēng)速越大則水分子蒸發(fā)越快，但同時內(nèi)膽的降溫速度也越快，兩者相互影響且前者的作用超過后者；另一方面，需要考慮的是內(nèi)膽的溫度依靠加熱器的工作，溫度越高則加熱器工作時間越久，耗電量大，而風(fēng)機(jī)的能耗是由電機(jī)的工作產(chǎn)生，耗電量低，選擇相對低的加熱溫度和風(fēng)速相對較高的風(fēng)機(jī)，有利于提升洗碗機(jī)干燥性能并降低能耗，是一個較為優(yōu)良的洗碗機(jī)設(shè)計(jì)方案。

2 影響洗碗機(jī)干燥性能的重要因素

由于洗碗機(jī)進(jìn)、出風(fēng)口的位置不同，在干燥階段啟動風(fēng)機(jī)時，內(nèi)膽中各個位置的風(fēng)速也不同，所處的位置風(fēng)速越大，水分子蒸發(fā)的越快。對洗碗機(jī)而言，決定風(fēng)速大小比較重要的因素有兩個，分別是風(fēng)機(jī)的功率和通風(fēng)口的截面積。

2.1 風(fēng)機(jī)功率

風(fēng)場內(nèi)的壓強(qiáng)、動能與位勢能之間的關(guān)系，符合伯努利方程，公式如下：

式中：

P-空氣的壓強(qiáng)，單位為帕（Pa）；

ρ-空氣密度，單位為千克每立方米（kg/m3）；

V-空氣速度，單位為米每秒（m/s）；

g-重力加速度，值為9.8 N/kg；

h-鉛錘高度，單位為米（m）；

C-為總能量（常數(shù)）。

由于本文所研究的對象為洗碗機(jī)，介質(zhì)為空氣，可忽略重力加速度g，則（4）式簡化為：

由（5）式可以看出，在總能量C一定的情況下，空氣速度V越大，空氣的壓強(qiáng)P越小；另一方面，假設(shè)風(fēng)道結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)葉輪及通風(fēng)口截面積已經(jīng)固定，則V與C兩者是非線性的增強(qiáng)和減弱的關(guān)系；就洗碗機(jī)而言，總能量C代表的是風(fēng)機(jī)的輸出功率，輸出功率越大則風(fēng)速越大。因此在這種情況下，選擇較大功率的風(fēng)機(jī)則風(fēng)速高，洗碗機(jī)的干燥效果也會更好。

2.2 通風(fēng)口截面積

通常用于表征風(fēng)機(jī)的特征參數(shù)是風(fēng)量和風(fēng)速，其有以下關(guān)系：

式中：

L-風(fēng)量，單位為立方米每秒（m3/s）；

F-通風(fēng)口面積，單位為平方米（m2）；

V-風(fēng)速，單位為米每秒（m/s）。

從式（6）可以看出，當(dāng)風(fēng)量L不變時，風(fēng)速V與通風(fēng)口面積F是成反比關(guān)系的，通風(fēng)口越小，風(fēng)速越快，水分的蒸發(fā)量越大，蒸發(fā)的速度也越快。

需要注意的是本文所指的通風(fēng)口是從洗碗機(jī)內(nèi)腔的進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口之間的空間部分。當(dāng)風(fēng)機(jī)的功率選定后，再選擇大小合適的風(fēng)道，可以提高干燥率。

3 進(jìn)、出風(fēng)口的不同位置對于洗碗機(jī)內(nèi)腔風(fēng)場分布的仿真分析

在影響洗碗機(jī)干燥性能的因素方面，除了風(fēng)速、風(fēng)機(jī)功率及通風(fēng)口截面積之外，內(nèi)膽風(fēng)場的分布也是一個重要的因素；按照洗碗機(jī)內(nèi)膽結(jié)構(gòu)的通用化設(shè)計(jì)思路，利用Fluent軟件進(jìn)行仿真模擬，選擇進(jìn)風(fēng)口位置位于機(jī)器左側(cè)的條件下，出風(fēng)口的位置則分5種情況，分別是：

方案（1）：出風(fēng)口在機(jī)器的左側(cè)（與進(jìn)風(fēng)口同側(cè)），見圖1；

圖1 出風(fēng)口機(jī)器的左側(cè)（與進(jìn)風(fēng)口同側(cè)）

方案（2）：出風(fēng)口在機(jī)器的右側(cè)，見圖2；

圖2 出風(fēng)口在機(jī)器的右側(cè)

方案（3）：出風(fēng)口在機(jī)器的前面，見圖3；

圖3 出風(fēng)口在機(jī)器的前面

方案（4）：出風(fēng)口在機(jī)器的后面，見圖4；

圖4 出風(fēng)口在機(jī)器的后面

方案（5）：出風(fēng)口在機(jī)器的頂面，見圖5。

圖5 出風(fēng)口在機(jī)器的頂面

1）從以上5種仿真圖可以看出，當(dāng)出風(fēng)口處于不同位置時，其所對應(yīng)的對流空氣在內(nèi)膽中的風(fēng)場分布、方向及流速均有不同，具體得到以下結(jié)論：

①從內(nèi)膽中風(fēng)場的分布來看，5種方案里存在一個共性，就是處于內(nèi)膽中部約占整個腔體3/4容積區(qū)域的風(fēng)密度均是最高的，風(fēng)量最大，根據(jù)上述第2項(xiàng)“風(fēng)速與表面水分蒸發(fā)量的關(guān)系”的論證可以確定在這部分區(qū)域的餐具被風(fēng)干的效率最高、效果最好，而處于內(nèi)膽的四個角落、底面及頂面的部分區(qū)域僅有少量的風(fēng)流過，風(fēng)密度低、風(fēng)量小，因而其被干燥的效率也是最低的；

另一方面，經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，出風(fēng)口在頂部、右面和后面時，風(fēng)的行程比出風(fēng)口在左側(cè)和前面的要長一些，這是由于前三種方案里的進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口的距離比后兩種方案的要更遠(yuǎn)一些，因此風(fēng)的行程更長；

②從風(fēng)的方向來看，5種方案下的風(fēng)均在右側(cè)的內(nèi)膽壁發(fā)生了方向的改變，迂回后從出風(fēng)口流出，這一過程使得風(fēng)在內(nèi)膽中的行程加長，即風(fēng)所經(jīng)過的區(qū)域空間增大，令更多的餐具得到吹干的效應(yīng)，對干燥率有利；

③從風(fēng)的速度來看，處于進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口最近位置的風(fēng)速最大，此時有兩種情況：第一種是進(jìn)風(fēng)為冷風(fēng)，此時風(fēng)速大但是溫度低，水分蒸發(fā)慢；第二種進(jìn)風(fēng)為熱風(fēng)，此時風(fēng)速大且溫度高，餐具的干燥效果好。

2）本次的仿真模擬是通過對基于風(fēng)機(jī)干燥的洗碗機(jī)整機(jī)系統(tǒng)而進(jìn)行的，旨在通過建立洗碗機(jī)內(nèi)膽的風(fēng)場模型而尋求比較好的內(nèi)膽設(shè)計(jì)和餐具擺放，以達(dá)到提高干燥性能的目的；總結(jié)本次仿真的結(jié)果，可以得出以下三點(diǎn)結(jié)論：①位于內(nèi)膽中部區(qū)域的餐具會受到更大的風(fēng)場影響，得到更好的干燥效果，而位于內(nèi)膽的四個角落及底面、頂面區(qū)域的餐具則得到的風(fēng)場效應(yīng)相對要低，因而此處的干燥效果相對要差；②進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口的位置關(guān)系決定了風(fēng)在內(nèi)膽中的行程長短，也就是決定了風(fēng)場所覆蓋到的餐具和內(nèi)膽內(nèi)部件的狀況，5種方案下，第1和第3種方案風(fēng)的行程短，其他3種方案的風(fēng)的行程長，覆蓋的餐具多。

4 不同進(jìn)、出風(fēng)口位置方案下的干燥性能試驗(yàn)對比組

4.1 試驗(yàn)部分

為了驗(yàn)證第4章仿真分析的結(jié)果，得出不同進(jìn)、出風(fēng)口位置對洗碗機(jī)干燥性能的影響規(guī)律，對5種方案進(jìn)行干燥率對比試驗(yàn)。選取一臺15套洗碗機(jī)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 38383-2019《洗碗機(jī)能效水效限定值及等級》的規(guī)定進(jìn)行干燥率的測試[4]，該試驗(yàn)樣機(jī)為駐立式結(jié)構(gòu)，三層擱架設(shè)計(jì)，頂、中、下三個噴淋器。為了取得有效的對比試驗(yàn)效果，盡可能地消除差異，除環(huán)境條件和試驗(yàn)方法均按國標(biāo)規(guī)定執(zhí)行外，國標(biāo)所規(guī)定的餐具、洗滌劑、漂洗劑及軟水鹽等均使用同一批次[5]。測試程序采用的是生產(chǎn)商指定的節(jié)能洗程序，同時對進(jìn)、出風(fēng)口做如下處理：①進(jìn)風(fēng)口固定在洗碗機(jī)的左側(cè)；②出風(fēng)口分別固定在洗碗機(jī)的左側(cè)、右側(cè)、前面、后面和頂面，當(dāng)采用其中的一種方案時，其他的4個出風(fēng)口堵上；③5種方案的進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口的截面積相等，其直徑均為55 mm。

4.2 對5種方案下的干燥指數(shù)各進(jìn)行5組試驗(yàn)，實(shí)測結(jié)果如表1所示

表1 不同出風(fēng)口位置的干燥指數(shù)測試統(tǒng)計(jì)表

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，出風(fēng)口位于右側(cè)、后面和頂面的干燥率最高，位于左側(cè)和前面的干燥率相對要低一些，這是由于當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時，前者比后者的風(fēng)在內(nèi)膽中所經(jīng)過的行程更長、所覆蓋的餐具更多的緣故。由此可見，進(jìn)、出風(fēng)口位置的不同的所產(chǎn)生的干燥效果也不同，在設(shè)計(jì)洗碗機(jī)時需要考慮盡可能地加長風(fēng)在內(nèi)膽中的行程，讓風(fēng)場盡量多地分布在內(nèi)膽的各個區(qū)域。

5 結(jié)論

在實(shí)際中，影響洗碗機(jī)干燥指數(shù)的因素是多方面的，本次的研究內(nèi)容是針對水分蒸發(fā)、風(fēng)機(jī)功率和通風(fēng)口截面積以及進(jìn)出風(fēng)口的不同位置幾個方面進(jìn)行的，得出如下結(jié)論：

1）風(fēng)速對洗碗機(jī)效果的影響兩方面的，一是風(fēng)速越快則水分子蒸發(fā)的速度越快，干燥效果也越好，二是風(fēng)速的提高會加速溫度的下降，從而抑制水分子的蒸發(fā)。兩者中前者的作用始終強(qiáng)于后者；

2）風(fēng)機(jī)功率大、通風(fēng)口截面積小會提高內(nèi)膽中的風(fēng)速，加速水分子的蒸發(fā)，對提高干燥效果有利；

3）進(jìn)、出風(fēng)口的不同位置對洗碗機(jī)的干燥有比較明顯的影響，兩者的距離越遠(yuǎn)、風(fēng)的行程越長、風(fēng)場所覆蓋的餐具越多，干燥效果也越好，反之則越低。

然而，本次的研究工作僅是對于本款洗碗機(jī)所進(jìn)行的，對于其他機(jī)型，由于內(nèi)膽結(jié)構(gòu)不同，其高度、寬度和深度也不相同，產(chǎn)生的風(fēng)場分布會存在差異，所測得的干燥指數(shù)也有可能不同；另一方面，餐具擺放會影響內(nèi)膽中的風(fēng)向，特別是較大的餐具如大湯碗、蒸魚盤、深盤和淺盤等，它們的擺放會影響風(fēng)場的分布。因此，在后期的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，針對擱架、餐具翻轉(zhuǎn)支架的結(jié)構(gòu)和角度的優(yōu)化等，將是后續(xù)繼續(xù)研究的一個課題。