烤箱内胆流动特性与加热效率研究.pdf

研究设计 ：收稿日期：；修回日期：基金项目：国家重点研发计划（）。第一作者简介：孔静娴（），女，满族，内蒙古赤峰人，博士研究生，主要从事强化传热技术研究。通信作者：钱锦远（），男，浙江慈溪人，博士，副教授，主要研究方向为先进流动控制。：烤箱内胆流动特性与加热效率研究孔静娴，姚青，付远华，余科帆，钱锦远（浙江大学 化工机械研究所，浙江 杭州 ；浙江省健康智慧厨房系统集成重点实验室，浙江 宁波 ；宁波方太厨具有限公司，浙江 宁波 ）摘要：为解决传统热风循环式烤箱受介质物性和烤箱结构限制而产生的温度不均匀问题，课题组提出了一种将过热蒸气（过热蒸气因焓值高而有助于蛋白质改性）作为传热介质的新型烤箱及种优化方案。根据优化前新型烤箱的温度和速度分布，提出了在底部加设加热盘和在背部加设加热圈 种结构优化方案，以及增加蒸气进口速度的工艺优化方案；对优化前后的模型进行仿真，并实验验证其准确性。结果表明：底部增设加热盘后，样本点温度方差和平均温度分别改善了 和 ；背部加设加热圈后，平均温度提升了 ，但温度均匀性下降；增加进口流速后，温度均匀性提升了 ，但平均温度降低。该新型烤箱为传统热风循环式烤箱的优化提供了一个新方向和思路。关键词：烤箱；过热蒸气；温度场分布；流场模拟；数值计算中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，（），；，；，：；（）目前，强制对流烤箱不仅存在着烹饪功能单一、内胆温度不均匀等问题，而且烹饪红肉时还会产生对人体具有诱变致癌作用的杂环胺（），长期食用会导致结、直肠癌等疾病 。目前集辐射换热、对流换热第 卷 第 期 年 月轻工机械 和蒸气辅助于一体的综合型蒸烤箱越来越受到消费者们的青睐。课题组欲在强制对流烤箱的基础上，引入过热蒸气作为传热介质，数值分析现有蒸烤箱的流场和温度场，并提出优化方案进一步提升烤箱平衡温度，改善温度均匀性。过热蒸气是在饱和蒸气基础上继续加热得到的，其处理温度及热焓值均显著高于饱和蒸气，传热效率较高，并且具有潜在蒸发热可重复使用的特点 。目前过热蒸气多应用于干燥领域中，如食品、药品行业 。它不仅能对原料进行干燥，还能消灭细菌和其他有害微生物。过热蒸气也可应用于小麦粉的热处理改性，经过热蒸气处理后的小麦粉水溶性指标下降，糊化程度增加，吸水率提高，慢消化淀粉（）含量显著增加，同时更易受到淀粉酶的作用而产生发酵所需的葡萄糖 。等 在利用过热蒸气烤箱再加热土豆泥的研究中发现过热蒸气的引入对食物的烹饪时间、烹饪损失及营养保留程度均有积极影响。对烤箱内温度的研究主流方法是采用数值模拟（），该方式具有成本低、研究周期短和使用范围广的优势。黄宜坤等 研究了蒸气在烤箱内的作用，在实验和仿真中引入对蒸气行为的研究，与传统强制对流烤箱不同的是蒸烤箱中涉及到蒸气的相变，因此他们将烤箱问题定义为多相流问题，在 模拟中使用了多相流模型进行仿真分析。等 用 对燃气烤箱做了仿真分析，在烤箱边界条件的设定中，使用内部红外摄像机测量壁面和玻璃的发射率。李海运等 比较了热传导、热传导 辐射、热传导 辐射 对流 种不同传热模式对烤箱内胆温度场的影响，得出对流有助于改善温度均匀性的结论，并通过理论计算和仿真模拟对烤箱挡板的出风口进行了优化。顾思源等 在烤箱内腔温度场均匀性研究中，使用实测的温度验证仿真结果的准确性；由于仿真各项设置与真实情况存在不可避免的偏差，且研究重点在于温度的均匀性，故提出将温度的分布趋势作为验证标准在均匀性研究中是可行的。计算模型及实验装置 计算模型本研究中应用的三维模型由宁波方太厨具有限公司的某款烤箱模型简化得到。为明确各功能部件的用途、关注问题的主要矛盾和简化计算，去除了圆角、凹槽和突起等对计算结果影响不大的细小结构，并对一些功能部件进行降维简化。如针对加热管部分：因为本研究的关注重点不在于加热管本身的温度情况，而仅是其加热功能，故用 个长方形面热源代替加热管。简化结果如图 所示，内腔流域部分为 的长方体区域，背部蒸气进口半径 ，前门处有一长条状出风口，流域上方为均布的 个长方形面热源，与模型顶端距离为 。原烤箱结构复杂，而简化后的模型主要由长方形区域组成，如图 所示，可全部使用结构性网格。热源；出风口（烤箱门缝）；进风口；蒸气冷凝盘；烤盘；挡风板；风扇。图 烤箱模型简化示意图 研究设计孔静娴，等：烤箱内胆流动特性与加热效率研究图 网格划分 在进行正式计算之前，首先进行网格无关性验证，排除在数值分析过程中网格对分析结果的影响，验证结果如表 所示。选取 组不同大小的网格：，和 ，网格数量分别为 ，和 ，比较相同工况下 平面的平均温度。从表中结果可知，第 组和第 组网格得到的结果几乎相同。因此，为了节省模拟时间和计算量，确定最佳网格数量为 。表 网格无关性验证 组号网格数量网格尺寸 平均温度 仿真计算在 的室温环境下进行。涉及的烤箱传热介质为过热蒸气，其在不同温度下的物性均不同，为简化计算，假设过热蒸气的物性固定不变，取定性温度下的物性为其常物性。过热蒸气以 的温度进入烤箱内腔，实验结果显示烤箱的平衡温度为 左右，结合入口过热蒸气温度进行计算，得到 作为整个过程中过热蒸气的定性温度。腔内换热方式以对流和辐射换热为主，通过上加热管增强腔内辐射，背部风扇扰动腔内气体流动循环，使温度更加均匀。由于烤箱内可能存在流体撞击和旋流等流动情况，故湍流模型设置为 模型，开启 辐射模型。烤箱壁面边界条件设置如表 所示。表 边界条件设置 位置换热情况边界设置前门壁面门体与外界空气发生对流换热，与内部发生辐射换热 模式，发射率 ，综合辐射换热系数 （）其他壁面上、下、侧和背部壁面均嵌入在橱柜中，不考虑对流换热，只考虑辐射换热 模式，发射率 加热管加热管功率为 发射率为 ，根据加热管表面积设置热流密度 进口每秒通入 水产生的过热蒸气，定性温度 ，蒸气入口直径 入口速度 出口回流温度 压力出口，出口表压为 实验装置在过热蒸气蒸烤模式设定温度 的工况下，使用 型热电偶和 ，数显仪对图 中所示的 个测点分别进行 次温度测量。实验前首先进行热电偶的标定，将热电偶的探头均放入混合均匀的冰水混合物中，待示数稳定后检验其温度示数是否为。取放 次后，取示数的平均值，在之后的测量实验中，最终测量结果为温度仪器示数减去该偏差值。在分析烤箱内温度场之前，为验证仿真结果的准确性，取图 中的 个测点进行实验测温。求取 次实验的平衡温度并计算平均值，考虑到温度在平稳后图 测点布置位置 轻工机械 年第期图 冰水混合物方法标定温度计 还存在着上、下波动的现象，随意取平稳状态下的某个值是不准确的，采用平均值法又因不能准确判断转折点的位置而无法确定平衡区间。因此采用“重合点判定法”，先肉眼观察平衡温度的区间（数据选取区间 ），每隔 取 条水平线，将与水平线温度差值小于 的实验数据点记为重合点，重合点最多的水平线温度即为平衡温度。仿真中，取与烤盘位置等高的平面，此时，。种结果的平均温度和各点的相对误差列于表 。各点相对误差平均值为 ，小于 ，在可接受范围内。图 仿真中测点位置 此外，参考袁宏等 对模拟与实测结果的比较评价方法，采用平均绝对误差来评价模拟结果的准确性，公式为：（）。（）式中：为平均绝对误差；为测量范围内温度测点的总数目；为测点序号；为实验中测试的温度值，；为数值模拟预测的温度值，。计算平均绝对误差为 ，小于 ，在误差允许范围内。以上计算结果显示，各数据误差均在可接受范围内。个别位置误差相对较大，推测由于该仿真模型对烤箱背部进风口、上方加热管进行了较大的形状简化造成的，但总体误差在允许范围内。表 实验与仿真温度比较 类别数值模拟 实验测温 相对误差 平均值 结果分析及结构优化 结果分析烤箱流场分析的目的是验证过热蒸气在烤箱内的影响范围及流动规律。图 为从上方（向）和左侧（向）看的烤箱内胆整体流线图。从流线分布可知过热蒸气的影响范围基本覆盖烤箱内胆的全部区域，顶点处几乎无死角，且真实结构的内胆又存在圆角结构，可推测过热蒸气也可无死角地覆盖全部区域。从流动方向来看，蒸气从进口流入，有一部分蒸气未参与腔内循环而直接从前门出风口流出，这种状况与进出风口的位置有关。烤箱的前、后进出风口在 方向位置较为相近，撞到前门壁面后向上参与循环的部分流体迅速流出，未得到充分加热；而由于烤箱下半部分不存在加热管，导致向下流动的部分流体虽循环充分，但离加热管较远，也没有得到充分加热。图 为该模型的温度计算结果。图 （）显示上方加热管的热量没有很好地传递到下方，导致在竖直面上上半部分温度明显比下半部分高；且当烤箱腔体被加热管加热至一定温度后，由于进口蒸气温度相对 研究设计孔静娴，等：烤箱内胆流动特性与加热效率研究图 原始模型流场分布 较低，产生了以进口为中心的圆形低温区。而图 （）所示的水平面位于进口圆的中心线上，中间存在条状低温区，验证了流场分析中得到的结论，即进口部分过热蒸气未经过充分循环加热就直接流出，低温蒸气降低了该区域的温度。优化方案 加设底部加热盘原结构烤箱腔体内下半部分的温度总体低于上半部分，故在烤箱底部设置 个直径为 的加热盘。为保证总发热功率不变，根据“功率再分配”原则，设置顶部加热管功率为 ，底部加热盘为 。根据各自的发热面积得到其热流量分别为 和 。底部加热盘优化模型如图 所示。优化后温度场分布如图 所示。从图中可以看到底部加热盘对于提升烤箱下半部分腔体的温度产生了积极作用，高温区域向下的辐射范围明显增加，进口圆形低温区的范围也略微减小。加设背部加热圈原始模型的水平面温度分布显示蒸气入口处存在图 原始模型温度分布 图 底部加热盘优化模型 带状低温区域，这就要求进一步提高过热蒸气的温度，考虑到蒸气发生器的加热能力有限，故在烤箱背部入口处设置个内径 、外径 的加热圈，及时为蒸气提供二次加热。同样遵循“功率再分配”原则，设置顶部加热管功率为 ，背部加热圈功率为 ，根据各自的发热面积计算得热流密度分别为 和 。背部加热圈优化模型如图 所示。背部加热圈模型温度分布如图 所示。从图 （）可知入口的低温圆形区域明显减小，很好地实现轻工机械 年第期图 底部加热盘优化模型 平面温度分布图 图 背部加热圈优化模型 了温度的平稳过渡。在总加热功率不变的情况下，热量更多地影响到了烤箱下半腔体且对称性较好，总体温度较高。从蒸气入口中心平面的温度分布中也可以更直观地观察到相比于原始模型，中间的带状低温区明显变小，高温区基本覆盖整个平面。增大入口蒸气流速为了验证进口蒸气流速对腔内流场和温度场的影响，将进口蒸气流速从原来的 增加至 ，其他条件不变，流场结果比较如图 所示。流速增大后腔内整体压力升高，压力分布规律与原始模型大致相同，但不均匀程度增加。在流速为 的情况下，流线明显向下倾斜，高压区位置偏下，使得有更多流体向下参与循环，减少了直接流出的蒸气数量。改变流速后的温度结果如图 所示。从图中可以观察到：流速增大后温度总体更低，但均匀性更好；图 背部加热圈模型温度分布 由于内部蒸气流动紊乱，温度分布也呈现出不对称的特点，这验证了烤箱腔内紊乱的流场可以提升温度分布的均匀性。平均温度指标及均匀性指标对 的烤盘平面上 个测点计算平均值：。（）式中：为平均温度，为第 个测点的温度。计算 个测点温度的方差作为温度离散系数：（）。（）式中 为温度方差。原始模型与 组优化方案的计算结果列于表 ，设置底部加热盘的模型平均温度比原始模型提高了 ，方差降低了 。背部加热圈较大程度地提高了平均温度，相比于原始模型，平均温度提高了 ，但方差增加幅度较大。增大入口蒸气流速后，温度均匀性有了大幅度改善，方差降低了 ，但平均温度相比于原始模型降低了 。研究设计孔静娴，等：烤箱内胆流动特性与加热效率研究图 流线分布比较及 平面压力分布比较 表 优化前、后样本点平均温度及方差 模型类型平均温度 方差相对误差 平均温度方差原始模型 底部设置加热盘 背部设置加热圈 增大蒸气入口流速 由此，可得出烤箱优化的几个重要思路：在烤箱功率不变的情况下，采用烤箱内热源的“功率再分配”方法，可实现腔体内部的温度优化；热源布置遵循“功率小、数量多”的原则。保证烤箱外部能量补充，如提高入口流体温度和速度，以提升平衡温度、改善均匀性。耦合使用多种优化方案以最大程度地发挥各自的优化作用。总语课题组在强制对流烤箱的基础上，将传热介质替图 增大蒸气入口流速后温度分布 换成过热蒸气。对传统热风循环式烤箱和优化后的过热蒸气烤箱均进行了数值计算仿真，通过分析传统烤箱在温度及速度分布上的不足，提出了过热蒸气烤箱的结构优化方案，主要结论如下：）数值模拟结果显示烤箱内部流场和温度场分布不均匀的原因主要是热源数量较少、热量集中，使得热量不能均匀遍布烤箱内腔；入口蒸气能量较低，使得烤箱得到的外部热量补充较少，甚至对温度升高起到负作用。）通过保持总加热功率不变，有针对性增加热源数量的方式减少热量集中；通过提高蒸气动量的方式增加外部能量补充，以改善烤箱内部温度场的不均匀问题。此外，在过热蒸气烤箱的研究中，理论及实验方面有待深化，如系统地探究过热蒸气对食物内部结构的影响；数值模拟上还可进一步考虑蒸气的相变和物性变化；对烤箱的结构优化还可探究更加创新的方式。（下转第 页）轻工机械 年第期海：上海工程技术大学，：，：，：，：，（）：，：，：刘璇，宋立军 飞秒激光叩击式微孔加工的实验研究 应用激光，（）：张希，王德亮，韩晶 激光光斑的高斯曲面拟合应用 科技传播，（）：，：，：吴贺贺，罗莎 激光光斑成形技术专利趋势分析 中国科技信息，：，：檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨 （上接第 页），（）：，（）：，（）：，（）：，（）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 （上接第 页）参考文献：，?，：，（）：贾泽宇，刘远晓，卞科，等 过热蒸气对谷物淀粉结构及理化特性影响的研究进展 食品与发酵工业，（）：，：，：，（）：黄宜坤，张会生 蒸气辅助烤箱内蒸气行为与温度分布研究 食品工业，（）：，（）：李海运，张凯，黄加禹 基于数值模拟的烤箱控制风量研究及性能优化 食品与机械，（）：顾思源，刘东，项琳琳 影响烤箱内腔温度场均匀性的关键因素分析 建筑热能通风空调，（）：袁宏 强制对流烤箱流动与结构优化 浙江大学，：研究设计王旭，等：重复频率对飞秒激光直冲式加工氮化铝陶瓷盲孔的影响