顧思源 劉東 項琳琳

同濟大學機械與能源工程學院

影響烤箱內腔溫度場均勻性的關鍵因素分析

顧思源 劉東 項琳琳

同濟大學機械與能源工程學院

家用電烤箱在日常生活中的使用日益頻繁，烤箱內部溫度分布的均勻性是衡量烤箱質量的關鍵指標。本文針對現有烤箱溫度場不均的情況進行分析和研究，建立烤箱的三維簡化模型，模擬了多種改善措施對內腔溫度分布的影響，最終綜合多種措施得到了烤箱的最優模型，即頂部出風小孔在原有基礎上向內移50mm，熱風扇回風速度由1.5m/s增大至2m/s，并且改變背部熱風扇蓋板的結構。在最優模式下，烤箱內腔的溫度場均勻性得到極大改善。

烤箱溫度 均勻性 關鍵因素 數值模擬

0 引言

隨著生活水平的提高，家用烤箱在人們的日常生活中發揮著越來越重要的作用，而烤箱內部溫度的均勻性直接關系到烘烤食物的品質，如果烤箱內部溫度不均勻，則會導致食物不同部位冷熱不均，生熟不勻。對烤箱內部溫度均勻性進行研究一般可以采用兩種方法：實驗研究和計算機模擬。實驗研究的優點是可在實際烤箱中測量分析，結果可靠，但投資大，時間長，同時受實驗條件等的限制；而數值模擬方法是一種很好的方式，花費少，速度快，可以同時模擬多種不同工況[1，2]。

目前已有一些針對烤箱類的設備內的熱環境進行的研究，如文獻[2]、[3]對工業煙草烘箱內的熱環境進行了實測和數值模擬，研究了烘箱內的速度場和壓力場，提出了改進措施以改善煙草干燥均勻度，但對溫度場均勻性沒有研究。北京化工大學彭威等針對滾塑機烘箱內部的溫度場進行了數值模擬，最終得到有利于模具內原料加熱過程的改進方案[4]。

本文以某廠家的嵌入式電烤箱為研究對象。該款烤箱據實測數據顯示，烤箱內腔不同測點的溫度最高值和最低值之差可達10℃，會影響食物的烘烤質量。為了改善電烤箱在實際使用過程中的性能，本研究通過實驗和數值模擬相結合的方式，優化烤箱內腔的溫度分布，使其分布均勻。

1 烤箱模型建立

1.1 幾何模型

為了模型簡化，只對烤箱內膽進行建模分析，應用Gambit軟件進行建模，圖1為電烤箱內膽的模型，坐標原點位于烤箱的幾何中心，烤箱內膽尺寸為450mm（長，X）×340mm（高，Y）×392 mm（深，Z）。加熱管分別設在內膽頂部、底部和背部，同時背部設有熱風機，開有兩個進風口和一個回風口，以增強烤箱內部氣流循環，進風口尺寸103mm×26mm，風扇回風風速v=1.5m/s。烤箱可實現單面、雙面、多面等多種烘烤模式。頂部出風小孔是為了防止內腔過熱，空氣膨脹而設置的氣流通道，小孔直徑d=2 mm，距離烤箱門150mm。同時為體現門密封性能的局限性和門縫空氣的泄露，模型中畫出了3mm寬的門縫。

圖1 烤箱模型

烤箱的背部、頂部和底部加熱管的形狀和尺寸見圖2。

圖2 加熱管構造及尺寸（mm）

1.2 邊界條件

表1為模型定義面和邊界條件設置。

表1 模型定義面和邊界條件設置

1.3 數值方法

采用Fluent軟件對烤箱內部的熱環境進行數值模擬，研究多種改進方案下的內腔溫度場，尋求優化烤箱內部溫度均勻性的有效措施。

模擬烤箱內的氣流為穩態的三維不可壓縮湍流流動，湍流黏性模型選擇標準κ-epsilon模型，近壁面處理選擇增強壁面處理，輻射模型選擇DO模型[5]。材料選擇空氣，采用Boussinesq模型。計算時壓力與速度的耦合運用SIMPLEC算法，3個坐標方向的速度方程和κ方程的對流項離散采用二階迎風差分格式，擴散項的離散采用二階中心差分格式[6]。網格形式選擇Tet/Hybrid，模擬時試算得429255，665590兩種網格數得到的模擬結果相差不大，因此最終確定網格總數429255，網格步長為3mm。

圖3 三層烤架位置示意圖及三層烤架平面實驗測點布置圖

1.4 模型驗證

針對現有烤箱，對內腔溫度進行了實際測量，并與數值模擬結果進行對比，以驗證數學模型的可靠性。在下、中、上三層烤架位置分別布置9個測點，共27個溫度測點（圖3），采用溫度記錄儀進行溫度測量，精度0.1℃，每隔2s記錄一次數據，測量范圍0～800℃。下層烤架位于距箱底65mm高處，中層烤架位于130mm高處，上層烤架位于195mm高處。

圖4為三層烤架27個測點實測和模擬溫度對比圖：烤箱內腔平均溫度模擬值為267℃，實測值為253℃，模擬值平均高于實測值14℃，模擬和實測所得的溫度值平均偏差為5.71%，最大偏差為9.82%＜10%，在可接受的范圍內。雖然模擬的內腔溫度比實測高，但溫度分布趨勢基本一致，而本研究的重點在于內腔空氣溫度的均勻性，因此，該模型可以采用。

圖4 三層烤架27個測點實測和模擬溫度對比圖

2 影響烤箱內腔溫度場均勻性的關鍵因素探索

烤箱內部的傳熱作用主要由輻射和對流兩部分組成，兩者對內腔溫度場均勻性均有重要影響。首先，頂部小孔對內腔溫度場影響較為明顯，小孔附近及正下方溫度明顯比鄰近區域高些；其次，熱風扇起著引導內部氣流的作用，可以使內部氣流均勻流通，增強溫度場的均勻性；再者，加熱管是烤箱的核心部件，它的輻射作用主導著食物烘烤的均勻性，可以通過改變它們的位置和功率，使輻射加熱更加均勻；另外，背部蓋板結構也會影響內部氣流，現有烤箱蓋板結構會導致出現局部空氣的渦流和死角，從而影響溫度均勻性。表2為現有烤箱的溫度計算結果，溫度場極不均勻，最大溫差達到11℃。

表2 現有烤箱溫度計算結果

針對現有烤箱，考慮了幾種改進措施，包括：小孔位置改變、小孔數量增加、熱風扇風速改變、上下加熱管位置改變以及蓋板結構的改變。

2.1 頂部出風小孔位置改變

由于頂部小孔是內外氣流交換通道之一，內部的熱氣流有可能通過小孔時形成短路，造成靠近門處出現低溫區。因此，模擬了幾種位置移動方案，如表3。

表3 小孔位置移動模擬結果

由表3可見，方案1.3，即小孔內移50mm時溫度場為最優，平均溫度270℃，它的上、中、下三層的方差值最小，溫度均勻性好。

圖5（a）顯示了方案1.3中層烤架位置的溫度場圖，由圖可見，相比現有烤箱，溫度場均勻很多。圖5（b）截面圖也可看出，在烤架所在范圍內溫度波動為268～273℃，均勻性有了很大改善。因此，頂部小孔內移對于溫度場的影響較為顯著，改善比較明顯。

圖5 頂部小孔內移50mm時的溫度分布（℃）

2.2 小孔數量增加

由于內膽壁面的小孔對內腔氣流有很大的影響，因此考慮增加頂壁面出風小孔的數量（方案2.1～2.5），在背壁面、左右壁面增加進風小孔以及改變進風小孔風速（方案2.6～2.11）。

由表4可見，方案2.2，即在原出風小孔兩邊各增加一個相同小孔時，可以獲得較好的溫度均勻性。但是，烤架位置溫度差別還是比較大，整體溫度均勻性還是不夠，在門附近的溫度偏低，有局部的低溫區。

表4 小孔數量增加

2.3 熱風扇風速改變

由于熱風扇抽風引起內腔氣流循環，對溫度場起著一定的調節作用，考慮改變熱風扇的回風速度。

由表5可見，改變回風速度對溫度場的改善作用并不明顯，有時甚至會惡化溫度場，總體來說，回風速度越大，溫度場越均勻，增大回風速度可以一定程度地改善溫度場。但考慮到噪聲以及產生的抽吸力對食物的影響，回風速度也不能隨意增大。

表5 熱風扇回風速度改變

2.4 上、下加熱管位置改變

由于加熱管的輻射加熱作用對食物烘烤有著關鍵作用，因此考慮改變加熱管的位置，期待能夠改善溫度場的均勻性。

表6 上下加熱管位置改變

由表6可見，上下加熱管外移30mm時，可以獲得較好的溫度均勻性。同時，門附近的低溫區得到改善。但整體來說，改善效果有限，上部區域溫差還是比較大。

2.5 熱風扇蓋板結構改變

原先背部進風口位于凸起的熱風扇蓋板的左右兩側，蓋板結構的改變包括兩方面，一是將凸起的蓋板四邊設置成緩斜坡，以改善背板附近的氣流分布，減少渦流、死角，進風口位于蓋板四周邊緣，方案5.2～5.4；二是將凸起蓋板按比例拉大，進風口依然位于左右兩側，尺寸變為190mm×26mm，方案5.1，5.5～5.10。

由表7可見，方案5.2，即緩斜坡結構的蓋板可以獲得較好的溫度均勻性，但是僅僅結構改變，改善的效果還是有限，并且仍存在小的局部低溫區和局部高溫區，因此，必須輔以前述其他措施。

表7 熱風扇蓋板結構改變

3 烤箱綜合優化

根據4.1～4.5的研究結果，綜合了影響烤箱內部溫度均勻性的多種因素，對烤箱作出了綜合優化。

由表8和圖6可見，方案6.1，即改變了背部蓋板結構，將頂部出風小孔內移50mm，并且增大熱風扇回風速度至2m/s時，可以獲得很好的溫度場。此時，食物烤架位置的最大溫差為3.5℃，溫度波動范圍很小，可以達到先進水平。

表8 烤箱綜合優化方案

圖6 方案6.1溫度場分布（℃）

從圖7可見，相比現有烤箱，綜合優化之后的烤箱的溫度均勻性得到很大提高。圖8為優化烤箱的模型圖。

圖7 原烤箱和優化烤箱模擬溫度對比圖

圖8 最終烤箱優化模型

4 結論

本文研究了改善烤箱內部溫度場均勻性的措施，在現有烤箱的基礎上考慮了移動頂部小孔位置、增加小孔數量、改變熱風扇回風速度、改變上下加熱管位置、改變背部蓋板結構等措施，最終綜合得到了一個最優模型。主要結論如下：

1）頂部出風小孔內移50mm時可以有效改善溫度場。

2）原小孔兩邊各增加一相同小孔，并減小小孔直徑，可以一定程度改善溫度場，但門附近還是有較大低溫區域。

3）改變回風速度對溫度場的改善作用并不明顯，有時甚至會惡化溫度場，但總體來說，回風速度越大，溫度場越均勻。

4）上下加熱管外移30mm時，可以對溫度均勻性有一定改善，但效果有限。

5）將背部熱風扇蓋板四周改成緩斜坡可以獲得較好的溫度均勻性。

6）綜合優化，將小孔內移50mm，熱風扇速度增至2m/s，蓋板結構改變，可以在烤箱內部獲得很好的均勻溫度場。

[1]賀啟濱,高乃平,朱彤.應用CFD方法模擬室內氣溶膠的傳輸與沉積[J].建筑熱能通風空調,2010,29(1):6-11

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[3]莊江婷,劉東,丁燕.煙草烘箱內部氣流組織的優化[J].能源技術,2008,29(1):4-7

[4]彭威,關昌峰,秦柳.滾塑機烘箱內部溫度場的數值模擬研究[J].機械設計與制造,2012,(9):105-107

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Re s e a rc h on the Ke y Fa c tors Influe nc ing the Te m pe ra ture Uniform ity of Cooking Ove n

GU Si-yuan,LIU Dong,XIANG Lin-lin
School of Mechanical Engineering,Tongji University

Home electrical cooking oven is used in daily life with increasing frequency,and the temperature uniformity is critical to the oven.This article is based on the uneven distribution of temperature in existing oven,and a simplified 3D model is established through CFD method to consider the influence of multiple measures to improve temperature distribution.Eventually,an optimal model is obtained,that is,to move the top hole 50mm inward,to increase the fan velocity from 1.5m/s to 2m/s,and to modify the structure of the back fan cover.The temperature uniformity has been improved a lot under the optimal model.

cooking oven,temperature uniformity,key factors,numerical simulation

1003-0344（2015）02-054-5

2014-2-1

顧思源（1990～），女，碩士研究生；上海市四平路1239號同濟大學濟陽樓408室（200092）；021-65981390；E-mail:cathy_gsy@163.com