某雙風扇對流烤箱溫度場均勻性研究

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

隨著廚房電器的發展，各式各樣的廚房電器進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，除了個人手法的差異外，烤箱本身的性能對烹飪結果影響最大。一臺合格的烤箱應該具備精準的溫控和均勻的溫度場。國內小烤箱基本以上下發熱管輻射加熱為主，大烤箱或是嵌入式烤箱一般都有熱風對流功能，且以單風扇熱風對流為主，但隨著人們對燒烤或烘焙的要求越來越高，單風扇對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烹飪的追求，性能更優秀的雙風扇對流烤箱正逐漸進入人們的視野。

2 傳熱機理研究

2.1 傳熱方式

根據傳熱學可知，熱傳導、熱對流和熱輻射是熱量傳遞的三種基本方式[2]。熱傳導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；熱對流是指不同溫度的流體粒子運動的熱量傳遞[3]；熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現象。

2.2 烤箱內部的傳熱機理

烤箱內部的傳熱主要為對流換熱和輻射換熱，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。具有熱風風扇的烤箱，根據其加熱模式的不同，可選擇上下管加熱或是背部熱風加熱。根據一些學者的研究，烤箱在不同的烘烤階段，起主導作用的加熱方式不同[4]，本文主要研究背部熱風對流加熱，因此可主要考慮對流加熱方式對烤箱內部溫度場的影響。

對流換熱方程，也叫牛頓冷卻定律：

式中：h——對流換熱系數，W/m2·k；

A——對流換熱面積，m2；

Tw——固體表面溫度，℃；

Tf——周圍流體溫度，℃。

2.3 數值模擬方法

采用三維穩態不可壓縮湍流流動，研究烤箱內部空氣流場和溫度場的分布情況，因為模型中有離心風機，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格式，采用SIMPLEC算法[6]提高收斂速度。

烤箱內壁面為黑色搪瓷，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更接近烘烤食物時的溫度場，采用導熱系數低的特氟龍塊來模擬食物，經過長時間的仿真和實驗驗證發現，利用特氟龍塊模擬食物能很好的反映出烤箱烘焙食物時的溫度場狀況。

3 仿真分析和實驗測試

3.1 簡化模型

根據烤箱的結構，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個特氟龍塊來模擬食物負載，通過仿真結果特氟龍塊的溫度來反映烤箱的溫度場。

3.2 雙風扇同向旋轉仿真和測試結果

左右兩個離心風扇均順時針旋轉，得到的仿真結果如圖2所示，其中圖2a)為溫度場，圖2b)為流場。

圖1 烤箱結構模型和仿真模型

圖2 烤箱溫度場和流場

仿真結果計算20個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可得出穩態下特氟龍塊的方差值為14.16，實驗測試得到穩定狀態下特氟龍塊的溫度曲線如圖3所示，計算特氟龍塊溫度的極差值，利用測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

從實驗測試結果得出，最大溫差17.3℃左右，腔體溫度穩定后溫差在12.5℃左右波動，與仿真結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。同樣的方法，在同平臺單風扇的腔體測得最大溫差24.8℃左右，穩定后的溫差22.6℃左右，對比單、雙熱風腔體的溫差情況如圖5所示。從圖5可看出，雙風扇對流腔體最大溫差比單風扇減小30.2%左右，穩定后的溫差比單風扇降低45%左右，雙風扇烤箱腔體溫度場比單風扇烤箱的溫度場均勻性更好。

圖5 單、雙風扇對流腔體溫差

圖6 左側風扇順時針旋轉右側風扇逆時針旋轉烤箱溫度場和流場

3.3 雙風扇左順右逆旋轉仿真和測試結果

左側風扇順時針旋轉，右側風扇逆時針旋轉（左順右逆，下同）時，仿真結果的溫度場和流場如圖6所示。從仿真結果來看，雙風扇左順右逆旋轉時，烤盤中間位置的特氟龍塊的溫度偏高，兩側溫度偏低，整個烤盤面的溫度分布呈現出中間區域偏高，兩側偏低的溫度分布。造成此種現象的原因可從腔體的流場來分析，發現從腔體兩側吹出的高溫氣體在腔體中間區域有重疊，導致熱量在中間區域聚集，造成特氟龍塊溫度偏高。因此，基于雙風扇左順右逆旋轉的仿真結果，預測腔體中心升溫速度要比雙風扇同順時針旋轉快，且對體積較大的食材的烹飪速度也會更快。

為了驗證預測結果，測試雙風扇左順右逆和雙風扇均順時針旋轉時的腔體中心升溫速度，測試結果如圖7所示。從圖7中可看出，升溫階段雙風扇左順右逆要比同順時針旋轉的升溫速度快，以腔體中心溫度升至230℃為例，雙風扇左順右逆要比同順時針旋轉快17%左右。測試結果和仿真預測結果吻合較好，因此，可用雙風扇左順右逆旋轉的方式來達到提升腔體預熱速度的效果。

圖7 烤箱腔體中心升溫速度

為了驗證雙風扇左順右逆旋轉比雙風扇同順時針旋轉對大體積食材的烹飪速度更快，對兩臺爐子進行烤整雞測試，分別在雞胸、雞腿和雞翅位置布置溫度測試點，溫度測試曲線如圖8所示。

從圖8中可以看出，雙風扇左順右逆旋轉時，烤雞溫度測試點的升溫速度明顯快于雙風扇同順時針旋轉，雞胸位置的溫度測試點在升溫階段尤為明顯。由于檢測到雞肉溫度為80℃時可判定烤雞烤熟，整體來看，升溫到80℃，雙風扇左順右逆旋轉可比雙風扇同順時針旋轉烤快12%左右，測試結果也驗證了仿真預測的雙風扇左順右逆可加速體積較大食材的烹飪速度的結果。

4 結論

通過對雙風扇對流烤箱的仿真和實驗測試的一些研究可得到如下結論：

圖8 烤雞溫度曲線

（1）仿真結果和實驗測試結果吻合較好，可利用仿真分析來指導或預測腔體溫度場和流場的分布情況。

（2）雙風扇同順時針旋轉時，腔體溫差較小，均勻性較好，且比同平臺單風扇對流烤箱的均勻性提升30%左右。

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

（4）雙風扇左順右逆旋轉比同順時針旋轉烤雞要快12%左右，可利用其左順右逆旋轉時熱量往中間區域聚集的特點，來加速烹飪一些體積較大的食材。