基于風機配置的洗碗機對干燥性能的研究

陳如金 陳盼吉 姜彥胥 林召平 段新營 金 輝

（寧波安佳衛廚電器有限公司 寧波 315000）

引言

目前市場上配置有風機的洗碗機一般為單風機、雙風機和三風機模式。風機的作用是在干燥階段令內膽產生對流空氣，加速水分子的蒸發，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《道爾頓公式的應用研究》一文論證了風速越快蒸發也越快的特點。然而對于洗碗機而言，風速是其中的一個影響因素，其位置不同也導致干燥效果的不同。本次研究所針對的是目前市場上應用較為廣泛的單進風口和單出風口模式[1]；從水分蒸發、風機功率和通風口截面積、仿真圖像以及具體的實驗對比組這四個方面，對進、出風口的不同位置所對應干燥效果的不同進行較為深入的分析。

1 風速與水分蒸發的關系

1.1 風速與餐具、擱架及內膽表面上的水分蒸發量是成正比的關系

根據英國物理學、化學家道爾頓（John Dalton）的蒸發定律，關于水分子蒸發量、風速、飽和水汽壓差以及氣壓的相關性，有以下關系式：

將（1）式和（2）式整合，得到：

式中：

E-水表面蒸發量，單位為毫米（mm）；

C-與風速相關的系數；

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

P-水面上的氣壓，單位為百帕（hPa）。

根據上式可以看出，水分蒸發量E與風速系數C是成正比的關系，即風速越快，水分蒸發量E的值越大，水分被蒸發的速度也越快[2]。

由于洗碗機是在程序運行的最后階段啟動風機進行干燥，根據上述公式可以看出，當內膽溫度、風道結構、餐具擺放及烘干時間等因素固定的情況下，風速越快則干燥效果越好。

1.2 風速對水表面蒸發作用的兩面性

從風對水面蒸發作用的機制上看，其作用是加強水分子的溢出，促進水面的蒸發速度：當風速由小變大時，風對水面蒸發的作用變得強烈，水分子的蒸發速度也加快，然而當風速達到一定的程度后，強盛的水面蒸發使水面大量失溫而形成冷水阻隔膜，降低了溫度，對水面蒸發的進一步加強反而起到一定的抑制作用；因而，風對表面水分蒸發的作用是兩方面的，一方面起到加強水分子溢出而促進水表面蒸發的作用，另一方面又起到產生冷水阻隔膜從而抑制水面蒸發的作用；風速越大，兩方面的作用越強烈，但前一作用始終超過后者，故水面蒸發雖然隨風速的加大而增強，當風速超過一定的范圍則蒸發的速度是呈逐漸放慢的趨勢，這是由于風速加快導致失溫同樣加快而產生的結果[3]。

結合上述的分析及洗碗機的功能結構，由于洗碗機的烘干是在最后的熱漂洗階段將內膽溫度加熱升高，然后啟動風機，在高溫和風機的雙重作用下將餐具進行干燥，風速越大則水分子蒸發越快，但同時內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，而風機的能耗是由電機的工作產生，耗電量低，選擇相對低的加熱溫度和風速相對較高的風機，有利于提升洗碗機干燥性能并降低能耗，是一個較為優良的洗碗機設計方案。

2 影響洗碗機干燥性能的重要因素

由于洗碗機進、出風口的位置不同，在干燥階段啟動風機時，內膽中各個位置的風速也不同，所處的位置風速越大，水分子蒸發的越快。對洗碗機而言，決定風速大小比較重要的因素有兩個，分別是風機的功率和通風口的截面積。

2.1 風機功率

風場內的壓強、動能與位勢能之間的關系，符合伯努利方程，公式如下：

式中：

P-空氣的壓強，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）。

由于本文所研究的對象為洗碗機，介質為空氣，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P越小；另一方面，假設風道結構、風機葉輪及通風口截面積已經固定，則V與C兩者是非線性的增強和減弱的關系；就洗碗機而言，總能量C代表的是風機的輸出功率，輸出功率越大則風速越大。因此在這種情況下，選擇較大功率的風機則風速高，洗碗機的干燥效果也會更好。

2.2 通風口截面積

通常用于表征風機的特征參數是風量和風速，其有以下關系：

式中：

L-風量，單位為立方米每秒（m3/s）；

F-通風口面積，單位為平方米（m2）；

V-風速，單位為米每秒（m/s）。

從式（6）可以看出，當風量L不變時，風速V與通風口面積F是成反比關系的，通風口越小，風速越快，水分的蒸發量越大，蒸發的速度也越快。

需要注意的是本文所指的通風口是從洗碗機內腔的進風口到出風口之間的空間部分。當風機的功率選定后，再選擇大小合適的風道，可以提高干燥率。

3 進、出風口的不同位置對于洗碗機內腔風場分布的仿真分析

在影響洗碗機干燥性能的因素方面，除了風速、風機功率及通風口截面積之外，內膽風場的分布也是一個重要的因素；按照洗碗機內膽結構的通用化設計思路，利用Fluent軟件進行仿真模擬，選擇進風口位置位于機器左側的條件下，出風口的位置則分5種情況，分別是：

方案（1）：出風口在機器的左側（與進風口同側），見圖1；

圖1 出風口機器的左側（與進風口同側）

方案（2）：出風口在機器的右側，見圖2；

圖2 出風口在機器的右側

方案（3）：出風口在機器的前面，見圖3；

圖3 出風口在機器的前面

方案（4）：出風口在機器的后面，見圖4；

圖4 出風口在機器的后面

方案（5）：出風口在機器的頂面，見圖5。

圖5 出風口在機器的頂面

1）從以上5種仿真圖可以看出，當出風口處于不同位置時，其所對應的對流空氣在內膽中的風場分布、方向及流速均有不同，具體得到以下結論：

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

另一方面，經過比較發現，出風口在頂部、右面和后面時，風的行程比出風口在左側和前面的要長一些，這是由于前三種方案里的進風口到出風口的距離比后兩種方案的要更遠一些，因此風的行程更長；

②從風的方向來看，5種方案下的風均在右側的內膽壁發生了方向的改變，迂回后從出風口流出，這一過程使得風在內膽中的行程加長，即風所經過的區域空間增大，令更多的餐具得到吹干的效應，對干燥率有利；

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

2）本次的仿真模擬是通過對基于風機干燥的洗碗機整機系統而進行的，旨在通過建立洗碗機內膽的風場模型而尋求比較好的內膽設計和餐具擺放，以達到提高干燥性能的目的；總結本次仿真的結果，可以得出以下三點結論：①位于內膽中部區域的餐具會受到更大的風場影響，得到更好的干燥效果，而位于內膽的四個角落及底面、頂面區域的餐具則得到的風場效應相對要低，因而此處的干燥效果相對要差；②進風口與出風口的位置關系決定了風在內膽中的行程長短，也就是決定了風場所覆蓋到的餐具和內膽內部件的狀況，5種方案下，第1和第3種方案風的行程短，其他3種方案的風的行程長，覆蓋的餐具多。

4 不同進、出風口位置方案下的干燥性能試驗對比組

4.1 試驗部分

為了驗證第4章仿真分析的結果，得出不同進、出風口位置對洗碗機干燥性能的影響規律，對5種方案進行干燥率對比試驗。選取一臺15套洗碗機，按照國家標準GB 38383-2019《洗碗機能效水效限定值及等級》的規定進行干燥率的測試[4]，該試驗樣機為駐立式結構，三層擱架設計，頂、中、下三個噴淋器。為了取得有效的對比試驗效果，盡可能地消除差異，除環境條件和試驗方法均按國標規定執行外，國標所規定的餐具、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商指定的節能洗程序，同時對進、出風口做如下處理：①進風口固定在洗碗機的左側；②出風口分別固定在洗碗機的左側、右側、前面、后面和頂面，當采用其中的一種方案時，其他的4個出風口堵上；③5種方案的進風口與出風口的截面積相等，其直徑均為55 mm。

4.2 對5種方案下的干燥指數各進行5組試驗，實測結果如表1所示

表1 不同出風口位置的干燥指數測試統計表

從實驗結果可以看出，出風口位于右側、后面和頂面的干燥率最高，位于左側和前面的干燥率相對要低一些，這是由于當風機工作時，前者比后者的風在內膽中所經過的行程更長、所覆蓋的餐具更多的緣故。由此可見，進、出風口位置的不同的所產生的干燥效果也不同，在設計洗碗機時需要考慮盡可能地加長風在內膽中的行程，讓風場盡量多地分布在內膽的各個區域。

5 結論

在實際中，影響洗碗機干燥指數的因素是多方面的，本次的研究內容是針對水分蒸發、風機功率和通風口截面積以及進出風口的不同位置幾個方面進行的，得出如下結論：

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

2）風機功率大、通風口截面積小會提高內膽中的風速，加速水分子的蒸發，對提高干燥效果有利；

3）進、出風口的不同位置對洗碗機的干燥有比較明顯的影響，兩者的距離越遠、風的行程越長、風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所進行的，對于其他機型，由于內膽結構不同，其高度、寬度和深度也不相同，產生的風場分布會存在差異，所測得的干燥指數也有可能不同；另一方面，餐具擺放會影響內膽中的風向，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場的分布。因此，在后期的設計應用中，針對擱架、餐具翻轉支架的結構和角度的優化等，將是后續繼續研究的一個課題。