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烤箱内胆流动特性与加热效率研究.pdf
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1、 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
2、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
3、、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
4、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
5、。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
6、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
7、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
8、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
9、 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
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