袁 宏 吳大轉(zhuǎn) 秦世杰 鄭 鑫 武 鵬 黃 濱

(1. 浙江大學化工機械研究所，浙江 杭州 310027；2. 寧波方太廚具有限公司，浙江 寧波 315336;3. 浙江大學海洋工程與技術研究所，浙江 杭州 310027)

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強制對流烤箱溫度場特性及其優(yōu)化研究

袁 宏1吳大轉(zhuǎn)1秦世杰1鄭 鑫2武 鵬1黃 濱3

(1. 浙江大學化工機械研究所，浙江 杭州 310027；2. 寧波方太廚具有限公司，浙江 寧波 315336;3. 浙江大學海洋工程與技術研究所，浙江 杭州 310027)

為研究某型強制對流烤箱內(nèi)溫度分布特性，優(yōu)化烤箱內(nèi)部溫度場均勻性，采用試驗測試和數(shù)值模擬進行研究。通過3×3分布式電阻測點(Pt)動態(tài)測量烤箱各層溫度場分布，針對烤箱溫度均勻性指標進行了測量與分析。采用計算流體力學方法對烤箱內(nèi)部溫度場進行了數(shù)值模擬，綜合考察了熱傳導、對流和輻射效應。進一步通過試驗的溫度測量，驗證了數(shù)值模擬方法的準確性。結合試驗和模擬結果，揭示并分析了烤箱原有結構溫度場不均勻的原因。通過添加徑向?qū)~結構、調(diào)整加熱管位置、改進加熱管形式和烤箱擋板等措施，有效改善了烤箱內(nèi)部溫度場的均勻性。

烤箱；強制對流；溫度場分布；流場模擬；結構優(yōu)化

強制對流烤箱相比傳統(tǒng)烤箱具有升溫快、熱效率高等優(yōu)點，然而，由于存在加熱速度快、熱風回旋等問題，使烤箱內(nèi)部溫度不均勻。而烤箱內(nèi)部溫度場均勻性直接影響著烤制食物的品質(zhì)，因此，烤箱內(nèi)部溫度分布的研究得到充分重視[1]。

目前研究烤箱溫度分布的方法主要包括試驗研究和計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)數(shù)值模擬。試驗研究測試結果可靠，但投資大，時間長，同時受試驗條件的限制；而CFD數(shù)值模擬具有速度快、花費少，且可以同時模擬多種工況等優(yōu)勢。因此，CFD數(shù)值模擬被廣泛用于烤箱內(nèi)部氣流流動和傳熱特性的研究，試驗研究除了驗證烤箱品質(zhì)外，也用于數(shù)值模擬結果的驗證[1-2]。目前烤箱溫度分布均勻性的研究已經(jīng)廣受關注，國外對烤箱已有較多的研究，如Khatir等[3]研究了直接加熱噴管式烤箱，同時用試驗研究結果對數(shù)值模擬進行了驗證；Smolka等[4]結合了試驗研究和CFD數(shù)值模擬的手段對烤箱溫度均勻性進行了優(yōu)化。而中國研究較少，如王璟等[5]研究了不同工作階段烤箱內(nèi)部的傳熱機理，便于進一步對烤箱內(nèi)部進行優(yōu)化。國內(nèi)外大部分對烤箱的改進是基于增大加熱管功率、提高風扇轉(zhuǎn)速和改變排氣口位置等措施實現(xiàn)的，而對于導葉、加熱管位置和形式等影響烤箱溫度場的重要因素并未進行深入研究。

本試驗擬對某電加熱強制對流烤箱進行研究，采用了CFD數(shù)值模擬和試驗測試的方法分析其內(nèi)部流場和傳熱特性，以及內(nèi)部流場均勻性對溫度場分布的影響。對導葉結構、加熱管位置、加熱管形式以及蓋板結構等影響烤箱溫度均勻性的重要因素進行了深入的研究，在此基礎上提出了新的改進方法，并且從試驗和數(shù)值模擬上進行了對比驗證。

1 試驗方法

1.1 試驗對象

圖1為烤箱外觀和內(nèi)腔結構示意圖。箱體為雙層不銹鋼材料，中間充填絕熱材料；門體為3層耐高溫透明玻璃，便于觀察內(nèi)部食品的烤制情況；烤箱內(nèi)膽的底部、頂部和背部各布置有一個加熱管，加熱管采用金屬管式結構，外表面涂敷紅外輻射材料提高熱輻射效率；背部擋板外設有熱風機，通過熱風機的旋轉(zhuǎn)作用，內(nèi)部空氣經(jīng)過中間加熱管加熱，從蓋板結構的出風口吹出后到達烤箱門體，在烤箱主流域內(nèi)形成循環(huán)后從中間入風口進入蓋板結構，實現(xiàn)烤箱內(nèi)部氣流循環(huán)。

1. 上加熱管 2. 中加熱管 3. 下加熱管 4. 蓋板 5. 熱風扇 6. 出風口 7. 門

1.2 試驗方法

為研究烤箱內(nèi)腔實際溫度分布情況，對烤箱的各層烤架進行了溫度測試。取內(nèi)腔上、中、下層烤架對應的3個參考面，每個面上分別均勻布置9個測點[6]，見圖2。測試儀器采用橫河電機(中國)有限公司的GP20溫度記錄儀，每1 s記錄一次，測量范圍0～800 ℃，精度0.1 ℃。

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

對烤箱進行幾何建模，并使用ICEM軟件劃分網(wǎng)格，見圖3。同時對烤箱進行網(wǎng)格無關性驗證，見表1，隨網(wǎng)格數(shù)的增加，實例2和實例3的溫度變化趨勢一致，且各測點的溫度變化偏差均小于1%，滿足計算精度的要求。綜合考慮計算精度和計算量，最終確定最佳網(wǎng)格數(shù)量約為152萬。

圖2 烤箱測點分布圖

圖3 烤箱網(wǎng)格劃分及無關性驗證

實例單元格數(shù)面單元數(shù)節(jié)點數(shù)實例1(較差)31656實例215226820實例3(較好)34469861

2.2 邊界條件及物性參數(shù)

表2為烤箱邊界條件的設置，烤箱門體與空氣接觸，產(chǎn)生對流換熱，且和內(nèi)部發(fā)生輻射換熱，因此門壁面選用Mixed模式；烤箱底部和地面接觸，對流換熱量極少，因此只考慮輻射換熱，選用Radiation模式；而烤箱頂部結構比較復雜，對其簡化后進行溫度補償，因此選用Heat Flux模式；中加熱管則采用熱流密度模式進行簡化計算。空氣、不銹鋼和隔熱玻璃的熱物理輻射性質(zhì)參考傳熱傳質(zhì)原理[7]?？鞠鋬?nèi)部的不銹鋼、隔熱玻璃看作不透明固體，熱吸收系數(shù)設為10 000，空氣熱吸收系數(shù)設為0.75[8]。

2.3 數(shù)值模型及求解設置方法

本試驗的烤箱溫度場分析基于三維不可壓縮定常流動和傳熱模擬，采用Fluent軟件實現(xiàn)。湍流模型采用標準k-ε模型，同時選擇增強壁面函數(shù)?？鞠鋬?nèi)部熱量主要通過傳導、對流和輻射進行傳遞，輻射模型選擇DO模型[9-10]。計算時利用SIMPLEC耦合算法，3個坐標方向的速度方程和k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[1]。

2.4 結果與討論

2.4.1 數(shù)值模擬檢驗與驗證 針對初始烤箱結構，對內(nèi)腔溫度進行了實際測量，并與數(shù)值模擬結果進行對比。由圖4可知，數(shù)值模擬結果和實際測量溫度分布趨勢基本一致。

圖4 中層烤架模擬溫度和實測溫度對比

進一步采用平均絕對誤差來評估預測的準確性，其定義式為：

(1)

式中：

eabs——平均絕對誤差，%；

n——測量范圍內(nèi)溫度測點的數(shù)目；

Te——試驗中測試的溫度值，℃；

Tp——數(shù)值模擬預測的溫度值，℃。

烤箱內(nèi)腔模擬平均溫度195.4 ℃，試測溫度197.7 ℃，模擬值低于實測值2.2 ℃,數(shù)值模擬和實測所得平均絕對百分誤差為4.50%，最大偏差為8.14%<10%，在可接受范圍內(nèi)，故數(shù)值模擬結果較為可靠。

2.4.2 烤箱溫度分布特性 由圖4可知，烤箱內(nèi)腔靠近壁面處溫度較高，靠近烤箱門體處溫度較低，從烤箱內(nèi)腔后壁面到烤箱門體處的內(nèi)腔溫度呈逐漸降低的趨勢。模擬和實測結果均表明烤箱內(nèi)部溫度場存在顯著不均勻的現(xiàn)象，溫度標準偏差達到了4.63。其主要原因包括中心漩渦的存在、左右側強制熱風溫差和局部不均勻性等。

(1) 中心漩渦：數(shù)值模擬結果表明烤箱內(nèi)部存在大尺度漩渦，見圖5、6。由于漩渦中心處于流動死區(qū)，在實際加熱過程中，對流換熱效果差，因此該區(qū)域溫度明顯低于周圍區(qū)域?？鞠渲行匿鰷u是由風扇出口較大的周向速度分量引起的，故消除漩渦需要減少風扇出口的周向速度分量。

(2) 左右側強制熱風溫度差：由于初始烤箱的加熱管位于風扇入口外圍，實際工作中只有外圍入口空氣得到加熱，而大部分中間入口空氣并未直接流過加熱管，導致烤箱內(nèi)部加熱時間長，加熱效果不佳，且原加熱管左右側出風位置不對稱，引起左右側出風量不等，產(chǎn)生強制熱風溫差。

圖5 烤箱流線圖

圖6 烤箱XZ平面及擋板入口速度云圖

(3) 局部不均勻性：原烤箱熱風出口動量損失較為嚴重，引起熱風進入主流場區(qū)域風速降低，降低了熱風機的加熱效果。由圖7可知，主要原因是原蓋板左右側出風口離壁面很近，且開口較小，而上下側出風離壁面較遠，且開口較大，導致經(jīng)過風扇加速后的熱風直接碰撞箱體壁面，造成較大的熱風動量損失，因此通過改進擋板出風口結構可改善烤箱內(nèi)部的局部不均勻性。

3 烤箱結構改進與溫度場優(yōu)化

針對上述溫度場存在的問題，本研究提出以下3種方案：① 添加徑向?qū)~結構；② 改進加熱管位置和加熱管形式；③ 改進烤箱擋板。

圖7 烤箱XZ平面速度矢量圖和速度云圖

3.1 添加徑向?qū)~結構

由于風扇出口存在較大的周向速度分量，烤箱的中心漩渦非常明顯。因此添加合理的徑向?qū)~結構可以消除風扇出口的速度環(huán)量，從而抑制烤箱腔內(nèi)漩渦的產(chǎn)生。本研究針對烤箱提出了3種導葉結構(直導葉、徑向?qū)~1、徑向?qū)~2)，見圖8。并基于以上3種結構，進行了數(shù)值模擬，并對流場均勻性的改善進行了比較，結果見圖9。

對比圖8和圖9可知，徑向?qū)~結構對烤箱內(nèi)部中心漩渦有一定的抑制作用。其中直導葉造成的速度損失較大，流線方向的改變較為有限，且烤箱內(nèi)部的漩渦結構仍然較為明顯；徑向?qū)~1入口段雖然有較好的引導流線，但由于熱風機擋板徑向?qū)~長度有限，因此后半段導葉改變效果不太好；而徑向?qū)~2在前兩種導葉結構的基礎上形成，可以較好地引導流線，改變流線的速度方向，各方向均勻出風，且無漩渦存在。為定量分析3種導葉結構消除周向速度分量的效果，本研究取導葉出口的徑向速度分量和周向速度分量之比來評判其合理性。其中徑向分量/周向分量比值越大，說明引起中心漩渦的周向速度分量所占比例越小，有利于抑制烤箱內(nèi)部中心漩渦，改善內(nèi)部流場均勻性。根據(jù)數(shù)值模擬結果得直導葉、徑向?qū)~1和徑向?qū)~2的徑向分量/周向分量分別為1.05，1.41，2.89。因此，徑向?qū)~2對消除風扇出口周向速度分量效果良好，能有效抑制中心漩渦的產(chǎn)生。

圖8 3種不同導葉結構

圖9 3種不同導葉結構的背部流線圖和溫度云圖

3.2 調(diào)整加熱管位置和改進加熱管形式

為了提高烤箱內(nèi)部的加熱效率，將加熱管的位置進行調(diào)整，即加熱管往風扇尾部移動，使加熱管與風扇出風處直接相對；同時對加熱管形式進行改進，縮小螺旋結構間距，示意圖見圖10、11，模擬結果見圖12。

由圖10～12可知，加熱管位置和加熱管形式影響著烤箱內(nèi)部流線的分布，烤箱內(nèi)部流線從上下出風變成了四周出風。改進前的風扇外圍只有較少的空氣被加熱，加熱管效率低，而改進后的加熱管放置在風扇外圍，以出風加熱方式代替原有的入風加熱方式，不僅改善了左右側出風量不均勻的問題，同時還改善了烤箱內(nèi)部的溫度均勻性。

3.3 改進烤箱擋板

由于原蓋板出風口設置不合理，熱風在開口附近的動能損失較大。故對蓋板結構進行簡化。將蓋板四周均勻開口保證其均勻出風，同時將四邊設置成角度較小的斜坡，以改善蓋板附近氣流分布，減少渦流和死角，結構示意圖和模擬結果見圖13、14。

由圖14可知，改進后的緩斜坡蓋板四周開口均勻，利于熱風更好地經(jīng)過蓋板，減少了熱風出口的動量損失，且烤箱內(nèi)部流場均勻性和溫度均勻性均得到了改善。

圖10 加熱管與風扇的相對位置

圖11 原加熱管形式與改進后加熱管形式

圖12 烤箱背部流線圖及溫度云圖

圖13 烤箱背部蓋板結構

3.4 最終優(yōu)化結果分析

由圖15可知，對改進后的烤箱進行數(shù)值模擬和試驗測試，發(fā)現(xiàn)烤箱整體溫度均勻性較好，內(nèi)腔模擬最高溫度207.3 ℃，最低溫度201.3 ℃，平均溫度204.3 ℃，而實測最高溫度208.3 ℃，最低溫度201.8 ℃，平均溫度205.2 ℃，溫度標準偏差從原來的4.63降低到了2.05，溫度均勻性比原烤箱有較大的提高。

圖14 烤箱背部蓋板速度云圖及溫度云圖

4 結論

本試驗針對某電加熱強制對流烤箱進行了內(nèi)部流場和傳熱的數(shù)值模擬，分析帶風扇的強制對流烤箱內(nèi)部溫度場分布不均勻的現(xiàn)象及其原因，并以改善烤箱內(nèi)部溫度分布均勻性為目標，提出了幾種烤箱內(nèi)部結構優(yōu)化的措施，并在此基礎上進行數(shù)值模擬和試驗。主要結論如下：

(1) 建立了可靠的數(shù)值模擬方法，對原烤箱進行數(shù)值模擬和試驗測試，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬和實測所得平均絕對百分誤差為4.50%，在可接受范圍內(nèi)，故數(shù)值模擬結果較為可靠。

(2) 分析和揭示了烤箱內(nèi)部溫度分布特性，烤箱內(nèi)腔靠近壁面處溫度較高，靠近烤箱門體處溫度較低，從烤箱內(nèi)腔后壁面到烤箱門體處的內(nèi)腔溫度呈逐漸降低的趨勢，烤箱內(nèi)部溫度場存在顯著的不均勻性。

(3) 添加合理的徑向?qū)~結構可減少風扇出口環(huán)量，進而消除烤箱內(nèi)部大尺度漩渦；調(diào)整加熱管位置和改進加熱管形式可減少烤箱左右側強制熱風溫差；改進背部蓋板結構可改善蓋板附近流場分布，減少局部漩渦和流動死角區(qū)域，從而顯著改善烤箱內(nèi)部溫度場的均勻性，溫度標準偏差從4.63降到了2.05。

圖15 中層烤架模擬溫度和實測溫度對比

[1] 顧思源, 劉東, 項琳琳. 影響烤箱內(nèi)腔溫度場均勻性的關鍵因素分析[J]. 建筑熱能通風空調(diào), 2015, 34(2): 54-58.

[2] 劉俊, 劉東, 杭寅. 烘箱內(nèi)部熱環(huán)境的數(shù)值模擬研究[J]. 建筑熱能通風空調(diào), 2006, 25(4): 78-85.

[3] KHATIR Z, PATON J, THOMPSON H, et al. Computational fluid dynamics (CFD) investigation of air flow and temperature distribution in a small scale bread-baking oven[J]. Applied Energy, 2012, 89(1): 89-96.

[4] SMOLKA J, NOWAK A J, RYBARZ D. Improved 3-D temperature uniformity in a laboratory drying oven based on experimentally validated CFD computations[J]. Journal of Food Engineering, 2010, 97(3): 373-383.

[5] 王璟, 劉東, 項琳琳. 某烤箱不同運行階段內(nèi)部的傳熱機理研究[J]. 節(jié)能技術, 2015, 33(6): 539-545.

[6] 張藍心, 劉東, 項琳琳. 不同運行模式下烤箱內(nèi)腔溫度場的優(yōu)化研究[J]. 建筑熱能通風空調(diào), 2015(3): 33-35.

[7] INCROPERA F P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer[M]. 6th ed. New York: John Wiley & Sons, 2007: 139-162.

[8] CHHANWAL N, ANISHAPARVIN A, INDRANI D, et al. Computational fluid dynamics (CFD) modeling of an electrical heating oven for bread-baking process[J]. Journal of Food Engineering, 2010, 100(3): 452-460.

[9] 田松濤, 高振江. 基于Fluent的氣體射流沖擊烤箱氣流分配室改進設計[J]. 現(xiàn)代食品科技, 2009, 25(6): 612-616.

[10] 郭磊. 對Fluent輻射模型的數(shù)值計算與分析[J]. 制冷與空調(diào), 2014, 28(3): 358-360.

Study and optimization on characteristics of temperature field in forced convection oven

YUAN Hong1WU Da-zhuan1QIN Shi-jie1>ZHENG Xin2WU Peng1HUANG Bin3

(1. Institute of Process Equipment, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310027, China;2. Fotile Ningbo, Ningbo, Zhejiang 315336, China; 3. Institute of Marine Engineering Science and Technology, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310027, China)

In order to study the characteristics of temperature distribution in a forced convection oven, and to optimize the uniformity of the temperature field inside the oven, the experimental and numerical simulation was carried out. The temperature distribution of each layer was measured by 3×3 distributed resistance points (Pt), and the temperature uniformity was measured and analyzed. The Computational Fluid Dynamics (CFD) method is used to simulate the temperature field inside the oven, considering the heat conduction, convection and radiation. The accuracy of the numerical simulation method is verified by the experimental results. Based on the experimental and simulation results, the reasons for the non-uniform temperature field of the original structure of the oven are revealed and analyzed. The uniformity of the temperature field in the oven is improved by adding the guide vane structure, adjusting the position of the heating tube, improving the heating tube and improving the baffle.

oven; forced convection; temperature field; flow field si-mulation; structure optimization

袁宏，女，浙江大學在讀碩士研究生。

吳大轉(zhuǎn)(1977—)，男，浙江大學教授，博士生導師。 E-mail：wudazhuan@zju.edu.cn

2017—04—18

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.06.015