烤箱温度均匀性改善研究

烤箱温度均匀性改善研究

邓洋

邓洋

身份证号：41018419871027xxxx

广东美的厨房电器制造有限公司广东省佛山市528311

摘要：本文主要研究了改善烤箱内部温度均匀性的措施，在原烤箱的基础上缩小顶部出风孔、增加与减少后部风机转速、风机盖板结构改变等措施，分别对内部温度分布的影响。随着生活水平的不断提高，人们对膳食的需求也在不断增加。特别是在当今快节奏的科学技术和快速生活中，对制作食品的工具的需求也在增加。随后的工业产品，“烤箱”逐渐进入人们的生活。在当今世界，从火加热形式的简单铁板到电加热炉，“烤箱”已成为厨具不可或缺的一部分。

关键词：烤箱，温度均匀性，数值仿真，关键因素，结构优化

1现状

随着经济发展，人们的日常生活水平逐渐提高，传统的厨房器具逐渐无法满足人们对生活水平的不断追求，西方的新式厨具开始崭露头角。这其中家用电烤箱在人们的日常生活中开始发挥越来越重要的作用。而影响食物烹饪制作质量的关键因素是烤箱内部温度的均匀性。如果烤箱内部温度不均匀，就会导致烘烤出来的食物上色不均匀，甚至生熟不一。本文以某厂家生产的嵌入式电烤箱为例，分析其温度均匀性并尝试对其进行改善。通过对该烤箱的实际测试得到数据显示该烤箱腔体内部同一水平面不同位置的温度差可以达到10℃，这会影响食物烘烤的质量。为改善该烤箱的均匀性性能，本文通过改变单一因素对该烤箱内部温度稳定性进行优化，尽量减少其内部温度的差值，使温度分布更均匀。

2烤箱腔体结构

该电烤箱腔体内有顶部、底部、背部三根加热管，可实现单面、双面烘烤；背部有对流风机可实现强制对流、自然对流烘烤模式。背部加热管与对流风机用风机盖板盖住，开设进风孔与出风孔若干。腔体顶部开有出风口，防止内部过热。

3影响烤箱内部温度均匀性因素

烤箱热量主要通过对流和辐射两种方式，且均对内部均匀性有着重大影响。后部风机带动腔体内部气体流动，从而影响温度分布；加热管辐射热量，其自身形状、安装位置影响着内部温度；后部风机盖板结构也影响着内部气流，因风机盖板结构不合理可能存在无风的死角导致部分区域的食物烤不熟；腔体顶部出风孔对气体流动也存在一定影响。对现有烤箱腔体内部温度进行实际测量，在中心层放入烤架并布置9个温度测试点，并用温度记录仪（精度0.1℃，扫描间隔3s，测量范围0-800℃）扫描温度。烤架位置按照说明书要求，温度探测点位置保持在腔体垂直面的中心。为现有烤箱的温度测试结果。

3.1顶部出风孔

由于顶部出风孔是内外气体交流的通道之一，内部热气流通过出风孔流入外部带走部分温度，可能造成出风孔附近的温度低于腔体其它地方。因实验无法增加与移动顶部出风孔，故只考虑出风孔减少的情况。将顶部出风孔堵住一半后测试其内部温度分布。小孔变小后腔体内部平均温度升高，温度均匀性有一定提升，但整体效果不明显。

3.2后部风机转速变化

由于腔体内部气体流动主要靠后部风机转动来强制导流，气体流通速度受后部风机转速影响较大。因此考虑增加或减少风机转速，期待能够改善内部温度均匀性。后部风机转速对于内部温度分布有着一定影响，减慢转速后气体流通减缓，平均温度上升，温度分布变差；增加转速后气体流通变快，平均温度变化较小，温度分布变均匀。增加转速对于温度均匀性能起到一定的改善作用，但是风速加大后可能产生的噪音增加，甚至对于食物的抽吸也可能产生一定影响，故此项改善应斟酌考虑。

3.3风机盖板结构

改变风机盖板结构影响着腔体内部气体流向，其抽风孔与出风孔的位置、大小对于内部温度分布有着重大影响，甚至不合理的开孔会导致热量无法传导的无风死角产生。原风机盖板的进风口为盖板中间区域，出风孔为盖板上部和下部各3个方形孔，以及盖板正面的左上角、右上角各3排圆形小孔、右下角2排圆形小孔。风机盖板结构更改主要针对出风孔的更改，一种是将上部和下部的方形孔改为斜坡状，以引导气体流向来减少内部气流死角；一种是将盖板正面圆形小孔减少，堵住部分出风孔；一种是在没有设置出风孔的左下角增加2排圆形小孔，平衡内部气流。缓斜坡出风孔结构的盖板能较好的改善内部温度分布，增加或减少正面的出风孔对于内部温度均匀性的改善有限，甚至会导致其变得更差。

4创新点

（１）发现烤箱内腔中心部位的大尺度漩涡是引起烤箱内部温度不均匀的主要原因，并提出通过减少风扇出口周向速度分量来抑制漩涡结构，进而改善烤箱内部温度均匀性的改进思路。基于ＣＦＤ数值模拟研究烤箱内部流动和传热特性，通过内部流场结构的模拟结果和温度场分布的试验结果分析，发现原烤箱温度分布不均句的原因是烤箱热风循环流动上存在的大尺度漩涡，该漩涡破坏了对流传热效果。研究还发现烤箱内部大尺度漩涡是由于风扇出口存在较大的周向速度分量而引起，进而提出通过抑制风扇出口周向速度分量来改善烤箱内部温度分布均匀性的设计思路。（２）以提升烤箱溫度均匀性为目标，提出了易于工程实施的改进结构，并通过试验验证了多种改进方案的温度场均匀性改进效果及工艺可行性。从消除烤箱内部热风循环流动的大尺度漩涡来提升温度均匀性的角度出发，提出了径向导叶、栅格型挡风板和新型格栅等三种风道结构及其优化方案。结果显示新型栅格型挡风板结构不但在工艺上适用于大批量生产，并且对烤箱内腔温度分布均句性具有很大的改善作用，测试结果表明烤箱内部最大温度偏差从原烤箱的4.63降到了现有的1.81摄氏度，能够很好的满足应用需求。

结束语

为了研究多功能烤箱的温度分布，优化烤箱结构参数，提高内部温度均匀性，研究方法有两种：测试和数值模拟。使用九点分布热电偶，实时测量每个炉子的温度场分布，并测量和分析炉温均匀性指数。使用计算流体动力学理论进行炉内温度场的数值模拟。分别检查传热，对流和辐射的影响，找出烤箱的主要传热模式。通过测试温度测量来验证数值模拟方法的准确性。结合试验和模拟结果，阐明并分析了烤箱原始结构温度场不均匀的原因。改变后板结构，调节气流分布和改变孔隙分布，大大提高了烘箱内的温度场均匀性，将温度均匀性从7.07°C提高到2.93°C，提升范围这是58％。家用电烤箱越来越多地使用，烤箱内的均匀温度是烤箱性能的重要指标。本文分析和研究了现有烤箱的温度分布，确定了影响烤箱内温度均匀性的重要因素，并确定了变化对烤箱温度分布的影响。主要结论如下：（1）如果上出口孔的尺寸减半，则内部温度的均匀性稍有改善，但效果很小。（2）如果改变后风扇的速度，将影响内部气体流速，内部温度均匀性不能充分改善，并且温度分布可能恶化。但是，风扇速度增加，温度分布更均匀。（3）为了改善烤箱内的温度分布，将风扇罩出风口改为倾斜形状，以引导内部气流方向。

参考文献：

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