雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)對(duì)家用洗碗機(jī)內(nèi)部氣流影響研究

譚毅斌 張林峰 鐘源豪 張繼東

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

隨著廚房電器的發(fā)展，各式各樣的廚房電器進(jìn)入人們的日常生活中[1]，傳統(tǒng)中餐的飲食習(xí)慣于使用較多碗碟，碗碟的清洗是餐后繁重的工作，耗時(shí)耗力，家用洗碗機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。在洗碗機(jī)各種復(fù)雜的程序中，碗碟的干燥一直是其中比較重要的一環(huán)[2]。目前家用洗碗機(jī)常用的烘干技術(shù)，主要有余溫?zé)峤粨Q冷凝烘干、內(nèi)外部換氣烘干、內(nèi)循環(huán)吸附式烘干等。

除了干燥性能是洗碗機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)外，餐具儲(chǔ)存往往也是一個(gè)用戶所需的重要功能。在洗碗機(jī)運(yùn)行完洗凈程序后，可能由于排水不完全導(dǎo)致洗碗機(jī)內(nèi)部水杯內(nèi)有少量的殘余水，這部分殘余水會(huì)使內(nèi)部濕度重新上升。若用戶未能及時(shí)將機(jī)器內(nèi)部餐具取出，餐具將長(zhǎng)期暴露在內(nèi)膽的潮濕環(huán)境中，從而滋生細(xì)菌影響健康。本文介紹了一種雙風(fēng)機(jī)干燥系統(tǒng)對(duì)于洗碗機(jī)內(nèi)腔氣流影響與改善洗碗機(jī)烘干保潔效果的研究。

1 機(jī)理分析

凝露是由于高溫、高濕的氣體在遇到低溫物體時(shí)，當(dāng)達(dá)到露點(diǎn)溫度而在其表面液化為液體的現(xiàn)象[3]?？諝獾臐窈吭酱螅瑒t空氣所包含的水分越多，越容易在溫度相同的餐具、內(nèi)膽內(nèi)壁飽和析出水分，凝露形成時(shí)間更短。減少內(nèi)膽內(nèi)部流場(chǎng)和濕度的不均勻性，減少凝露現(xiàn)象即可優(yōu)化洗碗機(jī)的干燥保潔效果。

對(duì)于氣體的流動(dòng)問(wèn)題，其流動(dòng)符合質(zhì)量守恒定律。質(zhì)量守恒方程可表述為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。按照這一定律，可以得出質(zhì)量守恒方程：

式中：源項(xiàng)Sm是從分散的二級(jí)相中加入到連續(xù)相的質(zhì)量（例如由于液滴的蒸發(fā)），也可以是任何的自定義源項(xiàng)（無(wú)量綱數(shù)），ρ為流體密度（kg/m3），t為時(shí)間（s），xi為微元大小（m3），ui為總流速（m/s）。

洗碗機(jī)烘干階段時(shí)，內(nèi)腔的濕度變化主要由室外干燥空氣的擴(kuò)散引起絕對(duì)濕度的變化。兩種氣體的互相擴(kuò)散遵循菲克定律，對(duì)于各項(xiàng)同性的三維擴(kuò)散體系，菲克定律的方程如下：

式中：H為空氣的絕對(duì)濕度（g/m3）；D為干空氣和水蒸氣之間的擴(kuò)散系數(shù)（無(wú)量綱數(shù)）；t為時(shí)間（s）；qd為空氣內(nèi)部自降低項(xiàng)（例如由于水蒸氣的冷凝）（無(wú)量綱數(shù)）。

其中，由于空氣相對(duì)濕度無(wú)法直接用于計(jì)算，因此需要把相對(duì)濕度轉(zhuǎn)換為干空氣和濕空氣的混合質(zhì)量分?jǐn)?shù)才能利用ANSYS FLUENT數(shù)值計(jì)算，其中計(jì)算混合氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)需要先求解混合氣體的濕含量，濕含量與相對(duì)濕度的轉(zhuǎn)換公式如下：

式中：d為濕含量（g/kg）；為相對(duì)濕度（%RH）；Ps為水蒸氣分壓力（Pa）；P為空氣壓力（Pa）[4]。

利用大氣壓、溫度、相對(duì)濕度通過(guò)公式（4）求解混合濕空氣的密度，利用混合氣體濕含量和混合空氣的密度即可推算水蒸氣和干燥空氣的混合質(zhì)量分?jǐn)?shù)代入數(shù)值模擬。

式中：ρ為混合空氣密度（kg/m3）；T為空氣溫度（℃）[5]。

針對(duì)流場(chǎng)和濕度的不均勻性，可由公式（5）進(jìn)行量化不均勻度kv：

式中：σv為均方根偏差，為腔內(nèi)n個(gè)點(diǎn)的平均值。

鑒于上述論證，計(jì)算流體空間的速度場(chǎng)和濕度場(chǎng)是可行的，但由于洗碗機(jī)內(nèi)腔是多異性曲面多相混合流動(dòng)的復(fù)雜模型，直接計(jì)算復(fù)雜、工作量大。因此借助ANSYS軟件對(duì)內(nèi)腔速度場(chǎng)和濕度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 雙風(fēng)機(jī)干燥系統(tǒng)簡(jiǎn)介

相對(duì)于余溫?zé)峤粨Q冷凝烘干、內(nèi)循環(huán)吸附式烘干技術(shù)，利用風(fēng)機(jī)進(jìn)行內(nèi)外部空氣交換烘干技術(shù)能置換出內(nèi)腔水蒸氣，有效提升干燥效果；同時(shí)避免水蒸氣內(nèi)部冷凝、吸附后造成內(nèi)腔返潮，實(shí)現(xiàn)內(nèi)腔較長(zhǎng)時(shí)間的餐具儲(chǔ)存。

單風(fēng)機(jī)干燥系統(tǒng)通常為單排風(fēng)風(fēng)機(jī)干燥系統(tǒng)和單進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)干燥系統(tǒng)。由于洗碗機(jī)內(nèi)腔空間巨大，且裝載大量餐具，其流場(chǎng)復(fù)雜，風(fēng)機(jī)氣流極容易被阻擋，造成流場(chǎng)不均勻，局部干燥效果不佳。

雙風(fēng)機(jī)干燥系統(tǒng)是利用進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)和排風(fēng)風(fēng)機(jī)同步工作，進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)把外界的干燥空氣吹入洗碗機(jī)內(nèi)腔，排風(fēng)風(fēng)機(jī)把洗碗機(jī)內(nèi)腔的濕熱空氣抽出并排放到洗碗機(jī)外。進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口分別設(shè)置于內(nèi)腔的兩個(gè)對(duì)角處附近，提高內(nèi)腔的速度和濕度均勻性，提高內(nèi)腔的換氣效率。同時(shí)，雙風(fēng)機(jī)干燥系統(tǒng)有效地解決了單進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)造成內(nèi)腔氣壓過(guò)高，導(dǎo)致蒸汽從呼吸器排出并冷凝在內(nèi)腔外側(cè)，容易引起電氣故障的問(wèn)題；也有效地解決了單排風(fēng)風(fēng)機(jī)無(wú)法附加熱風(fēng)干燥的問(wèn)題。

3 流體仿真

3.1 數(shù)值模型建立

為簡(jiǎn)化計(jì)算，簡(jiǎn)化洗碗機(jī)內(nèi)膽模型，內(nèi)膽大小為543 mm×543 mm ×510 mm。假設(shè)內(nèi)膽為完全密封（除兩處換氣口），且內(nèi)膽各面均設(shè)為絕熱，與外界不存在換熱。餐具大小和種類(lèi)按照GB/T 38383-2019[6]的內(nèi)銷(xiāo)洗碗機(jī)標(biāo)準(zhǔn)餐具建模，餐具數(shù)量為13套洗碗機(jī)標(biāo)準(zhǔn)容量，餐具擺放按照某洗碗機(jī)擺放布局，紅色區(qū)域?yàn)檫M(jìn)風(fēng)口，綠色區(qū)域?yàn)槌鲲L(fēng)口，如圖1所示。

圖1 內(nèi)膽簡(jiǎn)化模型和餐具擺放

為計(jì)算內(nèi)腔里空氣的濕度，將內(nèi)腔里的濕空氣看作干空氣和水蒸氣的混合物，兩種組分混合時(shí)應(yīng)該遵守組分守恒定律和濕含量與相對(duì)濕度的轉(zhuǎn)換公式（公式3和公式4）[7]。

其中對(duì)于濕空氣擴(kuò)散的兩相流仿真模擬，其計(jì)算和結(jié)果需符合質(zhì)量守恒方程（公式1）和菲克定律（公式2）。

由于洗碗機(jī)單排風(fēng)系統(tǒng)無(wú)法附加加熱模塊，因此此處僅對(duì)單進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)與雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)模型設(shè)定特定的仿真邊界條件，如表1所示。

表1 仿真的邊界條件

3.2 仿真結(jié)果比對(duì)

為了能明顯直觀地表示兩種干燥系統(tǒng)的干燥情況，文中圖表均采用相同的單位（飽和水蒸氣在內(nèi)膽混合空氣中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

從上述表2濕度場(chǎng)時(shí)間情況來(lái)分析，單風(fēng)機(jī)干燥系統(tǒng)對(duì)內(nèi)膽的干燥更快，但出現(xiàn)了明顯的濕度難以下降的局部區(qū)域。

表2 不同仿真步數(shù)內(nèi)膽濕度分布對(duì)比（圖中單位：飽和水蒸氣在混合空氣內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

從上述表2濕度場(chǎng)分布情況來(lái)分析，雙風(fēng)機(jī)干燥系統(tǒng)內(nèi)膽濕度較均勻，除頂部殘余少量濕空氣外，無(wú)明顯的高濕度區(qū)域。單風(fēng)機(jī)干燥系統(tǒng)內(nèi)膽壁面濕度降低速度較快，相比雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，內(nèi)膽頂部的空氣濕度降低較快，但馬克杯和玻璃杯等倒置的深腔體餐具內(nèi)部形成了明顯的濕空氣滯留區(qū)，導(dǎo)致內(nèi)膽內(nèi)部濕度不均勻，降低餐具的干燥效果。

從濕度的不均勻度（方差）分析，雙風(fēng)機(jī)干燥系統(tǒng)的方差更小，表明內(nèi)膽濕度分布更加均勻，這對(duì)于洗碗機(jī)餐具的烘干和保潔都更有優(yōu)勢(shì)。

為了更直觀地觀察內(nèi)膽風(fēng)速度流線分布，將兩者進(jìn)行對(duì)比如表3所示。雖然兩者速度方差接近，但仍可發(fā)現(xiàn)雙風(fēng)機(jī)流線分布更均勻，表示吹風(fēng)更均勻；而單風(fēng)機(jī)流線出現(xiàn)內(nèi)膽中底部（進(jìn)風(fēng)口附近）局部集中，內(nèi)膽頂部分布較少，表示內(nèi)膽頂部可能出現(xiàn)吹風(fēng)不均勻現(xiàn)象。

表3 內(nèi)膽穩(wěn)態(tài)速度流線對(duì)比

通過(guò)內(nèi)膽濕度與時(shí)間之間的變化關(guān)系：圖2針對(duì)內(nèi)膽水蒸氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的降低曲線分析，單風(fēng)機(jī)干燥內(nèi)膽下降到水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的時(shí)間步數(shù)為3906，雙風(fēng)機(jī)干燥內(nèi)膽下降到水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的時(shí)間步數(shù)為2909，雙風(fēng)機(jī)對(duì)比單風(fēng)機(jī)系統(tǒng)平均濕度降低加快了25.52%。

圖2 內(nèi)膽飽和水蒸氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)-時(shí)間變化曲線圖

圖3針對(duì)內(nèi)膽水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值隨時(shí)間的降低曲線分析，單風(fēng)機(jī)干燥系統(tǒng)運(yùn)行4000步后，水蒸氣最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90.14%。雙風(fēng)機(jī)干燥系統(tǒng)運(yùn)行4000步后，水蒸氣最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50.81%。雙風(fēng)機(jī)對(duì)比單風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)膽水蒸氣最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了39.33%。

圖3 內(nèi)膽飽和水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值-時(shí)間變化曲線圖

4 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

通過(guò)上述仿真結(jié)果，實(shí)驗(yàn)采用洗碗機(jī)內(nèi)部高濕度環(huán)境（40℃，99%RH），按碗籃結(jié)構(gòu)擺放13套標(biāo)準(zhǔn)餐具，運(yùn)行一小時(shí)保潔程序，對(duì)應(yīng)仿真計(jì)算中的4000步（保潔程序是利用風(fēng)機(jī)系統(tǒng)對(duì)內(nèi)膽內(nèi)部空氣與外界進(jìn)行置換，以達(dá)到程序運(yùn)行期間內(nèi)防止內(nèi)膽、餐具返潮的效果）。對(duì)雙風(fēng)機(jī)與單風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行效果比對(duì)。

從以上實(shí)驗(yàn)餐具進(jìn)行比對(duì)（如表4所示），上層碗籃的玻璃杯由于腔體較深，內(nèi)膽濕氣進(jìn)入后，單風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在保潔程序時(shí)間內(nèi)，未能將杯內(nèi)濕氣進(jìn)行有效置換而造成內(nèi)腔底部冷凝，有明顯的水滴。而雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的玻璃杯底部仍然保持干燥。

表4 保潔實(shí)驗(yàn)效果比對(duì)

5 結(jié)論

本文通過(guò)分析得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)建立洗碗機(jī)內(nèi)部簡(jiǎn)化模型，對(duì)雙風(fēng)機(jī)、單風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行仿真分析。從時(shí)間推移對(duì)比內(nèi)膽濕度變化、內(nèi)膽穩(wěn)態(tài)后速度流線對(duì)比、內(nèi)膽平均濕度-時(shí)間變化關(guān)系、內(nèi)膽最高濕度-時(shí)間變化關(guān)系等多個(gè)方面分析，可以發(fā)現(xiàn)雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)對(duì)洗碗機(jī)內(nèi)部濕氣置換效率更高、更有效。

（2）結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)M測(cè)試不同系統(tǒng)對(duì)濕氣置換的影響，雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)對(duì)深腔杯子保潔干燥效果比單風(fēng)機(jī)要好，單風(fēng)機(jī)系統(tǒng)杯子內(nèi)有明顯水滴，所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本與仿真結(jié)果一致。證明仿真分析可為干燥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)將有利于后續(xù)的持續(xù)優(yōu)化改善工作。

（3）從仿真分析與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)看，雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)對(duì)洗碗機(jī)內(nèi)膽干燥效果更有利。然而另一方面，雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)還有可持續(xù)研究的方向，例如雙風(fēng)機(jī)風(fēng)口位置設(shè)置、進(jìn)出風(fēng)口的氣流流速設(shè)定等。