某微波爐燒烤性能提升研究

鄧 洋 唐相偉 孫炎軍 陳茂順

（廣東美的廚房電器制造有限公司 佛山 528311）

引言

微波爐在人們的日常生活中比較常見，隨著技術(shù)的發(fā)展，微波爐的功能也從單一的微波加熱功能，發(fā)展到微波加燒烤，或是微波加蒸汽，又或是微波燒烤蒸汽三合一的多樣化功能。然而微波爐的功能是多樣化了，雖可以滿足人們對烹飪多樣化的追求，但同時(shí)也帶來了一些使用痛點(diǎn)，比如某23 L頂部帶燒烤組件的微波爐，由于微波爐門面材料的溫升要求，使得發(fā)熱管位置不得不往腔體后部移動，這就導(dǎo)致腔體中后部溫度比靠近爐門處的高，導(dǎo)致腔體前后端溫差較大，燒烤食物容易出現(xiàn)中間位置過火，靠近爐門位置不熟的情況。針對這樣的痛點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一款反射罩結(jié)構(gòu)[1]，可以很好的解決燒烤不均勻和上色效果差的痛點(diǎn)。

1 加熱原理

1.1 加熱的方式

加熱的方式主要有三種：①熱傳導(dǎo)，即發(fā)熱管（源）產(chǎn)生的熱量通過空氣傳導(dǎo)到食物；②熱對流，即有熱風(fēng)組件的烤箱通過內(nèi)部熱風(fēng)循環(huán)加熱食物；③輻射加熱，即發(fā)熱管（源）產(chǎn)生的熱量直接輻射到食物表面進(jìn)行加熱。由于本文所述的某23 L微波爐燒烤組件只有發(fā)熱管，沒有熱風(fēng)組件，因此其燒烤加熱方式主要有熱傳導(dǎo)和輻射，而由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，熱傳導(dǎo)的熱量很小，因此主要加熱方式是輻射加熱。

1.2 輻射加熱

為了便于研究輻射，人們提出了黑體模型，黑體的輻射力與熱力學(xué)溫度（K）的關(guān)系由斯忒藩-玻耳茲曼定律[2]所規(guī)定：

式中：

σ表示黑體輻射常數(shù)，其值為5.67×10-8W/（m2·K4）；

C0表示黑體輻射系數(shù)，其值為5.67 W/（m2·K4）；

T表示熱力學(xué)溫度；

下標(biāo)b表示黑體。

黑體的光譜輻射力隨波長的變化由普朗克定律[2]可知：

式中：

Ebλ表示黑體光譜輻射力，W/m3；

λ表示波長，m；

T表示黑體熱力學(xué)溫度，K；

e表示自然對數(shù)的底；

c1表示第一輻射常量，3.7419x10-16W·m2；

c2表示第一輻射常量，1.4388x10-2m·K。

由于腔體內(nèi)壁面采取了黑色噴粉處理，且底部面板采用黑色微晶陶瓷板，黑色處理后內(nèi)壁和底部面板的吸收率可達(dá)到0.9以上。燒烤管采用石英發(fā)熱管，靠近爐門位置的發(fā)熱管（前發(fā)熱管）功率250 W，遠(yuǎn)離爐門的發(fā)熱管（后發(fā)熱管）功率600 W，兩根發(fā)熱管串聯(lián)。兩根發(fā)熱管分別采用不同的反射罩結(jié)構(gòu)，前發(fā)熱管由于靠近爐門，為避免熱量過多的輻射到爐門門面位置，造成門面溫升超標(biāo)，前發(fā)熱管采用圓弧結(jié)構(gòu)反射罩，而后發(fā)熱管為了增大輻射面積，采用梯形結(jié)構(gòu)反射罩。

原反射罩結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，為一等腰梯形反射罩，上下底長度分別為80 mm和100 mm，高度22 mm，兩發(fā)熱管間距45 mm。新反射罩結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，其中圓弧反射罩半徑31 mm，梯形反射罩上下底長分別為45 mm和70 mm，反射罩高度22 mm，兩發(fā)熱管間距155 mm，反射罩均采用不銹鋼材質(zhì)。

1.3 光學(xué)建模

由于石英發(fā)熱管工作時(shí)，主要以光波的形式往四周輻射熱量，因此可將發(fā)熱管的輻射機(jī)理從光學(xué)角度進(jìn)行分析[3]，建立腔體、反射罩和發(fā)熱管的幾何模型，并創(chuàng)建一個(gè)300×200×5 mm的塊來替代面包片模型。

1.3.1 仿真設(shè)置

設(shè)置發(fā)熱管光學(xué)屬性設(shè)置為光通量，前發(fā)熱管250 W，后發(fā)熱管600 W，發(fā)熱管有效長度240 mm。由于采用了乳白色石英發(fā)熱管，乳白色玻璃可吸收來自發(fā)熱絲輻射的幾乎全部可見光和近紅外光，并使之轉(zhuǎn)化為遠(yuǎn)紅外輻射，因此波長設(shè)置主要為遠(yuǎn)紅外的波長范圍。反射罩采用了不銹鋼材質(zhì)，其反射面近似為鏡面，設(shè)置反射罩表面屬性為鏡面反射；腔體四周采用黑色噴粉處理，壁面吸收率大于0.9以上，設(shè)置壁面表面屬性為95%完全吸收，面包片模型作為負(fù)載，設(shè)置為完全吸收表面。

發(fā)熱管光強(qiáng)分布類似Lambertian分布，即發(fā)光強(qiáng)度隨角度變化呈類似余弦分布[3]。光線追蹤基于蒙特卡羅法（Monte Carlo）也叫隨機(jī)仿真法[4]，進(jìn)行非序列光線追蹤，在光線追蹤過程中，光線的方向是隨機(jī)選取的，本文設(shè)置總光線數(shù)50萬條，進(jìn)行光線追蹤。

1.3.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖2所示，由于光線數(shù)量龐大，文中只顯示了少部分光線來示意，其中圖2（a）為原機(jī)模型反射罩光線追蹤路徑圖；圖2（b）為新反射罩光線追蹤路徑圖。

圖1 反射罩結(jié)構(gòu)

從圖2光線追蹤路徑圖可以看出，采用原反射罩結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)熱管發(fā)出的光線主要集中在反射罩下方的區(qū)域，勢必會增加反射罩下方位置的輻照度，而采用新反射罩結(jié)構(gòu)時(shí)，光線分布相對比較分散。食物放置在腔體下層烤架位置，食物表面吸收的光通量如圖3所示，其中圖3（a）為原反射罩燒烤時(shí)食物表面吸收的光通量，圖3（b）為新反射罩燒烤時(shí)食物表面吸收的光通量。

從圖3（a）中可以看出，原反射罩結(jié)構(gòu)由于兩根發(fā)熱管間距很小，導(dǎo)致食物中心偏腔體后側(cè)位置吸收的光通量過大，而靠近爐門-60～-4 mm區(qū)域的光通量較少；圖3（b）對比圖3（a），食物中心偏腔體后側(cè)位置吸收光通量過大的現(xiàn)象基本消失，食物整個(gè)表面吸收的光通量相比之前更均勻，并且圖3（b）云圖可以看出靠近爐門-60～-4 mm區(qū)域的光通量比圖3（a）有明顯增加，整體改善明顯。

為了便于量化食物表面吸收的光通量，本文將食物表面區(qū)域劃分為24個(gè)50*50 mm的小平面，如圖4所示。將一整個(gè)大面平均劃分為24個(gè)小面，分別計(jì)算24個(gè)小面吸收的光通量，再對24個(gè)小面吸收的光通量求方差，方差越小，代表這組數(shù)據(jù)越穩(wěn)定，進(jìn)而均勻性越好。

圖2 光線追蹤路徑

圖3 食物表面吸收光通量

按照上述方法，計(jì)算24個(gè)小面吸收的光通量，得到如圖4（a）所示使用原反射罩的方差為17.67；圖4（b）所示使用新反射罩的方差為3.47，此值遠(yuǎn)小于原反射罩的方差值17.67，顯然使用新反射罩食物表面吸收的光通量更均勻。圖4和圖3對比，也驗(yàn)證了圖3中新反射罩結(jié)構(gòu)可解決食物中心溫度過于聚焦和靠近爐門-60～-4 mm區(qū)域的食物表面吸收光通量少的問題。

2 實(shí)驗(yàn)測試

2.1 面包片上色效果測試

圖4 食物表面吸收光通量

本文測試燒烤均勻性采用烤面包片的方法，通過面包片的上色面積和上色效果來判斷原反射罩和新反射罩對均勻性的影響。面包片測試結(jié)果如圖5所示，其中圖5（a）為原反射罩結(jié)構(gòu)面包片上色效果，圖5（b）為新反射罩結(jié)構(gòu)面包片上色效果。

從實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果來看，圖5面包片上色情況與圖4仿真結(jié)果面包片吸收光通量的情況吻合較好，面包片上色深的位置對應(yīng)仿真吸收光通量較大的位置，而靠近爐門位置的面包片未上色，對應(yīng)此區(qū)域仿真吸收的光通量少。

對比圖5（a）和圖6（b）發(fā)現(xiàn)：圖5（a）采用原反射罩結(jié)構(gòu)，僅有反射罩下方位置的兩塊面包片上色，靠近爐門的兩塊面包片基本沒上色，靠近腔體后部的兩塊面包片也僅僅一小部分上色，上色面積不到40 %，六塊面包片的色差大，整體上色效果較差；而圖5（b）采用新反射罩結(jié)構(gòu)，六塊面包片均上色，上色面積大于90 %，并且六塊面包片的色差較小，整體上色效果較好。采用新反射罩結(jié)構(gòu)可使面包片的上色面積提升50 %以上，并且可明顯改善各面包片之間的色差。

2.2 奶酪土豆效果

奶酪土豆作為微波爐燒烤性能評判的一份重要菜單，通過觀察其表面上色和測量上中下和左右五個(gè)點(diǎn)位置的溫度差，來判斷微波爐燒烤性能的好壞。原反射罩和新反射罩測試效果如圖6所示，其中圖6（a）為原反射罩結(jié)構(gòu)測試效果，圖6（b）為新反射罩結(jié)構(gòu)測試效果。

圖5 面包片上色效果

圖6 奶酪土豆上色效果和測試點(diǎn)溫度

采用原反射罩結(jié)構(gòu)，靠近爐門的區(qū)域基本不上色，而測量五個(gè)點(diǎn)的溫度也發(fā)現(xiàn)，靠近爐門位置測點(diǎn)的溫度偏低，只有83.1 ℃，五個(gè)測試點(diǎn)的最大溫差為14.4 ℃；新反射罩的效果改善比較明顯，整體上色比較均勻，而五個(gè)測試點(diǎn)的最大溫差只有8 ℃，溫差比原反射罩結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果降低6.4 ℃。

2.3 溫差測試

從一定程度上來說，腔體溫差越小，腔體內(nèi)部溫度越均勻，燒烤均勻性越好。本文通過在腔體下層烤架平面布置12個(gè)測試點(diǎn)，測量并計(jì)算原反射罩和新反射罩腔體下層烤架平面12個(gè)測點(diǎn)溫度值的極差，極差值擬合得到溫差曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，原反射罩腔體下層烤架的溫差基本在40 ℃左右波動，而新反射罩腔體溫差在16 ℃左右波動，新反射罩結(jié)構(gòu)腔體測試溫差比原反射罩結(jié)構(gòu)降低了55 %左右。而溫差的減小，同時(shí)也說明了腔體下層烤架平面溫度的均勻性較原反射罩更好。

最后，按照安規(guī)[5]要求進(jìn)行溫升測試，采用新反射罩結(jié)構(gòu)的微波爐爐門以及其他電器件等的各項(xiàng)溫升指標(biāo)均符合安規(guī)要求。

圖7 腔體溫差對比曲線

3 結(jié)論

針對現(xiàn)有微波爐燒烤均勻性差，上色效果差的痛點(diǎn)，通過光學(xué)仿真和實(shí)驗(yàn)測試的方法來改善微波爐燒烤性能，主要得到以下結(jié)論：

1）光學(xué)仿真的引入，并且通過大量實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證測試，光學(xué)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果吻合較好，光學(xué)仿真可以用來指導(dǎo)反射罩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2）測大面積食物的均勻性，可通過仿真技術(shù)，化大面為多個(gè)小面，計(jì)算多個(gè)小面的方差值，可迅速判斷出食物表面吸收光通量的均勻性，進(jìn)而可快速判斷燒烤均勻性。

3）溫差曲線可通過計(jì)算多個(gè)測試點(diǎn)的極差值來擬合。

4）減小腔體溫差，可提高腔體溫度的均勻性，進(jìn)而改善燒烤均勻性。