基于Fluent的消毒柜烘干系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

朱方新

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇鹽城 224000）

0 引言

消毒柜在生產(chǎn)生活領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，可實現(xiàn)消毒、烘干等目的。普通消毒柜在使用過程中，烘干呈現(xiàn)不均勻性，加上餐具本身殘留水分較多，致使消毒柜進行烘干操作后柜內(nèi)空氣濕度增加，時間一長，柜內(nèi)易產(chǎn)生霉變。為有效提高餐具表面和消毒柜內(nèi)溫度的均勻性，本文對某校用消毒柜進行系統(tǒng)優(yōu)化。

1 烘干系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)優(yōu)化

消毒柜內(nèi)循環(huán)過程中，頂部的溫度很高，可能燒壞上層放置的餐具，因而應(yīng)該適當?shù)乜刂啤?nèi)循環(huán)主要作用在于分解臭氧，而分解效果和腔內(nèi)溫度存在正相關(guān)關(guān)系，因而在評價內(nèi)循環(huán)效果時，主要依據(jù)的因素為腔內(nèi)平均溫度。本文進行內(nèi)循環(huán)的優(yōu)化研究，提出的改進方法為降低熱源功率和加設(shè)溫控器，優(yōu)化如下。

1.1 光波管功率

1.1.1 分析

根據(jù)相關(guān)參考資料可知，消毒柜中的直型光波管為標準型，因而主要是對其功率參數(shù)進行調(diào)節(jié)，其可選擇功率為：300 W、400 W、500 W、600 W。在實際的應(yīng)用中，一般條件下低于300 W則腔內(nèi)溫度處于較低水平，無法滿足烘干要求。而在光波管功率達到600 W及以上情況下，溫度過高且熱量不容易散失，而可能出現(xiàn)損壞問題，因而應(yīng)選擇合理光波管功率。

1.1.2 實驗結(jié)果

原校內(nèi)消毒餐柜光波管功率在600 W，進行臭氧含量檢測發(fā)現(xiàn)，原模型內(nèi)循環(huán)過程中，熱源在運行15分鐘后，腔內(nèi)的臭氧都已分解完。

內(nèi)循環(huán)主要目的在于將其中的臭氧分解，而其分解效果的主要影響因素為溫度。一般情況下熱源功率和腔內(nèi)溫度存在相關(guān)關(guān)系。根據(jù)實際的檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在熱功率400 W 時，運行20 分鐘，腔內(nèi)依然存留微量臭氧，而500 W 時，臭氧分解已經(jīng)很徹底。因而，對校內(nèi)消毒柜光波管功率應(yīng)設(shè)置在500 W，這時熱源功率雖然降低，但臭氧分解效果仍能達到標準。

1.2 溫控器設(shè)計

1.2.1 位置選擇

導(dǎo)流板、溫控器等的位置設(shè)置情況如圖1所示。

圖1 溫控器、V型板、導(dǎo)流板位置

1.2.2 溫控條件下臭氧分解實驗結(jié)果

控制光波管的功率為500 W，設(shè)置溫控器進行溫度控制，在檢測到溫度為393 K 時，斷開熱源。然后對腔內(nèi)臭氧的含量進行檢測，發(fā)現(xiàn)此條件下完全分解臭氧需要15 分鐘。和原模型對比發(fā)現(xiàn)，這種情況下臭氧分解時間和效果相同，不過顯著減少了高溫熱熔餐具概率。由此可判斷出設(shè)置溫控器可在滿足臭氧分解要求基礎(chǔ)上，使得高溫風險明顯下降。

2 烘干系統(tǒng)外循環(huán)優(yōu)化

根據(jù)實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外循環(huán)過程中，底部溫度，縱向溫度過大，相應(yīng)的溫度均勻性差，無法滿足烘干一致性要求。在對外循環(huán)優(yōu)化過程中應(yīng)分析影響外循環(huán)溫度場分布因素，對相關(guān)參數(shù)和結(jié)構(gòu)情況進行研究，提出適當優(yōu)化措施。

2.1 中間擋板V型夾角優(yōu)化

此參數(shù)和外循環(huán)烘干效果關(guān)系很密切。原模型此夾角初始值為110°，在優(yōu)化時對此參數(shù)進行調(diào)節(jié)。

設(shè)置相應(yīng)的中間擋板夾角為 100°，110°，120°，130°，在此條件下檢測腔體內(nèi)溫度分布情況，確定出一定溫度區(qū)間內(nèi)的溫度云圖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這幾個角度條件下，底部高溫區(qū)依然存在，最小為120°時的。各出口流量變化如表1 所示，在角度改變后，高溫區(qū)的范圍也大幅度改變，夾角參數(shù)和出口的流量分配存在密切關(guān)系。

2.2 導(dǎo)流板設(shè)置

導(dǎo)流板的主要作用在于控制腔內(nèi)流線的路徑，可以通過其提高底部氣體流通的穩(wěn)定性，從而改善溫度分布情況。這種情況下，底部氣流繞著底面和前面環(huán)繞流動，均勻性提高。檢測發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后餐具表面溫度分布性能明顯改善，最高溫度明顯降低。統(tǒng)計分析確定出平均溫度、溫差等相關(guān)參數(shù)，所得結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2 結(jié)果可知，靠近底部出口區(qū)的溫度最高，在優(yōu)化過程中為降低此區(qū)域的溫度，而設(shè)置適當大小的導(dǎo)流板?？梢酝ㄟ^其對氣流路徑進行合理控制，擴大底部高溫區(qū)面積，一直到整個底部區(qū)，使得溫差減小。分析表2 結(jié)果可看出，設(shè)置導(dǎo)流板后，溫度降低幅度最大達到11.8%，溫度差降幅43.8%，而和原模型相比，均勻性系數(shù)增加42.6%，由此分析可知設(shè)置導(dǎo)流板可起到很好的效果。

2.3 熱源功率和入口速度參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)優(yōu)化目標對原模型的相關(guān)參數(shù)進行調(diào)節(jié)，如調(diào)節(jié)直流風機的風速等。本文在優(yōu)化過程中，設(shè)置熱源功率400 W和500 W，風機的流速最大值為4.9 m/s。為盡可能降低噪音干擾，設(shè)置相應(yīng)的穩(wěn)定流速為3 m/s。對所得結(jié)果進行統(tǒng)計處理，如表3所示。

表1 各出口流量變化

表2 模型優(yōu)化前后對比

表3 不同功率風速狀態(tài)下平均溫、最值溫度、溫差結(jié)果

根據(jù)表3結(jié)果可知，a，b中最高溫度過高，相應(yīng)的溫差很明顯，很容易導(dǎo)致餐具損壞問題。入口速度較低情況下，局部溫度較高，且溫度均勻性下降，因而不滿足實際的應(yīng)用要求。對比c，d，e，f 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這幾種參數(shù)條件下入口流速一致時，溫度變化區(qū)間為345～360 K，和實驗所得結(jié)果基本上相符合。且100 W的熱源條件下，對應(yīng)的平均溫度差10 K，溫度均勻性也基本合理。e和f的結(jié)果說明，改變熱源功率后，即使流速處于較高水平，溫差依然不明顯。

綜上所述，在功率一致情況下，光波管的功率為400 W 時，餐具表面溫度一致性更高，不過平均溫度有一定幅度降低。因而設(shè)置過程中為提高烘干速度，應(yīng)該對平均溫度進行合理控制。應(yīng)該控制腔內(nèi)溫度至少348 K，綜合分析功率選擇500 W。入口速度提高情況下，相應(yīng)的溫度均勻性也提高，對比結(jié)果表明V=3 m/s 的均勻性處于最高水平，因此參數(shù)應(yīng)設(shè)置為熱源功率500 W,入口流速3 m/s。

3 結(jié)語

本文對某學(xué)校消毒柜進行了優(yōu)化研究，首先降低熱源功率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種情況下臭氧分解時間延長，且難以完全分解。然后設(shè)置溫控器，通過熱源通斷而控制頂部溫度最高不超過393 K，這種條件下臭氧分解效果基本不變，而頂部溫度也處于合理范圍，從而有效解決頂部高溫問題。本文在進行優(yōu)化時，對中間擋板V 型板夾角進行調(diào)節(jié)，且在底部設(shè)置一個導(dǎo)流板，進行對比分析發(fā)現(xiàn)夾角120°時，可很好地滿足溫度均勻性要求。最終在設(shè)置導(dǎo)流板和保持夾角為120°條件下進行對比分析，確定出腔內(nèi)溫度均勻性最優(yōu)時功率和風速參數(shù)，結(jié)果表明在熱源功率為500 W，入口流速為3 m/s條件下，均勻性達到最高水平，相應(yīng)的均勻性系數(shù)增幅為69.1%。