雙風機系統對家用洗碗機內部氣流影響研究

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

隨著廚房電器的發展，各式各樣的廚房電器進入人們的日常生活中[1]，傳統中餐的飲食習慣于使用較多碗碟，碗碟的清洗是餐后繁重的工作，耗時耗力，家用洗碗機應運而生。在洗碗機各種復雜的程序中，碗碟的干燥一直是其中比較重要的一環[2]。目前家用洗碗機常用的烘干技術，主要有余溫熱交換冷凝烘干、內外部換氣烘干、內循環吸附式烘干等。

除了干燥性能是洗碗機性能的一項重要指標外，餐具儲存往往也是一個用戶所需的重要功能。在洗碗機運行完洗凈程序后，可能由于排水不完全導致洗碗機內部水杯內有少量的殘余水，這部分殘余水會使內部濕度重新上升。若用戶未能及時將機器內部餐具取出，餐具將長期暴露在內膽的潮濕環境中，從而滋生細菌影響健康。本文介紹了一種雙風機干燥系統對于洗碗機內腔氣流影響與改善洗碗機烘干保潔效果的研究。

1 機理分析

凝露是由于高溫、高濕的氣體在遇到低溫物體時，當達到露點溫度而在其表面液化為液體的現象[3]?？諝獾臐窈吭酱?，則空氣所包含的水分越多，越容易在溫度相同的餐具、內膽內壁飽和析出水分，凝露形成時間更短。減少內膽內部流場和濕度的不均勻性，減少凝露現象即可優化洗碗機的干燥保潔效果。

對于氣體的流動問題，其流動符合質量守恒定律。質量守恒方程可表述為：單位時間內流體微元體中質量的增加，等于同一時間間隔內流入該微元體的凈質量。按照這一定律，可以得出質量守恒方程：

式中：源項Sm是從分散的二級相中加入到連續相的質量（例如由于液滴的蒸發），也可以是任何的自定義源項（無量綱數），ρ為流體密度（kg/m3），t為時間（s），xi為微元大?。╩3），ui為總流速（m/s）。

洗碗機烘干階段時，內腔的濕度變化主要由室外干燥空氣的擴散引起絕對濕度的變化。兩種氣體的互相擴散遵循菲克定律，對于各項同性的三維擴散體系，菲克定律的方程如下：

式中：H為空氣的絕對濕度（g/m3）；D為干空氣和水蒸氣之間的擴散系數（無量綱數）；t為時間（s）；qd為空氣內部自降低項（例如由于水蒸氣的冷凝）（無量綱數）。

其中，由于空氣相對濕度無法直接用于計算，因此需要把相對濕度轉換為干空氣和濕空氣的混合質量分數才能利用ANSYS FLUENT數值計算，其中計算混合氣體的質量分數需要先求解混合氣體的濕含量，濕含量與相對濕度的轉換公式如下：

式中：d為濕含量（g/kg）；為相對濕度（%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、相對濕度通過公式（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量分數代入數值模擬。

式中：ρ為混合空氣密度（kg/m3）；T為空氣溫度（℃）[5]。

針對流場和濕度的不均勻性，可由公式（5）進行量化不均勻度kv：

式中：σv為均方根偏差，為腔內n個點的平均值。

鑒于上述論證，計算流體空間的速度場和濕度場是可行的，但由于洗碗機內腔是多異性曲面多相混合流動的復雜模型，直接計算復雜、工作量大。因此借助ANSYS軟件對內腔速度場和濕度場進行仿真計算，并結合實驗結果進行分析。

2 雙風機干燥系統簡介

相對于余溫熱交換冷凝烘干、內循環吸附式烘干技術，利用風機進行內外部空氣交換烘干技術能置換出內腔水蒸氣，有效提升干燥效果；同時避免水蒸氣內部冷凝、吸附后造成內腔返潮，實現內腔較長時間的餐具儲存。

單風機干燥系統通常為單排風風機干燥系統和單進風風機干燥系統。由于洗碗機內腔空間巨大，且裝載大量餐具，其流場復雜，風機氣流極容易被阻擋，造成流場不均勻，局部干燥效果不佳。

雙風機干燥系統是利用進風風機和排風風機同步工作，進風風機把外界的干燥空氣吹入洗碗機內腔，排風風機把洗碗機內腔的濕熱空氣抽出并排放到洗碗機外。進風口和排風口分別設置于內腔的兩個對角處附近，提高內腔的速度和濕度均勻性，提高內腔的換氣效率。同時，雙風機干燥系統有效地解決了單進風風機造成內腔氣壓過高，導致蒸汽從呼吸器排出并冷凝在內腔外側，容易引起電氣故障的問題；也有效地解決了單排風風機無法附加熱風干燥的問題。

3 流體仿真

3.1 數值模型建立

為簡化計算，簡化洗碗機內膽模型，內膽大小為543 mm×543 mm ×510 mm。假設內膽為完全密封（除兩處換氣口），且內膽各面均設為絕熱，與外界不存在換熱。餐具大小和種類按照GB/T 38383-2019[6]的內銷洗碗機標準餐具建模，餐具數量為13套洗碗機標準容量，餐具擺放按照某洗碗機擺放布局，紅色區域為進風口，綠色區域為出風口，如圖1所示。

圖1 內膽簡化模型和餐具擺放

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

其中對于濕空氣擴散的兩相流仿真模擬，其計算和結果需符合質量守恒方程（公式1）和菲克定律（公式2）。

由于洗碗機單排風系統無法附加加熱模塊，因此此處僅對單進風系統與雙風機系統進行對比，并對模型設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 仿真結果比對

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

從上述表2濕度場時間情況來分析，單風機干燥系統對內膽的干燥更快，但出現了明顯的濕度難以下降的局部區域。

表2 不同仿真步數內膽濕度分布對比（圖中單位：飽和水蒸氣在混合空氣內的質量分數）

從上述表2濕度場分布情況來分析，雙風機干燥系統內膽濕度較均勻，除頂部殘余少量濕空氣外，無明顯的高濕度區域。單風機干燥系統內膽壁面濕度降低速度較快，相比雙風機系統，內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部形成了明顯的濕空氣滯留區，導致內膽內部濕度不均勻，降低餐具的干燥效果。

從濕度的不均勻度（方差）分析，雙風機干燥系統的方差更小，表明內膽濕度分布更加均勻，這對于洗碗機餐具的烘干和保潔都更有優勢。

為了更直觀地觀察內膽風速度流線分布，將兩者進行對比如表3所示。雖然兩者速度方差接近，但仍可發現雙風機流線分布更均勻，表示吹風更均勻；而單風機流線出現內膽中底部（進風口附近）局部集中，內膽頂部分布較少，表示內膽頂部可能出現吹風不均勻現象。

表3 內膽穩態速度流線對比

通過內膽濕度與時間之間的變化關系：圖2針對內膽水蒸氣平均質量分數隨時間的降低曲線分析，單風機干燥內膽下降到水蒸氣質量分數40%的時間步數為3906，雙風機干燥內膽下降到水蒸氣質量分數40%的時間步數為2909，雙風機對比單風機系統平均濕度降低加快了25.52%。

圖2 內膽飽和水蒸氣平均質量分數-時間變化曲線圖

圖3針對內膽水蒸氣質量分數最大值隨時間的降低曲線分析，單風機干燥系統運行4000步后，水蒸氣最高質量分數為90.14%。雙風機干燥系統運行4000步后，水蒸氣最高質量分數為50.81%。雙風機對比單風機系統內膽水蒸氣最高質量分數降低了39.33%。

圖3 內膽飽和水蒸氣質量分數最大值-時間變化曲線圖

4 實驗方案及結果

通過上述仿真結果，實驗采用洗碗機內部高濕度環境（40℃，99%RH），按碗籃結構擺放13套標準餐具，運行一小時保潔程序，對應仿真計算中的4000步（保潔程序是利用風機系統對內膽內部空氣與外界進行置換，以達到程序運行期間內防止內膽、餐具返潮的效果）。對雙風機與單風機系統進行效果比對。

從以上實驗餐具進行比對（如表4所示），上層碗籃的玻璃杯由于腔體較深，內膽濕氣進入后，單風機系統在保潔程序時間內，未能將杯內濕氣進行有效置換而造成內腔底部冷凝，有明顯的水滴。而雙風機系統內的玻璃杯底部仍然保持干燥。

表4 保潔實驗效果比對

5 結論

本文通過分析得出以下結論：

（1）通過建立洗碗機內部簡化模型，對雙風機、單風機結構分別進行仿真分析。從時間推移對比內膽濕度變化、內膽穩態后速度流線對比、內膽平均濕度-時間變化關系、內膽最高濕度-時間變化關系等多個方面分析，可以發現雙風機系統對洗碗機內部濕氣置換效率更高、更有效。

（2）結合實驗模擬測試不同系統對濕氣置換的影響，雙風機系統對深腔杯子保潔干燥效果比單風機要好，單風機系統杯子內有明顯水滴，所得出的實驗結果基本與仿真結果一致。證明仿真分析可為干燥系統的結構優化提供理論數據支撐，同時將有利于后續的持續優化改善工作。

（3）從仿真分析與實驗現象來看，雙風機系統對洗碗機內膽干燥效果更有利。然而另一方面，雙風機系統還有可持續研究的方向，例如雙風機風口位置設置、進出風口的氣流流速設定等。