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隨著主食廚房革命逐漸深化，烘焙文化流行，烘焙及烘焙食品得以普及化、大眾化，這一趨勢(shì)帶動(dòng)了家用烤箱品類 市場(chǎng)呈現(xiàn)強(qiáng)勁漲勢(shì)。據(jù)相關(guān)資料顯示，2017年嵌入式烤箱市 場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到20.7億元。
一款受歡迎的家用烤箱產(chǎn)品，不僅僅要有創(chuàng)新的造型和舒適的用戶交互，更重要的是能夠輕松地烘焙出色香味俱全的食物，帶來良好的烹飪體驗(yàn)。這其中關(guān)鍵的影響因素之一是烤箱內(nèi)部的溫度均勻性。烤箱內(nèi)部溫度不均勻，烤制的食物會(huì)出現(xiàn)冷熱不均、生熟不均的現(xiàn)象，影響食物的感官特性，甚至?xí)蚴称沸l(wèi)生的問題而影響人體健康。換句話說，烤箱內(nèi)部溫度分布特性直接影響著烤制食物的品質(zhì)?；诖耍嚓P(guān)研究得以開展并不斷深入。
烤箱作為一個(gè)熱容系統(tǒng)，具有大慣性和大滯后的特點(diǎn)，而且它所加工的食物種類及物性也千差萬別。不同烤箱內(nèi)部溫度分布特性相差較大，溫度分布不均勻的成因也相當(dāng)復(fù)雜。本文旨在梳理近年來國(guó)內(nèi)外烤箱內(nèi)部溫度分布的研究進(jìn)展，對(duì)比分析各自的研究思路和研究?jī)?nèi)容，從而挖掘出提升烤箱內(nèi)部溫度分布均勻性的策略及發(fā)展趨勢(shì)，以期為改善烤箱溫度均勻性提供新的方向，為高品質(zhì)烤箱產(chǎn)品的開發(fā)提供設(shè)計(jì)參考。
1家用烤箱組成與加熱模式
實(shí)際上，烤箱是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，電流通過電熱元件產(chǎn)生熱量，借助輻射和對(duì)流的傳遞方式，將熱量傳遞給所要加熱的物品，使其加熱到所要求的溫度。普通家用電烤箱自2013年開始迅速發(fā)展，產(chǎn)品包括臺(tái)面式小 烤箱和嵌入式烤箱，主要由箱體、箱門、電熱元件、控制系 統(tǒng)、電器件和烹飪附件等組成，如圖 1示例（1-控制面板；2風(fēng)扇；3-后部加熱元件；4-箱門；5-底部加熱元件；6-頂部加 熱元件）?，F(xiàn)代家用電烤箱通過溫度傳感器控制爐腔溫度，可以設(shè)置高低溫，還可以控制焦酥程度及通過食物探針測(cè)量食物溫度控制爐腔運(yùn)行。
烤箱內(nèi)部溫度測(cè)試點(diǎn)分布圖
烤箱電熱元件多采用金屬加熱管，具有機(jī)械強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)、絕緣性能高、表面溫度分布不均勻度低等特點(diǎn)。烤箱加熱管設(shè)置通常包括頂部加熱管、底部加熱管，可實(shí)現(xiàn)燒烤加熱模式和自然對(duì)流加熱模式。通過在后部加熱管處增加風(fēng)扇及電機(jī)組件，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流加熱模式。通過設(shè)置多個(gè)后部加 熱管或側(cè)部加熱管實(shí)現(xiàn)分區(qū)加熱模式。表1列舉了幾種烤箱典 型的加熱模式。傳統(tǒng)的自然對(duì)流加熱模式依賴于流體密度的變化，由流體自身溫度場(chǎng)不均勻引起的流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)；熱風(fēng)對(duì)流模式及強(qiáng)制對(duì)流模式，主要是利用循環(huán)風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)作用來帶動(dòng)烤箱內(nèi)部空氣流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)烤箱內(nèi)部空氣循環(huán)。
2烤箱溫度分布研究方法
目前，烤箱溫度場(chǎng)分布的研究方法主要包括試驗(yàn)研究 和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬兩種。
2.1 試驗(yàn)研究
試驗(yàn)研究通常根據(jù)烤架位置選擇上、中、下三層為參考 面，每一測(cè)試層采用 3×3分布式布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，動(dòng)態(tài)測(cè)量烤 箱各層溫度的分布，如圖 2所示。該方法易受試驗(yàn)條件和測(cè) 試過程影響，測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)。該方法一方面用于驗(yàn)證烤箱品質(zhì)，另一方面則用于驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果。
2.2 數(shù)值模擬研究
CFD數(shù)值模擬作為一種仿真工具，具有速度快、花費(fèi) 少、可多工況模擬的特點(diǎn)，被廣泛用于研究烤箱內(nèi)部流體力學(xué)特性和傳熱特性，與烘焙系統(tǒng)優(yōu)化緊密相聯(lián)。其計(jì)算方法豐富，包括有限差分法、有限體積法、有限元法、基于粒 子的算法（BGK）及無網(wǎng)格算法等等，其中以有限元法和有 限體積法應(yīng)用較多。可選的商用計(jì)算軟件包括FLUENT、CFX、STAR-CD /CCM+、PHOENICS、XFlow等。
數(shù)值模擬研究的前提是建立與實(shí)際相吻合的仿真模型。實(shí)際建模過程中，所要選擇的子模型和各種條件參數(shù)對(duì)模型的可靠性和能否模擬真實(shí)情況至關(guān)重要。只有強(qiáng)魯棒性的模型才可以為溫度分布的研究提供有力的證據(jù)支持。
烤箱溫度分布特性研究的模型建立需要考慮設(shè)置合適的網(wǎng)絡(luò)分格、邊界條件和求解控制，選擇合適的湍流模型、輻射模型、多相流模型等。隨著研究深入，采用三維仿真模 型進(jìn)行分析相比二維模型更多。Verboven[1,2]等建立包含連 續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在內(nèi)的CFD 模型，模擬空氣強(qiáng)制對(duì)流烤箱中的溫度分布，實(shí)際測(cè)得的腔內(nèi)溫度結(jié)果與 模擬平均溫度基本吻合，最大誤差為4.6℃。隨后，其還引入 風(fēng)機(jī)模型和湍流模型模擬腔內(nèi)氣流流場(chǎng)，并通過實(shí)際測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)漩流和烤箱的幾何尺寸對(duì)模擬結(jié)果影響很大，但由于湍流模型的局限性和網(wǎng)格劃 分的問題，模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在22%的平均誤差。Mistry[3]等開發(fā)了一個(gè)三維時(shí)間相關(guān)的數(shù)值模型，用于模擬非穩(wěn)態(tài)自然對(duì)流烤箱的熱傳遞過程。將加熱元件的邊界條件設(shè)置為體積熱源，通過應(yīng)用時(shí)間相關(guān)仿真，成功地模擬了加熱 元件的開關(guān)。在強(qiáng)制對(duì)流爐中，他們能夠預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)值4%范 圍內(nèi)的溫度場(chǎng)。當(dāng)上部加熱元件采用紅外加熱管時(shí)，模擬和 實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的差異是10%。Smolka[4]等則建立包括傳熱 模式、溫度相關(guān)的空氣特性和外腔的熱傳遞系統(tǒng)等參數(shù)的 CFD仿真模型分析強(qiáng)制對(duì)流烤箱中氣流流動(dòng)與傳熱過程， 結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度吻合，并根據(jù)計(jì)算提出改變加熱器位置、風(fēng)扇和風(fēng)扇擋板等措施提高烤箱內(nèi)溫度的分布均勻性。 Chhanwal[5]等研究對(duì)比分析了三種輻射模型：離散傳輸輻射 模型（ DTRM）、表面輻射模型（ S2S）、離散坐標(biāo)輻射模型 (DO)均有良好的精度。與 S2S模型相比，DO模型還考慮中 間介質(zhì)對(duì)傳熱的影響。因此，烤箱內(nèi)部面包烘烤模型最終選 用DO輻射模型以研究其溫度分布曲線，且通過試驗(yàn)方法驗(yàn) 證了數(shù)值模擬結(jié)果。Boulet[6]等采用k-ε可實(shí)現(xiàn)模型研究面 包烤箱，該模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值具有良好的一致性。 Khatir[7,8]等在研究工業(yè)直接加熱噴管式烤箱時(shí)，考慮了強(qiáng) 制對(duì)流爐內(nèi)氣流在噴嘴區(qū)域處于高度湍流形式，建立了聯(lián)合 RANS湍流模型和現(xiàn)實(shí)的邊界條件的CFD模型并進(jìn)行了試 驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示此模型可為研究高速撞擊氣流的強(qiáng)制對(duì)流烤箱提供有價(jià)值數(shù)據(jù)。在研究帶面包的小型強(qiáng)制對(duì)流烤箱內(nèi)部空氣流動(dòng)及溫度的分布時(shí)，模擬結(jié)果顯示邊界條件的設(shè)置和流動(dòng)模型的選擇對(duì)模擬烤箱溫度有較大影響。
3烤箱溫度分布研究?jī)?nèi)容
3.1 傳熱機(jī)制研究
近年來，國(guó)外很多學(xué)者利用數(shù)值化模擬方法研究家用 烤箱的熱傳遞現(xiàn)象[5-9]，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部傳熱主要為輻射傳熱與對(duì)流傳熱。
首先考慮烤箱加熱的自然對(duì)流的過程。他們認(rèn)為，在使 用自然對(duì)流烘烤法時(shí)，輻射是傳熱的主要機(jī)制。Mistry[7]等模 擬研究的非穩(wěn)態(tài)自然對(duì)流烤箱的熱傳遞過程結(jié)果表明加熱元件的輻射率對(duì)烤箱爐腔溫度場(chǎng)的影響高于爐腔壁的輻射率。
其次，有不少學(xué)者通過建模研究了強(qiáng)制對(duì)流的傳熱機(jī)制[5,6,10]。Chhanwal[9]等研究一種電加熱烤面包烤箱的CFD模 型，結(jié)果顯示輻射是熱傳遞的主導(dǎo)機(jī)制。Boulet[10]等研究通 過對(duì)瞬態(tài)烤箱的熱傳遞模擬研究，發(fā)現(xiàn)烤箱內(nèi)部氣體流速為低速時(shí)，熱量傳遞方式以輻射傳熱為主。同一烤箱具有多種 加熱模式。不同加熱模式下烤箱內(nèi)部溫度特性不同。王璟[11]等人則研究了某烤箱強(qiáng)制對(duì)流模式下不同工作階段烤箱內(nèi)部的傳熱機(jī)理，通過計(jì)算熱量交換，分析了烤箱內(nèi)部加熱過程 各階段的主要換熱方式。結(jié)果顯示食物溫度約170℃以下， 傳熱方式以輻射為主導(dǎo)，持續(xù)約 10min。超過 170℃，對(duì)流成 為主導(dǎo)的換熱方式。值得注意的是，該研究還闡明了在不同模式下經(jīng)一定的時(shí)間建立起穩(wěn)態(tài)后，烤箱內(nèi)壁面溫度、空氣溫度及加熱管溫度都是相同。即雖然加熱模式不同，但最后達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)都是一樣的，不同的是建立穩(wěn)態(tài)的過程，以及輻射和對(duì)流轉(zhuǎn)換的溫度點(diǎn)。
此外，也有學(xué)者模擬研究了食物輻射與爐腔溫度場(chǎng)的關(guān) 聯(lián)性。Rek[12]等研究認(rèn)為短面包的輻射率對(duì)爐腔溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果沒有顯著影響，這是由于進(jìn)入爐腔的入口溫度恒 定而導(dǎo)致的結(jié)果。Mena Ciarmiello[13]等建立一種基于有限 體積法的Neapolitan披薩電烤箱的3D CFD模型，仿真研究 包括披薩在內(nèi)的烤箱熱狀況。披薩被設(shè)為一個(gè)具有恒定密度的均一的固體物質(zhì)，不考慮面團(tuán)水分含量和水分蒸發(fā)。將 披薩置于爐內(nèi)，在烹調(diào)前 90s，烹調(diào)床的溫度會(huì)降低，溫度降 低值主要受墻輻射率的影響，而圓頂內(nèi)壁平均溫度則主要受披薩的熱輻射率影響。披薩熱輻射率和墻熱輻射率的差異并不會(huì)顯著影響披薩烹調(diào)過程中的平均溫度。這一研究也被認(rèn)為是進(jìn)一步深入研究烤箱溫度控制的基礎(chǔ)。
3.2 烤箱溫度均勻性優(yōu)化研究
3.2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略
國(guó)內(nèi)烤箱溫度分布的相關(guān)研究多集中在利用CFD模擬 仿真指導(dǎo)烤箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化。多項(xiàng)研究 [11,14,15]均通過數(shù)值模擬的方法研究烤箱模型內(nèi)部溫度特性，結(jié)果表明通過改善烤箱熱風(fēng)扇風(fēng)速、熱風(fēng)扇擋板結(jié)構(gòu)、出風(fēng)小孔位置、出風(fēng)小孔的大小和數(shù)量、上下加熱管形狀和位置等方面，可實(shí)現(xiàn)烤箱內(nèi)部溫 度均勻性的最優(yōu)化。這與 Smolka[4]等人的研究結(jié)果一致。合適 的風(fēng)扇風(fēng)速可提供充足的進(jìn)風(fēng)量，引導(dǎo)內(nèi)部氣流；背部熱風(fēng)扇擋板處都有進(jìn)風(fēng)口，改進(jìn)擋板結(jié)構(gòu)可改善進(jìn)風(fēng)口附近的流場(chǎng)分布，減少中心渦流和流動(dòng)死角區(qū)域出現(xiàn)；合適的出風(fēng)小孔的位置、大小和數(shù)量可使外界氣流和烤箱內(nèi)部氣流適時(shí)交換，減少低溫區(qū)的存在對(duì)溫度場(chǎng)分布的直接影響；加熱管是烤箱最重要的部件，它直接影響著烤箱內(nèi)部的溫度，調(diào)整加熱管位置和改進(jìn)加熱管形狀可減少烤箱相對(duì)側(cè)的強(qiáng)制熱風(fēng)的溫差。袁宏 [16]等建立的數(shù)值模擬方法分析可知烤箱內(nèi)腔靠近壁面處溫度較高，靠近烤箱門體處溫度較低，由此他提出了新的改進(jìn)方法——添加合理的徑向?qū)~結(jié)構(gòu)，通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)比研究，說明添加合理的徑向?qū)~結(jié)構(gòu)可減少風(fēng)扇出口環(huán)量，進(jìn)而消除烤箱內(nèi)部大尺度漩渦。
烤箱結(jié)構(gòu)示意圖
結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略提升溫度均勻性可能會(huì)影響烤箱的預(yù)熱 時(shí)間及爐腔內(nèi)部溫度。Christian O. [17]等人利用CFD和實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證通過在不同的加熱溫度下改變風(fēng)扇擋板的標(biāo)稱幾何形狀揭示了溫度均勻性、預(yù)熱時(shí)間與內(nèi)部溫度的差異。結(jié)果顯示最大半徑圓形案例通過提供最低的溫度均勻性，最接近設(shè)定值的溫度和最少的預(yù)熱時(shí)間來獲得烘焙的最佳特性。同時(shí)指出系統(tǒng)內(nèi)的湍流產(chǎn)生溫度均勻性但會(huì)抑制溫度上升到設(shè)置值，所設(shè)置的溫度值也會(huì)影響溫度的均勻性。
3.2.2 非結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略
溫濕度是烘焙加工過程中重要的控制參數(shù)，利用蒸汽輔助可提升烘烤效果。蒸汽輔助烤箱中蒸汽行為與溫度分 布與單純烤箱區(qū)別顯著。黃宜坤[18]等人選用Mixture 多相流 模型、標(biāo)準(zhǔn)Κ-ε湍流模型和DO輻射模型進(jìn)行了相關(guān)研究。 結(jié)果顯示提高蒸汽溫度和蒸汽噴射量均可提高腔內(nèi)溫度且有協(xié)同作用，且后者增幅更大。但是其所建立模型的仿真值在預(yù)加熱階段與溫度標(biāo)準(zhǔn)差測(cè)量值存在明顯差距。還有一 些學(xué)者研究微波烤箱內(nèi)部溫度分布特性。Combi（微波+燒 烤/烘烤）模式下，食物快速熟制并且具有良好的表面色澤及 口感。除烤箱結(jié)構(gòu)外，該場(chǎng)景影響溫度分布均勻性的關(guān)鍵因素還包括電磁場(chǎng)的分布，以及轉(zhuǎn)盤類機(jī)型的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤等，這一復(fù)雜系統(tǒng)的溫度分布研究還需要更深入地進(jìn)行。
烤箱附件包括烤盤、烤架等，其對(duì)烤箱溫度均勻性影響也相當(dāng)重要。雖然現(xiàn)實(shí)烤箱產(chǎn)品的烤盤附件形狀為矩形， 但多數(shù)研究認(rèn)為圓形器皿具有烘焙優(yōu)勢(shì)。姚靖等[19]通過建?？疾旒訜徇^程中食物的熱能分布情況和定義熱能分布均勻系數(shù)，對(duì)比不同形狀的器皿上食物的受熱均勻程度，并得 到圓形器皿為最佳選擇方案。黃嘉欣 [20]通過探究烤盤形狀對(duì)烤箱空間利用率和受熱烤盤溫度分布的影響，分析矩形烤盤四角容易烤焦的食物的原因，結(jié)合實(shí)際和假設(shè)條件提出優(yōu)化模型，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的烤盤：若只關(guān)注烤箱容納烤盤能力時(shí)，最佳烤盤是矩形；若考慮均勻受熱程度因素，最佳烤盤是圓形烤盤。
4總結(jié)與展望
相比較國(guó)外對(duì)烤箱內(nèi)部傳熱機(jī)制的深入研究，國(guó)內(nèi)研究更側(cè)重于利用數(shù)值模擬方法優(yōu)化烤箱結(jié)構(gòu)提升溫度均勻性。但總體而言，國(guó)內(nèi)外烤箱內(nèi)部溫度分布特性的研究方法及提升溫度分布均勻性的主要策略是一致的，通過仿真模擬和實(shí)驗(yàn)研究提出了包括引入強(qiáng)制對(duì)流結(jié)構(gòu)、加熱管結(jié)構(gòu)優(yōu)化、熱風(fēng)循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、溫度均勻性評(píng)估等在內(nèi)的關(guān)鍵優(yōu)化方案。此外，考慮蒸汽輔助等復(fù)雜烤箱爐腔環(huán)境、特定食物對(duì)象、特定的烘焙模式的研究也在開展，這些研究的仿真結(jié)果更趨近于實(shí)際場(chǎng)景，將為烤箱溫度分布均勻性的提升提供更科學(xué)合理的指導(dǎo)。
但就研究現(xiàn)狀來看，烤箱溫度分布特性的試驗(yàn)研究方法相對(duì)單一。雖然現(xiàn)在烤箱的研發(fā)不僅測(cè)試溫度點(diǎn)的數(shù)值，還會(huì)考察煮食效果。但是如何將溫度值與煮食效果的測(cè)試結(jié)果同步用于烤箱溫度均勻性的優(yōu)化提升依然是未來重要的研究課題。其次，相關(guān)研究的數(shù)值模型始終是仿真研究可靠的前提。氣流流場(chǎng)的均勻性對(duì)溫度場(chǎng)的均勻有很大影響。目前在模擬氣流流場(chǎng)方面，數(shù)值模型還有待進(jìn)一步改善，使其能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)氣流流動(dòng)的分布情況。并且具有典型特征的食物的烘焙模擬過程也期望能在仿真模型的幫助下得到分析。最后，烤箱溫度分布受溫度控制的影響?？鞠涞臏乜鼐哂猩郎貑蜗蛐浴⒋髸r(shí)滯性和時(shí)變，以及溫度在工作區(qū)域內(nèi)非線性變化的特點(diǎn)?？鞠錅囟确植继匦缘难芯窟€將會(huì)考慮溫度控制過程，充分地利用模糊控制、 PID溫控、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)的溫控技術(shù)手段讓烤箱溫度 分布在動(dòng)態(tài)中保持均勻性。
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