烤箱内部温度场分布与温度控制仿真优化

林吼潮，陈安资

烤箱内部温度场分布与温度控制仿真优化

林吼潮，陈安资

（广东万和新电气股份有限公司，广东顺德，528305）

为实现家用多功能烤箱工艺与温度控制方法的进一步优化，首先建立烤箱模型，进行传热机理研究；其次结合传热机理，对烤箱内部温度场分布以及烤箱温度控制系统方法进行深入探讨。结果表明：出风小孔、热风扇风机转速和背部热风扇挡板结构优化对烤箱内部温度场分布起到至关重要作用；神经网络法和模糊PID控制法是烤箱温度控制的两种行之有效的方法。研究课题对于实际家用烤箱的温度场设计及温度控制措施具有理论指导作用。

烤箱；温度场；传热；控制；神经网络法；模糊PID控制法

引言

八十年代初，多功能熏/蒸/烤箱等（以下简称烤箱）是第一批引进的西式肉制品加工设备。随着人们生活水平不断提升，家庭中也出现各种各样的熏/蒸/烤箱，其功能丰富，不仅可以烟熏、发色、干燥，还可以实现烘烤、蒸煮、清洗等多种功能。这些设备引入国内后，市场需求快速增长，但工艺、控制方法和功能要求等还需要提升。因此亟待对家用烤箱的温度影响因素加以分析和优化，以更好地实现多功能控制，提升产品性价比[1-6]。

基于此，本文通过传热机理分析，对烤箱内部温度场分布和温度控制仿真优化方法进行了深入探讨。

1　烤箱系统介绍

烤箱模型的设计结构如图1所示。内胆中后方、上方及侧面各设有加热装置，经由仪表放大器对信号进行处理。同时，基于提升烤箱内部空气循环效率的考虑，于箱体后方位置设置热风机，箱体上方开通风孔。

综合考虑该烤箱主要结构，如上部加热管、背部加热管、下部加热管、热风扇，以及贯流风扇的启停对烤箱整体工作性能的影响，通过对三个部位的加热管、热风扇以及贯流风扇等进行控制，可实现烤箱系统的不同工作模式。烤箱内部气流组织满足稳态三维不可压缩湍流流动，系统内部热力学描述如下：

依据拉普拉斯变换计算 ，得到

考虑到目前国内烤箱尚存在温度场分布不均匀以及温度控制精度较低等问题，严重影响了烤制品品质，故需结合有关理论分析和模型，全面探讨其传热机理，研究并提出烤箱内部温度场优化设计，以及控制优化的措施。

2　传热机理研究

在烤箱加热烘烤阶段，由于管段的截面面积相比壁面面积小得多，因此忽略加热管的辐射换热量。同时，考虑到空气中主要气体成分为辐射、吸收能力较弱的氧气、氮气，故空气与壁面间的辐射换热量亦可忽略。为简化分析计算，同时又不至于对分析结果产生较大影响，采取以下假设：（1）箱体内部空气流为速度场、温度场分布均匀的活塞流；（2）箱体壁面温度场均匀分布。

工作状态：烤箱上部加热管、背部加热管、下部加热管、热风扇以及贯流风扇等设备全部开启模式下。，此时由加热管电加热作用提供热源，且依靠贯流风机及热风扇的扰动作用，加热管通过辐射换热、对流换热等作用，使得烤箱内空气温度循环流动且温度升高，通过空气与食物间的对流辐射作用对食物起到加热烘烤作用，其内部传热机理分析计算如下：

加热管全部处于开启状态，在加热管的对流辐射换热作用以及风机的循环作用下，箱体空气温度与食物温度处于相一致的平衡状态。选取该状态进行壁面、定性等温度计算，可查得物性参数。

2.3 超声微泡造影剂携RPM对PCNA的mRNA及蛋白表达影响 PCNA 的mRNA 表达产物校正后分析，对照组、RPM组和超声微泡造影剂携RPM组统计结果用±s表示：分别为219.31±7.21，147.32±10.27和97.17±8.79，两两比较RPM组和超声微泡造影剂携RPM组两组与对照组之间存在显著差异(P<0.05)，同时超声微泡造影剂携RPM组也明显低于RPM组。使用Westernblot检测T24 细胞PCNA蛋白的表达量，结果表明在RPM和超声微泡造影剂携RPM作用细胞24 h后，两组细胞的PCNA蛋白的表达量明显下降(图2)。

壁面温度：

空气温度：

定性温度：

进而查得物性参数如下：

2.1对流换热量计算

依据流体外略平板对流换热模型进行分析计算，依据x位置处雷诺数表达式：

由实测数据分别算得箱体内部流场的平均风速以及对流换热平均板长，可算得x位置处的雷诺数。代入局部对流换热系数经验公式：

计算对流换热系数，再依据对流换热量计算公式

2.2辐射换热量计算

根据小物体对大空间的辐射公式

其中，黑体辐射常数取为5.67×10-8，再将烤箱内表面积A2与食物表面积A1代入式（13），即可算得该状态下辐射换热量。经实践计算，由于该状态下食物与箱体壁面间温差较小，对流换热量起着主导换热的作用。

3　温度场分布优化

结合传热机理，本文从三个方面对温度场分布进行优化：

（1）出风小孔优化。作为箱体内外部气流交换的主要通道，顶部出风小孔位置的设置应防止内部热气流通过时形成短路，造成箱门附近区域温度较低。据相关模拟分析结果表明，小孔内移可有效改善温度场分布的均匀性，降低箱体上中下三层的温度方差值，相对于现有烤箱温度场分布改善效果更好；

（2）热风扇风机转速优化。由于对流换热强度和风速正相关，热风扇风机转速的提升有利于增大对流换热强度，进而使得空气与壁面间，以及食物与空气间的换热强度增大，换热充分，温度场更易达到稳定均匀，避免局部换热效果差产生低温区；

（3）背部热风扇挡板结构优化。对于现有的烤箱结构分析数据表明，仅靠背部挡板侧边的两个小口进风并不利于空气与壁面以及食物间的高效对流换热作用，以及温度场分布均匀性的实现。故在原有烤箱基础上，对于背部热风扇挡板结构优化如下：从利于空气对流的角度考虑，增加背挡板四周的细长狭缝进风，直角形状的凸起改为30°的斜坡。

4　温度控制系统优化

4.1神经网络法

基于神经网络对烤箱温度控制优化的系统结构如图2所示：

图2　基于神经网络对烤箱温度控制优化的系统结构图

其中，N、DN分别为标准化模块、解标准化模块。在标准化输入输出变量控制条件下，其神经网络主要模块组成分为输入层、隐含层和输出层三个层次，各层次节点设置如下：

（1）输入层包含6个节点：t-1时刻系统控制电位uN(t-1)；t与t+1时刻控制电位差值ΔuN(t) = uN(t)-uN(t-1)；仪表放大器输出电位yN(t)、yN(t+1)及其差值ΔyN(t) = yN(t)-yN(t+1)等；

（2）隐含层含有7个节点，应用对数S型激活函数；

（3）输出层仅含1个节点，即输出变量为t时刻的控制电压变化量。

4.2模糊PID控制法

基于模糊PID控制的烤箱温度控制优化是指综合模糊技术与常规的PID控制算法进行烤箱温度控制的优化系统。该方法依据PID的微分、积分以及比例控制作用得到满意的控制效果。模糊PID控制器的控制作用实现需对开关量的控制进行不断优化。模糊PID控制后，系统上升时间相当于单纯的模糊控制算法和单纯的PID控制算法有所减少；从烤箱温度控制系统的模糊PID控制器的设计过程来看，基本上实现了有经验的操作人员的控制过程模拟，不依赖对象的模型就可进行控制决策，而不是像传统的PID控制算法，必须依赖理想化、简单化的模型来进行控制。将模糊控制和PID控制结合使用，改善了温度控制系统动态性能，增强了抗干扰能力，有效抑制和降低了烤箱温度控制系统中的干扰。

5　结语

本课题基于烤箱内部传热机理分析，进行了温度场分布均匀性、高精度温控系统的实现方法研究。经过一段时间的运行试验，取得了良好效果，达到了最初的设计需求，也满足了我国家庭对烤箱多功能、高品质的应用需求。

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Simulation and Optimization on Temperature Field Distribution and Temperature Control of Oven Inside

LIN Hou-chao, CHEN An-zi
(Guangdong Vanward New Electric Co., Ltd., Shunde, Guangdong, 528305, China)

In order to realize the further optimization on process and temperature control method of multifunctional oven, first, study on heat transfer mechanism based on establishment of oven model is put forward. Then, deep discussion on simulation and optimization on temperature field distribution and temperature control combined with heat transfer mechanism are conducted. Results show that, optimizations of outflow air hole, rotational speed of heater fan engine, and backside damper structure of heater fan play an essential role for distribution of temperature field; neutral network and fuzzy PID control are two feasible approaches for temperature control of oven inside. This research issue is a theoretical guidance for design of temperature field and measure of temperature control for domestic ovens.

Oven; Temperature Field; Heat Transfer; Control; Neutral Network; Fuzzy PID Control

TH122

A

2095-8412 (2016) 05-885-03工业技术创新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.015

[5]机理分析[J]. 节能技术, 2006, 24(5): 402-404, 10.3969/ j.issn.1002-6339.2006.05.005

林吼潮(1985-)，男，汉族，广东普宁人，工程师，大学本科。研究方向：家用烤箱产品研发。

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