家用烤箱温度分布特性研究进展

陶敏 吴亮宏 鲍鑫

惠而浦（中国）股份有限公司 安徽合肥 231283

随着主食厨房革命逐渐深化，烘焙文化流行，烘焙及烘焙食品得以普及化、大众化，这一趋势带动了家用烤箱品类市场呈现强劲涨势。据相关资料显示，2017年嵌入式烤箱市场规模已达到20.7亿元。

一款受欢迎的家用烤箱产品，不仅仅要有创新的造型和舒适的用户交互，更重要的是能够轻松地烘焙出色香味俱全的食物，带来良好的烹饪体验。这其中关键的影响因素之一是烤箱内部的温度均匀性。烤箱内部温度不均匀，烤制的食物会出现冷热不均、生熟不均的现象，影响食物的感官特性，甚至会因食品卫生的问题而影响人体健康。换句话说，烤箱内部温度分布特性直接影响着烤制食物的品质。基于此，相关研究得以开展并不断深入。

烤箱作为一个热容系统，具有大惯性和大滞后的特点，而且它所加工的食物种类及物性也千差万别。不同烤箱内部温度分布特性相差较大，温度分布不均匀的成因也相当复杂。本文旨在梳理近年来国内外烤箱内部温度分布的研究进展，对比分析各自的研究思路和研究内容，从而挖掘出提升烤箱内部温度分布均匀性的策略及发展趋势，以期为改善烤箱温度均匀性提供新的方向，为高品质烤箱产品的开发提供设计参考。

1 家用烤箱组成与加热模式

实际上，烤箱是热处理生产中应用最广的加热设备，电流通过电热元件产生热量，借助辐射和对流的传递方式，将热量传递给所要加热的物品，使其加热到所要求的温度。普通家用电烤箱自2013年开始迅速发展，产品包括台面式小烤箱和嵌入式烤箱，主要由箱体、箱门、电热元件、控制系统、电器件和烹饪附件等组成，如图1示例（1-控制面板；2-风扇；3-后部加热元件；4-箱门；5-底部加热元件；6-顶部加热元件）。现代家用电烤箱通过温度传感器控制炉腔温度，可以设置高低温，还可以控制焦酥程度及通过食物探针测量食物温度控制炉腔运行。

烤箱电热元件多采用金属加热管，具有机械强度高、寿命长、绝缘性能高、表面温度分布不均匀度低等特点。烤箱加热管设置通常包括顶部加热管、底部加热管，可实现烧烤加热模式和自然对流加热模式。通过在后部加热管处增加风扇及电机组件，实现强制对流加热模式。通过设置多个后部加热管或侧部加热管实现分区加热模式。表1列举了几种烤箱典型的加热模式。传统的自然对流加热模式依赖于流体密度的变化，由流体自身温度场不均匀引起的流动来实现；热风对流模式及强制对流模式，主要是利用循环风扇的旋转作用来带动烤箱内部空气流动，从而实现烤箱内部空气循环。

2 烤箱温度分布研究方法

目前，烤箱温度场分布的研究方法主要包括试验研究和计算流体力学（CFD）数值模拟两种。

2.1 试验研究

试验研究通常根据烤架位置选择上、中、下三层为参考面，每一测试层采用3×3分布式布置9个测点，动态测量烤箱各层温度的分布，如图2所示。该方法易受试验条件和测试过程影响，测试时间较长。该方法一方面用于验证烤箱品质，另一方面则用于验证数值模拟的结果。

2.2 数值模拟研究

CFD数值模拟作为一种仿真工具，具有速度快、花费少、可多工况模拟的特点，被广泛用于研究烤箱内部流体力学特性和传热特性，与烘焙系统优化紧密相联。其计算方法丰富，包括有限差分法、有限体积法、有限元法、基于粒子的算法（BGK）及无网格算法等等，其中以有限元法和有限体积法应用较多。可选的商用计算软件包括FLUENT、CFX、STAR-CD /CCM+、PHOENICS、XFlow等。

数值模拟研究的前提是建立与实际相吻合的仿真模型。实际建模过程中，所要选择的子模型和各种条件参数对模型的可靠性和能否模拟真实情况至关重要。只有强鲁棒性的模型才可以为温度分布的研究提供有力的证据支持。

烤箱温度分布特性研究的模型建立需要考虑设置合适的网络分格、边界条件和求解控制，选择合适的湍流模型、辐射模型、多相流模型等。随着研究深入，采用三维仿真模型进行分析相比二维模型更多。Verboven[1,2]等建立包含连续性方程、动量方程、能量方程和标准k-ε模型在内的CFD模型，模拟空气强制

对流烤箱中的温度分布，实际测得的腔内温度结果与模拟平均温度基本吻合，最大误差为4.6℃。随后，其还引入风机模型和湍流模型模拟腔内气流流场，并通过实际测得数据进行验证，分析发现风压、风机漩流和烤箱的几何尺寸对模拟结果影响很大，但由于湍流模型的局限性和网格划分的问题，模拟与实测数据存在22%的平均误差。Mistry[3]等开发了一个三维时间相关的数值模型，用于模拟非稳态自然对流烤箱的热传递过程。将加热元件的边界条件设置为体积热源，通过应用时间相关仿真，成功地模拟了加热元件的开关。在强制对流炉中，他们能够预测实验值4%范围内的温度场。当上部加热元件采用红外加热管时，模拟和实验结果之间的差异是10%。Smolka[4]等则建立包括传热模式、温度相关的空气特性和外腔的热传递系统等参数的CFD仿真模型分析强制对流烤箱中气流流动与传热过程，结果与实验数据高度吻合，并根据计算提出改变加热器位置、风扇和风扇挡板等措施提高烤箱内温度的分布均匀性。Chhanwal[5]等研究对比分析了三种辐射模型：离散传输辐射模型（DTRM）、表面辐射模型（S2S）、离散坐标辐射模型(DO)均有良好的精度。与S2S模型相比，DO模型还考虑中间介质对传热的影响。因此，烤箱内部面包烘烤模型最终选用DO辐射模型以研究其温度分布曲线，且通过试验方法验证了数值模拟结果。Boulet[6]等采用k-ε可实现模型研究面包烤箱，该模型预测结果与实验测量值具有良好的一致性。Khatir[7,8]等在研究工业直接加热喷管式烤箱时，考虑了强制对流炉内气流在喷嘴区域处于高度湍流形式，建立了联合RANS湍流模型和现实的边界条件的CFD模型并进行了试验验证，结果显示此模型可为研究高速撞击气流的强制对流烤箱提供有价值数据。在研究带面包的小型强制对流烤箱内部空气流动及温度的分布时，模拟结果显示边界条件的设置和流动模型的选择对模拟烤箱温度有较大影响。

图1 烤箱结构示意图

图2 烤箱内部温度测试点分布图

表1 烤箱常见加热模式

3 烤箱温度分布研究内容

3.1 传热机制研究

近年来，国外很多学者利用数值化模拟方法研究家用烤箱的热传递现象[5-9]，发现其内部传热主要为辐射传热与对流传热。

首先考虑烤箱加热的自然对流的过程。他们认为，在使用自然对流烘烤法时，辐射是传热的主要机制。Mistry[7]等模拟研究的非稳态自然对流烤箱的热传递过程结果表明加热元件的辐射率对烤箱炉腔温度场的影响高于炉腔壁的辐射率。

其次，有不少学者通过建模研究了强制对流的传热机制[5,6,10]。Chhanwal[9]等研究一种电加热烤面包烤箱的CFD模型，结果显示辐射是热传递的主导机制。Boulet[10]等研究通过对瞬态烤箱的热传递模拟研究，发现烤箱内部气体流速为低速时，热量传递方式以辐射传热为主。同一烤箱具有多种加热模式。不同加热模式下烤箱内部温度特性不同。王璟[11]等人则研究了某烤箱强制对流模式下不同工作阶段烤箱内部的传热机理，通过计算热量交换，分析了烤箱内部加热过程各阶段的主要换热方式。结果显示食物温度约170℃以下，传热方式以辐射为主导，持续约10min。超过170℃，对流成为主导的换热方式。值得注意的是，该研究还阐明了在不同模式下经一定的时间建立起稳态后，烤箱内壁面温度、空气温度及加热管温度都是相同。即虽然加热模式不同，但最后达到的稳定状态都是一样的，不同的是建立稳态的过程，以及辐射和对流转换的温度点。

此外，也有学者模拟研究了食物辐射与炉腔温度场的关联性。Rek[12]等研究认为短面包的辐射率对炉腔温度场的数值模拟结果没有显著影响，这是由于进入炉腔的入口温度恒定而导致的结果。Mena Ciarmiello[13]等建立一种基于有限体积法的Neapolitan披萨电烤箱的3D CFD模型，仿真研究包括披萨在内的烤箱热状况。披萨被设为一个具有恒定密度的均一的固体物质，不考虑面团水分含量和水分蒸发。将披萨置于炉内，在烹调前90s，烹调床的温度会降低，温度降低值主要受墙辐射率的影响，而圆顶内壁平均温度则主要受披萨的热辐射率影响。披萨热辐射率和墙热辐射率的差异并不会显著影响披萨烹调过程中的平均温度。这一研究也被认为是进一步深入研究烤箱温度控制的基础。

3.2 烤箱温度均匀性优化研究

3.2.1 结构优化策略

国内烤箱温度分布的相关研究多集中在利用CFD模拟仿真指导烤箱结构优化。多项研究[11,14,15]均通过数值模拟的方法研究烤箱模型内部温度特性，结果表明通过改善烤箱热风扇风速、热风扇挡板结构、出风小孔位置、出风小孔的大小和数量、上下加热管形状和位置等方面，可实现烤箱内部温度均匀性的最优化。这与Smolka[4]等人的研究结果一致。合适的风扇风速可提供充足的进风量，引导内部气流；背部热风扇挡板处都有进风口，改进挡板结构可改善进风口附近的流场分布，减少中心涡流和流动死角区域出现；合适的出风小孔的位置、大小和数量可使外界气流和烤箱内部气流适时交换，减少低温区的存在对温度场分布的直接影响；加热管是烤箱最重要的部件，它直接影响着烤箱内部的温度，调整加热管位置和改进加热管形状可减少烤箱相对侧的强制热风的温差。袁宏[16]等建立的数值模拟方法分析可知烤箱内腔靠近壁面处温度较高，靠近烤箱门体处温度较低，由此他提出了新的改进方法——添加合理的径向导叶结构，通过试验和数值模拟对比研究，说明添加合理的径向导叶结构可减少风扇出口环量，进而消除烤箱内部大尺度漩涡。

结构优化策略提升温度均匀性可能会影响烤箱的预热时间及炉腔内部温度。Christian O.[17]等人利用CFD和实验验证通过在不同的加热温度下改变风扇挡板的标称几何形状揭示了温度均匀性、预热时间与内部温度的差异。结果显示最大半径圆形案例通过提供最低的温度均匀性，最接近设定值的温度和最少的预热时间来获得烘焙的最佳特性。同时指出系统内的湍流产生温度均匀性但会抑制温度上升到设置值，所设置的温度值也会影响温度的均匀性。

3.2.2 非结构优化策略

温湿度是烘焙加工过程中重要的控制参数，利用蒸汽辅助可提升烘烤效果。蒸汽辅助烤箱中蒸汽行为与温度分布与单纯烤箱区别显著。黄宜坤[18]等人选用Mixture 多相流模型、标准Κ-ε湍流模型和DO辐射模型进行了相关研究。结果显示提高蒸汽温度和蒸汽喷射量均可提高腔内温度且有协同作用，且后者增幅更大。但是其所建立模型的仿真值在预加热阶段与温度标准差测量值存在明显差距。还有一些学者研究微波烤箱内部温度分布特性。Combi（微波+烧烤/烘烤）模式下，食物快速熟制并且具有良好的表面色泽及口感。除烤箱结构外，该场景影响温度分布均匀性的关键因素还包括电磁场的分布，以及转盘类机型的旋转转盘等，这一复杂系统的温度分布研究还需要更深入地进行。

烤箱附件包括烤盘、烤架等，其对烤箱温度均匀性影响也相当重要。虽然现实烤箱产品的烤盘附件形状为矩形，但多数研究认为圆形器皿具有烘焙优势。姚靖等[19]通过建模考察加热过程中食物的热能分布情况和定义热能分布均匀系数，对比不同形状的器皿上食物的受热均匀程度，并得到圆形器皿为最佳选择方案。黄嘉欣[20]通过探究烤盘形状对烤箱空间利用率和受热烤盘温度分布的影响，分析矩形烤盘四角容易烤焦的食物的原因，结合实际和假设条件提出优化模型，设计出最优的烤盘：若只关注烤箱容纳烤盘能力时，最佳烤盘是矩形；若考虑均匀受热程度因素，最佳烤盘是圆形烤盘。

4 总结与展望

相比较国外对烤箱内部传热机制的深入研究，国内研究更侧重于利用数值模拟方法优化烤箱结构提升温度均匀性。但总体而言，国内外烤箱内部温度分布特性的研究方法及提升温度分布均匀性的主要策略是一致的，通过仿真模拟和实验研究提出了包括引入强制对流结构、加热管结构优化、热风循环结构设计、温度均匀性评估等在内的关键优化方案。此外，考虑蒸汽辅助等复杂烤箱炉腔环境、特定食物对象、特定的烘焙模式的研究也在开展，这些研究的仿真结果更趋近于实际场景，将为烤箱温度分布均匀性的提升提供更科学合理的指导。

但就研究现状来看，烤箱温度分布特性的试验研究方法相对单一。虽然现在烤箱的研发不仅测试温度点的数值，还会考察煮食效果。但是如何将温度值与煮食效果的测试结果同步用于烤箱温度均匀性的优化提升依然是未来重要的研究课题。其次，相关研究的数值模型始终是仿真研究可靠的前提。气流流场的均匀性对温度场的均匀有很大影响。目前在模拟气流流场方面，数值模型还有待进一步改善，使其能准确地预测气流流动的分布情况。并且具有典型特征的食物的烘焙模拟过程也期望能在仿真模型的帮助下得到分析。最后，烤箱温度分布受温度控制的影响。烤箱的温控具有升温单向性、大时滞性和时变，以及温度在工作区域内非线性变化的特点。烤箱温度分布特性的研究还将会考虑温度控制过程，充分地利用模糊控制、PID温控、神经元网络等先进的温控技术手段让烤箱温度分布在动态中保持均匀性。