基于Fluent的消毒柜烘干系统优化设计

朱方新

（盐城生物工程高等职业技术学校，江苏盐城 224000）

0 引言

消毒柜在生产生活领域有着广泛的应用，可实现消毒、烘干等目的。普通消毒柜在使用过程中，烘干呈现不均匀性，加上餐具本身残留水分较多，致使消毒柜进行烘干操作后柜内空气湿度增加，时间一长，柜内易产生霉变。为有效提高餐具表面和消毒柜内温度的均匀性，本文对某校用消毒柜进行系统优化。

1 烘干系统内循环优化

消毒柜内循环过程中，顶部的温度很高，可能烧坏上层放置的餐具，因而应该适当地控制。内循环主要作用在于分解臭氧，而分解效果和腔内温度存在正相关关系，因而在评价内循环效果时，主要依据的因素为腔内平均温度。本文进行内循环的优化研究，提出的改进方法为降低热源功率和加设温控器，优化如下。

1.1 光波管功率

1.1.1 分析

根据相关参考资料可知，消毒柜中的直型光波管为标准型，因而主要是对其功率参数进行调节，其可选择功率为：300 W、400 W、500 W、600 W。在实际的应用中，一般条件下低于300 W则腔内温度处于较低水平，无法满足烘干要求。而在光波管功率达到600 W及以上情况下，温度过高且热量不容易散失，而可能出现损坏问题，因而应选择合理光波管功率。

1.1.2 实验结果

原校内消毒餐柜光波管功率在600 W，进行臭氧含量检测发现，原模型内循环过程中，热源在运行15分钟后，腔内的臭氧都已分解完。

内循环主要目的在于将其中的臭氧分解，而其分解效果的主要影响因素为温度。一般情况下热源功率和腔内温度存在相关关系。根据实际的检测结果发现，在热功率400 W 时，运行20 分钟，腔内依然存留微量臭氧，而500 W 时，臭氧分解已经很彻底。因而，对校内消毒柜光波管功率应设置在500 W，这时热源功率虽然降低，但臭氧分解效果仍能达到标准。

1.2 温控器设计

1.2.1 位置选择

导流板、温控器等的位置设置情况如图1所示。

图1 温控器、V型板、导流板位置

1.2.2 温控条件下臭氧分解实验结果

控制光波管的功率为500 W，设置温控器进行温度控制，在检测到温度为393 K 时，断开热源。然后对腔内臭氧的含量进行检测，发现此条件下完全分解臭氧需要15 分钟。和原模型对比发现，这种情况下臭氧分解时间和效果相同，不过显著减少了高温热熔餐具概率。由此可判断出设置温控器可在满足臭氧分解要求基础上，使得高温风险明显下降。

2 烘干系统外循环优化

根据实验结果发现，外循环过程中，底部温度，纵向温度过大，相应的温度均匀性差，无法满足烘干一致性要求。在对外循环优化过程中应分析影响外循环温度场分布因素，对相关参数和结构情况进行研究，提出适当优化措施。

2.1 中间挡板V型夹角优化

此参数和外循环烘干效果关系很密切。原模型此夹角初始值为110°，在优化时对此参数进行调节。

设置相应的中间挡板夹角为 100°，110°，120°，130°，在此条件下检测腔体内温度分布情况，确定出一定温度区间内的温度云图。结果发现这几个角度条件下，底部高温区依然存在，最小为120°时的。各出口流量变化如表1 所示，在角度改变后，高温区的范围也大幅度改变，夹角参数和出口的流量分配存在密切关系。

2.2 导流板设置

导流板的主要作用在于控制腔内流线的路径，可以通过其提高底部气体流通的稳定性，从而改善温度分布情况。这种情况下，底部气流绕着底面和前面环绕流动，均匀性提高。检测发现优化后餐具表面温度分布性能明显改善，最高温度明显降低。统计分析确定出平均温度、温差等相关参数，所得结果如表2所示。

根据表2 结果可知，靠近底部出口区的温度最高，在优化过程中为降低此区域的温度，而设置适当大小的导流板。可以通过其对气流路径进行合理控制，扩大底部高温区面积，一直到整个底部区，使得温差减小。分析表2 结果可看出，设置导流板后，温度降低幅度最大达到11.8%，温度差降幅43.8%，而和原模型相比，均匀性系数增加42.6%，由此分析可知设置导流板可起到很好的效果。

2.3 热源功率和入口速度参数优化

根据优化目标对原模型的相关参数进行调节，如调节直流风机的风速等。本文在优化过程中，设置热源功率400 W和500 W，风机的流速最大值为4.9 m/s。为尽可能降低噪音干扰，设置相应的稳定流速为3 m/s。对所得结果进行统计处理，如表3所示。

表1 各出口流量变化

表2 模型优化前后对比

表3 不同功率风速状态下平均温、最值温度、温差结果

根据表3结果可知，a，b中最高温度过高，相应的温差很明显，很容易导致餐具损坏问题。入口速度较低情况下，局部温度较高，且温度均匀性下降，因而不满足实际的应用要求。对比c，d，e，f 结果发现，这几种参数条件下入口流速一致时，温度变化区间为345～360 K，和实验所得结果基本上相符合。且100 W的热源条件下，对应的平均温度差10 K，温度均匀性也基本合理。e和f的结果说明，改变热源功率后，即使流速处于较高水平，温差依然不明显。

综上所述，在功率一致情况下，光波管的功率为400 W 时，餐具表面温度一致性更高，不过平均温度有一定幅度降低。因而设置过程中为提高烘干速度，应该对平均温度进行合理控制。应该控制腔内温度至少348 K，综合分析功率选择500 W。入口速度提高情况下，相应的温度均匀性也提高，对比结果表明V=3 m/s 的均匀性处于最高水平，因此参数应设置为热源功率500 W,入口流速3 m/s。

3 结语

本文对某学校消毒柜进行了优化研究，首先降低热源功率，结果发现这种情况下臭氧分解时间延长，且难以完全分解。然后设置温控器，通过热源通断而控制顶部温度最高不超过393 K，这种条件下臭氧分解效果基本不变，而顶部温度也处于合理范围，从而有效解决顶部高温问题。本文在进行优化时，对中间挡板V 型板夹角进行调节，且在底部设置一个导流板，进行对比分析发现夹角120°时，可很好地满足温度均匀性要求。最终在设置导流板和保持夹角为120°条件下进行对比分析，确定出腔内温度均匀性最优时功率和风速参数，结果表明在热源功率为500 W，入口流速为3 m/s条件下，均匀性达到最高水平，相应的均匀性系数增幅为69.1%。