Studio sull'ottimizzazione dell'uniformità della temperatura nel forno in modalità convezione forzata

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12486 (2023) Citare questo articolo

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Per studiare la distribuzione della temperatura in un forno multifunzionale e ottimizzare i parametri strutturali del forno, è stata migliorata l'uniformità della temperatura interna. Il test è stato condotto e la simulazione numerica è stata condotta in due modi. La distribuzione del campo di temperatura in ciascuno strato di forni è stata misurata in tempo reale utilizzando una termocoppia distribuita a 13 punti, ed è stato misurato e analizzato l'indice di uniformità della temperatura del forno. Il campo di temperatura all'interno del forno è stato simulato numericamente utilizzando la fluidodinamica computazionale. Hanno studiato rispettivamente gli effetti della conduzione del calore, della convezione e dell'irraggiamento e hanno scoperto la principale modalità di trasferimento del calore del forno. Inoltre, attraverso il test di misurazione della temperatura, verificare l'accuratezza del metodo di simulazione numerica. Secondo i risultati dell'esperimento e della simulazione è stato scoperto e analizzato il motivo del campo di temperatura irregolare nella struttura originale del forno. Modificando la struttura della porta del forno, regolando la distribuzione del volume dell'aria, modificando la distribuzione dell'uscita dell'aria e altre misure, migliorando notevolmente l'uniformità del campo di temperatura all'interno del forno.

Lo sviluppo di nuove tendenze di design nel mercato degli utensili da cucina è un processo dinamico, il che significa che i produttori devono sviluppare e applicare tecnologie più avanzate. Dall’ideazione all’immissione di un nuovo prodotto sul mercato, il ciclo di ricerca e sviluppo diventa più urgente. Pertanto, anche il tempo rimasto per la ricerca preliminare e il miglioramento del prodotto è relativamente breve. Ciò dimostra che il modo in cui occorre più tempo per verificare le prestazioni del forno attraverso la sperimentazione non può adattarsi gradualmente alla nuova modalità di sviluppo del prodotto oggigiorno. L'applicazione della simulazione numerica può aiutare gli sviluppatori ad accelerare il processo di sviluppo.

Con lo sviluppo dell'economia nazionale, la cottura al forno è diventata una tendenza sempre più importante nella vita quotidiana delle persone. L'uniformità della temperatura interna del forno è strettamente legata alla qualità dei prodotti da forno. Temperature interne non uniformi possono provocare una distribuzione non uniforme del calore, con conseguente colorazione insoddisfacente. Inoltre, una cottura non uniforme rende il cibo immangiabile. Per studiare l'uniformità della temperatura interna dei forni vengono utilizzati due metodi: ricerca sperimentale e simulazione al computer. La ricerca sperimentale offre il vantaggio della misurazione e dell'analisi diretta all'interno di forni reali, producendo risultati affidabili. Nel frattempo, la simulazione al computer è uno strumento prezioso per simulare simultaneamente varie condizioni. Di conseguenza, la simulazione numerica è ampiamente applicata nello studio delle caratteristiche del flusso d’aria e del trasferimento di calore all’interno dei forni.

Attualmente sono state condotte alcune ricerche sull'ambiente termico in apparecchiature simili a forni. Ad esempio, Yuan Hong et al.1 hanno utilizzato il metodo della fluidodinamica computazionale per condurre una simulazione numerica del campo di temperatura interna del forno e hanno rivelato e analizzato le ragioni del campo di temperatura non uniforme della struttura originale del forno. Lin How Chao et al.2 hanno condotto una discussione approfondita sulla distribuzione del campo di temperatura interna del forno e sul metodo del sistema di controllo della temperatura del forno. Zheng Jinlong3 ha studiato la distribuzione del calore delle teglie nel forno e ha utilizzato l'equazione di conduzione del calore di Fourier per spiegare che la distribuzione del calore delle teglie di diverse forme è diversa. Attraverso misurazioni e simulazioni numeriche CFD, Xiang Linlin et al.4 hanno studiato lo stato di distribuzione del campo di temperatura nella cavità interna di un forno incorporato e hanno proposto di migliorare l'uniformità della temperatura modificando il foro nella parte superiore del forno, il vento velocità della ventola calda, posizione del tubo di riscaldamento, struttura della ventola calda e altri metodi di ottimizzazione. Wang Jing et al.5 hanno dimostrato che quando la temperatura del cibo superava i 171 °C, la convezione diventava il metodo di trasferimento del calore dominante e hanno ottenuto un modello di forno ottimale utilizzando la simulazione numerica. Zhang Lanxin et al.6 hanno simulato il campo di temperatura interna del modello di forno in diverse modalità operative mediante simulazione numerica. I risultati della ricerca hanno mostrato che l'uniformità del campo di temperatura interna del modello di forno esistente potrebbe essere ottimizzata migliorando la struttura del forno. Gu Siyuan et al.7 hanno simulato l'influenza di varie misure di miglioramento sulla distribuzione della temperatura della cavità interna stabilendo un modello tridimensionale semplificato di forno e infine hanno ottenuto il modello ottimale di forno integrando varie misure. Yao Jing et al.8 hanno analizzato il problema del riscaldamento degli alimenti nel forno dal punto di vista del meccanismo, hanno fornito la distribuzione dell'energia termica di diverse forme tipiche degli alimenti durante il processo di riscaldamento e hanno concluso che il cerchio era la forma ottimale del recipiente attraverso il confronto . Li Baoqiang et al.9 hanno proposto un metodo di controllo basato sul PID adattivo fuzzy per il controllo della temperatura del forno di pirofillite. Stabilendo un modello di controllo fuzzy, i tre parametri del PID sono stati corretti online. Tian Songtao et al.10 hanno proposto quattro progetti migliorati per la distribuzione non uniforme della velocità in corrispondenza di ciascuna uscita dell'ugello nel modello originale. Attraverso l'analisi della simulazione, si è concluso che l'effetto di simulazione ottimale è stato ottenuto quando la camera di distribuzione dell'aria è stata progettata come un trapezio e la disposizione degli ugelli è stata migliorata per essere triangolare. Questo articolo prende come oggetto di ricerca il forno elettrico incorporato di un determinato produttore. Secondo i dati misurati di questo tipo di forno, la differenza tra il valore massimo e il valore minimo dei diversi punti di misurazione nella cavità del forno può raggiungere 10 °C o più, il che influirà sulla qualità di cottura del cibo. Al fine di migliorare le prestazioni del forno elettrico nel processo di utilizzo effettivo, questo studio attraverso la combinazione di esperimenti e simulazioni numeriche, verifica la distribuzione della temperatura della cavità del forno, in modo che la distribuzione sia uniforme.