双风机系统对家用洗碗机内部气流影响研究

谭毅斌 张林峰 钟源豪 张继东

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

0 引言

随着厨房电器的发展，各式各样的厨房电器进入人们的日常生活中[1]，传统中餐的饮食习惯于使用较多碗碟，碗碟的清洗是餐后繁重的工作，耗时耗力，家用洗碗机应运而生。在洗碗机各种复杂的程序中，碗碟的干燥一直是其中比较重要的一环[2]。目前家用洗碗机常用的烘干技术，主要有余温热交换冷凝烘干、内外部换气烘干、内循环吸附式烘干等。

除了干燥性能是洗碗机性能的一项重要指标外，餐具储存往往也是一个用户所需的重要功能。在洗碗机运行完洗净程序后，可能由于排水不完全导致洗碗机内部水杯内有少量的残余水，这部分残余水会使内部湿度重新上升。若用户未能及时将机器内部餐具取出，餐具将长期暴露在内胆的潮湿环境中，从而滋生细菌影响健康。本文介绍了一种双风机干燥系统对于洗碗机内腔气流影响与改善洗碗机烘干保洁效果的研究。

1 机理分析

凝露是由于高温、高湿的气体在遇到低温物体时，当达到露点温度而在其表面液化为液体的现象[3]。空气的湿含量越大，则空气所包含的水分越多，越容易在温度相同的餐具、内胆内壁饱和析出水分，凝露形成时间更短。减少内胆内部流场和湿度的不均匀性，减少凝露现象即可优化洗碗机的干燥保洁效果。

对于气体的流动问题，其流动符合质量守恒定律。质量守恒方程可表述为：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。按照这一定律，可以得出质量守恒方程：

式中：源项Sm是从分散的二级相中加入到连续相的质量（例如由于液滴的蒸发），也可以是任何的自定义源项（无量纲数），ρ为流体密度（kg/m3），t为时间（s），xi为微元大小（m3），ui为总流速（m/s）。

洗碗机烘干阶段时，内腔的湿度变化主要由室外干燥空气的扩散引起绝对湿度的变化。两种气体的互相扩散遵循菲克定律，对于各项同性的三维扩散体系，菲克定律的方程如下：

式中：H为空气的绝对湿度（g/m3）；D为干空气和水蒸气之间的扩散系数（无量纲数）；t为时间（s）；qd为空气内部自降低项（例如由于水蒸气的冷凝）（无量纲数）。

其中，由于空气相对湿度无法直接用于计算，因此需要把相对湿度转换为干空气和湿空气的混合质量分数才能利用ANSYS FLUENT数值计算，其中计算混合气体的质量分数需要先求解混合气体的湿含量，湿含量与相对湿度的转换公式如下：

式中：d为湿含量（g/kg）；为相对湿度（%RH）；Ps为水蒸气分压力（Pa）；P为空气压力（Pa）[4]。

利用大气压、温度、相对湿度通过公式（4）求解混合湿空气的密度，利用混合气体湿含量和混合空气的密度即可推算水蒸气和干燥空气的混合质量分数代入数值模拟。

式中：ρ为混合空气密度（kg/m3）；T为空气温度（℃）[5]。

针对流场和湿度的不均匀性，可由公式（5）进行量化不均匀度kv：

式中：σv为均方根偏差，为腔内n个点的平均值。

鉴于上述论证，计算流体空间的速度场和湿度场是可行的，但由于洗碗机内腔是多异性曲面多相混合流动的复杂模型，直接计算复杂、工作量大。因此借助ANSYS软件对内腔速度场和湿度场进行仿真计算，并结合实验结果进行分析。

2 双风机干燥系统简介

相对于余温热交换冷凝烘干、内循环吸附式烘干技术，利用风机进行内外部空气交换烘干技术能置换出内腔水蒸气，有效提升干燥效果；同时避免水蒸气内部冷凝、吸附后造成内腔返潮，实现内腔较长时间的餐具储存。

单风机干燥系统通常为单排风风机干燥系统和单进风风机干燥系统。由于洗碗机内腔空间巨大，且装载大量餐具，其流场复杂，风机气流极容易被阻挡，造成流场不均匀，局部干燥效果不佳。

双风机干燥系统是利用进风风机和排风风机同步工作，进风风机把外界的干燥空气吹入洗碗机内腔，排风风机把洗碗机内腔的湿热空气抽出并排放到洗碗机外。进风口和排风口分别设置于内腔的两个对角处附近，提高内腔的速度和湿度均匀性，提高内腔的换气效率。同时，双风机干燥系统有效地解决了单进风风机造成内腔气压过高，导致蒸汽从呼吸器排出并冷凝在内腔外侧，容易引起电气故障的问题；也有效地解决了单排风风机无法附加热风干燥的问题。

3 流体仿真

3.1 数值模型建立

为简化计算，简化洗碗机内胆模型，内胆大小为543 mm×543 mm ×510 mm。假设内胆为完全密封（除两处换气口），且内胆各面均设为绝热，与外界不存在换热。餐具大小和种类按照GB/T 38383-2019[6]的内销洗碗机标准餐具建模，餐具数量为13套洗碗机标准容量，餐具摆放按照某洗碗机摆放布局，红色区域为进风口，绿色区域为出风口，如图1所示。

图1 内胆简化模型和餐具摆放

为计算内腔里空气的湿度，将内腔里的湿空气看作干空气和水蒸气的混合物，两种组分混合时应该遵守组分守恒定律和湿含量与相对湿度的转换公式（公式3和公式4）[7]。

其中对于湿空气扩散的两相流仿真模拟，其计算和结果需符合质量守恒方程（公式1）和菲克定律（公式2）。

由于洗碗机单排风系统无法附加加热模块，因此此处仅对单进风系统与双风机系统进行对比，并对模型设定特定的仿真边界条件，如表1所示。

表1 仿真的边界条件

3.2 仿真结果比对

为了能明显直观地表示两种干燥系统的干燥情况，文中图表均采用相同的单位（饱和水蒸气在内胆混合空气中所占的质量分数）。

从上述表2湿度场时间情况来分析，单风机干燥系统对内胆的干燥更快，但出现了明显的湿度难以下降的局部区域。

表2 不同仿真步数内胆湿度分布对比（图中单位：饱和水蒸气在混合空气内的质量分数）

从上述表2湿度场分布情况来分析，双风机干燥系统内胆湿度较均匀，除顶部残余少量湿空气外，无明显的高湿度区域。单风机干燥系统内胆壁面湿度降低速度较快，相比双风机系统，内胆顶部的空气湿度降低较快，但马克杯和玻璃杯等倒置的深腔体餐具内部形成了明显的湿空气滞留区，导致内胆内部湿度不均匀，降低餐具的干燥效果。

从湿度的不均匀度（方差）分析，双风机干燥系统的方差更小，表明内胆湿度分布更加均匀，这对于洗碗机餐具的烘干和保洁都更有优势。

为了更直观地观察内胆风速度流线分布，将两者进行对比如表3所示。虽然两者速度方差接近，但仍可发现双风机流线分布更均匀，表示吹风更均匀；而单风机流线出现内胆中底部（进风口附近）局部集中，内胆顶部分布较少，表示内胆顶部可能出现吹风不均匀现象。

表3 内胆稳态速度流线对比

通过内胆湿度与时间之间的变化关系：图2针对内胆水蒸气平均质量分数随时间的降低曲线分析，单风机干燥内胆下降到水蒸气质量分数40%的时间步数为3906，双风机干燥内胆下降到水蒸气质量分数40%的时间步数为2909，双风机对比单风机系统平均湿度降低加快了25.52%。

图2 内胆饱和水蒸气平均质量分数-时间变化曲线图

图3针对内胆水蒸气质量分数最大值随时间的降低曲线分析，单风机干燥系统运行4000步后，水蒸气最高质量分数为90.14%。双风机干燥系统运行4000步后，水蒸气最高质量分数为50.81%。双风机对比单风机系统内胆水蒸气最高质量分数降低了39.33%。

图3 内胆饱和水蒸气质量分数最大值-时间变化曲线图

4 实验方案及结果

通过上述仿真结果，实验采用洗碗机内部高湿度环境（40℃，99%RH），按碗篮结构摆放13套标准餐具，运行一小时保洁程序，对应仿真计算中的4000步（保洁程序是利用风机系统对内胆内部空气与外界进行置换，以达到程序运行期间内防止内胆、餐具返潮的效果）。对双风机与单风机系统进行效果比对。

从以上实验餐具进行比对（如表4所示），上层碗篮的玻璃杯由于腔体较深，内胆湿气进入后，单风机系统在保洁程序时间内，未能将杯内湿气进行有效置换而造成内腔底部冷凝，有明显的水滴。而双风机系统内的玻璃杯底部仍然保持干燥。

表4 保洁实验效果比对

5 结论

本文通过分析得出以下结论：

（1）通过建立洗碗机内部简化模型，对双风机、单风机结构分别进行仿真分析。从时间推移对比内胆湿度变化、内胆稳态后速度流线对比、内胆平均湿度-时间变化关系、内胆最高湿度-时间变化关系等多个方面分析，可以发现双风机系统对洗碗机内部湿气置换效率更高、更有效。

（2）结合实验模拟测试不同系统对湿气置换的影响，双风机系统对深腔杯子保洁干燥效果比单风机要好，单风机系统杯子内有明显水滴，所得出的实验结果基本与仿真结果一致。证明仿真分析可为干燥系统的结构优化提供理论数据支撑，同时将有利于后续的持续优化改善工作。

（3）从仿真分析与实验现象来看，双风机系统对洗碗机内胆干燥效果更有利。然而另一方面，双风机系统还有可持续研究的方向，例如双风机风口位置设置、进出风口的气流流速设定等。