Studie zur Optimierung der Temperaturgleichmäßigkeit im Ofen im erzwungenen Konvektionsmodus

Jul 12, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12486 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Um die Temperaturverteilung in einem Multifunktionsofen zu untersuchen und die Strukturparameter des Ofens zu optimieren, wurde die Gleichmäßigkeit der Innentemperatur verbessert. Der Test wurde durchgeführt und die numerische Simulation wurde auf zwei Arten durchgeführt. Die Verteilung des Temperaturfelds in jeder Ofenschicht wurde in Echtzeit mithilfe eines verteilten 13-Punkt-Thermoelements gemessen, und der Gleichmäßigkeitsindex der Ofentemperatur wurde gemessen und analysiert. Das Temperaturfeld im Ofen wurde mithilfe der numerischen Strömungsmechanik numerisch simuliert. Untersuchte die Wärmeleitungs-, Konvektions- und Strahlungseffekte und ermittelte den Hauptwärmeübertragungsmodus des Ofens. Überprüfen Sie außerdem durch den Test der Temperaturmessung die Genauigkeit der numerischen Simulationsmethode. Den Ergebnissen des Experiments und der Simulation zufolge wurde der Grund für das ungleichmäßige Temperaturfeld in der ursprünglichen Struktur des Ofens aufgedeckt und analysiert. Durch die Änderung der Struktur der Ofenheckklappe, die Anpassung der Luftvolumenverteilung, die Änderung der Verteilung des Luftauslasses und andere Maßnahmen wird die Gleichmäßigkeit des Temperaturfelds im Ofeninneren erheblich verbessert.

Die Entwicklung neuer Designtrends auf dem Markt für Küchengeräte ist ein dynamischer Prozess, was bedeutet, dass Hersteller fortschrittlichere Technologien entwickeln und anwenden müssen. Von der Ideenfindung bis zur Markteinführung eines neuen Produkts wird der Forschungs- und Entwicklungszyklus immer dringlicher. Daher ist auch die verbleibende Zeit für Vorforschung und Produktverbesserung relativ kurz. Dies zeigt, dass die Art und Weise, wie mehr Zeit erforderlich ist, um die Ofenleistung durch Experimente zu überprüfen, heutzutage nicht mehr an die neue Art der Produktentwicklung angepasst werden kann. Der Einsatz numerischer Simulation kann Entwicklern dabei helfen, den Entwicklungsprozess zu beschleunigen.

Mit der Entwicklung der Volkswirtschaft hat sich das Backen im Ofen zu einem immer wichtigeren Trend im täglichen Leben der Menschen entwickelt. Die Gleichmäßigkeit der Ofeninnentemperatur hängt eng mit der Qualität der Backwaren zusammen. Ungleichmäßige Innentemperaturen können zu einer ungleichmäßigen Wärmeverteilung und damit zu einer unbefriedigenden Färbung führen. Darüber hinaus macht ungleichmäßiges Garen das Essen ungenießbar. Zur Untersuchung der internen Temperaturgleichmäßigkeit von Öfen werden zwei Methoden eingesetzt: experimentelle Forschung und Computersimulation. Experimentelle Forschung bietet den Vorteil der direkten Messung und Analyse in echten Öfen und liefert zuverlässige Ergebnisse. Mittlerweile ist die Computersimulation ein wertvolles Werkzeug zur gleichzeitigen Simulation verschiedener Bedingungen. Daher wird die numerische Simulation häufig bei der Untersuchung der Luftströmungs- und Wärmeübertragungseigenschaften in Öfen eingesetzt.

Derzeit gibt es einige Untersuchungen zur thermischen Umgebung in ofenähnlichen Geräten. Beispielsweise verwendeten Yuan Hong et al.1 die Methode der numerischen Strömungsmechanik, um eine numerische Simulation des internen Temperaturfelds des Ofens durchzuführen, und identifizierten und analysierten die Gründe für das ungleichmäßige Temperaturfeld der ursprünglichen Struktur des Ofens. Lin How Chao et al.2 führten eine ausführliche Diskussion über die Verteilung des internen Temperaturfelds des Ofens und die Methode des Ofentemperaturkontrollsystems. Zheng Jinlong3 untersuchte die Wärmeverteilung von Backblechen im Ofen und nutzte die Fourier-Wärmeleitungsgleichung, um zu erklären, dass die Wärmeverteilung von Backblechen unterschiedlicher Form unterschiedlich ist. Durch Messung und numerische CFD-Simulation untersuchten Xiang Linlin et al.4 den Verteilungsstatus des Temperaturfeldes im inneren Hohlraum eines eingebetteten Ofens und schlugen vor, die Temperaturgleichmäßigkeit durch Veränderung des Lochs in der Oberseite des Ofens und des Windes zu verbessern Geschwindigkeit des Heißgebläses, die Position des Heizrohrs, die Struktur des Heißgebläses und andere Optimierungsmethoden. Wang Jing et al.5 zeigten, dass Konvektion zur vorherrschenden Wärmeübertragungsmethode wurde, wenn die Lebensmitteltemperatur über 171 °C anstieg, und erhielten mithilfe numerischer Simulation ein optimales Ofenmodell. Zhang Lanxin et al.6 simulierten das interne Temperaturfeld des Ofenmodells unter verschiedenen Betriebsmodi mittels numerischer Simulation. Die Forschungsergebnisse zeigten, dass die Gleichmäßigkeit des internen Temperaturfeldes des bestehenden Ofenmodells durch eine Verbesserung der Ofenstruktur optimiert werden konnte. Gu Siyuan et al.7 simulierten den Einfluss verschiedener Verbesserungsmaßnahmen auf die Temperaturverteilung im Innenhohlraum, indem sie ein dreidimensionales vereinfachtes Ofenmodell erstellten und schließlich durch die Integration verschiedener Maßnahmen das optimale Ofenmodell erhielten. Yao Jing et al.8 analysierten das Problem des Erhitzens von Lebensmitteln im Ofen aus der Perspektive des Mechanismus, stellten die Wärmeenergieverteilung mehrerer typischer Lebensmittelformen während des Erhitzungsprozesses bereit und kamen durch Vergleich zu dem Schluss, dass der Kreis die optimale Form des Gefäßes darstellte . Li Baoqiang et al.9 schlugen eine auf Fuzzy-adaptiver PID basierende Regelungsmethode für die Temperaturregelung von Pyrophyllitöfen vor. Durch die Etablierung eines Fuzzy-Regelmodells wurden die drei Parameter der PID online korrigiert. Tian Songtao et al.10 schlugen im Originalmodell vier verbesserte Designs für die ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung an jedem Düsenauslass vor. Durch Simulationsanalyse kam man zu dem Schluss, dass der optimale Simulationseffekt erzielt wurde, wenn die Luftverteilungskammer trapezförmig gestaltet und die Düsenanordnung so verbessert wurde, dass sie dreieckig ist. In dieser Arbeit wird der eingebettete Elektroofen eines bestimmten Herstellers als Forschungsobjekt verwendet. Den Messdaten dieses Ofentyps zufolge kann der Unterschied zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Wert verschiedener Messpunkte im Ofenraum 10 °C oder mehr erreichen, was sich auf die Backqualität von Lebensmitteln auswirkt. Um die Leistung des Elektroofens im tatsächlichen Nutzungsprozess zu verbessern, wird in dieser Studie durch die Kombination von Experiment und numerischer Simulation die Temperaturverteilung im Ofenraum überprüft, sodass die Verteilung gleichmäßig ist.

Zur Validierung des etablierten numerischen Modells und zur Beurteilung der Randbedingungen wurden experimentelle Messungen durchgeführt. Die Prüfnormen für die Ofenbackleistung beziehen sich auf EN 60350-1. Die Prüfung gliederte sich in zwei Schritte. Zunächst wurde die Heizleistung des leeren Ofens gemessen und Temperaturdaten zum Vergleich mit den simulierten Daten aufgezeichnet. Anschließend wurde der Ofen während des Backens getestet und Temperaturdaten sowie die Bräunung der Lebensmittel aufgezeichnet. Die Tests umfassten Temperaturmessungen und -aufzeichnungen während des Backvorgangs sowie die Bräunung der Oberfläche nach dem Backen. Für den Test wurde ein auf einem Backblech gebackener Kuchen ausgewählt, da er einen guten Indikator für die Backleistung des Ofens darstellt. Konstruktionsfehler im Backofen, wie z. B. ungleichmäßige Temperatur- oder Strahlungsverteilung, spiegeln sich in der Bräunung des Kuchens wider. Um die tatsächliche Temperaturverteilung im Ofenraum zu untersuchen, wurden Temperaturmessungen an der Zwischenfläche des Ofens durchgeführt. Dreizehn Messpunkte waren gleichmäßig auf der Zwischenfläche verteilt, wie in Abb. 2 dargestellt. Als Prüfgerät diente ein Datenerfassungssystem Agilent 34972A, das Daten mit einer Frequenz von 1 s aufzeichnete. Der Messbereich betrug 0–800 °C mit einer Genauigkeit von 0,1 °C.

Während des Backvorgangs wurde der Temperaturverlauf des Ofens von Raumtemperatur bis zur eingestellten Temperatur über die Zeit aufgezeichnet. Die Temperaturverteilung wurde auf einer Ebene parallel zum Boden gemessen, die sich 140 mm darüber befand. Durch gleichmäßige Verteilung von 13 Temperatursensoren im Raum wurden die Durchschnittstemperatur und die Standardabweichung auf dieser Ebene ermittelt. Das Experiment nutzte eine 220-V-Wechselstromversorgung, die von einem Spannungsregler mit einer Frequenz von 50 Hz bereitgestellt wurde. Spannung, Strom, Leistung und Verbrauch wurden mit einem digitalen Leistungsmessgerät ISKRA MC740 überwacht. Als Temperatursensor auf der Messebene diente ein K-Typ-Thermoelement, das über eine Datenerfassungskarte mit dem Datenerfassungsgerät Agilent 34972A verbunden war. Das 34972A ist ein über eine LAN-Schnittstelle mit einem Computer verbundenes Datenerfassungsgerät, das die elektrischen Signale des Thermoelements in Temperaturdaten umwandelt und diese auf dem Computerbildschirm anzeigt. Der Versuchsaufbau aller Geräte ist in den Abbildungen zu sehen. 1 und 2.

Ausrüstung für das Backexperiment.

Orte der Temperaturmessung im Ofenraum.

Die Backleistung des Ofens wurde im erzwungenen Konvektionsmodus getestet und die Ofentemperatur auf 180 °C eingestellt, was darauf hindeutet, dass der Rundheizer und das Konvektionsgebläse des Ofens gleichzeitig arbeiteten. Der Kuchen wird gemäß EN 60350 hergestellt: 18,5 % Eier, 29 % Mehl, 15,8 % Maisöl, 18,5 % Milch und 18,5 % Zucker11,12,13. Die Zutaten gut vermischen, in eine Backform füllen und zum Backen in den Ofen stellen. Die Länge der Backform beträgt 315 mm, die Höhe 45 mm und die Breite 215 mm. Die thermischen Parameter des Kuchens sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Das vorbehandelte physikalische Modell des Ofens besteht aus zwei Teilen, der Fluiddomäne und der Festkörperdomäne. Der Flüssigkeitsbereich besteht aus der Luft im Ofenraum. Der solide Bereich enthält Ofenisolierung, Türglas, Lüfterabdeckung, Heizung und Backblech14,15,16. Die Abmessungen des 3D-Modells des Ofens betragen 595 mm Breite, 455 mm Höhe und 520 mm Tiefe. Modellieren Sie die gesamte Lüfterbaugruppe in SolidWorks mit einem Lüfterdurchmesser von 126 mm. Verwenden Sie ein kreisförmiges Muster, um 10 Lüfterblätter mit einem Winkelabstand von 36° zu erstellen. Im Luftbackmodus oder im Schnellheizmodus dreht sich der Ventilator mit 1350 U/min, um den Konvektionseffekt zu verstärken. Der Ofen verfügt über drei Sätze von Heizgeräten: eine kreisförmige Heizung an der Rückseite des Ofens mit einer Leistung von 1300 W, eine Heizung an der Oberseite des Ofens mit einer Leistung von 2100 W und eine Heizung an der Unterseite des Ofens mit eine Leistung von 800 W. In der Simulation wird ihr Wärmefluss vorgegeben, damit sie funktionieren. Der instationäre Zustand von 1500 Sekunden wurde durch numerische Simulation berechnet und der Zeitschritt betrug 5 Sekunden. Das schematische Diagramm des Ofenaufbaus ist in Abb. 3 dargestellt.

Schematische Darstellung des Ofenaufbaus.

Bei der Simulation des Backprozesses werden die Effekte von Konvektion, Leitung und Strahlung berücksichtigt. Definitionen der Randbedingungen beziehen sich auf veröffentlichte Forschungsarbeiten17,18,19 und experimentelle Messungen. Die Luft im Ofenraum ist als ideales Gas eingestellt. Aufgrund der experimentell gemessenen Reynolds-Zahl Re = 6,8 × 104 wird angenommen, dass der Strömungszustand der Luft turbulent ist. Für die numerische Berechnung wird ein realisierbares k-Epsilon-Turbulenzmodell verwendet, da es die Simulationsgenauigkeit im Vergleich zum Standard-k-Epsilon-Modell verbessert. Da die Heizung während des Backvorgangs hohe Temperaturen erzeugt, spielt der Strahlungseffekt in der Simulation eine sehr wichtige Rolle. Die optische Dicke ist ein guter Indikator für die Auswahl des Strahlungsmodells20. Das P1-Modell und das Rosseland-Modell sind nur für optische Dicken größer als 1 geeignet, während die optische Dicke des Ofens L = 0,0045 deutlich weniger als 1 beträgt. Nur das Ordinates-Modell kann das durchscheinende Material (das Ofentürglas) simulieren. Die folgenden Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen für Strömung und Wärmeübertragung im Ofenhohlraum wurden gelöst21.

Die Kontinuitätsgleichung:

Die Impuls-Gleichung:

Die energiebestimmende Gleichung:

Strahlungsintensitätserhaltung (DO):

Dabei ist \(\vec{v}\) das Luftgeschwindigkeitsfeld, \(p\) der Druck und T die Temperatur. Die Dichte \(\rho\) der Luft wurde durch die ideale Gaszustandsgleichung ermittelt, da aufgrund hoher Temperaturunterschiede im Ofen Änderungen der Luftdichte wichtig sind. Die Wärmeleitfähigkeit \(k\) und die Viskosität \(\nu\) der Luft sowie die spezifische Wärme \({\text{c}}_{p}\) wurden als konstant angesehen. Auch die Feststoffeigenschaften wurden als konstant angesehen, da ihre Variation mit der Temperatur einen geringen Einfluss auf den Backprozess hatte.

Die Analyse des Temperaturfeldes im Ofen basiert auf dreidimensionalen, inkompressiblen, stationären Strömungs- und Wärmeübertragungssimulationen. Zur Lösung des Grenzschichtgitters wird die Standardwandfunktion verwendet, und das DO-Strahlungsmodell (Discrete Ordinates) wird basierend auf der Eignung der Ofenmaterialparameter und des Strahlungsmodells ausgewählt. Die numerischen Berechnungen verwenden den SIMPLEC-Kopplungsalgorithmus22,23. Die konvektiven Terme in der Geschwindigkeitsgleichung und der k-Gleichung werden durch Aufwinddifferenzierung zweiter Ordnung in den drei Koordinatenrichtungen diskretisiert, während die diffusiven Terme durch zentrale Differenzierung zweiter Ordnung diskretisiert werden.

Tabelle 1 zeigt die Einstellung der Ofenrandbedingungen. Aufgrund der Konvektionswärmeübertragung, die durch den Kontakt zwischen dem Glas der Ofentür und der Luft sowie der durch die interne Heizung des Ofens erzeugten Strahlung entsteht, wurde für die Türwand der gemischte Modus gewählt. Der Boden des Ofens steht in Kontakt mit dem Boden und die Strahlungswärmeübertragung ist die Hauptart der Wärmeübertragung. Die emaillierten Bereiche (Backraum, Lüfterhaube und Backblech) gelten als Verbundwerkstoffe aus Stahl und Emaille.

Zur Unterteilung des Rechenbereichs wird ein tetraedrisches Netzelement verwendet. Das Heizrohr, die Lüfterabdeckung, die Glastür und das Lautstärkeraster am Lüfter sind verschlüsselt. Durch Vergleich der Simulationsergebnisse von 2,1 × 107, 4,3 × 107, 6,2 × 107 wurde der Einfluss des Gitters auf die Präzision der Computersimulation untersucht. Für einen unbelasteten Ofen wurde eine stationäre Simulation durchgeführt und 13 Überwachungspunkte in der Mittelebene platziert. Nach der Simulationskonvergenz wurden die Daten von 13 Überwachungspunkten erfasst und gemittelt. Durch den Vergleich der Temperaturdaten von drei Beispielen mit unterschiedlicher Anzahl von Gittern wird festgestellt, dass 2,1 × 107 weit von den anderen beiden Simulationsergebnissen entfernt ist. Da sich die Simulationsergebnisse von 4,3 × 107 Mesh und 6,2 × 107 Mesh nicht unterschieden, wählten wir für die weitere Simulation eine 4,3 × 107 Mesh-Dichte. Die Überprüfung der Unabhängigkeit ist in Abb. 4 dargestellt.

Überprüfung der Netzunabhängigkeit.

Für die anfängliche Ofenstruktur wurde die Innentemperatur des Hohlraums gemessen und mit den Ergebnissen der numerischen Simulation verglichen. Wie in Tabelle 2 gezeigt, stimmen die numerischen Simulationsergebnisse gut mit dem beobachteten Temperaturverteilungstrend überein.

Die zur Bewertung der Konsistenz von Simulationsdaten verwendete Formel lautet:

wobei \(e_{abs}\) der mittlere absolute Fehler ist, %; n ist die Anzahl der Temperaturmesspunkte im Messbereich; Te ist der experimentelle Testtemperaturwert, °C; Tp ist der durch numerische Simulation erhaltene Temperaturwert, °C.

Die durchschnittliche simulierte Temperatur im Ofenraum beträgt 195,4 °C und die Testtemperatur 197,7 °C. Der simulierte Wert ist niedriger als der gemessene Wert bei 2,3 °C. Wie aus Abb. 5 ersichtlich ist, ist die Temperatur im inneren Hohlraum des Ofens in der Nähe der Wand höher, während die Temperatur in der Nähe des Ofentürkörpers niedriger ist. Die Temperatur im Innenraum von der Rückwand des Ofens bis zum Türkörper des Ofens nimmt allmählich ab. Sowohl die simulierten als auch die gemessenen Ergebnisse zeigen, dass das Temperaturfeld im Ofen deutlich ungleichmäßig ist und die Standardabweichung der Temperatur 4,63 beträgt. Abbildung 6 zeigt einen Vergleich von Simulation und tatsächlicher Messung.

Die Kontur der Temperatur in der YZ-Oberfläche.

Vergleich der Temperatur zwischen experimentellen Werten und Simulationsergebnissen.

Im Luftbackmodus wird das hintere Heizrohr mit einer Gesamtleistung von 1300 W aktiviert, während der hintere Radialventilator eingeschaltet ist und eine zusätzliche Leistung von 20 W bereitstellt. Der Ventilator läuft mit einer Drehzahl von 1300 U/min−1 und verfügt über Lüfterflügel mit einem Radius von 63 mm. Sein Hauptzweck besteht darin, die Konvektionseffekte im Ofen zu verstärken. Dieser Modus wurde speziell für die hohen Temperaturanforderungen von fleischbasierten Lebensmitteln entwickelt und verwendet einen speziellen Drehspieß. Es sorgt effektiv für eine gleichmäßige Färbung der Lebensmittel und minimiert das Risiko eines ungleichmäßigen Garens.

Die Ergebnisse der numerischen Simulation zeigen, dass es im Inneren des Ofens großflächige Wirbel gibt, wie in den Abbildungen dargestellt. 7 und 8. Da sich das Zentrum des Wirbels in der Totzone der Strömung befindet, ist der Effekt der Konvektionswärmeübertragung im eigentlichen Heizprozess gering, sodass die Temperatur in diesem Bereich deutlich niedriger ist als die in der Umgebung. Der zentrale Wirbel des Ofens wird durch die große Umfangsgeschwindigkeitskomponente am Lüfterauslass verursacht. Daher muss zur Beseitigung des Wirbels die Umfangsgeschwindigkeitskomponente am Lüfterauslass reduziert werden. Der Impulsverlust am Heißluftaustritt des Originalofens ist relativ gravierend, was dazu führt, dass die Windgeschwindigkeit abnimmt, wenn die Heißluft in das Hauptströmungsfeld eintritt, wodurch die Heizwirkung des Heißluftgebläses verringert wird. Die Abbildung 8 zeigt, dass der Hauptgrund darin liegt, dass die ursprüngliche Abdeckung um die Auslassseite nahe an der Wand und die kleine Öffnung, die obere und untere Seite weit von der Wand entfernt sind und die Öffnung größer ist, zu heißer Luft führen Direkt nach einer Kollision mit der Lüftergeschwindigkeit an der Gehäusewand ist der Impulsverlust bei Heißwind größer, so dass der Auslass durch Verbesserung der Leitblechstruktur lokale Unregelmäßigkeiten im Inneren des Ofens verbessern kann.

Die Kontur der Geschwindigkeit im Hohlraum.

Die Geschwindigkeitskontur in der Lüfterabdeckung.

Der Autor stellt eine Reihe von Berechnungsformeln zusammen. Der Vergleich zwischen den Simulationsdaten und den berechneten Daten zeigt, dass die Ergebnisse konsistent sind, wie in Abb. 6 dargestellt.

Das schematische Diagramm der Luftvolumenverteilungsformel ist in Abb. 9 dargestellt. Die Luftvolumenverteilungsformel ist wie folgt aufgebaut:

wobei H = 102 mm, was die halbe Höhe der Schallwand angibt; T = 190,5 mm, was die halbe Länge der Schallwand angibt; K = 10 mm stellt die Dicke der Prallöffnung dar; V = 8,57 m/s, was die Kantengeschwindigkeit des Lüfterrads angibt; α bedeutet den Startwinkel, β bedeutet den Endwinkel; L1 stellt die Startposition der Öffnung dar; L2 stellt die Endposition der Öffnung dar; L = L2-L1, Länge des Luftauslasses; Der Lüfterradius beträgt r.

Schematische Darstellung der Luftvolumenverteilungsformel.

Abbildung 10 zeigt eine vergleichende Analyse der Daten zwischen numerischer Simulation und Formelberechnung für eine Lüftergeschwindigkeit von 600 U/min und einen äquivalenten Durchmesser von 16,67 mm. Die Grafik zeigt deutlich eine große Ähnlichkeit zwischen den Ergebnissen der numerischen Simulation und den aus der Formel abgeleiteten Ergebnissen, was die Zuverlässigkeit der Formel bestätigt. Diese Entdeckung zeigt, dass die Formel wichtige richtungsweisende Auswirkungen auf die Entwurfsarbeit in realen technischen Anwendungen hat.

Vergleich zwischen numerischen Simulations- und Formelberechnungsdaten.

Basierend auf der obigen Analyse ist es offensichtlich, dass die Luftstromverteilung am Auslass bei der ursprünglichen Prallplattenstruktur ungleichmäßig ist, selbst wenn die Auslassgröße konstant bleibt. Dies führt zu einem erheblichen Temperaturunterschied in der Heißluft, was den ungleichmäßigen Temperaturtrend im Ofen verschärft24,25,26. Um dieses Problem zu lösen, haben wir Modifikationen vorgenommen, indem wir die Länge des Prallplattenauslasses an verschiedenen Positionen angepasst haben, während die Breite unverändert blieb. Das Ziel bestand darin, einen ähnlichen Anteil des Luftstroms aus jedem Auslass auf derselben Seite im Verhältnis zum Gesamtluftstrom zu erreichen.

Den Ergebnissen der Strömungsfeldsimulation im Luftbackmodus des Ofens zufolge wurde das Luftleitblech wie folgt verbessert. Der obere Teil der ursprünglichen Schallwand wurde entfernt, so dass nur die Einlasslöcher an der linken und rechten Außenseite übrig blieben. Zusätzlich wurden an der rechten Schulter der Schallwand drei kleine kreisförmige Löcher mit einem Durchmesser von 6 mm angebracht, um den Auslassluftdruck zu erhöhen. Durch diese Modifikation wurde sichergestellt, dass die heiße Luft in den Bereich geleitet wurde, der der Glastür am nächsten liegt, wodurch die Temperatur in der Nähe der Glastür anstieg. Darüber hinaus wurde die rechte Seite der Schallwand mit einem Langloch und einem Paar Kurzlöchern ausgestattet, um den Luftstrom auszugleichen und eine gleichmäßigere Temperaturverteilung im Ofen zu erreichen. Die Anzahl der Löcher im unteren Teil der Schallwand blieb gleich, ihre Größe wurde jedoch verringert. Ein Vergleich der Prallplattenstrukturen vor und nach den Verbesserungen ist in Abb. 11 dargestellt.

Strukturvergleich der Ofenleitbleche vor und nach der Optimierung.

Im Luftbackmodus sind die Temperaturmessdaten vor und nach der Verbesserung des Ofens in Tabelle 3 aufgeführt.

Basierend auf den oben genannten Daten ist es offensichtlich, dass die verbesserte Schallwand im Vergleich zur ursprünglichen Schallwand eine bessere Temperaturgleichmäßigkeit aufweist. Im Luftbackmodus betrug vor der Programmoptimierung der maximale Temperaturunterschied der ursprünglichen Lüfterabdeckplatte 29 °C bei 200 °C und 230 °C. Bei den Arbeitstemperaturen von 150 °C, 200 °C und 250 °C zeigte die verbesserte Struktur im Luftbackmodus maximale Temperaturunterschiede von 8 °C, 14 °C bzw. 18 °C. Diese drei Datensätze weisen auf einen zunehmenden Trend der maximalen Temperaturdifferenz bei höheren Arbeitstemperaturen hin. Daraus lässt sich schließen, dass der maximale Temperaturunterschied der optimierten Lüfterabdeckplatte mit Originalstruktur bei Betrieb bei 200 °C weniger als 29 °C betragen sollte, was die Wirksamkeit der Programmoptimierung bei der Verbesserung der Temperaturgleichmäßigkeit des Ofens unterstreicht. Darüber hinaus ist die Temperaturfeldgleichmäßigkeit der verbesserten Schallwand, bestimmt durch die quadratischen Mittelwerte (RMS), deutlich besser als die der ursprünglichen Schallwand im Ofen.

Basierend auf der Anwendung numerischer Simulationsanalysemethoden zielt diese Studie darauf ab, den internen Luftstrom und die damit verbundenen Wärmeübertragungseigenschaften in einem Ofensystem mit erzwungener Konvektion zu untersuchen. Aufbauend auf dieser Grundlage führt es eine umfassende Analyse der Gleichmäßigkeitsmerkmale der Temperaturverteilung durch, identifiziert die Hauptfaktoren, die zu einer ungleichmäßigen Temperaturfeldverteilung beitragen, und schlägt effektive, auf praktische Anforderungen zugeschnittene Lösungen vor.

Das Nachheizsystem ist ein entscheidender Bestandteil des Ofens. Durch eine eingehende Analyse des Ofens haben wir relevante Formeln für die Verteilung des Luftvolumens in der Lochanordnung der hinteren Schallwand abgeleitet. Basierend auf den Prinzipien der Luftstromverteilung haben wir ein verbessertes Leitblechsystem entworfen und getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass die verbesserte Schallwand die Temperaturgleichmäßigkeit im Vergleich zur ursprünglichen Schallwand deutlich verbessern kann. Die abgeleitete theoretische Formel für die Luftstromverteilung kann in der praktischen Technik angewendet werden und bietet wertvolle Hinweise zur Optimierung von Tests und Entwicklung von Öfen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten Datensätze oder Analysen sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Konzeptualisierung, ZY, KZ; Methodik, ZY, BS, CJ und KZ; formale Analyse, ZY; Untersuchung, HL, JH; Schreiben der Originalentwurfsvorbereitung, ZY, DC und BS; Rezension schreiben und redigieren, KZ, BS, CJ und DC; Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Kai Zhang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Yang, Z., Cheng, D., Su, B. et al. Studie zur Optimierung der Temperaturgleichmäßigkeit im Ofen im erzwungenen Konvektionsmodus. Sci Rep 13, 12486 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39317-w

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Eingegangen: 27. März 2023

Angenommen: 23. Juli 2023

Veröffentlicht: 01. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39317-w

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