Estudo sobre a otimização da uniformidade de temperatura no forno sob modo de convecção forçada

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12486 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Com o objetivo de estudar a distribuição de temperatura em um forno multifuncional e otimizar os parâmetros estruturais do forno, foi melhorada a uniformidade da temperatura interna. O teste foi realizado e a simulação numérica foi conduzida de duas maneiras. A distribuição do campo de temperatura em cada camada dos fornos foi medida em tempo real utilizando um termopar distribuído de 13 pontos, e o índice de uniformidade de temperatura do forno foi medido e analisado. O campo de temperatura dentro do forno foi simulado numericamente usando dinâmica de fluidos computacional. Investigou os efeitos de condução de calor, convecção e radiação, respectivamente, e descobriu o principal modo de transferência de calor do forno. Além disso, através do teste de medição de temperatura, verifique a precisão do método de simulação numérica. De acordo com os resultados do experimento e simulação, a razão do campo de temperatura irregular na estrutura original do forno foi revelada e analisada. Alterando a estrutura da porta traseira do forno, ajustando a distribuição do volume de ar, alterando a distribuição da saída de ar e outras medidas, melhorando muito a uniformidade do campo de temperatura no interior do forno.

O desenvolvimento de novas tendências de design no mercado de utensílios de cozinha é um processo dinâmico, o que significa que os fabricantes precisam desenvolver e aplicar tecnologias mais avançadas. Desde a ideia até à introdução de um novo produto no mercado, o ciclo de I&D torna-se mais urgente. Portanto, o tempo restante para a pré-pesquisa e melhoria do produto também é relativamente curto. Isso mostra que a forma que leva mais tempo para verificar o desempenho do forno por meio de experimentos gradativamente não consegue se adaptar ao novo modo de desenvolvimento de produtos da atualidade. A aplicação de simulação numérica pode ajudar os desenvolvedores a agilizar o processo de desenvolvimento.

Com o desenvolvimento da economia nacional, a cozedura no forno tem surgido como uma tendência cada vez mais importante no quotidiano das pessoas. A uniformidade da temperatura interna do forno está intimamente associada à qualidade dos produtos assados. Temperaturas internas não uniformes podem resultar em distribuição desigual de calor, levando a uma coloração insatisfatória. Além disso, o cozimento irregular torna os alimentos não comestíveis. Dois métodos são empregados para investigar a uniformidade da temperatura interna dos fornos: pesquisa experimental e simulação computacional. A pesquisa experimental oferece a vantagem da medição e análise direta em fornos reais, produzindo resultados confiáveis. Enquanto isso, a simulação computacional é uma ferramenta valiosa para simular simultaneamente várias condições. Consequentemente, a simulação numérica é amplamente aplicada no estudo das características do fluxo de ar e da transferência de calor dentro de fornos.

Atualmente, existem algumas pesquisas sobre o ambiente térmico em equipamentos semelhantes a fornos. Por exemplo, Yuan Hong et al.1 usaram o método de dinâmica de fluidos computacional para conduzir simulação numérica do campo de temperatura interna do forno, e revelaram e analisaram as razões para o campo de temperatura não uniforme da estrutura original do forno. Lin How Chao et al.2 fizeram uma discussão aprofundada sobre a distribuição do campo de temperatura interna do forno e o método de sistema de controle de temperatura do forno. Zheng Jinlong3 estudou a distribuição de calor de assadeiras no forno e usou a equação de condução de calor de Fourier para explicar que a distribuição de calor de assadeiras de diferentes formatos é diferente. Através de medição e simulação numérica CFD, Xiang Linlin et al.4 estudaram o estado de distribuição do campo de temperatura na cavidade interna de um forno embutido e propuseram melhorar a uniformidade da temperatura alterando o orifício no topo do forno, o vento velocidade do ventilador quente, posição do tubo de aquecimento, estrutura do ventilador quente e outros métodos de otimização. Wang Jing et al.5 mostraram que quando a temperatura dos alimentos subia acima de 171 °C, a convecção se tornou o método dominante de transferência de calor e obteve um modelo de forno ideal usando simulação numérica. Zhang Lanxin et al.6 simularam o campo de temperatura interna do modelo do forno sob diferentes modos de operação por meio de simulação numérica. Os resultados da pesquisa mostraram que a uniformidade do campo de temperatura interna do modelo de forno existente poderia ser otimizada melhorando a estrutura do forno. Gu Siyuan et al.7 simularam a influência de várias medidas de melhoria na distribuição da temperatura da cavidade interna, estabelecendo um modelo tridimensional simplificado de forno e, finalmente, obtiveram o modelo ideal de forno, integrando várias medidas. Yao Jing et al.8 analisaram o problema do aquecimento de alimentos no forno sob a perspectiva do mecanismo, forneceram a distribuição de energia térmica de diversos formatos típicos de alimentos durante o processo de aquecimento e concluíram que o círculo era o formato ideal do recipiente por meio de comparação . Li Baoqiang et al.9 propuseram um método de controle baseado em PID adaptativo difuso para o controle de temperatura do forno de pirofilita. Ao estabelecer um modelo de controle fuzzy, os três parâmetros do PID foram corrigidos online. Tian Songtao et al.10 propuseram quatro projetos aprimorados para a distribuição desigual de velocidade em cada saída do bocal no modelo original. Através da análise de simulação, concluiu-se que o efeito de simulação ideal foi alcançado quando a câmara de distribuição de ar foi projetada como um trapézio e o arranjo do bocal foi melhorado para ser triangular. Este artigo toma como objeto de pesquisa o forno elétrico embutido de um determinado fabricante. De acordo com os dados medidos deste tipo de forno, a diferença entre o valor mais alto e o valor mais baixo dos diferentes pontos de medição na cavidade do forno pode atingir 10 °C ou mais, o que afetará a qualidade de cozimento dos alimentos. Com o objetivo de melhorar o desempenho do forno elétrico no processo de utilização real, este estudo através da combinação de experimento e simulação numérica, verifica a distribuição de temperatura da cavidade do forno, para que a distribuição seja uniforme.