基于风机配置的洗碗机对干燥性能的研究

陈如金 陈盼吉 姜彦胥 林召平 段新营 金 辉

（宁波安佳卫厨电器有限公司 宁波 315000）

引言

目前市场上配置有风机的洗碗机一般为单风机、双风机和三风机模式。风机的作用是在干燥阶段令内胆产生对流空气，加速水分子的蒸发，提高干燥率的效果。2005年，江西省水利厅鄱阳湖水文分局的闵骞同志所著的《道尔顿公式的应用研究》一文论证了风速越快蒸发也越快的特点。然而对于洗碗机而言，风速是其中的一个影响因素，其位置不同也导致干燥效果的不同。本次研究所针对的是目前市场上应用较为广泛的单进风口和单出风口模式[1]；从水分蒸发、风机功率和通风口截面积、仿真图像以及具体的实验对比组这四个方面，对进、出风口的不同位置所对应干燥效果的不同进行较为深入的分析。

1 风速与水分蒸发的关系

1.1 风速与餐具、搁架及内胆表面上的水分蒸发量是成正比的关系

根据英国物理学、化学家道尔顿（John Dalton）的蒸发定律，关于水分子蒸发量、风速、饱和水汽压差以及气压的相关性，有以下关系式：

将（1）式和（2）式整合，得到：

式中：

E-水表面蒸发量，单位为毫米（mm）；

C-与风速相关的系数；

Δe-饱和水汽压差，单位为百帕（hPa），即表面水温对应的饱和水汽压 e0（hPa）与水面上空气实际水汽压绝对湿度e（hPa）的差值；

P-水面上的气压，单位为百帕（hPa）。

根据上式可以看出，水分蒸发量E与风速系数C是成正比的关系，即风速越快，水分蒸发量E的值越大，水分被蒸发的速度也越快[2]。

由于洗碗机是在程序运行的最后阶段启动风机进行干燥，根据上述公式可以看出，当内胆温度、风道结构、餐具摆放及烘干时间等因素固定的情况下，风速越快则干燥效果越好。

1.2 风速对水表面蒸发作用的两面性

从风对水面蒸发作用的机制上看，其作用是加强水分子的溢出，促进水面的蒸发速度：当风速由小变大时，风对水面蒸发的作用变得强烈，水分子的蒸发速度也加快，然而当风速达到一定的程度后，强盛的水面蒸发使水面大量失温而形成冷水阻隔膜，降低了温度，对水面蒸发的进一步加强反而起到一定的抑制作用；因而，风对表面水分蒸发的作用是两方面的，一方面起到加强水分子溢出而促进水表面蒸发的作用，另一方面又起到产生冷水阻隔膜从而抑制水面蒸发的作用；风速越大，两方面的作用越强烈，但前一作用始终超过后者，故水面蒸发虽然随风速的加大而增强，当风速超过一定的范围则蒸发的速度是呈逐渐放慢的趋势，这是由于风速加快导致失温同样加快而产生的结果[3]。

结合上述的分析及洗碗机的功能结构，由于洗碗机的烘干是在最后的热漂洗阶段将内胆温度加热升高，然后启动风机，在高温和风机的双重作用下将餐具进行干燥，风速越大则水分子蒸发越快，但同时内胆的降温速度也越快，两者相互影响且前者的作用超过后者；另一方面，需要考虑的是内胆的温度依靠加热器的工作，温度越高则加热器工作时间越久，耗电量大，而风机的能耗是由电机的工作产生，耗电量低，选择相对低的加热温度和风速相对较高的风机，有利于提升洗碗机干燥性能并降低能耗，是一个较为优良的洗碗机设计方案。

2 影响洗碗机干燥性能的重要因素

由于洗碗机进、出风口的位置不同，在干燥阶段启动风机时，内胆中各个位置的风速也不同，所处的位置风速越大，水分子蒸发的越快。对洗碗机而言，决定风速大小比较重要的因素有两个，分别是风机的功率和通风口的截面积。

2.1 风机功率

风场内的压强、动能与位势能之间的关系，符合伯努利方程，公式如下：

式中：

P-空气的压强，单位为帕（Pa）；

ρ-空气密度，单位为千克每立方米（kg/m3）；

V-空气速度，单位为米每秒（m/s）；

g-重力加速度，值为9.8 N/kg；

h-铅锤高度，单位为米（m）；

C-为总能量（常数）。

由于本文所研究的对象为洗碗机，介质为空气，可忽略重力加速度g，则（4）式简化为：

由（5）式可以看出，在总能量C一定的情况下，空气速度V越大，空气的压强P越小；另一方面，假设风道结构、风机叶轮及通风口截面积已经固定，则V与C两者是非线性的增强和减弱的关系；就洗碗机而言，总能量C代表的是风机的输出功率，输出功率越大则风速越大。因此在这种情况下，选择较大功率的风机则风速高，洗碗机的干燥效果也会更好。

2.2 通风口截面积

通常用于表征风机的特征参数是风量和风速，其有以下关系：

式中：

L-风量，单位为立方米每秒（m3/s）；

F-通风口面积，单位为平方米（m2）；

V-风速，单位为米每秒（m/s）。

从式（6）可以看出，当风量L不变时，风速V与通风口面积F是成反比关系的，通风口越小，风速越快，水分的蒸发量越大，蒸发的速度也越快。

需要注意的是本文所指的通风口是从洗碗机内腔的进风口到出风口之间的空间部分。当风机的功率选定后，再选择大小合适的风道，可以提高干燥率。

3 进、出风口的不同位置对于洗碗机内腔风场分布的仿真分析

在影响洗碗机干燥性能的因素方面，除了风速、风机功率及通风口截面积之外，内胆风场的分布也是一个重要的因素；按照洗碗机内胆结构的通用化设计思路，利用Fluent软件进行仿真模拟，选择进风口位置位于机器左侧的条件下，出风口的位置则分5种情况，分别是：

方案（1）：出风口在机器的左侧（与进风口同侧），见图1；

图1 出风口机器的左侧（与进风口同侧）

方案（2）：出风口在机器的右侧，见图2；

图2 出风口在机器的右侧

方案（3）：出风口在机器的前面，见图3；

图3 出风口在机器的前面

方案（4）：出风口在机器的后面，见图4；

图4 出风口在机器的后面

方案（5）：出风口在机器的顶面，见图5。

图5 出风口在机器的顶面

1）从以上5种仿真图可以看出，当出风口处于不同位置时，其所对应的对流空气在内胆中的风场分布、方向及流速均有不同，具体得到以下结论：

①从内胆中风场的分布来看，5种方案里存在一个共性，就是处于内胆中部约占整个腔体3/4容积区域的风密度均是最高的，风量最大，根据上述第2项“风速与表面水分蒸发量的关系”的论证可以确定在这部分区域的餐具被风干的效率最高、效果最好，而处于内胆的四个角落、底面及顶面的部分区域仅有少量的风流过，风密度低、风量小，因而其被干燥的效率也是最低的；

另一方面，经过比较发现，出风口在顶部、右面和后面时，风的行程比出风口在左侧和前面的要长一些，这是由于前三种方案里的进风口到出风口的距离比后两种方案的要更远一些，因此风的行程更长；

②从风的方向来看，5种方案下的风均在右侧的内胆壁发生了方向的改变，迂回后从出风口流出，这一过程使得风在内胆中的行程加长，即风所经过的区域空间增大，令更多的餐具得到吹干的效应，对干燥率有利；

③从风的速度来看，处于进风口和出风口最近位置的风速最大，此时有两种情况：第一种是进风为冷风，此时风速大但是温度低，水分蒸发慢；第二种进风为热风，此时风速大且温度高，餐具的干燥效果好。

2）本次的仿真模拟是通过对基于风机干燥的洗碗机整机系统而进行的，旨在通过建立洗碗机内胆的风场模型而寻求比较好的内胆设计和餐具摆放，以达到提高干燥性能的目的；总结本次仿真的结果，可以得出以下三点结论：①位于内胆中部区域的餐具会受到更大的风场影响，得到更好的干燥效果，而位于内胆的四个角落及底面、顶面区域的餐具则得到的风场效应相对要低，因而此处的干燥效果相对要差；②进风口与出风口的位置关系决定了风在内胆中的行程长短，也就是决定了风场所覆盖到的餐具和内胆内部件的状况，5种方案下，第1和第3种方案风的行程短，其他3种方案的风的行程长，覆盖的餐具多。

4 不同进、出风口位置方案下的干燥性能试验对比组

4.1 试验部分

为了验证第4章仿真分析的结果，得出不同进、出风口位置对洗碗机干燥性能的影响规律，对5种方案进行干燥率对比试验。选取一台15套洗碗机，按照国家标准GB 38383-2019《洗碗机能效水效限定值及等级》的规定进行干燥率的测试[4]，该试验样机为驻立式结构，三层搁架设计，顶、中、下三个喷淋器。为了取得有效的对比试验效果，尽可能地消除差异，除环境条件和试验方法均按国标规定执行外，国标所规定的餐具、洗涤剂、漂洗剂及软水盐等均使用同一批次[5]。测试程序采用的是生产商指定的节能洗程序，同时对进、出风口做如下处理：①进风口固定在洗碗机的左侧；②出风口分别固定在洗碗机的左侧、右侧、前面、后面和顶面，当采用其中的一种方案时，其他的4个出风口堵上；③5种方案的进风口与出风口的截面积相等，其直径均为55 mm。

4.2 对5种方案下的干燥指数各进行5组试验，实测结果如表1所示

表1 不同出风口位置的干燥指数测试统计表

从实验结果可以看出，出风口位于右侧、后面和顶面的干燥率最高，位于左侧和前面的干燥率相对要低一些，这是由于当风机工作时，前者比后者的风在内胆中所经过的行程更长、所覆盖的餐具更多的缘故。由此可见，进、出风口位置的不同的所产生的干燥效果也不同，在设计洗碗机时需要考虑尽可能地加长风在内胆中的行程，让风场尽量多地分布在内胆的各个区域。

5 结论

在实际中，影响洗碗机干燥指数的因素是多方面的，本次的研究内容是针对水分蒸发、风机功率和通风口截面积以及进出风口的不同位置几个方面进行的，得出如下结论：

1）风速对洗碗机效果的影响两方面的，一是风速越快则水分子蒸发的速度越快，干燥效果也越好，二是风速的提高会加速温度的下降，从而抑制水分子的蒸发。两者中前者的作用始终强于后者；

2）风机功率大、通风口截面积小会提高内胆中的风速，加速水分子的蒸发，对提高干燥效果有利；

3）进、出风口的不同位置对洗碗机的干燥有比较明显的影响，两者的距离越远、风的行程越长、风场所覆盖的餐具越多，干燥效果也越好，反之则越低。

然而，本次的研究工作仅是对于本款洗碗机所进行的，对于其他机型，由于内胆结构不同，其高度、宽度和深度也不相同，产生的风场分布会存在差异，所测得的干燥指数也有可能不同；另一方面，餐具摆放会影响内胆中的风向，特别是较大的餐具如大汤碗、蒸鱼盘、深盘和浅盘等，它们的摆放会影响风场的分布。因此，在后期的设计应用中，针对搁架、餐具翻转支架的结构和角度的优化等，将是后续继续研究的一个课题。