消毒柜烘干和臭氧分解系统仿真与优化设计

摘要

消毒柜已成为家庭常用电器之一，中国市场每年的家用消毒柜销量约为500万台。然而消毒柜在使用过程中会产生大量臭氧，并泄漏在周围的空气中。因此为了减少臭氧泄漏，加快餐具烘干速度，本课题围绕消毒柜的温度场和流场开展优化设计，在优化过程中首先考虑两种场的均匀性。提高场分布的均匀性有利于降低臭氧含量和提高餐具的烘干速度。在本文的研究中，以流体力学、传热学和有限元理论为基础，在创新设计消毒柜空间结构的基础上，建立其烘干系统的计算流体动力学（CFD）仿真模型，分析消毒柜中的流场和温度场分布的均匀性，然后利用上述理论基础和实验对该模型进行验证，从验证后的结果来看，理论计算和实验结果大体相同，两者间的误差小于8%。在仿真模型实验验证的基础上，开展了消毒柜空间结构的优化，提出了消毒柜空间结构的最优设计模型，提高腔内温度分布和流场分布均匀性。从验证结果中可以知道，消毒柜中的温度出现不均匀分布，腔体上部的温度较高，腔体中部的温度大致相同，且腔体中的温度场和流场的分布不均匀。经过优化设计的消毒柜不仅经过了实验验证，也已作为博西华家用电器某一型号产品，投入市场。创新性研究成果如下： 在组合式消毒柜中发现，消毒柜中的热源主要是光波加热管，在加热过程中，热空气会快速的向腔体上部移动，因此腔体上部的温度较高，温度场不受流体横向移动的影响，所以在此基础上，创新设计光波管和烘干风道的几何外形及空间结构，利用较大的热能转化率，使热空气形成对流，从而加快热空气的流动速度，热交换加速，使腔体中的温度达到一定的均匀性。从而烘干效果增强，臭氧分解加快。在辐热式消毒柜中，因为没有高温，臭氧分解速度慢。将格栅表面喷涂有机陶瓷，可使局部温度上升，加快臭氧分解。本文内的模拟和实验均加入了具体餐具作为考虑对象，使研究结果更实用。 通过上述分析，同时优化消毒柜的内外循环，对于提升消毒柜中温度场和流场的分布均匀性具有显著效果，从而得到消毒柜烘干系统、臭氧分解系统的优化方案。

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