滴滤咖啡机结构和热系统的有限元分析

论文总字数：28065字

摘 要

关键词：换热器；温度场；有限元分析；扁型加热管

Finite Element Analysis for Structure and Thermal System of Drip Coffee Machine

02011511 Miao Zheng

Supervised by Lin Xiaohui

Abstract：In order to improve coffee maker outlet water temperature and service life of the heating tube, this subject on the basis of finite element analysis and optimizing its structure,

 increase the input power and guarantee the heating temperature is not a dramatic rise in cases, increasing the yield per unit time, in order to achieve the purpose of reducing the temperature drop of exports, the heating system is the optimum design of heat transfer enhancement. Set up a drip coffee machine based on finite element theory CFX value simulation model of thermal systems, analysis of heating temperature, heat exchangers and heating tube drying temperature, stress and strain distribution characteristics. Build built in flat heat pipe fin model simulation results indicate that the model is obvious improvement in heat exchangers. Decorate the tube fin structure, making heat transfer area has nearly 10%, transfer efficiency improved significantly.

Simulation analysis of heating power, entry mass flow increases, help to reduce the temperature drop of exports. Can be used as input power, reduce choice and reference of outlet temperature drop.

Key words: Heat transfer；Temperature field；Finite element analysis；Flat heat pipe

目 录

1绪论……………………………………………………………………………………………………1

1.1 研究背景和现实意义…………………………………………………………………………1

1.1.1 咖啡机的分类 …………………………………………………………………………1

1.1.2 现有咖啡机的发展趋势与问题…………………………………………...……………2

1.1.3 研究意义……………………………………………...…………………………………2

1.2 国内外研究现状………………………………………………………………………………4

1.2.1 咖啡机的发展…………………………………………………………………………4

1.2.2 热交换器技术的研究…………………………………………………………………4

1.2.3 常见强化传热管介绍……………………………………...……………………………5

1.3 本课题研究的目标与主要研究内容………………………………………………………… 9

1.3.1 研究目标………………………………………………………..……………………… 9

1.3.2 主要研究内容…………………………………………………..……………………… 9

2传热与对流换热理论及数值计算……………………………………………………………………11

2.1传热理论………………………………………………………………………………………..11

2.1.1热传递的三种基本方式………………………………………………………………...11

2.1.2导热微分方程…………………………………………………………………………..13

2.1.3传热系数和导热系数…………………………………………………………..………15

2.2对流换热的基本原理………………………………………………………………………….16

2.2.1层流与湍流……………………………………………………………………………..16

2.2.2对流换热的基本特点…………………………………………………………………..16

2.2.3影响对流传热系数的主要因素………………………………………………………..17

2.2.4准数表达式……………………………………………………………………………..18

2.2.5流体在管内强制对流时的对流传热系数…………………………………………..…19

2.3热分析的数值计算…………………………………………………………………………….20

2.4本章小结…………………………………………………………………………………….…21

3滴滤咖啡机即热系统有限元分析……………………………………………………………………22

3.1几何模型的建立…………………………………………………………………………….…22

3.2网格划分……………………………………………………………………………………….22

3.3边界条件和初始化设置……………………………………………………………………….23

3.4模型运算求解………………………………………………………………………………….23

3.5仿真结果分析………………………………………………………………………………….24

3.6干烧应力应变分析…………………………………………………………………………….25

3.7原加热系统问题分析…………………………………………………………………………26

3.8本章小结………………………………………………………………………………………26

4加热系统优化设计……………………………………………………………………………………28

4.1原模型加热效率影响因素的理论分析…………………………………….…………………28

4.2加热系统的优化设计………………………………………………………………….………29

4.2.1加热管与流道衔接部分…………………………………………………………..……29

4.2.2流道的优化设计………………………………………………………………………..30

4.3仿真结果对比分析…………………………………………………………………………….31

4.3.1加热管温度的比较……………………………………………………………………..31

4.3.2应力应变分布…………………………………………………………………………..31

4.4优化模型参数模拟…………………………………………………………………………….32

4.5本章小结……………………………………………………………………………………….33

5总结与展望……………………………………………………………………………………………34

5.1总结………………………………………………………………………………………….…34

5.2展望…………………………………………………………………………………………….34

致谢……………………………………………………………………………………………………36

参考文献………………………………………………………………………………………………37

滴滤咖啡机结构和热系统的有限元分析

1、 绪论

1.1 研究背景和现实意义

人们对日常生活副食品也更是情有独钟。咖啡作为人们饮茶文化的一部分，也越来越受人们的喜爱。早上起来喝上一杯香浓的咖啡，更有一种意想不到的惬意。因此人们对香醇浓溢的咖啡的品质要求也是越来越高。伴随中华人民共和国现代经济的腾飞，广大百姓们的生活水平的不断提高，饮品也愈来愈趋多样化，将形成巨大的潜在咖啡消费市场。

人们在享用一杯咖啡时，冲咖啡时水的温度是决定口感的重要因素，高温（86℃左右）的热水被管道组成的系统送入负责酿造的机构，当热水与咖啡粉充分接触9s之后，使得咖啡粉中的所蕴含的有用物质尽可能的溶解在热水中并且随着高温的热水缓缓流出，这个过程的咖啡的水温会降到62℃，注入到咖啡杯当中，在十分钟之内饮用最佳^[1]。这样，就对我们日常用的咖啡机提出了要求。而现在的滴滤式咖啡机因为加热功率限制，冲煮时间相当的缓慢，直接影响到咖啡的品质——因为酿造的时间太过久，使得咖啡粉末在前期不可以研磨得太细，而粗糙的简单大颗粒研磨，则意味着，可以萃取出的芳香成分也因此变得比细致粉末来的少^[2]。

1.1.1 咖啡机的分类

咖啡机制作的过程包括：磨粉、压粉、装粉、冲泡、清除残渣等。比如世界闻名遐迩的品牌，来自佛罗伦萨德特浓咖啡、卡布奇诺以及Latte，牛奶咖啡都必须用专门供应的咖啡机来制作的。当咖啡机的压力^[3,4]达到20Pa时，就会迫使热水（81-86℃）穿过咖啡粉，在三十秒内完成整个过程，汲取充足的芳香物质，这样得到一杯好的咖啡，当然也是离不了同样好的咖啡机的。

咖啡机有意大利式咖啡机^[5]、美式滴滤咖啡机^[6]。半自动机器又分为全手控、半电控(或半手控)和全电控二种。半自动咖啡机：无论制作多少杯浓缩的咖啡，用来冲泡咖啡的永远的都是保持稳定的温度的水；在这个过程中，泵的工作压力也是保持恒定的；浓缩咖啡机在正式冲泡前设定有预浸阶段；蒸汽恒压且干燥，操作方便。

全自动机器的更是玲琅满目了，分类繁多，适合家庭实用的类型，适合小型或中型办公室中使用的，还有功能更加全面的商业用型都能够找到。^[8]美式滴滤机器的原理要简单，滴滤机器的制作工艺相对简单，不过正是因其简单的构造和方便的操作，使得它被广泛的使用在各种场所中。如图1-1为某一品牌的一台全自动咖啡机。

图1-1全自动咖啡机 图1-2高压蒸汽咖啡机

经典的滴漏式咖啡机^[9]是一种经典的滴式过滤器。

高压蒸汽咖啡机^[3]，顾名思义是泵压式和蒸汽式的结合体，如图1-2为泵浦式高压蒸汽咖啡机。上文讲述的，滴滤咖啡机在运作时，使用1amt的压力，冲的条件为常压，而泵式咖啡机的原理，是用超过1amt，数量从几个到十几个，使得水更快冲出更多有用的物质。

1.1.2 现有咖啡机的发展趋势与问题

随着咖啡消费旺盛，各式各样功能的咖啡机也推向市场，就目前的咖啡机而言，主要特点是品种全、生产厂家比较多，商业用高品质的咖啡机价格昂贵，维护困难，清洗难度大；家用咖啡机价格便宜，维护清洗相对简单，但是冲出咖啡品质不高，普遍问题是能耗较高。咖啡机未来将成为家庭里面一个普通的电家电产品，随着它的普及度的提高，利用次数的剧增，其能耗也必将趋向行业标准化发展。

1.1.3 研究意义

随着人类开始使用火来加热食物开始，人类就开始注意到能量来源问题，远古人首先引用雷电或者火山喷发来取得火源，可是要持续维持火源的利用，就要得到更多的木材来保持它生生不灭。后来火石的发现解决了火源问题。随着古代人发现了石油，天然气，人类到了开始使用化石能源的时代，这也极大地解决了能源问题，迅猛地推动了人类社会的发展。近代随着科学技术的发展，人类又利用了原子能、风能、太阳能、潮汐能来满足人类对能源日益增长的需求。但是这些也是有一定限度的。为了人类社会的长远发展，除了开发新能源外，也必须要在节约能源上下功夫。

个人家庭用的各种各样的能源设备越来越多，小的如遥控器、电剃须刀、儿童电动玩具；大的如冰箱、洗衣机、家庭中央空调，甚至电动汽车等等，这些都需要能源，在这数以万计的各种用电设备中能节约一点，总量也是巨大的。所以开发节能电器也是人们努力的一个方向。

这几年，我国单位GDP的能耗比世界发达国家高出十几个百分点，我国在2008年颁布并实施了节约能源法。伴随着工业生产的大幅提高，居民汽车拥有量的成倍增长，导致环境气候恶化加剧。在这种情况下，国家下大力气淘汰能耗大户，提升能源利用效率，促使工业设备的升级换代、能源结构改善，能源质量标准提升。同样家庭用的各种电气设备也制定了更严格能耗标准，空调、冰箱、电视等也是推出了更高更严格的能耗等级标准，国家更是给予大力的财政补贴。

从这次第五批产品目录及实施规则中，可以看出我国能效标识管理制度呈以下特点：

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