如何更有效、更环保地清洁餐具？物理学家把目标转向洗碗机

来源：物理研究更新

作者：更新

通常，传统的洗碗机不会杀死盘子、碗和餐具上残留的所有有害微生物。过热蒸汽洗碗机可以提供更有效、更环保的解决方案。

过热蒸汽在涡轮机中有着悠久的历史。它比饱和蒸汽更受欢迎，因为它可以释放大部分内部能量来做功，而饱和蒸汽会随着温度和压力下降而冷凝，并损坏用于发电的涡轮机。此外，它还用于食品加工中的烹饪和干燥，以及清洁硬质地板和瓷砖地板、工业加工设备和家具等表面。

过热蒸汽是通过对饱和蒸汽加热而获得的，降低温度不会导致冷凝，除非它降低到饱和温度以下。当过热蒸汽在表面凝结时，它会向表面释放更多的焓并传递更多的热量，从而导致表面温度迅速升高。

过热蒸汽的失活特性源于其高热强度和加工温度，通常在100至200°C之间。用过热蒸汽灭活微生物速度快，且不含化学成分耗能少。此外，水无法渗透由于疏水表面形成的空腔和间隙，但冷凝蒸汽却很容易到达那里进行清洁。

许多研究人员已采用数值建模和计算流体动力学(CFD)模拟来研究细菌灭活和蒸汽灭菌。食品的细菌灭活通常使用热水、热空气或蒸汽将食品保持在足以杀死微生物的温度来进行。许多工作在计算上研究了单相流和多相流中的流动和传热，但由于相间传递机制的复杂性，很少考虑相变过程中的传热，例如冷凝和蒸发。

在不使用化学清洁剂的情况下，在洗碗机中使用过热蒸汽来减少用水量和清洁时间，这对餐馆、酒店和医院来说具有巨大的未来潜力。新实验的目的是研究这种潜在应用的复杂物理特性，包括流体动力学、相变传热和洗碗机中细菌的灭活。在这项工作中，他们主要关注细菌的灭活，并未关注去除餐具中的食物残渣的问题。

为了评估这种潜在的应用，他们在OpenFOAM上使用interThermalPhaseChangeFoam求解器进行模拟。他们的模型使用一个理想的三维洗碗机中，该洗碗机带有一个喷嘴和一个盘子，温度为180°C，压力为10 bar。由于嗜热脂肪芽孢杆菌具有高耐热性，因此选择它作为细菌模型系统。

这项计算研究表明，洗碗机中的过热蒸汽射流中存在许多物理现象。在蒸汽羽流中心、盘子表面以及蒸汽和冷凝水界面处出现膨胀波和压缩波，大漩涡出现在墙壁附近，并移动到洗碗机中心的盘子中。在洗碗机的顶部和侧壁附近，会发生边界层分离。

强烈的蒸汽冲击会导致温度升高、蒸汽冷凝率更高以及盘子表面的细菌浓度降低。盘子表面的细菌在25秒的短时间内被杀死，证明了过热蒸汽在洗碗机清洁中的有效性。虽然模拟显示细菌可以快速灭活，但洗碗机的实际的情况不止一个盘子，因此需要更多时间来清洁。然而，科学家们相信它仍然会比传统技术更快、更有效。

编辑：六块钱的鱼