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一种新型油烟净化设备的研究
夏正兵第一作者：夏正兵，男，1982年生，研究方向为多相流与分离技术。＃通讯作者。
袁惠新＃
（江苏工业学院分离工程研究所，江苏 常州 213016）
摘要　分析了饮食业油烟污染的危害和油烟净化设备的现状，介绍了一种新型的油烟净化设备——旋流式油烟净化机，阐述了该技术的基本原理，实验结果表明，在旋流式油烟净化机处理气量为50～240 m3/h时，出口油烟质量浓度为0.45～0.94 mg/m3，油烟去除率为94.7％～95.2％，符合国家饮食业油烟净化设备技术要求。
关键词　油烟 净化 旋流技术　
Research on a new-typed equipment for cooking fume depuration Xia Zhengbing，Yuan Huixin. (Institute of Separation Engineering，Jiangsu Polytechnic University，Changzhou Jiangsu 213016)
Abstract: This paper analyzed the harms and the present situation of the cooking fume purification of the food, and introduced a new-typed equipment for cooking fume depuration——cyclonic equipment for cooking fume depuration. The basic working principle and optional design parameter of equipment were stated. The research results showed that when it’s tolerance was 50-240 m3/h, and the consistence was 0.45-0.94 mg/m3, the purification efficiency of the device could reach 94.7％-95.2％，and it accorded with the dietetic demand about cooking fume purification of china.
Keywords: cooking fume; purification; technology of cyclone
烹饪油烟、汽车尾气及噪音已经成为城市的三大公害。为了改善城市的生态环境，保护居民的身体健康，开发效率高、运行稳定、投资少、占地小、运行费用低、操作维护简单的油烟净化技术和设备是我国控制油雾污染的研究重点之一。
1 油烟净化技术现状
目前，市场上的油烟机有脱排油烟机和油烟净化机两种。
现用于居民厨房的脱排油烟机，通过叶轮的旋转，一方面产生简单的惯性分离，另一方面产生气力输送，通过过滤对油烟起到一定的净化作用。这种油烟机主要存在4方面的问题：（1）机型主要是扁方浅型，片面强调美观，不符合空气动力学原理，无法形成高效的负压通道，油烟外溢现象严重，厨房内油烟浓度大大超标；（2）叶轮旋转产生的惯性分离，效果较差，原因是叶轮旋转产生的流场尚未发展成旋流场，油烟在期间的停留时间太短，来不及沉降分离；（3）由于烟油粘附性强，过滤介质很容易被堵塞而失去过滤作用；（4）污染的过滤介质无法循环再用，造成新的污染；叶轮与原油烟接触，使用一段时间后，叶轮上粘满烟油，清洗困难。因此，这种油烟机使用一段时间后，脱排、净化效果恶化，厨房甚至厨房以外的家具物品表面出现厚厚的油垢。癌症等一些疾病的发病率居高不下，与厨房油烟不无关系[1]。
表1是各种油烟净化机油烟处理技术性能的比较。

表1 各种油烟处理技术性能比较
油烟处理技术
油烟去除率/////%/%
压力降/Pa
投资
运行费用
过滤法
75～80
100～500
小
较大
活性碳吸附法
75～80
100～500
大
较大
蜂窝式净化法
变化大
200～300
小

大
水雾水幕洗涤法
75～85
200～300
适中
需耗电、加水
运水烟罩
75～85
200～300
大
较大
静电法
75～85
100～200
较大
主要耗电费用大
2 旋流式油烟净化机的原理及净化效果
2.1 原 理
含油烟气从进口切线方向进入旋风筒， 在筒内强烈旋转， 逐渐沿筒壁螺旋运动下降， 强烈旋转所产生的离心力把油雾抛向筒体内表面， 集积在壁面的油雾相互粘连形成大的油滴， 在重力作用下逐渐降至筒体底部，定期排放。由于离心作用及油烟中油的粘性， 使气体中的油滴极易附在筒壁上，净化油烟效果更好。90% 以上的油雾在旋风分离过程中被除去，经过旋风除油后的烟气被风机吸入，未净化的油烟及油烟中的气态污染物经过此部分，除去余下的油和油烟中的异味，净化后的烟气通过排气筒直接排入大气。利用气液两相分离技术，旋流式油烟净化机的结构示意图见图1。

图1 旋流式油烟净化机的结构
1—风机；2—三通管；3—软管；4—旋流器；5—油杯
2.2 主要特点
与其他油烟净化机相比，旋流式油烟净化机的最大改进就是采用了旋风分离器（旋流器），它产生高速旋流，使油烟、废气、异味吸排更彻底，净化效率高，同时还具备了旋流器的一些优点，如结构简单，体积适当，安装方便，工作连续可靠，适应性好，具有剪切、洗涤作用，易于清洗，易于实现自动控制，成本低；外观独特，靠墙安装，节省更多空间，无碰头、滴油之虑，无压抑之感。
2.3 主要技术指标
净化效率>94％， 全压损失<80 Pa
额定电压220 V； 单机功率<40 W
绝缘电阻>2 000 MΩ; 主机噪音<40 dB
处理风量 0～420 m3/h; 工作电压105 V
2.4 净化效果
变换旋流式油烟净化机风机的风量，对应测得一系列试验数据（见表2），表明经处理后，出口油烟质量浓度等主要指标符合国家饮食业油烟净化设备技术要求[2，3]。
表2 设备实验室运行情况
实验序号
处理气量
(m3·h－1)
入口油烟质量浓度/
(mg·m－3)
出口油烟质量浓度/
(mg·m－3)
油烟去除率/％
压力降
/Pa
1
50
8.51
0.45
94.7
178
2
90
10.65
0.51
95.18
256
3
130
13.68
0.68
95.04
126
4
170
14.56
0.71
95.11
361
5

210
18.77
0.94
95.01
288
6
240
19.12
0.92
95.17
302
3 旋流式油烟净化机两相流场分析
油滴在流体中运动时的受力包括自身重力、离心力、流动阻力等（见图2）。

图2 油滴在流体中运动时的受力
油滴颗粒受到的重力: （1）
油滴颗粒受到的离心力： （2）
油滴颗粒受到的浮力： （3）
流体介质阻力： （4）
式中：为颗粒相对流体运动的相对径向速度，m/s；v 为气流相对流体运动的相对径向速度，m/s；为油烟中两相径向相对速度，m/s；x为油烟的颗粒直径，μm；r 为油烟颗粒所在位置半径，mm；μ为液体介质动力粘度，m2/s；为连续相流体的密度，kg/m3；为分散相颗粒的密度，kg/m3；d 为油滴直径，μm；g为重力加速度，m/s2。
油滴颗粒在流体中的运动可表示为：
（5）
在离心力场中，颗粒自身的重力忽略不计。由此，油滴颗粒受力方程可表示为：
（6）
解之，得：
（7）
离心力作用总是使连续相与分散相产生速度差，当颗粒的受力达到平衡时，，则运动相对速度为：
（8）
式中：k为系数；ve为平均进料速度，m/s；、为与旋流器结构有关的常数；为两相的密度差，kg/m3；vt为连续相的切向速度，m/s；vtow为均衡速度，m/s；D为旋风分离器的直径，即圆筒部分的直径，μm。
4 油烟净化机的性能及影响因素
油烟净化机是基于旋流场中液滴受离心力作用发生离心沉降而分离的，其性能包括分离性能和操作性能。
4.1 分离性能
分割粒度（m）可用下式计算：
（9）
式中： 为进口气速，m/s；μi为气体粘度，Pa·s。
旋流式油烟净化机在进风量Q=420 m3/h，T（室内温度）=30 ℃，μ=1.90×10-5 Pa·s，=10 m/s，ρ=922.8 kg/m3（大豆油），ρm=1.165 kg/m3时，=2.5 m。而利用激光粒度分析仪测得油烟中油滴的粒度范围在1～10 μm，可见旋流式油烟机用于厨房油烟脱排净化是可行的。
影响分离性能的因素：
（1）旋风分离器的直径（筒体直径）
一般情况下，直径越小，旋转半径越小，油烟颗粒所受离心力越大，除油烟的效率也就越高；但过小的筒体直径，由于旋风分离器的器壁与排气管太近，造成较大直径颗粒有可能反弹至中心气流而被带走，使效率降低。
（2）旋风分离器的高度
通常，较高的旋风分离器，都有较大的长度比例，它不但使进入筒体内的油烟颗粒停留时间增长，有利于分离，且能使尚未到达排气管的颗粒有更多的机会从旋流核心中分离出来，减少二次夹带，提高效率。
（3）进风速度
在一定范围内，进口气速越高，效率越高。但过高的气速又对颗粒起分散作用，所以，在设计分离器的截面时，必须使进口气速为一适宜值。
（4）气体的粘度及密度
对于油烟物质，由于温度升高，油烟粘度增加，当进口流量等条件保持不变时，效率会降低。旋风分离器能实现低转速、小流量下的分离，操作、维护相对简单，成本低廉[4].因为油的烟点为240 ℃，低温正好有利于减少油烟的产生、促进分离。气体的密度越大，分离效率就越低。
4.2 操作性能
压力降是评价旋风分离器的一个重要性能指标，它是决定分离过程的能耗和合理选择风机的依据。
生产工艺上有压力降要求（通常为压力降上限值），根据要求的压力降、所选旋风分离器形式、直径、初定的进风速度，查旋风分离器的操作性能表，得到该旋风分离器的处理量。
旋风分离器的压力降可用如下经验公式计算：
（10）
式中：ζ为压降系数。
旋流式油烟净化机在T＝30 ℃时的ρ=1.165 kg/m3，=10 m/s，时，=483.5 Pa。
可见该油烟净化器能耗低(小)，易于推广。
5 结 语
（1）旋流式油烟净化机结构简单，操作方便易行，样机已经制成，制造成本低廉，如果生产，用户易于接受；（2）设备的净化效率高，油烟去除率可达94％以上，达到国家规定的排放要求；（3）清洗频率小，提高了油烟净化效率，使设备能长期正常运行。
今后，应在防止油烟处理后的二次污染问题上下功夫，研制开发出实用高效、便于推广的无污染的油烟净化机，这具有极其重要的现实意义。
参考文献
[1] 蒋长敏，王海红，徐渭芳.饮食业油烟净化设备技术性能的探讨[J].上海环境科学，2002，21(5)：316-318.
[2] HJ/T62—2001饮食业油烟净化设备技术要求及检测技术规范(试行)[S].
[3] GB l8483—2001 饮食业油烟排放标准[S].
[4] 代瑞国.旋射流型式气波制冷机实验研究[J].安徽化工，2003（6）：45-47.