船用集氣罩煙氣排放數(shù)值模擬研究

楊海燕，張益誠，王洋

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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船用集氣罩煙氣排放數(shù)值模擬研究

楊海燕，張益誠，王洋

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

針對船用集氣罩實(shí)際使用中可能面對的問題，數(shù)值模擬多臺爐灶靠艙壁布置、多臺爐灶在廚房中央布置、多個蒸汽集氣罩并聯(lián)排風(fēng)等情況。結(jié)果顯示，靠壁型油煙集氣罩可以通過安排每1個灶對應(yīng)一個可調(diào)抽風(fēng)口，每2個吸風(fēng)口連接1個裝置出風(fēng)口，使每個灶上方的抽氣速度更均勻；多臺爐灶布置在廚房中央的情況，應(yīng)采用鐘形集氣罩，并使集氣罩的投影面積大于灶臺；多個蒸汽集氣罩并聯(lián)排風(fēng)時可在各個支路設(shè)置調(diào)風(fēng)門，增強(qiáng)排氣效果。

煙氣排放；集氣罩；數(shù)值模擬

廚房在作業(yè)時產(chǎn)生的大量油煙和蒸汽若不及時排除，不僅會影響廚房及周圍艙室內(nèi)的空氣品質(zhì)，威脅廚房內(nèi)工作人員的健康[1]，甚至?xí)绊懜浇O(shè)備的正常工作。因此，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時廚房應(yīng)是設(shè)計(jì)重點(diǎn)，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備設(shè)計(jì)相結(jié)合，開展煙氣排放方案優(yōu)化，防止油煙和蒸汽逃逸至廚房周邊艙室，改善廚房及周邊艙室內(nèi)環(huán)境。

1 集氣罩設(shè)計(jì)原理

船舶廚房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)通常采用機(jī)械送風(fēng)和機(jī)械排風(fēng)相結(jié)合的方式[2]，且與其他艙室的通風(fēng)系統(tǒng)分開。通過機(jī)械排風(fēng)使廚房保持負(fù)壓狀態(tài)，在排出廚房內(nèi)產(chǎn)生的油煙和蒸汽的同時，確保不外溢至通道或其他位置?？紤]到廚房不能回風(fēng)，廚房用空調(diào)器必須采用全新風(fēng)空調(diào)器，用于調(diào)節(jié)廚房內(nèi)空氣溫度和濕度[3]。

集氣罩是廚房內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)核心設(shè)備，廚房內(nèi)通風(fēng)效果與集氣罩的抽風(fēng)效果密切相關(guān)。集氣罩一般包括油煙集氣罩和蒸汽集氣罩。油煙集氣罩用于解決廚房油煙收集和油煙氣凈化的問題，蒸汽集汽罩則用于解決蒸汽收集和除濕問題。

集氣罩采取不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置在不同的位置均會對廚房內(nèi)煙氣排放的效果造成影響。對于爐灶靠艙壁布置的情況，集氣罩一面固定在墻壁上，靠墻壁一側(cè)抽風(fēng)，其他方向送風(fēng)。對于爐灶布置在廚房中央的情況，集氣罩布置在灶臺上方抽風(fēng)，空調(diào)風(fēng)和機(jī)械送風(fēng)圍繞集氣罩布置。通過形成穩(wěn)定的氣流組織，使產(chǎn)生的油煙沿著氣流由廚房排出。

為加強(qiáng)集氣罩排煙效果，必要時可以在灶臺外側(cè)送風(fēng)形成風(fēng)幕防止熱氣散發(fā)出來，并在集氣罩內(nèi)側(cè)送風(fēng)口送風(fēng)，引導(dǎo)煙氣排出。通過對氣幕風(fēng)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使氣幕出風(fēng)均勻，提高了氣幕的風(fēng)速，使其能夠更好地將灶臺上方煙氣與外部形成氣流隔斷[4]。

當(dāng)廚房排風(fēng)機(jī)工作時，集氣罩吸風(fēng)口附近形成負(fù)壓，周圍空氣從四周進(jìn)入吸氣口，形成吸入氣流匯流。由于吸氣口吸入氣流流速隨著與吸氣口之間的距離增大而迅速衰減，集氣罩應(yīng)控制罩口到爐灶之間的距離在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

考慮橫向氣流影響的接收罩排風(fēng)量的為

(1)

式中:F′為考慮橫向氣流影響而擴(kuò)大罩口的面積，即罩口面積減去熱射流面積；u′為罩口擴(kuò)大面積上油煙的吸入速度，通常取0.50～0.75 m/s；Q0為熱射流流量，Q0=0.403(qHF2)1/3。

其中：q=8.98Δt1.25F/3 600為熱源水平表明對流散熱量；H為罩口離熱源水平面的距離；F為熱源水平面的投影面積；Δt為熱源水平表面與周圍空氣的溫度差[5]。

2 集氣罩抽氣效果仿真

2.1 爐灶靠近艙壁

船用油煙集氣罩通常做成整體式，抽風(fēng)口在集氣罩上方，在集氣罩四周設(shè)置集油槽，集氣罩內(nèi)設(shè)置油煙過濾器。當(dāng)爐灶放置在靠近艙壁的位置時，需要選用靠壁型油煙集氣罩?？勘谛图瘹庹滞ǔ０惭b平板式油淋板吸風(fēng)口。

方案一。油煙集氣罩的抽風(fēng)面是一整排油淋板，如圖1所示。

采用兩相流模型對該型集氣罩抽氣效果進(jìn)行仿真分析，灶眼產(chǎn)氣假設(shè)為一個大氣壓的飽和蒸汽，房間補(bǔ)氣來自房門。模擬結(jié)果顯示，該方案的優(yōu)點(diǎn)是油淋板面積大，吸風(fēng)口的流速和阻力相對較低，缺點(diǎn)是由于阻力較小，產(chǎn)生了靠近集氣罩排風(fēng)管道處的抽風(fēng)速度大，遠(yuǎn)離排風(fēng)管道處的抽風(fēng)速度小，整個油淋板抽風(fēng)面流速不均勻，抽氣效果也不均勻，差異較大。這種設(shè)計(jì)對于靠近油淋板中心位置的爐灶上的排煙效果較好，但邊緣位置若放置爐灶則存在油煙逃逸，見圖2。

方案二。在方案一的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，重新設(shè)計(jì)整個集氣罩的抽風(fēng)面。抽氣效果如圖3所示。這樣，一方面減小抽風(fēng)面的面積，提高抽風(fēng)速度，同時使每個灶對應(yīng)一個抽風(fēng)口，使每個鍋產(chǎn)生的油煙氣能快速被抽走并每2個吸風(fēng)口連接一個裝置出風(fēng)口，使每個灶上方的抽氣速度更均勻。仿真結(jié)果如圖4所示，油煙逃逸的情況明顯改善，較好的解決了多爐灶并排靠艙壁布置時的排煙問題。對于方案二所示的油煙集氣罩設(shè)計(jì)，其吸風(fēng)口可以設(shè)計(jì)為可調(diào)式，從而在某灶眼不用時可關(guān)閉其上方的抽風(fēng)口，使相鄰的其他吸風(fēng)口有更好的排煙效果。

2.2 爐灶在廚房中央

對于爐灶設(shè)置在廚房中央的情況，油煙集氣罩可以采用中央型的設(shè)計(jì)。通過將集氣罩優(yōu)化為罩型，并使集氣罩的投影面積大于灶臺，每邊比灶臺外形大150 mm，鐘形罩用于聚攏油煙氣，可以應(yīng)對煙氣或蒸汽瞬間大量上升的情況，煙氣不易逃逸。該方案的抽氣效果和煙氣逃逸情況見圖5、6。

蒸飯箱等設(shè)備的產(chǎn)熱量和蒸汽排放量大，雖然不產(chǎn)生油煙，但同樣需要設(shè)置集氣罩排風(fēng)，以達(dá)到除濕和除熱的目的?？紤]到排出的蒸汽中含有大量水分，不經(jīng)處理將影響到整個排風(fēng)管道及相關(guān)的周邊的濕熱環(huán)境，因此蒸汽集氣罩在罩內(nèi)集成設(shè)置了冷凝器、冷媒水量的調(diào)節(jié)閥、專用循環(huán)風(fēng)機(jī)、凝水收集機(jī)構(gòu)以及溫度測量及顯示設(shè)備，通過由系統(tǒng)送冷媒水，使熱蒸汽在集汽罩內(nèi)進(jìn)行冷凝，將水分凝出，干空氣循環(huán)送回主食加工間。

通過蒸汽集汽罩的抽吸作用及冷凝作用，將房內(nèi)的蒸汽抽走并冷凝去除蒸汽中的水份，以防止蒸汽凝水在房間或管道中凝結(jié)。改善房間的工作環(huán)境，并通過去除蒸汽，抽蒸汽比例達(dá)到95%以上，有利于房間內(nèi)其他設(shè)備和管道的防腐。

圖7為多臺蒸汽集氣罩并聯(lián)使用的情況，模擬發(fā)現(xiàn)，該方案存在抽氣不均勻的情況，需要在排風(fēng)管上設(shè)置調(diào)風(fēng)門以平衡各支路的壓力損失，達(dá)到改善主食加工間內(nèi)的排氣效果的目的。

3 結(jié)論

1)對于多臺爐灶靠艙壁布置的情況，靠壁型油煙集氣罩可以通過使每個灶對應(yīng)1個可調(diào)抽風(fēng)口，每2個吸風(fēng)口連接1個裝置出風(fēng)口，使每個灶上方的抽氣速度更均勻。

2)對于多臺爐灶布置在廚房中央的情況，應(yīng)采用鐘形集氣罩，并使集氣罩的投影面積大于灶臺，從而應(yīng)對煙氣或蒸汽瞬間大量上升的情況，煙氣不易逃逸。

3)主食加工間等產(chǎn)生大量蒸汽的廚房中，多個蒸汽集氣罩并聯(lián)排風(fēng)時可在各個支路設(shè)置調(diào)風(fēng)門，增強(qiáng)排氣效果。

[1] 范宗明.廚房油煙污染凈化技術(shù)應(yīng)用探討[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2010(3):46-49.

[2] 安毓輝.船舶廚房通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].船舶，2003(3):38-40.

[3] 黃文海.淺談船舶廚房的合理設(shè)計(jì)[J].船舶，1999(1):29-31.

[4] 張小兵.集氣罩合理設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)制造，2008(1):28-30.

[5] 龐明軍.集氣罩的設(shè)計(jì)原理及其流暢數(shù)值模擬[J].輕工機(jī)械，2006，24(1)：45-47.

Simulation of Gas Emission of the Marine Gas Trap Hood

YANG Hai-yan, ZHANG Yi-cheng, WANG Yang

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Several typical gas emission situations in ship kitchen were studied by numerical simulation. The results showed that it is more efficient for the gas trap hood to use adjustable valve by homogenizing gas flow. When ranges were fixed up in the centre of the kitchen, the bell-shaped gas trap hood with larger projected area is more appropriate.

gas emission; gas trap hood; numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.036

2017-03-07

國家部委基金資助項(xiàng)目

楊海燕(1976—)，女，碩士，高工

研究方向：船舶總體設(shè)計(jì)

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0150-03

修回日期：2017-03-27