集煙罩對側吸式抽油煙機排煙效率的影響

(常州大學石油工程學院，江蘇 常州 213164)

0 引言

廚房油煙含有300多種對人有害的物質，增加了人們患肺癌的幾率[1]。抽油煙機能有效排出油煙污染物，減少對烹飪人員的傷害，改善廚房工作環(huán)境。集煙罩主要是約束油煙外溢，并保證結構可與廚房整體相協(xié)調，方便實用。考慮設計方便，數(shù)值分析和產品優(yōu)化設計相結合就成為了一種趨勢[2]。南京大學朱玉振[3]對三種抽油煙機的流場矢量分布進行分析，提出一種斜風式新型抽油煙機。李朝振[4]采用實驗和仿真相結合的方法對抽油煙機在各種工況下的性能進行了研究，總結了抽油煙機外部濃度場和流場的分布規(guī)律。馬柯等[5]指出集煙罩采用掛壁式斜面集風設計，低位安裝，可以增強抽油煙機的吸排功能。孟永哲[6]采用實驗與模擬的方法研究了抽油煙機罩導流板的籠煙效果，確定不同結構罩排煙效率不同。Lim[7]采用CFD方法模擬分析了集煙罩擋板對廚房排油煙效果的影響，發(fā)現(xiàn)擋板安裝距離近，排煙效率高。華中科技大學謝軍龍等[8]研究了蝶形導煙板集煙罩和平板型導煙板集煙罩等兩種集煙罩對歐式頂吸式油煙機排煙效率的影響，結果表明蝶形導煙板集煙罩排煙效果較佳。綜上，已有文獻對集煙罩形狀對側吸式油煙機排煙效率的影響研究較少。

本文利用數(shù)值模擬的方法研究了集煙罩形狀對側吸式油煙機排煙效率的影響，分析了不同工況下廚房內油煙濃度的分布情況，為側吸式油煙機的結構優(yōu)化提供理論支撐。

1 物理模型

圖1是典型的家用廚房結構簡圖，尺寸為3 600 mm×1 800 mm×2 600 mm(長×寬×高)，灶臺高800 mm，寬500 mm，抽油煙機形式為側吸式，油煙機的安裝高度1 150 mm。模擬時進行如下簡化：省略部分廚具、出風管道，油煙產生面簡化為兩個直徑為320 mm的圓，人簡化成450 mm × 200 mm×1 650 mm(長×寬×高)的長方體。圖2a和b分別為本文研究的平板型和弧型兩種集煙罩的結構示意圖。

2 數(shù)值方法

2.1 控制方程

假設廚房內煙氣流動為穩(wěn)態(tài)湍流，忽略能量方程中由于粘性作用而引起的能量耗散。廚房內煙氣流動滿足連續(xù)性方程、能量方程、動量方程、標準k-ε方程及組分運輸方程，具體表達如公式(1)～(4)[9]：

連續(xù)性方程

(1)

動量方程

(2)

能量方程

(3)

組分運輸方程

(4)

式中i=1,2,3；j=1,2,3；

u——室內空氣速度；

T——室內空氣溫度；

ε——湍流脈動動能耗散率；

P——空氣壓力；

k——湍流脈動動能；

μi——湍流動力粘性系數(shù)；

ρ——空氣密度；

μ——層流動力粘度；

Cp——定壓比熱容；

β——流體體積膨脹系數(shù)；

Pr——普朗特數(shù)；

q——熱流密度；

C——煙氣濃度；

cc——常數(shù)；

Fc——煙氣發(fā)生率。

2.2 邊界條件

廚房門為空氣入口，類型為壓力入口型，壓力取0 Pa，空氣溫度為20 ℃。豎風機面設為壓力出口，根據(jù)多翼離心風機靜壓-流量曲線圖[8]，風量10 m3/min對應壓力-80 Pa，風量16 m3/min對應壓力-102 Pa。油煙產生面為速度入口，油煙溫度設為70 ℃。實際油煙組分復雜，模擬時可采用質量含量為5%的CO模擬空氣中的油煙[10]，所有的固體壁面設為絕熱且無滑移壁面。表1給出了慢檔低壓和快檔高壓四種工況下油煙面油煙產生速率和風機排風量情況。

表1模擬工況工作條件

工況排風量/m3·min-1油煙產生速率/m·s-1慢檔低壓工況1100.4工況2100.6快檔高壓工況3160.7工況4161.0

2.3 離散方法

運用SIMPLE算法對速度和壓力的耦合進行求解，近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù)法處理。動量項為二階迎風格式，湍流動能和湍流耗散率均為一階迎風格式。計算收斂的殘差標準和連續(xù)性殘差設置為10-4，能量殘差為10-6。計算域采用非結構性網(wǎng)格劃分，在出風口、油煙產生面等速度變化大的區(qū)域進行局部加密，網(wǎng)格數(shù)量為1 401 827，網(wǎng)格EquiAangle Skew值平均在0.4～0.5之間，符合要求。

3 模擬結果與分析

選取集煙罩中心截面(截d=1 800 mm)作為特征面，分析四種工況下平板型集煙罩和弧型集煙罩對廚房內空氣流場、煙氣濃度場和油煙排除效率的影響。

3.1 廚房內油煙濃度分布

圖3和圖4分別是慢檔低壓風量下不同油煙發(fā)生速率時平板型集煙罩和弧型集煙罩油煙機的油煙濃度分布圖。當油煙產生速率為0.4 m/s，兩種集煙罩油煙機均能有效地排走油煙，對烹飪人員呼吸區(qū)域(圖中半徑為30 mm的圓圈區(qū)域)不會產生影響，采用弧型集煙罩時，油煙集中在吸風口附近，沒有明顯的逃逸現(xiàn)象，而采用平板型集煙罩時油煙擴散范圍較大，但也不會進入烹飪人員呼吸區(qū)域。當油煙產生速率增加到0.6 m/s時，平板型集煙罩不能及時捕集產生的油煙，部分油煙逃逸進入烹飪人員呼吸區(qū)域，最大油煙濃度達到8.4 mg/m3，而弧型集煙罩仍能較好地及時將油煙捕集在吸風口附近，略有少許油煙逃逸到烹飪人員呼吸區(qū)域，最大油煙濃度僅為1.1 mg/m3。

圖5和圖6分別是快檔高壓風量下不同油煙發(fā)生速率時平板型集煙罩和弧型集煙罩油煙機的油煙濃度分布圖。當油煙產生速率為0.7 m/s時，平板型集煙罩下油煙主要集中在吸風口附近，油煙雖有發(fā)散趨勢烹飪人員呼吸區(qū)域最大油煙濃度為2.8 mg/m3。而弧型集煙罩能有效捕集油煙，油煙在吸風口下部區(qū)域就會被及時排走。當油煙產生速率為1.0 m/s時，采用平板型集煙罩時油煙逃逸明顯，有部分油煙擴散到廚房其它非烹飪區(qū)，烹飪人員呼吸區(qū)域充滿了油煙，最大油煙濃度高達11.2 mg/m3，而弧型集煙罩對應的油煙主要集中在吸風口區(qū)，進入人員呼吸區(qū)域的油煙濃度最大僅為2.8 mg/m3。

3.2 室內空氣速度分布

圖7和圖8分別是慢檔低壓風量下不同油煙發(fā)生速率時平板型集煙罩和弧型集煙罩油煙機對應的室內空氣流線圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩種集煙罩對應的室內空氣都有從頂部向下運動的趨勢，當油煙發(fā)生速率為0.4 m/s時，平板型集煙罩油煙機對應的廚房內部產生了大小不同的多個空氣渦核，分布較廣，最大的渦核產生在廚房墻壁處，阻礙了油煙的排出，導致油煙擴散范圍大。當油煙發(fā)生速率為0.6 m/s時，采用平板型集煙罩油煙機時人的背后和油煙機上方形成多個空氣渦核，分布范圍大，嚴重阻礙了油煙排出，而采用弧型集煙罩油煙機時空氣從底部向上運動，形成的空氣渦核均分布在墻壁附近，對油煙阻礙較小。

圖9和圖10分別是快檔高壓風量下不同油煙發(fā)生速率時平板型集煙罩和弧型集煙罩油煙機對應的室內空氣流線圖。當油煙發(fā)生速率為0.7 m/s時，兩種集煙罩對應的室內空氣均有渦核形成，但分布區(qū)域大小不同，當油煙發(fā)生速率增大到1 m/s時，平板型集煙罩油煙機油煙對應的室內空氣先是由下向上經(jīng)過房頂后再向下運動，在左下方形成一個較大渦核，大部分油煙匯聚在此渦核，采用弧型集煙罩油煙機產生的空氣渦核位于人的后方，油煙匯聚后經(jīng)過人體被風機排出。

3.3 油煙排除效率

廚房抽油煙機的油煙排除效率η可用公式(5)[10]來表示

(5)

式中n——出風口處CO摩爾濃度/mol·L-1；

v2——CO排出速度/m·s-1，根據(jù)風機風量以及出風口面積確定；

A2——出風口的面積/m2，為0.414 m2；

Vm——標準大氣壓下CO的摩爾體積/L·moL-1，24 L/mol；

v1——油煙產生速度/m·s-1，根據(jù)不同工況取不同值；

A1——油煙產生面面積/m2，取0.161 m2；0.05——CO所占混合氣體的體積百分比。

將上述不同工況下模擬獲得的風機排風口處CO的濃度值帶入公式(5)，得到兩種集煙罩對應的油煙機排煙效率，結果如表2所示。從表中可以看出，慢檔低壓風量下，當油煙發(fā)生速率為0.4 m/s時，弧型集煙罩比平板型集煙罩對應的CO出口濃度增加了3.6%，排煙效率增加了0.6%；當油煙發(fā)生速率增加到0.6 m/s時，弧型集煙罩比平板型集煙罩對應的CO出口濃度增加了5.8%，排煙效率增加了4.5%；快檔高壓風量下，油煙發(fā)生速率為0.7 m/s時，弧型集煙罩比平板型集煙罩對應的CO出口濃度增加了4.4%，排煙效率增加了3.5%；當油煙發(fā)生速率增加到1.0 m/s時，弧型集煙罩比平板型集煙罩對應的CO出口濃度增加了11.5%，排煙效率增加了9.2%?？偠灾?，油煙發(fā)生率較低時，兩種集煙罩的油煙排除效率相當，隨著油煙發(fā)生速率增加，兩種集煙罩的油煙排除效率都有所降低，但弧型集煙罩的油煙排除效率更高些。

表2各工況出口處濃度和排煙效率

工況出口濃度mol/L排煙效率平板型集煙罩弧型集煙罩平板型集煙罩/[%]弧型集煙罩/[%]慢檔低壓工況18.81×10-59.13×10-590.190.7工況21.03×10-41.09×10-480.785.2快檔高壓工況31.15×10-41.20×10-484.988.4工況41.47×10-41.64×10-477.286.4

4 結論

(1)慢檔低壓情況下，油煙發(fā)生率低時，兩種集煙罩排煙效率皆在90%左右，隨著油煙發(fā)生速率逐漸增加，弧形集煙罩較之平板型集煙罩出口處煙氣濃度更高，排煙效率增大4.5%。

(2)快檔高壓情況下，隨著油煙發(fā)生速率增加，兩種集煙罩排煙效果差距越加明顯，弧型集煙罩比平板型集煙罩排煙效率最高增大9.2%。