高效濾芯油煙凈化器的研發(fā)

徐慶崇 李富華 江學(xué)頂 汪汝杰 沈于凱 許偉城

摘 ? 要：本文所研發(fā)的廚房油煙凈化機(jī)，包括外殼和均設(shè)于外殼內(nèi)的風(fēng)機(jī)和植物纖維過濾器，外殼的下端設(shè)有主進(jìn)風(fēng)口，外殼的上端設(shè)有出風(fēng)口，風(fēng)機(jī)位于外殼的上部，風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口與外殼的出風(fēng)口連接，植物纖維過濾器為多個(gè)并依次填充于外殼的下部。采用多個(gè)植物纖維過濾器可牢固地吸附油煙，在抽取污染氣體的同時(shí)對(duì)污染氣體進(jìn)行吸收凈化，排出干凈無煙的氣體，植物纖維凈化器使用一段時(shí)間后，可回收利用，不會(huì)造成二次污染。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便且吸收效率高。

關(guān)鍵詞：植物纖維 ?濾芯 ?PM2.5 ?VOCs ?多葉離心風(fēng)機(jī)

中圖分類號(hào)：X51 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（c）-0110-04

餐飲業(yè)是現(xiàn)代人生活不可缺少的重要部分，而廚房產(chǎn)生的油煙污染對(duì)環(huán)境和人體造成巨大的傷害。目前市場(chǎng)上抽油煙機(jī)主要采用技術(shù)有靜電吸收、UV光解、活性炭吸附等，產(chǎn)品普遍能耗強(qiáng)，價(jià)格高，產(chǎn)生二次污染等弊病，并且靜電處理需要頻繁清洗，及其耗費(fèi)人力物力，UV光解過程產(chǎn)生高能臭氧。油煙凈化技術(shù)已經(jīng)突破了“可自然沉降大顆?！焙汀胺€(wěn)定部分氣溶膠顆粒”的凈化技術(shù)難關(guān)，但并未能真正的去除污染物如PM2.5、VOCs。因此目前整個(gè)行業(yè)面臨的技術(shù)突破點(diǎn)是尋找造價(jià)和使用費(fèi)用低廉的、可長時(shí)間持續(xù)工作、低二次污染的高效除油煙技術(shù)，并能夠從源頭真正吸收吸附PM2.5、VOCs等油煙小顆粒物質(zhì)[1]。大量揮發(fā)性油脂以及PM2.5會(huì)被排放到外界大氣環(huán)境中，這在某種程度上是造成大氣污染的主要因素之一[2]。在國家生態(tài)文明理念指導(dǎo)下，結(jié)合理論實(shí)驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用，本團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種能完全吸收污染氣體的濾芯，此濾芯費(fèi)用低、來源廣。同時(shí)結(jié)合人機(jī)工程學(xué)及空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)出多葉離心風(fēng)機(jī)，運(yùn)用阿基米德螺旋線定理成功開發(fā)出具有收煙除霾功能的高潔凈油煙凈化器。

1 ?設(shè)計(jì)部分

1.1 濾芯制作

濾芯是以植物纖維為基礎(chǔ)，并在其關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上擔(dān)載一定量的多孔礦物或礦物纖維材料作為吸附活性中心，同時(shí)采用多種環(huán)保材料及試劑設(shè)計(jì)制作成具有處理油煙功能的高效吸附濾芯。主要材料植物纖維取材廣泛，木材、蘆葦、荻葦中含有40%～50%的纖維素。本項(xiàng)目研發(fā)的目的在于提供一種具有固定形狀，在使用過程中不易坍塌的植物纖維硬包裝。參考類似濾芯實(shí)驗(yàn)[3]得到當(dāng)纖維質(zhì)量比為4∶1、單位面積質(zhì)量100g/m2、緊度為0.27g/cm3、透氣量為220L/（m2·s）時(shí)，樣品可將大氣中PM2.5含量由269μg/m3（六級(jí)重度污染），一次吸附過濾后降至10.7μg/m3（一級(jí)優(yōu)），去除率為96%。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)一步詳細(xì)展開[4]，研究出對(duì)A纖維質(zhì)量比、B樣品單位面積質(zhì)量，C緊度（緊度 = 單位面積質(zhì)量/厚度）、D透氣孔直徑對(duì)PM2.5，及VOCs的吸收效率。既對(duì)油煙有較高的吸收效果，又能夠較好滿足透氣量的要求。每個(gè)因素取三個(gè)水平，采用L9（37）正交表安排試驗(yàn)（見表1），實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析如下表1所示。

實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)纖維質(zhì)量比為4.2∶1、單位面積質(zhì)量110.4g/m2、緊度為0.28g/cm3、氣孔直徑為9.0mm是達(dá)到最有效果，對(duì)PM2.5吸收效率均可高達(dá)97%以上。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出濾芯對(duì)VOCs吸收的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)果如表2所示。

綜合上述兩次正交實(shí)驗(yàn)，表明當(dāng)纖維質(zhì)量比為4.2∶1、單位面積質(zhì)量110.4g/m2、緊度為0.28g/cm3、氣孔直徑為9.0mm是達(dá)到最有效果，對(duì)PM2.5、VOCs吸收效率均可高達(dá)97%以上。本產(chǎn)品是以植物纖維上的親油基團(tuán)對(duì)油分子產(chǎn)生結(jié)合力，將油分子牢固在附著于植物纖維，濾芯上的催化材料則會(huì)將大部分油煙分解，未分解的油煙將會(huì)附著在濾芯上，在環(huán)境的溫度和濕度變化時(shí)，油分子不會(huì)再次揮發(fā)，不會(huì)造成二次污染，且植物纖維易分解，環(huán)境友好度高，方便后續(xù)的回收和處理。

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本團(tuán)隊(duì)研發(fā)了植物纖維硬包裝，包括固定邊框、植物纖維瓦楞板和植物纖維平板。其中植物纖維瓦楞板和植物纖維平板均設(shè)置為多塊，多塊植物纖維瓦楞板和多塊植物纖維平板交替并列排列并固定成一體，其中固定邊框環(huán)繞于植物纖維瓦楞板和植物纖維平板外并與植物纖維瓦楞板和植物纖維平板固定連接。由此，通過固定邊框?qū)⒔惶鎸盈B的植物纖維瓦楞板和植物纖維平板固定成一體，可形成一個(gè)完整的凈化單元。

參照?qǐng)D1和圖2，植物纖維硬包裝，包括固定邊框1、植物纖維瓦楞板2和植物纖維平板3。植物纖維瓦楞板2和植物纖維平板3均設(shè)置為多塊，多塊植物纖維瓦楞板2和多塊植物纖維平板3交替排列并固定成一體。固定邊框1環(huán)繞于植物纖維瓦楞板2和植物纖維平板3外并與植物纖維瓦楞板2和植物纖維平板3固定連接。

植物纖維瓦楞板2之間可采用粘接連接，固定邊框1與植物纖維瓦楞板2和植物纖維平板3之間可采用粘接連接。固定邊框1將植物纖維瓦楞板2和植物纖維平板3包裹成一長方體，長方體具有前后貫通的過氣通道可供污染氣體通過。污染氣體可以是油煙氣體也可以是工業(yè)生產(chǎn)中的有機(jī)物污染氣體。在污染氣體通過的過程中，污染氣體中的油份和有機(jī)物甚至一些粉塵被植物纖維吸附，可起到凈化污染氣體的作用。

參照?qǐng)D3和圖4，固定邊框1采用植物纖維材料制作。固定邊框1包括第一邊板11、第二邊板12、第三邊板13和第四邊板14、第一邊條15、第二邊條16、第三邊條17和第四邊條18，第一邊板11、第二邊板12、第三邊板13和第四邊板14依次連接成環(huán)。第一邊板11與植物纖維瓦楞板2或植物纖維平板3的板面連接，第三邊板13與植物纖維瓦楞板2或植物纖維平板3的板面連接，第二邊板12與植物纖維瓦楞板2和植物纖維平板3的邊緣連接，第四邊板14與植物纖維瓦楞板2和植物纖維平板3的邊緣連接。

使用時(shí)，可將多個(gè)本此研發(fā)的植物纖維硬包裝并列在一起形成植物纖維凈化器，再放入到油煙機(jī)或除油煙系統(tǒng)中使用。使用一段時(shí)間后，可將集滿油份的植物纖維硬包裝分別取出并更換，可確保在使用過程中植物纖維的整體硬度，使用和更換方便。

1.2 多葉離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

普通多葉離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)葉為60片，環(huán)保專用風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)為72片，360°的圓周每度安裝2片，與污染物接觸面積增大20%，以每鈔鐘1740切向飛出面的污染物速度拋向風(fēng)機(jī)蝸殼壁，為后續(xù)接收90%以上污染物創(chuàng)造條件。在葉輪軸垂直方向上每0.618處安裝一同心圓筋板共三塊，如圖6，D、C、E，B為電機(jī)方向端頭，A為進(jìn)氣口端頭，目的（1）是增加葉輪強(qiáng)度，減少震動(dòng)。（2）是控制油水切面飛出方向，即在離心力作用下定向飛向接收器，以利接收器對(duì)污染物的接收能力更強(qiáng)，吸附深度更深，防風(fēng)力作用下的脫逃[5-6]。接收器由植物纖維組成，固定在風(fēng)機(jī)鐵蝸殼與金屬篩網(wǎng)之間，接收器內(nèi)殼幾何形狀與離心多葉風(fēng)機(jī)蝸殼幾何形狀相同，風(fēng)機(jī)工作時(shí)，葉片上匯聚的油水PM2.5污染復(fù)雜混合物在筋板的護(hù)衛(wèi)下，定向切面方向飛向蝸殼。而被固定在蝸殼上的接收器植物纖維接收，該接收器防止了油水污染物的反彈擴(kuò)散，工作結(jié)束后余溫將水蒸發(fā)，而其他物質(zhì)則留于植物纖為中。接收器由植物纖維與油水吸咐比1∶1以上的植物纖維組成，具有較強(qiáng)的吸附油煙水氣PM2.5及其它顆粒物的能力。植物纖維接收器增加了蝸殼的強(qiáng)度減小了震動(dòng)，有一定的吸音消音效果（見圖5）。在出風(fēng)口安裝錐度油煙水氣污染混合物植物纖維接收器，相當(dāng)于在出風(fēng)口增加安裝了消音器[7]。只要烹飪或工業(yè)生產(chǎn)、焚燒油脂類要產(chǎn)生油煙水蒸氣及PM2.5復(fù)雜混合污染物的場(chǎng)所都適宜安裝使用該風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)與廚房PM2.5及污染氣體凈化機(jī)聯(lián)合使用效果會(huì)更好。

1.3 整套油煙凈化器

此高潔凈廚房油煙凈化機(jī)包括外殼和均設(shè)于外殼內(nèi)的風(fēng)機(jī)和植物纖維過濾器，外殼的下端設(shè)有主進(jìn)風(fēng)口，外殼的上端設(shè)有出風(fēng)口，風(fēng)機(jī)位于外殼的上部，風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口與外殼的出風(fēng)口連接，植物纖維過濾器為多個(gè)并依次填充于外殼的主進(jìn)風(fēng)口和風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口之間，外殼包括后擋板、側(cè)擋板、前擋板、人孔密封門和主進(jìn)風(fēng)口防火擋板，側(cè)擋板為兩塊并分別固定于后擋板的兩側(cè)和前擋板的兩側(cè)，后擋板的下端低于前擋板的下端，主進(jìn)風(fēng)口位于后擋板的下端，人孔密封門的一側(cè)邊與前擋板的下端相接，人孔密封門的另一側(cè)邊與主進(jìn)風(fēng)口防火擋板的一側(cè)邊相接，主進(jìn)風(fēng)口防火擋板的另一側(cè)邊與后擋板下端相接[8]。采用多個(gè)植物纖維過濾器可牢固地吸附油煙，在抽取污染氣體的同時(shí)對(duì)污染氣體進(jìn)行吸收凈化，排出干凈無煙的氣體，植物纖維凈化器使用一段時(shí)間后，可回收利用，不會(huì)造成二次污染。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便且吸收效率高。

2 ?結(jié)語

本次研發(fā)的高潔凈廚房油煙凈化機(jī)通過采用植物纖維制作的植物纖維過濾器以及合理的整體內(nèi)部及外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)過檢測(cè)驗(yàn)證，此油煙機(jī)對(duì)于PM2.5以及VOCs等的吸收效率可達(dá)97%。具有低耗能的特點(diǎn)，只需使用功率150W左右的電機(jī)就可完成家庭廚房凈化機(jī)的工作。而市售抽油煙機(jī)功率在180W～300W不等。平均節(jié)電功率在90W，全國使用年家庭節(jié)電50億度左右。生產(chǎn)1度電需要0.4kg標(biāo)煤或1KG原煤，排放污染物：0.272kg碳粉塵、0.997kg二氧化碳CO2、0.03kg二氧化硫SO2以及0.015kg氮氧化物NOX。由此，每年節(jié)約50億度電則可年減排污染量如下：碳粉塵136萬t、二氧化碳498.5萬t、二氧化硫15萬t、氮氧化物7.5萬t。每年可節(jié)省200萬t標(biāo)煤或500萬t原煤。具有節(jié)能環(huán)保特點(diǎn)，當(dāng)濾芯用過之后需要進(jìn)行一次更換。此時(shí)濾芯中含有大量生物油，對(duì)生物油進(jìn)行提取后，可用作鍋爐、渦輪機(jī)、柴油機(jī)等的燃料。凈化吸收器的余渣可用做飼料，有機(jī)肥料，建材，生產(chǎn)再生紙等。這樣做不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，而且能使資源充分利用。

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