集烟罩对侧吸式抽油烟机排烟效率的影响

(常州大学石油工程学院，江苏 常州 213164)

0 引言

厨房油烟含有300多种对人有害的物质，增加了人们患肺癌的几率[1]。抽油烟机能有效排出油烟污染物，减少对烹饪人员的伤害，改善厨房工作环境。集烟罩主要是约束油烟外溢，并保证结构可与厨房整体相协调，方便实用。考虑设计方便，数值分析和产品优化设计相结合就成为了一种趋势[2]。南京大学朱玉振[3]对三种抽油烟机的流场矢量分布进行分析，提出一种斜风式新型抽油烟机。李朝振[4]采用实验和仿真相结合的方法对抽油烟机在各种工况下的性能进行了研究，总结了抽油烟机外部浓度场和流场的分布规律。马柯等[5]指出集烟罩采用挂壁式斜面集风设计，低位安装，可以增强抽油烟机的吸排功能。孟永哲[6]采用实验与模拟的方法研究了抽油烟机罩导流板的笼烟效果，确定不同结构罩排烟效率不同。Lim[7]采用CFD方法模拟分析了集烟罩挡板对厨房排油烟效果的影响，发现挡板安装距离近，排烟效率高。华中科技大学谢军龙等[8]研究了蝶形导烟板集烟罩和平板型导烟板集烟罩等两种集烟罩对欧式顶吸式油烟机排烟效率的影响，结果表明蝶形导烟板集烟罩排烟效果较佳。综上，已有文献对集烟罩形状对侧吸式油烟机排烟效率的影响研究较少。

本文利用数值模拟的方法研究了集烟罩形状对侧吸式油烟机排烟效率的影响，分析了不同工况下厨房内油烟浓度的分布情况，为侧吸式油烟机的结构优化提供理论支撑。

1 物理模型

图1是典型的家用厨房结构简图，尺寸为3 600 mm×1 800 mm×2 600 mm(长×宽×高)，灶台高800 mm，宽500 mm，抽油烟机形式为侧吸式，油烟机的安装高度1 150 mm。模拟时进行如下简化：省略部分厨具、出风管道，油烟产生面简化为两个直径为320 mm的圆，人简化成450 mm × 200 mm×1 650 mm(长×宽×高)的长方体。图2a和b分别为本文研究的平板型和弧型两种集烟罩的结构示意图。

2 数值方法

2.1 控制方程

假设厨房内烟气流动为稳态湍流，忽略能量方程中由于粘性作用而引起的能量耗散。厨房内烟气流动满足连续性方程、能量方程、动量方程、标准k-ε方程及组分运输方程，具体表达如公式(1)～(4)[9]：

连续性方程

(1)

动量方程

(2)

能量方程

(3)

组分运输方程

(4)

式中i=1,2,3；j=1,2,3；

u——室内空气速度；

T——室内空气温度；

ε——湍流脉动动能耗散率；

P——空气压力；

k——湍流脉动动能；

μi——湍流动力粘性系数；

ρ——空气密度；

μ——层流动力粘度；

Cp——定压比热容；

β——流体体积膨胀系数；

Pr——普朗特数；

q——热流密度；

C——烟气浓度；

cc——常数；

Fc——烟气发生率。

2.2 边界条件

厨房门为空气入口，类型为压力入口型，压力取0 Pa，空气温度为20 ℃。竖风机面设为压力出口，根据多翼离心风机静压-流量曲线图[8]，风量10 m3/min对应压力-80 Pa，风量16 m3/min对应压力-102 Pa。油烟产生面为速度入口，油烟温度设为70 ℃。实际油烟组分复杂，模拟时可采用质量含量为5%的CO模拟空气中的油烟[10]，所有的固体壁面设为绝热且无滑移壁面。表1给出了慢档低压和快档高压四种工况下油烟面油烟产生速率和风机排风量情况。

表1模拟工况工作条件

工况排风量/m3·min-1油烟产生速率/m·s-1慢档低压工况1100.4工况2100.6快档高压工况3160.7工况4161.0

2.3 离散方法

运用SIMPLE算法对速度和压力的耦合进行求解，近壁区采用标准壁面函数法处理。动量项为二阶迎风格式，湍流动能和湍流耗散率均为一阶迎风格式。计算收敛的残差标准和连续性残差设置为10-4，能量残差为10-6。计算域采用非结构性网格划分，在出风口、油烟产生面等速度变化大的区域进行局部加密，网格数量为1 401 827，网格EquiAangle Skew值平均在0.4～0.5之间，符合要求。

3 模拟结果与分析

选取集烟罩中心截面(截d=1 800 mm)作为特征面，分析四种工况下平板型集烟罩和弧型集烟罩对厨房内空气流场、烟气浓度场和油烟排除效率的影响。

3.1 厨房内油烟浓度分布

图3和图4分别是慢档低压风量下不同油烟发生速率时平板型集烟罩和弧型集烟罩油烟机的油烟浓度分布图。当油烟产生速率为0.4 m/s，两种集烟罩油烟机均能有效地排走油烟，对烹饪人员呼吸区域(图中半径为30 mm的圆圈区域)不会产生影响，采用弧型集烟罩时，油烟集中在吸风口附近，没有明显的逃逸现象，而采用平板型集烟罩时油烟扩散范围较大，但也不会进入烹饪人员呼吸区域。当油烟产生速率增加到0.6 m/s时，平板型集烟罩不能及时捕集产生的油烟，部分油烟逃逸进入烹饪人员呼吸区域，最大油烟浓度达到8.4 mg/m3，而弧型集烟罩仍能较好地及时将油烟捕集在吸风口附近，略有少许油烟逃逸到烹饪人员呼吸区域，最大油烟浓度仅为1.1 mg/m3。

图5和图6分别是快档高压风量下不同油烟发生速率时平板型集烟罩和弧型集烟罩油烟机的油烟浓度分布图。当油烟产生速率为0.7 m/s时，平板型集烟罩下油烟主要集中在吸风口附近，油烟虽有发散趋势烹饪人员呼吸区域最大油烟浓度为2.8 mg/m3。而弧型集烟罩能有效捕集油烟，油烟在吸风口下部区域就会被及时排走。当油烟产生速率为1.0 m/s时，采用平板型集烟罩时油烟逃逸明显，有部分油烟扩散到厨房其它非烹饪区，烹饪人员呼吸区域充满了油烟，最大油烟浓度高达11.2 mg/m3，而弧型集烟罩对应的油烟主要集中在吸风口区，进入人员呼吸区域的油烟浓度最大仅为2.8 mg/m3。

3.2 室内空气速度分布

图7和图8分别是慢档低压风量下不同油烟发生速率时平板型集烟罩和弧型集烟罩油烟机对应的室内空气流线图。从图中可以发现，两种集烟罩对应的室内空气都有从顶部向下运动的趋势，当油烟发生速率为0.4 m/s时，平板型集烟罩油烟机对应的厨房内部产生了大小不同的多个空气涡核，分布较广，最大的涡核产生在厨房墙壁处，阻碍了油烟的排出，导致油烟扩散范围大。当油烟发生速率为0.6 m/s时，采用平板型集烟罩油烟机时人的背后和油烟机上方形成多个空气涡核，分布范围大，严重阻碍了油烟排出，而采用弧型集烟罩油烟机时空气从底部向上运动，形成的空气涡核均分布在墙壁附近，对油烟阻碍较小。

图9和图10分别是快档高压风量下不同油烟发生速率时平板型集烟罩和弧型集烟罩油烟机对应的室内空气流线图。当油烟发生速率为0.7 m/s时，两种集烟罩对应的室内空气均有涡核形成，但分布区域大小不同，当油烟发生速率增大到1 m/s时，平板型集烟罩油烟机油烟对应的室内空气先是由下向上经过房顶后再向下运动，在左下方形成一个较大涡核，大部分油烟汇聚在此涡核，采用弧型集烟罩油烟机产生的空气涡核位于人的后方，油烟汇聚后经过人体被风机排出。

3.3 油烟排除效率

厨房抽油烟机的油烟排除效率η可用公式(5)[10]来表示

(5)

式中n——出风口处CO摩尔浓度/mol·L-1；

v2——CO排出速度/m·s-1，根据风机风量以及出风口面积确定；

A2——出风口的面积/m2，为0.414 m2；

Vm——标准大气压下CO的摩尔体积/L·moL-1，24 L/mol；

v1——油烟产生速度/m·s-1，根据不同工况取不同值；

A1——油烟产生面面积/m2，取0.161 m2；0.05——CO所占混合气体的体积百分比。

将上述不同工况下模拟获得的风机排风口处CO的浓度值带入公式(5)，得到两种集烟罩对应的油烟机排烟效率，结果如表2所示。从表中可以看出，慢档低压风量下，当油烟发生速率为0.4 m/s时，弧型集烟罩比平板型集烟罩对应的CO出口浓度增加了3.6%，排烟效率增加了0.6%；当油烟发生速率增加到0.6 m/s时，弧型集烟罩比平板型集烟罩对应的CO出口浓度增加了5.8%，排烟效率增加了4.5%；快档高压风量下，油烟发生速率为0.7 m/s时，弧型集烟罩比平板型集烟罩对应的CO出口浓度增加了4.4%，排烟效率增加了3.5%；当油烟发生速率增加到1.0 m/s时，弧型集烟罩比平板型集烟罩对应的CO出口浓度增加了11.5%，排烟效率增加了9.2%。总而言之，油烟发生率较低时，两种集烟罩的油烟排除效率相当，随着油烟发生速率增加，两种集烟罩的油烟排除效率都有所降低，但弧型集烟罩的油烟排除效率更高些。

表2各工况出口处浓度和排烟效率

工况出口浓度mol/L排烟效率平板型集烟罩弧型集烟罩平板型集烟罩/[%]弧型集烟罩/[%]慢档低压工况18.81×10-59.13×10-590.190.7工况21.03×10-41.09×10-480.785.2快档高压工况31.15×10-41.20×10-484.988.4工况41.47×10-41.64×10-477.286.4

4 结论

(1)慢档低压情况下，油烟发生率低时，两种集烟罩排烟效率皆在90%左右，随着油烟发生速率逐渐增加，弧形集烟罩较之平板型集烟罩出口处烟气浓度更高，排烟效率增大4.5%。

(2)快档高压情况下，随着油烟发生速率增加，两种集烟罩排烟效果差距越加明显，弧型集烟罩比平板型集烟罩排烟效率最高增大9.2%。