船用集氣罩煙氣排放數值模擬研究

楊海燕，張益誠，王洋

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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船用集氣罩煙氣排放數值模擬研究

楊海燕，張益誠，王洋

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

針對船用集氣罩實際使用中可能面對的問題，數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排風等情況。結果顯示，靠壁型油煙集氣罩可以通過安排每1個灶對應一個可調抽風口，每2個吸風口連接1個裝置出風口，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排風時可在各個支路設置調風門，增強排氣效果。

煙氣排放；集氣罩；數值模擬

廚房在作業(yè)時產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的空氣品質，威脅廚房內工作人員的健康[1]，甚至會影響附近設備的正常工作。因此，空調通風系統設計時廚房應是設計重點，將系統設計和設備設計相結合，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環(huán)境。

1 集氣罩設計原理

船舶廚房空調通風系統通常采用機械送風和機械排風相結合的方式[2]，且與其他艙室的通風系統分開。通過機械排風使廚房保持負壓狀態(tài)，在排出廚房內產生的油煙和蒸汽的同時，確保不外溢至通道或其他位置。考慮到廚房不能回風，廚房用空調器必須采用全新風空調器，用于調節(jié)廚房內空氣溫度和濕度[3]。

集氣罩是廚房內通風系統核心設備，廚房內通風效果與集氣罩的抽風效果密切相關。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構設計和布置在不同的位置均會對廚房內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，靠墻壁一側抽風，其他方向送風。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，空調風和機械送風圍繞集氣罩布置。通過形成穩(wěn)定的氣流組織，使產生的油煙沿著氣流由廚房排出。

為加強集氣罩排煙效果，必要時可以在灶臺外側送風形成風幕防止熱氣散發(fā)出來，并在集氣罩內側送風口送風，引導煙氣排出。通過對氣幕風口結構進行優(yōu)化設計，使氣幕出風均勻，提高了氣幕的風速，使其能夠更好地將灶臺上方煙氣與外部形成氣流隔斷[4]。

當廚房排風機工作時，集氣罩吸風口附近形成負壓，周圍空氣從四周進入吸氣口，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，集氣罩應控制罩口到爐灶之間的距離在設計范圍內。

考慮橫向氣流影響的接收罩排風量的為

(1)

式中:F′為考慮橫向氣流影響而擴大罩口的面積，即罩口面積減去熱射流面積；u′為罩口擴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，抽風口在集氣罩上方，在集氣罩四周設置集油槽，集氣罩內設置油煙過濾器。當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。靠壁型集氣罩通常安裝平板式油淋板吸風口。

方案一。油煙集氣罩的抽風面是一整排油淋板，如圖1所示。

采用兩相流模型對該型集氣罩抽氣效果進行仿真分析，灶眼產氣假設為一個大氣壓的飽和蒸汽，房間補氣來自房門。模擬結果顯示，該方案的優(yōu)點是油淋板面積大，吸風口的流速和阻力相對較低，缺點是由于阻力較小，產生了靠近集氣罩排風管道處的抽風速度大，遠離排風管道處的抽風速度小，整個油淋板抽風面流速不均勻，抽氣效果也不均勻，差異較大。這種設計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。在方案一的基礎上進行調整，重新設計整個集氣罩的抽風面。抽氣效果如圖3所示。這樣，一方面減小抽風面的面積，提高抽風速度，同時使每個灶對應一個抽風口，使每個鍋產生的油煙氣能快速被抽走并每2個吸風口連接一個裝置出風口，使每個灶上方的抽氣速度更均勻。仿真結果如圖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計，其吸風口可以設計為可調式，從而在某灶眼不用時可關閉其上方的抽風口，使相鄰的其他吸風口有更好的排煙效果。

2.2 爐灶在廚房中央

對于爐灶設置在廚房中央的情況，油煙集氣罩可以采用中央型的設計。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。

蒸飯箱等設備的產熱量和蒸汽排放量大，雖然不產生油煙，但同樣需要設置集氣罩排風，以達到除濕和除熱的目的。考慮到排出的蒸汽中含有大量水分，不經處理將影響到整個排風管道及相關的周邊的濕熱環(huán)境，因此蒸汽集氣罩在罩內集成設置了冷凝器、冷媒水量的調節(jié)閥、專用循環(huán)風機、凝水收集機構以及溫度測量及顯示設備，通過由系統送冷媒水，使熱蒸汽在集汽罩內進行冷凝，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。改善房間的工作環(huán)境，并通過去除蒸汽，抽蒸汽比例達到95%以上，有利于房間內其他設備和管道的防腐。

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

3 結論

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1個可調抽風口，每2個吸風口連接1個裝置出風口，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，應采用鐘形集氣罩，并使集氣罩的投影面積大于灶臺，從而應對煙氣或蒸汽瞬間大量上升的情況，煙氣不易逃逸。

3)主食加工間等產生大量蒸汽的廚房中，多個蒸汽集氣罩并聯排風時可在各個支路設置調風門，增強排氣效果。

[1] 范宗明.廚房油煙污染凈化技術應用探討[J].環(huán)境保護與循環(huán)經濟，2010(3):46-49.

[2] 安毓輝.船舶廚房通風系統設計[J].船舶，2003(3):38-40.

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

[4] 張小兵.集氣罩合理設計[J].機械設計制造，2008(1):28-30.

[5] 龐明軍.集氣罩的設計原理及其流暢數值模擬[J].輕工機械，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目

楊海燕(1976—)，女，碩士，高工

研究方向：船舶總體設計

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0150-03

修回日期：2017-03-27