“4合1”復(fù)合式餐飲業(yè)油煙凈化設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)

彭來強

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程系，浙江 溫州 325035）

“4合1”復(fù)合式餐飲業(yè)油煙凈化設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)

彭來強

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程系，浙江 溫州 325035）

為解決現(xiàn)有組合式油煙凈化設(shè)備本體阻力過大、體積龐大等問題，采用濕式噴霧噴淋、斜流風(fēng)機離心分離、旋轉(zhuǎn)濾芯過濾和液體吸收四種凈化技術(shù)，在傳統(tǒng)組合凈化技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加帶旋轉(zhuǎn)濾芯的斜流風(fēng)機凈化裝置，并對噴霧系統(tǒng)、汽水分離系統(tǒng)、油水分離系統(tǒng)等進行優(yōu)化，提高油煙凈化率。測試結(jié)果表明，該油煙凈化設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，本體阻力達標(biāo)，性能穩(wěn)定性好，運行與維護方便，大大提高了油煙凈化率。

餐飲業(yè)；油煙凈化設(shè)備；濕式噴淋；旋轉(zhuǎn)濾芯；離心分離；斜流風(fēng)機

0 引 言

餐飲油煙嚴(yán)重污染環(huán)境，造成鄰里糾紛，給人們的生命與健康帶來嚴(yán)重威脅，餐飲油煙凈化處理是一件亟待解決而未能很好解決的民生大事。烹飪過程中產(chǎn)生的油煙是由氣、液、固三相組成的氣溶膠，化學(xué)成分復(fù)雜，油煙微粒直徑變化范圍大（10-7～10-3cm）[1]，凈化處理難度較大。國內(nèi)外主要油煙凈化技術(shù)有機械物理、高壓靜電、濕式噴淋、熱氧化焚燒、等離子凈化、催化劑凈化等，這些技術(shù)均存在不足與局限性。為克服單一凈化技術(shù)的不足，復(fù)合式油煙凈化技術(shù)應(yīng)運而生。現(xiàn)有的組合式油煙凈化設(shè)備大多采用兩種至三種油煙凈化技術(shù)的組合，凈化率有待進一步提高，尤其是對油溫超過270℃以上產(chǎn)生的“青煙”微粒，凈化效果較差。另外，大部分組合式油煙凈化設(shè)備只是將不同凈化技術(shù)進行簡單的串聯(lián)、疊加，各級油煙凈化設(shè)備的結(jié)構(gòu)未經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，不能有機組合，存在設(shè)備本體阻力過大、體積龐大等問題。為解決現(xiàn)有組合式油煙凈化設(shè)備的局限性問題，本文設(shè)計一種“4合1”復(fù)合式餐飲業(yè)油煙凈化設(shè)備，采用濕式噴霧噴淋、旋轉(zhuǎn)濾芯過濾、斜流風(fēng)機離心分離和液體吸收四種凈化技術(shù)，在傳統(tǒng)組合凈化技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加帶旋轉(zhuǎn)濾芯的斜流風(fēng)機凈化裝置，并對噴霧系統(tǒng)、汽水分離系統(tǒng)、油水分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行改進，以期提高油煙凈化率。

1 “4合1”復(fù)合式餐飲業(yè)油煙凈化設(shè)備結(jié)構(gòu)

油煙凈化設(shè)備結(jié)構(gòu)由油煙收集輸送系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、汽水分離系統(tǒng)、油水分離系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、油污過濾回收系統(tǒng)和動力系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 油煙凈化設(shè)備結(jié)構(gòu)

1.1 油煙收集輸送系統(tǒng)

包括集煙罩、管道，進行油煙的收集與輸送，減少油煙逃逸。

1.2 凈化系統(tǒng)

包括由濕式洗滌、旋轉(zhuǎn)濾芯過濾、慣性分離和液體吸收四種凈化技術(shù)組成的四級凈化裝置，負責(zé)對油煙進行冷卻、凈化。

1.3 汽水分離系統(tǒng)

主要結(jié)構(gòu)為脫水器，實現(xiàn)汽與水的分離功能，含油的水溶液流入水箱，氣體通過排放管排出。

1.4 油水分離系統(tǒng)

運用隔油水箱進行油水分離，廢油通過管道流入回收裝置，防止二次污染。

1.5 水循環(huán)系統(tǒng)

由濾網(wǎng)、水泵、上水管、噴頭、下水管、浮球自動補水器、清洗劑補給器等組成，負責(zé)實現(xiàn)洗滌液循環(huán)使用。

1.6 油污過濾回收系統(tǒng)

收集從隔油水箱里溢出來的油污，防止二次污染。

1.7 動力系統(tǒng)

由斜流風(fēng)機組件構(gòu)成，既是整臺設(shè)備的動力來源，也是凈化裝置的核心部件。

2 “4合1”復(fù)合式餐飲業(yè)油煙凈化設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)

油煙凈化設(shè)備七個系統(tǒng)分工合作，共同完成油煙凈化過程，如圖2所示。斜流風(fēng)機在電機的驅(qū)動下開始工作，設(shè)備內(nèi)部形成負壓，含油煙氣被吸入集煙罩，通過煙道輸送到凈化系統(tǒng)，經(jīng)過濕式噴霧噴淋、旋轉(zhuǎn)濾芯過濾、斜流風(fēng)機離心分離和液體吸收四級凈化，油煙微粒被捕獲分離，與水溶液一起進入脫水器，進行汽水分離，含油水溶液進入隔水箱進行油水分離，凈化空氣通過排煙管道排入大氣。七個裝置中油煙收集與輸送裝置和油污收集裝置采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本文重點對凈化系統(tǒng)、汽水分離系統(tǒng)、油水分離系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)和動力系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，使油煙凈化設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，提高油煙凈化率。

圖2 油煙凈化設(shè)備凈化流程

2.1 凈化系統(tǒng)的優(yōu)化

油煙凈化系統(tǒng)采用“4合1”復(fù)合式凈化結(jié)構(gòu)，依次由濕式噴霧噴淋、旋轉(zhuǎn)濾芯過濾、斜流風(fēng)機離心分離和液體吸收四種凈化技術(shù)對含油煙氣進行充分冷卻、洗滌、過濾、凈化，如圖3所示。

圖3 油煙凈化設(shè)備四級凈化方案

（1）一級凈化采用濕式噴霧噴淋凈化技術(shù)，該技術(shù)屬于慣性碰撞捕獲凈化技術(shù)。根據(jù)慣性碰撞理論，碰撞效應(yīng)可以斯托克斯數(shù)[2]表達為：

其中，u0為油煙氣流與噴霧相對速度（m/s）；ρp為油煙微粒密度（kg/m3）；dp, dw分別為油煙微粒和液滴直徑（m）；μg為氣體動力粘度（pa.s）。

由（1）式可知，斯托克斯數(shù)與油煙微粒直徑的平方成正比，與油煙氣流和噴霧的相對速度成正比，與液滴微粒直徑成反比。當(dāng)斯托克斯數(shù)小于一個臨界值時，油煙微粒不會被捕獲；當(dāng)其大于該臨界值時，油煙微粒才會被捕獲。因此，一級凈化裝置主要用于去除中大顆粒油煙微粒，而對微小顆粒的“青煙”凈化效果比較差。

為提高慣性碰撞凈化率，對噴霧系統(tǒng)加以改進。一是在凈化筒內(nèi)按一定間隔設(shè)置若干組噴頭，噴頭方向與煙氣運動方向相反，形成細密的立體霧場，增加霧滴與煙氣的相對碰撞速度u0，提升對油煙的捕獲能力。二是根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，液滴尺寸在40～200μm范圍內(nèi)凈化效果較好，100μm時效果最佳[3]。據(jù)此噴霧粒度取100～200μm，并選擇噴頭，兼顧霧粒粒度和噴頭防堵問題。三是充分利用輸送煙道至斜流風(fēng)機之間的空間，合理設(shè)置噴頭位置與噴頭數(shù)量，增加有效凈化距離L和凈化時間，提升油煙微粒與水霧的接觸概率，提高凈化率。

油煙凈化設(shè)備一級凈化裝置如圖4所示。

圖4 油煙凈化設(shè)備一級凈化裝置

（2）二級凈化通過旋轉(zhuǎn)濾芯得以實現(xiàn)。傳統(tǒng)設(shè)備的過濾系統(tǒng)由多層疊加的金屬濾網(wǎng)組成，濾網(wǎng)太薄過濾效果差，太厚則阻力太大，而且必須定期清洗。本設(shè)計旋轉(zhuǎn)濾芯安裝在高速旋轉(zhuǎn)的斜流風(fēng)機葉輪前盤前端，跟隨斜流風(fēng)機一起作高速旋轉(zhuǎn)，濾芯的錐面與煙氣方向垂直。高速旋轉(zhuǎn)的濾芯，加強了對含油煙氣的切割與碰撞作用，提高了過濾效果。另外，在濾芯上方設(shè)置一個實心錐噴頭，噴霧與濾芯錐面正交，噴滴在濾網(wǎng)的切割作用下而進一步細化。一方面，噴灑在濾芯上的洗滌液在旋轉(zhuǎn)濾芯高速旋轉(zhuǎn)帶動下，因離心力的作用沿徑向方向“射出”，形成細密的過濾水網(wǎng)，它與旋轉(zhuǎn)金屬網(wǎng)一起對油煙進行過濾與捕獲，構(gòu)成凈化油煙的第二級凈化機構(gòu)；另一方面，洗滌液中加有適當(dāng)濃度的親水親油基表面活性劑，噴到旋轉(zhuǎn)濾芯上會產(chǎn)生細小泡沫并粘附在濾網(wǎng)表面，金屬網(wǎng)、水網(wǎng)、泡沫共同作用完成對油煙的過濾凈化，水泡的存在增加了對油煙微粒的捕獲能力。這種濕式旋轉(zhuǎn)濾芯動態(tài)過濾方式，不僅可過濾大中粒度的油煙微粒，而且對細微的油煙微粒也有較好的過濾效果，可實現(xiàn)有效去除異味的目的。由于高速旋轉(zhuǎn)的離心力作用與洗滌液的清洗作用，油污不會粘附在濾網(wǎng)上，濾芯具有自動清潔與防阻塞功能，無需定期清洗，從而降低了運行與維護成本。

油煙凈化設(shè)備二級凈化裝置如圖5所示。

圖5 油煙凈化設(shè)備二級凈化裝置

（3）三級凈化采用慣性碰撞凈化和離心分離凈化兩種凈化技術(shù)，在斜流風(fēng)機[4]的葉輪內(nèi)部進行。實心錐噴頭將噴霧噴到錐面濾芯上，經(jīng)碰撞、切割而二次細化，由離心力作用加速“甩出”，在葉輪內(nèi)部形成均勻細密的霧場，與含油煙氣組成混合氣流，在葉輪內(nèi)部作高速螺旋式運動，氣流處于強烈的紊流狀態(tài)，油煙微粒和凈化液微粒發(fā)生劇烈碰撞并被捕獲，再次對油煙進行濕式噴霧噴淋凈化。同時在葉輪內(nèi)部，油煙微粒和含油液滴由于粒度與質(zhì)量較大，在離心力作用下被甩到凈化筒外殼，匯成液體流向脫水器外層空間。氣體在運動中受到的離心力與徑向運動的阻力基本相等，沒有徑向的運動，進入脫水器的內(nèi)層空間，經(jīng)排煙管排出。

油煙凈化設(shè)備三級凈化裝置如圖6所示。

（4）四級凈化采用液體吸收凈化技術(shù)[5]，其凈化機理符合氣液雙膜吸收理論[6]。吸收凈化主要發(fā)生在凈化筒的內(nèi)壁、斜流風(fēng)機外殼的內(nèi)壁及脫水器的內(nèi)壁與底部四處。由于噴霧和斜風(fēng)機離心的作用，四處壁面形成連續(xù)穩(wěn)定的液膜，含油煙氣流經(jīng)這些表面時，與洗滌液發(fā)生接觸，油煙中的有害顆粒物從氣相中脫除到液體中，從而達到凈化效果。根據(jù)雙膜吸收理論，在水中加入適量的洗滌劑，利用洗滌劑與油的親和性，可提高凈化率。

圖6 油煙凈化設(shè)備三級凈化裝置

油煙凈化設(shè)備經(jīng)過四級凈化的優(yōu)化設(shè)計，改變了傳統(tǒng)組合式油煙凈化設(shè)備的簡單串聯(lián)、疊加的組合方法，四級凈化有機組合成一個不可分割的整體，使其設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，提高了油煙凈化率。本設(shè)備慣性碰撞噴淋凈化和液體吸收凈化貫穿于整個凈化路徑全程，帶旋轉(zhuǎn)濾芯的斜流風(fēng)機既為設(shè)備提供動力來源，又對油煙進行過濾凈化、離心分離凈化及慣性碰撞凈化；噴霧系統(tǒng)的優(yōu)化與凈化路徑的加長提高了傳統(tǒng)濕式凈化率，杜絕了火災(zāi)隱患。可見，旋轉(zhuǎn)濾芯與濕式噴淋的組合彌補了傳統(tǒng)過濾式凈化技術(shù)的不足，提高了對油煙微粒的凈化效果，具有自動清潔免清洗功能，降低了運行與維護成本。

2.2 汽水分離系統(tǒng)的優(yōu)化

汽水分離在脫水器（見圖7）內(nèi)實現(xiàn)。斜流風(fēng)機出口的混合氣流，含有大量水汽，必須經(jīng)過脫水處理才能排入大氣，否則出口含水率將會超標(biāo)[7]。混合氣體在斜流風(fēng)機的離心力作用下，油煙微粒與水霧微粒由于粒徑與質(zhì)量較大，受到的離心力大于徑向運動阻力，被甩到外筒內(nèi)壁，與洗滌液混合后經(jīng)脫水器內(nèi)外筒之間的間隙流入外層“空腔”。氣體分子由于質(zhì)量較輕，離心力不足以克服運動阻力，所以經(jīng)過脫水器中間通道由出風(fēng)口排入大氣，從而實現(xiàn)汽水分離。

脫水器底部設(shè)有下水管，洗滌水溶液經(jīng)過下水管流入隔油水箱。在設(shè)備運行過程中，由于液流阻力的存在，脫水器內(nèi)壁及底部會始終動態(tài)地積聚著一定量的洗滌水溶液。在設(shè)備停止運行時，對隔油水箱進行回灌反沖進入隔油水箱，實現(xiàn)隔油水箱的溢油功能。

圖7 油煙凈化設(shè)備脫水器

2.3 油水分離系統(tǒng)的優(yōu)化

儲水箱設(shè)計為隔油水箱（見圖8），油水混合物經(jīng)下水管、均布管均勻進入水箱一端，再流經(jīng)傾斜（A≈60°）等間距放置的一組導(dǎo)流板分隔出的空間，越過隔離擋板底部通道到達水箱另一端。均布管的作用是使含油液流在沿水箱寬度W方向上均勻穩(wěn)定地流入水箱，導(dǎo)流板組的作用是減少水力半徑，降低雷諾數(shù)。

圖8 油煙凈化設(shè)備隔油水箱

根據(jù)水力學(xué)原理，對于矩形斷面，有：

其中，R為斷面水力半徑（mm），w為斷面寬度（mm），d為斷面高度（mm），Re為液流雷諾數(shù)，v為導(dǎo)流斜板中的液流速度（mm/s），γ為液流的運動粘滯系數(shù)（mm2/s）。

在（2）式中，令w=n×d，則矩形截面水力半徑為：

由于w遠大于d，故（4）式中n遠大于1，所以R≈d/2。根據(jù)（3）式，在液流速度v與運動粘度γ不變的情況下，液流雷諾數(shù)Re與水力半徑R成正比。均布液流在矩形隔油水箱中的流動截面為長方形，由于導(dǎo)流板的分隔，長方形截面的高度由原來的水箱高度H減少為斜板間距d，所以雷諾數(shù)大大減少，使得含油液流可在穩(wěn)態(tài)層流狀態(tài)下從水箱一端流到另一端，有利于油粒從水中分離、上浮。在水箱的兩端各設(shè)置一個高出水箱面板的集油口，其內(nèi)設(shè)置一個溢油管，溢油口的高度介于水箱面板與集油口高度之間（H1=H2≈25mm），分離出來的浮油飄浮聚集于水箱集油口處。當(dāng)設(shè)備關(guān)停時，水泵停止工作，脫水器內(nèi)的剩余液體回流倒灌進入水箱，水位升高，油污由溢油口溢出，經(jīng)溢油管排出，被油污收集器收集。水箱另一端設(shè)置有濾網(wǎng)圍成的清水區(qū)，濾網(wǎng)用來過濾油污與雜質(zhì)，避免異物進入水循環(huán)系統(tǒng)，損傷水泵，堵塞噴頭。清水經(jīng)過水泵重新泵出，經(jīng)上水管進入噴霧系統(tǒng)，開始下一個循環(huán)。

2.4 水循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化

水循環(huán)系統(tǒng)由濾網(wǎng)、水泵、上水管、噴頭、下水管、浮球自動補水器、清洗劑補給器等元器件組成，負責(zé)實現(xiàn)洗滌液循環(huán)使用。每次設(shè)備開機運行時，由該補給器注入洗滌液，維持洗滌液的合適濃度。設(shè)備運行過程中進水與出水保持動態(tài)平衡，水位下降時浮球控制自動補水器向水箱補充自來水。隔油水箱定期更換清水。

2.5 動力系統(tǒng)的優(yōu)化

斜流風(fēng)機在實現(xiàn)凈化功能的同時，還在主電機的帶動下產(chǎn)生負壓，為整個設(shè)備提供動力來源。電機安裝在保護筒內(nèi)，避免了淋濕受潮損壞或引發(fā)事故（見圖6）。

3 結(jié)束語

“4合1”復(fù)合式餐飲業(yè)油煙凈化設(shè)備采用濕式噴霧噴淋、旋轉(zhuǎn)濾芯過濾、斜流風(fēng)機離心分離和液體吸收四種凈化技術(shù)，對油煙進行復(fù)合凈化，濕式噴霧噴淋和斜流風(fēng)機主要負責(zé)凈化大中粒徑的油煙微粒，旋轉(zhuǎn)濾芯的濕式過濾對大中小所有粒徑的油煙微粒均有較好的捕獲效果，大大提高了油煙凈化率。經(jīng)浙江省環(huán)境保護產(chǎn)品檢驗中心檢測，產(chǎn)品各項指標(biāo)均符合GB 18483—2001《飲食業(yè)油煙排放標(biāo)準(zhǔn)（試行）》[8]與HJT 62—2001《飲食業(yè)油煙凈化設(shè)備技術(shù)要求及檢測技術(shù)規(guī)范（試行）》[7]的標(biāo)準(zhǔn)要求。測試結(jié)果表明，設(shè)備性能穩(wěn)定，具有結(jié)構(gòu)緊湊、自潔防火、脫水率與脫油率高等優(yōu)點，運行與維護方便，油煙凈化率高。本設(shè)計已獲得兩項實用新型專利[9-10]，發(fā)明專利已進入實審階段。目前，餐飲業(yè)油煙凈化設(shè)備研制方法主要依靠油煙凈化理論知識、經(jīng)驗數(shù)據(jù)及現(xiàn)場樣機測試等方式，下一步研究重點是運用CFD軟件對設(shè)備結(jié)構(gòu)與參數(shù)進行數(shù)值模擬與仿真分析，為進一步進行優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

[1] 梁衍魁.餐飲業(yè)烹調(diào)油煙氣的組成與危害及凈化方法探討[J].能源與環(huán)境，2004（1）：43-44.

[2] ORTEGA-RIVAS E，SVAROVSKY L.Generalized Stokes Number for Modeling Settling of Non-New tonian Slurries in Dynam ic Separators[J]. Advanced Powder Technology，1998（1）：1-16.

[3] 譚天佑，梁鳳珍.工業(yè)通風(fēng)除塵技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1984：333.

[4] 區(qū)穎達，吳克啟.提高軸流及斜流風(fēng)機性能的試驗研究[J].風(fēng)機技術(shù)，1989：30-34.

[5] 龐明軍，黎定標(biāo)，孫懋.油煙凈化方法及凈化機理[J].南昌工程學(xué)院學(xué)報，2003（1）：58-62.

[6] 丁鎖根.氣液反應(yīng)雙膜論吸收速率及計算應(yīng)用[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2000（3）：4-6.

[7] 中華人民共和國國家環(huán)境保護總局.飲食業(yè)油煙凈化設(shè)備技術(shù)要求及檢測技術(shù)規(guī)范（試行）：HJ/T 62—2001[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2001：4.

[8] 中華人民共和國國家環(huán)境保護總局，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.飲食業(yè)油煙排放標(biāo)準(zhǔn)（試行）：GB 18483-2001[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2001：1-2.

[9] 彭來強.油煙機的油煙濕式凈化裝置：ZL 201620374574.X[P].2016-04-21.

[10] 彭來強.油煙機的油水分離箱：ZL 201620374571.6[P].2016-04-21.

[責(zé)任編輯：南秀蓉]

Design and Realization of “Four in One” Com posite Smoke Exhaust Purifying Equipment for the Food and Beverage Industry

PENG Laiqiang
(Mechanical Engineering Department, Wenzhou Vocational & Technical College, Wenzhou, 325035, China)

In order to solve the problems of excessive resistance force and large size of the combined smoke exhaust purifying equipment, the design employs four purifying technologies-wet atom izing and spraying, rotating f lter cartridge, f ltering, side-f ow ing fan centrifugation, and liquid absorption. On the basis of the traditional combined purifying technology, the design adds rotating f lter to the side-f ow ing purifying equipment, optim izes sprayer system, moisture separation system, and oil-water separation system in order to increase the purifying rate. The test results show that this new purifying equipment has a compact structure, a standard-achieved resistance force, a well-functioning performance, and a convenient operation and maintenance, and largely increases the purifying rate.

Food and beverage industry; Smoke exhaust purifying equipment; Wet spraying; Rotating f lter; Centrifugation; Side-f ow w ind

TM 925.57; X701.2

A

1671-4326 (2017) 02-0046-05

DO I: 10.13669/j.cnki.33-1276/z.2017.033

2017-04-28

溫州市科技計劃項目（G20140008）

彭來強（1968—），男，浙江瑞安人，溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系講師.