高效濾芯油煙凈化器的研發

徐慶崇 李富華 江學頂 汪汝杰 沈于凱 許偉城

摘 ? 要：本文所研發的廚房油煙凈化機，包括外殼和均設于外殼內的風機和植物纖維過濾器，外殼的下端設有主進風口，外殼的上端設有出風口，風機位于外殼的上部，風機的出風口與外殼的出風口連接，植物纖維過濾器為多個并依次填充于外殼的下部。采用多個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對污染氣體進行吸收凈化，排出干凈無煙的氣體，植物纖維凈化器使用一段時間后，可回收利用，不會造成二次污染。設備結構簡單、使用方便且吸收效率高。

關鍵詞：植物纖維 ?濾芯 ?PM2.5 ?VOCs ?多葉離心風機

中圖分類號：X51 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（c）-0110-04

餐飲業是現代人生活不可缺少的重要部分，而廚房產生的油煙污染對環境和人體造成巨大的傷害。目前市場上抽油煙機主要采用技術有靜電吸收、UV光解、活性炭吸附等，產品普遍能耗強，價格高，產生二次污染等弊病，并且靜電處理需要頻繁清洗，及其耗費人力物力，UV光解過程產生高能臭氧。油煙凈化技術已經突破了“可自然沉降大顆?！焙汀胺€定部分氣溶膠顆粒”的凈化技術難關，但并未能真正的去除污染物如PM2.5、VOCs。因此目前整個行業面臨的技術突破點是尋找造價和使用費用低廉的、可長時間持續工作、低二次污染的高效除油煙技術，并能夠從源頭真正吸收吸附PM2.5、VOCs等油煙小顆粒物質[1]。大量揮發性油脂以及PM2.5會被排放到外界大氣環境中，這在某種程度上是造成大氣污染的主要因素之一[2]。在國家生態文明理念指導下，結合理論實驗及實際應用，本團隊研發出一種能完全吸收污染氣體的濾芯，此濾芯費用低、來源廣。同時結合人機工程學及空氣動力學設計出多葉離心風機，運用阿基米德螺旋線定理成功開發出具有收煙除霾功能的高潔凈油煙凈化器。

1 ?設計部分

1.1 濾芯制作

濾芯是以植物纖維為基礎，并在其關鍵節點上擔載一定量的多孔礦物或礦物纖維材料作為吸附活性中心，同時采用多種環保材料及試劑設計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。本項目研發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。參考類似濾芯實驗[3]得到當纖維質量比為4∶1、單位面積質量100g/m2、緊度為0.27g/cm3、透氣量為220L/（m2·s）時，樣品可將大氣中PM2.5含量由269μg/m3（六級重度污染），一次吸附過濾后降至10.7μg/m3（一級優），去除率為96%。在此基礎上進行預實驗，并進一步詳細展開[4]，研究出對A纖維質量比、B樣品單位面積質量，C緊度（緊度 = 單位面積質量/厚度）、D透氣孔直徑對PM2.5，及VOCs的吸收效率。既對油煙有較高的吸收效果，又能夠較好滿足透氣量的要求。每個因素取三個水平，采用L9（37）正交表安排試驗（見表1），實驗結果和分析如下表1所示。

實驗表明當纖維質量比為4.2∶1、單位面積質量110.4g/m2、緊度為0.28g/cm3、氣孔直徑為9.0mm是達到最有效果，對PM2.5吸收效率均可高達97%以上。在此基礎上設計出濾芯對VOCs吸收的正交實驗設計，結果如表2所示。

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

在實驗數據的基礎上，本團隊研發了植物纖維硬包裝，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，通過固定邊框將交替層疊的植物纖維瓦楞板和植物纖維平板固定成一體，可形成一個完整的凈化單元。

參照圖1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生產中的有機物污染氣體。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。

參照圖3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。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，可將多個本此研發的植物纖維硬包裝并列在一起形成植物纖維凈化器，再放入到油煙機或除油煙系統中使用。使用一段時間后，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 多葉離心風機設計

普通多葉離心風機的風葉為60片，環保專用風機葉片設計為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機蝸殼壁，為后續接收90%以上污染物創造條件。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為電機方向端頭，A為進氣口端頭，目的（1）是增加葉輪強度，減少震動。（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，以利接收器對污染物的接收能力更強，吸附深度更深，防風力作用下的脫逃[5-6]。接收器由植物纖維組成，固定在風機鐵蝸殼與金屬篩網之間，接收器內殼幾何形狀與離心多葉風機蝸殼幾何形狀相同，風機工作時，葉片上匯聚的油水PM2.5污染復雜混合物在筋板的護衛下，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散，工作結束后余溫將水蒸發，而其他物質則留于植物纖為中。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度減小了震動，有一定的吸音消音效果（見圖5）。在出風口安裝錐度油煙水氣污染混合物植物纖維接收器，相當于在出風口增加安裝了消音器[7]。只要烹飪或工業生產、焚燒油脂類要產生油煙水蒸氣及PM2.5復雜混合污染物的場所都適宜安裝使用該風機，該風機與廚房PM2.5及污染氣體凈化機聯合使用效果會更好。

1.3 整套油煙凈化器

此高潔凈廚房油煙凈化機包括外殼和均設于外殼內的風機和植物纖維過濾器，外殼的下端設有主進風口，外殼的上端設有出風口，風機位于外殼的上部，風機的出風口與外殼的出風口連接，植物纖維過濾器為多個并依次填充于外殼的主進風口和風機的進風口之間，外殼包括后擋板、側擋板、前擋板、人孔密封門和主進風口防火擋板，側擋板為兩塊并分別固定于后擋板的兩側和前擋板的兩側，后擋板的下端低于前擋板的下端，主進風口位于后擋板的下端，人孔密封門的一側邊與前擋板的下端相接，人孔密封門的另一側邊與主進風口防火擋板的一側邊相接，主進風口防火擋板的另一側邊與后擋板下端相接[8]。采用多個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對污染氣體進行吸收凈化，排出干凈無煙的氣體，植物纖維凈化器使用一段時間后，可回收利用，不會造成二次污染。設備結構簡單、使用方便且吸收效率高。

2 ?結語

本次研發的高潔凈廚房油煙凈化機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部及外形結構設計，經過檢測驗證，此油煙機對于PM2.5以及VOCs等的吸收效率可達97%。具有低耗能的特點，只需使用功率150W左右的電機就可完成家庭廚房凈化機的工作。而市售抽油煙機功率在180W～300W不等。平均節電功率在90W，全國使用年家庭節電50億度左右。生產1度電需要0.4kg標煤或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。每年可節省200萬t標煤或500萬t原煤。具有節能環保特點，當濾芯用過之后需要進行一次更換。此時濾芯中含有大量生物油，對生物油進行提取后，可用作鍋爐、渦輪機、柴油機等的燃料。凈化吸收器的余渣可用做飼料，有機肥料，建材，生產再生紙等。這樣做不會對環境造成二次污染，而且能使資源充分利用。

參考文獻

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[3] 杜玉成，孫靖忠，張時豪，等.PM2.5高效吸附過濾礦物復合材料制備及性能研究[J].非金屬礦，2016，39（5）：34-37.

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[7] 陳炬.關于吸油煙機氣動噪聲降噪的仿真分析[A]. 中國家用電器協會.2017年中國家用電器技術大會論文集[C].中國家用電器協會：《電器》雜志社，2017.

[8] 李秋萍.家用智能高效潔凈吸油煙機的外形設計與研究[D].東南大學，2018.