靜電式油煙凈化器電暈區(qū)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究

宋云安

（1.青島興邦電器有限公司；2.山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

餐飲業(yè)油煙污染已經(jīng)是城市空氣污染的三大主要因素之一，其具有分布面廣、排放頻率高、低空排放、無組織排放等顯著特點。國家環(huán)保總局嚴(yán)令要求全國各省、市、自治區(qū)、直轄市環(huán)境保護局（廳）和環(huán)境保護重點城市環(huán)境保護局將油煙污染問題列入正常環(huán)境管理工作范圍；嚴(yán)格禁止油煙污染源的無組織排放，無通風(fēng)設(shè)備和凈化裝置的要強制安裝通風(fēng)設(shè)施和凈化裝置。排放標(biāo)準(zhǔn)要符合《飲食業(yè)油煙排放標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB18483-2001)。

靜電式油煙凈化器是一種新型凈化裝置，以其便捷、高效、易清洗、噪音小等特點被應(yīng)用于油煙的清理。本文利用正交試驗設(shè)計將電暈區(qū)參數(shù)對油煙顆粒荷電量的影響重要性進行排序，進而對電暈區(qū)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

1 油煙凈化器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 油煙凈化器工作原理

靜電式油煙凈化器是由外殼、電場、電源及機械過濾網(wǎng)組成。凈化器電場為雙區(qū)式靜電吸附型，原理如圖1所示，含煙廢氣被風(fēng)機吸入管道后，油滴污染物進入高壓靜電場，靜電場內(nèi)部分兩級，第一級為電暈區(qū)，強電場使空氣中微粒荷電，油煙顆粒進入電暈區(qū)后吸附帶電粒子成為帶電微粒，這些帶電微粒到達第二級吸附區(qū)后立刻被收集電極吸附，最后通過濾網(wǎng)格柵，潔凈的空氣排出室外。

圖1 凈化器工作原理

當(dāng)電暈區(qū)電壓升高到鎢絲的起暈電壓以上時，電暈極附近區(qū)域內(nèi)的氣體被電離產(chǎn)生負離子和自由電子。在高壓電場的作用下，這些自由電子運動速度加快，當(dāng)它們與中性氣體分子碰撞時，其能量足以使其釋放出另外的自由電子，從而產(chǎn)生新的正離子和自由電子，發(fā)生電子雪崩。在電子雪崩過程中，電暈極里有大量的自由電子和負離子逸出，飛向陽極。當(dāng)帶有污染物的小顆粒氣溶膠體通過電場時，自由電子和負離子就會在運動中不斷地碰撞并吸附到油煙微粒上，從而使油煙顆粒帶電。

1.2 電暈區(qū)結(jié)構(gòu)

每個電暈區(qū)由一系列鎢絲線組成，安裝在一系列接地板中間，并接負高電壓。如圖2所示，大氣中的微粒在通過電暈區(qū)的強力靜電場時，被電離并帶有負電荷。

圖2 電暈區(qū)結(jié)構(gòu)圖

2 油煙顆粒荷電情況影響因素分析

通過油煙粒子荷電數(shù)量來體現(xiàn)電暈區(qū)的電暈效果，粒子荷電公式如式(1)所示：

式中，qs為顆粒荷電數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)，E為電場強度，dp為顆粒半徑，由式可看出，油煙粒子荷電數(shù)主要與電場和顆粒半徑有關(guān)，電場越大，粒子能累積電荷數(shù)越多，粒子半徑越大，所能帶電荷也隨之越多。

本文利用正交試驗設(shè)計法，將電暈區(qū)各參數(shù)即電壓、線板間距等對顆粒荷電效果的影響重要性進項排序，再利用對比參照實驗的方法，即改變其中一個參數(shù)的值，固定其他參數(shù)，查看改變參數(shù)對荷電效果的影響。

3 正交試驗設(shè)計

正交試驗設(shè)計法(簡稱正交法)是統(tǒng)計數(shù)學(xué)的重要分支，它是以概率論數(shù)理統(tǒng)計、專業(yè)技術(shù)知識和實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，充分利用標(biāo)準(zhǔn)化的正交表來安排試驗方案，并對試驗結(jié)果進行計算分析，最終達到減少試驗次數(shù)，縮短試驗周期，迅速找到優(yōu)化方案的一種科學(xué)計算方法。

正交試驗法內(nèi)容如下。

電暈放電特性的影響因素主要有線板間距、鎢絲半徑、電壓、介質(zhì)的介電常數(shù)、空氣濕度等。在常溫干燥空氣介質(zhì)下，電暈放電特性與鎢絲直徑、線板間距以及電暈電壓有關(guān)。采用正交試驗法對靜電式油煙凈化器電場電暈區(qū)的不同參數(shù)，即鎢絲直徑、線板間距、外加電壓進行優(yōu)化。

表1為因素水平表。由于大部分油煙顆粒直徑為1μm以下，因此選取直徑為0.1μm油煙顆粒的累積電荷數(shù)作為不同因素水平的指標(biāo)。影響靜電式油煙凈化器電暈特性的有三個因素A、B、C，分別對應(yīng)為鎢絲直徑、線板間距和外加電壓。通過正交設(shè)計實驗得：因素影響順序為A（鎢絲直徑）>B（線板間距）>C（外加電壓）。

表1 因素水平表

4 comsol多物理場軟件仿真

顆粒半徑主要為0.01～10μm，顆粒半徑與顆粒荷電數(shù)的關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同顆粒半徑的累積電荷數(shù)

根據(jù)正交試驗設(shè)計法得到的因素影響重要性，利用comcol多物理場軟件，仿真分析靜電式油煙凈化器電場電暈區(qū)中鎢絲直徑、線板間距、電壓對電暈特性的影響以及電暈區(qū)對顆粒的荷電情況，并對正交試驗設(shè)計法進行驗證。

4.1 電暈效果與鎢絲直徑的關(guān)系

保持電暈電壓為15kV、線板間距2.29cm不變，對不同直徑鎢絲情況下的電暈區(qū)進行仿真，結(jié)果如圖4所示。可看出，鎢絲直徑越大，粒子累積電荷數(shù)越少。

4.2 電暈效果與線板間距的關(guān)系

保持鎢絲直徑為0.25mm、電暈電壓為15kV不變，對不同線板間距下的電暈區(qū)進行仿真，結(jié)果如圖4所示。可看出，線板間距越大，粒子累積電荷數(shù)越少。

圖4 不同鎢絲直徑下粒子累積電荷數(shù)

4.3 電暈效果與電壓的關(guān)系

保持鎢絲直徑為0.25mm,線板間距為2.29cm不變，對不同電壓下的電暈區(qū)進行仿真，結(jié)果如圖6所示。可看出，電暈電壓越大，粒子累積電荷數(shù)越大。

圖6 不同電壓下粒子累積電荷數(shù)

4.4 仿真結(jié)果分析

通過comsol多物理場軟件進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)鎢絲直徑、線板間距、外加電壓確實對電暈效果產(chǎn)生影響。且鎢絲直徑、線板間距越大，電暈效果越差，油煙粒子進入電暈區(qū)后荷電效果越差；外加電壓越大，電暈效果越好，油煙粒子進入電暈區(qū)后荷電效果越好。

5 結(jié)語

通過對該靜電式油煙凈化器內(nèi)部電場電暈區(qū)進行模擬計算，觀察其內(nèi)部電場電暈區(qū)不同參數(shù)對顆粒荷電量的影響，研究發(fā)現(xiàn)：（1）該凈化器電場電暈區(qū)結(jié)構(gòu)，即鎢絲直徑、線板間距取值較為合理，通過comsol軟件仿真可以看出，粒子荷電能力與顆粒直徑有關(guān)，直徑越大，荷電能力越強。（2）利用正交試驗設(shè)計法得到參數(shù)對顆粒荷電量影響重要性，并用comsol軟件對相應(yīng)參數(shù)模型進行仿真，驗證算法的正確性，為以后結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論支持。

圖5 不同線板間距下粒子累積電荷數(shù)