靜電式油煙凈化器電暈區參數優化設計研究

宋云安

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

餐飲業油煙污染已經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。國家環保總局嚴令要求全國各省、市、自治區、直轄市環境保護局（廳）和環境保護重點城市環境保護局將油煙污染問題列入正常環境管理工作范圍；嚴格禁止油煙污染源的無組織排放，無通風設備和凈化裝置的要強制安裝通風設施和凈化裝置。排放標準要符合《飲食業油煙排放標準(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、噪音小等特點被應用于油煙的清理。本文利用正交試驗設計將電暈區參數對油煙顆粒荷電量的影響重要性進行排序，進而對電暈區結構進行優化設計。

1 油煙凈化器結構與工作原理

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、電源及機械過濾網組成。凈化器電場為雙區式靜電吸附型，原理如圖1所示，含煙廢氣被風機吸入管道后，油滴污染物進入高壓靜電場，靜電場內部分兩級，第一級為電暈區，強電場使空氣中微粒荷電，油煙顆粒進入電暈區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后立刻被收集電極吸附，最后通過濾網格柵，潔凈的空氣排出室外。

圖1 凈化器工作原理

當電暈區電壓升高到鎢絲的起暈電壓以上時，電暈極附近區域內的氣體被電離產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，從而產生新的正離子和自由電子，發生電子雪崩。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 電暈區結構

每個電暈區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的強力靜電場時，被電離并帶有負電荷。

圖2 電暈區結構圖

2 油煙顆粒荷電情況影響因素分析

通過油煙粒子荷電數量來體現電暈區的電暈效果，粒子荷電公式如式(1)所示：

式中，qs為顆粒荷電數，ε0為真空介電常數，E為電場強度，dp為顆粒半徑，由式可看出，油煙粒子荷電數主要與電場和顆粒半徑有關，電場越大，粒子能累積電荷數越多，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計法，將電暈區各參數即電壓、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的值，固定其他參數，查看改變參數對荷電效果的影響。

3 正交試驗設計

正交試驗設計法(簡稱正交法)是統計數學的重要分支，它是以概率論數理統計、專業技術知識和實踐經驗為基礎，充分利用標準化的正交表來安排試驗方案，并對試驗結果進行計算分析，最終達到減少試驗次數，縮短試驗周期，迅速找到優化方案的一種科學計算方法。

正交試驗法內容如下。

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

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作為不同因素水平的指標。影響靜電式油煙凈化器電暈特性的有三個因素A、B、C，分別對應為鎢絲直徑、線板間距和外加電壓。通過正交設計實驗得：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的關系如圖3所示。

圖3 不同顆粒半徑的累積電荷數

根據正交試驗設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中鎢絲直徑、線板間距、電壓對電暈特性的影響以及電暈區對顆粒的荷電情況，并對正交試驗設計法進行驗證。

4.1 電暈效果與鎢絲直徑的關系

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進行仿真，結果如圖4所示。可看出，鎢絲直徑越大，粒子累積電荷數越少。

4.2 電暈效果與線板間距的關系

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進行仿真，結果如圖4所示。可看出，線板間距越大，粒子累積電荷數越少。

圖4 不同鎢絲直徑下粒子累積電荷數

4.3 電暈效果與電壓的關系

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進行仿真，結果如圖6所示。可看出，電暈電壓越大，粒子累積電荷數越大。

圖6 不同電壓下粒子累積電荷數

4.4 仿真結果分析

通過comsol多物理場軟件進行仿真分析，發現鎢絲直徑、線板間距、外加電壓確實對電暈效果產生影響。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后荷電效果越好。

5 結語

通過對該靜電式油煙凈化器內部電場電暈區進行模擬計算，觀察其內部電場電暈區不同參數對顆粒荷電量的影響，研究發現：（1）該凈化器電場電暈區結構，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，直徑越大，荷電能力越強。（2）利用正交試驗設計法得到參數對顆粒荷電量影響重要性，并用comsol軟件對相應參數模型進行仿真，驗證算法的正確性，為以后結構優化提供理論支持。

圖5 不同線板間距下粒子累積電荷數