吸油煙機對燃氣灶性能影響研究

劉夢茹 丁濼火 汪春節 王運發 陳茜

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

隨著生活水平的提高，燃氣灶和吸油煙機已成為人們日常生活中必不可少的廚房電器。目前對于單個燃氣灶研究甚多，一些學者對燃氣灶鍋支架高度、燃燒器結構等進行探究[1-4]。中國家庭以煎炸爆炒為主，這些烹飪方式會產生大量油煙，吸油煙機可以快速吸走燃氣灶烹飪時產生的油煙，降低對人體皮膚、呼吸道等產生的不良影響，但同時吸油煙機的開啟改變了燃氣灶上方空間的空氣流動狀態，對燃氣灶的性能造成一定的影響。鄧鵬飛[5]等運用數值模擬的方法研究了集成灶吸煙距離和風機風壓對燃氣灶熱效率的影響，從而優化集成灶的結構參數。側吸式吸油煙機十分受中國家庭的喜愛，銷售量逐年遞增，“超大風量、超強風壓”技術能夠有效地解決油煙回流問題，但是會不可避免地干擾燃氣灶燃燒。

現如今許多燃氣灶產品通過燃燒器結構優化、增加聚能圈等方式提高能效，但對于開啟吸油煙機時燃氣灶的性能變化研究甚少。GB 16410-2020《家用燃氣灶具》中對嵌入式燃氣灶、臺式灶、集成灶分別作出使用性能要求，其中集成灶未開啟吸排油煙裝置和開啟吸排油煙裝置要求并不相同，可見在燃氣灶使用過程中開啟吸排油煙裝置是存在影響的[6]。針對嵌入式燃氣灶及臺式灶，在開啟吸油煙機與未開啟吸油煙機的情況下，國標中并未有相關的要求。燃氣灶的熱效率的提高有助于我國的節能減排，提高能源利用，對消費者而言可以降低生活成本[7]。因此開展在開啟吸油煙機狀態下燃氣灶的性能研究是十分必要的，本文選取在市面占比較大的側吸式吸油煙機進行對比研究，定量分析用戶使用的幾種典型場景下吸油煙機工作時對燃氣灶性能的影響。同時通過仿真手段進行理論分析，客觀評價“大風量吸油煙機”在家庭烹飪中對燃氣灶性能的影響。

2 實驗及仿真設計

選取我司生產的某款燃氣灶及側吸式吸油煙機進行實驗。按照GB 16410-2020《家用燃氣灶具》中要求，在未開啟吸油煙機時，燃氣灶熱負荷、煙氣及熱效率性能測試環境為試驗灶具周圍1 m處，空氣流動速度≤0.1 m/s[6]，燃氣壓力為2000 Pa，同時使用標準鍋進行測試，測試時燃氣灶風門開度保持不變。該實驗的測試系統如圖1所示，包括燃氣灶、吸油煙機、供氣系統、煙氣測量系統及溫度測量系統。其中供氣系統包括氣體運輸管道以及氣體流量計W-NKDa-1A。煙氣測量系統包括煙氣分析儀Testo350及煙氣取樣器，煙氣取樣器根據要求放置于距離鍋底面20 mm～40 mm范圍內，均勻采集煙氣。實驗工況具體如下：

圖1 實驗場景搭建

（1）不同風量（吸油煙機的檔位）：在實際生活中，用戶會根據烹飪方式調整吸油煙機的檔位以滿足要求。本實驗在吸油煙機五種運行檔位下（1檔、2檔、3檔、4檔、爆炒檔）對我司燃氣灶做性能測試，吸油煙機實測風量數據如表1所示。

表1 吸油煙機不同檔位實測風量數值表

（2）不同安裝高度：GB 4706.28-2008中7.12.1要求若吸油煙機安裝在燃氣爐灶上方，該距離應至少為65 cm[8]。本文選取的側吸式吸油煙機說明書安裝高度建議值范圍為350～400 mm，考慮到一些消費者為了追求更好的吸煙效果，沒有根據建議高度進行安裝，而是一味地降低安裝高度，吸油煙機實際安裝高度范圍更大，在本實驗中選取非建議范圍內的安裝高度265 mm（后文中稱為“極限低位安裝高度”）。由于吸油煙機的實際安裝高度決定了對燃氣灶周圍空氣的干擾程度，選擇吸油煙機不同的安裝高度（極限低位安裝高度265 mm、建議安裝高度365 mm）進行對比測試。

（3）仿真模型的建立：為了能夠更加深入地探究吸油煙機運行對燃氣灶使用過程中的影響，根據吸油煙機使用時的實際情況建立簡化模型，如圖2a）所示，重點關注鍋具周圍的空氣流動狀態。利用MESH對模型進行網格劃分，在吸油煙機及鍋具局部進行網格加密，網格數約為130萬，如圖2b）所示。將劃分好網格的模型導入FLUENT進行設置求解，采用K-epsilon湍流模型進行穩態計算，計算過程中采用分離求解器SIMPLE算法，動量、湍流動能、湍流耗散率差分格式設置為二階迎風。由于僅探究限制空間內的空氣流動，因此忽略溫度因素。邊界條件是將吸油煙機后側面與灶臺面設置為WALL，空間其他壁面均設為OPENING，吸油煙機出口處設定已知風量質量流量。

圖2 物理模型

3 實驗分析

（1）吸油煙機安裝高度為365 mm狀態下對燃氣灶性能影響

在吸油煙機運行狀態下，依據GB 16410-2020《家用燃氣灶具》對燃氣灶進行熱負荷、煙氣及熱效率測試，由于綜合考慮測試環境中的溫度、氣壓、燃氣濕度等影響因素，對測試結果修正為標準狀態下的熱負荷，即為實測折算熱負荷。隨著吸油煙機開啟檔位的增加風量變大，燃氣灶熱負荷沒有變化，實測折算熱負荷為3.984 kW，其計算公式為[6]：

式中：Φ-實測折算熱負荷，kW；Q1設-15℃，101.3 kPa狀態下設計氣的低熱值，MJ/m3；υ-實測燃氣流量，m3/h；da-基準狀態下干試驗氣的相對密度；dmg-基準狀態下干設計氣的相對密度；pamb-試驗時的大氣壓力，kPa；ps-設計時使用的額定燃氣供氣壓力，kPa；pm-實測燃氣流量計內的燃氣相對靜壓力，kPa；pg-實測灶具前的燃氣相對靜壓力，kPa；tg-實測燃氣流量計內的燃氣溫度，℃；S-溫度為tg時的飽和水蒸氣壓力，kPa；0.622-水蒸氣理想氣體的相對密度。

吸油煙機安裝高度365 mm測試數據如表2。吸油煙機安裝高度365 mm下燃氣灶性能變化如圖3。由圖3可見，熱效率隨著風量的增大呈降低趨勢，且變化明顯。同時吸油煙機工作時，使得燃氣灶燃燒受到周圍空氣流動的影響，導致煙氣中CO含量呈現增大趨勢，但規律并不明顯。

表2 吸油煙機安裝高度365 mm測試數據

圖3 吸油煙機安裝高度365 mm下燃氣灶性能變化

（2）吸油煙機安裝高度為265 mm狀態下對燃氣灶性能影響

吸油煙機安裝高度265 mm測試數據如表3。吸油煙機安裝高度265 mm下燃氣灶性能變化如圖4。由圖4可以看出，吸油煙機安裝高度為265 mm的情況下，變化趨勢與吸油煙機安裝高度365 mm的狀態下基本一致，在吸油煙機運行過程中，風量增大，能效降低，但煙氣變化幅度并不顯著，可見在該范圍內風量的改變對煙氣造成的影響較小。

表3 吸油煙機安裝高度265 mm測試數據

圖4 吸油煙機安裝高度265 mm下燃氣灶性能變化

不同高度下燃氣灶熱效率變化如圖5。由圖5可知，在吸油煙機未開啟的情況下燃氣灶熱效率高達67.73%，在吸油煙機安裝高度為365 mm同時開啟爆炒檔時，燃氣灶熱效率為65.32%，下降了2.41%；吸油煙機安裝高度為265 mm同時開啟爆炒檔，燃氣灶熱效率為64.09%，下降了3.64%。可見吸油煙機安裝高度為265 mm時（極限安裝高度），對燃氣灶熱效率的影響較大。

圖5 不同高度下燃氣灶熱效率變化

4 仿真分析

由圖6可以看出，在使用吸油煙機的情況下，鍋具周圍的空氣流動發生明顯變化。從吸油煙機側面流速分布圖a）可以看出在鍋具與墻體之間的空間區域A存在不均勻的速度分布，而鍋具與開放空間的區域B部分位置流速較大，氣體流動明顯。由吸油煙機正面流速分布圖b）可見，鍋具周圍區域C、D均存在空氣快速流動的狀況。這是由于康達效應（即附壁效應）造成，灶臺面與鍋具改變了空氣原來的流動方向，改為沿著灶臺面與鍋具表面流動。

圖6 流速分布圖

由圖7可以看出吸油煙機下方區域形成負壓區，造成鍋具周圍的空氣流動發生明顯變化，鍋具周圍空氣均流向吸油煙機進風口。可見當吸油煙機開啟時，燃氣灶的二次空氣補充量發生變化，導致燃燒分布不均勻，局部燃燒不完全，從而造成煙氣CO含量升高的現象。圖7a）顯示鍋具與墻體之間的空間區域A及鍋具上方區域E存在渦流現象。這是由于有遮擋墻面的一側空間有限，空氣流動方向雜亂無章，發生渦流現象，干擾燃氣灶的燃燒效果。而無遮擋面一側，空氣沿著灶臺面進行快速流動。

圖7 速度矢量圖

燃氣灶輸入總熱量與釋放總能量遵循能量守恒定律，根據能量守恒定律得[9]：

式中：Qi-換熱過程中的總輸入熱量，kJ；Qo-換熱過程中的總輸出熱量，kJ；Qa-空氣帶入的熱量，kJ；Qg-燃氣帶入的熱量，kJ；Qgc-燃氣燃燒產生的化學熱（以低熱值計），kJ；Qb-鍋中水吸收的熱量，kJ；Qf-煙氣帶走的熱量，kJ；Qc-燃燒過程中火焰對外輻射熱損失，kJ；η-熱效率。

鍋具周圍空氣溫度分布如圖8所示。在燃氣灶加熱鍋具的過程中，無吸油煙機運行的情況下，周圍空氣會朝向燃燒區域進行氧氣補充，使燃燒更加充分。燃燒過程中產生的高溫煙氣與周圍空氣由于存在溫差從而發生熱交換，導致部分熱量散失，即煙氣帶走的熱量Qf。同時燃氣灶為明火燃燒，火焰對外部環境進行熱輻射導致一部分熱損失Qc，這也是消費者在使用燃氣灶時感受到酷熱的主要原因。圖8可見在加熱鍋具時周圍存在高溫煙氣及已被加熱空氣的溫度分布，離火源及鍋具越遠，溫度會逐漸下降。靠近鍋體的高溫煙氣及已被加熱空氣會與鍋體進行少量的熱交換。

圖8 燃氣灶燃燒狀態下鍋具周圍空氣溫度分布

由圖9可以觀察到鍋具周圍空氣流動的方向與速率分布，可見由于吸油煙機的使用導致周圍的空氣流動發生變化，由于吸油煙機的吸力作用，導致吸油煙機附近的區域變為負壓區，外界補充的空氣均朝向吸油煙機流動，干擾了空氣對燃燒區域的補充，導致燃燒充分性降低，從而煙氣中CO含量呈升高趨勢。同時吸油煙機運行時會加快鍋具周圍高溫煙氣及已被加熱空氣的流動速率，鍋具周圍的空氣均朝向吸油煙機進風口流入，降低了鍋具與高溫煙氣及已被加熱空氣的熱量交換，鍋中水吸收的熱量Qb有所下降，從而導致燃氣灶熱效率下降。

圖9 三維速度矢量圖

5 結論

近年來城市住宅高層化以及中國傳統的烹飪習慣決定了吸油煙機大風量的趨勢，同時為了解決油煙回流的問題，許多品牌商不斷開發大風量吸油煙機。大風量技術改變了我們的生活，它能夠使油煙極速吸排，減少油煙對消費者的傷害。但吸油煙機與燃氣灶是配套使用的，吸油煙機的使用會對燃氣灶的性能造成一定影響，本文通過研究，得出具體結論如下：

（1）在吸油煙機運行的情況下，燃氣灶熱效率隨著風量的增大呈降低趨勢，煙氣中CO含量呈現上升趨勢，但變化不大且無明顯規律。

（2）吸油煙機安裝高度越低、鍋具周圍的空氣受到的干擾越明顯，對燃氣灶性能影響越大。吸油煙機安裝高度在極限低位、爆炒檔時，對燃氣灶熱效率影響最高可達到3.64%左右，本次實驗實測最大風量為20.38 m3/min左右。現如今市場追求大風量，市面上吸油煙機風量達到21 m3/min的產品數不勝數，當吸油煙機風量更大時，影響將會更明顯。

（3）通過仿真看出由于吸油煙機的運行，造成周圍空氣均朝向吸油煙機進風口流動，鍋具周圍的空氣流動尤為明顯，從而造成了熱效率的降低、煙氣中CO含量的升高。吸油煙機工作時，負壓區域將烹飪時的油煙吸走的同時，也減弱了燃氣灶高溫煙氣與烹飪器具之間的對流換熱。

（4）本文通過研究開啟的吸油煙機對燃氣灶性能的影響，可以看出用戶在安裝吸油煙機時要依據國標或說明書中給出的建議安裝高度進行安裝，不能一味追求吸油煙的效果。同時也可對用戶進行提醒，減少大火爆炒，可采用更加健康的烹飪方式等，減少油煙的產生。從產品設計角度出發，針對吸油煙機的康達效應，燃氣灶可配備聚能圈結構提升能效的保留率。對吸油煙機而言，在設計產品過程中可以考慮提高負壓集中區與烹飪時油煙區的重合度，使得小風量也能達到更好的油煙抽吸效果，從而減少吸油煙機對燃氣灶能效的影響。