“4合1”復合式餐飲業油煙凈化設備的設計與實現

彭來強

（溫州職業技術學院 機械工程系，浙江 溫州 325035）

“4合1”復合式餐飲業油煙凈化設備的設計與實現

彭來強

（溫州職業技術學院 機械工程系，浙江 溫州 325035）

為解決現有組合式油煙凈化設備本體阻力過大、體積龐大等問題，采用濕式噴霧噴淋、斜流風機離心分離、旋轉濾芯過濾和液體吸收四種凈化技術，在傳統組合凈化技術的基礎上，增加帶旋轉濾芯的斜流風機凈化裝置，并對噴霧系統、汽水分離系統、油水分離系統等進行優化，提高油煙凈化率。測試結果表明，該油煙凈化設備結構緊湊，本體阻力達標，性能穩定性好，運行與維護方便，大大提高了油煙凈化率。

餐飲業；油煙凈化設備；濕式噴淋；旋轉濾芯；離心分離；斜流風機

0 引 言

餐飲油煙嚴重污染環境，造成鄰里糾紛，給人們的生命與健康帶來嚴重威脅，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。烹飪過程中產生的油煙是由氣、液、固三相組成的氣溶膠，化學成分復雜，油煙微粒直徑變化范圍大（10-7～10-3cm）[1]，凈化處理難度較大。國內外主要油煙凈化技術有機械物理、高壓靜電、濕式噴淋、熱氧化焚燒、等離子凈化、催化劑凈化等，這些技術均存在不足與局限性。為克服單一凈化技術的不足，復合式油煙凈化技術應運而生。現有的組合式油煙凈化設備大多采用兩種至三種油煙凈化技術的組合，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備只是將不同凈化技術進行簡單的串聯、疊加，各級油煙凈化設備的結構未經優化設計，不能有機組合，存在設備本體阻力過大、體積龐大等問題。為解決現有組合式油煙凈化設備的局限性問題，本文設計一種“4合1”復合式餐飲業油煙凈化設備，采用濕式噴霧噴淋、旋轉濾芯過濾、斜流風機離心分離和液體吸收四種凈化技術，在傳統組合凈化技術的基礎上，增加帶旋轉濾芯的斜流風機凈化裝置，并對噴霧系統、汽水分離系統、油水分離系統結構進行改進，以期提高油煙凈化率。

1 “4合1”復合式餐飲業油煙凈化設備結構

油煙凈化設備結構由油煙收集輸送系統、凈化系統、汽水分離系統、油水分離系統、水循環系統、油污過濾回收系統和動力系統組成，如圖1所示。

圖1 油煙凈化設備結構

1.1 油煙收集輸送系統

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

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

1.3 汽水分離系統

主要結構為脫水器，實現汽與水的分離功能，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

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 水循環系統

由濾網、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，負責實現洗滌液循環使用。

1.6 油污過濾回收系統

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

由斜流風機組件構成，既是整臺設備的動力來源，也是凈化裝置的核心部件。

2 “4合1”復合式餐飲業油煙凈化設備的設計與實現

油煙凈化設備七個系統分工合作，共同完成油煙凈化過程，如圖2所示。斜流風機在電機的驅動下開始工作，設備內部形成負壓，含油煙氣被吸入集煙罩，通過煙道輸送到凈化系統，經過濕式噴霧噴淋、旋轉濾芯過濾、斜流風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結構。本文重點對凈化系統、汽水分離系統、油水分離系統、水循環系統和動力系統進行優化設計，使油煙凈化設備結構緊湊，提高油煙凈化率。

圖2 油煙凈化設備凈化流程

2.1 凈化系統的優化

油煙凈化系統采用“4合1”復合式凈化結構，依次由濕式噴霧噴淋、旋轉濾芯過濾、斜流風機離心分離和液體吸收四種凈化技術對含油煙氣進行充分冷卻、洗滌、過濾、凈化，如圖3所示。

圖3 油煙凈化設備四級凈化方案

（1）一級凈化采用濕式噴霧噴淋凈化技術，該技術屬于慣性碰撞捕獲凈化技術。根據慣性碰撞理論，碰撞效應可以斯托克斯數[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。當斯托克斯數小于一個臨界值時，油煙微粒不會被捕獲；當其大于該臨界值時，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，對噴霧系統加以改進。一是在凈化筒內按一定間隔設置若干組噴頭，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。二是根據有關經驗數據，液滴尺寸在40～200μm范圍內凈化效果較好，100μm時效果最佳[3]。據此噴霧粒度取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機之間的空間，合理設置噴頭位置與噴頭數量，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。

油煙凈化設備一級凈化裝置如圖4所示。

圖4 油煙凈化設備一級凈化裝置

（2）二級凈化通過旋轉濾芯得以實現。傳統設備的過濾系統由多層疊加的金屬濾網組成，濾網太薄過濾效果差，太厚則阻力太大，而且必須定期清洗。本設計旋轉濾芯安裝在高速旋轉的斜流風機葉輪前盤前端，跟隨斜流風機一起作高速旋轉，濾芯的錐面與煙氣方向垂直。高速旋轉的濾芯，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，在濾芯上方設置一個實心錐噴頭，噴霧與濾芯錐面正交，噴滴在濾網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濾芯高速旋轉帶動下，因離心力的作用沿徑向方向“射出”，形成細密的過濾水網，它與旋轉金屬網一起對油煙進行過濾與捕獲，構成凈化油煙的第二級凈化機構；另一方面，洗滌液中加有適當濃度的親水親油基表面活性劑，噴到旋轉濾芯上會產生細小泡沫并粘附在濾網表面，金屬網、水網、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。這種濕式旋轉濾芯動態過濾方式，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，可實現有效去除異味的目的。由于高速旋轉的離心力作用與洗滌液的清洗作用，油污不會粘附在濾網上，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。

油煙凈化設備二級凈化裝置如圖5所示。

圖5 油煙凈化設備二級凈化裝置

（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，在斜流風機[4]的葉輪內部進行。實心錐噴頭將噴霧噴到錐面濾芯上，經碰撞、切割而二次細化，由離心力作用加速“甩出”，在葉輪內部形成均勻細密的霧場，與含油煙氣組成混合氣流，在葉輪內部作高速螺旋式運動，氣流處于強烈的紊流狀態，油煙微粒和凈化液微粒發生劇烈碰撞并被捕獲，再次對油煙進行濕式噴霧噴淋凈化。同時在葉輪內部，油煙微粒和含油液滴由于粒度與質量較大，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，進入脫水器的內層空間，經排煙管排出。

油煙凈化設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[5]，其凈化機理符合氣液雙膜吸收理論[6]。吸收凈化主要發生在凈化筒的內壁、斜流風機外殼的內壁及脫水器的內壁與底部四處。由于噴霧和斜風機離心的作用，四處壁面形成連續穩定的液膜，含油煙氣流經這些表面時，與洗滌液發生接觸，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 油煙凈化設備三級凈化裝置

油煙凈化設備經過四級凈化的優化設計，改變了傳統組合式油煙凈化設備的簡單串聯、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，使其設備結構緊湊，提高了油煙凈化率。本設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，帶旋轉濾芯的斜流風機既為設備提供動力來源，又對油煙進行過濾凈化、離心分離凈化及慣性碰撞凈化；噴霧系統的優化與凈化路徑的加長提高了傳統濕式凈化率，杜絕了火災隱患。可見，旋轉濾芯與濕式噴淋的組合彌補了傳統過濾式凈化技術的不足，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 汽水分離系統的優化

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

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

圖7 油煙凈化設備脫水器

2.3 油水分離系統的優化

儲水箱設計為隔油水箱（見圖8），油水混合物經下水管、均布管均勻進入水箱一端，再流經傾斜（A≈60°）等間距放置的一組導流板分隔出的空間，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方向上均勻穩定地流入水箱，導流板組的作用是減少水力半徑，降低雷諾數。

圖8 油煙凈化設備隔油水箱

根據水力學原理，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，v為導流斜板中的液流速度（mm/s），γ為液流的運動粘滯系數（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（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，所以雷諾數大大減少，使得含油液流可在穩態層流狀態下從水箱一端流到另一端，有利于油粒從水中分離、上浮。在水箱的兩端各設置一個高出水箱面板的集油口，其內設置一個溢油管，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。當設備關停時，水泵停止工作，脫水器內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，經溢油管排出，被油污收集器收集。水箱另一端設置有濾網圍成的清水區，濾網用來過濾油污與雜質，避免異物進入水循環系統，損傷水泵，堵塞噴頭。清水經過水泵重新泵出，經上水管進入噴霧系統，開始下一個循環。

2.4 水循環系統的優化

水循環系統由濾網、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，負責實現洗滌液循環使用。每次設備開機運行時，由該補給器注入洗滌液，維持洗滌液的合適濃度。設備運行過程中進水與出水保持動態平衡，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 動力系統的優化

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

3 結束語

“4合1”復合式餐飲業油煙凈化設備采用濕式噴霧噴淋、旋轉濾芯過濾、斜流風機離心分離和液體吸收四種凈化技術，對油煙進行復合凈化，濕式噴霧噴淋和斜流風機主要負責凈化大中粒徑的油煙微粒，旋轉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。經浙江省環境保護產品檢驗中心檢測，產品各項指標均符合GB 18483—2001《飲食業油煙排放標準（試行）》[8]與HJT 62—2001《飲食業油煙凈化設備技術要求及檢測技術規范（試行）》[7]的標準要求。測試結果表明，設備性能穩定，具有結構緊湊、自潔防火、脫水率與脫油率高等優點，運行與維護方便，油煙凈化率高。本設計已獲得兩項實用新型專利[9-10]，發明專利已進入實審階段。目前，餐飲業油煙凈化設備研制方法主要依靠油煙凈化理論知識、經驗數據及現場樣機測試等方式，下一步研究重點是運用CFD軟件對設備結構與參數進行數值模擬與仿真分析，為進一步進行優化設計提供依據。

[1] 梁衍魁.餐飲業烹調油煙氣的組成與危害及凈化方法探討[J].能源與環境，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.工業通風除塵技術[M].北京：中國建筑工業出版社，1984：333.

[4] 區穎達，吳克啟.提高軸流及斜流風機性能的試驗研究[J].風機技術，1989：30-34.

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

[6] 丁鎖根.氣液反應雙膜論吸收速率及計算應用[J].化學工業與工程技術，2000（3）：4-6.

[7] 中華人民共和國國家環境保護總局.飲食業油煙凈化設備技術要求及檢測技術規范（試行）：HJ/T 62—2001[S].北京：中國環境科學出版社，2001：4.

[8] 中華人民共和國國家環境保護總局，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.飲食業油煙排放標準（試行）：GB 18483-2001[S].北京：中國環境科學出版社，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，溫州職業技術學院機械工程系講師.