熱油階段油煙顆粒源散發特性的實驗研究

陳潔 高軍* 杜博文

同濟大學機械與能源工程學院

0 引言

傳統的中式烹飪高溫、 多油， 在烹飪過程中會產生大量的空氣污染物，包括氣態污染物和顆粒物， 造成廚房空間內油煙污染嚴重， 熱環境惡劣， 并對烹飪個體有潛在的健康危害[1-5]。研究發現中式烹飪對室內0.5～5 μm的顆粒物濃度貢獻率約為 30%[6]，中式燒烤會導致亞微米級顆粒物和PM2.5濃度升高， 甚至分別高于正常值的5倍、90倍 [7] 。近年來， 國內外已有部分學者通過實驗或數值模擬的方法， 將顆粒物的室內暴露濃度與油煙散發過程或散發條件關聯起來。曹昌盛等 [8] 用激光粒度儀測量了0.1～10μm的粒徑， 發現烹飪過程中 1.0-4.0 μm油煙顆粒源散發強度近似為 PM0.1-10總散發強度的100%。 Lai和Ho [9] 通過假定3.5μm的恒定粒徑， 研究了住宅廚房烹飪產生顆粒物的空間濃度變化。本文擬研究確定廚房空間內簡化的烹飪過程—— —熱油過程所產生的顆粒物散發特性， 用于下一步預測廚房空間內油煙顆粒物的分布及烹飪個體的暴露濃度。

1 實驗系統與測試方法

1.1 顆粒源散發特性實驗系統及儀器

圖 1是油煙污染源散發特性研究實驗臺裝置圖。油煙顆粒源散發特性的測量全部在該標準化的圓柱錐頂散發艙 （半徑0.8m、 高0.75m， 材料為耐高溫的不銹鋼） 內進行， 這樣可以保證除少部分的沉降外， 整個實驗過程中產生的油煙顆粒散發量能夠被準確捕集。該實驗臺裝置包括： 一臺電磁爐， 一個烹飪炒鍋， 一套油溫加熱裝置， 一套排風裝置 （包括一條排風管 （排風管上有一段標準噴嘴流量段） 及風量控制閥門、 采樣分歧管， 離心風機）。采樣監測點設置在距離排風罩出風口水平0.8m處的排風管內，通過采樣分歧管連接各個采樣監測儀器。由于離心風機風量大， 且采樣分歧管所在斷面距離局部阻力構件 （彎頭） 的距離大于 5倍管道直徑 （0.06m）， 可近似認為烹飪過程中散發的油煙顆粒在此處已經混合均勻。顆粒物的 PM2.5質量濃度利用 DUSTTRAK II氣溶膠監測儀 8532 測量， 采樣流量 3.0 l/min，質量濃度范圍為 0.001～150mg/m3。顆粒物的數量濃度利用 CPC醇基凝聚核粒子計數器3775 測量， 粒徑范圍 ＞4 nm， 顆粒物粒子數量濃度范圍為 0-107 個 /cm3。排風量利用接至標準噴嘴的KIMO數字微壓計測量。 考慮到烹飪鍋底及鍋內壁、 外壁溫度的不同， 將鍋面分為鍋底和鍋內， 外壁三個部分，利 用VarioCAMhr research紅外熱成像儀測試獲得烹飪過程中油和鍋的平均溫度。

圖1 油煙污染源散發特性研究實驗臺

1.2 熱油過程顆粒源散發特性實驗方法及流程

因烹飪過程的多樣性和復雜性， 油煙顆粒濃度測試穩定性難以控制， 采用簡化的烹飪過程—— —靜態食用油加熱的方法實現相對穩定的油煙散發過程。根據已搭建的實驗臺， 從熱油過程切入， 通過實驗對 4種植物油的加熱油煙顆粒源散發率進行了研究， 并在此基礎上， 確定一個相對穩定的可控散發工況， 進一步通過實驗得到該工況下油煙顆粒源散發強度及規律。油溫加熱過程采用溫度控制的辦法， 各工況均從起始環境溫度加熱至260℃左右。 實驗用油有： 花生油， 菜籽油，大豆油及葵花籽油， 油量為300ml。

實驗流程： 先設置加熱裝置上的最終穩定油溫為260 ℃， 并開啟散發艙的離心風機， 調整風閥開度， 使排風量保持300m3/h。接著開啟門， 窗和各監測儀器，運行風機 60min， 降低散發艙的環境背景濃度至相對穩定值。隨后開啟加熱裝置 （和攪拌器）， 從 25℃左右室溫加熱食用油，至第 4min時加熱到260℃后繼續加熱 10min。然后關閉加熱裝置。在實驗的14min 內利用 DUSTTRAK 和 CPC 3775 記錄油煙顆粒物的濃度值。實驗結束后， 開啟門窗并調大排風量，增大艙體的換氣次數， 快速降低艙內的油煙顆粒濃度至較低值， 刷洗烹飪鍋， 再次測量背景濃度至穩定值，然后進行下一組實驗。散發實驗重復3次。

2 實驗結果與分析

2.1 不同種類油品的油煙顆粒源散發濃度

圖 2是 4種實驗用植物油840 s 內 0.04 μm 以上顆粒物數量濃度隨時間變化的統計規律 （圖中橫坐標的0時刻對應實驗開始加熱的時間，誤差條為標準偏差）。從圖中可以看出，4種油的顆粒物數量濃度變化規律趨于一致， 先急劇增加， 460 s時達到最大， 隨后緩慢下降。但不同種類油的峰值濃度有顯著差異，0.04μm以上顆粒物數量濃度的峰值濃度按油品排序為花生油＞菜籽油＞大豆油＞葵花籽油，花 生油的峰值濃度最大（ 9.19×104個 /cm3） ，葵 花籽油的峰值濃度最小（ 4.17×104個/cm3） ，最 大值為最小值的 2.2倍。在實驗過程中，確 實發現加熱花生油時，油 煙散發量明顯比其他幾種植物油要多。因此，對 于中式高溫烹飪，應當謹慎使用花生油，推 薦使用葵花籽油等油煙顆粒散發量小的油品。

圖2 熱油過程6種植物油0.04 μm以上顆粒物數量濃度變化曲線

2.2 植物油加熱過程的動態油溫

油煙顆粒源散發強度可作為室內油煙顆粒動力學計算廚房空間的油煙顆粒物分布及個體暴露的重要初始邊界條件， 因此在前述的實驗基礎上， 選定相對不利的油品—— —花生油作為散發油品。綜合考慮到實際烹飪過程中有添加調料， 且鍋鏟不斷翻動食材的動作，本實驗的散發工況最終定為花生油 200ml， 辣椒粉 10 g（均勻灑滿油面）， 電動攪拌器（轉速120 rpm） 在加熱過程中勻速攪拌鍋內的油。

圖3 紅外熱成像儀拍攝的熱油過程油和鍋的平均溫度

圖3 （a） 是紅外熱成像儀拍攝測量的鍋底、 鍋內壁表面溫度， 第一部分鍋底溫度， 第二部分鍋內壁表面溫度， 圖 3 （b） 是鍋外壁表面溫度。 圖4是4min熱油過程中油溫、 鍋內 （外） 壁溫的動態變化曲線。油溫曲線呈現單峰分布， 峰值出現在第 310 s， 即在前 4min 內迅速從環境溫度加熱到 260℃，然后降低到 250℃左右的穩定溫度。溫度高于200 ℃在中式烹飪中非常普遍， 例如炒菜和油炸等烹飪操作。鍋內 （外） 壁溫的變化模式幾乎相同， 在前4min內迅速達到較高溫度后，緩慢增加。

圖4 熱油過程油溫、鍋內（外）壁溫曲線

圖5 熱油過程油煙顆粒物濃度曲線

2.3 花生油加熱過程顆粒物濃度與散發強度

圖5 是花生油加熱過程中散發的0.04μm 以上油煙顆粒物數量濃度曲線和PM2.5質量濃度曲線，與 溫度變化曲線趨勢切合，表 明隨著溫度升高而油煙散發增強。圖中給出了三組重復性實驗相應的標準差，可 以看出實驗重復性和一致性很好。花生油加熱過程中0.04μm 以上油煙顆粒物數量濃度和PM2.5質量濃度曲線均呈單峰分布。隨著鍋溫不斷上升，顆 粒物濃度不斷攀升，如 圖 5（ a），數 量濃度在第 185 s 達到峰值，約 1.45×105個 /cm3， 如 圖 5（ b），PM2.5 質量濃度在第250 s達到峰值，5247.52 μg /m3。 而后，逐漸呈下降趨勢。顆粒物濃度峰值出現的時間早于溫度峰值，其 下降趨勢比溫度曲線的下降趨勢大。這說明油煙散發顆粒物與溫度之間有密切而復雜的關聯。

顆粒源的散發強度由體積濃度法得來，即將圖 5中實驗測得的顆粒物濃度值乘以油煙機排風量300m3/ h，結 果如圖6所示。散發強度的變化規律和濃度一樣。花生油加熱過程數量散發強度峰值為 1.21×1010個 /s，PM2.5 質量散發強度峰值為 437.293 μg /s。在整個烹飪過程中的累計散發量分別為 3.92×1011個和45.79μg 。

圖6 熱油過程油煙顆粒物散發強度

3 結論

本文通過住宅廚房油煙顆粒源散發特性研究實驗，對4種植物油的加熱油煙顆粒源散發率進行了研究， 并在此基礎上， 確定一個相對穩定的可控散發工況， 進一步通過實驗得到該工況下油煙顆粒源散發強度及規律。獲得的主要結論如下：

1） 油煙顆粒的源散發強度與油的種類密切相關，實驗中， 花生油的峰值濃度最大 （9.19×104個 /cm3）， 葵花籽油的最小 （4.17×104個 /cm3）， 最大值為最小值的2.2倍。

2）油煙散發顆粒物與溫度之間有密切而復雜的關聯。

3） 花生油加熱過程的0.04μm以上油煙顆粒物數量濃度和PM2.5質量濃度曲線均呈單峰分布。數量濃度在第185 s 達到峰值，約1.45×105個/cm3，PM2.5質量濃度在第250 s達到峰值，5247.52μg /m3；

4）顆 粒物濃度值乘以油煙機排風量得到了相應的顆粒源散發強度，花 生油加熱過程數量散發強度峰值為 1.21 ×1010個 /s，PM2.5 質 量 散 發 強 度 峰 值 為437.293μg /s。在 整個烹飪過程中的累計散發量分別為3.92×1011個和45.79μg 。油煙顆粒源散發強度可作為室內油煙顆粒動力學計算廚房空間的油煙顆粒物分布及個體暴露的重要初始邊界條件。

參考文獻

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