“4合1”复合式餐饮业油烟净化设备的设计与实现

彭来强

（温州职业技术学院 机械工程系，浙江 温州 325035）

“4合1”复合式餐饮业油烟净化设备的设计与实现

彭来强

（温州职业技术学院 机械工程系，浙江 温州 325035）

为解决现有组合式油烟净化设备本体阻力过大、体积庞大等问题，采用湿式喷雾喷淋、斜流风机离心分离、旋转滤芯过滤和液体吸收四种净化技术，在传统组合净化技术的基础上，增加带旋转滤芯的斜流风机净化装置，并对喷雾系统、汽水分离系统、油水分离系统等进行优化，提高油烟净化率。测试结果表明，该油烟净化设备结构紧凑，本体阻力达标，性能稳定性好，运行与维护方便，大大提高了油烟净化率。

餐饮业；油烟净化设备；湿式喷淋；旋转滤芯；离心分离；斜流风机

0 引 言

餐饮油烟严重污染环境，造成邻里纠纷，给人们的生命与健康带来严重威胁，餐饮油烟净化处理是一件亟待解决而未能很好解决的民生大事。烹饪过程中产生的油烟是由气、液、固三相组成的气溶胶，化学成分复杂，油烟微粒直径变化范围大（10-7～10-3cm）[1]，净化处理难度较大。国内外主要油烟净化技术有机械物理、高压静电、湿式喷淋、热氧化焚烧、等离子净化、催化剂净化等，这些技术均存在不足与局限性。为克服单一净化技术的不足，复合式油烟净化技术应运而生。现有的组合式油烟净化设备大多采用两种至三种油烟净化技术的组合，净化率有待进一步提高，尤其是对油温超过270℃以上产生的“青烟”微粒，净化效果较差。另外，大部分组合式油烟净化设备只是将不同净化技术进行简单的串联、叠加，各级油烟净化设备的结构未经优化设计，不能有机组合，存在设备本体阻力过大、体积庞大等问题。为解决现有组合式油烟净化设备的局限性问题，本文设计一种“4合1”复合式餐饮业油烟净化设备，采用湿式喷雾喷淋、旋转滤芯过滤、斜流风机离心分离和液体吸收四种净化技术，在传统组合净化技术的基础上，增加带旋转滤芯的斜流风机净化装置，并对喷雾系统、汽水分离系统、油水分离系统结构进行改进，以期提高油烟净化率。

1 “4合1”复合式餐饮业油烟净化设备结构

油烟净化设备结构由油烟收集输送系统、净化系统、汽水分离系统、油水分离系统、水循环系统、油污过滤回收系统和动力系统组成，如图1所示。

图1 油烟净化设备结构

1.1 油烟收集输送系统

包括集烟罩、管道，进行油烟的收集与输送，减少油烟逃逸。

1.2 净化系统

包括由湿式洗涤、旋转滤芯过滤、惯性分离和液体吸收四种净化技术组成的四级净化装置，负责对油烟进行冷却、净化。

1.3 汽水分离系统

主要结构为脱水器，实现汽与水的分离功能，含油的水溶液流入水箱，气体通过排放管排出。

1.4 油水分离系统

运用隔油水箱进行油水分离，废油通过管道流入回收装置，防止二次污染。

1.5 水循环系统

由滤网、水泵、上水管、喷头、下水管、浮球自动补水器、清洗剂补给器等组成，负责实现洗涤液循环使用。

1.6 油污过滤回收系统

收集从隔油水箱里溢出来的油污，防止二次污染。

1.7 动力系统

由斜流风机组件构成，既是整台设备的动力来源，也是净化装置的核心部件。

2 “4合1”复合式餐饮业油烟净化设备的设计与实现

油烟净化设备七个系统分工合作，共同完成油烟净化过程，如图2所示。斜流风机在电机的驱动下开始工作，设备内部形成负压，含油烟气被吸入集烟罩，通过烟道输送到净化系统，经过湿式喷雾喷淋、旋转滤芯过滤、斜流风机离心分离和液体吸收四级净化，油烟微粒被捕获分离，与水溶液一起进入脱水器，进行汽水分离，含油水溶液进入隔水箱进行油水分离，净化空气通过排烟管道排入大气。七个装置中油烟收集与输送装置和油污收集装置采用传统结构。本文重点对净化系统、汽水分离系统、油水分离系统、水循环系统和动力系统进行优化设计，使油烟净化设备结构紧凑，提高油烟净化率。

图2 油烟净化设备净化流程

2.1 净化系统的优化

油烟净化系统采用“4合1”复合式净化结构，依次由湿式喷雾喷淋、旋转滤芯过滤、斜流风机离心分离和液体吸收四种净化技术对含油烟气进行充分冷却、洗涤、过滤、净化，如图3所示。

图3 油烟净化设备四级净化方案

（1）一级净化采用湿式喷雾喷淋净化技术，该技术属于惯性碰撞捕获净化技术。根据惯性碰撞理论，碰撞效应可以斯托克斯数[2]表达为：

其中，u0为油烟气流与喷雾相对速度（m/s）；ρp为油烟微粒密度（kg/m3）；dp, dw分别为油烟微粒和液滴直径（m）；μg为气体动力粘度（pa.s）。

由（1）式可知，斯托克斯数与油烟微粒直径的平方成正比，与油烟气流和喷雾的相对速度成正比，与液滴微粒直径成反比。当斯托克斯数小于一个临界值时，油烟微粒不会被捕获；当其大于该临界值时，油烟微粒才会被捕获。因此，一级净化装置主要用于去除中大颗粒油烟微粒，而对微小颗粒的“青烟”净化效果比较差。

为提高惯性碰撞净化率，对喷雾系统加以改进。一是在净化筒内按一定间隔设置若干组喷头，喷头方向与烟气运动方向相反，形成细密的立体雾场，增加雾滴与烟气的相对碰撞速度u0，提升对油烟的捕获能力。二是根据有关经验数据，液滴尺寸在40～200μm范围内净化效果较好，100μm时效果最佳[3]。据此喷雾粒度取100～200μm，并选择喷头，兼顾雾粒粒度和喷头防堵问题。三是充分利用输送烟道至斜流风机之间的空间，合理设置喷头位置与喷头数量，增加有效净化距离L和净化时间，提升油烟微粒与水雾的接触概率，提高净化率。

油烟净化设备一级净化装置如图4所示。

图4 油烟净化设备一级净化装置

（2）二级净化通过旋转滤芯得以实现。传统设备的过滤系统由多层叠加的金属滤网组成，滤网太薄过滤效果差，太厚则阻力太大，而且必须定期清洗。本设计旋转滤芯安装在高速旋转的斜流风机叶轮前盘前端，跟随斜流风机一起作高速旋转，滤芯的锥面与烟气方向垂直。高速旋转的滤芯，加强了对含油烟气的切割与碰撞作用，提高了过滤效果。另外，在滤芯上方设置一个实心锥喷头，喷雾与滤芯锥面正交，喷滴在滤网的切割作用下而进一步细化。一方面，喷洒在滤芯上的洗涤液在旋转滤芯高速旋转带动下，因离心力的作用沿径向方向“射出”，形成细密的过滤水网，它与旋转金属网一起对油烟进行过滤与捕获，构成净化油烟的第二级净化机构；另一方面，洗涤液中加有适当浓度的亲水亲油基表面活性剂，喷到旋转滤芯上会产生细小泡沫并粘附在滤网表面，金属网、水网、泡沫共同作用完成对油烟的过滤净化，水泡的存在增加了对油烟微粒的捕获能力。这种湿式旋转滤芯动态过滤方式，不仅可过滤大中粒度的油烟微粒，而且对细微的油烟微粒也有较好的过滤效果，可实现有效去除异味的目的。由于高速旋转的离心力作用与洗涤液的清洗作用，油污不会粘附在滤网上，滤芯具有自动清洁与防阻塞功能，无需定期清洗，从而降低了运行与维护成本。

油烟净化设备二级净化装置如图5所示。

图5 油烟净化设备二级净化装置

（3）三级净化采用惯性碰撞净化和离心分离净化两种净化技术，在斜流风机[4]的叶轮内部进行。实心锥喷头将喷雾喷到锥面滤芯上，经碰撞、切割而二次细化，由离心力作用加速“甩出”，在叶轮内部形成均匀细密的雾场，与含油烟气组成混合气流，在叶轮内部作高速螺旋式运动，气流处于强烈的紊流状态，油烟微粒和净化液微粒发生剧烈碰撞并被捕获，再次对油烟进行湿式喷雾喷淋净化。同时在叶轮内部，油烟微粒和含油液滴由于粒度与质量较大，在离心力作用下被甩到净化筒外壳，汇成液体流向脱水器外层空间。气体在运动中受到的离心力与径向运动的阻力基本相等，没有径向的运动，进入脱水器的内层空间，经排烟管排出。

油烟净化设备三级净化装置如图6所示。

（4）四级净化采用液体吸收净化技术[5]，其净化机理符合气液双膜吸收理论[6]。吸收净化主要发生在净化筒的内壁、斜流风机外壳的内壁及脱水器的内壁与底部四处。由于喷雾和斜风机离心的作用，四处壁面形成连续稳定的液膜，含油烟气流经这些表面时，与洗涤液发生接触，油烟中的有害颗粒物从气相中脱除到液体中，从而达到净化效果。根据双膜吸收理论，在水中加入适量的洗涤剂，利用洗涤剂与油的亲和性，可提高净化率。

图6 油烟净化设备三级净化装置

油烟净化设备经过四级净化的优化设计，改变了传统组合式油烟净化设备的简单串联、叠加的组合方法，四级净化有机组合成一个不可分割的整体，使其设备结构紧凑，提高了油烟净化率。本设备惯性碰撞喷淋净化和液体吸收净化贯穿于整个净化路径全程，带旋转滤芯的斜流风机既为设备提供动力来源，又对油烟进行过滤净化、离心分离净化及惯性碰撞净化；喷雾系统的优化与净化路径的加长提高了传统湿式净化率，杜绝了火灾隐患。可见，旋转滤芯与湿式喷淋的组合弥补了传统过滤式净化技术的不足，提高了对油烟微粒的净化效果，具有自动清洁免清洗功能，降低了运行与维护成本。

2.2 汽水分离系统的优化

汽水分离在脱水器（见图7）内实现。斜流风机出口的混合气流，含有大量水汽，必须经过脱水处理才能排入大气，否则出口含水率将会超标[7]。混合气体在斜流风机的离心力作用下，油烟微粒与水雾微粒由于粒径与质量较大，受到的离心力大于径向运动阻力，被甩到外筒内壁，与洗涤液混合后经脱水器内外筒之间的间隙流入外层“空腔”。气体分子由于质量较轻，离心力不足以克服运动阻力，所以经过脱水器中间通道由出风口排入大气，从而实现汽水分离。

脱水器底部设有下水管，洗涤水溶液经过下水管流入隔油水箱。在设备运行过程中，由于液流阻力的存在，脱水器内壁及底部会始终动态地积聚着一定量的洗涤水溶液。在设备停止运行时，对隔油水箱进行回灌反冲进入隔油水箱，实现隔油水箱的溢油功能。

图7 油烟净化设备脱水器

2.3 油水分离系统的优化

储水箱设计为隔油水箱（见图8），油水混合物经下水管、均布管均匀进入水箱一端，再流经倾斜（A≈60°）等间距放置的一组导流板分隔出的空间，越过隔离挡板底部通道到达水箱另一端。均布管的作用是使含油液流在沿水箱宽度W方向上均匀稳定地流入水箱，导流板组的作用是减少水力半径，降低雷诺数。

图8 油烟净化设备隔油水箱

根据水力学原理，对于矩形断面，有：

其中，R为断面水力半径（mm），w为断面宽度（mm），d为断面高度（mm），Re为液流雷诺数，v为导流斜板中的液流速度（mm/s），γ为液流的运动粘滞系数（mm2/s）。

在（2）式中，令w=n×d，则矩形截面水力半径为：

由于w远大于d，故（4）式中n远大于1，所以R≈d/2。根据（3）式，在液流速度v与运动粘度γ不变的情况下，液流雷诺数Re与水力半径R成正比。均布液流在矩形隔油水箱中的流动截面为长方形，由于导流板的分隔，长方形截面的高度由原来的水箱高度H减少为斜板间距d，所以雷诺数大大减少，使得含油液流可在稳态层流状态下从水箱一端流到另一端，有利于油粒从水中分离、上浮。在水箱的两端各设置一个高出水箱面板的集油口，其内设置一个溢油管，溢油口的高度介于水箱面板与集油口高度之间（H1=H2≈25mm），分离出来的浮油飘浮聚集于水箱集油口处。当设备关停时，水泵停止工作，脱水器内的剩余液体回流倒灌进入水箱，水位升高，油污由溢油口溢出，经溢油管排出，被油污收集器收集。水箱另一端设置有滤网围成的清水区，滤网用来过滤油污与杂质，避免异物进入水循环系统，损伤水泵，堵塞喷头。清水经过水泵重新泵出，经上水管进入喷雾系统，开始下一个循环。

2.4 水循环系统的优化

水循环系统由滤网、水泵、上水管、喷头、下水管、浮球自动补水器、清洗剂补给器等元器件组成，负责实现洗涤液循环使用。每次设备开机运行时，由该补给器注入洗涤液，维持洗涤液的合适浓度。设备运行过程中进水与出水保持动态平衡，水位下降时浮球控制自动补水器向水箱补充自来水。隔油水箱定期更换清水。

2.5 动力系统的优化

斜流风机在实现净化功能的同时，还在主电机的带动下产生负压，为整个设备提供动力来源。电机安装在保护筒内，避免了淋湿受潮损坏或引发事故（见图6）。

3 结束语

“4合1”复合式餐饮业油烟净化设备采用湿式喷雾喷淋、旋转滤芯过滤、斜流风机离心分离和液体吸收四种净化技术，对油烟进行复合净化，湿式喷雾喷淋和斜流风机主要负责净化大中粒径的油烟微粒，旋转滤芯的湿式过滤对大中小所有粒径的油烟微粒均有较好的捕获效果，大大提高了油烟净化率。经浙江省环境保护产品检验中心检测，产品各项指标均符合GB 18483—2001《饮食业油烟排放标准（试行）》[8]与HJT 62—2001《饮食业油烟净化设备技术要求及检测技术规范（试行）》[7]的标准要求。测试结果表明，设备性能稳定，具有结构紧凑、自洁防火、脱水率与脱油率高等优点，运行与维护方便，油烟净化率高。本设计已获得两项实用新型专利[9-10]，发明专利已进入实审阶段。目前，餐饮业油烟净化设备研制方法主要依靠油烟净化理论知识、经验数据及现场样机测试等方式，下一步研究重点是运用CFD软件对设备结构与参数进行数值模拟与仿真分析，为进一步进行优化设计提供依据。

[1] 梁衍魁.餐饮业烹调油烟气的组成与危害及净化方法探讨[J].能源与环境，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] 谭天佑，梁凤珍.工业通风除尘技术[M].北京：中国建筑工业出版社，1984：333.

[4] 区颖达，吴克启.提高轴流及斜流风机性能的试验研究[J].风机技术，1989：30-34.

[5] 庞明军，黎定标，孙懋.油烟净化方法及净化机理[J].南昌工程学院学报，2003（1）：58-62.

[6] 丁锁根.气液反应双膜论吸收速率及计算应用[J].化学工业与工程技术，2000（3）：4-6.

[7] 中华人民共和国国家环境保护总局.饮食业油烟净化设备技术要求及检测技术规范（试行）：HJ/T 62—2001[S].北京：中国环境科学出版社，2001：4.

[8] 中华人民共和国国家环境保护总局，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.饮食业油烟排放标准（试行）：GB 18483-2001[S].北京：中国环境科学出版社，2001：1-2.

[9] 彭来强.油烟机的油烟湿式净化装置：ZL 201620374574.X[P].2016-04-21.

[10] 彭来强.油烟机的油水分离箱：ZL 201620374571.6[P].2016-04-21.

[责任编辑：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

温州市科技计划项目（G20140008）

彭来强（1968—），男，浙江瑞安人，温州职业技术学院机械工程系讲师.