静电式油烟净化器电晕区参数优化设计研究

宋云安

（1.青岛兴邦电器有限公司；2.山东科技大学机械电子工程学院，山东 青岛 266590）

餐饮业油烟污染已经是城市空气污染的三大主要因素之一，其具有分布面广、排放频率高、低空排放、无组织排放等显著特点。国家环保总局严令要求全国各省、市、自治区、直辖市环境保护局（厅）和环境保护重点城市环境保护局将油烟污染问题列入正常环境管理工作范围；严格禁止油烟污染源的无组织排放，无通风设备和净化装置的要强制安装通风设施和净化装置。排放标准要符合《饮食业油烟排放标准(试行)》(GB18483-2001)。

静电式油烟净化器是一种新型净化装置，以其便捷、高效、易清洗、噪音小等特点被应用于油烟的清理。本文利用正交试验设计将电晕区参数对油烟颗粒荷电量的影响重要性进行排序，进而对电晕区结构进行优化设计。

1 油烟净化器结构与工作原理

1.1 油烟净化器工作原理

静电式油烟净化器是由外壳、电场、电源及机械过滤网组成。净化器电场为双区式静电吸附型，原理如图1所示，含烟废气被风机吸入管道后，油滴污染物进入高压静电场，静电场内部分两级，第一级为电晕区，强电场使空气中微粒荷电，油烟颗粒进入电晕区后吸附带电粒子成为带电微粒，这些带电微粒到达第二级吸附区后立刻被收集电极吸附，最后通过滤网格栅，洁净的空气排出室外。

图1 净化器工作原理

当电晕区电压升高到钨丝的起晕电压以上时，电晕极附近区域内的气体被电离产生负离子和自由电子。在高压电场的作用下，这些自由电子运动速度加快，当它们与中性气体分子碰撞时，其能量足以使其释放出另外的自由电子，从而产生新的正离子和自由电子，发生电子雪崩。在电子雪崩过程中，电晕极里有大量的自由电子和负离子逸出，飞向阳极。当带有污染物的小颗粒气溶胶体通过电场时，自由电子和负离子就会在运动中不断地碰撞并吸附到油烟微粒上，从而使油烟颗粒带电。

1.2 电晕区结构

每个电晕区由一系列钨丝线组成，安装在一系列接地板中间，并接负高电压。如图2所示，大气中的微粒在通过电晕区的强力静电场时，被电离并带有负电荷。

图2 电晕区结构图

2 油烟颗粒荷电情况影响因素分析

通过油烟粒子荷电数量来体现电晕区的电晕效果，粒子荷电公式如式(1)所示：

式中，qs为颗粒荷电数，ε0为真空介电常数，E为电场强度，dp为颗粒半径，由式可看出，油烟粒子荷电数主要与电场和颗粒半径有关，电场越大，粒子能累积电荷数越多，粒子半径越大，所能带电荷也随之越多。

本文利用正交试验设计法，将电晕区各参数即电压、线板间距等对颗粒荷电效果的影响重要性进项排序，再利用对比参照实验的方法，即改变其中一个参数的值，固定其他参数，查看改变参数对荷电效果的影响。

3 正交试验设计

正交试验设计法(简称正交法)是统计数学的重要分支，它是以概率论数理统计、专业技术知识和实践经验为基础，充分利用标准化的正交表来安排试验方案，并对试验结果进行计算分析，最终达到减少试验次数，缩短试验周期，迅速找到优化方案的一种科学计算方法。

正交试验法内容如下。

电晕放电特性的影响因素主要有线板间距、钨丝半径、电压、介质的介电常数、空气湿度等。在常温干燥空气介质下，电晕放电特性与钨丝直径、线板间距以及电晕电压有关。采用正交试验法对静电式油烟净化器电场电晕区的不同参数，即钨丝直径、线板间距、外加电压进行优化。

表1为因素水平表。由于大部分油烟颗粒直径为1μm以下，因此选取直径为0.1μm油烟颗粒的累积电荷数作为不同因素水平的指标。影响静电式油烟净化器电晕特性的有三个因素A、B、C，分别对应为钨丝直径、线板间距和外加电压。通过正交设计实验得：因素影响顺序为A（钨丝直径）>B（线板间距）>C（外加电压）。

表1 因素水平表

4 comsol多物理场软件仿真

颗粒半径主要为0.01～10μm，颗粒半径与颗粒荷电数的关系如图3所示。

图3 不同颗粒半径的累积电荷数

根据正交试验设计法得到的因素影响重要性，利用comcol多物理场软件，仿真分析静电式油烟净化器电场电晕区中钨丝直径、线板间距、电压对电晕特性的影响以及电晕区对颗粒的荷电情况，并对正交试验设计法进行验证。

4.1 电晕效果与钨丝直径的关系

保持电晕电压为15kV、线板间距2.29cm不变，对不同直径钨丝情况下的电晕区进行仿真，结果如图4所示。可看出，钨丝直径越大，粒子累积电荷数越少。

4.2 电晕效果与线板间距的关系

保持钨丝直径为0.25mm、电晕电压为15kV不变，对不同线板间距下的电晕区进行仿真，结果如图4所示。可看出，线板间距越大，粒子累积电荷数越少。

图4 不同钨丝直径下粒子累积电荷数

4.3 电晕效果与电压的关系

保持钨丝直径为0.25mm,线板间距为2.29cm不变，对不同电压下的电晕区进行仿真，结果如图6所示。可看出，电晕电压越大，粒子累积电荷数越大。

图6 不同电压下粒子累积电荷数

4.4 仿真结果分析

通过comsol多物理场软件进行仿真分析，发现钨丝直径、线板间距、外加电压确实对电晕效果产生影响。且钨丝直径、线板间距越大，电晕效果越差，油烟粒子进入电晕区后荷电效果越差；外加电压越大，电晕效果越好，油烟粒子进入电晕区后荷电效果越好。

5 结语

通过对该静电式油烟净化器内部电场电晕区进行模拟计算，观察其内部电场电晕区不同参数对颗粒荷电量的影响，研究发现：（1）该净化器电场电晕区结构，即钨丝直径、线板间距取值较为合理，通过comsol软件仿真可以看出，粒子荷电能力与颗粒直径有关，直径越大，荷电能力越强。（2）利用正交试验设计法得到参数对颗粒荷电量影响重要性，并用comsol软件对相应参数模型进行仿真，验证算法的正确性，为以后结构优化提供理论支持。

图5 不同线板间距下粒子累积电荷数