基于气旋分离技术的集成灶油烟分离装置设计研究

郝文星 高绪元

（1.天津大学 机械工程学院 天津 300350；2.浙江帅康电气股份有限公司 余姚 315490）

引言

油烟机工作时，机体内和叶轮上会积聚大量的油污，这些油污一方面不利于油烟机的清洁卫生，另一方面叶轮积聚油污后将导致叶栅通道狭窄，引起吸力下降、噪音增大、风轮寿命降低等一系列问题。如何自清洁油污已成为油烟机行业的痛点问题[1]。而对于目前发展较快的集成灶[2]，其自上而下的长风道结构使油烟在流经时温度逐步降低，更容易粘附在机体内部表面及风机叶栅上，因而油烟自清洁问题更为迫切。集成灶及其内部风道如图1所示。

图1 帅康集成灶及其内部风道示意图

目前主要的技术方案是针对风机叶栅表面的油污进行自清洗。如西门子采用风机正反转甩油+热风除油的方法清洁风机内部的油污。首先将电热丝均匀布置在叶轮内部，电热丝产生高温对叶片表面的油污进行融化，配合叶轮本身的转动，让油污流动并离开叶轮[3]。华帝采用热水冲洗的方法，通过将水流加热至（80～90）℃，并借助水泵提升水流速度，对叶轮及蜗壳进行冲洗。清洗时叶轮在电机带动下旋转，因此关键模块可以得到较好的清洗[4]。帅康采用更高温度的高压蒸汽清洗叶轮。据实验测试，该技术可以达到96 %的油污去除率[5]。

由以上可见，风机自清洁技术对风机内部尤其是叶栅表面的油污可进行较好的清洁。但这类技术多面临清洗不彻底、清洗覆盖面小及操作复杂等问题。

老板、方太等油烟机企业更注重采用特殊结构的滤网、内表面涂层等技术实现烟机内部无需清洗的目的。如老板牌油烟机采用A++一体滤油网实现对大部分烟气中的油脂的过滤，并通过在内腔采用“油立净”表面涂层，使油污不易沾染，从而达到无需拆洗的目的[6]。但滤油网通常风阻较大，且网孔容易被油脂堵塞，进一步降低了油烟机的风量和风压。康佳吸油烟机还采用多层交错滤网，这类滤网虽使油脂分离度达到宣称的99 %，但也导致了较大的风阻，该油烟机最大吸入风量仅17 m3/min[7]。

可见，提出一种风阻比较小的结构或装置以实现高效可靠地油脂过滤已成为油烟机油污清洁的重要挑战。且对于具有长风道的集成灶，在烟气进入之初便及时进行油脂过滤显得至关重要。

一种用于分离气体中颗粒物的装置——气旋分离器，如图2所示，依靠气体和颗粒混合物切向进入，并利用离心力使气体和颗粒物分离，已成功并广泛应用于真空吸尘器领域[8]。如戴森、小米吸尘器，多锥气旋分离技术已成为其核心竞争力。除了室内场景，气旋分离器还被用于粉尘、过敏原、生物气溶胶的采样[9]。该装置相较于传统滤网结构，不易堵塞风道，工作更为可靠，且便于维护。

图2 常见气旋分离器工作示意图

图3 改进的侧进下出气旋分离器及其阵列

因此，本文将探索气旋分离器用于集成灶油脂过滤，即基于气旋分离技术设计用于集成灶的油烟分离装置，使其能够在较小的风阻下可靠地将油脂从油烟中分离，进而对油烟过滤，实现油烟机内部的清洁。

1 基础模型

考虑到集成灶自上而下的原始风道结构，本文通过延长并弯折上出口风道的方式将图2所示的侧进上出的常规气旋分离器改进为侧进下出的油烟分离装置。延长的风道同时具备扩张特征，以将出口较大的动能转换为压能，降低流动损失，减小整体风阻。同时考虑集成灶风道的扁平特征，将上述油烟分离装置横向阵列排布，并覆盖集成灶原始风道入口处的区域。接下来将重点针对单个油烟分离装置，首先研究流体（烟气）通过的风压损失。

2 研究方法

为便于计算收敛，油烟分离装置的入口和出口均添加了延长段，如图4（a）所示。接着对流域进行了网格划分。采用计算精度较高的多面体网格对计算域进行离散，如图4（b）所示。且为了确定网格尺寸，进行了多次试算，以确保了计算结果不因网格密度的持续增加而变化。最终全计算域网格总数约为175 万。

图4 油烟分离装置计算域及网格划分示意图

边界条件设定中，入口和出口均为压力出口，其余为壁面边界条件。出口给定负压为100 Pa，入口静压为0 Pa。基于指定压差计算时，将通过流量反应整个油烟分离装置的流动阻力损失情况。

3 研究结果

首先对计算所得到的内部流场进行了分析，如图5所示。其中图5（a）为流线图，可以看出，在油烟分离装置主体段，流体产生了明显旋流现象，这将有助于分离烟气中的油脂。但在延长风道的扩张段，出现了大范围的流动分离（回流）现象，这表明流体在扩张段中将无法进行扩压。由右侧图5（b）中的压力分布也可以看出，在扩张段中，压力并未按照预想的随着流体向下游流动而压力逐渐增加。通常当扩张段无法实现扩压时，预示着油烟分离装置主体中流出的高速流体将面临较大的动能损失，宏观上表现为较大的流动阻力。

图5 油烟分离装置内部流场

除了扩张段失效带来的流动损失外，还发现流体从装置主体流至出口的过程中，存在较大的旋转动能，而这部分动能在当前的结构中仍无法转换成压能，最终也将被损失掉。这进一步增大了油烟分离装置的流通阻力。在上述两种主要的流体阻力的影响下，该结构的烟气质量流量仅为7.76×10-3kg/s。根据结构尺寸，当前集成灶入口通道可阵列放置12 个气旋分离器，此时在内部负压100 Pa 的条件下，对应烟气体积流量仅为4.56 m3/min，尚无法满足应用需求。

针对上述基础模型中存在的问题，本文通过调整扩张段的扩张角，调整结构以降低旋流损失等措施，对模型进行改进并继续进行计算验证。通过对多个版本的迭代改进，最终形成了如图6（e）所示的自上而下流动且具有切出通道特征的油烟分离装置。需要说明的是在对油烟分离装置进行结构改进中，其在集成灶通道内的排布数量也随横向尺寸的变化而变化。

图6 油烟分离装置迭代改进历程

事实上，图6（d）所示模型已基本克服了扩张通道的流动分离以及旋转动能损失的问题。图6（e）所示模型则是在图6（d）所示模型的基础上，为了便于油脂过滤后的排出以及加工制造的方便而进行的结构调整。图6（d）所示的模型相对于基础模型，在保留气旋分离特征的同时，采用自上而下的流动通道，这便于烟气以更顺畅的方式流动，从而减小了流通阻力。圆柱形旋流通道和方形扩张通道近似成45 °角，一方面便于充分利用集成灶的扁平通道结构的空间，另一方面也便于流体以更顺畅的方式由旋流通道流入扩张通道。更重要的是，方形扩张通道与旋流通道的交叉口偏向旋流通道一侧，扩张通道其中一面近似与旋流通道相切。这便于流体从旋流通道切向进入扩张通道，有利于流体的旋转动能转化为平移动能，进而在扩张通道里扩压将阻。

针对图6（d）所示模型的计算结果如图7所示。由图中可以看出，流体在由入口进入旋流通道内时，出现较为剧烈的旋转，这一过程将便于烟气中的油脂被离心力拖拽至通道表面。在由旋流通道进入扩张通道时，总体较为顺畅，能观察到流体由旋转运动转变为平移运动。此外，在扩张通道内，也未发现明显的流动分离现象，表面流体动能依靠扩张通道逐渐转变为流体压能，从而减小了通道内以及流体流出通道后的流动损失。

图7 多次迭代后的油烟分离装置内部流线分布

以上对流动特征的改善也体现在流量的增加上。通过计算，在内部负压100 Pa 的条件下，对应烟气体积流量由基础模型的4.56 m3/min 提升至8.82 m3/min（对应总质量流量为0.18 kg/s）。若基于目前主流的油烟机负压400 Pa 计算，则烟气体积流量为17.64 m3/min，该值接近市面上油烟机的平均风量。这表明目前所设计的油烟分离装置，从通流能力上看，已能够满足使用的需求。

5 结论

将目前广泛用于气体和颗粒分离的气旋分离器用于集成灶油烟分离，其对整个通道的风压损失是首先要关注的问题。基于此，采用数值仿真方法，以风压损失最小为目标，对油烟分离装置进行设计，最终给出了一种具有下排气、切向出口等特征的油烟分离装置。仿真结果表明该油烟分离装置内部流动较为顺畅，扩张通道和切向出口有利于将流体动能转化为压能，从而降低流通阻力。且根据计算所得的油烟机风量，表明目前的结构已能够满足使用需求。后续研究将进一步分析其油烟分离效果，并结合风机特性对结构进一步优化。