基于氣旋分離技術的集成灶油煙分離裝置設計研究

郝文星 高緒元

（1.天津大學 機械工程學院 天津 300350；2.浙江帥康電氣股份有限公司 余姚 315490）

引言

油煙機工作時，機體內和葉輪上會積聚大量的油污，這些油污一方面不利于油煙機的清潔衛生，另一方面葉輪積聚油污后將導致葉柵通道狹窄，引起吸力下降、噪音增大、風輪壽命降低等一系列問題。如何自清潔油污已成為油煙機行業的痛點問題[1]。而對于目前發展較快的集成灶[2]，其自上而下的長風道結構使油煙在流經時溫度逐步降低，更容易粘附在機體內部表面及風機葉柵上，因而油煙自清潔問題更為迫切。集成灶及其內部風道如圖1所示。

圖1 帥康集成灶及其內部風道示意圖

目前主要的技術方案是針對風機葉柵表面的油污進行自清洗。如西門子采用風機正反轉甩油+熱風除油的方法清潔風機內部的油污。首先將電熱絲均勻布置在葉輪內部，電熱絲產生高溫對葉片表面的油污進行融化，配合葉輪本身的轉動，讓油污流動并離開葉輪[3]。華帝采用熱水沖洗的方法，通過將水流加熱至（80～90）℃，并借助水泵提升水流速度，對葉輪及蝸殼進行沖洗。清洗時葉輪在電機帶動下旋轉，因此關鍵模塊可以得到較好的清洗[4]。帥康采用更高溫度的高壓蒸汽清洗葉輪。據實驗測試，該技術可以達到96 %的油污去除率[5]。

由以上可見，風機自清潔技術對風機內部尤其是葉柵表面的油污可進行較好的清潔。但這類技術多面臨清洗不徹底、清洗覆蓋面小及操作復雜等問題。

老板、方太等油煙機企業更注重采用特殊結構的濾網、內表面涂層等技術實現煙機內部無需清洗的目的。如老板牌油煙機采用A++一體濾油網實現對大部分煙氣中的油脂的過濾，并通過在內腔采用“油立凈”表面涂層，使油污不易沾染，從而達到無需拆洗的目的[6]。但濾油網通常風阻較大，且網孔容易被油脂堵塞，進一步降低了油煙機的風量和風壓?？导盐蜔煓C還采用多層交錯濾網，這類濾網雖使油脂分離度達到宣稱的99 %，但也導致了較大的風阻，該油煙機最大吸入風量僅17 m3/min[7]。

可見，提出一種風阻比較小的結構或裝置以實現高效可靠地油脂過濾已成為油煙機油污清潔的重要挑戰。且對于具有長風道的集成灶，在煙氣進入之初便及時進行油脂過濾顯得至關重要。

一種用于分離氣體中顆粒物的裝置——氣旋分離器，如圖2所示，依靠氣體和顆?；旌衔锴邢蜻M入，并利用離心力使氣體和顆粒物分離，已成功并廣泛應用于真空吸塵器領域[8]。如戴森、小米吸塵器，多錐氣旋分離技術已成為其核心競爭力。除了室內場景，氣旋分離器還被用于粉塵、過敏原、生物氣溶膠的采樣[9]。該裝置相較于傳統濾網結構，不易堵塞風道，工作更為可靠，且便于維護。

圖2 常見氣旋分離器工作示意圖

圖3 改進的側進下出氣旋分離器及其陣列

因此，本文將探索氣旋分離器用于集成灶油脂過濾，即基于氣旋分離技術設計用于集成灶的油煙分離裝置，使其能夠在較小的風阻下可靠地將油脂從油煙中分離，進而對油煙過濾，實現油煙機內部的清潔。

1 基礎模型

考慮到集成灶自上而下的原始風道結構，本文通過延長并彎折上出口風道的方式將圖2所示的側進上出的常規氣旋分離器改進為側進下出的油煙分離裝置。延長的風道同時具備擴張特征，以將出口較大的動能轉換為壓能，降低流動損失，減小整體風阻。同時考慮集成灶風道的扁平特征，將上述油煙分離裝置橫向陣列排布，并覆蓋集成灶原始風道入口處的區域。接下來將重點針對單個油煙分離裝置，首先研究流體（煙氣）通過的風壓損失。

2 研究方法

為便于計算收斂，油煙分離裝置的入口和出口均添加了延長段，如圖4（a）所示。接著對流域進行了網格劃分。采用計算精度較高的多面體網格對計算域進行離散，如圖4（b）所示。且為了確定網格尺寸，進行了多次試算，以確保了計算結果不因網格密度的持續增加而變化。最終全計算域網格總數約為175 萬。

圖4 油煙分離裝置計算域及網格劃分示意圖

邊界條件設定中，入口和出口均為壓力出口，其余為壁面邊界條件。出口給定負壓為100 Pa，入口靜壓為0 Pa?；谥付▔翰钣嬎銜r，將通過流量反應整個油煙分離裝置的流動阻力損失情況。

3 研究結果

首先對計算所得到的內部流場進行了分析，如圖5所示。其中圖5（a）為流線圖，可以看出，在油煙分離裝置主體段，流體產生了明顯旋流現象，這將有助于分離煙氣中的油脂。但在延長風道的擴張段，出現了大范圍的流動分離（回流）現象，這表明流體在擴張段中將無法進行擴壓。由右側圖5（b）中的壓力分布也可以看出，在擴張段中，壓力并未按照預想的隨著流體向下游流動而壓力逐漸增加。通常當擴張段無法實現擴壓時，預示著油煙分離裝置主體中流出的高速流體將面臨較大的動能損失，宏觀上表現為較大的流動阻力。

圖5 油煙分離裝置內部流場

除了擴張段失效帶來的流動損失外，還發現流體從裝置主體流至出口的過程中，存在較大的旋轉動能，而這部分動能在當前的結構中仍無法轉換成壓能，最終也將被損失掉。這進一步增大了油煙分離裝置的流通阻力。在上述兩種主要的流體阻力的影響下，該結構的煙氣質量流量僅為7.76×10-3kg/s。根據結構尺寸，當前集成灶入口通道可陣列放置12 個氣旋分離器，此時在內部負壓100 Pa 的條件下，對應煙氣體積流量僅為4.56 m3/min，尚無法滿足應用需求。

針對上述基礎模型中存在的問題，本文通過調整擴張段的擴張角，調整結構以降低旋流損失等措施，對模型進行改進并繼續進行計算驗證。通過對多個版本的迭代改進，最終形成了如圖6（e）所示的自上而下流動且具有切出通道特征的油煙分離裝置。需要說明的是在對油煙分離裝置進行結構改進中，其在集成灶通道內的排布數量也隨橫向尺寸的變化而變化。

圖6 油煙分離裝置迭代改進歷程

事實上，圖6（d）所示模型已基本克服了擴張通道的流動分離以及旋轉動能損失的問題。圖6（e）所示模型則是在圖6（d）所示模型的基礎上，為了便于油脂過濾后的排出以及加工制造的方便而進行的結構調整。圖6（d）所示的模型相對于基礎模型，在保留氣旋分離特征的同時，采用自上而下的流動通道，這便于煙氣以更順暢的方式流動，從而減小了流通阻力。圓柱形旋流通道和方形擴張通道近似成45 °角，一方面便于充分利用集成灶的扁平通道結構的空間，另一方面也便于流體以更順暢的方式由旋流通道流入擴張通道。更重要的是，方形擴張通道與旋流通道的交叉口偏向旋流通道一側，擴張通道其中一面近似與旋流通道相切。這便于流體從旋流通道切向進入擴張通道，有利于流體的旋轉動能轉化為平移動能，進而在擴張通道里擴壓將阻。

針對圖6（d）所示模型的計算結果如圖7所示。由圖中可以看出，流體在由入口進入旋流通道內時，出現較為劇烈的旋轉，這一過程將便于煙氣中的油脂被離心力拖拽至通道表面。在由旋流通道進入擴張通道時，總體較為順暢，能觀察到流體由旋轉運動轉變為平移運動。此外，在擴張通道內，也未發現明顯的流動分離現象，表面流體動能依靠擴張通道逐漸轉變為流體壓能，從而減小了通道內以及流體流出通道后的流動損失。

圖7 多次迭代后的油煙分離裝置內部流線分布

以上對流動特征的改善也體現在流量的增加上。通過計算，在內部負壓100 Pa 的條件下，對應煙氣體積流量由基礎模型的4.56 m3/min 提升至8.82 m3/min（對應總質量流量為0.18 kg/s）。若基于目前主流的油煙機負壓400 Pa 計算，則煙氣體積流量為17.64 m3/min，該值接近市面上油煙機的平均風量。這表明目前所設計的油煙分離裝置，從通流能力上看，已能夠滿足使用的需求。

5 結論

將目前廣泛用于氣體和顆粒分離的氣旋分離器用于集成灶油煙分離，其對整個通道的風壓損失是首先要關注的問題?；诖?，采用數值仿真方法，以風壓損失最小為目標，對油煙分離裝置進行設計，最終給出了一種具有下排氣、切向出口等特征的油煙分離裝置。仿真結果表明該油煙分離裝置內部流動較為順暢，擴張通道和切向出口有利于將流體動能轉化為壓能，從而降低流通阻力。且根據計算所得的油煙機風量，表明目前的結構已能夠滿足使用需求。后續研究將進一步分析其油煙分離效果，并結合風機特性對結構進一步優化。