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复合式油烟净化机设计理论
同济大学机械工程学院 邱惠清 任金生
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摘 要: 为提高小型高压油烟净化机的除油烟效率,开发了一种利用电场进风均风空间、前置简易蜗壳旋风收尘的复合式油烟净化机。考虑到大型工业用电除尘器一般用于处理风量大、电压高、极距宽、电场长度长、通风截面大等场合，但小型高压油烟净化机与其相比有明显不同的特点，故小型高压油烟净化机的结构参数、气流参数、电气参数和性能参数的选取计算，应和传统大型工业静电除尘器的设计理论不同。介绍了一种蜗壳旋风与高压静电结合的复合式油烟净化机的设计理论。
关键词：蜗壳旋风 高压静电 油烟净化
1 引言
城市餐饮业的厨房油烟排放一直是城市空气的重要污染源，油烟扰民已成为城市众多环保纠纷投诉的热点。国家环保总局及时出台了强制性环保标准，规定了饮食业油烟不得自然排放、必须净化，明确了油烟排放的最高浓度和油烟净化设备的最低去除效率。最近，笔者研制了一种蜗壳旋风和高压静压结合的复合式油烟净化机，产品经用户使用、国家权威检测部门检测、环保部门鉴定，油烟去除率已达到90.7％。小型高压静电油烟净化机与大型高压静电工业除尘设备特点不同，本文试从两者对比中介绍复合式油烟净化机设计的理论。
2 结构和工作原理
大型工业静电除尘器一般有处理风量大、收尘效率高的特点，常采用高电压(100kV以上，甚至高达600kV)，宽极距(300～600mm)，电晕极多为芒刺形、星形等，集尘极多为板式、管式等，电场长度均在数米以上。由于处理风量大，为保证电场风速限制，必须加大横截面积，故体积都很庞大。
而小型高压静电油烟净化机一般用于市区餐饮业的油烟净化，安装空间受限，不允许体积很大。为了降低成本、安全使用，又必须降低电压，故常采用低高压(20～30kV)，小极距(40～60mm)，电场长度也仅为400～600mm，油烟去除效率也只需达到80％～90％，便可满足国家环保标准要求。电晕极一般采用直径为2～3mm的细圆管或铂铑合金丝。集尘极则可用板式、蜂窝式、方形、圆管等，尤以蜂窝式集尘表面积最大，故应用最为广泛。
笔者开发的蜗壳旋风和高压静电结合的复合式油烟净化机，巧妙地利用了一般高压静电油烟净化机下部的进风均风部位，设计了一个蜗壳旋风收尘器，将粗大油烟颗粒旋风分离，使进入电场的油烟颗粒细小均匀。这样不仅可以提高电场收尘效率，而且可以避免小极距粗大颗粒引起的电场击穿故障。简易蜗壳旋风风阻很小，故一般仍可使用原厨房脱排油烟的轴流式风机。整机结构如图1所示。简易蜗壳利用一般旋风收尘器的旋风分离机，含尘气流高速切向进入蜗壳，旋转气流中的油烟颗粒因离心惯性力甩向器壁，失速下落完成收尘。

（图片）

图1 复合式油烟净化机结构

高压静电除尘机理简述如下：电晕极通以高压静电，产生非均匀电场。由于电晕极曲率半径很小，其表面电场强度极大，表层空气被电离，产生自由加速电子，在移向集尘极的过程中，碰撞含尘气流中的油烟颗粒，使其电离，一起以驱进速度移向集尘极，中和后，即下落完成收尘。
大量中性分子电离，称为电子雪崩。这个过程会产生蓝色闪光，咝咝作声，又叫电晕放电。发生电晕放电时的电场强度叫临界电场强度，此时的电压叫临界电压。此后如进一步提高电压，将在两极间产生火花击穿，称为击穿电压。静电油烟净化机应工作在电晕电压和击穿电压之间。
3 主要技术参数选择计算[1，2]
3.1 处理风量
可按国家环保总局规定的不同灶数处理风量开发系列产品。本文以三灶6000m3/h风量为例。
3.2 旋风风速
进入蜗壳的旋风风速一般以10～18m/s为宜，本机型取17m/s。据此可确定进风口尺寸。
3.3 电场风速
电场风速一般取0.4～1.5m/s，据此可确定电场的有效通风截面尺寸。
3.4 临界电场强度
可参照大型工业静电除尘器的经验公式计算：

（图片）

式中, Ec ——临界电场强度，V/cm ；
δ——气体相对密度；
r——电晕极半,cm。
3.5 临界电压
可用下式计算：

（图片）

式中, R——集尘极半径，cm。
3.6 粉尘驱进速度
粉尘驱进速度即颗粒带电电离后向集尘极的移动速度，用下式计算：

（图片）

式中，ue——粉尘驱进速度，m/s；
E——平均电场强度，V/m；
dp——粉尘粒径, m；
——气体粘度, Pa·s。
3.7 电场长度
为保证含尘气流通过电场时油烟颗粒沉积在集尘极，故电场长度的确定应满足下式：

（图片）

式中，L——电场长度，m；
u——电场风速，m/s。
3.8 收尘效率
本机型收尘效率应是前置蜗壳旋风和后置高压静电二级收尘效率的迭加。
简易蜗壳旋风收尘效率可参照旋风收尘器。一般当旋风风速为12～18m/s，粉尘粒径dp>10µm，含尘浓度为50δ/m3以下时，蜗壳旋风收尘效率η1＝80%～85%。
高压静电除尘收尘效率η2可用下式计算：

（图片）

式中，A——集尘极面积，m；
θ——含尘气体流量，m3/s。
总除尘效率为：
η＝η1＋(1－η1)·η2
4 结语
4.1 前置简易蜗壳旋风除尘可预先除去粗大油烟颗粒,既可避免电场击穿,又使进入电场的油烟颗粒均匀,可大大提高高压油烟净化机的除油烟效率。
4.2 根据小型油烟净化机与大型静电除尘机的不同特点，针对蜗壳旋风和高压静电结合的复合式油烟净化机，提出了设计原则和主要技术参数计算的简单实用公式。
4.3 研制的样机经过国家环保总局除尘设备检测中心的检测，除油烟效率达到90.7%，油烟排放浓度仅0.94mg/m3。说明根据作者提出的设计理论进行的参数选择计算是可行的。
5 参考文献
1 岑可法.气固分离理论及技术.杭州：浙江大学出版社，1999.
2 童志权.工业废气净化与利用.北京：化学工业出版社，2001.
第一作者邱惠清,男,1948年生,1982年毕业于上海海运学院,副教授。 5/9/2005

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