劉夢茹 丁濼火 汪春節(jié) 王運(yùn)發(fā) 陳茜

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

隨著生活水平的提高，燃?xì)庠詈臀蜔煓C(jī)已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚膹N房電器。目前對于單個(gè)燃?xì)庠钛芯可醵?，一些學(xué)者對燃?xì)庠铄佒Ъ芨叨?、燃燒器結(jié)構(gòu)等進(jìn)行探究[1-4]。中國家庭以煎炸爆炒為主，這些烹飪方式會(huì)產(chǎn)生大量油煙，吸油煙機(jī)可以快速吸走燃?xì)庠钆腼儠r(shí)產(chǎn)生的油煙，降低對人體皮膚、呼吸道等產(chǎn)生的不良影響，但同時(shí)吸油煙機(jī)的開啟改變了燃?xì)庠钌戏娇臻g的空氣流動(dòng)狀態(tài)，對燃?xì)庠畹男阅茉斐梢欢ǖ挠绊?。鄧鵬飛[5]等運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究了集成灶吸煙距離和風(fēng)機(jī)風(fēng)壓對燃?xì)庠顭嵝实挠绊?，從而?yōu)化集成灶的結(jié)構(gòu)參數(shù)。側(cè)吸式吸油煙機(jī)十分受中國家庭的喜愛，銷售量逐年遞增，“超大風(fēng)量、超強(qiáng)風(fēng)壓”技術(shù)能夠有效地解決油煙回流問題，但是會(huì)不可避免地干擾燃?xì)庠钊紵?/p>

現(xiàn)如今許多燃?xì)庠町a(chǎn)品通過燃燒器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、增加聚能圈等方式提高能效，但對于開啟吸油煙機(jī)時(shí)燃?xì)庠畹男阅茏兓芯可跎佟B 16410-2020《家用燃?xì)庠罹摺分袑η度胧饺細(xì)庠?、臺(tái)式灶、集成灶分別作出使用性能要求，其中集成灶未開啟吸排油煙裝置和開啟吸排油煙裝置要求并不相同，可見在燃?xì)庠钍褂眠^程中開啟吸排油煙裝置是存在影響的[6]。針對嵌入式燃?xì)庠罴芭_(tái)式灶，在開啟吸油煙機(jī)與未開啟吸油煙機(jī)的情況下，國標(biāo)中并未有相關(guān)的要求。燃?xì)庠畹臒嵝实奶岣哂兄谖覈墓?jié)能減排，提高能源利用，對消費(fèi)者而言可以降低生活成本[7]。因此開展在開啟吸油煙機(jī)狀態(tài)下燃?xì)庠畹男阅苎芯渴鞘直匾?，本文選取在市面占比較大的側(cè)吸式吸油煙機(jī)進(jìn)行對比研究，定量分析用戶使用的幾種典型場景下吸油煙機(jī)工作時(shí)對燃?xì)庠钚阅艿挠绊?。同時(shí)通過仿真手段進(jìn)行理論分析，客觀評(píng)價(jià)“大風(fēng)量吸油煙機(jī)”在家庭烹飪中對燃?xì)庠钚阅艿挠绊憽?/p>

2 實(shí)驗(yàn)及仿真設(shè)計(jì)

選取我司生產(chǎn)的某款燃?xì)庠罴皞?cè)吸式吸油煙機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。按照GB 16410-2020《家用燃?xì)庠罹摺分幸螅谖撮_啟吸油煙機(jī)時(shí)，燃?xì)庠顭嶝?fù)荷、煙氣及熱效率性能測試環(huán)境為試驗(yàn)灶具周圍1 m處，空氣流動(dòng)速度≤0.1 m/s[6]，燃?xì)鈮毫?000 Pa，同時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)鍋進(jìn)行測試，測試時(shí)燃?xì)庠铒L(fēng)門開度保持不變。該實(shí)驗(yàn)的測試系統(tǒng)如圖1所示，包括燃?xì)庠?、吸油煙機(jī)、供氣系統(tǒng)、煙氣測量系統(tǒng)及溫度測量系統(tǒng)。其中供氣系統(tǒng)包括氣體運(yùn)輸管道以及氣體流量計(jì)W-NKDa-1A。煙氣測量系統(tǒng)包括煙氣分析儀Testo350及煙氣取樣器，煙氣取樣器根據(jù)要求放置于距離鍋底面20 mm～40 mm范圍內(nèi)，均勻采集煙氣。實(shí)驗(yàn)工況具體如下：

圖1 實(shí)驗(yàn)場景搭建

（1）不同風(fēng)量（吸油煙機(jī)的檔位）：在實(shí)際生活中，用戶會(huì)根據(jù)烹飪方式調(diào)整吸油煙機(jī)的檔位以滿足要求。本實(shí)驗(yàn)在吸油煙機(jī)五種運(yùn)行檔位下（1檔、2檔、3檔、4檔、爆炒檔）對我司燃?xì)庠钭鲂阅軠y試，吸油煙機(jī)實(shí)測風(fēng)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 吸油煙機(jī)不同檔位實(shí)測風(fēng)量數(shù)值表

（2）不同安裝高度：GB 4706.28-2008中7.12.1要求若吸油煙機(jī)安裝在燃?xì)鉅t灶上方，該距離應(yīng)至少為65 cm[8]。本文選取的側(cè)吸式吸油煙機(jī)說明書安裝高度建議值范圍為350～400 mm，考慮到一些消費(fèi)者為了追求更好的吸煙效果，沒有根據(jù)建議高度進(jìn)行安裝，而是一味地降低安裝高度，吸油煙機(jī)實(shí)際安裝高度范圍更大，在本實(shí)驗(yàn)中選取非建議范圍內(nèi)的安裝高度265 mm（后文中稱為“極限低位安裝高度”）。由于吸油煙機(jī)的實(shí)際安裝高度決定了對燃?xì)庠钪車諝獾母蓴_程度，選擇吸油煙機(jī)不同的安裝高度（極限低位安裝高度265 mm、建議安裝高度365 mm）進(jìn)行對比測試。

（3）仿真模型的建立：為了能夠更加深入地探究吸油煙機(jī)運(yùn)行對燃?xì)庠钍褂眠^程中的影響，根據(jù)吸油煙機(jī)使用時(shí)的實(shí)際情況建立簡化模型，如圖2a）所示，重點(diǎn)關(guān)注鍋具周圍的空氣流動(dòng)狀態(tài)。利用MESH對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在吸油煙機(jī)及鍋具局部進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格數(shù)約為130萬，如圖2b）所示。將劃分好網(wǎng)格的模型導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行設(shè)置求解，采用K-epsilon湍流模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，計(jì)算過程中采用分離求解器SIMPLE算法，動(dòng)量、湍流動(dòng)能、湍流耗散率差分格式設(shè)置為二階迎風(fēng)。由于僅探究限制空間內(nèi)的空氣流動(dòng)，因此忽略溫度因素。邊界條件是將吸油煙機(jī)后側(cè)面與灶臺(tái)面設(shè)置為WALL，空間其他壁面均設(shè)為OPENING，吸油煙機(jī)出口處設(shè)定已知風(fēng)量質(zhì)量流量。

圖2 物理模型

3 實(shí)驗(yàn)分析

（1）吸油煙機(jī)安裝高度為365 mm狀態(tài)下對燃?xì)庠钚阅苡绊?/p>

在吸油煙機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，依據(jù)GB 16410-2020《家用燃?xì)庠罹摺穼θ細(xì)庠钸M(jìn)行熱負(fù)荷、煙氣及熱效率測試，由于綜合考慮測試環(huán)境中的溫度、氣壓、燃?xì)鉂穸鹊扔绊懸蛩?，對測試結(jié)果修正為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的熱負(fù)荷，即為實(shí)測折算熱負(fù)荷。隨著吸油煙機(jī)開啟檔位的增加風(fēng)量變大，燃?xì)庠顭嶝?fù)荷沒有變化，實(shí)測折算熱負(fù)荷為3.984 kW，其計(jì)算公式為[6]：

式中：Φ-實(shí)測折算熱負(fù)荷，kW；Q1設(shè)-15℃，101.3 kPa狀態(tài)下設(shè)計(jì)氣的低熱值，MJ/m3；υ-實(shí)測燃?xì)饬髁?，m3/h；da-基準(zhǔn)狀態(tài)下干試驗(yàn)氣的相對密度；dmg-基準(zhǔn)狀態(tài)下干設(shè)計(jì)氣的相對密度；pamb-試驗(yàn)時(shí)的大氣壓力，kPa；ps-設(shè)計(jì)時(shí)使用的額定燃?xì)夤鈮毫?，kPa；pm-實(shí)測燃?xì)饬髁坑?jì)內(nèi)的燃?xì)庀鄬o壓力，kPa；pg-實(shí)測灶具前的燃?xì)庀鄬o壓力，kPa；tg-實(shí)測燃?xì)饬髁坑?jì)內(nèi)的燃?xì)鉁囟?，℃；S-溫度為tg時(shí)的飽和水蒸氣壓力，kPa；0.622-水蒸氣理想氣體的相對密度。

吸油煙機(jī)安裝高度365 mm測試數(shù)據(jù)如表2。吸油煙機(jī)安裝高度365 mm下燃?xì)庠钚阅茏兓鐖D3。由圖3可見，熱效率隨著風(fēng)量的增大呈降低趨勢，且變化明顯。同時(shí)吸油煙機(jī)工作時(shí)，使得燃?xì)庠钊紵艿街車諝饬鲃?dòng)的影響，導(dǎo)致煙氣中CO含量呈現(xiàn)增大趨勢，但規(guī)律并不明顯。

表2 吸油煙機(jī)安裝高度365 mm測試數(shù)據(jù)

圖3 吸油煙機(jī)安裝高度365 mm下燃?xì)庠钚阅茏兓?/p>

（2）吸油煙機(jī)安裝高度為265 mm狀態(tài)下對燃?xì)庠钚阅苡绊?/p>

吸油煙機(jī)安裝高度265 mm測試數(shù)據(jù)如表3。吸油煙機(jī)安裝高度265 mm下燃?xì)庠钚阅茏兓鐖D4。由圖4可以看出，吸油煙機(jī)安裝高度為265 mm的情況下，變化趨勢與吸油煙機(jī)安裝高度365 mm的狀態(tài)下基本一致，在吸油煙機(jī)運(yùn)行過程中，風(fēng)量增大，能效降低，但煙氣變化幅度并不顯著，可見在該范圍內(nèi)風(fēng)量的改變對煙氣造成的影響較小。

表3 吸油煙機(jī)安裝高度265 mm測試數(shù)據(jù)

圖4 吸油煙機(jī)安裝高度265 mm下燃?xì)庠钚阅茏兓?/p>

不同高度下燃?xì)庠顭嵝首兓鐖D5。由圖5可知，在吸油煙機(jī)未開啟的情況下燃?xì)庠顭嵝矢哌_(dá)67.73%，在吸油煙機(jī)安裝高度為365 mm同時(shí)開啟爆炒檔時(shí)，燃?xì)庠顭嵝蕿?5.32%，下降了2.41%；吸油煙機(jī)安裝高度為265 mm同時(shí)開啟爆炒檔，燃?xì)庠顭嵝蕿?4.09%，下降了3.64%。可見吸油煙機(jī)安裝高度為265 mm時(shí)（極限安裝高度），對燃?xì)庠顭嵝实挠绊戄^大。

圖5 不同高度下燃?xì)庠顭嵝首兓?/p>

4 仿真分析

由圖6可以看出，在使用吸油煙機(jī)的情況下，鍋具周圍的空氣流動(dòng)發(fā)生明顯變化。從吸油煙機(jī)側(cè)面流速分布圖a）可以看出在鍋具與墻體之間的空間區(qū)域A存在不均勻的速度分布，而鍋具與開放空間的區(qū)域B部分位置流速較大，氣體流動(dòng)明顯。由吸油煙機(jī)正面流速分布圖b）可見，鍋具周圍區(qū)域C、D均存在空氣快速流動(dòng)的狀況。這是由于康達(dá)效應(yīng)（即附壁效應(yīng)）造成，灶臺(tái)面與鍋具改變了空氣原來的流動(dòng)方向，改為沿著灶臺(tái)面與鍋具表面流動(dòng)。

圖6 流速分布圖

由圖7可以看出吸油煙機(jī)下方區(qū)域形成負(fù)壓區(qū)，造成鍋具周圍的空氣流動(dòng)發(fā)生明顯變化，鍋具周圍空氣均流向吸油煙機(jī)進(jìn)風(fēng)口。可見當(dāng)吸油煙機(jī)開啟時(shí)，燃?xì)庠畹亩慰諝庋a(bǔ)充量發(fā)生變化，導(dǎo)致燃燒分布不均勻，局部燃燒不完全，從而造成煙氣CO含量升高的現(xiàn)象。圖7a）顯示鍋具與墻體之間的空間區(qū)域A及鍋具上方區(qū)域E存在渦流現(xiàn)象。這是由于有遮擋墻面的一側(cè)空間有限，空氣流動(dòng)方向雜亂無章，發(fā)生渦流現(xiàn)象，干擾燃?xì)庠畹娜紵Ч?。而無遮擋面一側(cè)，空氣沿著灶臺(tái)面進(jìn)行快速流動(dòng)。

圖7 速度矢量圖

燃?xì)庠钶斎肟偀崃颗c釋放總能量遵循能量守恒定律，根據(jù)能量守恒定律得[9]：

式中：Qi-換熱過程中的總輸入熱量，kJ；Qo-換熱過程中的總輸出熱量，kJ；Qa-空氣帶入的熱量，kJ；Qg-燃?xì)鈳氲臒崃?，kJ；Qgc-燃?xì)馊紵a(chǎn)生的化學(xué)熱（以低熱值計(jì)），kJ；Qb-鍋中水吸收的熱量，kJ；Qf-煙氣帶走的熱量，kJ；Qc-燃燒過程中火焰對外輻射熱損失，kJ；η-熱效率。

鍋具周圍空氣溫度分布如圖8所示。在燃?xì)庠罴訜徨伨叩倪^程中，無吸油煙機(jī)運(yùn)行的情況下，周圍空氣會(huì)朝向燃燒區(qū)域進(jìn)行氧氣補(bǔ)充，使燃燒更加充分。燃燒過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔馀c周圍空氣由于存在溫差從而發(fā)生熱交換，導(dǎo)致部分熱量散失，即煙氣帶走的熱量Qf。同時(shí)燃?xì)庠顬槊骰鹑紵鹧鎸ν獠凯h(huán)境進(jìn)行熱輻射導(dǎo)致一部分熱損失Qc，這也是消費(fèi)者在使用燃?xì)庠顣r(shí)感受到酷熱的主要原因。圖8可見在加熱鍋具時(shí)周圍存在高溫?zé)煔饧耙驯患訜峥諝獾臏囟确植?，離火源及鍋具越遠(yuǎn)，溫度會(huì)逐漸下降?？拷侒w的高溫?zé)煔饧耙驯患訜峥諝鈺?huì)與鍋體進(jìn)行少量的熱交換。

圖8 燃?xì)庠钊紵隣顟B(tài)下鍋具周圍空氣溫度分布

由圖9可以觀察到鍋具周圍空氣流動(dòng)的方向與速率分布，可見由于吸油煙機(jī)的使用導(dǎo)致周圍的空氣流動(dòng)發(fā)生變化，由于吸油煙機(jī)的吸力作用，導(dǎo)致吸油煙機(jī)附近的區(qū)域變?yōu)樨?fù)壓區(qū)，外界補(bǔ)充的空氣均朝向吸油煙機(jī)流動(dòng)，干擾了空氣對燃燒區(qū)域的補(bǔ)充，導(dǎo)致燃燒充分性降低，從而煙氣中CO含量呈升高趨勢。同時(shí)吸油煙機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)加快鍋具周圍高溫?zé)煔饧耙驯患訜峥諝獾牧鲃?dòng)速率，鍋具周圍的空氣均朝向吸油煙機(jī)進(jìn)風(fēng)口流入，降低了鍋具與高溫?zé)煔饧耙驯患訜峥諝獾臒崃拷粨Q，鍋中水吸收的熱量Qb有所下降，從而導(dǎo)致燃?xì)庠顭嵝氏陆怠?/p>

圖9 三維速度矢量圖

5 結(jié)論

近年來城市住宅高層化以及中國傳統(tǒng)的烹飪習(xí)慣決定了吸油煙機(jī)大風(fēng)量的趨勢，同時(shí)為了解決油煙回流的問題，許多品牌商不斷開發(fā)大風(fēng)量吸油煙機(jī)。大風(fēng)量技術(shù)改變了我們的生活，它能夠使油煙極速吸排，減少油煙對消費(fèi)者的傷害。但吸油煙機(jī)與燃?xì)庠钍桥涮资褂玫?，吸油煙機(jī)的使用會(huì)對燃?xì)庠畹男阅茉斐梢欢ㄓ绊?，本文通過研究，得出具體結(jié)論如下：

（1）在吸油煙機(jī)運(yùn)行的情況下，燃?xì)庠顭嵝孰S著風(fēng)量的增大呈降低趨勢，煙氣中CO含量呈現(xiàn)上升趨勢，但變化不大且無明顯規(guī)律。

（2）吸油煙機(jī)安裝高度越低、鍋具周圍的空氣受到的干擾越明顯，對燃?xì)庠钚阅苡绊懺酱?。吸油煙機(jī)安裝高度在極限低位、爆炒檔時(shí)，對燃?xì)庠顭嵝视绊懽罡呖蛇_(dá)到3.64%左右，本次實(shí)驗(yàn)實(shí)測最大風(fēng)量為20.38 m3/min左右。現(xiàn)如今市場追求大風(fēng)量，市面上吸油煙機(jī)風(fēng)量達(dá)到21 m3/min的產(chǎn)品數(shù)不勝數(shù)，當(dāng)吸油煙機(jī)風(fēng)量更大時(shí)，影響將會(huì)更明顯。

（3）通過仿真看出由于吸油煙機(jī)的運(yùn)行，造成周圍空氣均朝向吸油煙機(jī)進(jìn)風(fēng)口流動(dòng)，鍋具周圍的空氣流動(dòng)尤為明顯，從而造成了熱效率的降低、煙氣中CO含量的升高。吸油煙機(jī)工作時(shí)，負(fù)壓區(qū)域?qū)⑴腼儠r(shí)的油煙吸走的同時(shí)，也減弱了燃?xì)庠罡邷責(zé)煔馀c烹飪器具之間的對流換熱。

（4）本文通過研究開啟的吸油煙機(jī)對燃?xì)庠钚阅艿挠绊懀梢钥闯鲇脩粼诎惭b吸油煙機(jī)時(shí)要依據(jù)國標(biāo)或說明書中給出的建議安裝高度進(jìn)行安裝，不能一味追求吸油煙的效果。同時(shí)也可對用戶進(jìn)行提醒，減少大火爆炒，可采用更加健康的烹飪方式等，減少油煙的產(chǎn)生。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度出發(fā)，針對吸油煙機(jī)的康達(dá)效應(yīng)，燃?xì)庠羁膳鋫渚勰苋Y(jié)構(gòu)提升能效的保留率。對吸油煙機(jī)而言，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品過程中可以考慮提高負(fù)壓集中區(qū)與烹飪時(shí)油煙區(qū)的重合度，使得小風(fēng)量也能達(dá)到更好的油煙抽吸效果，從而減少吸油煙機(jī)對燃?xì)庠钅苄У挠绊憽?/p>