【论文】一种大气量静电油烟净化器的设计.pdf

一种大气量静电油烟净化器 摘 要 近几年随着餐饮业的不断发展 烹调产生的油烟所带来的大气污染也日益严 重 对于油烟的治理 目前国内外有多种技术 本文首先介绍了油烟的主要成分以及它对人类的危害 对目前使用过的几种 油烟治理技术 设备进行了总结 针对本次设计针对大气量油烟治理的特点 选 用了静电式油烟净化器 阐述了静电式油烟净化器的工作原理 系统设计了净化 器的主体结构以及相关的辅助设备的设计及选型 针对静电式极板清理困难这一 问题 设计了一种可以自动清理式的油烟净化器 本文同时也介绍了油烟净化系 统的安装问题 本次设计的油烟净化器具有除油效率高 阻力小 占地面积小 噪声小的特点 关键字 关键字 静电油烟净化器 油烟 极板 i 一种大气量静电油烟净化器 abstract in recent years with the development of catering trade oil smoke pollution in the catering trade is more and more seriously there are many technologies of treating oil smoke in the home or abroad in the far in this paper compositions of oil smoke and its harms to human beings were introduced the treating technologies and equipments of oil smoke were summarized too because of treating much oil smoke in this paper choosing the electrostatic oil smoke cleaning cartridge the theory of electrostatic oil smoke cleaning cartridge was introduced and design the main body along with some accessorial equipment which type were choice too due to cleaning the aboard of cartridge designing a type of automatism electrostatic oil smoke cleaning cartridge this type of electrostatic oil smoke cleaning cartridge have the character of purifying efficient higher covering small area the resistance was very low and the noise of the equipment was low too key word electrostatic oil smoke cleaning cartridge electrostatic oil smoke ii 一种大气量静电油烟净化器 目 录 第一章 前言 1 1 1 概述 1 1 2 油烟的形成 2 1 3 油烟主要成份 3 1 4 油烟危害 4 1 5 油烟净化技术 5 1 6 油烟净化设备 10 1 7 本次毕业设计选性 15 1 8 静电式油烟净化器优点 16 1 9 总结 17 第二章 静电式油烟净化器的理论基础 18 2 1 电离 18 2 2 气体附着 19 2 3 粉尘荷电 19 2 4 荷电粉尘运动 22 第三章 静电式油烟净化器计算 24 3 1 设计参数 24 3 2 主要参数设计计算 25 3 3 油烟净化器总体设计 33 3 4 零部件设计计算 37 3 5 辅助设备的设计计算 42 3 6 油烟净化器的清洗 51 第四章 运行 维护与安装 55 4 1 安全措施 55 4 2 油烟净化器的安装 55 4 3 预启动 58 4 4 油烟净化器的维护 58 第五章 油烟净化器系统经济分析 59 5 1 管道 59 5 2 风机 59 iii 一种大气量静电油烟净化器 5 3 消声器 60 5 4 集气罩 60 5 5 油烟净化器 60 第六章 结论与展望 62 6 1 结论 62 6 2 展望 62 参考文献 63 声明 65 致谢 66 附录1 65 附录2 69 附录3 71 iv 一种大气量静电油烟净化器的设计 第一章 前 言 1 1 概述 随着我国经济建设的不断发展 使得与市民生活密切相关的城市饮食业 娱乐 业 服务业等第三产业迅速发展起来 它们对我国经济建设起到了很大的推动作用 然而餐饮服务业产生的油烟 带来的环境问题却日渐突出 国内外学者对油烟进行 的研究表明 饮食业油烟污染与工业废气 机动车尾气并称为大气污染的三大杀手 针对工业废气 机动车尾气两个大气污染源 许多城市都已采取了切实有效的措施 严格要求工矿企业达标排放废气和粉尘 严格控制城内行驶的机动车辆必须达标排 放尾气 由于以上措施针对性强 并基本实施到位 这两个污染已得到了较好的治 理 但由于我国居民的饮食习惯和对外排油烟的危害性认识的不足等因素导致对油 烟污染的整治却很不理想 有很多餐饮服务业仅在厨房内安装排油烟机 然后把产 生的油烟未进行净化处理直接排放到空气中 致使油烟气中含有的各种有害气体扩 散到空气中 为了防治饮食业油烟污染 我国 2000 年 4 月新颁布的 中华人民共和国大气 污染防治法 第 44 条规定 城市饮食服务业的经营者 必须采取措施 防治油烟 对附近居民的居住环境造成污染 第 56 条规定 城市饮食服务业的经营者未采 取有效污染防治措施 致使排放的油烟对附近居民的居住环境造成污染的 由县级 以上地方人民政府环境保护行政主管部门或其他依法行使监督管理权的部门责令 停止违法行为 限期改正 可以处以五万元以下罚款 据此 饮食业油烟防治有 了法律依据 根据我国国情 国家环保总局于 2000 年发布了 饮食业油烟排放标准 试行 gwpb5 2000 它规定了饮食业油烟最高允许排放浓度不得超过 2mg m3 对于治 理措施 按餐饮业规模 要求小型单位净化效率不小于 60 中型不小于 70 排 放油烟的饮食业单位必须安装油烟净化设施 油烟无组织排放视同超标 该 标准 适用于城市建成区饮食业 服务业的油烟排放管理 以及新建饮食业的设计 环境 影响评价 环境保护设施竣工验收及其经营期间的油烟排放管理 油烟净化设施必 须经国家认可单位检测合格才能安装使用 运行符合要求才能视同达标 县级以上 环保部门可视情况需要 如解决群众的投诉等 对饮食业单位油烟排放情况进行监 1 一种大气量静电油烟净化器的设计 督性监测 因此 饮食业油烟防治有了规定的检测 控制标准 1 2 油烟的形成 1 2 饮食业油烟是指烹饪过程中加热挥发的食用油和食用油受热反应产生的挥发 性有机物以及冷凝水气 室内含尘气体等的混合物 是粒径小于 10m 的气溶胶 俗称油烟 食用油在烹饪过程中会产生一系列复杂反应 生成含有很多有害物质的 油烟 在烹饪过程中 油烟的形成可以划分为三个阶段 第一阶段 当食用油加热到 50 100 时 食用油中低沸点组分和水分首先汽化 油面有轻微热气上升 加热到 100 270 时 较高沸点组分开始汽化 油面泡沫密 集 开始形成肉眼可见的油烟 主要是由直径约cm以上的小油液 温度高于 270 时 高沸点的食油分量开始汽化 开始形成大量 青烟 主要是由直径范 围为cm 不为肉眼所见的微油液滴所组成 3 10 37 10 10 第二阶段 在食品加入高温食用油时 由于高温食用油的作用 食品所含水分 骤然汽化离开油面 水气遇周围冷空气 部分迅速冷凝 形成以微小油滴为凝结核 的油烟雾 第三阶段 食用油及食品中的部分物质在高温作用下 发生氧化 裂解 水解 等反应 产生了醛类 酮类 烷烃类 多环芳烃等有机化合物 燃料如柴油 煤气 液化气等燃烧过程中还产生了tsp so2等污染物 以上各阶段产生的污染物与周 围空气混合形成了油烟 油烟的形态 所含的主要成分 与烹饪油的种类 烹饪条 件有关 具体情况见表 1 1 表 1 1 饮食油烟各污染物来源 形态和特点 污染物形态 来源 主要成分 特点 食油和食品中物质的 氧化裂解等作用 醛类 酮类 烷烃类 多环芳烃等有机气体 气态 燃料燃烧 so2 危害人类健康的主要因素 食品加热 微小油滴 液态 食品所含水分 水雾 具有很强的黏附性引起排 烟口周围卫生和环境恶化 2 一种大气量静电油烟净化器的设计 上接表 1 1 燃料燃烧 炭黑 炉灶周围空气 tsp 等 固态 其它 食品微小残渣 与液态污染物碰撞凝聚 较易与含尘气流分离 1 3 油烟主要成份 油烟所含的成份相当复杂 既有油脂 蛋白质和原料等在受热条件下进行物理 化学反应产生的有机烟气 也有在加热过程中 油料物料液滴溅裂所分解 氧化 聚合的高分子化合物 从形态上看 包括颗粒物及气态两类 而颗粒物又分为固体 液体两种其中液体的粘度较大 因此烟气形成包含气 固 液三相污染味道主要由 气态污染物造成 液固态污染物则造成环境卫生的污染 经研究表明 油烟中至少有 300 多种化合物 油烟在高温氧化裂解产生多种有 害过氧化物和短链醛 酮 酸 醇等有刺激性味道的裂解后产物 包括脂肪酸 烷 烃 酯 芳香化合物和杂环化合物等 产生的有机化合物与烹饪油的种类 烹饪条 件 规模和温度有关 可分为烃类 卤代烃类 醇酚醚类 醛酮类 羧酸及衍生物 类 稠环杂环类和胺类等七大类 王云翔 3 等对列车餐车油烟雾样品中化学成分进 行gc ms仪分析 结果见表 1 2 表 1 2 列车餐车油烟雾中化合物分类 分类 数目 例子 烃 45 2 甲基 戊烯 1 己烯 癸烷 反十氢萘 卤代烃 2 1 氯 十六烷 1 氯 十四烷 醇酚醚 8 2 甲基 1 戊醇 4 丁氧基 1 丁醇 1 十六醇 醛酮 2 r 4 甲基环庚酮 顺 二氢香芹酮 羧酸及衍生物 4 邻苯二甲酸二异辛酯 邻苯二甲酸二丁酯 稠环杂环 5 2 5 二甲基吡咯啉 2h 吡喃 2 酮 胺类 4 1 3 丁二胺 1 十七胺 1 3 环己二胺 3 一种大气量静电油烟净化器的设计 林晔 5 等报导 普通豆油排放的总悬浮颗粒物浓度和可吸入颗粒浓度比精炼油 高 在同样条件下 普通豆油的多环芳烃 pahs 浓度均高于精炼油 gc ms 检出 普通油挥发物中的有机组分比精炼油多11 种 精炼油未检出芳烃化合物 普通豆 油检出两种芳烃化合物 鲍子平等 7 人报导菜油 豆油加热氧化 分解的挥发性冷 凝物 经gc ms 分析 含巴豆醛等不饱和醛 但花生油的冷凝物没有检测出 有报 导 中国菜籽油油烟中1 3 丁二烯 苯的含量高于花生油和豆油油烟 1 4 油烟的危害 1 4 1 对人身体的危害 油烟被人体吸入后使呼吸道黏膜损伤 并降低人体免疫功能 眼睛遭受油 烟激后容易干涩发痒 视力模糊 结膜充血 易患慢性结膜炎 鼻子受到刺激后黏 膜充血水肿 嗅觉减退 可引起慢性鼻炎 咽喉受刺激后出现咽干 喉痒 易形成 慢性咽喉炎等等 有关资料显示 在致肺癌因素中 烹调油烟是仅次于 深度吸烟 烟雾 到达呼吸道深部的危险因素 如果消除吸烟和烹调油烟的危害 可使肺癌减少85 中国许多妇女不抽烟却患上肺癌与长期接触厨房油烟不无关系 多数研究发现 烹调油烟能影响有机体的细胞免疫 巨噬细胞功能 抗肿 瘤效应 免疫监视功能 从而使免疫功能下降 医学界还发现家庭主妇易衰老 易患心血管病 脑血管病 消化道疾病 如 直肠病等 专家们认为这是脂肪氧化物毒害的结果 1 4 2 大气质量问题 厨房油烟一经排出 极易与室外空气中的悬浮颗粒及其它有害气体结合 在太 阳紫外线照射下 迅速 持续地发生化学反应 形成更复杂 更有害的光化学烟雾 随风飘散 有的被人们呼吸所吸收 有的吸附在建筑物表面上大部分则悬浮在空气 中 使城市大气中油烟气凝聚物明显增多 成为环境公害 1 4 3 损坏家电和器壁 烹调油烟中的液体粘度大 一旦钻入彩电 收录机 电子琴中 便会粘附于机 内各元部件的表面 粘有油烟的元部件或印刷电路板一遇到尘埃 就将尘埃粘住且 越粘越多 使元部件或印刷电路板表面形成一层油性污垢 这种污垢遇到潮气 便 4 一种大气量静电油烟净化器的设计 被潮气的水气乳化 变成乳化状油性污垢 这种油性污垢具有一定的导电能力 会 造成机内高频电路或高压电路打火 导致组件损坏 一旦粘到墙壁或器物表面 很 容易吸附空气中的微生物并繁衍 侵蚀器壁 或颜色变黑 影响美观 1 5 油烟的净化技术 随着环保法规的日益完善和人们对环境质量要求的不断提高 我国从20世纪 80年代开始 开发和研究出了许多油烟净化设备和净化方法 它对改善城市居民的 生活环境起到了积极的作用 油烟净化设备的净化方法可分为以下几种 1 5 1 惯性拦截法 该方法是通过改变气流方向 使油烟雾滴从气流中脱离 并沉积到拦截物体上 目前的惯性拦截设备主要有隔栅和油雾网罩等 惯性拦截方法具有 操作维护方便 能耗小 设备简单 压降较小 通常为 50 200pa 制作材料广泛等优点 它的缺点是净化效率不高 特别是对于微小粒径的颗粒物的去除效率很低 单 独使用几乎不能达到净化标准的要求 因此该技术一般只用于处理要求较低的场 所 或用作预处理和其它方法结合使用 1 5 2 过滤法 过滤法的工作原理是利用纤维垫等材料作为滤层 使油烟粒物在碰撞 拦截和 扩散作用下被捕集于滤料中得到净化 过滤技术中滤料的孔隙大小 厚度 颗粒物 粒径和过滤风速 是影响去除效率主要因素 过滤技术的净化效率一般在 80 90 之间 具有投资少 操作简单 对油烟中 的颗粒气溶胶吸附性大等优点 其缺点是压降大 占地大 特别是滤料容易堵塞并且不能清洗 只能用新的 滤料将其换掉 这不仅增加了滤料的用量 也增加了更换滤料的工作量 同时 更换后的滤料容易造成固态污染 需加以处理 运行费用较高 因此目前此技术在 油烟治理中应用较少 但对于一些具有较大空间的饮食业单位还是可以优先考虑 过滤技术的关键是滤料的选择 滤料主要是一些吸油性能较高的高分子复合材 料 图 1 1 为北京神州瑞琪环保科技有限公司在 2001 年研发的瑞琪 d 油烟过滤材 料 5 一种大气量静电油烟净化器的设计 图 1 1 瑞琪 d 油烟过滤材料平面 瑞琪油烟过滤材料是一种采用聚丙烯高分子材料为主 再填加了疏水性 阻燃性 耐热性 抗冻性 抗老化性等不同助剂热熔后 喷丝形成了不规则的旋转堆积网状 结构物 目前已向市场推出普通型和阻燃型两大系列数十种规格 适用于干法 湿 法 静电法及复合型等各种油烟处理设备 1 5 3 洗涤法 洗涤法是目前油烟污染治理中应用比较广泛和研究较多的方法 根据这种方法 研制的油烟净化器 主要是参照湿法除尘的原理 通过吸收液吸收油烟中的污染 物 在气液体接触中使污染物从气相向液相转移 该法的处理效果由气液接触的方 式以及吸收液的性质决定 利用洗涤法工艺处理油烟在珠三角地区应用较为普遍 比较有代表性的处理设备包括水溶液吸收法和水膜湿法处理设备 1 5 3 1 水溶液吸收法 采用水溶液吸收法处理油烟 通常须要在水溶液中加入碱性除油剂和去味剂 以增强除油和除异味的效果 处理用水可以循环使用 目前应用较广的运水烟罩就 是根据这种原理制成的 利用水溶液吸收法净化油烟 除油效率主要与喷淋水滴的 直径和喷水量等因素有关 水滴直径在 250 500um 范围时 除油效率最高 喷水量 越大除油效率越高 水溶液吸收式油烟处理器可根据安装场地的需要 做成立式和卧式等造型 近 年来 水溶液吸收法油烟处理技术发展迅速 例如出现了 采用多级水喷淋流程处 理 在水中添加高效除油剂 将单纯的水溶液吸收法与其他方法联用 在水喷淋流 6 一种大气量静电油烟净化器的设计 程前 加装过滤除油网 以加强净化效果 在水喷淋器内装超声波发生器 利用超 声波的作用提高水雾对油烟气体的洗涤作用等 典型的水溶液吸收式油烟净化器的 结构如图 1 2 所示 图 1 2 水溶液吸收式油烟净化器 油烟气体通过气流分布格栅后 使气流能均匀进入净化器 在净化器内烟气经 过水溶液洗涤 或由安装的高压喷淋嘴对着气流方向喷射水雾 液滴通过与油雾 粒子的碰撞 接触 就捕获了油雾粒子 净化后的气体通过挡水板除去雾沫后排放 与其他方法相比水溶液吸收法具有抽风阻力较小 通常为 250 500pa 工艺 简单 投资较少 占地面积小 易于操作维护 而且可去除油烟中的可溶性有害气 体等优点 这种方法的突出缺点是能耗较高 对亚微米级粒子效率低 一般情况下 水溶 液吸收式油烟净化器须要定期更换洗涤液 洗涤液由于吸收了污染物不能直接排 入下水道 需经过油水分离装置处理后循环使用 否则会出现二次污染问题 1 5 3 2 水膜湿法 油烟经排烟口进入净化器时与喷嘴射出的净化液雾混和吸附 冷凝转相 产生 雨洗效应 并在重力作用下随净化液流回水箱循环使用 净化后的水雾经气液分离 7 一种大气量静电油烟净化器的设计 装置进行气水分离 风机外排 该法处理效率高 价格适中 易被中小型饮食业用户接受 但它需占用安装场 地 含油净化液要作隔油处理 易造成二次污染 该类型设备是目前油烟处理工艺 中最常用的方式 但不同的设备由于气液接触方式设计的不同导致效果差异很大 洗涤法根据设备选择的不同 净化效率不同 一般情况下水喷淋一般在 40 75 水溶液吸收式可达 85 92 多组分洗涤吸收液法可高达 96 3 适用于 中小规模的饮食业单位的厨房油烟处理 1 5 4 静电沉积法 该法原理与静电除尘器原理相同 利用电场力去除油烟中颗粒物和挥发性有机 物 其基本过程包括气体分子电离 油烟微粒获得离子而荷电 荷电微粒向电极移 动 油水混合液利用重力作用 顺收集电极流下 顺排泄孔排进收集器 从而达到 与气体相分离的目的 静电式油烟净化设备的电极栅结构 尺寸 电场数量及高压电源是影响净化效 率的关键 理想的高压静电油烟净化器的电极栅结构应该能把油烟粒子充分极化和 充分收集 并且极化区和收集区要分开 湿式静电技术对亚微米级颗粒物有很高的 捕集效率 可高效去除细微的油雾颗粒 同时 气体放电过程中产生的臭氧对于气 味也有一定的去除效果 目前已研制出的主要设备有 cjd 厨房油烟净化设备 jwq 系列静电型油烟净化器等 静电净化器是一种干式高效净化器 其优点有 效率高 对粒径1 2 m 的尘粒 效率可达98 以上 阻力小 约为100 200pa 可以处理高温 500 以下 高湿气体 适用于较大型的工程 处理的气体量越大 经济效果越好 其缺点有 设备尺寸较大 耗材多 造价较高 结构较复杂 制造 安装的精度要求高 油烟内处理微粒的比电阻对处理效率影响较大 电极板的清理问题 处理油烟一段时间后 粘性油滴容易附着在放电极和集 尘极上 导致静电式油烟净化设备在运行一段时间后净化效率下降 特别是对于收 集那些油雾流动性差的油烟 粘结问题更为突出 为了解决这个问题 必须要经常 8 一种大气量静电油烟净化器的设计 清洗 维护工作量很大 为了解决极板清理困难的问题 目前各厂家采用最普遍的 做法是加强售后服务 定期清理极板 但这不是解决问题的根本办法 1 5 5 等离子体净化法 这是最新开发的油烟净化技术 其原理是利用高压静电法的同时 在静电场的 前端设置等离子场 利用其高能量所激发的大量活性自由基对油雾粒子进行降解 使其粘度下降 在等离子产生中 高频放电产生的瞬时高能量 能打开一些有害气 体的化学键 分解成单质原子或无害分子 本方法去除率70 90 系统阻力85 具有投资预期高 排放要求严格 而且对周围居民造成影响大的 特点 针对这些特点选静电式为最佳选择 15 一种大气量静电油烟净化器的设计 1 8 静电式油烟净化器的优点 4 油烟净化设备的去除效率 有无二次污染 投资 运行费用 压降与能耗 维 修管理 所占空间等 是油烟净化设备选型的依据 针对于以上几个方面静电式油 烟净化设备相对于湿式与过滤式具有明显的优势 1 8 1 无二次污染 湿式设备使用后的洗涤液由于吸收了污染物 如果直接排到河流中就会造成二 次污染问题 而过滤式更换后的滤料若不进行处理容易造成固态污染 而且对于更 换后的滤料主要是对其进行焚烧 这样又会对大气造成污染 相反静电式设备则不 存在二次污染问题 1 8 2 运转成本适中 一般来讲 油烟净化器均为复合式结构 按hj t62 2001标准其主体设备阻力 均 600pa 为使集油罩排油烟气通畅 配置的风机压头都要在600pa以上 因此 这三类净化设备应匹配的风机消耗功率应该是相仿的 由于湿式油烟净化器需要配 置循环水泵 为此在用电量上要增加水泵用电量的消耗 在总用电量上略比其它几 类设备稍多一点 并且湿式油烟净化器在日常运转中需要在循环洗涤液中加入适量 的药剂 一般为2 过滤式设备则需要频繁的更换滤料 静电式设备在运转的过 程中除了需要支付与其它两类设备相同的风机耗电量外 基本上不需要额外的费 用 1 8 3 占地面积较小 静电式的安装方式一般为罩式 即直接安装在抽风罩内 和管道式 占地面积 不大 而湿法油烟净化器需要循环水泵 水箱以及匹配的引风机 从整体结构来讲 其设备体积比较庞大 1 8 4 日常维持保养的工作量低 过滤式净化器要定期打开主机取出滤料用碱液蒸煮结存在滤料中的油污 或定 期更换新滤料 同样湿式设备则需要不时地在循环洗涤液中加入适量的药剂 以保 持药剂的规定浓度 确保油烟的净化效率 虽然静电式设备也需定期清洗电极板上 结的油垢 本次设计的为一种自动清洗的静电式设备 从而减少了很多的工作量 16 一种大气量静电油烟净化器的设计 1 8 5 设备的稳定性好 静电式设备在安装时一般都将风机装在油烟净化设备的后部 这样可以保持风 机的叶轮不受油污的粘糊 基本上保证风机叶轮清洁 正常 长期运转 只要保持 静电式设备电极板的清洁 油烟去除率就能保证与认定条件下所检测的数值不相上 下 不会由于运转时间的增长而使去除效率下降 在这点上 湿式与过滤式油烟净 化器运转时间的增长效率都随之下降 特别是过滤式 由于此种设备的关键因素为 滤料 若滤料使用时间过长 则更为明显 1 9 总结 本设计将针对所给设计参数与所选择的静电式油烟净化器类型进行相关计算 和选型 主要是从其运行原理考虑起 配合辅助装置设计 使整个系统效率更高 主要考虑解决以下几个技术难点 放电单元的具体结构 吸附极的集油清理 系统的安装 17 一种大气量静电油烟净化器的设计 第二章 静电式油烟净化器的理论基础 静电式油烟净化器是利用静电的异性相吸 同性相斥的原理吸附空中的污染 物 以达到除尘的目的 库仑定律 真空中的两个静止点电荷之间的作用力与它们所带电荷的电量成正 比 与它们之间的距离平方成反比 作用力的方向沿它们之间的连线 同性电荷为 斥力 异性电荷为引力 通过库仑定律得知 要使小粒子 油粒子 具有库仑力 就需要对该油粒子进 行极化或荷电 要建立起一个电场 使带电的油粒子在库仑力 电场力 的作用下 被驱使到极板上 达到收集的目的 带电导体的表面电荷分布有以下规律 孤立导体表面上的面电荷密度 与所在 表面的曲率有关 表面凸出而尖锐的地方 即表面曲率大的地方 面电荷密度 大 表面平坦曲率小的地方 面电荷密度 小 表面凹进去的地方 面电荷密度 更 小 导体尖端附近的电场特别强 它导致的一个重要结果是尖端放电 由于导体尖 端附近的强电场作用 会使空气中残留的离子加速运动加速后的离子同其它空气分 子碰撞 使其电离 从而导致大量的新离子产生 使空气变得易于导电 同时 离 子中与尖端上电荷电性相反的离子不断被吸引到尖端 与尖端上的电荷中和 即形 成所谓的尖端放电 在尖端放电时 由于离子同空气分子碰撞会使分子处于激发状 态 从而产生光辐射 形成可以看得见的光晕 叫做电晕 该电子流即称为电晕流 静电对油烟的净化过程可分为如下几个阶段 2 1 电离 气体的原子与其它物质一样是由带正电荷的质子与不带电荷的中子组成的原 子核以及外层高速运转的带负电荷电子组成 电子比较容易受撞击或外力影响而脱 离原子核的束缚 成为带负电的 自由电子 这些自由电子有些还会附着在其它 颗粒或分子上 成为带负电的性质 称为 负离子 气体分子失去一个电子以后 就多出一个正电荷呈现出带正电的性质 称为 正离子 这种中性气体分子分离 为正离子和负离子 包括自由电子 现象 称为气体电离 在两极板间施加一定的电压 就会产生一个极不均匀的电场 由于负极上的芒 刺曲率很大 因而其附近就会产生一个强电场区 即电晕区 由于空气中和含尘烟 18 一种大气量静电油烟净化器的设计 气中常含有一些被电离的分子和自由电子 这些带电粒子在电场力的作用下获得了 一定的动能 去碰撞其他的气体分子后再次生成新的电子和正离子 新生电子马上 又重复这一过程 所以在这一区域内 电子的生成与碰撞不断发生 气体中产生了 大量的电子 即电子雪崩 电子带负电 受电场力作用下迅速向阳极运动 而正离 子向阴极运动撞击阴极使阴极释放出二次电子 因此在电晕区内就产生放电条件 形成电晕 2 2 电子与气体分子的附着 在电晕外区 电场强度较弱 电子就会因为自身能量减少而不能产生新的碰撞 游离 于是就附着在气体分子上形成负离子 向阳极运动 对于油烟与水混合的雾 滴来讲 电子与气体的附着非常关键 只有大量的气体分子附着上电子 才能为粉 尘荷电创造有利条件 如果没有电子附着成的大量负离子 高速运动的电子流会直 接流向阳极 电场空间则完全处于火花放电状态 因此 对于负电晕来说 电负性 气体的存在 电子的附着 空间电荷的形成 是维持电晕放电的重要条件 2 3 荷电 油烟与水混合的雾滴需要荷电才能在电场力的作用下从气流中分离出来 其荷 电量的多少与雾滴的大小 电场强度以及在电场中停留的时间有关 粉尘粒子的荷 电是电除尘的基本过程 如何使油粒子极化和荷电 如图 2 1 所示 在两极板间加 上一直流高压 其电压值为 v 伏 就会在两极之间形成一静电场 其场强为 e e 和 v 成正比 也就是说电压越高 电场强度就越大 体现在电场内的能量和电场力 也就越大 图 2 1 油粒子极化和荷电 19 一种大气量静电油烟净化器的设计 图 2 2 无效极化 如果所加的电压较低 油粒子经过时会被极化 表面上会感应出正和负的电极 但由于该电场的能量较小 不能将油粒子团打开 所以待油粒子出了电场后又会回 复到原始状态 这种极化是无效的 如图 2 2 所示 在两电极加上较高电压时 由于此时的电场力较大 能将极化了的油粒子扯开 使其分为带正 负电荷的粒子团 达到了极化的目的 如图 2 3 所示 图 2 3 有效极化 图 2 4 是已形成晕流的电场 电压值超过了起晕电压 其负极发射出的电子流 击中并附着在油粒子上 形成连 扯 带 粘 的状况 使油粒子被充分极化和荷 电 因此 只有起晕后的电场其极化和荷电效果是最好的 图 2 4 晕流电场 20 一种大气量静电油烟净化器的设计 是不是电压越高 晕流越大就越好呢 回答是否定的 从图 2 5 的曲线可以 看出 在起晕之前 电极两端的电压随着电源电压上升 此时的电流基本为零 随 着电压的上升 当电压超过两极间空气的介电强度 绝缘强度 时 曲线变得较为 平坦 而此时电流 晕流 开始上升 继续加大电压后 使电流大到一定程度就会发 生突变 电压会急剧下跌 此时的状态即为放电 电场会出现强烈的放电现象 所 谓介电强度就是电介质 置于电场中的各种材料 所能承受的最大场强 不同的电极 栅 电场 所表现出的伏安曲线是不同的 所以说如何合理地确定静电电源的电压 就要根据不同的电极栅 电场 来决定 图 2 5 电场伏安特性曲线 尘粒的荷电方式有两种 电场荷电与扩散荷电 2 3 1 电场荷电 电场荷电是指离子在外电场作用下沿电力线有秩序的运动与尘粒相碰撞使其 荷电 以一个尘粒为例做荷电说明 假设一个油烟颗粒与其它油烟颗粒的距离比其 本身粒径大得多 而且油烟颗粒附近的离子密度和电场强度均相等 作为电介质的 粒子在电场中被极化 从而改变了粒子附近原来外加电场的分布 一部分电力线与 尘粒表面相交 沿电力线运动的离子与油烟颗粒碰撞时把电荷传给油烟颗粒 荷电 离子产生电场 油烟颗粒荷电后 对后来的离子产生排斥力 油烟粒子的荷电速率 逐渐下降 最终荷电后的油烟粒子自身电场与外来电场正好平衡时 荷电过程停止 油烟粒子的荷电达到饱和状态 21 一种大气量静电油烟净化器的设计 2 3 2 扩散荷电 扩散荷电是指由于离子的无规则的热运动造成的 离子的热运动使得离子通过 气体扩散 扩散时能与气体中的油烟粒子相碰撞 并吸附在油烟粒子上 这是因为 离子接近粒子时 粒子被极化 在电场力作用下 吸附在一起 所以离子扩散使粒 子荷电与外电场的作用并无关系 一个粒子单位时间内接受离子碰撞的次数取决于 离子的密度和离子热运动的平均速度 而离子热运动的平均速度又与气体的温度和 性质有关 当粒子获得电荷后 将排斥后来的离子 但总会有一些离子克服排斥力 产生碰撞 因而理论上不存在饱和电荷 这与电场荷电不同 随着粒子电荷的增加 荷电速率也会越来越慢 油烟粒子的扩散荷电取决于离子的热能 粒子的大小及尘 粒在电场中停留的时间 粒子的扩散荷电的理论分析遵循气体分子的运动理论 粒径大于 1 微米的颗粒 电场荷电占优势 小于 0 2 微米的颗粒 扩散荷电占 优势 在 0 2 1 微米的 两种都是必须考虑的 2 4 荷电粉尘运动 在电场中运动的油 烟 水等混合雾滴荷电尘粒服从牛顿定律 一般受到四个 力的作用 尘粒的重力 电场作用于尘粒的电场力 惯性力 尘粒运动时的介质阻 力 电场力 惯性力 尘粒运动时的介质阻力 由于尘粒在电场中的滞留时间比到 达其终速度所需时间长 因此惯性力也可忽略不计 所以荷电粉尘在电场中受到介 质阻力和场力的作用 很快达到平衡 因为是雾滴组成所以是液体在重力作用下流 到下部的收集池排放孔排入器 可定期排放 通过大量计算与实验 可以得出尘 粒在电场中的驱进速度与尘粒直径和电场强度成正比 综上所述对油烟雾滴去除的关键在于使他充分的电离和荷电 为了使其充分电 离与荷电将电场分为两部分 前为荷电区 后为吸附区 两区单独供电 其优点为 能充分地极化 在荷电区中 我们可以根据需要随意增减极板的数量 达 到最佳的极化效果 阻力小 由于荷电区内部的结构是左右对称的 所产生的电场风是四散的 成为内应力而相互抵消了 吸附区可达到最佳点 由于该区所用的电源是独立的 又无需考虑其它 如 极化等 所以可调出最佳的电场强度 为了减少静电部分的工作压力 在电场的前面加一过滤网将那些颗粒比较大的 22 一种大气量静电油烟净化器的设计 油滴过滤掉 此种净化器的原理如下 图 2 6 静电式油烟净化器原理图 采用机械净化和静电净化双重作用 含烟废气被风机吸入管道后 首先进入初 级装置 净化整流室 采用重力惯性净化技术 室内的特殊结构逐步对大粒径污 染物进行分级物理分离 并且均衡整流 分离出的大颗粒油滴在自身重力的作用下 流入油槽排出 剩余的小粒径污染物进入次级装置 高压静电场 小粒径污染物 在高压电场作用下 油烟气体被分离 电离后的油烟微粒成为带电的荷电为例 在 电场用排风压力的情况下回向收尘极运动 并聚集在收尘极板上 当在收尘极板聚 集到一定数量时 由于重力的作用 流至油水分离器中 同时 高压静电场有效地 降解有害成份 起到消毒 除味作用 换言之 收集机制的第一步使气体离子化 第二步使气流中的粒子带电 第三步使粒子撞击至收集电极板而被收集 23 一种大气量静电油烟净化器的设计 第三章 静电油烟净化器计算 3 1 设计参数 烹饪过程中的污染物是以油烟形式排放的 这种油烟既有油脂 蛋白质及 原料佐料在受热条件下进行物理化学反应而产生的有机烟气 也有加热操作过程液 滴溅裂油料物料分解 氧化 聚合的高分子化合物 因此存在的状态既有悬浮颗粒 物 tsp 又有气体状态的有机污染物 主要分为不饱和烃类 饱和烃类 苯系 物 多环芳烃 杂环化合物以及醇 醛等 具体有200多种 加上操作间内燃料产 生的污染可形成气 液 固三态污染 其中油烟中的味道主要是气态污染物所为 油烟污染物中多环芳烃类 pah 等为致癌物 油烟的温度通常在比环境温度高几 度至数十度间波动 一般不会超过摄氏80度 污染物粒径分布从亚毫米直至气态分 子直径 粒径分布随油烟温度降低向大粒径方向偏移 在大气中扩散的油烟 其中 粒径大于10微米的污染物基本上可以在24小时内完成自然沉降 10微米以下的污染 物可长时间以气溶胶形式在大气中飘浮 烟气量大于等于12000 h 3 m 烟温100 150 要求油烟净化的效率为90 以上 进口压力 pammhgpj1470150 出口压力 pammhgpc1666170 漏风率 5 0 c 当地大气压 kpap325 101 0 由于芒刺状电晕电极具有放电性能好 尖端放电旺盛 临界点压低 芒刺刺 尖产生强烈离子流使颗粒的驱进速度增大 对捕集微小颗粒效果显著的优点 因此选用芒刺电晕电极 放电翅片厚度mm1 放电点的曲率半径取 同极距 b 50mm 异极距 b 25mm 放电点间距 2c 80mm c 40mm cmra1 0 24 一种大气量静电油烟净化器的设计 3 2 主要参数设计计算 3 2 1 临界起晕电晕场强度的计算 根据试验 对于芒刺状电晕极 其临界电场强度为 10 54 902 31 3 0 cmv r e a 3 1 式中 放电点的曲率半径 a r 气体密度因子 tp pt 0 0 3 2 273 25 298k 0 t t 273 t k p 运行压力 取 p pa 5 1001 1 76cmhg 1 01325pa 0 p 5 10 t 运行温度 由已知 t 120 150 取 t 130 由公式 3 2 可得 tp pt 0 0 5 5 1001325 1 130273 1001 1298 0 74 将 代入公式 3 1 得 25 一种大气量静电油烟净化器的设计 10 54 902 31 3 0 cmv r e a 3 10 2 0 74 0 54 973 002 31 41 v cm 41kv cm 3 10 3 2 2 临界电压 当电压升至为临界电压时 其板式吸附极的临界电场强度与管式电极对于负电 晕的临界电场强度一样 计算公式为 ln 00 kv r d eru a a 3 3 式中的 d 与 b c 有关 当 b c 0 6 时 取 d 4b b c 2 d cb e c 2 0 6 b c 2 d 按图 3 1 确定 图 3 1 d 值的确定 由已知取同极距为 50mm 则异极距 b 25mm 放电点间距 2c 80mm c 40mm 则 625 0 40 25 c b 26 一种大气量静电油烟净化器的设计 可得 0 6 625 0 c b 2 由图 3 1 查得 d c 0 7 d 14 代入公式 3 3 得 ln 00 kv r d eru a a 1 0 14 ln 411 0 20kv 3 2 3 电晕电流 根据资料 24 目前市场上的静电式油烟净化器的操作电压一般为 20 40 取其 为 35kv 由于油烟中的组分比较复杂 本次计算中只计算油烟中的主要气体成分 在本次设计的 1 2 节中提到王云翔 kv 3 等人测量的列车餐车油烟雾中化合物 可以得 出油烟中主要是烃类 2 甲基 1 戊烷 1 乙烯 葵烷 由表 1 得出葵烷所占比例 最大 因此用葵烷来代替烃类 醇酚醚 包括 2 甲基 1 戊醇 4 丁氧基 1 丁 醇 1 十六醇 其中 2 甲基 1 戊醇所占比例最大 用它来代替醇酚醚 葵烷的 离子迁移率 0 45 s 625 2 甲基 1 戊醇的离子迁移率 0 51 s 650 0 k 0 k p t s s t kk 1 273 1 273 1 273 273 0 3 4 式中 k 温度为 0 压力为 p 101325pa 时的离子迁移率 2 svcm 温度为 0 压力为 101325pa 电场强度为 e 1v cm 电场内单一气 体的离子迁移率 0 k s 常数 p 操作压力 atm 6 132 760 c pp p j 6 132 150 170 760 27 一种大气量静电油烟净化器的设计 748 2mmhg 0 985atm 其中 23 1 985 0 1 273 130273 985 0 1 273 273 t 将数值代入公式 3 4 得 t s s kk hc 273 1 273 1 23 1 0 2210 130273 625 1 273 625 1 45 023 1 0 71 t s s kk ohc 273 1 273 1 23 1 0 146 130273 625 1 273 625 1 51 023 1 0 81 由于油烟为混合气体 它的离子迁移率为 1221 21 100 kckc kk k 3 5 式中 不同气体的离子迁移率 21 kk 21 cc 不同气体的浓度 9 84 845 45 1 c 1 15 458 8 2 c 将数据代入公式 3 5 得 28 一种大气量静电油烟净化器的设计 1221 21 100 kckc kk k 71 01 1581 09 84 81 071 0100 0 72 最大电晕电流值为 0 0 2 mauuu r d infb k i a 3 6 式中 操作电压 一般为20 40 取其为 35 ukvkv 临界电压 0 u 换算常数 0 f 6 0 109 f k 温度为 t 压力为 p 101325pa 时气体的离子迁移率 将数据代入公式 3 6 得 0 0 2 mmauuu r d infb k i a 1 0 14 10915 2000035000 3500072 0 62 in 0 04 ma 3 2 4 电场强度 电晕区电场强度 0 2 f k i er 3 7 29 一种大气量静电油烟净化器的设计 72 0 10904 02 6 4 986cmv 3 29 静电单位 cm 吸附极附近的电场强度 3 2 1 2 00 rdsf k i ep 3 8 式中 i 电晕电流 ma m k 气体迁移率 r 沉尘离电晕极的距离 取 r 10cm 换算常数 0 f 6 0 109 f 单位体积含尘气体含粒总表面积 取 0 s 32 0 4 0cmcms 粉尘介电常数 气体 1 d 与粉尘介电常数有关的常数 1 2 1 21 d 将数据代入公式 3 8 为 3 2 1 2 00 rdsf k i ep 104 0 3 2 1 72 0 10904 02 6 1914 9v cm 1 915kv cm 6 4 静电单位 cm 30 一种大气量静电油烟净化器的设计 3 2 5 粒子在电场中的驱进速度 气体黏度随温度变化而变化 2 3 0 273 273t ct c 3 9 在标准状态下部分气体黏度 0 和 c 值如表 3 1 表 3 1 0 101325pa 部分气体黏度 0 和 c 值 项目 2 n 空气 2 co 2 o co oh2 2 so 0 10 10 45 pspa 1 7 1 73 1 37 2 03 1 66 0 9 1 17 c 114 124 2 54 131 100 673 396 由表 3 1 查得空气的黏度 0 1 73 c 124 代入公式 3 9 得 spa 5 10 2 3 0 273 273t ct c 2 35 273 130273 124130273 124273 1073 1 p 5 1037 2 当粒径为0 1 2 m 时 驱进速度为 尘粒荷电量采用静电单位 则有 1 6 scm r a rede pr 3 10 式中 d 与粉尘介电常数有关的常数 r e 电晕电场强度 p e 吸附极附近的电场强度 a 常数 对于标准状态空气 a 0 86 空气分子的平均自由行程 对于标准状态下空气 0 1 m 31 一种大气量静电油烟净化器的设计 含尘气体黏度 r 尘粒半径 由图 3 1 查得油烟粒子的半径为 0 05 1m 取尘粒半径 cm 5 108 r 图 3 2 微粒的取值范围 将数据代入公式 3 10 得 1 6 scm r a rede pr 108 101 086 0 1 1037 214 36 1084 629 31 5 4 5 5 scm 8 7 32 一种大气量静电油烟净化器的设计 3 3 油烟净化总体设计 3 3 1 吸附极比表面积 1 1 ln 1 f 3 11 式中 驱进速度 除尘效率 由于在本次设计的静电油烟净化器前面有一个滤网装 置 可以去除大概 15 的油烟 油烟峰值浓度在 30mg 左右 出 口的浓度为 2 mg 则静电油烟净化器的效率为 3 m 3 m 1 78 30 215 03030 代入公式 3 11 为 1 1 ln 1 f 78 01 1 078 0 1 in 19 4 s m 3 3 2 吸附极板总面积 ommh pp p c j 2 160 2 150 170 2 2 1 6 13 760 273 273 0 0 0 c p p t qq 3 12 式中 标准状况下的含尘气体量 0 qhmq 12000 3 0 当地大气压 0 p 33 一种大气量静电油烟净化器的设计 漏风率 取 0 c 5 0 c 将数据代入公式 3 12 为 2 1 6 13 760 273 273 0 0 0 c p p t qq 2 05 0 1 6 13 160 760 760 273 130273 12000 hm 6 18442 3 sm 12 5 3 吸附极总面积为 2 3 9912 54 19mfqa 因处理气量 温度 压力的波动 供电系统的可靠性等因素影响 参考实际生 产情况 取富裕系数 n 1 5 因此 其需要的吸附极面积为 a 1 5 99 3 149 2 m 实际比表面积 1 295 14 19msf 3 3 3 验算除尘效率 f e 1 0078 01 29 1 e 79 7 3 3 4 有效截面积 34 一种大气量静电油烟净化器的设计 v q f 3600 3 13 式中 q 工况含尘气体量 v 气体在有效面积上的速度 对于板气体速度取其值范围为2 4m s 取其为3m s 公式 3 13 得 v q f 3600 33600 6 18442 1 7 2 m 3 3 5 吸附极板有效宽度 吸附极板 当f 80 极板高度h 为 2 m mfh3 17 1 3 14 3 3 6 净化器的内通道数 bb f n 1 3 15 式中 b1 吸附极间距 同极距 查得目前市场上静电式油烟净化器吸附极 同极距b1 0 05m b 吸附极板有效宽度 m 将数据代入公式 3 15 得 bb f n 1 35 一种大气量静电油烟净化器的设计 3 105 0 7 1 26 取整的通道数为n 26 吸附极排数为n 1 27 零极极排数为n 26 电场数n 1 3 3 7 电场有效高度 m b f h3 1 3