宋云安

（1.青島興邦電器有限公司；2.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

餐飲業(yè)油煙污染已經(jīng)是城市空氣污染的三大主要因素之一，其具有分布面廣、排放頻率高、低空排放、無(wú)組織排放等顯著特點(diǎn)。國(guó)家環(huán)保總局嚴(yán)令要求全國(guó)各省、市、自治區(qū)、直轄市環(huán)境保護(hù)局（廳）和環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)城市環(huán)境保護(hù)局將油煙污染問(wèn)題列入正常環(huán)境管理工作范圍；嚴(yán)格禁止油煙污染源的無(wú)組織排放，無(wú)通風(fēng)設(shè)備和凈化裝置的要強(qiáng)制安裝通風(fēng)設(shè)施和凈化裝置。排放標(biāo)準(zhǔn)要符合《飲食業(yè)油煙排放標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB18483-2001)。

靜電式油煙凈化器是一種新型凈化裝置，以其便捷、高效、易清洗、噪音小等特點(diǎn)被應(yīng)用于油煙的清理。本文利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)將電暈區(qū)參數(shù)對(duì)油煙顆粒荷電量的影響重要性進(jìn)行排序，進(jìn)而對(duì)電暈區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 油煙凈化器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 油煙凈化器工作原理

靜電式油煙凈化器是由外殼、電場(chǎng)、電源及機(jī)械過(guò)濾網(wǎng)組成。凈化器電場(chǎng)為雙區(qū)式靜電吸附型，原理如圖1所示，含煙廢氣被風(fēng)機(jī)吸入管道后，油滴污染物進(jìn)入高壓靜電場(chǎng)，靜電場(chǎng)內(nèi)部分兩級(jí)，第一級(jí)為電暈區(qū)，強(qiáng)電場(chǎng)使空氣中微粒荷電，油煙顆粒進(jìn)入電暈區(qū)后吸附帶電粒子成為帶電微粒，這些帶電微粒到達(dá)第二級(jí)吸附區(qū)后立刻被收集電極吸附，最后通過(guò)濾網(wǎng)格柵，潔凈的空氣排出室外。

圖1 凈化器工作原理

當(dāng)電暈區(qū)電壓升高到鎢絲的起暈電壓以上時(shí)，電暈極附近區(qū)域內(nèi)的氣體被電離產(chǎn)生負(fù)離子和自由電子。在高壓電場(chǎng)的作用下，這些自由電子運(yùn)動(dòng)速度加快，當(dāng)它們與中性氣體分子碰撞時(shí)，其能量足以使其釋放出另外的自由電子，從而產(chǎn)生新的正離子和自由電子，發(fā)生電子雪崩。在電子雪崩過(guò)程中，電暈極里有大量的自由電子和負(fù)離子逸出，飛向陽(yáng)極。當(dāng)帶有污染物的小顆粒氣溶膠體通過(guò)電場(chǎng)時(shí)，自由電子和負(fù)離子就會(huì)在運(yùn)動(dòng)中不斷地碰撞并吸附到油煙微粒上，從而使油煙顆粒帶電。

1.2 電暈區(qū)結(jié)構(gòu)

每個(gè)電暈區(qū)由一系列鎢絲線組成，安裝在一系列接地板中間，并接負(fù)高電壓。如圖2所示，大氣中的微粒在通過(guò)電暈區(qū)的強(qiáng)力靜電場(chǎng)時(shí)，被電離并帶有負(fù)電荷。

圖2 電暈區(qū)結(jié)構(gòu)圖

2 油煙顆粒荷電情況影響因素分析

通過(guò)油煙粒子荷電數(shù)量來(lái)體現(xiàn)電暈區(qū)的電暈效果，粒子荷電公式如式(1)所示：

式中，qs為顆粒荷電數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，dp為顆粒半徑，由式可看出，油煙粒子荷電數(shù)主要與電場(chǎng)和顆粒半徑有關(guān)，電場(chǎng)越大，粒子能累積電荷數(shù)越多，粒子半徑越大，所能帶電荷也隨之越多。

本文利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，將電暈區(qū)各參數(shù)即電壓、線板間距等對(duì)顆粒荷電效果的影響重要性進(jìn)項(xiàng)排序，再利用對(duì)比參照實(shí)驗(yàn)的方法，即改變其中一個(gè)參數(shù)的值，固定其他參數(shù)，查看改變參數(shù)對(duì)荷電效果的影響。

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法(簡(jiǎn)稱正交法)是統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)的重要分支，它是以概率論數(shù)理統(tǒng)計(jì)、專業(yè)技術(shù)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，充分利用標(biāo)準(zhǔn)化的正交表來(lái)安排試驗(yàn)方案，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，最終達(dá)到減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短試驗(yàn)周期，迅速找到優(yōu)化方案的一種科學(xué)計(jì)算方法。

正交試驗(yàn)法內(nèi)容如下。

電暈放電特性的影響因素主要有線板間距、鎢絲半徑、電壓、介質(zhì)的介電常數(shù)、空氣濕度等。在常溫干燥空氣介質(zhì)下，電暈放電特性與鎢絲直徑、線板間距以及電暈電壓有關(guān)。采用正交試驗(yàn)法對(duì)靜電式油煙凈化器電場(chǎng)電暈區(qū)的不同參數(shù)，即鎢絲直徑、線板間距、外加電壓進(jìn)行優(yōu)化。

表1為因素水平表。由于大部分油煙顆粒直徑為1μm以下，因此選取直徑為0.1μm油煙顆粒的累積電荷數(shù)作為不同因素水平的指標(biāo)。影響靜電式油煙凈化器電暈特性的有三個(gè)因素A、B、C，分別對(duì)應(yīng)為鎢絲直徑、線板間距和外加電壓。通過(guò)正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)得：因素影響順序?yàn)锳（鎢絲直徑）>B（線板間距）>C（外加電壓）。

表1 因素水平表

4 comsol多物理場(chǎng)軟件仿真

顆粒半徑主要為0.01～10μm，顆粒半徑與顆粒荷電數(shù)的關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同顆粒半徑的累積電荷數(shù)

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法得到的因素影響重要性，利用comcol多物理場(chǎng)軟件，仿真分析靜電式油煙凈化器電場(chǎng)電暈區(qū)中鎢絲直徑、線板間距、電壓對(duì)電暈特性的影響以及電暈區(qū)對(duì)顆粒的荷電情況，并對(duì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 電暈效果與鎢絲直徑的關(guān)系

保持電暈電壓為15kV、線板間距2.29cm不變，對(duì)不同直徑鎢絲情況下的電暈區(qū)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示?？煽闯?，鎢絲直徑越大，粒子累積電荷數(shù)越少。

4.2 電暈效果與線板間距的關(guān)系

保持鎢絲直徑為0.25mm、電暈電壓為15kV不變，對(duì)不同線板間距下的電暈區(qū)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示?？煽闯?，線板間距越大，粒子累積電荷數(shù)越少。

圖4 不同鎢絲直徑下粒子累積電荷數(shù)

4.3 電暈效果與電壓的關(guān)系

保持鎢絲直徑為0.25mm,線板間距為2.29cm不變，對(duì)不同電壓下的電暈區(qū)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示?？煽闯?，電暈電壓越大，粒子累積電荷數(shù)越大。

圖6 不同電壓下粒子累積電荷數(shù)

4.4 仿真結(jié)果分析

通過(guò)comsol多物理場(chǎng)軟件進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)鎢絲直徑、線板間距、外加電壓確實(shí)對(duì)電暈效果產(chǎn)生影響。且鎢絲直徑、線板間距越大，電暈效果越差，油煙粒子進(jìn)入電暈區(qū)后荷電效果越差；外加電壓越大，電暈效果越好，油煙粒子進(jìn)入電暈區(qū)后荷電效果越好。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該靜電式油煙凈化器內(nèi)部電場(chǎng)電暈區(qū)進(jìn)行模擬計(jì)算，觀察其內(nèi)部電場(chǎng)電暈區(qū)不同參數(shù)對(duì)顆粒荷電量的影響，研究發(fā)現(xiàn)：（1）該凈化器電場(chǎng)電暈區(qū)結(jié)構(gòu)，即鎢絲直徑、線板間距取值較為合理，通過(guò)comsol軟件仿真可以看出，粒子荷電能力與顆粒直徑有關(guān)，直徑越大，荷電能力越強(qiáng)。（2）利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法得到參數(shù)對(duì)顆粒荷電量影響重要性，并用comsol軟件對(duì)相應(yīng)參數(shù)模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證算法的正確性，為以后結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論支持。

圖5 不同線板間距下粒子累積電荷數(shù)