基于对零和式油烟净化器的分析

1 零和式油烟净化器概况分析

1.1 零和式油烟净化器技术背景分析

烹饪油烟的基本组成：（1）燃料燃烧尾气；（2）食材溢出物(VOCS)；（3）油脂气化、裂解、挥发物；（4）油雾( 水蒸气与油脂化合物)。

油烟中的主要有害成分：（1）食材溢出物，包含酰胺类、烯、醛类、苯并类等200 多种致癌物，溶于油脂和水，表现为气味性物质；（2）燃料燃烧尾气，包含氮氧化物、一氧化碳；（3）油雾\VOCS 载体。

油烟与PM2.5 及雾霾的关系如下：（1）油烟中的食材溢出物主要是有机挥发物，简称VOC，表现为气味性物质，颗粒物直径小于2.5 微米，为可入肺颗粒物，通过呼吸系统直达血液循环系统. 绝大多数食材溢出物为致癌物，所以油烟机、集成灶首先要排除这类物质，以免烹饪过程中的原生型PM2.5 对居家造成伤害。（2）油烟中的VOC 是形成雾霾的重要组份。实验1：通过对北京朝阳区某居民小区空气取样进行理化分析，油烟析出物占VOCS 总量的27%。实验2：在格林尼治大学热动力试验室对炒制例盘回锅肉油烟排放量与POLO1.6升排量轿车排放尾气对比试验，得出结论——中餐烹饪一盘回锅肉的VOCS 排放与POLO 车在40 公里／小时车速下行驶48 公里排放的污染物总量相当。（3）油烟中含有一种苯并芘的化学成分，这种物质不仅是强致癌物也是一种神经毒素，严重影响胎儿、婴幼儿的智力发育。100% 排净油烟是保护居家成员的身体健康和生活安全的需要。

另外，现行的油烟机和集成灶在处理烹饪油烟时将油烟与空气混合气体从室内排向户外，当门窗紧闭时，油烟机和集成灶工作会造成室内空气负压，同时会将室内的暖气或冷气排出户外，造成极大的能源损耗。以冬夏两季为例，油烟机和集成灶在工作时，假设室内外温差15℃，油烟机和集成灶的排量为1200 立方米/ 小时，油烟机或集成灶工作1 小时浪费的冷气或暖气能量为：Q=cmΔt,c=1000J/(kg•℃ )，m=1.29kg/m³×1200m³=1548kg，Δt=15℃，油烟机或集成灶1 小时造成的环境能耗为Q=2.322×107 焦耳，3600000 焦耳的热量约合1 度电。在这种情况下，油烟机和集成灶工作造成室内环境能耗约等于6.45 度电。一般油烟机和集成灶使用时的直接电耗不超过0.5 度电／小时，油烟机和集成灶1 小时的环境能耗是它自身能耗的10 多倍，油烟机和集成灶没有有效的过滤措施，油烟中的有害颗粒物直接排向户外污染空气，还有噪声污染也比较严重。

1.2 零和式油烟净化器的构成分析

图1 零和式油烟净化器结构示意图

图1 中：1 外排风口止逆阀，2AI 控制器，3 静压箱，4 气流分布式消声器，5 增压箱，6 增压风机，7 风量分配调节器， 8 吸油烟风机出风口，9 吸油烟风机，10 净化后的气流，11 过滤器，12 风幕气流，13 灶具，14 风幕气流出风口，15 风幕气流布风器，16 风幕增压风机，17 嵌入式厨电，18 灶台。

图 2 风量、风压和功率能效曲线

零和式油烟净化器主要包括两个系统，分别为内循环吸油烟系统和外排油烟系统。内循环吸油烟系统主要包括风幕增压风机16、风幕气流出风口14、连接风道、静压箱3、风量分配调节器7、AI 控制器2、吸油烟风机9、过滤器11、冷凝板等；外排油烟系统包括过滤器11、风量分配调节器7、外排风口止逆阀1 和排烟管、AI 控制器2、增压箱5、增压风机6、静压箱3、吸油烟风机9、冷凝板等；两个系统构成零和式油烟净化器的主体。

1.3 零和式油烟净化器能效坐标曲线、实测数据和基本功能

零和式油烟净化器具有比油烟机、集成灶更加优秀的吸排油烟效果和综合性能：（1）100% 吸排尽油烟；（2）对室内空气零损耗，环境能耗几乎为零，综合能耗不到油烟机、集成灶的十分之一；（3）油烟通过过滤，机体内无需清洗，油烟对大气的污染降到最低；（4）不会发生油烟工作倒灌和停机倒灌；（5）无噪声污染。

在实际应用中，居民烹饪使用的灶具一般为双灶头，总功率通常不大于8 千瓦，模拟中餐烹饪双灶头同时爆炒产生的实际油烟发生量，经实验室测定总量不超过5m³/min。零和式油烟净化器的外排风量（油烟发生量）为0~5m³/min, 结合实验数据分析，系统流量大约在5~10m³/min 时能效最高，即风幕流量为5m³/min 时。见表1 和图2。

表1 零和式油烟净化器能效测试（按国标GB17713 实验方法）

2 零和式油烟净化器内循环吸油烟系统功能分析

内循环吸油烟系统工作时，吸油烟风机叶轮在电机的驱动下做功，将电能转换成气流的动能和势能，动能表现为气流的动压，势能为气流的静压。动压和静压共同作用，在吸油烟风机的进风口向外一定区域内形成一定的负压风场，负压风场越强，吸油烟效果越好。同时负压风场形成一定强度和完整的动量边界，这个罩状动量边界在灶台和吸油烟风机之间形成吸油烟有效负压区。

同时内循环吸油烟系统利用经过过滤后、从吸油烟风机排出的、由风量分配调节器分流的气流经风幕风机增压后在锅灶周边形成风幕，风量分配调节器在AI 控制器的控制下使风幕流量为衡量，风幕所需的部分能量是吸油烟风机做功后的二次能源。

内循环吸油烟系统产生的吸油烟有效负压区与内循环吸油烟系统形成的风幕共同作用，实现以下作用：第一，抑制油烟扩散、防止油烟逃逸，实现系统100% 吸净油烟；第二，隔离油烟与室内空气混合，防止室内空气排向户外，避免装置工作造成室内冷气和暖气大量流失而造成的能源浪费；第三，风幕气流为正压强，包裹加速油烟快速向吸油烟风机运动，可大大节省吸油烟风机的能耗；第四，风幕气流来自吸油烟机排放的气流，使排油烟系统外排流量近似于油烟的的绝对发生量，外排风量变得极小，整个装置工作产生的空气动力性噪声极低，使零和式油烟净化器的工作处于静音状态。

3 零和式油烟净化器外排油烟系统功能分析

外排油烟系统工作是将灶台上产生的经过过滤后的油烟气流量完全排到户外，气流外排遭遇的阻力与烟管和公共烟道的长度、管径、粗糙度、气流流速和密度等因素密切相关。

从上述方程不难看出，外排油烟系统工作不仅与自身工况（如流速、气流密度）有关，还与所处的工作环境有关，如烟管和公共烟道的长度、高度、直径、内壁粗糙度等。外排油烟系统的工作状态要随油烟发生量和排放阻力的变化而变化，这对外排油烟系统的动力控制系统提出了更高的要求。

零和式油烟净化器外排油烟系统采用双动力串联，即系统工作时，在AI 控制器的控制下，吸油烟风机完成对油烟气流做功后，增压风机对相当于油烟发生量的外排气流做绝对增压，增压风机将电能完全转化为外排气流的静压，以获得外排气流克服管道阻力所需的最低势能，即在最低能耗下实现外排系统100% 排净油烟。

4 零和式油烟净化器节能和静音功能分析

零和式油烟净化器包括节能措施，将吸油烟风机排出的气流作为风幕介质。首先，避免室内空气被排除到户外，避免装置工作造成室内环境能源的浪费；其次，充分利用吸油烟风机对油烟做功后的势能和动能为风幕所利用；最后，节能措施的应用大大降低了零和式油烟净化器的流送流量，使本系统的自身动力能耗大大降低。所以，零和式油烟净化器产品的综合能耗不到现在油烟机和集成灶的十分之一，将为广大的用户提供更为健康、低碳、环保、安全的家居生活保障。此外，零和式油烟净化器由油烟过滤层、静压箱和风幕系统组成静音系统。过滤材料膨化纤维大量的毛细管对零和式油烟净化器动力机械噪声和空气动力性噪声有非常强的阻尼吸音效果，纤维本身在气流通过时发生的微震荡对噪声也起到阻尼消声作用；静压箱将气流动压装换成静压的同时有效降低空气动力性噪声；风幕系统的应用，在大大降低零和式油烟净化器流量的同时也减少了空气动力性噪声。上述为零和式油烟净化器静音系统的原理。

5 零和式低碳油烟机绿色低碳功能分析

零和式油烟净化器是建立在充分研究油烟发生与扩散机理的基础之上，并结合各种厨房结构和公共烟道阻力状况而设置的。在AI 控制器的实时控制下，吸油烟风机风量等于增压风机风量与风幕风量之和，增压风机风量为烹饪产生的油烟发生量，风幕风量为在烹饪产生最大油烟量的情况下保证吸油烟风机工作时产生吸油烟有效负压区、抑制油烟扩散、防止油烟逃逸所需的最小空气介质流量。以上配置使零和式油烟净化器在最低能耗下彻底吸净油烟，克服过滤油烟、排烟管道及建筑公共烟道的阻力排净油烟，同时不消耗室内空气，避免装置工作对室内冷气、暖气的浪费，将环境能耗降到最低，实现零和式油烟净化器绿色低碳功能。

6 零和式油烟净化器过滤功能分析

零和式油烟净化器由油烟过滤器实现过滤功能。过滤器过滤层采用专有工艺技术制造的透气性好、阻燃膨化纤维制成的滤网，过滤材料分布均匀、过滤孔径根据油烟中的液固颗粒物尺寸设置，材料厚度达25mm。由于这种材料膨化后形成大量毛细管，比表面积大，具有超强的吸附力，通过过滤，实验测定，能100% 除去油烟中的凝结性油脂、尘埃、纤维和水雾，使装置内的动力叶轮和装置内腔始终清洁如新，从而保证所有动力装置高效运行。此外，通过过滤，油烟中的油脂被滤材吸附，能大大减轻油烟直排对大气的污染。作为专业研究人员必须指出，油脂凝结在油烟机和集成灶的风机叶轮表面，叶轮的离心作用为什么不能将油脂排除，主要是因为一方面经过高温处理后的油脂黏度增加，另一方面油脂与油烟中的固形物颗粒掺杂之后发生化学触变性，风轮在离心力的作用下运转，油脂瞬间固化，牢牢粘附在风轮表面，破坏风轮的动平衡，造成油烟机和集成灶使用效率、使用寿命的降低和噪声的增加。

7 零和式油烟净化器工作原理和工作流程探究

7.1 零和式油烟净化器工作原理分析

图3 零和式油烟净化器控制原理图

图3 中，零和式油烟净化器由吸油烟风机（M1）、增压风机（M2）、风幕增压风机（M3）、风量分配调节器（M4）和AI 控制器共同构成装置动力系统。打开开关面板上的开关键，开启电源，开启锅灶烹饪，内循环吸油烟系统和外排油烟系统开始工作。当锅灶未产生油烟时，AI 控制器通过连续感知、计算、反馈、执行指令，控制吸油烟风机（M1）、风幕增压风机（M3）和风量分配调节器（M4）工作，使内循环吸油烟系统产生的风幕流量与设置流量一致；当灶台产生油烟时，AI 控制器根据油烟发生量的变化和感知排烟管与公共烟道阻力控制所有动力装置按指令工作，使风幕流量保证为设置衡量（如5m³/min)，外排烟气流量实时等于烹饪时灶台油烟发生量；当灶台没有油烟发生时，AI 控制器停止M3 工作；当结束烹饪关闭电源时，AI 控制器立即关停M3，指令M4 关闭内循环风道，同时AI 控制器延时控制M1 和M2 使相当于风幕质量和残存在机体内的烟气完全排出户外后，将整个零和式油烟净化器关闭。根据AI 控制器发出的指令对增压风机（M2）工作。吸油烟风机工作，气流被吸进吸油烟风机进风口，在吸油烟风机进风口外形成吸油烟有效负压区，被吸进的气流经过吸油烟风机的叶轮做功产生动压和静压，流出吸油烟风机出风口的气流被风量分配调节器分成两股气流，分别通过外排油烟进风口和风幕气流排风口流进增压箱3 和静压箱。气流进入增压箱后增压风机对气流做进一步增压，获得更高的动压和静压后，吹开带止逆风阀的外排出风口上的阀片进入排烟管，最后被排进公共烟道或排向户外；进入静压箱的气流从风幕气流进风口经连接风道、风幕出风道，在风幕出风口上方形成前风幕和侧风幕，风幕气流在自身动压、静压作用和吸油烟风机工作在其进风口外形成吸油烟有效负压区的共同作用下被吸进吸油烟风机。外排风力作用下开启，同时关闭电源，吸油烟风机和增压风机停止工作，随即智能控制器关闭电动止逆风阀，同时关停增压风机（M2）和风幕风机（M4）。

7.2 零和式油烟净化器工作流程分析

在日常烹饪过程中，灶台上的灶头及炊具中生成油烟，油烟在自身热动力、吸油烟风机工作产生的负压和风幕、气流的共同作用下，风幕气流与油烟在负压区内混合，后经冷凝板导流沿分布在冷凝板周边的吸风口流入过滤层，烟气经过滤层过滤后，烟气中的固态颗粒物和液态颗粒物等凝结性物质被过滤材料吸附，过滤后的烟气被吸入吸油烟风机，进入吸油烟风机的烟气中不再有凝结性的物质粘附到吸油烟风机的风轮上，烟气通过吸油烟风机做功，排出吸油烟风机的烟气获得了较高的流速和静压；流出吸油烟风机出风口的气流进入静压箱，在静压箱中气流将部分动压转换成静压后，被风量分配调节器分成两股气流，分别通过外排油烟系统进风口和风幕气流排风口流进增压风机和风幕风道。气流进入增压箱后增压风机对气流做进一步增压，获得更高的静压后，克服管道阻力，最后被排进公共烟道或排向户外；进入风幕连接风道的气流经过风幕增压风机增压，在风幕出风口上方形成前风幕和侧风幕，风幕气流在自身动压、静压作用和吸油烟风机工作在其进风口向外区域形成吸油烟有效负压区的共同作用下被吸进吸油烟风机。烹饪结束，开启开关面板上的延时键，直到零和式油烟净化器停止工作。

参考文献

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