一种基于高速射流诱导作用的热羽流捕集装置及运行方法

1.本发明涉及油烟热羽流控制系统技术领域，具体涉及一种基于高速射流诱导作用的热羽流捕集装置及运行方法。


背景技术：

2.人们对室内空气品质对健康的影响的关注度逐渐提高，而室内厨房油烟热羽流是室内空气污染最主要的来源。在烹饪过程中，普通厨房中的局部排风系统——抽油烟机不能及时完全排出烹饪时产生的油烟，造成室内空气污染，危害人员健康。为了进一步提高抽油烟机的捕集效率，研究人员针对两眼灶台提出了不同的顶吸式抽油烟机系统性能优化方式。其中，包括采用空气幕四面吹风、增设厨房补风方式等，如申请号为cn200820232003.8、cn201220016658.8、 cn201810658414.1等的专利，在灶台周边采用空气幕四面补风，参数稍加变化就会扰乱流场，导致捕集效率降低；如申请号为 cn201110327839.2、cn202021559392.2、cn202020653650.7等的专利，在油烟机旁加设射流送风装置形成风幕，以屏蔽油烟外溢，但其普遍采用普通喷管及条缝型风口，出流射流分布不均匀，且速度衰减较快，影响风幕的稳定性，导致屏蔽效果较差。四眼灶台较两眼灶台控制难度更大，亟需一种控制厨房油烟热羽流的高效捕集装置及系统。


技术实现要素：

3.为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种基于高速射流诱导作用的热羽流捕集装置及运行方法，通过在厨房四眼灶台中央加设高速射流送风口，以诱导烟气进入油烟机排烟罩内，并对高速射流送风采用降压增速的渐缩喷管以降低射流的衰减速度，送风口加装孔板及蜂窝器增加孔口速度分布的均匀性，并针对室内油烟热羽流的动态变化，采用智能自控系统，合理控制抽油烟机的排风量以及高速射流的强度，使得高速射流的强度与当前的排风流场相适应，在快速排出油烟的同时，减少不必要的能耗和噪音。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.一种基于高速射流诱导作用的热羽流捕集装置，包括灶台1和抽油烟机2，抽油烟机2上方连接烟筒3，所述灶台1上方正中央设置有高速射流送风口4，所述高速射流送风口4底部设置有进风格栅7，进风格栅7依次经过钢丝安全网9、风机5和稳定气流格栅8后进入消声静压箱6，所述消声静压箱6顶部设置渐缩喷管14，渐缩喷管14 与高速射流送风口4相连通，所述抽油烟机2的集烟罩底部设置监测智控模块。
6.所述渐缩喷管14的喷管内气体的运动状态为降压增速，渐缩喷管14沿着气体流动的方向喷管截面积逐渐缩小，渐缩部分形状为锥形，渐缩锥顶角为40
°
。
7.所述高速射流送风口4处加设孔板12和蜂窝器13，孔板12孔径为3mm，蜂窝器13孔径为8mm。
8.所述监测智控模块包括风口烟气传感器10、外部烟气传感器11，风口烟气传感器10用于实时监测罩口处的污染物浓度，设置在抽油烟机2下方罩口处底部右侧；外部烟气传
感器11用于实时监测抽油烟机2下方罩口边缘外部空间的污染物浓度，获得初始环境浓度以及油烟逃逸量，设置在抽油烟机2下方罩口处右侧外边缘处。
9.所述稳定气流格栅8为线性条形格栅，具有10片条形格栅翼片，用于使气流分布稳定。
10.所述消声静压箱6在箱体内附吸声材料用于吸收声能降低噪音，既能允许气流通过，又能有效地阻止或减弱声能向外传播，消声静压箱6用于把部分动压变为静压使风吹得更远，均匀分配风量，减少动压损失。
11.所述高速射流送风口4与渐缩喷管14出口面积相等。
12.所述进风格栅7为线性条形格栅，具有10片条形格栅翼片，进风格栅7一般与地面平齐设置，地面需架空，进风格栅7用于避免杂物进入系统并减小进气的空气阻力。
13.所述风机5采用直流离心风机(径向风机)，以消除轴流风机提供的涡流模式。
14.所述高速射流送风口4开口为圆形开口，保证流道光滑，减少摩擦阻力。
15.一种基于高速射流诱导作用的热羽流捕集装置得运行方法，包括以下步骤；
16.(1)用户开机，抽油烟机2开始运行；
17.(2)外部烟气传感器11获取室内的初始环境的油烟浓度；
18.(3)外部烟气传感器11与风口烟气传感器10开始获取烹饪过程产生的油烟数据，并将检测到的数据传送到控制系统；
19.(4)控制系统根据单位时间内外部烟气传感器11检测到的油烟量q1和风口烟气传感器10检测到的油烟量q2调节供电模块电流的大小和方向，从而控制抽油烟机2及风机5的风量，实现自动智能控制抽油烟机排风速度以及高速射流送风口4的出风速度，更加高效节能。
20.在步骤(4)中，当判断为大油烟小逃逸时：此时所述风口烟气传感器10检测到的油烟量q1大于抽油烟机2最低档位下能够抽排的油烟量q
min
，外部烟气传感器11检测到的油烟量q2不大于抽油烟机2最高档位下能够抽排的油烟量q
max
，即q1＞q
min
，q2≤q
max
时，对应的调节方式为：增大抽油烟机2的排风速度，高速射流送风风机 5保持最低转速；
21.在步骤(4)中，当判断为小油烟小逃逸时：此时风口烟气传感器10检测到的油烟量q1不大于抽油烟机2最低档位下能够抽排的油烟量q
min
，外部烟气传感器11检测到的油烟量q2不大于抽油烟机 2最高档位下能够抽排的油烟量q
max
，即q1≤q
min
，q2≤q
max
时，对应的调节方式为：关闭高速射流送风风机5，仅靠抽油烟机2抽排油烟。
22.在步骤(4)中，当判断为大油烟大逃逸时：此时风口烟气传感器10检测到的油烟量q1大于抽油烟机2最低档位下能够抽排的油烟量q
min
，外部烟气传感器11检测到的油烟量q2大于抽油烟机2最高档位下能够抽排的油烟量q
max
，即q1＞q
min
，q2＞q
max
时，对应的调节方式为：增大抽油烟机2的排风速度，增大高速射流送风风机5 的转速，提前将逃逸的油烟诱导吸入抽油烟机2的抽排范围。
23.所述q
min
＝10-14m3/min，所述q
max
＝18-22m3/min，但不限于这两个数值范围，可根据抽油烟机国家标准gb/t 17713-2011及抽油烟机 2的具体型号来确定这两个值。
24.本发明的有益效果：
25.1.在厨房四眼灶台中央加设高速射流送风口诱导烟气进入油烟机排烟罩内，简化了灶台附近流场，避免了人员扰动的影响，利用高速射流的负压诱导作用减少油烟扩散，提
高抽油烟机的捕集效率。
26.2.在高速射流送风口处采用降压增速的渐缩喷管，使射流的衰减速度降低，送风口加装孔板及蜂窝器增加孔口速度分布的均匀性，并在风机上方加设稳定气流格栅及消声静压箱，降低射流的湍流度，还可以有效减少噪音，有效提高高速射流的诱导效率。
27.3.对系统采用智能自控系统，通过烟气质量传感器实时监测污染物浓度，设置内部及外部传感器，内部传感器用来检测油烟量，外部传感器用来检测初始环境浓度以及油烟逃逸量，综合两种传感器数据，根据实际负荷通过控制系统调节抽油烟机排风量以及高速射流的送风速度，减少不必要的能耗。
附图说明
28.图1是本发明实施例的集成系统的使用状态结构图。
29.图2是本发明实施例的集成系统的正视图。
30.图3是本发明实施例的集成系统的侧视图。
31.图4是本发明实施例的灶台的俯视图。
32.图5是本发明实施例的高速射流送风口的结构爆炸图。
33.图6是本发明实施例与普通系统的y切面速度矢量图对比((左) 普通系统，(右)本发明实施)。
34.图7是本发明实施例与普通系统的y切面污染物浓度分布云图对比((左)普通系统，(右)本发明实施)。
35.图8是本发明实施例与普通系统的油烟颗粒物的逃逸轨迹图对比((左)普通系统，(右)本发明实施)。
36.图9是本发明实施例与普通系统的油烟颗粒物的水平扩散范围图对比((左)普通系统，(右)本发明实施)。
37.图中，1.灶台，2.抽油烟机，3.烟筒，4.高速射流送风口，5.风机， 6.消声静压箱，7.进风格栅，8.稳定气流格栅，9.钢丝安全网，10.风口烟气传感器，11.外部烟气传感器，12.孔板，13.蜂窝器，14.渐缩喷管。
具体实施方式
38.下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
39.如附图1-附图5所示，一种基于高速射流诱导作用的热羽流捕集装置及控制系统，包括：灶台1和抽油烟机2，抽油烟机2上方连接烟筒3，抽油烟机2为顶吸式油烟机，其具体结构可采用现有的顶吸式油烟机的结构。灶台1上方正中央设置有高速射流送风口4，通过进风格栅7、钢丝安全网9进风，利用风机5输送风，再经过稳定气流格栅8进入消声静压箱6，将风经由渐缩喷管14从高速射流送风口4送出，形成一股高速射流，诱导油烟热羽流进入抽油烟机2，从烟筒3排入公共烟道。高速射流送风口4处加设孔板12和蜂窝器13，以提高孔口速度分布的均匀性。
40.本发明在抽油烟机2集烟罩底部设置监测智控模块，监测智控模块包括风口烟气传感器10、外部烟气传感器11，风口烟气传感器10 用于实时监测罩口处的污染物浓度，设置在集烟罩风口处底部右侧；外部烟气传感器11用于实时监测罩口边缘外部空间的污染物
浓度，可以获得初始环境浓度以及油烟逃逸量，设置在集烟罩右侧边缘处。还包括控制模块，控制模块通过风口烟气传感器10、风口烟气传感器 11实时监测的信息调节供电模块电流的大小和方向，从而控制抽油烟机2以及风机5的风量，实现自动智能控制抽油烟机排风速度以及高速射流的出风速度，更加高效节能；还包括电源模块，电源模块用于给监测模块和控制模块供电。具体的，本发明公开的设备均包括但不限于以下型号：风口烟气传感器10、外部烟气传感器11为深圳市鸿瑞泰电子有限公司生产的agnc002烟气传感器，该产品可通过组态软件等直接进行通信，方便二次开发；控制模块包括plc控制器和继电器，plc控制器为三菱plc控制器fx1s-14mr，继电器为欧姆龙 ly2n-j dc24 by omi通用继电器；电源模块为苏州派尔机电的hcp 系列通用型直流电源供应器和ac-dc电源模块，该产品体积小，采用pwm调制，晶体模块的消耗功率低，效率高，更省电，输入电压 ac为220v，输出电压和输出电流为0-额定值。
41.风机5采用直流离心风机(径向风机)，以消除轴流风机提供的涡流模式。射流由风机5经由渐缩喷管14从高速射流送风口4送出，高速射流送风口4开口为圆形开口，保证流道光滑，减少摩擦阻力。并在高速射流送风口4处加设孔板12及蜂窝器13，优选的，孔板12 孔径为3mm，蜂窝器13孔径为8mm。
42.实施例一：
43.本发明系统包括灶台、抽油烟机以及烟筒，本系统工作时，包括如下步骤：(1)用户开机，抽油烟机2开始运行；(2)外部烟气传感器11获取室内的初始环境的油烟浓度；(3)外部烟气传感器11与风口烟气传感器10开始获取烹饪过程产生的油烟数据，并将检测到的数据传送到控制系统；(4)控制系统根据单位时间内外部烟气传感器 11检测到的油烟量q1和风口烟气传感器10检测到的油烟量q2调节供电模块电流的大小和方向，从而控制抽油烟机2及风机5的风量，实现自动智能控制抽油烟机排风速度以及高速射流送风口4的出风速度，更加高效节能。
44.进一步的，在步骤(4)中，当判断为大油烟小逃逸时：此时所述风口烟气传感器10检测到的油烟量q1大于抽油烟机2最低档位下能够抽排的油烟量q
min
，外部烟气传感器11检测到的油烟量q2不大于抽油烟机2最高档位下能够抽排的油烟量q
max
，即q1＞q
min
，q2≤ q
max
时，对应的调节方式为：增大抽油烟机2的排风速度，高速射流送风风机5保持最低转速；
45.进一步的，在步骤(4)中，当判断为小油烟小逃逸时：此时风口烟气传感器10检测到的油烟量q1不大于抽油烟机2最低档位下能够抽排的油烟量q
min
，外部烟气传感器11检测到的油烟量q2不大于抽油烟机2最高档位下能够抽排的油烟量q
max
，即q1≤q
min
，q2≤ q
max
时，对应的调节方式为：关闭高速射流送风风机5，仅靠抽油烟机2抽排油烟。
46.进一步的，在步骤(4)中，当判断为大油烟大逃逸时：此时风口烟气传感器10检测到的油烟量q1大于抽油烟机2最低档位下能够抽排的油烟量q
min
，外部烟气传感器11检测到的油烟量q2大于抽油烟机2最高档位下能够抽排的油烟量q
max
，即q1＞q
min
，q2＞q
max
时，对应的调节方式为：增大抽油烟机2的排风速度，增大高速射流送风风机5的转速，提前将逃逸的油烟诱导吸入抽油烟机2的抽排范围。
47.优选的，本实施例所述q
min
＝10-14m3/min，所述q
max
＝18-22m3/min，但不限于这两个数值范围，可根据抽油烟机国家标准gb/t 17713
‑ꢀ
2011及抽油烟机2的具体型号来确定这两个值。
48.(5)新风通过进风格栅7、钢丝安全网9进入室内，利用风机5 输送风，再经过稳定气流格栅8进入消声静压箱6，将风经由渐缩喷管14从灶台1上方正中央的高速射流送风口4送出，形成一股高速射流，诱导油烟热羽流进入抽油烟机2，从烟筒3排入公共烟道。
49.本实施例中高速射流送风口4的面积f2为156.25mm2，采用渐缩喷管14，风机5的风量qc为475m3/h，所以喷管的出口流速cc可采用如下公式进行计算：
[0050][0051]
综上可知，在本系统作用下，烹饪过程产生的油烟热羽流不易扩散到室内环境中，避免对人体造成伤害以及对室内环境造成污染。
[0052]
实施例二：
[0053]
本实施例为实施例一提供了实验验证，并对比普通油烟热羽流捕集系统的捕集效果。实验效果表明本发明可以有效捕集污染源散发的污染物。在本实施例中采用cfd数值模拟进行流体力学的数值实验。本实施例采用的是组分传输模型(species transport)以及离散相模型 (discrete phase model)。组分传输模型能够细致的分析不同气体组分间气流的流动过程，离散相模型能够获得颗粒物与气流耦合的运动过程。
[0054]
在本实施例中，试验环境为小型的住宅厨房，其尺寸为长3.3m* 宽3.3m*高2.4m。在房间边缘存在一个四眼灶台，灶台热源直径为 0.125m。操作台分为左右两部分，呈l型布置，右部分上放置燃气灶。
[0055]
在本实施例中，将提供的本发明与现有的普通油烟热羽流捕集系统的捕集效果进行对比，现有的普通油烟热羽流捕集系统的边界条件见表1，本发明提供的系统的边界条件见表2。
[0056]
表1.现有的普通油烟热羽流捕集系统的模拟边界条件
[0057][0058]
表2.本发明提供的捕集系统的模拟边界条件
[0059][0060]
本发明与普通油烟热羽流捕集系统的捕集效果差异明显，见附图 6-9。图6为y＝0.72m截面速度矢量图，横纵坐标为空间位置，图中为速度矢量分布，表征室内流场速度的大小和方向。由图6(左)可以看出，当前抽油烟机捕集效果不佳，大量油烟向抽油烟机外逃逸，沿房间顶部横向扩散，需要进一步对抽油烟机或厨房通风系统进行优化。而图6(右)可
以看出，高速射流诱导作用明显，与普通油烟热羽流捕集系统相比，抽油烟机罩口横向逃逸的油烟明显减少，油烟大部分聚集在抽油烟机内，最终被捕集，说明本发明捕集效果较好。
[0061]
图7为y＝0.72m截面浓度云图，横纵坐标为空间位置，图中等压线上数值为浓度分布。由图7(左)可以看出，油烟初始污染物质量分数为0.16，上升到抽油烟机罩口附近后下降到0.03左右，可以看出油烟在抽油烟机影响下污染物质量分数衰减较快，但还是会对周边环境产生一定影响，热源附近污染物质量分数为0.08，比室内高 0.06左右，由于现有抽油烟机形式的捕集效果不佳，在抽油烟机罩口处油烟热羽流横向逃逸，导致房间顶部污染物浓度发生分层。而图7 (右)可以看出，油烟初始污染物质量分数为0.16，上升到抽油烟机罩口附近后下降到0.09左右，可以看出油烟在本发明捕集系统影响下污染物质量分数衰减较慢，对周边环境产生影响较小，热源附近污染物质量分数为0.02，与室内基本相同。与普通油烟热羽流捕集系统作用下相比，污染物浓度明显降低。
[0062]
图8为油烟颗粒物的逃逸轨迹图，由图8(左)可以看出，在普通油烟热羽流捕集系统作用下油烟颗粒物的空间逃逸范围较大，从热源散发后主要向房间顶部逃逸。由图8(右)可以看出，在本发明捕集系统作用下油烟颗粒物的空间逃逸范围明显减小，大部分颗粒物被抽油烟机捕集。图9为油烟颗粒物的水平扩散范围图，由图9(左) 可以看出，在普通油烟热羽流捕集系统作用下，油烟颗粒物的水平扩散半径超过了灶台，距离为1.3m左右，扩散较远，主要向墙角与人体呼吸区水平扩散。由图9(右)可以看出，在本发明捕集系统作用下，油烟颗粒物的水平扩散半径明显减小，由之前的1.3m减少到了 0.7m左右。由此可以得出，本发明捕集系统减少了颗粒物的逃逸和扩散范围。综上可知，本发明可以有效捕集大部分油烟，使得厨房内气态污染物及颗粒物浓度明显下降。相较于普通油烟热羽流捕集系统，使用本发明的捕集作用要更优。