导读
本篇论文针对实际烹饪过程中吸油烟机对燃气灶热效率的影响进行了分析研究，对不同安装高度下燃气灶的热负荷进行了实验比较，并对吸油烟机开启后的气流分布进行了仿真分析，得到了相应的变化规律。本论文研究内容明确，试验分析和模拟分析得当，研究选题十分有价值、意义。
刘梦茹 丁泺火 汪春节 王运发 陈茜
珠海格力电器股份有限公司
摘要
Abstract
为研究吸油烟机对燃气灶热效率的影响，通过实验数据分析得出吸油烟机使用时燃气灶热效率随着风量的增大呈降低趋势，烟气中CO含量略有上升，但变化不大。随着吸油烟机安装高度降低，对燃气灶性能影响越大。同时利用CFX对燃气灶周围空气流速及热量分布进行仿真分析，结果表明吸油烟机运行时减弱了燃气灶高温烟气与烹饪器具之间的对流换热。
关键词
Keywords
家用燃气灶；热效率；吸油烟机；风量；对流换热
DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2021.06.010
1 研究背景
随着生活水平的提高，燃气灶和吸油烟机已成为人们日常生活中必不可少的厨房电器。目前对于单个燃气灶研究甚多，一些学者对燃气灶锅支架高度、燃烧器结构等进行探究[1-4]。中国家庭以煎炸爆炒为主，这些烹饪方式会产生大量油烟，吸油烟机可以快速吸走燃气灶烹饪时产生的油烟，降低对人体皮肤、呼吸道等产生的不良影响，但同时吸油烟机的开启改变了燃气灶上方空间的空气流动状态，对燃气灶的性能造成一定的影响。邓鹏飞[5]等运用数值模拟的方法研究了集成灶吸烟距离和风机风压对燃气灶热效率的影响，从而优化集成灶的结构参数。侧吸式吸油烟机十分受中国家庭的喜爱，销售量逐年递增，“超大风量、超强风压”技术能够有效地解决油烟回流问题，但是会不可避免地干扰燃气灶燃烧。
现如今许多燃气灶产品通过燃烧器结构优化、增加聚能圈等方式提高能效，但对于开启吸油烟机时燃气灶的性能变化研究甚少。GB 16410-2020《家用燃气灶具》中对嵌入式燃气灶、台式灶、集成灶分别作出使用性能要求，其中集成灶未开启吸排油烟装置和开启吸排油烟装置要求并不相同，可见在燃气灶使用过程中开启吸排油烟装置是存在影响的[6]。针对嵌入式燃气灶及台式灶，在开启吸油烟机与未开启吸油烟机的情况下，国标中并未有相关的要求。燃气灶的热效率的提高有助于我国的节能减排，提高能源利用，对消费者而言可以降低生活成本[7]。因此开展在开启吸油烟机状态下燃气灶的性能研究是十分必要的，本文选取在市面占比较大的侧吸式吸油烟机进行对比研究，定量分析用户使用的几种典型场景下吸油烟机工作时对燃气灶性能的影响。同时通过仿真手段进行理论分析，客观评价“大风量吸油烟机”在家庭烹饪中对燃气灶性能的影响。
2 实验及仿真设计
选取我司生产的某款燃气灶及侧吸式吸油烟机进行实验。按照GB 16410-2020《家用燃气灶具》中要求，在未开启吸油烟机时，燃气灶热负荷、烟气及热效率性能测试环境为试验灶具周围1m处，空气流动速度≤0.1m/s[6]，燃气压力为2000Pa，同时使用标准锅进行测试，测试时燃气灶风门开度保持不变。该实验的测试系统如图1所示，包括燃气灶、吸油烟机、供气系统、烟气测量系统及温度测量系统。其中供气系统包括气体运输管道以及气体流量计W-NKDa-1A。烟气测量系统包括烟气分析仪Testo350及烟气取样器，烟气取样器根据要求放置于距离锅底面20mm～40mm范围内，均匀采集烟气。实验工况具体如下：
图1 实验场景搭建
（1）不同风量（吸油烟机的档位）：在实际生活中，用户会根据烹饪方式调整吸油烟机的档位以满足要求。本实验在吸油烟机五种运行档位下（1档、2档、3档、4档、爆炒档）对我司燃气灶做性能测试，吸油烟机实测风量数据如表1所示。
表1 吸油烟机不同档位实测风量数值表
（2）不同安装高度：GB 4706.28-2008中7.12.1要求若吸油烟机安装在燃气炉灶上方，该距离应至少为65cm[8]。本文选取的侧吸式吸油烟机说明书安装高度建议值范围为350～400mm，考虑到一些消费者为了追求更好的吸烟效果，没有根据建议高度进行安装，而是一味地降低安装高度，吸油烟机实际安装高度范围更大，在本实验中选取非建议范围内的安装高度265mm（后文中称为“极限低位安装高度”）。由于吸油烟机的实际安装高度决定了对燃气灶周围空气的干扰程度，选择吸油烟机不同的安装高度（极限低位安装高度265mm、建议安装高度365mm）进行对比测试。
（3）仿真模型的建立：为了能够更加深入地探究吸油烟机运行对燃气灶使用过程中的影响，根据吸油烟机使用时的实际情况建立简化模型，如图2a）所示，重点关注锅具周围的空气流动状态。利用MESH对模型进行网格划分，在吸油烟机及锅具局部进行网格加密，网格数约为130万，如图2b）所示。将划分好网格的模型导入FLUENT进行设置求解，采用K-epsilon湍流模型进行稳态计算，计算过程中采用分离求解器SIMPLE算法，动量、湍流动能、湍流耗散率差分格式设置为二阶迎风。由于仅探究限制空间内的空气流动，因此忽略温度因素。边界条件是将吸油烟机后侧面与灶台面设置为WALL，空间其他壁面均设为OPENING，吸油烟机出口处设定已知风量质量流量。
图2 物理模型
3 实验分析
（1）吸油烟机安装高度为365mm状态下对燃气灶性能影响
在吸油烟机运行状态下，依据GB 16410-2020《家用燃气灶具》对燃气灶进行热负荷、烟气及热效率测试，由于综合考虑测试环境中的温度、气压、燃气湿度等影响因素，对测试结果修正为标准状态下的热负荷，即为实测折算热负荷。随着吸油烟机开启档位的增加风量变大，燃气灶热负荷没有变化，实测折算热负荷为3.984kW，其计算公式为[6]：
式中：Φ-实测折算热负荷，kW；Q1设-15℃，101.3kPa状态下设计气的低热值，MJ/m3；υ-实测燃气流量，m3/h；da-基准状态下干试验气的相对密度；dmg-基准状态下干设计气的相对密度；pamb-试验时的大气压力，kPa；ps-设计时使用的额定燃气供气压力，kPa；pm-实测燃气流量计内的燃气相对静压力，kPa；pg-实测灶具前的燃气相对静压力，kPa；tg-实测燃气流量计内的燃气温度，℃；S-温度为tg时的饱和水蒸气压力，kPa；0.622-水蒸气理想气体的相对密度。
吸油烟机安装高度365mm测试数据如表2。吸油烟机安装高度365mm下燃气灶性能变化如图3。由图3可见，热效率随着风量的增大呈降低趋势，且变化明显。同时吸油烟机工作时，使得燃气灶燃烧受到周围空气流动的影响，导致烟气中CO含量呈现增大趋势，但规律并不明显。
表2 吸油烟机安装高度365 mm测试数据
图3 吸油烟机安装高度365 mm下燃气灶性能变化
（2）吸油烟机安装高度为265mm状态下对燃气灶性能影响
吸油烟机安装高度265mm测试数据如表3。吸油烟机安装高度265mm下燃气灶性能变化如图4。由图4可以看出，吸油烟机安装高度为265mm的情况下，变化趋势与吸油烟机安装高度365mm的状态下基本一致，在吸油烟机运行过程中，风量增大，能效降低，但烟气变化幅度并不显著，可见在该范围内风量的改变对烟气造成的影响较小。
表3 吸油烟机安装高度265 mm测试数据
图4 吸油烟机安装高度265 mm下燃气灶性能变化
不同高度下燃气灶热效率变化如图5。由图5可知，在吸油烟机未开启的情况下燃气灶热效率高达67.73%，在吸油烟机安装高度为365mm同时开启爆炒档时，燃气灶热效率为65.32%，下降了2.41%；吸油烟机安装高度为265mm同时开启爆炒档，燃气灶热效率为64.09%，下降了3.64%。可见吸油烟机安装高度为265mm时（极限安装高度），对燃气灶热效率的影响较大。
图5 不同高度下燃气灶热效率变化
4 仿真分析
由图6可以看出，在使用吸油烟机的情况下，锅具周围的空气流动发生明显变化。从吸油烟机侧面流速分布图a）可以看出在锅具与墙体之间的空间区域A存在不均匀的速度分布，而锅具与开放空间的区域B部分位置流速较大，气体流动明显。由吸油烟机正面流速分布图b）可见，锅具周围区域C、D均存在空气快速流动的状况。这是由于康达效应（即附壁效应）造成，灶台面与锅具改变了空气原来的流动方向，改为沿着灶台面与锅具表面流动。
图6 流速分布图
由图7可以看出吸油烟机下方区域形成负压区，造成锅具周围的空气流动发生明显变化，锅具周围空气均流向吸油烟机进风口。可见当吸油烟机开启时，燃气灶的二次空气补充量发生变化，导致燃烧分布不均匀，局部燃烧不完全，从而造成烟气CO含量升高的现象。图7a）显示锅具与墙体之间的空间区域A及锅具上方区域E存在涡流现象。这是由于有遮挡墙面的一侧空间有限，空气流动方向杂乱无章，发生涡流现象，干扰燃气灶的燃烧效果。而无遮挡面一侧，空气沿着灶台面进行快速流动。
图7 速度矢量图
燃气灶输入总热量与释放总能量遵循能量守恒定律，根据能量守恒定律得[9]：
式中：Qi-换热过程中的总输入热量，kJ；Qo-换热过程中的总输出热量，kJ；Qa-空气带入的热量，kJ；Qg-燃气带入的热量，kJ；Qgc-燃气燃烧产生的化学热（以低热值计），kJ；Qb-锅中水吸收的热量，kJ；Qf-烟气带走的热量，kJ；Qc-燃烧过程中火焰对外辐射热损失，kJ；η-热效率。
锅具周围空气温度分布如图8所示。在燃气灶加热锅具的过程中，无吸油烟机运行的情况下，周围空气会朝向燃烧区域进行氧气补充，使燃烧更加充分。燃烧过程中产生的高温烟气与周围空气由于存在温差从而发生热交换，导致部分热量散失，即烟气带走的热量Qf。同时燃气灶为明火燃烧，火焰对外部环境进行热辐射导致一部分热损失Qc，这也是消费者在使用燃气灶时感受到酷热的主要原因。图8可见在加热锅具时周围存在高温烟气及已被加热空气的温度分布，离火源及锅具越远，温度会逐渐下降。靠近锅体的高温烟气及已被加热空气会与锅体进行少量的热交换。
图8 燃气灶燃烧状态下锅具周围空气温度分布
由图9可以观察到锅具周围空气流动的方向与速率分布，可见由于吸油烟机的使用导致周围的空气流动发生变化，由于吸油烟机的吸力作用，导致吸油烟机附近的区域变为负压区，外界补充的空气均朝向吸油烟机流动，干扰了空气对燃烧区域的补充，导致燃烧充分性降低，从而烟气中CO含量呈升高趋势。同时吸油烟机运行时会加快锅具周围高温烟气及已被加热空气的流动速率，锅具周围的空气均朝向吸油烟机进风口流入，降低了锅具与高温烟气及已被加热空气的热量交换，锅中水吸收的热量Qb有所下降，从而导致燃气灶热效率下降。
图9 三维速度矢量图
5 结论
近年来城市住宅高层化以及中国传统的烹饪习惯决定了吸油烟机大风量的趋势，同时为了解决油烟回流的问题，许多品牌商不断开发大风量吸油烟机。大风量技术改变了我们的生活，它能够使油烟极速吸排，减少油烟对消费者的伤害。但吸油烟机与燃气灶是配套使用的，吸油烟机的使用会对燃气灶的性能造成一定影响，本文通过研究，得出具体结论如下：
（1）在吸油烟机运行的情况下，燃气灶热效率随着风量的增大呈降低趋势，烟气中CO含量呈现上升趋势，但变化不大且无明显规律。
（2）吸油烟机安装高度越低、锅具周围的空气受到的干扰越明显，对燃气灶性能影响越大。吸油烟机安装高度在极限低位、爆炒档时，对燃气灶热效率影响最高可达到3.64%左右，本次实验实测最大风量为20.38m3/min左右。现如今市场追求大风量，市面上吸油烟机风量达到21m3/min的产品数不胜数，当吸油烟机风量更大时，影响将会更明显。
（3）通过仿真看出由于吸油烟机的运行，造成周围空气均朝向吸油烟机进风口流动，锅具周围的空气流动尤为明显，从而造成了热效率的降低、烟气中CO含量的升高。吸油烟机工作时，负压区域将烹饪时的油烟吸走的同时，也减弱了燃气灶高温烟气与烹饪器具之间的对流换热。
（4）本文通过研究开启的吸油烟机对燃气灶性能的影响，可以看出用户在安装吸油烟机时要依据国标或说明书中给出的建议安装高度进行安装，不能一味追求吸油烟的效果。同时也可对用户进行提醒，减少大火爆炒，可采用更加健康的烹饪方式等，减少油烟的产生。从产品设计角度出发，针对吸油烟机的康达效应，燃气灶可配备聚能圈结构提升能效的保留率。对吸油烟机而言，在设计产品过程中可以考虑提高负压集中区与烹饪时油烟区的重合度，使得小风量也能达到更好的油烟抽吸效果，从而减少吸油烟机对燃气灶能效的影响。
参考文献
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（责任编辑：张晏榕）
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