商用厨房油烟净化与导流通风系统的优化设计及数值模拟研究

摘要

随着近几十年来我国经济的快速发展,我国餐饮业也发展迅猛,同时,节能、环保及公众的健康意识也日益增强。而厨房作为餐饮业建筑中至关重要的场所,油烟污染防治和能耗控制等水平相对落后,目前普遍存在油烟污染严重、能耗高、热舒适性差等问题,厨房室内环境急待改善。在开发合理有效的油烟净化设施的同时,非常有必要探求一种新型高效的油烟污染防治方式及通风系统设计,以进一步改善厨房的工作环境,提高厨房舒适性,进而在保证排除污染物的前提下有效降低厨房的运行能耗。
　　 厨房在作业过程中,会产生大量的油烟和蒸汽以及热量,需要及时、高效地捕集和排放,最大限度地防治油烟污染。对商用厨房而言,设置局部通风和全面通风系统是非常必要和必须的。作为局部通风系统的主要部件之一,脱排烟罩要求具备良好的捕集油烟性能,且结构合理、美观。全面通风的首要目的就是保证厨房内保持一定负压的同时,还有优良的空气品质。
　　 目前,作为脱排烟罩的优选品种之一,运水烟罩及其油烟净化技术应用广泛,但设计多基于经验,对机理、净化效果的研究尚处于定性分析阶段。同时,传统的混合通风方式很难较好地同时解决空调节能与获得良好室内空气品质的问题。针对以上两个难题,在大量调研和多年工程实践经验累积的基础上,本文将新型节能的置换通风方式引入商用厨房通风设计中,并将导流装置系统和运水净化系统应用在脱排烟罩的设计上,建立了新型高效的厨房油烟净化和导流通风空调系统,有效防治油烟污染和创造厨房室内的优良环境。采用理论分析、试验研究和CFD(Compuational Fluid Dynamics)数值模拟相结合的方法,系统而深入地开展了运水烟罩内的核心部件-喷头的工作性能及厨房置换通风和混合通风方式的研究。主要研究工作和创造性成果有:
　　 1.分析商用厨房的室内环境特点,全面地总结了商用厨房油烟污染防治及通风系统的设计原则、设计方法和设计形式等。首次在AutoCAD平台下完成了可通用于一般建筑的冷负荷计算软件系统的开发。
　　 2.对厨房局部通风系统的重要部件,即采用液体洗涤法中集油烟捕集与油烟过滤装置于一体的运水烟罩进行了工作原理及净化机理分析。首次对运水烟罩内油烟净化核心部件-喷头的喷雾净化过程开展了系统深入的多方案数值模拟、试验测试及正交试验研究。研究揭示了喷头喷射、雾化等油烟净化的机理等。
　　 3.对厨房通风气流流动建立了三维数学物理模型,采用室内零方程模型,对某模型厨房置换通风开展数值模拟,通过和试验测试结果的对比,验证了本文所建模型的正确性。随后针对上海希科酒店设备有限公司的实际工程——上海达丰电脑松林会所中餐厨房的烹饪问进行了传统混合通风和新型置换通风的设计,采用上述经过试验验证过的数学模型开展数值模拟。明确得出了“置换通风用于厨房,无论是热舒适性方面,还是室内空气质量方面,均优于混合通风”的结论,论证了置换通风方式用于商用厨房的可行性。
　　 4.针对上述中餐厨房烹饪间,设计了16种置换通风方案。首次对商用厨房的置换通风方式开展了多方案且系统的从室内速度场、温度场、CO2浓度场、空气龄到PMV-PPD指标方面的数值模拟对比分析和优化。研究结果表明,采用置换通风系统的厨房室内气流分布稳定,人员呼吸区空气较新鲜,有助于控制室内工作区的污染；在厨房室内置换通风设计时应保证送风速度小于0.25m/s、送风温度不低于20℃等。这些结论都为厨房置换通风系统的设计提供了理论指导。
　　 5.对商用厨房排油烟系统和通风系统进行了优化设计。针对厨房自身的特点,对系统本身、关键部件结构、送风温度和速度等进行优化设计,首次建立了一套新型、高效、节能、环保、安全的厨房油烟捕集、净化系统和导流通风空调系统。对商用厨房的设计原则、设计方法和步骤做了全面的总结。并通过实际案例对设计方法、步骤和过程进行了详细的说明,同时也证明了本系统的有效性和可行性。
　　 本文的研究结果对商用厨房油烟污染控制及通风系统设计、厨房油烟净化设备的改进、置换通风及烟气导流系统在厨房中的应用提供了理论基础和实例,从而有助于加速中国餐饮业低碳、环保和节能的绿色化进程。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 商用厨房室内环境特点

1.3 商用厨房油烟控制及通风研究现状

1.4 商用厨房油烟控制与净化技术

1.4.1 油烟控制与净化技术国内外现状

1.4.2 运水烟罩油烟净化装置的技术现状

1.5 置换通风系统的发展及研究现状

1.5.1 国外置换通风系统的发展及应用

1.5.2 国内置换通风系统的发展及应用

1.6 本文主要研究内容

第2章 商用厨房室内通风空调设计

2.1 商用厨房的功能特点及通风系统要求

2.1.1 厨房功能特点概述

2.1.2 厨房主要功能间的特点和具体通风需求

2.2 商用厨房通风的主要组成部分

2.2.1 商用厨房送风系统

2.2.2 商用厨房排风系统

2.3 厨房送排风系统的主要形式

2.4 商用厨房通风系统的设计

2.4.1 混合通风设计的原理和基本方法

2.4.2 置换通风基本原理和相关设计

2.4.3 冷负荷计算软件的开发

2.5 厨房室内环境评价指标

2.5.1 温度梯度

2.5.2 空气年龄

2.5.3 换气效率(空气置换系数)

2.5.4 通风效率(能量利用系数)

2.5.5 PMV与PPD指标

2.6 本章小结

第3章 运水烟罩工作原理及喷头外流场数值模拟

3.1 运水烟罩的工作原理及油烟净化机理

3.2 喷头的结构设计及水力性能

3.2.1 喷头的结构

3.2.2 折射式喷头的结构设计

3.2.3 喷头的水力性能参数

3.3 喷头外部流场的CFD数学模型

3.3.1 基本流动控制方程

3.3.2 Lagrangian离散相模型

3.3.3 液滴雾化和破碎模型

3.3.4 离散相与连续相间的耦合

3.3.5 离散相边界条件

3.4 折射式喷头外部流场CFD分析

3.4.1 网格生成

3.4.2 边界条件

3.4.3 数学模型

3.4.4 方程的离散和求解

3.4.5 数值计算结果分析

3.5 本章小结

第4章 运水烟罩折射式喷头的试验研究

4.1.折射式喷头的试验装置和试验方案

4.2 工作压力对折射式喷头性能的影响研究

4.2.1 流速与工作压力的关系

4.2.2 射程与工作压力的关系

4.2.3 喷洒角度及面积与工作压力的关系

4.2.4 雾化程度与工作压力的关系

4.2.5 喷头的水量分布试验

4.3 折射式喷头正交试验研究

4.4 本章小结

第5章 模型厨房置换通风数值模拟与试验验证

5.1 模型厨房的建立

5.2 厨房通风的数学-物理模型

5.2.1 湍流模型

5.2.2 物理模型基本假设

5.3 模型厨房置换通风的数值模拟

5.3.1 Airpak软件简介

5.3.2 网格生成

5.3.3 边界条件

5.3.4 数学模型

5.3.5 方程的离散和求解

5.4 模型厨房置换通风数值模拟的试验验证

5.4.1 试验装置及测量

5.4.2 数值模拟试验结果分析

5.5 本章小结

第6章 商用厨房混合通风与置换通风的数值模拟

6.1 商用厨房的物理模型

6.1.1 商用厨房工程案例

6.1.2 物理模型的简化

6.2 商用厨房置换通风和混合通风的数值模拟对比分析

6.2.1 网格的生成

6.2.2 边界条件的设定

6.2.3 数学模型及方程离散和求解

6.2.4 厨房置换通风和混合通风的气流流动分析

6.2.5 厨房置换通风和混合通风的热舒适性分析

6.2.6 厨房置换通风和混合通风的室内空气质量分析

6.3 商用厨房置换通风多方案数值模拟分析和优化

6.3.1 置换通风数值模拟方案

6.3.2 速度场分析

6.3.3 温度场分析

6.3.4 二氧化碳浓度场分析

6.3.5 空气年龄分析

6.3.6 PMV-PPD指标比较

6.4 本章小结

第7章 商用厨房烟气导流与通风系统的优化设计及工程实例

7.1 厨房油烟污染防治和通风系统的设计原则

7.1.1 厨房排烟及送风重点功能区的选定原则

7.1.2 系统划分原则

7.1.3 风量确定和风速设计原则

7.1.4 管路布置原则

7.1.5 风机和净化器的选型和安装位置确定原则

7.1.6 降噪、减震、防火原则

7.1.7 空调配备原则

7.2 烟气导流与通风空调系统的设计方法及步骤

7.2.1 厨房烟气导流与通风空调系统设计的基本方法

7.2.2 商用厨房烟气导流与通风空调系统的基本步骤

7.3 商用厨房烟气导流与通风空调系统的优化设计

7.3.1 系统优化

7.3.2 结构优化设计

7.3.3 送风速度和送风温度的优化设计

7.3.4 辅助系统的优化设计

7.4 商用厨房烟气导流与通风空调系统的工程实例

7.4.1 世博厨房-祝桥烟气导流与通风空调系统的优化设计方案

7.4.2 世博厨房-祝桥烟气导流与通风空调系统的实际效果

7.5 本章小结

第8章 全文总结与展望

8.1 全文总结

8.2 工作展望

参考文献

致谢

作者在攻读博士学位期间取得的科研成果