油烟在吸油烟机内的流动状态探讨

油烟在吸油烟机内的流动状态探讨

1、油烟的一般状态

吸油烟机的工作对象就是油烟，在对油烟机分类后，即可对其各方面性能有一个比较全面的了解。如一台“老板牌)*+,!#$,!!’-”型吸油烟机，实际上可表述为“深箱式、直接驱动油烟式、拦截式集流面式、网罩集油式、直排式”吸油烟机，并且在采用“直接驱动油烟”工作方式时，用以驱动油烟使其产生流动的工作介质也是油烟，所以在讨论油烟在吸油烟机内的流动状态以前，有必要对油烟的一般状态有所了解。吸油烟机清洗。

1.1油烟是一种混合气体

吸油烟机的工作对象——油烟，是一种混合气体，以大气成份为主，但在相当多的时候，油烟中包含了在烹饪过程中所形成的诸如燃料废气(包括一氧化碳、二氧化碳、硫化物及氮化物等)、燃料颗粒(如碳粒、灰尘等)、食用油挥发物(主要是蒸发的油蒸气及微滴)、水蒸汽等，成份十分复杂。由于受到传统饮食习惯影响，我国城乡居民在烹饪过程中往往都喜欢用大量的油来煎、炒、烹、炸，因此在烹饪过程中所形成的油烟数量及浓度要远远大于习惯于以生、冷为主要食品的西方居民家庭。

1.2油烟是一种气体状流体

油烟是一种气体状流体，其比重比洁净空气略重，密度一般为!"($,!"(./012((空气为!"#&(/012()并具有以下的为气体所具备的物理特征：

1. )可流动性：和空气一样，油烟具有良好的流动性，“在气体中相近的两个空间区域里，只要有很小的压强差存在，就能使气体很快地运动”，吸油烟机的工作原理正是在此基础上形成的。

2. )膨胀性：与空气一样，油烟受热后体积会膨胀增加，遇冷则油烟体积会收缩。

3. )粘性：与所有的流体一样，因受气体分子间力的作用，油烟在流动中表现出一定的粘性，与液体所不同的是，油烟粘度是随着温度的上升而增高的，引起油烟温度上升的因素，可以是外界因素作用的结果(如油烟受到炉灶、油锅的烘烤)，也可以是内部因素作用(如油烟在急速流动中气体分子间的碰撞以及与吸油烟机导流面的磨擦都会引起升温)，都可导致油烟粘度增加。而粘度增高，则会影响到油烟的顺利流动。

4. )边界层或附面层：油烟在流动过程中，与导流面表面会形成边界层(即附面层)，由于边界层中的油烟流速较低，会对油烟的流动及油滴凝结产生一定影响。

1.3油烟所具有的一些特殊的物理性质

由于油烟是一种混合性气体，所以具备一些洁净空气所没有的物理特征，这些特殊性有：

1.)扩散现象：油烟实际上是一团包含各种气体成份和微小的固体、液滴颗粒在内的高温混合空气，所以油烟形成之后在上升的过程中，会与周围较冷的空气形成热交换现象，并伴随着热交换现象产生的对流现象向四周扩散;油烟扩散会造成室内物体的污染，并对人们呼吸道、外露皮肤产生不良*****，在较狭小的空间内这种扩散的后果更加明显。

2.)凝结粘附现象：油烟的凝结粘附是油烟的特有现象，表现是在油烟的扩散过程或在被吸油烟机排除出室外时，会由于周围较冷的空气进行热交换而导致油烟温度降低，这时原来以气体形式存在或以悬浮微粒存在的物质(如水蒸汽、油蒸气等)会挟带着混合在一起的各种固体微粒沉积、粘附在室内物体以及吸油烟机的表面之上，形成凝油层，而且这种凝油层堆积的速度相当之快，可以在很短的时间内就形成较厚的油垢层。这种现象对采用“直接驱动油烟”工作方式的吸油烟机的正常使用影响极大，详细情形将在下文中述及。

2、“直接驱动油烟”机型机壳内的油烟流动状态如果以驱除油烟的工作方式对吸油烟机进行分类，可以把吸油烟机分为“直接驱动油烟”或“间接驱动油烟”式两大类，目前市售的所有吸油烟机都可列入“直接驱动油烟”式，而“间接驱动油烟”式目前处于开发阶段(将在下一节中讨论)。

在目前市售的所有吸油烟机中，不论是按油脂分离方式(直排式、循环式或两用式)、按安装形式(拦截式集流面、引导式集流面)，还是按机壳导流面结构(普通型、半深或罩型、深箱型或深柜型)等等，在其排除油烟的工作方式上都是完全相同的，都属于“直接驱动油烟”工作方式：当启动吸油烟机进入工作状态后，电机就会带动安装在蜗壳内的叶轮高速旋转(一般为每分钟$%%%&#%%%转)，这样就在机壳内形成了一个负压区(低于大气压的区域)。如果此时灶具上方有油烟，油烟就会被此负压区域所吸引而进入机壳内，再经由叶轮加速后沿叶轮表面—蜗壳内表面—排气管这个途径被清除。在采用“直接驱动油烟”工作方式时，油烟既是吸油烟机的工作对象，同时又是吸油烟机的工作介质。这个特点对于分析油烟在机壳内不同区域的流动状态时不能忘记的。在采用“直接驱动油烟”工作方式排除油烟时，油烟是在流经叶轮的叶片表面时才获得加速度的，因此油烟必然要与叶轮及相关部位(叶轮、电机转轴、蜗壳内表面等)产生直接接触，这就是吸油烟机“直接驱动油烟”工作方式的命名原理，而吸油烟机的所有设计都围绕着这个方式展开。

在油烟越过吸油烟机的基准集流面之前，虽然油烟在负压区域的吸引下产生了向机壳移动的态势，但仍应把油烟看作是处于自由流动状态而不是受约束流动状态。本文只着重讨论油烟在进入机壳后的受约束流动状态。

在油烟越过基准集流面进入机壳直至被排除的过程中，油烟的流动状态不是一直保持不变的。笔者把油烟流动状态的变化划分为三个区域来考察，这三个油烟流动状态区域分别是机壳区、蜗壳区和排气管区。

2.1机壳区内的油烟流动状态机壳区以基准集流面作为与室内空间的分界面，以机壳上油烟进入叶轮处的网罩(即吸烟孔)作为与蜗壳区的分界面。本文以深箱式机型为代表进行分析。

当油烟进入机壳内以后，就受到机壳各导流面的约束，只能够在负压区的吸引下进入吸烟孔。油烟在进入吸烟孔之前处于机壳内时的流动状态是如何表现的呢?

当油烟刚越过基准集流面的时候，其流动状态可以看作是恒定流，也就是说，油烟的流线大致是平行的、向上方向的，其流速及流向没有太大的变化，基本上没有大的或明显的涡流扰动现象出现，应当属于层流状态。

如果把油烟放在这样的环境条件下考察其流动状态，可能更容易说明：网罩安装在机壳顶部而不是侧后方(如“老板牌豪气系列’()*!#%*!#+”等，“普田牌’()*!,-*./”等)，当油烟在接近网罩处时，才会产生流向、流速的较大变化(即出现“缩流”现象)。而在把网罩安装在机壳的侧后面的机型中(如“老板牌喜气系列、名气系列’()*!#%*$%!、’()*!+%*#%0”等机型)，油烟的大部分会进入吸烟孔，而一部分油烟则会上升到机壳上部形成滞流区，因而不利于油烟的排出。因此，在考察机壳区内的油烟流动状态时，应当注意尽可能使油烟能比较自然地流向网罩，并设法减少因机壳内导流面对油烟流动的干扰。

另外，应当注意机壳区内垂直导流面和倾斜导流面(即机壳的四个侧表面)对油烟流动状态的影响。了解吸油烟机发展历史的人都会注意到，吸油烟机垂直(倾斜)导流面的几何尺寸有很明显的变化，如以市场占有率比较高的“老板牌”吸油烟机为例，其机壳高度分别为’()*!$%*!$#型的!,%11(普通型)、’()*!$%*02型的$#,11(半深型或罩型)、’()*!$%*!$-3型的4%%11、’()*!$%*!#,型的,2%11(深箱型或深柜型)等，如果以其!,%11为基准，则其机壳高度的比值为!：!",2：$"+2：#"-，其高度增长了近4倍之多，说明在设计过程中对垂直导流面在约束油烟外溢、提高排净效果方面的作用的认识过程。笔者认为，这个现象对吸油烟机的设计思路是有直接影响的，对于目前生产“欧式”机型的厂家，更应当引起应有的注意。

2.2蜗壳区内的油烟流动状态

与机壳区相比，蜗壳区内的油烟流动状态是变动最大的区域。

首先，油烟一进入蜗壳区内，其层流状态就会被彻底地破坏，这是因为当油烟在被吸入叶轮后，就被迫沿着叶片的曲面导流面运动，并在运动过程中获得加速，油烟会不断地被抛离叶片叶缘，撞击在蜗壳内表面并沿蜗壳内表面向排气管运动。所以，油烟在蜗壳区内呈现出剧烈的涡流状流态。由于油烟分子团之间以及与叶轮表面，蜗壳内表面急剧磨擦碰撞，会导致油烟温度上升，粘度增加，对油烟的流动会产生一定的不利影响，同时也是造成吸油烟机运转噪声的主要来源。

其次，由于油烟具有粘附性和凝结性，所以在蜗壳区内不可避免地会出现凝油现象，无论是对吸油烟机的正常运行还是安全使用都十分不利。

2.3排气管区内的油烟流动状态

排气管是用以把油烟导出室外的通道，可分为软质管和硬质管两种，其截面为矩形或圆形，以圆形截面的波纹状软管居多。根据《$%&’()(*+,#吸油烟机》的规定，其内径分别为)-，(--，(!-，(.-，!--//。

由于波纹状内表面会使油烟在流动过程中产生较大的涡流，所以相对来说波纹管内的流动阻力要比平滑管内的流动阻力大一些。

由于油烟从蜗壳区出来后呈现较明显的涡流状紊流状态，而且这种状态在排气管内波纹状表面的作用下，将一直维持到油烟排入大气中，所以排气管区内的油烟流动状态，基本上处于紊流状态之下。

油烟同样会在排气管的内壁上产生凝油现象，这也放在以下一节中予以讨论。

3、直接驱动油烟”型吸油烟机的凝油现象

事实上，所有的吸油烟机都会产生不同程度的凝油现象，吸油烟机的研究设计者和使用者都必须面对这个事实。在许多情况下，吸油烟机往往不是因其到达使用寿命期限，而是因为凝油现象的影响而不得不提前报废。

由于目前市场上出售的都是“直接驱动油烟”类型的吸油烟机，所以本文先讨论这种类型吸油烟机的凝油现象。

如上节所述，油烟在吸油烟机内的不同区域中表现出不同的流动状态，因此凝油的表现形式也各有特点：

在机壳区内，由于油烟刚刚形成，因此油烟的温度较高，油烟中的各种微粒主要以悬浮状态飘浮，当油烟在向吸烟孔处移动的过程中，油烟中的一部分水蒸汽、高温油微滴(油蒸气)在接触到温度相对较低的机壳时，就会凝结、粘附在机壳表面上，凝油刚形成时是比较均匀地“涂布”在机壳内表面上的，但是随着凝结出来的油层逐渐加厚，就会有泪滴状的凝油产生，并沿着重力线向下流动，所以吸油烟机必须设计凝油的汇聚路径，并安装集油盒以便及时收集凝油。但是，并不是所有的凝油都能被集流回收，有相当一部分未进入集油盒的凝油仍然会粘附在机壳区内的各个内表面上面(如导流面、网罩、集油盒、灯罩等表面)，时间稍久，这些粘附在机壳区内各表面上的油滴会随着温度的降低，其中挥发成份的挥发而逐渐硬化，最终形成影响吸油烟机正常使用的油垢层。

机壳区内的凝油现象是有害的，未进入集油盒中的油滴如果掉落在炊具中不利于卫生，而粘附硬化后的油垢会改变导流面的光滑表面结构，增加油烟流动阻力，反过来又加剧了凝油的产生。因此，如何及时清除机壳区内的凝油就成为吸油烟机设计中的重点工作内容之一。

建议采取以下改进措施：

1.)设*****率、提高静压等措施。

2.)机壳内一般为目光可观察到的区域，因此可适当增加机壳的可拆卸或可打开功能，这样可以便于用户在每次使用后及时清除机壳内表面的凝油，应当是防止出现油垢层最好的方式之一。

3.)设法减少平面型导流面。由于平面型导流面不利于凝油沿重力线向油盒内汇集，因此可以考虑尽量减少平面型导流面的面积;或者在设计安装角度时，适当增大集流面迎角，以增加对凝油的汇集能力。

在蜗壳区内，凝油现象是一个必须认真对待的重大问题。当油烟越过安装在吸烟孔处的网罩后，即进入蜗壳区。与机壳区内油烟流动较稳定相比，蜗壳区内的油烟流动状态十分复杂。

当油烟从较为宽敞的机壳内进入比较狭窄的蜗壳时，首先要经历一个“急剧缩流”的过程，油烟的流线会急剧收缩，大大地增加了气流分子团之间的碰撞、磨擦机会，油烟的温度会上升，气体粘度增加，油烟的流动阻力会有所增加，这是第一个变化，这就为油滴的大量凝聚提供了可能。

油烟在蜗壳内只有通过高速转动的叶轮之后才能进入排气管，油烟就有了与叶轮的叶片表面、蜗壳内表面充分接触的机会，大量的油滴会粘附在其表面上，其中的一部分凝油会沿着回油路径汇集到集油盒中，但仍有相当数量的凝油会停留在蜗壳内表面、叶片表面上。这些凝油对吸油烟机的安全正常使用将产生以下较大的影响。

叶轮：叶轮是吸油烟机的“心脏”。凝结在叶轮表面的油垢层会严重地破坏叶片的曲面特征，增加运动阻力，导致工作效率降低;凝油会在叶轮停止运动后，沿重力线流动，但是会有相当数量的凝油聚集在叶片边缘处形成膨起状油垢层，将导致气流过早分离以及形成急剧紊流，造成叶片的空气动力特征明显下降，噪音增加;凝油层过厚还将直接影响叶轮的动平衡性能，导致振动明显加大等等。

转轴：在转轴穿越蜗壳附近形成的油垢有可能影响电机的正常运转，因凝油层较厚“糊死”电机使其不能启动的现象也时有耳闻。

蜗壳内表面：当吸油烟机在工作时，蜗壳内表面每分钟每秒钟都在受到油烟气体和从叶片上被甩出的油滴猛烈冲击，所以蜗壳内表面上的凝油现象是不可避免的，而且蜗壳内表面上的凝油层同样会影响蜗壳的空气动力特性，增加油烟的流动阻力，导致气流发出的噪声增加。

蜗壳区内凝油现象是“直接驱动油烟”类型吸油烟机中的一个重大问题，由于这一区域是被封闭的，因此不能采取日常清洁的方法来解决。需要指出的是：目前所采用的把蜗壳以及蜗壳内的叶轮拆卸下来进行清洗的方式是一种迫不得己的方式，这种方式一直存在着可能破坏蜗壳密封状态、对叶片造成机械损伤、电机受损的可能性，因此目前此类机型的生产厂家仍然应当寻求更合理的方案来解决蜗壳区内的凝油现象。

网罩本来是用以防止人不小心把手伸进旋转着的叶轮被碰伤的防护装置，由于其处于吸烟孔前面的位置，也就承担起了控制凝油现象的任务。网罩有两种类型：一种仍然以安全防护为主兼具一定的拦阻凝油功能。如安装在许多机型上的(如玉立!"""型的孔雀网罩等)栅栏式网罩。这种网罩在使用中同样应当及时清洗，才能保证其清洁;另一种则是以阻拦、吸附油烟、减轻油烟对蜗壳内部件的污染为首要目的(如普田#$%&!’(&)’型、小天鹅#$%&’("&**型等)，不过这种网罩对油烟的流动阻力较大，所以其电机功率也随之增大。对于此种网罩，更要及时清洗，才能保证吸油烟机的正常工作。排气管内同样会产生凝油现象，特别是目前使用较多的波纹状排气管。不过，相对来说排气管比较易于清洗，而且对吸油烟机的正常工作无明显影响，所以就不再赘述了。

通过以上对“直接驱动油烟”类型吸油烟机的油烟流动状态的分析以及凝油现象的讨论，可以看出此种类型的发展空间已比较有限，如果想向市场提供性能更好的吸油烟机，就应当在理论上进行创新，并在结构设计上进行大的变革。

4、间接驱动油烟”类型吸油烟机的构造特点及油烟流动状态

吸油烟机的“间接驱动油烟”工作原理是笔者提出并在《家用电器科技》!""!年第+期中首次公开发表的，笔者认为这应当是吸油烟机理论与实践的一个创新，可以作为吸油烟机厂家更换产品结构时的一种选择。

本文将在《吸油烟机截面特征设计中的几个问题》一文的基础上，对“间接驱动油烟”类型吸油烟机的工作原理及相关内容作进一步的阐述。

采用“间接驱动油烟”工作原理的吸油烟机的结构，与采用“直接驱动油烟”工作原理的吸油烟机结构有相当大的不同，因此有许多相应的特点。

4.1设置了导风槽，用以把叶轮与油烟区域相隔离。导风槽是一个箱形结构，首先起着把叶轮、电机等转动部件与机壳区内的油烟完全隔离的作用，换句话说，凡是采用“间接驱动油烟”工作原理设计的吸油烟机，其叶轮、电机等部位是完全不会出现凝油现象的，因为其叶轮根本就不会与油烟接触，所以不必考虑叶轮的清洗问题。

4.2导风槽除了可以把叶轮与油烟区域完全相隔离之外，还用以形成驱除油烟的定向空气射流：当新鲜空气在经过叶轮的加速推动源源不断地进入导风槽内，然后从导风槽与机壳相邻的侧壁上的导风口形成高速定向空气射流喷入机壳区内时，就会驱动机壳内的气体快速地向排气管移动，油烟就会很顺利地被排除掉。

4.3这种类型的机壳区都呈现一种下口大、上口小的“八”字形结构，也可以说是“金”字塔形的截锥体截面或梯形截面构造。这样油烟在上升途中，会不停受到导风*****出的高速气流的冲击加速和“八”字形结构的收敛聚流加速作用的双重作用，油烟流速越来越快。而流速越快，气体的压强就越低，这样就在吸油烟机的基准集流面处形成了一个强大的负压区域，吸引油烟快速地进入机壳内，然后又被空气射流加速后排出去。这就是“间接驱动油烟”类型吸油烟机的工作原理。

由于“间接驱动油烟”型吸油烟机的结构特点，导致其油烟流动状态也具有特点。

仿照“直接驱动油烟”类型吸油烟机油烟流动状态的分析方式，也可以把“间接驱动油烟”类型吸油烟机的油烟流动状态划分为导风槽区、机壳区和排气管区三个区域来研究。

导风槽区：这是一个只有在“间接驱动油烟”类型吸油烟机中才有的用以安装电机、叶轮等部件的结构，其功能一是用以隔离叶轮等不与油烟相接触，防止其出现凝油现象;二是用以汇聚叶轮转动形成的高速气流，使之成为驱动机壳区内油烟流动的工作介质。

导风槽区内空气的流动是由叶轮形成的，空气流在导风槽内流动时，受到“八”字型箱体结构的影响，出现了流速会逐渐加快的现象，有利于提高导风口处的射流流速。这种现象在机壳区内还将出现。

机壳区：本类型的机壳区虽然可以选择多种纵截面，但笔者认为以“八”字型纵截面为比较理想，这是因为“八”字形的纵截面具有入口大(基准集流面大)、出口小(排气管直径远比基准集流面为小)的收敛型流管特征，当油烟在进入机壳区内之后，就会在由导风口喷出的空气射流的驱动下，被“吹”向排气管，由于机壳区是“八”字形的纵截面，油烟会因流体的连续性原理“通过管内任一截面的液粒速度和截面积大小成反比”这一规律，出现流速越来越快的现象。而根据流体压强与流速关系可知，流速越快，压强越低，于是排气管处(油烟出口处)与基准集流面(油烟入口处)之间压力差也就相应地越大，所形成的负压区对机壳下方油烟的“吸力”也越大，更有利于提高油烟的排净率。

机壳区内的油烟流动状态是这样的：虽然油烟在向排气管移动时速度越来越快，但仍然处于一种相对比较平稳的流动过程中，虽然有一部油烟层流会由于受定向射流的冲击受干扰，却不会形成剧烈的涡旋状流动，因此机壳内的油烟不论其密度多大，都会被顺利地排降出去。

排气管区内的油烟流动状态与“直接驱动油烟”类型相仿，故不再另述。

可以看出，“间接驱动油烟”类型吸油烟机与“直接驱动油烟”类型吸油烟机油烟流动状态的区别，主要在于“间接驱动油烟”型由于利用了空气连续流动原理来提高负压，而且整个机壳区内的油烟流动相对较为平滑，其流线能较好地保持直线状态，因此油烟流中的层流状态得以相对保持，油烟分子团之间的剧烈碰撞较少，其在流动过程中出现温度升高现象较小，比较适合于清除爆发性的、密度较大的油烟。所以，如果通俗地说“直接驱动油烟”类型吸油烟机是采用“吸”的方法排除油烟的话，那么“间接驱动油烟”类型吸油烟机就是采用“吹”的方法来排除油烟的。这一“吸”一“吹”就是二者在工作原理及结构上的最大区别。

5、间接驱动油烟”类型吸油烟机中的凝油问题

诚如上文中所述，在所有的吸油烟机中都会出现凝油现象，不过由于“间接驱动油烟”式吸油烟机的构造特点，其凝油现象的表现有自己的特点而已。

5.1叶轮上不再出现凝油。由于工作原理不同，“间接驱动油烟”式吸油烟机中的油烟只是工作对象而不再是工作介质，这样叶轮上就不会出现凝油现象，叶轮也就不必再考虑喷涂不沽油的特氟纶涂料等问题。

5.2由于从导风口中排出的空气射流实际上起到了一种“气幕”效应，使油烟接触吸油烟机内表面的机会减少，也减轻了油烟在内表面上的粘附。

5.3从吸油烟机的设计出发点看，本类型吸油烟机对凝油的清除着眼于使用后即时擦拭，而不是等凝油层较厚时再予以清洗，所以易于保持机壳内的清洁状态。所以相对来说，在“间接驱动油烟”型吸油烟机中，凝油问题不是一个值得重点考虑的问题。

6、结束语

笔者一直认为应当纠正那种把吸油烟机看作是一种“很简单”的家用电器产品的看法，因此在吸油烟机的理论研究与结构创新上，都应当克服以模仿国外的机型、结构为流行的方式，而研究推广适用于中国家庭特点的吸油烟机。所以从本文的观点看，“间接驱动油烟”式吸油烟机无论是从工作效率、结构特点上都具有比较新颖的特点，应当是一种可以有相当发展前景的新机型，可以克服目前市售吸油烟机的重大不足之处。