(美的集团中央研究院 广东佛山 528311)
摘要：目前，吸油烟机性能的设计和判定均是在实验室条件下进行，而用户使用条件下，由于有排烟管网的存在，风机工作的静压与实验室条件差异巨大，导致吸油烟机的吸烟效果，噪音等关键性能发生恶化。因此，为提升吸油烟机的用户体验，有必要开展用户使用条件下吸油烟机的性能研究。本文首先提出了一种吸油烟机工作静压的测试方法，并利用采集的静压数据，在实验室模拟真实的用户使用条件，研究了吸油烟机风量、噪音等关键性能指标的变化趋势，为设计吸油烟机、提高吸油烟机的品质提供了一种新的方法和思路。
关键词：吸油烟机 用户使用条件 管道背压
Range Hood Performance Research Based on Using Condition
Bai Yali, Peng Xiaokang，Song Zulong，Jiang JiWu
(Guangdong Midea kitchen appliances manufacturing Co. LTD，528311)
Abstract: At present, the design and judgement of range hood performance is carried out in the laboratory while under user usage condition, due to the existence of exhaust filter, the static pressure of fan working differs a lot from laboratory condition, which results in the deterioration of the key performance of range hood such as fume absorption effect and noise. Hence, to enhance the user experience of range hood, it is necessary to carry out the study on range hood performance under user usage condition.
This paper first put forward a test method of range hood working static pressure, adopts collected static pressure data to simulate the real user using conditions in the lab and makes research on the changing trend of the key performance indicators of range hood such as airflow, noise, etc., which provides a new method and thinking to design range hood and improve range hood quality.
Keywords: Range hood user usage condition duct back pressure
1 引言
随着人们生活品质的提升，厨房日益成为家庭生活的中心。在厨房中，吸油烟机作为改善厨房环境的家用电器，日益受到人们重视。人们选购吸油烟机时，正越来越关注吸油烟机的性能。特别是风量和噪音，作为直观影响用户体验的两项关键性能指标，正是消费者选购吸油烟机时最重要的对比参数。然而，目前吸油烟机的性能指标都是在实验室环境下设计和判定的，其性能表现与用户使用条件下吸油烟机的性能表现存在较大差异。
根据吸油烟机国家标准《GB/T 17713-2011》[1]的规定，吸油烟机铭牌上标示的风量、噪音均是在风机静压为零时测得的。而用户使用条件下，吸油烟机的排风口需要连接由烟管、止逆阀、公共烟道等组成的排烟管网系统，具有一定的管道背压，使得吸油烟机工作点的静压一般在100Pa~400Pa之间。根据风机风量风压特性曲线可知，吸油烟机在用户使用条件下的实际风量远小于标称值，吸烟效果减弱。同时，与静压为零时相比，用户使用条件下电机转速大幅增加，噪音增大。因此，为提升吸油烟机的用户体验，有必要开展用户使用条件下的吸油烟机性能研究，了解风量、噪音等关键性能指标的变化趋势，从而为设计吸油烟机，提高其品质提供一种新的方法和思路。
2 用户使用条件下的吸油烟机静压测试
2.1 实验原理
由于用户使用条件下存在排烟管网，吸油烟机工作时会产生一定的静压来克服管网阻力。采集用户使用条件下吸油烟机的静压数据，并施加到实验室的测试环境中，即可在实验室模拟用户使用条件。因此，为模拟用户使用条件，首先需要测试采集吸油烟机在排烟管网中产生的静压。
用户使用条件下，吸油烟机与排烟管网组成的管网系统可以用图 2-1的示意图来标识。其中，①为吸油烟机；②为本文所设计的静压测试装置；③为吸油烟机排风口所连接的排烟管网，包括烟管，止逆阀，公共烟道等；④为排烟管网出口。气流被吸油烟机吸入后从排风口排出，进入排烟管网，最后从排烟管网的出口排出。
针对图 1，截面1为吸油烟机排风口截面，截面2为管道进口截面，截面1和截面2之间为测试静压所增加的光滑测试段，忽略沿程损失且管道截面没有变化，则截面1和截面2之间的总压，静压均相等。测试装置②测得的截面1与截面2之间的静压即吸油烟机产生的静压[2]。
根据伯努利方程，截面2和截面3存在如下关系式
由上式可以看出，吸油烟机产生的静压一部分用于克服排烟管网阻力，一部分用于因管道截面变化而产生的动压静压之间的转化。若截面2与截面3面积相等，则
，由此可以得到:
即吸油烟机排风口与排烟管网出口面积相当时，排烟管网的阻力近似等于吸油烟机的产生的静压。通过测得的静压，可以初步估算排烟管网的阻力，以此判断管网是否存在严重堵塞或者安装异常。
图 1 用户使用条件下吸油烟机管网系统示意图
2.2 实验装置
根据2.1节所述实验原理，设计的静压测试装置如图 2所示。包含静压采集管①和压差计②。静压采集管内径与吸油烟机排风口外径相等，约160~180mm。静压采集管在内壁中部周向均布有1#、2#、3#、4#四个测压孔，四个测压孔通过外侧软管相互连通，最终通过5#三通管与压差计连接。考虑到静压采集管在用户厨房内的可安装性，其长度不宜过大，同时又需要保证测压孔前后气流的稳流距离，本文采用的静压采集管长度为200mm。测压孔孔径取1.5mm[3]。压差计精度1级，量程为0±3000Pa。
在用户厨房内测试时，采用与吸油烟机排风口直径相同的静压采集管，连接到吸油烟机排风口与烟管之间，如图 3所示。
图 2 静压测试装置 图 3 用户使用条件下管道背压测试
2.3 实验验证
实验室按照ISO 5167-1 《用插入圆截面管道中的压差装置测量流体流量》[4]进行吸油烟机风量和静压的测试，测试方法详见参考文献5，测试设备如图 4所示。为验证本文所述静压测试装置的准确性，设计一组对照实验：将静压采集管安装于实验室测试设备的连接管a之间，对比同一工况下静压采集管测得的静压值和实验室测试设备测得的静压值。测试结果如图 5所示。可以看出，当静压值较小时，两者差异较大，实验室测试设备测得的值比静压采集管测得的值大约10%，当静压增大时，两者的差异减小，实验室测试设备测得的值比降压采集管测得的值大约7%。分析两者的测试原理可知，测试结果的差异在于实验室测试设备采集的静压值为压力补偿箱③处的静压，而静压采集管采集的是连接管a处的静压，气流从连接管a处进入压力补偿箱，截面积扩大，一部分动压恢复为静压，因此实验室测试设备测得的静压大于静压采集管测得的数据。当静压较小时，吸油烟机风量较大，连接管内流速较大，动压也较大，因此，静压较小时两者的测试值偏差大于静压较大时的测试偏差值。
用户使用条件下，吸油烟机的静压值一般大于100Pa，因此采用静压采集管测得的静压值与实验室测得的静压值偏差在7%左右，对于定性的工程研究，该误差是可以接受的，因此，可以用该静压测试装置来测试用户使用条件下的吸油烟机静压。
图 4 静压采集管在实验室风量静压测试设备上的安装方式
图 5静压测试装置与实验式测试设备测得的静压值对比
3 用户使用条件下吸油烟机性能模拟
3.1 实验室模拟用户使用条件
用户使用条件与实验室条件的差异在于用户使用条件下存在管网阻力。管网阻力与风量的平方成正比[6]，比例系数即该管网的阻力系数，用来表征该管网排烟能力的强弱。管网阻力系数小，则排烟能力强，阻力随风量的增加缓慢增加；管网阻力系数大，则排烟能力弱，阻力随风量的增加急遽增加。不同的用户，其厨房内的排烟管网阻力系数差异巨大，导致吸油烟机工作点的静压值变化范围较大。采用第2节中所述的静压测试装置，实地入户测试不用用户家庭中吸油烟机工作时的静压，当排烟管网较为通畅，吸油烟机工作在低档位时，其静压值在100Pa~150Pa左右；当排烟管网不太通畅，吸油烟机工作在最高档位时，其静压值在290Pa~360Pa左右。
本文设计了一套变管径套筒来模拟用户使用条件下的排烟管网系统，如图 6所示。该套筒安装于吸油烟机止回阀上方，由下端管、静压管、上端管、变径管四部分组成。静压管即第2节所述静压采集管，下端管、静压管、上端管的管径与止回阀出口直径相同。为减小气流对测压孔的影响，静压管长度为1倍管径，上端管、下端管的长度为1.5倍管径，变径管的倾斜角不大于15°[1]。变径管通过改变出口直径的大小，来模拟不同阻力系数的排烟管网系统。根据实地采集的吸油烟机工作静压范围，确定变径管的规格为Φ180、Φ160、Φ140、Φ120、Φ100、Φ60六种，单位毫米。Φ180与止回阀出口管径相当，模拟无管网阻力的状态；管径越小模拟的排烟管网阻力系数越大。
吸油烟机工作时，将变管径套筒安装于吸油烟机止回阀上方，即可模拟吸油烟机在用户厨房条件下使用，静压管采集的静压即为该工况下吸油烟机的静压。通过更换不同规格的变径管，可以模拟不同的排烟管网系统。
图 6 变管径套筒示意图
3.2 用户使用条件下的风量性能
确定工作档位和电压，则吸油烟机的风量风压特性曲线也是确定的，可以在实验室的风量台上测试得到[3]。利用静压采集管可以得到吸油烟机工作时的静压，近似等于实验室测得的静压，对照相应的风量风压特性曲线，即可得到吸油烟机工作时的风量。本文设计了一组实验，来模拟用户使用条件下排烟管网对吸油烟机风量的影响。
本文选用的吸油烟机，具有1档、2档、3档、9档四个工作档位，随着档位的增加，电机的输出功率增加，电机转速也增加。按ISO 5167-1的测试方法，在实验室风量台中测得该吸油烟机四个档位的风量风压特性曲线。将变管径套筒安装于该吸油烟机的止回阀上端，分别测试四个档位，六种变径管下吸油烟机的静压，并在风量风压特性曲线中对应的风压点，得到图7所示测试结果。图中，Φ180规格下的各档风量即无管网阻力时的最大风量，及吸油烟机标示的各档风量；大部分用户家庭的管网系统其阻力特性介于Φ120和Φ140规格之间，可以看出，在用户使用条件下实际风量远小于最大风量；Φ60和Φ100规格表征管网阻力特性极度恶劣的用户使用条件，可以看出，其吸油烟机实际风量很小，且随着档位的增加，电机输出功率和最大风量增加，实际风量却并没有显著增加。由此可以发现，管网系统是影响吸油烟机工作风量的重要因素，一味提高吸油烟机的最大风量并不能有效提高实际工作风量，从而提升吸油烟效果。
图7 某型吸油烟机在六种出风口管径下的风压特性
3.3 用户使用条件下的噪音性能
为模拟用户使用条件下吸油烟机工作时的噪音，同样采用3.1节所述变管径套筒的方法，测试时将套筒置于止回阀上方，按照吸油烟机国家标准《GB/T 17713-2011》[1]进行实验测试。同样采用3.2节所述吸油烟机，分别测试四个档位，六种变径管下吸油烟机的噪音值，测试结果如图8所示。可以看出，1档、2档随着出风口管径的减小，噪音增加明显；3档随着出风口管径的减小，其噪音变化初始时不明显，当管径缩小到100mm时噪音明显增加；9档随着出风口管径的减小，噪音反而先减小再逐渐增加。出现这种现象的原因在于，低档时吸油烟机在静压为零时的转速较低，随着管网阻力的增加，转速增加明显，导致噪音增加；高档时吸油烟机在静压为零时的风量较大，导致进风口处的气动噪音较大，随着管网阻力的增加，流量减小，进风口处的气动噪音减弱，风机的旋转噪音和湍流噪音增加。由此可以发现，当用户家庭中的排烟管网阻力系数较大时，吸油烟机的噪音会发生严重恶化，因此，在安装吸油烟机的过程中，因注意烟管的安装方式，尽可能的减小管网阻力，防止发生吸油烟机噪音突变的情况。
图 8某型吸油烟机在六种出风口管径下的噪音特性
4 结论
（1）本文提出了一种用户使用条件下吸油烟机静压的测试方法，与实验室测试方法相比，该方法的测试结果偏小约7%。通过测得的工作点静压值，可以估算吸油烟机工作时的有效风量，也可以判断用户家庭中管网的排烟情况，判断吸油烟机安装是否有问题，排烟管道是否存在堵塞。
（2）用户使用条件下吸油烟机的风量与用户家庭的排烟管网状态密切相关。当管网阻力系数较大时，提高电机的输出功率和增加最大风量（静压为零时的风量）对增大吸油烟机工作点的风量作用并不显著。反而会造成整机噪音的恶化，影响用户的使用体验。
（3）针对吸油烟机这种家电产品，需要规范整机的安装及改善后端的管网条件，以此减小管网阻力，提升吸油烟机的工作性能。在设计中需要避免整机转速急剧增大的现象，且不必追求过大的风量及风压。最大风量及最大风压都是两个理想参数，不能有效反馈烟机实际使用性能。
相对于目前单一的提升吸油烟机性能来改善用户体验的思路，本文从排烟管网系统的角度出发，论述了管网系统对吸油烟机性能的影响，减小排烟管网系统的阻力可以有效提升吸油烟机的用户体验，为提升吸油烟机的品质提供了一种新的思路。
参考文献:
1.GB/T 17713-2011吸油烟机[S]
2.吴玉林,陈庆光,刘树红.通风机和压缩机[M].第2版.北京：清华大学出版社,2011.27
3.高永卫.实验流体力学基础[M].西安:西北工业大学出版社,2002.
4.ISO 5167-1用插入圆截面管道中的压差装置测量流体流量[S]
5.彭小康,闫亮,蒋济武等.吸油烟机能效提升研究[J].2017年中国家用电器技术大会论文集,2017
6.商景泰.通风机实用技术手册[M].第2版.北京：机械工业出版社,2011.67-69
通信作者简介：
白雅丽：（1976.12~），女，机械设计工程师职称，本科，1999年毕业于东北石油化工大学机械系。现任美的中央研究院基础技术研究项目经理，从事流体力学先行研究工作。
论文作者:白雅丽,彭小康,宋祖龙,蒋济武
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/10/19
标签：吸油烟机论文; 静压论文; 管网论文; 风量论文; 用户论文; 测试论文; 条件下论文; 《电力设备》2018年第17期论文;