Новое оборудование для очистки вентиляционных выбросов промышленных кухонь

А. В. Ливчак, канд. техн. наук, член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE), директор по науке фирмы «Халтон» (Halton Company), США

 

Кухни промышленного назначения относятся к помещениям повышенной пожароопасности. Это связано с тем, что процесс приготовления горячей пищи связан со значительными выделениями жира.

Пары и мелкие частицы жира, восходящие над поверхностью кухонного оборудования, улавливаются местными кухонными отсосами. Часть жира задерживается механическими фильтрами кухонного отсоса, оставшаяся часть, зачастую значительная, оседает внутри отсоса, на поверхностях вытяжного воздуховода, вентилятора и, наконец, выбрасывается в атмосферу, где этот жир, в конечном счете, оседает на крыше.

Достаточно пламени попасть в полость отсоса, чтобы накопленный в отсосе и в вытяжном воздуховоде жир воспламенился и вызвал пожар.

Жир, восходящий от горячего кухонного оборудования в процессе приготовления пищи, выделяется в виде пара и мелкодисперсных частиц размером от 1 до 12 микрон.

График на рис. 1 демонстрирует общее количество жира, выделяющегося при приготовлении блюд на различном кухонном оборудовании.

Рис. 2 отображает качественный состав жира в виде пара и частиц.

Механические фильтры предназначены для улавливания мелкодисперсных частиц и не приспособ-лены к задержанию паров жира.

Для улавливания паров и мелких частиц жира размером менее 2 микрон используются специальные очистные устройства. К ним относятся: отсосы с постоянным мелкодисперсным распылом воды, электрические фильтры тонкой очистки, механические фильтры тонкой очистки (HEPA-фильтры) в комбинации с фильтрами с активированным углем и, наконец, последнее слово техники – системы тонкой очистки кухонных выбросов с использованием ультрафиолетовых лучей.

В данной статье мы более подробно опишем механические фильтры как основное и зачастую единственное устройство для улавливания жира, а также ультрафиолетовые установки как новейшее оборудование в этой области.

Рисунок 1. Общее количество жира, выделяющегося при приготовлении блюд на различном кухонном оборудовании

Рисунок 2. Качественный состав жира в виде пара и частиц

Механические фильтры

В подавляющем большинстве случаев механический фильтр кухонного отсоса является единственным устройством по улавливанию жира из кухонных выделений, поэтому нельзя недооценивать его значения в безопасности эксплуатации современных промышленных кухонь.

От качества механических фильтров зависит количество жира, задержанного фильтром.

И по сей день многие производители механических фильтров для кухонных отсосов заявляют, что эффективность их фильтров составляет более 90 %. Производители кухонных отсосов в Северной Америке зачастую ссылаются на стандарты UL 1046, ULC-S649-93 или NBSIR 74-505 в доказательство высокой эффективности выпускаемых ими фильтров. Нередко в технической документации производителей указывается эффективность фильтров 98 %. К сожалению, эта цифра далека от действительности.

Дело в том, что методика испытаний в соответствии с вышеназванными стандартами не соответствует условиям эксплуатации кухонных отсосов и фильтров в реальности.

Для определения реальной эффективности механических фильтров мы обратились к стандарту VDI 2052 [1], позволяющему определить эффективность фильтра в зависимости от размера частиц.

В настоящее время в США уже разработан и находится в стадии утверждения новый, аналогичный VDI 2052, стандарт.

НП «АВОК» разрабатывает стандарт по вентиляции кухонь, где регламентируется минимальная эффективность механических фильтров.

Для испытаний мы выбрали три фильтра – два фильтра наиболее распространенной конструкции в виде дефлекторов и один фильтр мультициклонного типа. Конструкция и принцип работы дефлекторного и циклонного фильтров продемонстрированы на рис. 3 и 4 соответственно.

Как видно из рис. 3, в дефлекторных фильтрах поток загрязненного воздуха засасывается через щели в лицевой поверхности фильтра, проходит через два поворота на 180° и выходит из щелевых отверстий в задней стенке фильтра. Частицы осаждаются на поверхности фильтра за счет соударения с дефлекторами при резком изменении направления потока воздуха.

В мультициклонном фильтре (рис. 4) частицы, содержащиеся в потоке воздуха, осаждаются на внутренней поверхности фильтра за счет центробежной силы.

Рисунок 3. Конструкция и принцип работы дефлекторного фильтра

Рисунок 4. Конструкция и принцип работы мультициклонного фильтра

Испытания проводились в независимой лаборатории государственного научно- исследовательского центра Финляндии (VTT) по методике стандарта VDI 2052.

Для создания равномерного потока частиц в диапазоне от 1 до 10 микрон использовались два генератора частиц. Первый для генерации частиц размером от 1 до 5 микрон, второй – от 4 до 10 микрон.

Аэродинамический счетчик частиц (APC) использовался для определения количества частиц в заданном диапазоне размеров в реальном времени. Эффективность механического фильтра E_f в заданном диапазоне размера частиц (d_p) определяется по формуле:

где c_a(d_p) и c_b(d_p), соответственно, количество частиц в заданном диапазоне размера (d_p), измеренных в потоке воздуха до и после испытуемого механического фильтра.

Фотографии и изготовители фильтров приведены на рис. 5.

Рисунок 5. Фотографии фильтров: фильтр А – мультициклонный фильтр фирмы «Халтон» (495 х 330 мм); фильтр В – один из лучших дефлекторных фильтров фирмы «Флайм Гард (Flame Gard)» (495 х 395 мм); фильтр С – наиболее распространенный алюминиевый дефлекторный фильтр (495 х 495 мм)

Результаты измерений приведены на рис. 6–8 для трех значений удельного разного расхода воздуха на единицу длины фильтра.

Эти три удельных расхода воздуха, как правило, соответствуют условиям применения этих фильтров для кухонного оборудования легкого, среднего и тяжелого назначения.

Как свидетельствуют графики на рис. 6–8, ни один из механических фильтров не эффективен в улавливании частиц диаметром менее 2,5 микрон. Конструкция фильтра оказывает значительное влияние на эффективность в диапазоне частиц от 2,5 до 10 микрон.

Так, мультициклонный фильтр задерживает, как минимум, вдвое больше частиц, чем лучший из фильтров дефлекторного типа, при расходе воздуха 420 л/(с•м). Разница в эффективности фильтров увеличивается до трех раз при меньшем удельном расходе удаляемого воздуха.

Характерно, что для всех трех фильтров прослеживается закономерность увеличения эффективности с увеличением расхода воздуха. Это является следствием увеличения перепада давления при прохождении загрязненного потока воздуха через фильтр.

Следует отметить, что при прохождении воздуха через фильтры А и В перепады давления приблизительно одинаковы, а потери давления фильтра С приблизительно в два раза ниже при одинаковом удельном расходе воздуха.

Определение эффективности механического фильтра для заданного процесса приготовления пищи

Обладая данными эффективности механического фильтра во всем диапазоне размера частиц, а также зная качественный состав выделений кухонного оборудования (процент выделений в виде паров жира и распределения частиц), представляется возможным определить эффективность фильтра для конкретного процесса приготовления пищи.

Для такого расчета мы воспользовались данными Герстлера [2], детально (с учетом распределения частиц жира по размеру) проанализировавшего выбросы от процессов приготовления продуктов, указанных в графиках на рис. 1 и 2 в рамках научно-исследовательской работы ASHRAE.

Результаты расчета эффективности фильтров А, В и С представлены в таблице. Здесь приведены значения общей эффективности и отдельно эффективности фильтров по улавливанию частиц жира трех сравниваемых фильтров.

Общая эффективность представляет процент жира (по массе), задержанного фильтром, от общих выделений жира. Эффективность фильтра по улавливанию частиц представляет долю частиц по массе, уловленных фильтром, по отношению к общей массе частиц, выделяющихся в процессе приготовления пищи.

Таблица также приводит массу жира, задержанного каждым из трех фильтров при приготовлении 1 000 кг продукта.

Так, например, при приготовлении гамбургеров на газовом бройлере мультициклонный фильтр А задержит почти в два раза больше жира по сравнению с лучшим из фильтров дефлекторного типа (фильтр В).

Это означает, что использование кухонного отсоса с мультициклонными фильтрами сократит количество жира, осевшего на стенках вытяжных воздуховодов после приготовления 1 000 кг гамбургеров на 12 кг.

Рисунок 6. Эффективность фильтров при удельном расходе удаляемого воздуха 220 л/(с•м)

Рисунок 7. Эффективность фильтров при удельном расходе удаляемого воздуха 300 л/(с•м)

Рисунок 8. Эффективность фильтров при удельном расходе удаляемого воздуха 420 л/(с•м)

Ультрафиолетовые системы очистки кухонных выбросов

Даже самые эффективные механические фильтры неэффективны при задержании мелких частиц и паров жира. Для более тонкой очистки используются отсосы с постоянным мелкодисперсным распылом воды, электрические фильтры тонкой очистки и механические фильтры тонкой очистки (HEPA-фильтры) в комбинации с фильтрами с активированным углем.

В отсосах с постоянным распылом вода распыляется специальными форсунками в полости кухонного отсоса, тем самым способствуя конденсации паров жира внутри отсоса и предотвращая накопление жира в вытяжных воздуховодах.

Недостатком водяных систем является сложность конструкции, требующая присоединения водопровода и использования насосного оборудования, а также сложность эксплуатации. Эти системы потребляют значительное количество воды, форсунки легко засоряются, особенно при использовании жесткой воды.

Электрические и многоступенчатые фильтры достаточно громоздки и, как правило, устанавливаются на крыше здания. Эти системы предназначены для очистки выбросов в атмосферу и не предотвращают накопление жира в полости кухонного отсоса и вытяжных воздуховодах.

Электрические фильтры требуют постоянного обслуживания и очистки, поскольку их эффективность резко снижается, как только электроды покрываются слоем жира.

Многоступенчатые фильтровальные установки также дороги в эксплуатации, поскольку требуют регулярной замены дорогих фильтров. Эти установки создают значительные дополнительные потери воздуха в вытяжных воздуховодах, тем самым увеличивая затраты электроэнергии, потребляемой вытяжным вентилятором.

Последним словом в области очистки кухонных выбросов являются системы с использованием ультрафиолетовой радиации.

Несмотря на то, что системы ультрафиолетовой очистки и обеззараживания воды хорошо известны, в области промышленной кухонной вентиляции эти системы нашли распространение всего несколько лет назад*.

В настоящее время несколько сотен УФ-систем находится в эксплуатации в Европе, Северной Америке, Австралии, Ближнем и Дальнем Востоке и даже на кухне трансокеанского суперлайнера «Queen Mary II». Одна из таких систем эксплуатируется в Москве, в ресторане «Макдоналдс», расположенном в здании ГУМа, выходящего на Красную Площадь.

На рис. 8 приводится фотография кухонного отсоса с ультрафиолетовой (УФ) системой очистки выбросов. Кассеты со специальными лампами, излучающими ультрафиолетовые лучи спектра UV-C (длиной волны менее 280 nм), устанавливаются, как правило, непосредственно в полости кухонного отсоса за механическими фильтрами по ходу воздуха.

Таблица (подробнее) Примерные удельные энергетические нагрузки в зданиях (средняя полоса России)

* Автор нашел первое упоминание об ультрафиолетовой установке по обработке удаляемого из кухни воздуха в России. УФ-установка использовалась для дезодорации воздуха, рециркулируемого из кухни в зал ресторана. В книге Б. В. Баркалова и Е. Е. Карписа «Кондиционирование воздуха в промышленных, общественных и жилых зданиях», Москва, Стройиздат, 1982.

 

Принцип работы и эффективность ультрафиолетовых окислительных (УФО) систем

УФ-лучи спектра UV-C обладают высокой энергией. Излучение с длиной волны l = 265 nм обладает бактерицидным действием и убивает все бактерии. Лучи с l = 185 nм разрушают двухатомные связи в молекулах кислорода. Одноатомный кислород вступает в связь с молекулами кислорода и парами воды, образуя озон O₃. При этом также возможно образование гидроксильных радикалов OH. Ультрафиолетовые лучи, воздействуя на молекулы органических веществ (в том числе жиров), входящих в состав кухонных выделений, также разрушают двухатомные связи этих молекул. Химические реакции, происходящие под воздействием УФ-радиации, называются фотолизом.

В ультрафиолетовых кухонных отсосах реакция фотолиза происходит в УФ-камере с ультрафиолетовыми лампами, находящейся непосредственно за фильтрами механической очистки.

Из УФ-камеры воздух попадает в вытяжной воздуховод, где действие фотолиза прекращается, но продолжается так называемый процесс озонолиза – окисления паров органических веществ озоном O₃ и гидроксильными радикалами OH.

Совместный процесс фотолиза и озонолиза получил название «ультрафиолетовое окисление» (УФО).

Если бы УФ окислительный процесс обладал 100 % эффективностью, все органические вещества в кухонных выделениях можно было бы окислить до углекислого газа CO₂ и воды H₂O. К сожалению, создание такой системы не представляется практичным на данный момент из-за ограничений, связанных с габаритами и стоимостью такой установки.

Несмотря на то, что действующие УФО-системы не обладают 100 % эффективностью, тем не менее, они позволяют содержать вытяжные воздуховоды, наружные стены и крыши ресторанов и близлежащих зданий в чистоте.

Опыт эксплуатации УФ-отсосов фирмы «Халтон» на кухне трансокеанского суперлайнера «Queen Mary II» доказал эффективность этой системы.

Для сравнения только часть кухонных отсосов была оборудована УФО-системой. После года эксплуатации системы исследовали состояние вытяжных воздуховодов, ведущих из камбуза корабля. Рис. 10 наглядно отображает разницу: воздуховоды, присоединенные к кухонным отсосам без (фотография слева) и с УФО-установкой (фотография справа).

Рисунок 9. Результат эксплуатации вытяжных воздуховодов на суперлайнере «Queen Mary II» без ультрафиолетовой системы (снимок слева) и с кухонными отсосами, оборудованными УФО-установкой (снимок справа)

Мы провели химический анализ кухонных выбросов для определения эффективности ультрафиолетовой окислительной установки.

Сложность этого процесса состоит в том, что выделения при приготовлении пищи содержат десятки химических соединений. Композиция и концентрация этих соединений зависит от метода приготовления продукта питания, кухонного оборудования и самого продукта.

В результате детальных анализов, произведенных для нескольких процессов приготовления пищи, нам удалось выявить следующие основные закономерности:

• УФО-установка изменяет химический состав кухонных выбросов.

• Концентрация летучих (в газообразном состоянии) органических соединений значительно снижается в результате УФО.

• Концентрация углекислого газа увеличивается в несколько раз.

• В выбросах появляется озон, и его концентрация меняется с интенсивностью приготовления пищи.

• Внутренние поверхности вытяжных воздуховодов и УФ-камеры остаются сухими на ощупь. Иногда, после длительной эксплуатации, на стенках образуется тонкий налет белого порошкообразного материала.

• Запах кухонных выбросов в значительной степени изменяется.

Рекомендации по применению и эксплуатации УФО-установок

Механические фильтры

Особое внимание при выборе кухонных отсосов с УФО-установкой следует уделять качеству механических фильтров. Дело в том, что химические реакции происходят на молекулярном уровне. Если механические фильтры пропускают частицы жира размером более 3–5 микрон, молекулы жира, находящиеся внутри этих частиц, не окисляются. Хуже того, эти частицы оседают на поверхности ультрафиолетовых ламп и значительно снижают их эффективность.

Первичный и вторичный механические фильтры требуют регулярной очистки – эти фильтры можно мыть в обычных посудомоечных машинах.

Защита от ультрафиолетовой радиации

Используемые в УФО-системах лампы излучают ультрафиолетовый свет очень высокой интенсивности. Облучение этими лучами может вызывать ожог кожи и слизистой оболочки глаз.

Кухонные отсосы с УФ-установкой должны оборудоваться средствами защиты, предотвращающими облучение персонала кухни ультрафиолетовыми лучами.

Защита персонала кухни от озона

Выбросы ультрафиолетовых кухонных отсосов могут содержать озон. Озон в высоких концентрациях вызывает раздражение верхних дыхательных путей. Поэтому необходимо, чтобы система автоматики обесточивала УФО-установку при отключении или неисправности вытяжного вентилятора.

Качественные УФ-отсосы оборудованы автоматической системой защиты на этот случай. Концентрация озона в вытяжном воздухе, как правило, не превышает 1 частицы на 1 млн частиц и не представляет опасности, когда выбрасывается на уровне крыши и смешивается с наружным воздухом. При необходимости можно использовать специальные фильтры для очистки выбросов от озона.

Рисунок 10. Кухонный отсос с ультрафиолетовой установкой

Использование УФО-установок для борьбы с запахами

Зачастую, особенно в Европе, ультрафиолетовые установки используются для борьбы с запахами, содержащимися в вентиляционных выбросах промышленных кухонь.

Целый ряд таких установок смонтирован и успешно эксплуатируется. УФО-системы для дезодорации выбросов зачастую требуют установки дополнительных камер с ультрафиолетовыми лампами и другого специального оборудования.

Следует отметить, что ощущение запаха сугубо индивидуально, и полностью уничтожить запах практически нельзя. Ультрафиолетовые установки изменяют химический состав кухонных выбросов, соответственно, многие химические соединения, ассоциирующиеся с неприятным запахом, уничтожаются, но при этом создаются новые химические соединения, которые также могут обладать запахом.

Как отмечалось выше, химический состав выделений при термической обработке продуктов питания очень разнообразен и варьируется в значительной степени от способа приготовления пищи, кухонного оборудования, приготавливаемого продукта и даже добавляемых специй.

Приведу анекдотичный случай. Мы поставили несколько идентичных установок в сеть ресторанов, оборудованных одинаковым кухонным оборудованием и предлагающих блюда по одинаковому меню. Все установки работали успешно, кроме одной, где запах, связанный с процессом приготовления пищи, пропал, но появился новый неприятный запах. Мы сбились с ног пытаясь понять, чем эта кухня отличается от других, и наконец выяснили, что повар в этой кухне использует специальный соус, изготовленный по индивидуальному рецепту. По обоюдной договоренности с поваром проблема была решена – он сократил дозу уксуса в этом соусе без ущерба вкусовым качествам приготавливаемого блюда.

Выводы

• Ультрафиолетовые системы по очистке вентиляционных выбросов кухонь эффективны в устранении накопления жира в вытяжных воздуховодах и на крышах ресторанов.

• Использование высокоэффективных механических фильтров является обязательным атрибутом успешной работы УФО-установки.

• Механические фильтры мультициклонного типа обладают значительно большей эффективностью по задержанию частиц жира по сравнению с традиционными фильтрами дефлекторного типа.

• Ультрафиолетовые установки могут успешно использоваться для дезодорации кухонных вентиляционных выбросов. При проектировании и разработке таких систем следует учитывать индивидуальные особенности данного ресторана.

Литература

1. VDI 2052 Part 1. Ventilation equipment for kitchens. Determination of Capture Efficiency of Aerosol Separators in Kitchen Exhaust. VDI, September, 1999.

2. Gerstler, William D., Kuehn, Thomas H., Pui, David Y., et. al. Identification and Characterization of Effluents from Various Cooking Appliances and Processes as Related to Optimum Design of Kitchen Ventilation Systems. ASHRAE 745-RP, Phase 2, Final Report, University of Minnesota, February 9, 1999.

3. Livchak A., Schrock D. Ultraviolet Light – Seeking Out & Destroying Grease. The Consultant, 3rd Quarter, 2003.