袁健男

(長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院,吉林 長春 130022)

隨著人們生活水平的提高,公眾對(duì)家庭生活舒適度的要求也與日俱增,從而推動(dòng)了家居集成系統(tǒng)的走俏,中央空調(diào)、中央熱水系統(tǒng)成為了家庭住宅中的座上賓。而近些年來,工業(yè)的迅速發(fā)展導(dǎo)致空氣污染問題日益加劇,健康生活概念開始深入人心,公眾將越來越多的目光聚焦在健康的家居環(huán)境上,以新風(fēng)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)為代表的“健康派”則成為了現(xiàn)代家居系統(tǒng)中不可或缺的部分。目前國內(nèi)不少學(xué)者在這一領(lǐng)域做了大量研究,其中張宇翔等[1]提出一種針利用凈化器進(jìn)氣量與風(fēng)量效率關(guān)系來達(dá)到空氣凈化目的;朱炳濤等[2]基于凈化器使用空間制約等因素,所設(shè)計(jì)提出一種一體化多功能凈化器;藺勇智等[3]利用Flow Simulation 流體仿真軟件,提出一種以雙進(jìn)風(fēng)風(fēng)道的空氣凈化器開發(fā)項(xiàng)目為研究案例,對(duì)空氣凈化器的風(fēng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

現(xiàn)在空氣凈化技術(shù)主要分為機(jī)械、物理和化學(xué)方法三種,主要包括活性炭吸附、HEPA 過濾、負(fù)離子、臭氧滅菌和光觸媒等技術(shù)。然而,市面上的新風(fēng)系統(tǒng)和空氣凈化器產(chǎn)品大多都涉及了一項(xiàng)或幾項(xiàng)空氣凈化技術(shù),分別在阻隔外界污染空氣和清潔室內(nèi)空氣上發(fā)揮了一定的作用,但存在功能單一、占用空間、安裝復(fù)雜、凈化效果不佳及容易產(chǎn)生二次污染等問題。在針對(duì)已有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),提出一種新型濕式負(fù)離子新風(fēng)凈化窗,其充分集成新風(fēng)系統(tǒng)和空氣凈化器的優(yōu)點(diǎn),濕式靜電除塵裝置采用水簾除塵、靜電除塵以及負(fù)離子除塵三種方式,以快速、高效、節(jié)能的設(shè)計(jì)除塵為理念,運(yùn)用了遠(yuǎn)程智能控制技術(shù),可以為人們帶來更干凈的空氣、更便捷的體驗(yàn)[4]。

相對(duì)于傳統(tǒng)凈化設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)集靜濕式除塵、負(fù)離子除塵、臭氧除塵為一體;(2)紗窗式設(shè)計(jì),方便安裝,可以“隱身”在窗戶上,更符合人們的審美,使空氣凈化變得更自然;(3)利用傳感器智能調(diào)節(jié)紗窗換氣、凈化空氣強(qiáng)度;(4)價(jià)格便宜,嚴(yán)選材料,經(jīng)久耐用。

1 產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)要求

1.1 產(chǎn)品外設(shè)參數(shù)選擇

新型濕式負(fù)離子新風(fēng)凈化窗主要由電源、高壓供電裝置,除塵主體、后置濾器、顯示器、檢測(cè)和控制部分組成,整體裝置模型如圖1 所示,裝置機(jī)理圖如下圖2 所示[5]。

圖1 整體三維模型

圖2 裝置原理圖

1)電源選擇。采用220 V、50 Hz 民用用電,確保原電輸入給水泵提供能量、維持檢測(cè)感應(yīng)器及其他用電部分的運(yùn)行,此外,還應(yīng)滿足用集成電路升壓及滿足靜電除塵的需求。

2)高壓供電裝置。高壓脈沖可變系統(tǒng)是由12 V 蓄電池和變壓裝置組成,輸出電壓為(5～10) kV 且可調(diào),電流范圍為(0～2.5)mA,以保護(hù)電源在高壓輸出端串聯(lián)阻值為5 MΩ 電阻。

3)除塵主體。這部分是本產(chǎn)品凈化空氣的核心部分,依托濕式靜電除塵裝置框架集成了負(fù)離子發(fā)生器及臭氧生成器安裝等,以實(shí)現(xiàn)三種凈化技術(shù)有效的疊加凈化。

4)后置濾器。為了防止裝置內(nèi)脫落的微粒或少量未被完全清除干凈的污染物流經(jīng)室內(nèi)擴(kuò)散導(dǎo)致二次污染而設(shè)置后置過濾器,該設(shè)計(jì)屬于國內(nèi)首創(chuàng),目前市面上大多凈化器沒有設(shè)置這部分[6]。

5)監(jiān)測(cè)及控制部分。綜合比較各類空氣傳感氣優(yōu)缺點(diǎn),最后采用MQ135 傳感器可以檢測(cè)多種有害氣體,適合多種用途,有靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。裝置用單片機(jī)控制、紅外傳感遙控,此外,還可以將程序連接手機(jī),用戶在外也可以控制凈化窗的工作。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 凈化裝置設(shè)計(jì)

凈化窗主體框架由三層金屬網(wǎng)和一套水循環(huán)系統(tǒng)組成。水循環(huán)系統(tǒng)有一個(gè)水泵、一根管道、一張水簾、水簾紗網(wǎng)控制裝置和一個(gè)水槽[7]。在水泵的作用下經(jīng)水管在紗窗頂端中部噴淋,再由水簾控制裝置放下水簾紗網(wǎng),水沿著紗網(wǎng)分布形成水簾,水槽在底部收集水流并送回水泵,從而形成循環(huán),工作機(jī)理圖如圖 3 所示。

圖3 濕式靜電除塵機(jī)理圖

將三層鐵絲網(wǎng)作為靜電除塵裝置,將最中間的一張網(wǎng)作為高壓正電極,并將外側(cè)兩側(cè)的金屬網(wǎng)共同接地可以作為負(fù)電極,也可以屏蔽其內(nèi)側(cè)的強(qiáng)靜電場(chǎng),將高壓約束在金屬網(wǎng)以內(nèi)的空間,避免其對(duì)人的正常生活造成負(fù)面影響[8]。

裝置進(jìn)出口上安裝空氣質(zhì)量傳感器如圖4(a)所示,用于檢測(cè)進(jìn)出口霧霾含量、相對(duì)濕度,進(jìn)而自動(dòng)控制空氣凈化紗窗的工作模式。當(dāng)空氣質(zhì)量AQI≤50 時(shí),說明空氣質(zhì)量等級(jí)為優(yōu),濕式靜電除塵模塊停止工作,空氣凈化紗窗此時(shí)可被認(rèn)為是一個(gè)普通紗窗,僅依靠網(wǎng)孔物理除塵,攔截少量可見污染物,見圖4(b)所示。當(dāng)AQI ＞50 時(shí),說明空氣質(zhì)量等級(jí)為良或不同程度的污染。濕式靜電除塵模塊開始工作,主要用于除去霧霾等微小顆粒和部分溶于水的物質(zhì),溫濕度傳感器檢測(cè)空氣相對(duì)濕度和溫度,并經(jīng)過自動(dòng)轉(zhuǎn)換計(jì)算出人體舒適度指數(shù)反饋給水簾控制系統(tǒng),控制水流量的大小。由于水可以認(rèn)為是中性物質(zhì),極板間電場(chǎng)為均勻電場(chǎng),所以基本可忽略電場(chǎng)對(duì)水的影響[9]。

圖4 物理網(wǎng)孔除塵

2.2 濕式靜電除塵

本濕式靜電除塵裝置采用水簾除塵、靜電除塵以及負(fù)離子除塵三種方式相結(jié)合,以符合快速、高效、節(jié)能的除塵理念。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示,裝置框總體尺寸:高為1000 mm,寬為800 mm,水簾管長1800 mm,水簾管由上端中央位置噴淋水,水流通過“人”字形斜板上的小孔流下,落到下面斜坡板上形成連續(xù)的水流,局部示意如圖 5 所示;再沿著網(wǎng)簾通過控制流量使得流下的水形成水膜充滿窗戶表面,用自動(dòng)卷軸實(shí)現(xiàn)網(wǎng)簾的收起和放下,自動(dòng)卷簾模型如圖 6所示;在框的下端設(shè)置水槽用于收集從上方流下的水,利用循環(huán)泵將水槽的水再次送到上端,實(shí)現(xiàn)水簾中的水循環(huán)工作。在水槽上方安裝一塊過濾網(wǎng)用來分離污染顆粒,延長循環(huán)水的使用壽命。水槽設(shè)置帶有一定斜度,方便將水引到一個(gè)方向收集以便循環(huán)利用,裝置主要材料為絕緣塑料板。

圖5 人字板局部圖

圖6 自動(dòng)卷簾

2.3 靜電除塵裝置設(shè)計(jì)

高壓靜電降塵器是一種基于斯托克斯定律的靜電沉降分離裝置。高壓脈沖直流電源的電暈極放電,使兩極板分別帶上正電荷和負(fù)電荷,根據(jù)碰撞荷電和擴(kuò)散荷電機(jī)理,含塵顆粒經(jīng)過負(fù)極板帶負(fù)電并且向陽極即收塵極移動(dòng),塵粒沉積于陽極板上,從而得到凈化的氣體[10]?？紤]到較多塵粒沉積在陽極板上難以清除,特采用水簾作為即收塵極,在風(fēng)機(jī)的負(fù)壓作用與靜電力作用下電荷塵粒迅速向室壁趨近被水簾收集,使含塵氣流得到高效率凈化。各紗網(wǎng)分布情況如圖 7 所示。

圖7 靜電沉降分離裝置

2.4 負(fù)離子除塵

負(fù)離子就是原子失去或得到一個(gè)或多個(gè)電子的帶電粒子。自然界中的負(fù)離子可由雷電撕裂空氣、水分子高速運(yùn)動(dòng)裂解以及生物光電效應(yīng)產(chǎn)生,負(fù)離子與空氣中的細(xì)菌、灰塵、煙霧等帶正電的微粒相結(jié)合,然后聚沉,使得雨后的空氣格外清新。人工產(chǎn)生負(fù)離子最常見的方法是電暈放電,利用脈沖、振蕩電器將低壓升至直流負(fù)低壓,再通過碳毛刷尖端放電,高速產(chǎn)生大量電子(e-),如圖8(a)所示。由于電子在空氣中并不穩(wěn)定,很容易被氧氣捕捉形成負(fù)氧離子,在負(fù)高壓作用下迅速擴(kuò)散形成離子風(fēng)。這些離子會(huì)產(chǎn)生布朗運(yùn)動(dòng),與空氣中帶正電的粒子結(jié)合,以沉降的方式去除空氣中的污染。

圖8 負(fù)離子發(fā)生器

負(fù)離子發(fā)生器的電路原理如圖8(b)所示,用220 V 民用電經(jīng)過二極管VD1、VD2 和電阻R1、R2 的整流、限流,由單向脈動(dòng)電流控制VS 的通斷后,產(chǎn)生振蕩,再由變壓器T 進(jìn)行升壓,VD3 整流,最終得到萬伏左右的負(fù)高壓,放電針引出高壓放電,空氣電離,從而生成負(fù)離子,在實(shí)驗(yàn)中從產(chǎn)品性能、價(jià)格等方面對(duì)比多種產(chǎn)品,選擇KJF01 型負(fù)離子發(fā)生器,釋放負(fù)離子濃度為1×106pcs/cm。

2.5 除塵效率檢驗(yàn)

空氣質(zhì)量分指數(shù),即IAQI 是指根據(jù)單項(xiàng)污染物計(jì)算得出的空氣質(zhì)量指數(shù)。以PM2.5 為例,PM2.5 空氣質(zhì)量分指數(shù)的計(jì)算公式如下:

其中,I為空氣質(zhì)量指數(shù);C為PM2.5 的濃度值;Ch為PM2.5 濃度限值的高位值;Cl為PM2.5濃度限值的低位值;Ih為與Ch對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù);Il為與Cl對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù);這四個(gè)數(shù)值均為常數(shù)可查閱表得。已知PM2.5 的當(dāng)量直徑為2.5 μm。重度污染時(shí)I=475,即PM2.5=425 μg/m3。假設(shè)單個(gè)電子質(zhì)量為m=9.1×10-31kg;單個(gè)電子所帶的電荷量為e=1.6×10-19C;PM2.5 密度ρS約為2300 kg/m-3;μ為含霧霾氣體黏度,取黏度為0.02 mPa·S,兩極板間距10 mm;網(wǎng)孔為矩形,邊長0.5 mm。

由式2-1 算得:

對(duì)于多層紗網(wǎng),每一個(gè)網(wǎng)孔的面積:

若塵粒在沉降室中作層流區(qū)靜電沉降,則完全被除去的最小顆粒直徑為:

這里已取日常風(fēng)速U0=5 m/s,當(dāng)顆粒直徑大于此數(shù)值都能完全除去,故PM2.5 理論上能完全除去。經(jīng)過多次測(cè)量取平均值得實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證除塵效率為:

3 人體舒適度主要參數(shù)的確定

3.1 人體舒適度

濕度、空氣流速和風(fēng)量等是影響人體舒適度最主要的因素。本文選用我國氣象臺(tái)采用的人體舒適度經(jīng)驗(yàn)公式:

其中,ICHB為人體舒適度指數(shù);t為溫度(℃);hu為相對(duì)濕度(%);v為風(fēng)速(m/s)。

查閱資料得出我國人體舒適度指數(shù)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)和舒適度等級(jí),見表1。

表1 人體舒適度指數(shù)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)和舒適度等級(jí)

3.2 濕度的確定

由表3 可知人體舒適度指數(shù)ICHB=38～70時(shí),人體感到舒適。結(jié)合公式(2-6),我們可以推算出實(shí)際情況下室內(nèi)相對(duì)所需濕度為45%～55%為最佳,從而準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)凈化紗窗提供的水流量。室內(nèi)空氣的流動(dòng)直接影響皮膚表面與環(huán)境的對(duì)流換熱及皮膚表面水分蒸發(fā),所以風(fēng)量和風(fēng)速也對(duì)人體舒適度產(chǎn)生影響。

式中:Q為所需要的風(fēng)量;S為居住面積;h為樓層高度;v為空氣流速;V房為房間體積。

3.3 靜電除塵仿真

當(dāng)空間存在電荷分布時(shí),自由電荷只分布在導(dǎo)體的表面,選擇這些導(dǎo)體表面作為區(qū)域V 的邊界,內(nèi)部自由電荷密度ρ=0,靜電場(chǎng)電勢(shì)微分方程為:

根據(jù)靜電場(chǎng)理論金屬紗網(wǎng)之間的電勢(shì)分布滿足拉普拉斯方程,基于斯托克斯定律的靜電沉降分離裝置,由靜電場(chǎng)推導(dǎo)計(jì)算出金屬網(wǎng)對(duì)高壓脈沖直流電的約束程度,可以對(duì)其分離變量求解:

設(shè)φ(r,θ,z)=R(r)θ(θ)Z(z),則通解為:

其中,A1、A2、B1、B2、C1、C2六個(gè)系數(shù)由邊界決定;Jm為m第一類貝塞爾函數(shù),Nm為m階第二類貝塞爾函數(shù)。

其中,Γ為伽馬函數(shù)。

由此,所建立模型通過有限元方法對(duì)空間中的電勢(shì)分布進(jìn)行數(shù)值仿真。在紗網(wǎng)網(wǎng)孔四周設(shè)置周期性邊界條件,可對(duì)每一個(gè)網(wǎng)孔當(dāng)中的電場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算,建模如圖9(a)所示,仿真得到的空間電勢(shì)分布如圖9(b)所示。

圖9 凈化窗模態(tài)仿真圖

由圖10 可以看到,紗網(wǎng)之間的高壓在紗窗以內(nèi)顯著下降,說明陰極紗網(wǎng)對(duì)于高電壓的約束能力是足夠好的。紗網(wǎng)要在達(dá)到足夠的靜電屏蔽效果的基礎(chǔ)上盡量提高采光率,因此需要找到滿足要求的紗網(wǎng)線的最小直徑。取紗網(wǎng)的間距為0.5 mm,仿真圖如圖10(a)所示。如果要求正極電壓為5 kV,而負(fù)極紗網(wǎng)以外的電壓最大允許值不超過10 V,則仿真結(jié)果給出圖10(b),則紗線直徑最小值應(yīng)為0.5 mm。

圖10 凈化窗靜電除塵仿真曲線圖

紗網(wǎng)外電壓如圖11 所示。

圖11 紗網(wǎng)外電壓仿真圖

4 結(jié)論

通過靜電除塵模擬仿真,可以驗(yàn)證這款新型濕式負(fù)離子空氣凈化窗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性,為了保證新風(fēng)凈化窗的有效和高效性,利用濕式靜電除塵、負(fù)離子除塵、臭氧除塵相結(jié)合能有效地除去空氣中的PM2.5,該設(shè)計(jì)方案可以中和正電荷、氧化有機(jī)物,在除菌消滅病毒方面十分有效,可以給人們帶來更干凈的空氣以及更便捷的體驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明:該裝置綜合了新風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)和空氣凈化器清潔室內(nèi)空氣等優(yōu)點(diǎn),經(jīng)過多次測(cè)量顯示除塵效率達(dá)到了97.41%,表明該凈化窗各項(xiàng)性能良好,可以有效提升室內(nèi)空氣潔凈度。