1、文章編號:10050329(200312000403新型室內(nèi)空氣凈化器的研制與性能實(shí)驗(yàn)研究蔡來勝,劉春雁,劉剛(東華大學(xué),上海200051摘要:介紹了一種新型空氣凈化器的結(jié)構(gòu),該凈化器能夠除去微生物、顆粒物,又能補(bǔ)充室內(nèi)氧氣,吸收二氧化碳,除掉各種異味,通過實(shí)驗(yàn)得出凈化器的幾項(xiàng)主要指標(biāo)均能滿足人的健康需要。關(guān)鍵詞:空氣凈化器;靜電;潔凈空氣量;細(xì)菌;空氣品質(zhì)中圖分類號:T U83418文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AExperimental R esearch and Development on a N ovel I ndoor Air CleanerC AI Lai2sheng,LI U Chun2yan,

2、LI U G angAbstract:A new con figuration of the air cleaner is introduced,which has an obvious effect on clearing dust,microorganism and bad smell.The result shows the air cleaner als o can abs orb C O2and supply O2.K ey w ords:air cleaner;electrostatic;clean air delivery;bacteria;air quality1引言目前市場上

3、的凈化機(jī)主要配置是預(yù)過濾器+靜電除塵器+活性炭+負(fù)離子發(fā)生器。其中靜電結(jié)構(gòu)是差異最大的部分,有單區(qū)、雙區(qū)、單級、多級電場;集塵極形式多樣,有平行板、圓孔板、金屬網(wǎng)板、蜂窩式、圓筒式、方格式等。靜電場一般荷電電壓為8000V,收塵電壓為4000V左右1。目前市場上的一些使用靜電場的空氣凈化機(jī)雖然比以前各種空氣凈化機(jī)有所提高,但仍存在一些不足,如:(1由于結(jié)構(gòu)因素(主要對管筒狀結(jié)構(gòu)而言,管筒不能做得太長,空氣在管筒中逗留時(shí)間較少,未等靜電場把微生物清除,空氣就逸出了;(2對C O2的凈化效果不太明顯;(3此類裝置均未設(shè)置增氧設(shè)備,以至于在那些通風(fēng)不暢的有限空間里不能有效地提高空氣品質(zhì)。本文介紹一種

4、既調(diào)控微生物同時(shí)除塵,又調(diào)控補(bǔ)充O2,吸收C O2,除掉各種異味的空氣品質(zhì)調(diào)控機(jī)。2空氣凈化器的結(jié)構(gòu)所研制的靜電式空氣凈化器結(jié)構(gòu)如圖1、2所示,對其中的紫外線滅菌器、離子浸潤裝置、復(fù)合吸附層有新的構(gòu)思和設(shè)計(jì) 。圖1空氣凈化器結(jié)構(gòu)如圖1所示,風(fēng)機(jī)安裝在箱體的下部,其前表面與兩側(cè)均有柵格,柵格內(nèi)設(shè)有預(yù)過濾器,安置在箱體上的紫外線滅菌器有13排,每排15根帶有反射罩的紫外滅菌燈構(gòu)成,紫外線滅菌器可以根據(jù)用戶的需要選用。離子浸潤裝置由兩組靜電場組成,一組放電極帶正高壓;另一組放電極帶負(fù)高壓。每組靜電場均有100400個(gè)小靜電場,收稿日期:200306204F LUI D MACHI NERYV ol1

5、31,N o112,2003而每個(gè)小靜電場又由一個(gè)管筒型接電極,一對上、下針形放電極,在管筒型放電極的下端設(shè)置一螺旋導(dǎo)流板及上、下放電極固定板,導(dǎo)流板呈中空狀,一對上、下針形放電極固定在放電極固定板上,并從上、下兩個(gè)方向插入管筒型接電極內(nèi)。上、下放電極固定板上均勻分布著圓孔(工作時(shí),空氣可通過圓孔。另外,上、下針形放電極的兩針端距離H 為管筒內(nèi)徑 的1.21.5倍,當(dāng)管筒為正六邊形時(shí),即為其內(nèi)接圓直徑,下針端離螺旋導(dǎo)流板的最近距離h 為管筒內(nèi)徑 的0.60.75倍。復(fù)合吸附層位于離子浸潤裝置的上方,它由活性炭纖維層與二氧化碳吸附層疊加構(gòu)成,并呈現(xiàn)峰谷狀態(tài)。氣2氧混合室位于復(fù)合吸附層上方,在氣2

6、氧混合室內(nèi)設(shè)置負(fù)離子發(fā)生器,而設(shè)置在室外的制氧器通過導(dǎo)管與氣2氧混合室相連, 出風(fēng)口設(shè)置在氣2氧混合室的前面與兩側(cè)。圖2離子浸潤裝置(靜電場結(jié)構(gòu)h.下針端離螺旋導(dǎo)流板的最近距離; .管筒內(nèi)徑;H.兩針端距離3工作過程空氣從進(jìn)風(fēng)口吸入,其中較大顆粒灰塵被預(yù)過濾器吸附;接著空氣通過風(fēng)機(jī),受到紫外線滅菌器的直接照射(波長控制在253.61nm 的紫外線能夠最大限度地破壞微生物的DNA ,再進(jìn)入離子浸潤裝置。空氣在管筒型接電極下端的螺旋導(dǎo)流板的作用下,沿導(dǎo)流板旋轉(zhuǎn)上升,由于慣性作用,雖然空氣脫離螺旋導(dǎo)流板,它仍呈旋轉(zhuǎn)態(tài)勢;與此同時(shí),一對上、下針形放電極持續(xù)不斷地產(chǎn)生電荷暈,使空氣中的物質(zhì)(包括微塵顆粒

7、、微生物等帶電,在旋轉(zhuǎn)氣流作用下,各種荷電物質(zhì)加速混合、碰撞;在上、下針端之間的核心區(qū)域里,完全達(dá)到離子浸潤狀態(tài),從而使微生物被迅速電離解,從而被有效地抑制、清除和調(diào)控。接著空氣進(jìn)入復(fù)合吸附層,各種異味被活性炭纖維層吸附掉;二氧化碳則基本上被二氧化碳吸附層吸收。然后進(jìn)入氣2氧混合室內(nèi),空氣與機(jī)外制氧器通過導(dǎo)管輸送過來的氧氣混合,同時(shí)安裝在混合室內(nèi)的負(fù)離子發(fā)生器放出負(fù)氧離子,混合后的清新空氣最后從出風(fēng)口不斷排出。4空氣凈化器性能測試(測試電壓7500V 411潔凈空氣量潔凈試驗(yàn)室的容積為30m 3,房間采用玻璃和鋁型材料制作,密封性良好。房間上部裝有循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng),風(fēng)管裝有中效和高效過濾器 ,見圖

8、3。圖3潔凈實(shí)驗(yàn)室平面布置房間發(fā)塵源為香煙燃燒器,產(chǎn)生粒徑為0.11.0m 的塵埃粒子。測試儀器為TSI8520型Dust 2Park 氣溶膠監(jiān)測儀,對直徑小于10m 的粒子進(jìn)行計(jì)重監(jiān)測。采用潔凈空氣量(C ADR 來評價(jià)凈化器去除顆粒物的能力,C ADR 等于污染物的總衰減常數(shù)和自然衰減常數(shù)之差與實(shí)驗(yàn)室容積的乘積3:C ADR =V (K e -K n (1式中V 實(shí)驗(yàn)室容積,m 3K e 總衰減常數(shù),min -1K n 自然衰減常數(shù),min -1衰減常數(shù)計(jì)算式3:C t =C 0e-Kt(2式中C 0初始濃度,mg/m 3C t t 時(shí)刻的濃度,mg/m 3K 衰減常數(shù),min -1式(2

9、變換為線性方程:ln C t =ln C 0-K t對ln C t 作線性回歸處理可求得衰減常數(shù)K 。表1是凈化器去處顆粒物的測試數(shù)據(jù),其中每個(gè)52003年第31卷第12期流體機(jī)械時(shí)刻的值是3次測試值的平均值。表1凈化器去除顆粒物的測試結(jié)果時(shí)間(min 036912151821242730自然衰減濃度(mg/m 34.44.44.34.54.34.24.24.34.34.24.1總衰減濃度(mg/m 34.43.93.43.02.51.91.40.90.50.20.05采用一元回歸方法分析表1的數(shù)據(jù),得到自然衰減的相關(guān)系數(shù)R n =-0.74304,總衰減的相關(guān)系數(shù)Re =-0.99529,自

10、然衰減常數(shù)K n =-0.00848min -1,總衰減常數(shù)K e =-0.15318min -1。由式(1得出凈化器去除室內(nèi)顆粒物的C ADR 值為4.341m 3/min ,潔凈空氣量是凈化器針對室內(nèi)某種具體的污染物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果,在指定的房間內(nèi),空氣污染物濃度降低的快慢,完全取決于空氣凈化器的C ADR 的大小。利用C ADR 值可以方便地評估凈化器適用于多大的房間,按空氣凈化器運(yùn)行1h ,待去除的室內(nèi)空氣污染物濃度降低90%時(shí),根據(jù)公式V =60×C ADR/2.326C ADR 3,可求出空氣凈化器對去除該種空氣污染物所適用的房間容積。412除菌效果在圖3所示的房間內(nèi),

11、采用J Y Q -型浮游細(xì)菌采樣器對空氣分別采樣,培養(yǎng)皿放入37培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)48h 。得到凈化器對空氣中浮游菌的去除率見表2,測試風(fēng)量為800m 3。413室內(nèi)氧氣含量表2凈化器去除浮游菌的測試結(jié)果室內(nèi)人數(shù)(著普通服裝,步行凈化前的浮游菌數(shù)量(cfu/m 3凈化后的浮游菌數(shù)量(cfu/m 3離凈化器1.5m 范圍內(nèi)離凈化器1.5m 范圍外平均去除效率(%04001898.9152531598.341250154597.6能夠自動(dòng)供氧的凈化器,目前國內(nèi)還不多見, 本凈化器帶有氧氣含量自動(dòng)檢測探頭,能夠在室內(nèi)氧氣含量低于20.5%時(shí)自動(dòng)供氧,室內(nèi)氧氣含量高于22.5%時(shí),自動(dòng)停止供氧。414對C

12、O 2的去除效果二氧化碳是人體產(chǎn)生最多的污染物質(zhì),在人體呼出的空氣中它約占4%。二氧化碳作為室內(nèi)空氣清潔狀況的評價(jià)指標(biāo),一般要求濃度不超過0.07%。現(xiàn)在市場上出售的空氣凈化機(jī)基本上對C O 2沒有除去能力,甚至凈化器開啟后,C O 2的含量還可能升高。在圖3所示的房間內(nèi),利用了人工污染的方法將室內(nèi)C O 2的含量從0.03%提高到0.14%,利用G XH -305型便攜式紅外線C O 2分析儀測量C O 2的體積比濃度,房間封閉,室內(nèi)有吊扇促使空氣流動(dòng),凈化器的風(fēng)量為800m 3/h ,每隔2min 測量室內(nèi)C O 2的含量變化,C O 2通過復(fù)合活性炭纖維層的濃度變化如圖4所示。由圖4我們

13、可以看出該凈化器對C O 2有很好的凈化作用,在30min 內(nèi),能將封閉室內(nèi)C O 2的濃度降到低于室外空氣中的C O 2的濃度(0.03%。415臭氧含量圖4室內(nèi)二氧化碳濃度隨時(shí)間的變化趨勢衛(wèi)生防疫部門和環(huán)境保護(hù)部門要求室內(nèi)空氣凈化器產(chǎn)生的臭氧濃度必須低于0.1mg/m 3,為此通常要降低室內(nèi)空氣凈化器的運(yùn)行電壓,凈化效率往往也隨之降低。我們研制的凈化器的風(fēng)量分別為800m 3/h 和1200m 3/h ,室內(nèi)溫度18,相對濕度為60%,開機(jī)10min 后,在離出口不同距離處進(jìn)行氣體采樣,用A -21ZX 臭氧檢測儀測量臭氧濃度,測試結(jié)果如圖5所示。圖5表明凈化器出口空氣的臭氧含量低于0.1

14、mg/m 3,滿足室內(nèi)人員的健康要求。(下轉(zhuǎn)第42頁21312低溫室箱體保溫層模型的建立低溫室箱體的保溫層內(nèi)的溫度變化也是不均勻非穩(wěn)定的,在計(jì)算時(shí)采用以下假設(shè):(1由于箱體的表面尺寸遠(yuǎn)大于壁厚,所以將保溫層導(dǎo)熱簡化為一個(gè)無限大平板的一維導(dǎo)熱;(2箱體表面溫度分布均勻。21313低溫室內(nèi)熱負(fù)荷模型的建立在低溫室內(nèi)熱負(fù)荷建模時(shí),采用以下假設(shè):熱負(fù)荷最初其每一點(diǎn)的溫度等于環(huán)境溫度;其緊貼室壁的那一側(cè)溫度等于室壁溫度;假定熱負(fù)荷在X ,Y ,Z 方向尺寸相當(dāng);熱負(fù)荷形狀在低溫室內(nèi)呈對稱分布。214管道流動(dòng)數(shù)學(xué)模型空氣制冷機(jī)內(nèi)部各部件間連接的管道一般是光滑圓管,外面包有絕熱性能很好的保溫材料,管道內(nèi)的氣

15、體流動(dòng)速度變化也很小,而且在空氣制冷機(jī)中,各部件的連接管道也很短。因此,可以認(rèn)為兩部件之間管道內(nèi)的氣體溫度不變。對于管道中的壓力損失,可將管內(nèi)流動(dòng)簡化為絕熱、有摩擦的一元流動(dòng)則壓力損失可表示為:p =x d e u22(13215空氣制冷機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型以上分別建立了透平膨脹機(jī)、板翅式換熱器、低溫室及管道的數(shù)學(xué)模型,將它們組合起來就可以模擬整個(gè)空氣制冷機(jī)的降溫過程。各個(gè)部件相互影響,相互制約,形成一個(gè)反饋過程:從空氣壓縮機(jī)后冷卻器來的工作氣體(可看作恒溫恒壓,經(jīng)過回冷熱交換器預(yù)冷后進(jìn)入透平膨脹機(jī)進(jìn)行膨脹,膨脹后的氣體作為制冷工質(zhì)進(jìn)入低溫室,氣體吸熱后再通過回冷熱交換器復(fù)熱,對工作氣體進(jìn)行預(yù)冷,以

16、回收冷量,復(fù)熱后排入大氣,完成一個(gè)模擬過程。在這個(gè)過程中,各部件間的聯(lián)絡(luò)是通過各模型進(jìn)出口參數(shù)的傳遞來實(shí)現(xiàn)的。3總結(jié)對空氣制冷機(jī)的各部件(透平膨脹機(jī)、板翅式回冷換熱器、低溫室及管道進(jìn)行了性能分析并建立了其數(shù)學(xué)模型,對系統(tǒng)設(shè)計(jì)和各部件的匹配都具有參考價(jià)值。并為進(jìn)一步的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究提供了理論基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1秦鋼,李敏,等.空氣制冷機(jī)M.北京:國防工業(yè)出版社,197912劉立強(qiáng).氣體軸承氦透平膨脹機(jī)的研究D 1西安:西安交通大學(xué),199713計(jì)光華1透平膨脹機(jī)(修訂本M.西安:西安交通大學(xué)出版社,198814陶文銓1數(shù)值傳熱學(xué)(第2版M1西安:西安交通大學(xué)出版社,200115楊世銘1傳熱學(xué)(第2版M1北京:高等教育出版社,19801作者簡介:王可(1979-,男,在讀碩士研究生,通訊地址:710049陜西西安市西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院。(上接第6頁 圖5凈化器出風(fēng)口的空氣臭氧含量5結(jié)論所研制的凈化器,由于對其進(jìn)行了新