新型室内空气净化器的研制与性能实验研究 - 蔡来胜-

1、文章编号:10050329(200312000403新型室内空气净化器的研制与性能实验研究蔡来胜,刘春雁,刘刚(东华大学,上海200051摘要:介绍了一种新型空气净化器的结构,该净化器能够除去微生物、颗粒物,又能补充室内氧气,吸收二氧化碳,除掉各种异味,通过实验得出净化器的几项主要指标均能满足人的健康需要。关键词:空气净化器;静电;洁净空气量;细菌;空气品质中图分类号:T U83418文献标识码: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引言目前市场上

3、的净化机主要配置是预过滤器+静电除尘器+活性炭+负离子发生器。其中静电结构是差异最大的部分,有单区、双区、单级、多级电场;集尘极形式多样,有平行板、圆孔板、金属网板、蜂窝式、圆筒式、方格式等。静电场一般荷电电压为8000V,收尘电压为4000V左右1。目前市场上的一些使用静电场的空气净化机虽然比以前各种空气净化机有所提高,但仍存在一些不足,如:(1由于结构因素(主要对管筒状结构而言,管筒不能做得太长,空气在管筒中逗留时间较少,未等静电场把微生物清除,空气就逸出了;(2对C O2的净化效果不太明显;(3此类装置均未设置增氧设备,以至于在那些通风不畅的有限空间里不能有效地提高空气品质。本文介绍一种

4、既调控微生物同时除尘,又调控补充O2,吸收C O2,除掉各种异味的空气品质调控机。2空气净化器的结构所研制的静电式空气净化器结构如图1、2所示,对其中的紫外线灭菌器、离子浸润装置、复合吸附层有新的构思和设计 。图1空气净化器结构如图1所示,风机安装在箱体的下部,其前表面与两侧均有栅格,栅格内设有预过滤器,安置在箱体上的紫外线灭菌器有13排,每排15根带有反射罩的紫外灭菌灯构成,紫外线灭菌器可以根据用户的需要选用。离子浸润装置由两组静电场组成,一组放电极带正高压;另一组放电极带负高压。每组静电场均有100400个小静电场,收稿日期:200306204F LUI D MACHI NERYV ol1

5、31,N o112,2003而每个小静电场又由一个管筒型接电极,一对上、下针形放电极,在管筒型放电极的下端设置一螺旋导流板及上、下放电极固定板,导流板呈中空状,一对上、下针形放电极固定在放电极固定板上,并从上、下两个方向插入管筒型接电极内。上、下放电极固定板上均匀分布着圆孔(工作时,空气可通过圆孔。另外,上、下针形放电极的两针端距离H 为管筒内径 的1.21.5倍,当管筒为正六边形时,即为其内接圆直径,下针端离螺旋导流板的最近距离h 为管筒内径 的0.60.75倍。复合吸附层位于离子浸润装置的上方,它由活性炭纤维层与二氧化碳吸附层叠加构成,并呈现峰谷状态。气2氧混合室位于复合吸附层上方,在气2

6、氧混合室内设置负离子发生器,而设置在室外的制氧器通过导管与气2氧混合室相连, 出风口设置在气2氧混合室的前面与两侧。图2离子浸润装置(静电场结构h.下针端离螺旋导流板的最近距离; .管筒内径;H.两针端距离3工作过程空气从进风口吸入,其中较大颗粒灰尘被预过滤器吸附;接着空气通过风机,受到紫外线灭菌器的直接照射(波长控制在253.61nm 的紫外线能够最大限度地破坏微生物的DNA ,再进入离子浸润装置。空气在管筒型接电极下端的螺旋导流板的作用下,沿导流板旋转上升,由于惯性作用,虽然空气脱离螺旋导流板,它仍呈旋转态势;与此同时,一对上、下针形放电极持续不断地产生电荷晕,使空气中的物质(包括微尘颗粒

7、、微生物等带电,在旋转气流作用下,各种荷电物质加速混合、碰撞;在上、下针端之间的核心区域里,完全达到离子浸润状态,从而使微生物被迅速电离解,从而被有效地抑制、清除和调控。接着空气进入复合吸附层,各种异味被活性炭纤维层吸附掉;二氧化碳则基本上被二氧化碳吸附层吸收。然后进入气2氧混合室内,空气与机外制氧器通过导管输送过来的氧气混合,同时安装在混合室内的负离子发生器放出负氧离子,混合后的清新空气最后从出风口不断排出。4空气净化器性能测试(测试电压7500V 411洁净空气量洁净试验室的容积为30m 3,房间采用玻璃和铝型材料制作,密封性良好。房间上部装有循环通风系统,风管装有中效和高效过滤器 ,见图

8、3。图3洁净实验室平面布置房间发尘源为香烟燃烧器,产生粒径为0.11.0m 的尘埃粒子。测试仪器为TSI8520型Dust 2Park 气溶胶监测仪,对直径小于10m 的粒子进行计重监测。采用洁净空气量(C ADR 来评价净化器去除颗粒物的能力,C ADR 等于污染物的总衰减常数和自然衰减常数之差与实验室容积的乘积3:C ADR =V (K e -K n (1式中V 实验室容积,m 3K e 总衰减常数,min -1K n 自然衰减常数,min -1衰减常数计算式3:C t =C 0e-Kt(2式中C 0初始浓度,mg/m 3C t t 时刻的浓度,mg/m 3K 衰减常数,min -1式(2

9、变换为线性方程:ln C t =ln C 0-K t对ln C t 作线性回归处理可求得衰减常数K 。表1是净化器去处颗粒物的测试数据,其中每个52003年第31卷第12期流体机械时刻的值是3次测试值的平均值。表1净化器去除颗粒物的测试结果时间(min 036912151821242730自然衰减浓度(mg/m 34.44.44.34.54.34.24.24.34.34.24.1总衰减浓度(mg/m 34.43.93.43.02.51.91.40.90.50.20.05采用一元回归方法分析表1的数据,得到自然衰减的相关系数R n =-0.74304,总衰减的相关系数Re =-0.99529,自

10、然衰减常数K n =-0.00848min -1,总衰减常数K e =-0.15318min -1。由式(1得出净化器去除室内颗粒物的C ADR 值为4.341m 3/min ,洁净空气量是净化器针对室内某种具体的污染物进行实验得出的结果,在指定的房间内,空气污染物浓度降低的快慢,完全取决于空气净化器的C ADR 的大小。利用C ADR 值可以方便地评估净化器适用于多大的房间,按空气净化器运行1h ,待去除的室内空气污染物浓度降低90%时,根据公式V =60×C ADR/2.326C ADR 3,可求出空气净化器对去除该种空气污染物所适用的房间容积。412除菌效果在图3所示的房间内,

11、采用J Y Q -型浮游细菌采样器对空气分别采样,培养皿放入37培养箱内培养48h 。得到净化器对空气中浮游菌的去除率见表2,测试风量为800m 3。413室内氧气含量表2净化器去除浮游菌的测试结果室内人数(着普通服装,步行净化前的浮游菌数量(cfu/m 3净化后的浮游菌数量(cfu/m 3离净化器1.5m 范围内离净化器1.5m 范围外平均去除效率(%04001898.9152531598.341250154597.6能够自动供氧的净化器,目前国内还不多见, 本净化器带有氧气含量自动检测探头,能够在室内氧气含量低于20.5%时自动供氧,室内氧气含量高于22.5%时,自动停止供氧。414对C

12、O 2的去除效果二氧化碳是人体产生最多的污染物质,在人体呼出的空气中它约占4%。二氧化碳作为室内空气清洁状况的评价指标,一般要求浓度不超过0.07%。现在市场上出售的空气净化机基本上对C O 2没有除去能力,甚至净化器开启后,C O 2的含量还可能升高。在图3所示的房间内,利用了人工污染的方法将室内C O 2的含量从0.03%提高到0.14%,利用G XH -305型便携式红外线C O 2分析仪测量C O 2的体积比浓度,房间封闭,室内有吊扇促使空气流动,净化器的风量为800m 3/h ,每隔2min 测量室内C O 2的含量变化,C O 2通过复合活性炭纤维层的浓度变化如图4所示。由图4我们

13、可以看出该净化器对C O 2有很好的净化作用,在30min 内,能将封闭室内C O 2的浓度降到低于室外空气中的C O 2的浓度(0.03%。415臭氧含量图4室内二氧化碳浓度随时间的变化趋势卫生防疫部门和环境保护部门要求室内空气净化器产生的臭氧浓度必须低于0.1mg/m 3,为此通常要降低室内空气净化器的运行电压,净化效率往往也随之降低。我们研制的净化器的风量分别为800m 3/h 和1200m 3/h ,室内温度18,相对湿度为60%,开机10min 后,在离出口不同距离处进行气体采样,用A -21ZX 臭氧检测仪测量臭氧浓度,测试结果如图5所示。图5表明净化器出口空气的臭氧含量低于0.1

14、mg/m 3,满足室内人员的健康要求。(下转第42页21312低温室箱体保温层模型的建立低温室箱体的保温层内的温度变化也是不均匀非稳定的,在计算时采用以下假设:(1由于箱体的表面尺寸远大于壁厚,所以将保温层导热简化为一个无限大平板的一维导热;(2箱体表面温度分布均匀。21313低温室内热负荷模型的建立在低温室内热负荷建模时,采用以下假设:热负荷最初其每一点的温度等于环境温度;其紧贴室壁的那一侧温度等于室壁温度;假定热负荷在X ,Y ,Z 方向尺寸相当;热负荷形状在低温室内呈对称分布。214管道流动数学模型空气制冷机内部各部件间连接的管道一般是光滑圆管,外面包有绝热性能很好的保温材料,管道内的气

15、体流动速度变化也很小,而且在空气制冷机中,各部件的连接管道也很短。因此,可以认为两部件之间管道内的气体温度不变。对于管道中的压力损失,可将管内流动简化为绝热、有摩擦的一元流动则压力损失可表示为:p =x d e u22(13215空气制冷机系统数学模型以上分别建立了透平膨胀机、板翅式换热器、低温室及管道的数学模型,将它们组合起来就可以模拟整个空气制冷机的降温过程。各个部件相互影响,相互制约,形成一个反馈过程:从空气压缩机后冷却器来的工作气体(可看作恒温恒压,经过回冷热交换器预冷后进入透平膨胀机进行膨胀,膨胀后的气体作为制冷工质进入低温室,气体吸热后再通过回冷热交换器复热,对工作气体进行预冷,以

16、回收冷量,复热后排入大气,完成一个模拟过程。在这个过程中,各部件间的联络是通过各模型进出口参数的传递来实现的。3总结对空气制冷机的各部件(透平膨胀机、板翅式回冷换热器、低温室及管道进行了性能分析并建立了其数学模型,对系统设计和各部件的匹配都具有参考价值。并为进一步的理论分析和实验研究提供了理论基础。参考文献1秦钢,李敏,等.空气制冷机M.北京:国防工业出版社,197912刘立强.气体轴承氦透平膨胀机的研究D 1西安:西安交通大学,199713计光华1透平膨胀机(修订本M.西安:西安交通大学出版社,198814陶文铨1数值传热学(第2版M1西安:西安交通大学出版社,200115杨世铭1传热学(第2版M1北京:高等教育出版社,19801作者简介:王可(1979-,男,在读硕士研究生,通讯地址:710049陕西西安市西安交通大学能源与动力工程学院。(上接第6页 图5净化器出风口的空气臭氧含量5结论所研制的净化器,由于对其进行了新