1、文章編號:10050329(200312000403新型室內空氣凈化器的研制與性能實驗研究蔡來勝,劉春雁,劉剛(東華大學,上海200051摘要:介紹了一種新型空氣凈化器的結構,該凈化器能夠除去微生物、顆粒物,又能補充室內氧氣,吸收二氧化碳,除掉各種異味,通過實驗得出凈化器的幾項主要指標均能滿足人的健康需要。關鍵詞:空氣凈化器;靜電;潔凈空氣量;細菌;空氣品質中圖分類號:T U83418文獻標識碼: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、的凈化機主要配置是預過濾器+靜電除塵器+活性炭+負離子發(fā)生器。其中靜電結構是差異最大的部分,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雖然比以前各種空氣凈化機有所提高,但仍存在一些不足,如:(1由于結構因素(主要對管筒狀結構而言,管筒不能做得太長,空氣在管筒中逗留時間較少,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此類裝置均未設置增氧設備,以至于在那些通風不暢的有限空間里不能有效地提高空氣品質。本文介紹一種

4、既調控微生物同時除塵,又調控補充O2,吸收C O2,除掉各種異味的空氣品質調控機。2空氣凈化器的結構所研制的靜電式空氣凈化器結構如圖1、2所示,對其中的紫外線滅菌器、離子浸潤裝置、復合吸附層有新的構思和設計 。圖1空氣凈化器結構如圖1所示,風機安裝在箱體的下部,其前表面與兩側均有柵格,柵格內設有預過濾器,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;另一組放電極帶負高壓。每組靜電場均有100400個小靜電場,收稿日期:200306204F LUI D MACHI NERYV ol1

5、31,N o112,2003而每個小靜電場又由一個管筒型接電極,一對上、下針形放電極,在管筒型放電極的下端設置一螺旋導流板及上、下放電極固定板,導流板呈中空狀,一對上、下針形放電極固定在放電極固定板上,并從上、下兩個方向插入管筒型接電極內。上、下放電極固定板上均勻分布著圓孔(工作時,空氣可通過圓孔。另外,上、下針形放電極的兩針端距離H 為管筒內徑 的1.21.5倍,當管筒為正六邊形時,即為其內接圓直徑,下針端離螺旋導流板的最近距離h 為管筒內徑 的0.60.75倍。復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成,并呈現(xiàn)峰谷狀態(tài)。氣2氧混合室位于復合吸附層上方,在氣2

6、氧混合室內設置負離子發(fā)生器,而設置在室外的制氧器通過導管與氣2氧混合室相連, 出風口設置在氣2氧混合室的前面與兩側。圖2離子浸潤裝置(靜電場結構h.下針端離螺旋導流板的最近距離; .管筒內徑;H.兩針端距離3工作過程空氣從進風口吸入,其中較大顆?；覊m被預過濾器吸附;接著空氣通過風機,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 ,再進入離子浸潤裝置?？諝庠诠芡残徒与姌O下端的螺旋導流板的作用下,沿導流板旋轉上升,由于慣性作用,雖然空氣脫離螺旋導流板,它仍呈旋轉態(tài)勢;與此同時,一對上、下針形放電極持續(xù)不斷地產生電荷暈,使空氣中的物質(包括微塵顆粒

7、、微生物等帶電,在旋轉氣流作用下,各種荷電物質加速混合、碰撞;在上、下針端之間的核心區(qū)域里,完全達到離子浸潤狀態(tài),從而使微生物被迅速電離解,從而被有效地抑制、清除和調控。接著空氣進入復合吸附層,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。然后進入氣2氧混合室內,空氣與機外制氧器通過導管輸送過來的氧氣混合,同時安裝在混合室內的負離子發(fā)生器放出負氧離子,混合后的清新空氣最后從出風口不斷排出。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)通風系統(tǒng),風管裝有中效和高效過濾器 ,見圖

8、3。圖3潔凈實驗室平面布置房間發(fā)塵源為香煙燃燒器,產生粒徑為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 的粒子進行計重監(jiān)測。采用潔凈空氣量(C ADR 來評價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)之差與實驗室容積的乘積3:C ADR =V (K e -K n (1式中V 實驗室容積,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)計算式3:C t =C 0e-Kt(2式中C 0初始濃度,mg/m 3C t t 時刻的濃度,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52003年第31卷第12期流體機械時刻的值是3次測試值的平均值。表1凈化器去除顆粒物的測試結果時間(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系數(shù)R n =-0.74304,總衰減的相關系數(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某種具體的污染物進行實驗得出的結果,在指定的房間內,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,按空氣凈化器運行1h ,待去除的室內空氣污染物濃度降低90%時,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,

11、采用J Y Q -型浮游細菌采樣器對空氣分別采樣,培養(yǎng)皿放入37培養(yǎng)箱內培養(yǎng)48h 。得到凈化器對空氣中浮游菌的去除率見表2,測試風量為800m 3。413室內氧氣含量表2凈化器去除浮游菌的測試結果室內人數(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 范圍內離凈化器1.5m 范圍外平均去除效率(%04001898.9152531598.341250154597.6能夠自動供氧的凈化器,目前國內還不多見, 本凈化器帶有氧氣含量自動檢測探頭,能夠在室內氧氣含量低于20.5%時自動供氧,室內氧氣含量高于22.5%時,自動停止供氧。414對C

12、O 2的去除效果二氧化碳是人體產生最多的污染物質,在人體呼出的空氣中它約占4%。二氧化碳作為室內空氣清潔狀況的評價指標,一般要求濃度不超過0.07%?，F(xiàn)在市場上出售的空氣凈化機基本上對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,利用了人工污染的方法將室內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,室內有吊扇促使空氣流動,凈化器的風量為800m 3/h ,每隔2min 測量室內C O 2的含量變化,C O 2通過復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,能將封閉室內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室內二氧化碳濃度隨時間的變化趨勢衛(wèi)生防疫部門和環(huán)境保護部門要求室內空氣凈化器產生的臭氧濃度必須低于0.1mg/m 3,為此通常要降低室內空氣凈化器的運行電壓,凈化效率往往也隨之降低。我們研制的凈化器的風量分別為800m 3/h 和1200m 3/h ,室內溫度18,相對濕度為60%,開機10min 后,在離出口不同距離處進行氣體采樣,用A -21ZX 臭氧檢測儀測量臭氧濃度,測試結果如圖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,滿足室內人員的健康要求。(下轉第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的溫度變化也是不均勻非穩(wěn)定的,在計算時采用以下假設:(1由于箱體的表面尺寸遠大于壁厚,所以將保溫層導熱簡化為一個無限大平板的一維導熱;(2箱體表面溫度分布均勻。21313低溫室內熱負荷模型的建立在低溫室內熱負荷建模時,采用以下假設:熱負荷最初其每一點的溫度等于環(huán)境溫度;其緊貼室壁的那一側溫度等于室壁溫度;假定熱負荷在X ,Y ,Z 方向尺寸相當;熱負荷形狀在低溫室內呈對稱分布。214管道流動數(shù)學模型空氣制冷機內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,管道內的氣

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

16、回收冷量,復熱后排入大氣,完成一個模擬過程。在這個過程中,各部件間的聯(lián)絡是通過各模型進出口參數(shù)的傳遞來實現(xiàn)的。3總結對空氣制冷機的各部件(透平膨脹機、板翅式回冷換熱器、低溫室及管道進行了性能分析并建立了其數(shù)學模型,對系統(tǒng)設計和各部件的匹配都具有參考價值。并為進一步的理論分析和實驗研究提供了理論基礎。參考文獻1秦鋼,李敏,等.空氣制冷機M.北京:國防工業(yè)出版社,197912劉立強.氣體軸承氦透平膨脹機的研究D 1西安:西安交通大學,199713計光華1透平膨脹機(修訂本M.西安:西安交通大學出版社,198814陶文銓1數(shù)值傳熱學(第2版M1西安:西安交通大學出版社,200115楊世銘1傳熱學(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能源與動力工程學院。(上接第6頁 圖5凈化器出風口的空氣臭氧含量5結論所研制的凈化器,由于對其進行了新