（机械电子工程专业论文）多功能空气净化机设计及流场仿真分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着室内装潢的盛行和工业化发展。室内空气污染越来越严重，对室内空气 质量关注越来越重视。目前空气净化机存在的主要问题有：净化效果差，净化模 式固定，不能根据室内空气污染情况切换净化模式，无需工作的过滤层一直处于 工作状态，增加了风道中通风阻力，导致空气净化机运行能耗高和资源浪费。因 此，开展多功能室内空气净化机设计及仿真分析，实现高效、节能净化室内空气， 具有重要经济价值和社会价值。 首先，根据空气净化机的使用情况，确定了多功能空气净化机的三种净化功 能，包括灰尘净化、有害气体净化和二氧化碳净化，由这三种净化功能，组成了 七种净化工作模式。综合考虑净化效果、使用方便及经济因素，选择了三种净化 功能相应净化方法和净化材料，并对净化过程中的空气阻力进行了理论分析和计 算。 然后，对空气净化机的机械系统和测控系统进行设计。机械系统主要包括风 道和驱动装置。风道设计中确定了各净化层的工位，对风道结构参数和风机风量、 风速进行设计计算。为了实现不同净化工作模式的切换，设计了一种分步控制式 齿轮齿条机构作为驱动装置。测控系统包括硬件和软件。根据净化目标，分别选 择了灰尘浓度传感器、有害气体浓度传感器和二氧化碳浓度传感器，采用凌阳 s p c e 0 6 1 a 单片机作为控制单元，设计空气质量采集、处理检测电路和工作模式 的切换控制电路，以及测控系统主程序和主要功能程序。在模拟的室内污染环境 中，采用搭建的测控系统和空气净化机进行性能试验，实验表明单净化功能下， 空气净化机可节约功耗2 0 3 2 ：组合净化功能工作模式下，空气净化机可节 约功耗1 0 6 1 8 6 ，达到了节能、高效的设计要求。 最后，采用多孔介质模型模拟空气净化机中的h e p a 滤纸，通过f l u e n t 软件 仿真分析空气净化机内部流场，分析了进口速度在l m s 至5 m s 变化过程中，高 度分别在0 0 5 m 、0 1 0 m 、0 1 5 m 三个截面上压力场和速度场的变化。结果表明： 风速在l m s 至2 m s 时，气流流动稳定；h e p a 滤纸在0 1 0 m 截面上对气流的阻 多功能空气净化机设计及f l u e n t 仿真分析 力最大；获得更好的内部流场应增大进风口和出风口截面积。 关键词：空气净化机，机械设计，控制，f l u e n t 仿真 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a li z a t i o na n dd e c o r a t i o n ，t h ea i rp o l l u t i o n i n d o o r si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s s op e o p l ea t t a c hm o r ei m p o r t a n c et ot h e a i rq u a l i t yi n d o o r s a tp r e s e n t ，t h e r ea r es e v e r a lm a i np r o b l e m si na i rp u r i f i e r f o r e x a m p l e ，t h ee f f e c to fa i rp u r i f i c a t i o ni sn o tg o o de n o u g h ，p u r i f i c a t i o nm o d ei sn o t f l e x i b l e ，a i rp u r i f i e rc a nn o tc h a n g ei t sp u r i f i c a t i o nm o d eo nt h eb a s i so ft h ei n d o o r a i rp o l l u t i o nc o n d i t i o n ，a n dt h ef i l t e rl a y e ri sw o r k i n gc o n t i n u o u s l ya n du n n e c e s s a r i l y ， w h i c hc a u s e st h ea d d i t i o n a l r e s i s t a n c ea sw e l la st h ew a s t eo ft h er e s o u r c ea n d e n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ea i rp u r i f i e r t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a te c o n o m i ca n ds o c i a l s i g n i f i c a n c et od e v e l o pt h ed e s i g na n dc a ea b o u tt h em u l t i f u n c t i o n a li n d o o ra i r p u r i f i c a t i o nm a c h i n ea n dr e a l i z et om a k et h ea i rc l e a nm o r ee f f i c i e n ta n de n e r g y s a v i n g f i m to fa l l ，a c c o r d i n gt os e r v i c ec o n d i t i o no fa i rp u r i f i e r ，w ed e t e r m i n et h r e e f u n c t i o n so fp u r i f i c a t i o n , i n c l u d i n gd u s t sp u r i f y i n g , h a r m f u lg a sp u r i f y i n ga n dc a r b o n d i o x i d e p u r i f y i n g ，a n d i ti n c l u d es e v e nk i n d so fp u r i f i c a t i o n sw o r k p a u e r n s c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fp u r i f i c a t i o n , c o n v e n i e n tt ou s ea n de c o n o m i cf a c t o r s , w e c h o o s et h r e ek i n d so fp u r i f i c a t i o nf u n c t i o nc o r r e s p o n dt op u r i f i c a t i o nm e t h o d sa n d p u r i f i c a t i o nm a t e r i a l s m o r e o v e r ，w em a d es o m et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t e d o nt h ea i rr e s i s t a n c ed u r i n gt h es c a v e n g i n g p r o c e s s n e x t , w ed e s i g n e dt h ea i rp u r i f i e r sm e c h a n i c a ls y s t e ma n dm e a s u r e - c o n t r o l s y s t e m m e c h a n i c a ls y s t e mm a i n l yi n c l u d ea i rf l u ea n da c t u a t i n gd e v i c e i nt h ea i r f l u e sd e s i g n ，t h es t a f i o ni ne v e r yp u r i f i c a t i o nl a y e rh a v eb e e nd e s i g n e d i na d d i t i o n , w ec a l c u l a t e dt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e ro ft h ea i rf l u e ，f a nd e l i v e r y ，a n df a nw i n d s p e e d t oa c h i e v et h es w i t c h e sb e t w e e nd i f f e r e n tw o r kp a t t e r n s ，w ed e s i g n e da c e r t a i nk i n do fm u l t i s t e p - c o n t r o l l e ds u p e r - m o d u l u sg e a rm e c h a n i s m 酗a c t u a t i n g d e v i c e m e a s u r e - c o n t r o ls y s t e mi n c l u d e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h e p u r p o s eo fp u r i f i c a t i o n , w es e l e c t e dd u s t d e n s i t ys e n s o r , h a r m f u lg a s e s - d e n s i 哆 s e n s o ra n dc a r b o nd i o x i d e d e n s i t ys e n s o r w eu s e ds p c e 0 6 1 as i n g l e - c h i p m i c r o p r o c e s s o ra sc o n t m lu n i t ，m o r e o v e r ，w ed e s i g n e dc i r c u i tf o rt h ea c q u i s i t i o no f a i rq u a l i t ya n dd i s p o s a ld e t e c t i o n ，a n dc o n t r o lc i r c u i tf o rw o r kp a a e r ns w i t c h i n g ，a s w e l la sm a i np r o g r a mf o rm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e ma n dt h em a i nf u n c t i o n p r o g r a m i nt h ei n d o o rp o l l u t i o ns t i m u l a t e de n v i r o n m e n t ，w eu m e a s u r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e mw h i c hi ss e tu pa n da i rp u r i f i e rt od ot h ep e r f o r m a n c et e s t ，t h e h i 多功能空气净化机破计及f l u e n t 仿真分析 e x p e r i m e n ts h o w su n d e rt h es i n g l ep u r i f i c a t i o n ，a i rp u r i f i e rc a ns a v e2 0 t o3 0 c o n s u m p t i o n ，u n d e rw o r km o d eo fc o m b i n e dp u r i f yf u n c t i o n ，t h ea i rp u r i f i e rc a l l s a v ec o n s u m p t i o na b o u t1 0 6 - 1 8 6 ，t h i se x p e r i m e n tm e e tt h er e q u i r e m e n to f e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de f f i c i e n t f i n a l l y ，w eu s ep o r o u sm e d i u mm o d e l t os i m u l a t et h eh e p af i l t e rp a p e ri nt h e a i rp u r i f i e r ，f u r t h e r m o r e ，w eu s ef l u e n ts o f t w a r et oa n a l y z et h ea i rp u r i f i e r i n n e r f l o wf i e l d , w h e nt h ee n t r a n c ev e l o c i t yi sf r o ml m st o5 m s ，t h ev a r i a t i o no f p m 鼹u mf i e l da n dv e l o c i t yf i e l da r ea n a l y z e dw h e nt h eh e i g h to fs e c t i o n i s 0 0 5 m ，0 1 0 ma n d0 1 5 m t h er e s u l ts h o w st h a tt h ea i r f l o wi ss t e a d yw h e nt h ew i n d s p e e di sb e t w e e nl m sa n d2 m s ，a n dw h e nt h eh e p af i l t e rp a p e ri so nt h e0 1 0 m s e c t i o n ，t h er e s i s t a n c eo ft h ea i rw a st h eb i g g e s t i nc o n c l u s i o n ，i no r d e rt og e tb e t t e r i n n e rf l o wf i e l d ，w es h o u l di n c r e a s et h es e c t i o n a la r e ao fa i ri n t a k ea n da i ro u t l e t k e y w o r d s ：a i rp u r i f i e r ，m e c h a n i c a ld e s i g n ，c o n t r o l ，f l u e n ts i m u l a t i o n i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景意义 第一章绪论 近年来，随着我国人民物质文化生活水平以及对居家环境要求大幅提高，使 得装饰材料( 地板、油漆、地毯等) 在家庭装潢中大量使用，严重污染室内空气。 加之空调广泛使用，室内空气长期处于密闭环境中得不到及时更换，导致室内空 气质量进一步恶化，灰尘、有害气体及二氧化碳严重超标，威胁着人们的生活质 量、工作效率和身体健康【1 1 。室内空气污染会引起呼吸系统疾病、心脑血管疾病、 过敏性皮炎、头痛等大量疾病 2 1 1 3 1 1 4 1 。这些疾病给患者及其家庭造成了巨大痛苦 和经济负担，也给国家和社会造成了很大损失。 针对这一情况，我国于2 0 0 3 年3 月1 日正式实施了第一部室内空气质量 标准。室内空气质量标准( 部分) 如表1 1 所示。 表1 1 ( 室内空气质量标准( 部分) ! ! ! ：! ：! ! ! 塑! ! 塑垡垫璺竺! 呈! ：旦型! ! 兰! q 兰坐 序号参数单位标准备注 据统计，人一生中9 0 的时间是在室内度过。我们每个人都是室内空气污染 的受害者，所以提高室内空气质量已成为社会关注的焦点，人们迫切希望有一个 安全健康的室内环境1 5 1 。 室内空气的净化主要采用空气净化机。然而室内空气污染各异，设计出一款 符合不同污染情况、能耗低、使用率高的空气净化机成为目前研究的方向。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 空气净化机发展概述 空气净化机是在空气过滤器基础上发展而来，空气过滤器是人们为保护呼吸 l 多功能空气净化机设计及f l u e n t 仿真分析 系统而使用的工具。早在公元1 世纪的罗马，人们提纯水银时就用粗麻制成面具 保护呼吸系统【6 】。2 0 世纪5 0 年代，美国对玻璃纤维过滤生产工艺进行深入的研 究，使空气过滤器得到了提高和发展。2 0 世纪6 0 年代，以玻璃纤维为滤材的 h e p a ( 高效空气过滤器) 在美国问世，用于室内空气净化。2 0 世纪7 0 年代，采 用超细玻璃纤维为过滤材料的h e p a ，对大于0 3 1 上m 的灰尘过滤效率高达 9 9 9 7 。2 0 世纪8 0 年代，更高性能的i h p a ( 超低穿透率过滤器) 问世，u l p a 是在h e p a 基础上加强了过滤效果，对0 3 1 上m 以上粒子的过滤效率高达9 9 9 9 9 9 以上，对直径在0 1 0 1 2 1 m 以上的粒子捕集效率达9 9 9 9 9 5 。如今h e p a 和 u l p a 被广泛应用于无菌( 尘) 室、手术室、半导体元气件生产车间和一些对空气 洁净度有严格要求的场合，极大地促进了电子、航天、精密机械等行业的发展。 从公元1 世纪至今，空气净化机大体上经历了四个时代。 第一代空气净化机采用机械方法净化空气。其主要是指采用过滤、拦截以及 吸附的方法将空气中的灰尘及部分有害气体净化。 第二代空气净化机采用机械方法和物理方法混合的净化技术。物理方法是指 采用静电技术净化空气中的灰尘，其不需要更换滤材，使用方便。 第三代空气净化机主要采用生物净化技术。在原有的净化技术上，利用新型 等离子净化技术和光触媒技术实现集尘、杀菌、除臭等功能1 7 】嗍。 第四代空气净化机在净化空气时，将人、环境、机器作为一个整体进行考虑， 采用系统工程学的方法，使净化效果达到最佳。 这四代空气净化机大多采用机械方法、物理方法、化学方法对室内空气进行 净化。所采用的净化方法主要有：( 1 ) 高效空气过滤器( 对0 3 1 x m 以上的微小 颗粒、粉尘细菌、病毒等物质过滤处理) ；( 2 ) 活性碳技术( 有效中和甲醛、 苯、氨等有害气体) ：( 3 ) 光触媒技术( 抑制病毒活性，杀菌，去除异味) ； ( 4 ) 紫外线消毒( 有效杀灭细菌、病毒等微生物) ；( 5 ) 等离子技术( 有效中 和甲醛、苯、氨等有害气体) 。这四代空气净化机采用的净化方法的优缺点【9 】【1 0 l 比较如表1 2 所示。 2 江苏大学硕士学位论文 高效空气过滤器 针对0 3 微米以上的微小颗 粒、粉尘、细菌、病毒等物 质，过滤有效。 活性炭技术 可吸附空气中的异味 光触媒技术有除尘、杀菌等功效。 臭氧 等离子技术 紫外线消毒 低浓度的臭氧可杀灭留存 于空气中、水中、物体表面 的多种使人和动物致病的 病菌、病毒、支原体和微生 物。 可同时净化多种有害气体，不 需要拆洗，使用寿命跃。 有杀毒、杀菌功能，使 用成本低。 1 容易损坏，不能用水洗 需定期替换才能持续使用， 维护价格昂贵。 2 h e p a 滤网密度高，必须要 有一个强力排吸气风扇去 带动空气流通过它，比较耗 电。 3 只能过滤流过空气中的 污染物微粒及气味。 1 不能通过物理、化学、生 物反应将甲醛、苯等有害物 质分解，以达到净化空气的 目的。 2 需定期更换，费用高。 必须在特定波长的紫外光 激发下才能起效，产品寿命 很短，效果不明显。 净化时不宜人机共存。 1 超标的臭氧是无形杀手， 会造成人的神经中毒、头晕 头痛、视力下降、记忆力衰 退。 2 不宜人机共存。 3 不能吸附固态颗粒。 工作电压高，使用时需做好 安全保护措施。 1 紫外线易对人的眼角膜、 皮肤等造成伤害。 2 不宜人机共存。 在我国大力建设绿色、环保、低碳的社会总体要求下，未来空气净化机发展 方向主要是节能、高效及智能化。主要体现在以下几个方向：多层过滤、全方 位净化：单一功能的空气净化机早已退出市场，为了实现对空气的过滤、杀菌、 除臭、清新功能，单靠一种技术已难以实现。控制趋向人性化：在产品控制上， 3 多功能空气净化机设计及f l u e n t 仿真分析 空气净化机趋向人性化控制。如适时检测空气洁净度，自动调节风量大小，自动、 定时开关机，遥控控制，高清晰显示等。绿色环保节能化：绿色空气净化机是 未来发展的方向，绿色、环保是时代的主题，是未来所有产品共同努力的方向。 1 2 2 国外研究现状 1 9 9 3 年，s m a s u d a , s h o s o k a w a 等人提出了一种采用光触媒技术及可控臭氧 技术，来控制室内的烟雾、微生物、气味的空气净化机【1 1 】。 1 9 9 9 年，a 1 v i i g u n o ，y k i s a n u k i 等人介绍了一种脉冲电晕联合t i 0 2 光催化 室内空气净化系统，它净化室内空气中的细菌效果明显1 1 2 1 。 2 0 0 5 年，h f h u b b a r d ，b i cc o l e m a n 等人研究了采用臭氧技术的空气净化 机二次污染情况，实验在一栋公寓和两个独立房间中进行，表明空气净化机二次 污染会影响人们的健康【1 3 l 。 2 0 0 7 年，a h m a da l s h a w a , a s h l e yr 等人研究了采用电离法净化空气，会生 产一定的细微颗粒。建立了一个动力学模型，分析了电离法产生细微颗粒的过程 0 4 1 o 2 0 0 7 年，f u m i h i d es h i r a i s h i ，t a k e s h in o m u r a 等人建立了一个密闭房间中净 化低浓度甲醛的数学模型，并采用计算机模拟了空气净化机的性能。计算结果表 明在1 0 立方米的密闭房间中，空气净化机可以有效降低甲醛的浓度【1 5 】。 2 0 1 0 年，b a r b a r ak o l a r i k 等人提出了基于光催化氧化法( p c 0 ) 测定空气净 化机对室内空气质量的影响，结果表明空气净化机有效改善了含有建筑材料和家 具的室内空气质型1 6 1 。 2 0 1 0 年，q a m e l i e 等人提出了利用计算流体动力学建立流体模型，从而高效 的使用空气净化机1 1 7 1 。 1 2 3 国内研究现状 我国的空气净化技术自2 0 世纪6 0 年代以来，在一些理论研究和应用方面达 到了先进国家水平，但同世界上工业发达国家相比还有很大差距。近年来国内也 有部分高校和科技人员在这一研究领域进行了探索。 2 0 0 1 年，罗跃辉等人提出了一种利用放电等离子灭菌的空气消毒净化机，它 采用一种独特的横置多重式静电场装置，可在有人情况下连续消毒杀菌，实践应 用表明效果良好【1 8 1 。 4 江苏大学硕士学位论文 2 0 0 3 年，鹿院卫等人针对合理设计空气净化机的内部结构来提高净化效率， 提出了空气净化机内部流场和浓度场分布是影响净化器效率的主要因素【”】。 2 0 0 7 年，张建海等人介绍了基于p i c l 6 c 7 3 的空气净化机控制系统的功能以 及设计原理，并给出了系统的硬件电路设计和软件设计流程图。该控制系统具有 可靠性高，适用性好等优点【捌。 2 0 0 8 年石建国等人针对室内人工产生负离子来有效净化空气，提出了一种 利用a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机实现的空气负离子发生器，并可通过手动按钮、遥控器 或上位机设嚣工作时间及负离子释放浓度【2 1 1 。 2 0 0 9 年，王秋华等人针对如何吸收空气中的二氧化碳，提出了一种新型的 分离烟气的膜吸收法，并从系统工艺、吸收液、采用的膜接触器结构和膜材料等 方面分析【2 2 1 。 2 0 1 0 年，余奇等人将室内空气动态净化方法划分为四代，在对前三代进行较 全面介绍的基础上，提出了一种将人一机一环境系统综合考虑的第四代空气动态净 化方法嘲。 从国内外情况来看，研究人员对空气净化机的研究主要集中在净化技术和对 不同净化技术的实现方案、净化效果进行研究。对空气净化机内部流场的分析 大部分是采用f l u e n t 软件进行分析研究。而对空气净化机机械结构设计以及室内 污染情况检测研究不多，也很少关注室内二氧化碳的净化吸收。 1 3 研究目的 目前市场上的空气净化机种类繁多，然而在净化室内空气时只有单一功能的 工作模式。空气净化机只能使污染的室内空气依次通过各净化层，达到净化空气 的目的，而不能根据室内污染的情况选择正确的净化工作模式。这必然造成空气 净化机工作时的高功耗及资源浪费。 为了解决以上问题，需对空气净化机的机械结构进行改进，设计出一种在单 风道中可切换工作模式的驱动装置。为了准确判断空气污染情况，需设计出一套 空气质量测控系统，完成工作模式的j 下确切换。为了掌握空气净化机内部流场情 况，采用f l u e n t 软件分析，这样大大减少了人力、财力、物力的投入，充分发挥 了仿真的优势。 5 多功能空气净化机设计及f l u e n t 仿真分析 1 4 研究内容及章节安排 本论文研究的是一种多功能空气净化机，包括过滤理论及力学分析，机械系 统设计，控制系统设计，利用f l u e n t 软件对空气净化机内部流场进行模拟分析。 论文章节的具体安排如下： 第一章主要介绍本课题研究背景，空气净化机发展概述，研究目的和意义以 及国内外研究现状。 第二章主要介绍多功能空气净化机的净化功能，并根据经济性和净化效果好 的要求选择相应的净化方法和材料，并分析了净化机理。对灰尘净化阻力和二氧 化碳净化阻力进行了理论分析计算。 第三章主要介绍多功能空气净化机总体结构方案设计，风道设计及驱动装置 设计。介绍了多功能空气净化机工作模式切换方法及工作原理。风道设计包括： 风道口设计计算，风道中净化工位设计和风机选择计算等。驱动装置设计包括： 工作模式切换方法，驱动装置设计和传动部件设计计算等。 第四章主要介绍多功能空气净化机测控系统设计。测控系统包括硬件电路和 软件。硬件电路包括二氧化碳检测电路、有害气体检测电路、灰尘浓度检测电路、 供电电路和继电器控制电路等。软件包括主程序、信号采集程序和l c d 显示器 程序等。实验部分通过测控系统和空气净化机模拟了单净化工作模式和组合净化 工作模式两种工况。搭建了试验平台，在模拟的室内污染环境中，测试了系统运 行的稳定性和可靠性。 第五章主要介绍多功能空气净化机内部流场三维数值模拟分析。介绍了仿真 软件f l u e n t ，仿真数学模型，仿真计算步骤。空气净化机中h e p a 滤纸采用多孔 介质模型进行仿真计算。建立了多功能空气净化机内部流场的几何模型。对不同 进口风速下多功能空气净化机在不同截面上压力场和速度场进行分析。 第六章主要对论文研究情况进行总结，对多功能空气净化机设计进行展望。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章空气净化方法、机理及力学分析 2 1 空气净化功能设置 综合研究表明，室内污染物主要分为：灰尘、烟雾、细菌、花粉等颗粒物： 甲醛、苯、氨、氡等有害气体f z 4 l ；一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等【2 5 1 。 空气净化机一般在以下情况中使用：室内刚装潢完成，室内存在大量的甲 醛、苯、氨、氡等有害气体，需要采用空气净化机净化有害气体。人们日常居 住的室内，由于人们的活动空气中存在着大量灰尘、烟雾、细菌、花粉等，需要 采用空气净化机净化吸收灰尘。夜晚人们睡觉的卧室或开会的会议室，由于门 窗紧闭不能及时换气加之人们的呼吸作用，空气中二氧化碳含量升高，需要采用 空气净化机吸收净化二氧化碳。 市场上空气净化机中净化功能一般包括：灰尘净化功能，有害气体净化功能， 空气加湿功能等。很少涉及到对房间中二氧化碳的净化功能，针对以上情况及人 们对空气净化机的使用要求，本文设计的空气净化功能包括灰尘净化功能，有害 气体净化功能及二氧化碳净化功能。 2 2 净化方法及净化层材料选择 根据本文选择的三种空气净化功能，需要分别选择相应的净化方法和其净化 材料。在选择的过程中，需综合考虑净化效果、使用寿命、安装方便、经济适用 等方面的因素。 2 2 1 灰尘净化法及材料选择 ( 1 ) 灰尘净化法 灰尘净化法主要包括：湿式净化法、静电式净化法、过滤式净化法。 湿式净化法是一种利用水浴作用进行除尘的方法。它利用风机将含尘气体吸 入到水槽中，经过水槽水浴后灰尘会吸附在水中。该方法具有操作简单、维修方 便、易于实现等优点，但也存在水槽腐蚀、污水和污泥处理等问题。 静电式净化法是将含尘气体，通过接有高压直流电源的阴极线和接地的阳极 7 多功能空气净化机设计及f l u e n t 仿真分析 板之间。由于阴极发生电晕放电，气体被电离，带负电的气体离子在电场力的作 用下向阳极板运动，在运动中与粉尘颗粒相碰，使灰尘也带负电。在电场力的作 用下，灰尘也向阳极运动，到达阳极后，放出所带的电子，灰尘则沉积于阳极板 上，达到净化灰尘的效果。该方法主要应用于工业除尘。 过滤式净化法是由各种不同材料的过滤器组成。其一般分为中效过滤器、高 效过滤器、超高效过滤器【2 6 1 。中效过滤器的滤芯一般由金属网、尼龙网组成。 这种过滤器的滤芯孔径较大，一般大于1 0 1 m l ，主要用于过滤大于1 0 p r o 的灰尘 颗粒物。 高效过滤器的滤芯是由h e p a ( h i g he f f i c i e n c yp a r t i c u l a t ea i rf i l t e r ) 滤纸组 成【2 7 1 。h e p a 过滤网对于o 1 9 m 和0 3 1 虹n 的灰尘颗粒吸收效率能够达到9 9 7 ， h e p a 滤芯的特点是空气可以顺利通过，但无法通过。它对直径为0 3 1 m l 以上的 灰尘颗粒去除效率可达到9 9 9 7 以上，对室内空气中大量存在的烟雾、灰尘以 及细菌等污染物能有效过滤。 超高效过滤器的滤芯是由u l p a ( u i t r al o w p e n e t r a t i o na i rf i l t e r ) 滤纸组成【2 8 1 。 u l p a 是在h e p a 基础上进一步加强了它的过滤效果，u l p a 对0 3 p r o 以上的 微粒子的过滤效率达到9 9 9 9 9 9 以上。u l p a 与h e p a 相比，滤料结构更 紧凑，过滤面积更大，过滤效率更高，价格也更昂贵。 ( 2 ) 灰尘净化方法和材料选择 考虑到室内空气中灰尘一般为烟雾、毛发、头屑等，且污染浓度不高。综合 考虑对这些灰尘的净化效果，净化材料价格和易于实现等因素，本文采用过滤式 净化法，选用高效过滤器作为多功能空气净化机的灰尘净化材料。 2 2 2 有害气体净化法及材料选择 ( 1 ) 有害气体净化方法 有害气体净化方法主要包括：活性炭净化法、臭氧净化法、低温等离子净化 法等。 活性炭净化法的原料是一种很细小的炭粒，它有巨大的比表面积，含有大量 微孔一毛细管。这种毛细管具有很强的吸附能力，由于炭粒的表面积很大，所以 能与有害气体充分接触。当有害气体碰到毛细管被吸附，起到净化作用。该方法 可以吸收空气中部分有害气体，但需要定期更换，使用不方便，费用也较高。 8 江苏大学硕士学位论文 臭氧净化法是利用臭氧的强氧化性与有害气体发生氧化还原反应，达到净化 空气的目的。该方法可有效净化空气中的有害气体，但是会产生二次污染，对人 体健康不利。 低温等离子净化法利用高压、高频脉冲电晕放电，产生低温等离子。其净化 主要分为两个方面，一方面在产生等离子体的过程中，高频放电产生的瞬时高能 量，打开某些有害气体分子的化学键，使其分解成单质原子或无害分子。另一方 面等离子体中包含了大量的高能电子、强氧化性离子、激发态粒子等自由基。它 们可以和有害气体发生化学反应生成水、二氧化碳等，达到净化空气的目的【2 9 1 。 低温等离子具有以下优点：可同时净化多种有害气体；净化效率高；不会 产生二次污染；不需要拆洗，使用寿命长，价格便宜。故本文选用低温等离子 净化法吸收室内有害气体。 ( 2 ) 有害气体净化材料选择 低温等离子发生器材料主要包括：负电极( 碳纤维发射头) ，正电极( 抗氧 化金属电极) ，毛细管，毛细管外的绝缘体，壳体等部分刚。 2 2 3 二氧化碳净化法及材料选择 ( 1 ) 二氧化碳净化法 吸收二氧化碳净化法主要包括：低温分离法、变压吸附法、膜吸收法等【3 1 1 。 低温分离法是将含有二氧化碳的混合气体在低温环境下进行冷凝，使其发生 相变，达到分离二氧化碳的目的。 变压吸附法是利用吸附剂对不同气体在吸附速度、吸附力等方面的差别，在 加压时实现对气体中二氧化碳的分离，此方法适用于气固分离。 膜吸收法是一种将膜分离和化学吸收相结合的一种新型二氧化碳吸收方法。 膜吸收法的具有以下特点：混合气体和吸收剂分别在膜孔的两侧表面处；混 合气体和吸收剂不分散于另一相；混合气体和吸收剂两相互不干涉；中空纤 维膜表面积大，有效提高气液接触面积。 膜吸收法的优点在于能耗低、传质效率好、操作性强、易于实现等。考虑到 二氧化碳气体吸收的易于实现，操作简单，适合家用空气净化机，本文选择膜吸 收法吸收空气中的二氧化碳。 ( 2 ) 二氧化碳净化材料选择 9 多功能空气净化机设计及f l u e n t 仿真分析 膜吸收法的材料选择包括两个方面：中空纤维膜材料；吸收剂。 目前国内外膜接触器材料主要有聚砜、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚偏 氟乙烯等1 3 2 1 。在实际应用过程中，聚丙烯膜材料应具有性能稳定、良好的耐热性、 传质性能高、价格便宜等特点。根据以上优点，本文选用聚丙烯膜作为二氧化碳 吸收剂膜材料。 吸收剂主要有：醇胺类、强碱类、苛性钾掣3 3 1 。强碱类吸收效率高，但是 腐蚀性强、价格昂贵，不适用于家庭空气净化机。苛性钾在吸收过程放出热量， 会对气流组织的运动产生影响。醇胺类溶液具有吸收效率高、腐蚀性低、价格便 宜等优点。本文选用国际上广泛适用的醇胺类溶液作为吸收剂。 2 3 净化机理 2 3 1 灰尘净化机理 h e p a 滤纸是由玻璃纤维制成，其过滤灰尘颗粒物的机理主要有五种：重力 效应、静电效应、拦截效应、惯性效应和扩散效应【3 4 1 。 重力效应是指气流穿过过滤器时，粒子在重力的作用下脱离气流流线而沉积 在过滤器纤维上。这种过滤机理对于大直径的颗粒有效，对于直径小于0 5 9 i n 的 粒子可忽略此效应。高效灰尘过滤器一般不考虑此效应。 静电效应是指在静电场作用下，使气流中的颗粒沉积在过滤器上。由于摩擦 作用，纤维和颗粒都有可能带上电荷，在静电力作用而产生纤维吸引颗粒效应。 而电荷由摩擦产生，不能长期存在，产生的吸引力也很小。此种过滤机理基本不 用于高效过滤器上。 拦截效应是指气流运动到纤维表面附近时，如果从流线到纤维表面的距离小 于或等于颗粒的半径，颗粒就可能被拦截下来，这种效应称为拦截效应。 惯性效应是指过滤器中的气流及气流中的颗粒由于在流线方向上有很多的 纤维，要经激烈的拐点，当颗粒的质量较大或者速度较快时，在流线拐弯时，微 粒由于惯性来不及跟随流线绕过纤维，因而脱离流线向附近的纤维靠近，并撞在 纤维上进而沉积下来的过滤机理。 扩散效应是指气流中的微小粒子由于气体分子热运动碰撞而产生的布朗运 动，由于布朗运动使微小粒子的与纤维接触的机会增大，使微小粒子运动到纤维 1 0 江苏大学硕士学位论文 上进而沉积。常温下o 1 1 t m 的微粒每秒钟扩散距离达1 7 p r o ，比纤维间距离大几 倍至几十倍，这就使微粒有更大的机会运动到纤维表面而沉积下来，而大于 0 3 1 a n 的粒子其布朗运动会减弱，一般不可以靠布朗运动使其离开流线碰撞到纤 维上面去。 高效过滤器的过滤机理一般为拦截效应、惯性效应和扩散效应三种。 2 3 2 有害气体净化机理 低温等离子体是在自然界中除固态、液态、气态之外，存在的第四态。其净 化有害气体的过程就是和有害气体发生催化化学反应的过程，其可以清除空气中 绝大部分有害气体。催化净化的化学反应式如下： t d 2 专2 d ( 2 1 ) t h 2 0 2 专2 ( a ) _ 日+ o o h ( 2 2 ) n o ,n z + d 2 ( 2 3 ) 0 s o x s + 0 2 ( 2 4 ) 0 c 0 2 _ c + 0 2 ( 2 5 ) d 2 ( 埘) + d d 3 ( 埘) ( 2 6 ) 0 日+ h 2 s 一椰+ h 2 0 ( 2 7 ) o + h 2 sj 椰+ 0 h ( 2 8 ) o h + h 3 寸埘2 + h z o ( 2 9 ) o h + c o c 0 2 + o h ( 2 1 0 ) 2 3 3 二氧化碳净化机理 膜吸收法利用中空纤维膜把混合气体和吸收剂分开。中空纤维膜本身不可以 吸收二氧化碳，只是起到隔离气体和吸收液的作用。中空纤维膜的微孔大于气体 分子的直径( 通常中空纤维膜的孔径在o 1 n m 左右，而n 2 、0 2 、c 0 2 分子直径 小于3 7 1 0 3 岬) ，在一定的压力下，气体可以穿过中空纤维膜而与吸收剂接触， 吸收剂与二氧化碳发生化学反应，达到净化吸收二氧化碳气体的目的【3 5 1 1 3 6 1 。 多功能空气净化机设计及f l u e n t 仿真分析 2 4 净化力学分析 2 4 1 灰尘净化力学分析 过滤器最重要的特性指标有四项：滤速或面速、效率、阻力和容尘量。本文 主要研究h e p a 滤纸滤速、效率和阻力三个参数对其工作中的影响【3 r l t 3 s l 。 ( 1 ) 滤速和面速 过滤器的通风量可以通过面速或滤速来衡量。滤速是指滤料面积上的通过气 流的速度。其反映滤料的过滤性能，采用的滤速越低，一般来说将获得较高的效 率；而过滤器允许的滤速越低，则说明滤料阻力较大。滤速表达式为： ，：墼：0 0 2 8 q ( 2 1 1 ) fx 1 0 jx 3 6 0 0 式中：q 一风量，m 3 h ；f 一滤料的净面积，m 2 。 面速是指过滤器截面上的通过风流的速度m s 。表达式为： 砧：卫 ( 2 1 2 ) t x 3 6 0 0 式中：f 一过滤器截面面积，即迎风面积，m 2 。 ( 2 ) 效率 过滤效率反映纤维对粉尘的捕集效果。数学公式表达如下i 叩= 警= 笋十务姐o o 旺 。 g l。q 、 l 7 式中：g i 、g 2 一过滤器进出1 3 气流中微粒的质量，m g h ；n l 、n 2 一过滤 器进出口气流中含尘浓度，m g m 3 。 ( 3 ) 过滤器阻力 过滤器的阻力主要由两部分组成：滤料阻力和过滤器结构阻力。而过滤器结 构阻力又包括气流进出1 3 阻力和进出气道摩擦阻力两部分，所以对于本文的过滤 器而言，其全阻力嗍可表达为： a p = 鹋+ 必= 纰+ 必i + 叱+ 皑l + 峨 ( 2 1 4 ) 式中：邮一滤料阻力，p a ：必一过滤器结构阻力，p a ：必。，叱气流 江苏大学硕士学位论文 进出气道摩擦阻力，p a ；蝎一进气多孔板阻力，p a ；如一出气侧阻力，p a ； 出气侧阻力只：较小，一般在5 p a 左右，可忽略不计。假设进出气道摩擦阻力相 等，则蝇。= 必：。 对纤维过滤器来说，滤料的阻力是由气流通过纤维层时对纤维的迎面阻力造 成的。这个阻力的大小和在纤维层中流动的气流是层流还是湍流关系极大。由于 过滤器的过滤速度很小，雷诺数很小，所以纤维层内的气流属于层流。 单位长度纤维看作一个孤立圆柱，当气流垂直于它的长轴时，其上所受的作 用力应是其单位长度截面和动压的函数： f = c 公，l ，2 争 ( 2 1 5 ) 式中：f 一阻力，n m ：c 一阻力系数；见气体密度，磁m 3 ；1 ，一过 滤速度，m s ；d ，一纤维直径，m 。 这样滤料内全部纤维长度上所受之力即为兕，二为纤维全长。滤料全部纤维 上所受的力就是滤料所受的力，平均到它的单位面积上则为它所受的阻力，以 纰表示阻力，则阻力为： 纰：_ f l ：= f 百4 s h a ：4 f _ h 广( z ( 2 1 6 ) 1 ss 砬； 疵； 式中：! 冬一单位体积内纤维长度，m ；日一滤层厚度，m ；s - - 澍4 5 i 删： 积，小2 。 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 6 ) 得 必：2 c v 2 h a c p , ( 2 1 7 ) 3 硇f 这是阻力的理论表达式，问题是如何确定阻力系数c 。对影响纰的几种明 显因素进行实验，得到如下关系： 当其他因素固定、只变化滤速v 时，在较大范围内有： 鹋o c 矿 ( 2 1 8 ) 多功能空气净化机设计及f l u e n t 仿真分析 3c m s 1 ， 5c m sn = 0 7 5a 阳招 v 1 9 c m s n = 1 0 4 0c m s 1 ， 2 0 0c m sn = 1 2 - - - 1 3 不同厚度滤料阻力 只芘日 ( 2 1 9 ) 当1 ，、日一定，变化填充率口时， 嵋口4 ( 2 2 0 ) 对玻璃纤维，试验表明： m = 1 酣严 ( 2 2 1 ) 用断面形状一样、粗细不同的纤维测定纤维直径对凹的影响： 嵋