靜電式空氣凈化器電暈及電弧噪聲實驗研究1

劉立翠, 李樹然, 鄭欽臻, 劉 振, 閆克平

(浙江大學(xué) 化學(xué)工程與生物工程學(xué)院 工業(yè)生態(tài)與環(huán)境研究所, 浙江 杭州310027)

1 前 言

隨著空氣污染的加重和人們生活水平的提高，人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量的要求在不斷提高[1-2]?？諝鈨艋饕阎饾u成為人們生活中的一種必需品，廣泛應(yīng)用于辦公室、臥室、醫(yī)院、汽車車艙等場所[3]。目前國內(nèi)市場銷售的空氣凈化器種類繁多，常用的凈化手段可以分為3 類：機械濾網(wǎng)式、光催化氧化以及靜電除塵式[4]。機械濾網(wǎng)式空氣凈化器由于其高捕集效率和低成本而備受消費者青睞，然而其替換下來的濾芯難以重復(fù)使用，屬于一次性消耗品[5]。此外若濾芯替換周期過短則經(jīng)濟(jì)性不強，周期過長又易造成凈化效率下降和二次污染[6]。光催化氧化技術(shù)利用紫外線照射光催化劑產(chǎn)生電子和空穴，進(jìn)而氧化其表面吸附的水分子以形成 ·OH 等活性基團(tuán)，最終將空氣中的VOCs (volatile organic compounds)降解為CO2和H2O 等[7-8]。其缺點在于降解過程所需反應(yīng)時間長，總凈化量和凈化效果之間難以平衡[9-11]。

靜電式空氣凈化器通過電暈放電使含塵氣流中的塵粒荷電，帶電塵粒在電場力作用下定向移動，最終被集塵板捕獲，從而實現(xiàn)將顆粒污染物從空氣中分離的目的[12]。此類凈化器具備氣流阻力小、潔凈效率高、易拆卸清洗、無耗材等優(yōu)點[13]。然而在實際運行中該類凈化器仍存在諸多問題。近年來，關(guān)于靜電式空氣凈化器的拆卸清洗和臭氧問題的研究眾多[14-18]，但關(guān)于其在運行過程中的電暈放電和伴生電弧產(chǎn)生可聽噪聲的研究提及甚少。凈化器在運行過程中產(chǎn)生的噪聲尤其是電弧噪聲嚴(yán)重影響用戶體驗，并帶來安全隱患。同時，電弧放電也影響凈化效率，因此開展靜電式空氣凈化器電暈和電弧放電的噪聲研究對該技術(shù)的推廣有重要意義。

關(guān)于電暈噪聲的研究，INGARD 給出了放電過程中等離子體聲波產(chǎn)生的機理，隨后又提出了弱電離氣體中聲波放大的原理[19-20]。FITAIRE 等驗證了弱電離氣體中聲波傳播的規(guī)律[21]。MATSUZAWA 在35 kV直流放電疊加交流放電基礎(chǔ)上，對多針-板式電暈放電產(chǎn)生的聲波特性進(jìn)行了實驗[22]。CHIZHOW 對臨近擊穿的放電聲波進(jìn)行了模擬[23]。國內(nèi)的電暈噪聲研究主要集中在高壓輸電線路領(lǐng)域，亦能夠為電暈噪聲的研究提供一定參考依據(jù)。在電弧噪聲方面，BAKER 最早通過實驗發(fā)現(xiàn)嘶聲電弧噪聲與電弧電流的不規(guī)則振蕩呈正相關(guān)[24]。隨后EATHER 利用數(shù)值分析方法發(fā)現(xiàn)放電和噪聲之間的強關(guān)聯(lián)性[25]。DROUET 也給出了一些電弧特性的數(shù)值模擬，但電流強度都集中在kA 級別[26]。AYRTON 研究了電弧長度與電流、電壓的關(guān)聯(lián)，提出當(dāng)火花放電轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀》烹姇r，電壓下降10 V 的同時電流急劇上升2～3 A[27]。

本文采用一種家用靜電型空氣凈化器和自主設(shè)計的電弧模擬發(fā)生裝置，利用該空氣凈化器配套的直流高壓電源，通過調(diào)節(jié)電路中的線路阻抗和充電電容，探索電暈噪聲、電弧噪聲的大小與放電特性的關(guān)系，為降低電暈噪聲、抑制電弧噪聲提供初步方法。

2 實驗裝置與方法

為了分別探索電暈噪聲、電弧噪聲與放電特性的關(guān)系，實驗包括兩部分：第一部分通過調(diào)節(jié)線路阻抗和充電電容探索電暈噪聲與電氣特性之間的聯(lián)系；第二部分通過放電間隙、線路阻抗和充電電容探索電弧噪聲與電氣特性之間的關(guān)系。

2.1 電暈噪聲實驗

2.1.1 實驗裝置

電暈噪聲實驗裝置如圖1 所示，可分為放電單元和檢測單元。放電單元包括直流電源和除塵模塊，其中高壓直流電源額定輸出電壓6.8 kV，額定輸出電流 300 μA。除塵模塊尺寸為 610 mm × 52 mm ×230 mm，由線板放電的電離區(qū)和板板結(jié)構(gòu)的集塵區(qū)構(gòu)成，電離區(qū)鎢絲和集塵區(qū)高壓極板上的高壓由同一高壓直流電源提供。檢測單元包括直流微安表、Northstar 高壓探頭(1 000:1)、Tektronix 示波器、噪聲檢測儀和索尼α6300 相機。為了屏蔽放電過程中的電磁干擾，將噪聲檢測儀等儀器及其線纜置于屏蔽網(wǎng)中。實驗測試時除塵模塊、相機、噪聲檢測儀均放在不透光的暗箱中。

圖1 電暈噪聲實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the corona noise experimental setup

2.1.2 實驗方法

電暈噪聲實驗變量包括電阻R1 和R2 的阻值、高壓直流電源充電電容容值。靜電除塵器運行時，用噪聲檢測儀記錄5 min 的電暈噪聲分貝值，再求取其時域均值作為特征值。流經(jīng)除塵器的運行電流由微安表μA1 讀取，運行電壓由Tektronix 示波器和Northstar 電壓探頭(1 000:1)測得，同時用相機記錄下不同條件下的電暈放電現(xiàn)象。

2.2 電弧噪聲實驗

2.2.1 實驗裝置

電弧噪聲實驗裝置示意圖如圖2 所示，與電暈放電實驗裝置類似，不同的是電弧發(fā)生時的電流是用Pearson 電流探頭6585 (1:1)和Tektronix 示波器監(jiān)測的。由于實驗時，凈化器的電弧放電發(fā)生具有隨機性，無法持續(xù)產(chǎn)生，因此采用自制電弧發(fā)生裝置。自制的電弧模擬發(fā)生裝置是一種針-針式火花隙，采用3 組針-針放電和單組針-針放電的布置方式，其發(fā)生電弧放電時與空氣凈化器電弧放電具有相同的性質(zhì)。電極直徑為0.6 mm，針-針間距在1～7 mm 可調(diào)。3 組針-針放電時，組與組之間的間隔為13 cm。

2.2.2 實驗方法

電弧噪聲實驗變量包括串聯(lián)電阻阻值、針-針對組數(shù)、針-針間距、高壓直流電源電容容值。實驗中，用示波器記錄電弧發(fā)生時的電流和電壓曲線。用噪聲檢測儀記錄不同實驗條件下5 min 內(nèi)的電弧噪聲曲線并求其噪聲均值。在放電間距為3 mm 時，電弧的典型電流電壓波形圖如圖3 所示。3 mm 間隙時3 針-針電弧放電照片如圖4 所示。

圖2 電弧噪聲實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the arc noise experimental setup

圖3 電弧放電時的典型電流電壓波形Fig.3 Typical current and voltage waveforms during arc discharge

圖4 典型電弧放電照片F(xiàn)ig.4 Typical arc discharge photo

3 結(jié)果與討論

3.1 電暈噪聲

3.1.1 電流電壓與電暈噪聲的關(guān)系

實驗分兩步進(jìn)行，首先通過調(diào)節(jié)除塵模塊的并聯(lián)電阻，使得通過除塵模塊的電流分別為217.5、183、154、94 和40 μA。用噪聲檢測儀記錄不同電流條件下5 min 內(nèi)的典型電暈噪聲時域曲線，如圖5 所示，平均電暈噪聲等級隨電暈電流的減小而降低。同時電暈放電照片顯示流經(jīng)除塵模塊的電暈電流越小，電暈放電越弱，電暈流光分布也越不均勻。另外，在電暈放電過程中，會出現(xiàn)偶發(fā)的火花放電，造成噪聲曲線尖峰。這種現(xiàn)象表明，在實際使用過程中，電暈放電并非完全穩(wěn)定，容易發(fā)生局部波動，從而產(chǎn)生電弧放電，造成噪聲污染。

隨后將除塵模塊與電阻串聯(lián)，串聯(lián)電阻阻值在0～4 080 k?，除塵模塊與不同阻值電阻串聯(lián)時的電流、電壓和噪聲曲線如圖6 所示。隨著串聯(lián)電阻阻值的增加，運行電壓略有下降，未串聯(lián)電阻時電壓最高，為 6.36 kV；串聯(lián)電阻阻值為4 080 k? 時，運行電壓最低，為6.2 kV；串聯(lián)電阻阻值在1～3 060 k?，電壓基本保持不變，約 6.28 kV。運行電流隨串聯(lián)電阻阻值的增大呈下降趨勢，在電阻阻值為 0～2040 k?之間下降緩慢，在2 040～4 080 k? 時下降較快，電阻每增加510 k?，電流下降10～20 μA，同時電暈噪聲與電流下降的趨勢基本一致，隨阻值增加，從47.7 降至 44.3 dB。電暈噪聲強度與電暈電流的大小呈正相關(guān)，當(dāng)電暈電流減少時，電暈噪聲強度能夠隨之降低。但電暈電流與荷電和除塵效率亦有關(guān)聯(lián)，因此應(yīng)該通過調(diào)節(jié)合理的電暈電流，從而平衡電暈噪聲和除塵效率。

3.1.2 充電電容的影響

實驗時直流高壓電源與除塵模塊直接連接，改變直流高壓電源上的充電電容，每一組容值下的電暈噪聲、運行電流和運行電壓如圖7 所示。電容增大到27 pF 以后，該高壓電源已經(jīng)能夠維持穩(wěn)定的輸出高壓，除塵單元的運行電壓、運行電流不再隨充電電容的增加而發(fā)生變化，此時電暈噪聲也基本保持不變。電容低于27 pF 時，盡管電暈噪聲明顯降低，但同時充電電壓和電流也會顯著降低，容易影響收塵特性。

圖5 并聯(lián)不同電阻時電暈噪聲與電流的關(guān)系Fig.5 Correlation between corona noise and current when paralleling different resistors

3.2 電弧噪聲

3.2.1 針-針間距的影響

實驗時電源與自制模擬電弧發(fā)生裝置直接連接，三組針-針放電針尖間距以1 mm 為間隔，從1 增至7 mm，記錄5 min 內(nèi)的噪聲曲線如圖8。單組針-針放電針尖間距從1 增至6 mm，不同電極間距下5 min 內(nèi)的噪聲曲線如圖9。單組針尖在7 mm 的間距條件下，由于無法持續(xù)產(chǎn)生電弧放電，因此未進(jìn)行電弧噪聲的測試。3 組和單組電極的設(shè)置目的是測試凈化器在不同位置發(fā)生電弧放電時的噪聲差別。不同間距下3 組和單組針-針放電的噪聲均值如圖10 所示，1、3 和5 mm 3 個間距下串聯(lián)不同阻值電阻時單針-針電弧放電的電壓電流最大值曲線如圖11 所示。

圖6 串聯(lián)不同電阻時電暈噪聲與電流電壓的關(guān)系Fig.6 Relationship between voltage, current and corona noise when connecting different resistors

圖7 更換不同電容時電暈噪聲與電流電壓的關(guān)系Fig.7 Relationship between voltage, current and corona noise when replacing different capacitor

圖8 不同間距下三針-針電弧放電噪聲曲線Fig.8 Three sets of needle-needles’ arc noise at different gaps

圖9 不同間距下單針-針電弧放電噪聲曲線Fig.9 One set of needle-needles’ arc noise at different gaps

圖10 不同間距下單組針-針放電與三組針-針放電的噪聲均值Fig.10 Noise comparison of three sets of needle-needle discharge and one set of needle-needle discharge at different gaps

圖11 不同間距下電流電壓與串聯(lián)電阻的關(guān)系Fig.11 Relationship between peak current and voltage at different gaps

由圖8、9 可以看出隨著電極間距的增加，無論電極組數(shù)多寡，電弧噪聲均有增加的趨勢，3 間隙情況下噪聲的擾動更大。結(jié)合圖10 可以看出3 組針-針放電的電弧噪聲均值低于單組，其原因可能是3 組針-針放電電弧發(fā)生的位置具有隨機性，有可能在遠(yuǎn)離噪聲檢測儀的位置發(fā)生電弧放電，同時，3 針同時發(fā)生電弧放電使放電電流有所降低。另外電弧發(fā)生時噪聲分貝值在74～88 dB，遠(yuǎn)高于電暈噪聲。最后從圖11 可以看出隨著針尖間隙的增加，電壓和電流峰值都隨之增加。這可能是因為放電間隙增加導(dǎo)致線路阻抗增加，充電電容電荷積累難以及時釋放，從而使得電極兩端電壓和電流也隨之增加，電弧噪聲也有所提高。

3.2.2 電流電壓與電弧噪聲的關(guān)系

單組針-針放電，保持針尖間距 3 mm 不變，串聯(lián)阻值不同的電阻，記錄每一組阻值下的電弧噪聲、運行電流的最大值、電壓的最大值，如圖12 所示。

圖12 串聯(lián)不同電阻時電弧噪聲與電弧電流電壓的關(guān)系Fig.12 Relationship between voltage, current and hissing arc noise when connecting different resistors

從圖 12 可以看出，隨著串聯(lián)電阻阻值的增大，電弧噪聲均值先降低后升高，在增加串聯(lián)電阻至510 k? 時，噪聲均值最小。該阻值下電弧噪聲有顯著下降，噪聲均值從85 降至63 dB，但在通過噪聲時域曲線可以發(fā)現(xiàn)電弧噪聲值波動較大，在55～75 dB 反復(fù)。此外，電流最大值變化趨勢與電弧噪聲均值變化趨勢幾乎一致。一般而言，電弧噪聲的強度與電弧電流呈正相關(guān)[24]，如果能降低電弧電流的大小，存在降低噪聲的可能性。但電弧并非簡單的阻性阻抗，在起弧后，維持電弧所需的電流非常小，只有mA 級別。因此，增加串聯(lián)電阻阻值并不明顯改變電流，即難以在不影響正常放電的條件下，降低電弧電流而達(dá)到抑制電弧噪聲的目的。從圖 12 還可以看出電弧發(fā)生時，電極兩端電壓值隨著阻值的增大有明顯上升的趨勢，可能是由于阻抗的增加，電極間釋放電荷的難度增加，充電電容上累積的電荷使得電壓會有所提高。

3.2.3 充電電容的影響

單針-針放電且間距為3 mm，直流高壓電源與反應(yīng)器之間不串電阻直接連接，更換直流高壓電源上的電容(直流高壓電源自帶的電容容值為 470 pF)，記錄每一組容值下的電弧噪聲、起弧電流的最大值、起弧電壓的最大值，如圖13 所示。

事實上，放電電流與充電電容有極大的關(guān)聯(lián)。從圖13 可以看出，隨著充電電容容值的增大，電弧噪聲呈下降趨勢。另外從電壓電流來看，運行電壓峰值亦有明顯的下降，電流總體也呈現(xiàn)下降的趨勢。其原因可能是充電電容容值越大，充電和放電速度越慢，當(dāng)電容增大到一定程度后，電容難以滿足電弧放電的速度，從而使得放電電流降低，電弧噪聲也隨之下降?？梢娙葜翟叫〉碾娙莘炊闺娀≡肼曉酱螅?dāng)容值增至470 pF 以后，繼續(xù)提高容值對整體電流、電壓的輸出幾乎沒有影響，電弧噪聲也不變。

圖13 更換不同電容時電弧噪聲與電流電壓的關(guān)系Fig.13 Relationship between peak voltage, peak current and arc noise when replacing different capacitors

4 結(jié) 論

通過調(diào)節(jié)線路阻抗、放電間隙、充電電容等研究靜電式空氣凈化器電暈噪聲、電弧噪聲與電流電壓的關(guān)系，得到以下結(jié)論：

1) 凈化器正常運行的電暈噪聲在44.3～48 dB，電暈噪聲的強度與運行電流的大小呈明顯正相關(guān)，增加線路阻抗或減小充電電容，可以降低放電電流，從而削弱電暈噪聲，但同時影響除塵特性。

2) 電弧噪聲在55～88 dB，一旦發(fā)生電弧放電會對人明顯的干擾。相同條件下，起弧電流和運行電壓均隨電極間距的增加而增大，電弧噪聲強度與起弧電流也呈現(xiàn)一定的正相關(guān)，增加線路阻抗雖然存在降低電弧噪聲的可能性，但難以抑制電弧的產(chǎn)生。

3) 低電容情況下，運行電壓和電弧電流峰值都比470 pF 時大，電弧噪聲也更加明顯，當(dāng)電容容值達(dá)470 pF 后，電流電壓的輸出都趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增加電容對電流和電壓的輸出無明顯影響，電弧噪聲也保持不變。

初步的實驗結(jié)果表明目前已有的一些限制電流大小的方法，譬如增加線路阻抗、改變充電電容等并不能簡單應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，可以從兩個方面采取措施降低凈化器運行過程中的電暈噪聲及偶發(fā)性的電弧噪聲，一方面通過電源主動控制，在電弧發(fā)生時自動斷電從而阻斷電弧的發(fā)生；另一方面通過調(diào)整除塵模塊的結(jié)構(gòu)如改變集塵板間距或荷電線結(jié)構(gòu)等，在不影響除塵特性的情況下盡可能降低電暈噪聲。