工廠空氣凈化裝置的設(shè)計與研究

林鐘衛(wèi)，王琴，羅準(zhǔn)，朱邦杰，葛江宇，鄭雄勝

（1.浙江海洋大學(xué) 船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江 舟山316022；2.舟山市知創(chuàng)科技開發(fā)有限公司，浙江 舟山316000）

0 引言

由于紡織廠、煉鋼廠、化工廠等車間環(huán)境惡劣，空氣中粉塵、油霧等雜質(zhì)太多，影響車間工人的身體健康[1]，而現(xiàn)有技術(shù)的集塵設(shè)備在工作過程中，會將部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為了熱能，使得排出的氣體具有較高的溫度，影響人體的舒適性。尤其是應(yīng)用于工廠的大型集塵設(shè)備，經(jīng)凈化后的大量溫度較高的氣體被排入至廠房內(nèi)，使廠房內(nèi)溫度升高，導(dǎo)致工人感到燥熱；另外，溫度的升高還會影響機(jī)械設(shè)備的使用壽命、增加故障率。

此外，如果室內(nèi)空氣過于干燥或濕度過大，會引起室內(nèi)人員的不適。本文在傳統(tǒng)空氣凈化器的基礎(chǔ)上，設(shè)計一新款紡織廠用空氣凈化裝置，在保證凈化加濕空氣的同時還能減少熱量散失。

1 研究現(xiàn)狀

由于環(huán)境問題關(guān)乎人們的健康，尤其在室內(nèi)封閉環(huán)境下，空氣中的污染物聚集，容易引發(fā)呼吸道疾病，相關(guān)學(xué)者對此做了研究，提出了自己的設(shè)計方案。熊英瑩等[2]設(shè)計提出一種節(jié)能型空氣凈化裝置（如圖1），該裝置將流體力學(xué)與熱力學(xué)能量守恒轉(zhuǎn)換相結(jié)合，舍棄傳統(tǒng)的扇葉結(jié)構(gòu)而采用先進(jìn)的負(fù)壓式變截面結(jié)構(gòu)，同時在凈化工藝方面也是采用先進(jìn)的活性炭吸附及負(fù)離子技術(shù)與紫外燈殺菌技術(shù)，整個裝置設(shè)計合理、節(jié)能環(huán)保、空氣凈化率高。

圖1 凈化原理示意圖

王應(yīng)軍等[3]提出一種基于單片機(jī)控制的空氣凈化裝置（如圖2），該裝置利用單片機(jī)智能控制，通過進(jìn)出風(fēng)機(jī)實現(xiàn)室內(nèi)外氣體的交換，利用過濾網(wǎng)、負(fù)離子裝置等對空氣進(jìn)行凈化除雜，該裝置功率消耗小、維護(hù)成本低、適合家庭使用。

圖2 空氣凈化裝置主板控制圖

雖然相關(guān)學(xué)者針對各自面對的實際問題提出了自己的方案，但是由于在工廠車間等場所，我們不僅僅要考慮技術(shù)水平，還要考慮實際使用的成本及設(shè)備維護(hù)資金和使用周期，確保在有限資金范圍內(nèi)實現(xiàn)效益的最大化。

本文在此基礎(chǔ)上結(jié)合紡織工廠車間實際，設(shè)計符合實際應(yīng)用的空氣凈化裝置。

2 空氣凈化裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計一種紡織工廠空氣凈化裝置，以解決空氣凈化，改善空氣濕度和環(huán)境的溫度的問題，該裝置主要由可移動底盤、空氣凈化箱、濕度控制裝置等組成（如圖3），整個裝置的尺寸可以根據(jù)紡織廠空間的大小進(jìn)行設(shè)計選擇。本文設(shè)計尺寸長為1.5 m，寬為1 m，高為2 m，額定功率為10 kW，對微粒尺寸為0.3 μm 以上的顆粒過濾效率可以達(dá)到99.97%以上，基本滿足紡織廠要求。

該裝置采用可移動的底盤，使得凈化裝置能按照設(shè)定路線在車間內(nèi)進(jìn)行循環(huán)行走，使得凈化裝置不是固定在一個地方，保證車間內(nèi)每個區(qū)域的空氣都能得到凈化，保證每個區(qū)域的空氣質(zhì)量。

空氣凈化箱[4]安裝在底座上，包括凈化機(jī)構(gòu)和冷卻機(jī)構(gòu)，在凈化機(jī)構(gòu)后端的出氣管內(nèi)設(shè)置冷卻機(jī)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)排出空氣溫度，避免排出空氣溫度過高，影響操作工人的舒適性，并改善車間設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境溫度。

濕度控制裝置由安裝在凈化箱上端的加濕機(jī)構(gòu)和除濕機(jī)構(gòu)組成。采用濕度控制裝置，可以實時監(jiān)測空氣的濕度情況，為操作工人提供舒適健康的工作環(huán)境[5]。

圖3 空氣凈化裝置整體示意圖

2.1 凈化機(jī)構(gòu)

凈化機(jī)構(gòu)由進(jìn)氣管、凈化箱組成，兩者之間通過進(jìn)氣管連接，凈化箱上端安裝有凈化盒，在凈化盒內(nèi)沿進(jìn)氣方向依次設(shè)置初步過濾網(wǎng)、除氣態(tài)污染物網(wǎng)、靜電除塵網(wǎng)和甲醛吸附網(wǎng)。除氣態(tài)污染物網(wǎng)和甲醛吸附網(wǎng)均采用蜂窩狀活性炭濾網(wǎng)，蜂窩狀活性炭濾網(wǎng)具有較多的孔結(jié)構(gòu)[6]，與傳統(tǒng)活性炭濾網(wǎng)相比，具有更優(yōu)良的氣體動力學(xué)性能、體積密度小、比面積大、吸附效率高、風(fēng)阻系數(shù)小等優(yōu)點，可有效地去除空氣中的甲醛、苯、二甲苯、臭氧等有害氣體。除氣態(tài)污染物網(wǎng)和甲醛吸附網(wǎng)均采用椰殼活性炭制成，椰殼活性炭是一種不規(guī)則的破碎炭，具有強(qiáng)度高、飽和后可多次再生的特性，高吸附能力、低阻力等優(yōu)點，用其制成活性炭除氣態(tài)污染物濾網(wǎng)和甲醛吸附網(wǎng)，可達(dá)到高效去除氣態(tài)污染物和臭氧的有益效果。在甲醛吸附網(wǎng)后端還設(shè)有高效HEPA 網(wǎng)[7]（即高效率空氣微粒子過濾網(wǎng)），可以去除空氣中直徑為0.3 μm 以上的微粒，通過在除臭氧濾網(wǎng)的下游設(shè)置高效HEPA 網(wǎng)，起到了進(jìn)一步凈化空氣的有益效果。在凈化盒上端開設(shè)有一與空氣進(jìn)氣管連接的進(jìn)氣口，凈化盒下端開有一出氣口，在進(jìn)氣管的管口還設(shè)有用于防蚊蟲的防蟲網(wǎng)[8]，防蟲網(wǎng)外表面涂覆有驅(qū)蟲藥層，用于防止蚊子或飛蛾等昆蟲從空氣進(jìn)氣管內(nèi)飛入凈化盒內(nèi)；凈化機(jī)構(gòu)內(nèi)的濾網(wǎng)根據(jù)使用頻率的多少進(jìn)行更換，一般建議2～3 個月進(jìn)行全套更換，在更換時拆除濾網(wǎng)并進(jìn)行除塵等操作，清洗完成后烘干備用。

圖4 空氣凈化機(jī)構(gòu)6 的詳細(xì)示意圖

2.2 冷卻機(jī)構(gòu)

冷卻機(jī)構(gòu)包括出氣管、冷卻液管和散熱翅片。出氣管位于凈化機(jī)構(gòu)的下方，呈彎折狀，收納于空氣凈化箱內(nèi)，且出氣管的空氣出口端從空氣凈化箱底部伸出，延伸至空氣凈化箱的上端固定；冷卻液管的進(jìn)口處設(shè)有冷卻液流量閥，冷卻液流量閥根據(jù)出氣管出口處溫度自動調(diào)節(jié)冷卻液管內(nèi)的冷卻液流量；散熱翅片增大了冷卻液管與氣體之間的接觸面積[9]。被凈化后的空氣進(jìn)入出氣管后與冷卻液進(jìn)行熱交換，氣體溫度被降低，并且使得氣體中的飽和水蒸氣的含量降低，也就是說，相同體積內(nèi)的氣體能夠包含的水蒸汽更少。

由于在熱交換過程中導(dǎo)致一部分水蒸汽凝結(jié)析出，在出氣管內(nèi)積留下來的冷凝水可以通過出氣管上的出水閥排出。因此，流經(jīng)空氣凈化箱的氣體被排出至廠房等環(huán)境中時，不但實現(xiàn)了凈化，而且具有相對較低的溫度和相對較小的濕度，能夠提高廠房內(nèi)操作工人的舒適性，同時不會影響廠房內(nèi)機(jī)械設(shè)備的使用壽命。另外，由于經(jīng)空氣凈化箱排出的氣體本身溫度較低，因而能夠減少大功率空調(diào)系統(tǒng)的使用，甚至無需使用大功率空調(diào)系統(tǒng)，從而減少電量的消耗。

冷卻液管具有進(jìn)液口和出液口，溫度較低的冷卻液從進(jìn)液口流入冷卻液管內(nèi)，與氣體熱交換后溫度升高，并從出液口流出冷卻液管，流出的冷卻液通過自然冷卻或其他冷卻方式降低溫度，降低溫度后的冷卻液重新進(jìn)入進(jìn)液口流入冷卻液管實現(xiàn)冷卻循環(huán)，以持續(xù)對流經(jīng)冷卻液管的氣體進(jìn)行降溫。

冷卻液管的進(jìn)液口、出液口穿過氣管，并在出氣管外部通過循環(huán)管互相連通，形成冷卻液管的循環(huán)系統(tǒng)。冷卻液中循環(huán)流通的冷卻液可以是溫度較低的冷卻水，也可以是制冷液，冷卻液可以由工業(yè)廢水提供，控制工業(yè)廢水的溫度在20 ℃左右，或更低的溫度，通過熱交換以降低從凈化裝置排出的氣體的溫度，因而能夠在較大程度上節(jié)約資源，提高經(jīng)濟(jì)效益。

冷卻液的進(jìn)口處設(shè)有冷卻液流量閥[10]，冷卻液流量閥根據(jù)出氣管出口處溫度自動調(diào)節(jié)冷卻液管內(nèi)的冷卻液流量。由溫度傳感器感應(yīng)排出氣體溫度，判斷需要增大冷卻液流量閥開度以增大冷卻液的流量，或者減小冷卻液流量閥開度以降低冷卻液流量，從而維持空氣凈化箱中排出的空氣溫度，進(jìn)一步提高人體的舒適性。

2.3 濕度控制裝置

濕度控制裝置主要指的是濕度檢測，濕度檢測計檢測空氣的濕度[11]，反饋給中央控制器，判斷需要加濕或者除濕，并且空氣加濕機(jī)構(gòu)內(nèi)的水箱中設(shè)有水位傳感器。

3 空氣凈化裝置工作原理

首先通過觸摸操作屏對凈化裝置進(jìn)行設(shè)置，包括設(shè)定凈化裝置的行走路線、設(shè)定返回電量、排出空氣溫度、空氣濕度值等。設(shè)置好所有參數(shù)后，凈化裝置開始按照設(shè)定路線工作，空氣凈化機(jī)構(gòu)開始工作，安裝于空氣進(jìn)氣管內(nèi)的第一抽氣泵和出氣管內(nèi)的第二抽氣泵開始工作，對空氣進(jìn)行凈化處理，冷卻機(jī)構(gòu)對空氣進(jìn)行冷卻處理；溫度傳感器檢測出氣管排出空氣的溫度，如果溫度過高，那么由中央控制器控制冷卻液流量閥增大開度，增加冷卻液流量；如果溫度低于設(shè)定時，那么由中央控制器控制冷卻液流量閥減小開度，減少冷卻液流量。由濕度檢測計檢測空氣的濕度，空氣濕度過高時，開啟空氣除濕機(jī)構(gòu)，對空氣進(jìn)行除濕處理；當(dāng)空氣過于干燥時，開啟空氣加濕機(jī)構(gòu)，對空氣進(jìn)行加濕處理。在電量檢測單元檢測到電量到達(dá)設(shè)定的最低值時，凈化裝置返回原始地點進(jìn)行充電；當(dāng)空氣加濕機(jī)構(gòu)內(nèi)水箱的水位傳感器感應(yīng)到水量不足時，凈化裝置由中央控制器移動到加水地點進(jìn)行加水。

4 結(jié)語

相比較于現(xiàn)有技術(shù)，本文提出的方案具有以下優(yōu)點：采用多層網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成的空氣凈化機(jī)構(gòu)，能有效濾除空氣中存在的粉塵、油霧、甲醛等有害雜質(zhì)，保證人體健康；在空氣凈化機(jī)構(gòu)后端的出氣管內(nèi)設(shè)置冷卻機(jī)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)排出的空氣溫度，避免排出的空氣溫度過高，影響操作工人的舒適性，以及改善車間設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境溫度；采用濕度控制裝置，可以實時監(jiān)測空氣中的濕度情況，為操作工人提供更舒適健康的工作環(huán)境；此外，采用可移動的底盤通過中央控制器控制，使得凈化裝置能按照設(shè)定路線在車間內(nèi)進(jìn)行循環(huán)行走，使紡織車間內(nèi)每個區(qū)域的空氣凈化更加充分，保證每個區(qū)域的空氣質(zhì)量[12]。