靜電式空氣凈化裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能研究

王清樹，夏以誠，崔雯婧，宋雪晴，郁安吉，馮 婧

（蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

靜電式空氣凈化裝置利用電暈放電原理，電離空氣產(chǎn)生正、負(fù)離子，臟空氣中的粉塵被荷電，在集塵極中受電場力作用發(fā)生偏離去除，達(dá)到除塵凈化空氣的目的。但是目前凈化裝置多采用單區(qū)系統(tǒng)，粉塵的荷電和捕集分離在同一電場內(nèi)進(jìn)行，電暈電極和集塵電極布置在同一電場區(qū)內(nèi)，當(dāng)風(fēng)量加大時凈化效率降低明顯，若為提高凈化率增加電離強度，超過臨界值，會導(dǎo)致臭氧濃度超標(biāo)。

目前國內(nèi)外針對靜電式空氣凈化裝置的研究，理論方面主要集中在效率計算模型和荷電計算模型上。效率計算模型主要包括層流模型和紊流模型。其中紊流模型先后經(jīng)歷了多依奇理論[1]、庫泊爾曼理論[2]、萊昂納德理論[3]、靜電傳輸與紊流摻混理論[4-7]和數(shù)值仿真理論[8]。荷電計算模型主要用于顆粒物驅(qū)進(jìn)速度的確定，包括電場強度、電暈電壓、電暈電流、荷電量等參數(shù)的計算[9]。實驗方面，靜電凈化技術(shù)集中研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)對設(shè)備性能的影響，其中結(jié)構(gòu)參數(shù)包括放電極結(jié)構(gòu)、放電極尺寸、板長、板間距等[10-11]，運行參數(shù)包括電離電壓、集塵電壓、迎面風(fēng)速、污染物性質(zhì)等[12-15]。

該研究在目前靜電式空氣凈化裝置的基礎(chǔ)上，依據(jù)靜電傳輸與紊流摻混理論建立靜電式空氣凈化裝置的理論計算模型計算理論凈化效率。在此基礎(chǔ)上，圍繞凈化效率與電離電壓、面風(fēng)速、臭氧濃度等方面的特性開展研究，控制影響凈化效率的因素，并針對性改進(jìn)。通過搭建實驗平臺，測試改進(jìn)的靜電式空氣凈化裝置在變風(fēng)量、變電壓下的凈化效率曲線，同時對比臭氧濃度，探索解決靜電式空氣凈化裝置效率不穩(wěn)定和臭氧濃度超過舒適濃度的問題，對促進(jìn)靜電式空氣凈化裝置發(fā)展、改善現(xiàn)代生活質(zhì)量具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會效益[16-17]。

1 靜電式空氣凈化裝置作用機理分析

1.1 靜電式空氣凈化裝置結(jié)構(gòu)

靜電式凈化裝置采用高壓靜電凈化技術(shù)，其性能取決于電離段、集塵段及高壓電源的性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)特性。

1.1.1 電離段 電離段的作用是給氣溶膠顆粒荷電，可分為電暈放電和氣體荷電兩個階段。①電暈放電。高壓電源產(chǎn)生高壓直流正電壓或負(fù)電壓，通過電暈線在尖端電極附近聚集大量電荷，局部電場強度超過氣體的電離場強，使氣體產(chǎn)生激勵并電離，出現(xiàn)電暈放電。電子或離子在電場力和布朗運動作用下，做遠(yuǎn)離尖端電極的運動，形成帶正電或負(fù)電的氣體，在靠近尖端電極表面聚集起相反電性離子或電子。電場繼續(xù)加強時，離子或電子被吸進(jìn)電極，出現(xiàn)脈沖電暈電流，帶正電或負(fù)電的氣體則擴散到電離段空間，此后又重復(fù)開始下一個電離及帶電粒子運動過程。②荷電機理。通過電暈放電，產(chǎn)生了大量的帶正電或負(fù)電的氣體，臟空氣流過電離段時，氣溶膠微粒與電離產(chǎn)生的帶正電或負(fù)電的氣體碰撞，從而帶上相應(yīng)的電荷。

1.1.2 集塵段 集塵段是正、負(fù)交替排列的電極板，電場方向與極板表面垂直，荷電氣溶膠顆粒通過集塵段時，在電場力作用下，會向相反電性的極板偏轉(zhuǎn)運動，從而被極板捕集。單區(qū)結(jié)構(gòu)電離段和集塵段處于同一段，集塵板是裝置的外殼體，電暈線相當(dāng)于另一電極板，荷電與集塵是在同一個段中完成，風(fēng)量變化，氣溶膠濃度增加，都可能導(dǎo)致效率不穩(wěn)定，需要增加電源電壓的輸出。

1.1.3 高壓電源 當(dāng)輸入額定電壓后，高壓電源能夠轉(zhuǎn)換輸出直流高壓正電壓或負(fù)電壓，作用在電離段的電暈線上，實現(xiàn)電暈放電和氣溶膠荷電過程。高壓電源電壓值的高低除影響效率的同時，還會導(dǎo)致臭氧濃度的變化。

1.2 靜電式空氣凈化裝置工作原理

1.2.1 工作原理圖 改進(jìn)后的靜電式空氣凈化裝置，采用了雙區(qū)結(jié)構(gòu)，將電離段和集塵段分開設(shè)置，根據(jù)需要調(diào)整電離段和集塵段的電壓值，有利于保持凈化效率的穩(wěn)定。改進(jìn)后的靜電式空氣凈化裝置原理圖如圖1所示。

圖1 改進(jìn)后的靜電式空氣凈化裝置原理圖

1.2.2 理論效率模型 改進(jìn)后的靜電式空氣凈化裝置效率模型，采用靜電傳輸與紊流摻混理論。在庫泊爾曼理論的基礎(chǔ)上，由張國權(quán)等[4-7]提出的該理論認(rèn)為：在空氣凈化裝置的靜電場中，橫向受到微粒的擴散影響，紊流摻混不一定減小驅(qū)進(jìn)速度；在縱向上，紊流摻混效應(yīng)是由氣流的不均勻分布引起的。靜電收集的一般理論模型是靜電力、重力、紊流摻混和電風(fēng)的結(jié)合，多依奇公式僅僅是一種簡化的特殊形式。靜電傳輸和紊流混合理論涵蓋了風(fēng)速不均勻?qū)е碌念w粒紊流擴散效果，區(qū)分了垂直和橫向紊流摻混效果，并獲得了如下?lián)交炷Ｐ捅磉_(dá)式

解得效率表達(dá)式為

式中F為與橫向和縱向紊流摻混系數(shù)Ex、Ey有關(guān)的參數(shù)。

靜電傳輸與紊流摻混理論克服了庫泊爾曼理論中氣流速度均一假設(shè)的問題，更接近實際，而且還成功解釋了非多依奇現(xiàn)象。

1.3 臭氧形成機理

臭氧的形成過程非常復(fù)雜，既包括電子離解氧氣分子為氧原子，氧原子與氧氣分子結(jié)合形成臭氧分子；還包括伴隨副反應(yīng)，離解氧原子與臭氧分子結(jié)合形成氧氣分子，電子離解臭氧分子為氧原子和氧氣分子，電子與氧原子結(jié)合形成負(fù)氧離子等典型過程。因此，電子能量需要控制，2～8.4 eV的電子會加速臭氧分子的分解，大于8.4 eV的電子才促進(jìn)臭氧生產(chǎn)。

正極性電暈放電形成正離子的遷移率遠(yuǎn)小于電子的遷移率，正極性電暈尖端附近電場減弱，需要較高的電壓才能發(fā)生電暈，因此負(fù)極性電暈比正極性電暈起始電壓要低，形成臭氧的放電一般都采用負(fù)極性電暈。

2 靜電式空氣凈化裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 離子箱

通過將電離段和集塵段分開，改進(jìn)為雙區(qū)凈化裝置。改進(jìn)后的離子箱設(shè)置圖如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的離子箱設(shè)置圖

2.2 電離絲

通過理論分析和多次測試數(shù)據(jù)分析，針對性的改進(jìn)措施為：采用螺旋化處理，分析不同螺旋化結(jié)構(gòu)對空氣電離荷電的影響；合理設(shè)置電離絲的排布方式，將電離絲從單根變?yōu)槎喔?，測試結(jié)果表明，4排是較為合理的方案，方案改進(jìn)后的電離絲設(shè)置圖如圖3所示。

圖3 方案改進(jìn)后電離絲設(shè)置圖

2.3 高壓電源

高壓電源選擇（6.5±0.4）kV高壓直流正電壓設(shè)計，采用環(huán)氧樹脂完全封裝，確保其安全可靠性。選用定制生產(chǎn)的高壓電源，具有良好的穩(wěn)定性及電磁兼容性能。

2.4 臭氧控制

降低電離段的電壓值，從源頭上減少臭氧的產(chǎn)生。雙區(qū)4排合理分布，可在降低電離電壓的同時增加對氣溶膠顆粒的荷電效果。采用正極性電暈，減少臭氧的產(chǎn)生。

3 實驗測試

以目前單區(qū)結(jié)構(gòu)的靜電式空氣凈化裝置為A組、改進(jìn)后的凈化裝置為B組進(jìn)行對比實驗，實驗測試原理圖如圖4所示。

圖4 實驗測試原理圖

對比實驗分以下三組進(jìn)行：

（1）在處理氣體的面風(fēng)速不變工況下，研究電離段電壓降低幅度與凈化效率的變化規(guī)律；

（2）在電離段電壓保持不變工況下，分析處理氣體面風(fēng)速與凈化效率的變化規(guī)律；

（3）在高效率凈化工況下，出風(fēng)口臭氧濃度隨面風(fēng)速與電離段電壓的變化規(guī)律。

調(diào)整穩(wěn)壓閥后的壓縮空氣壓力略高于氣溶膠顆粒發(fā)塵器所需壓力，再通過穩(wěn)壓閥使進(jìn)入發(fā)塵器的空氣壓力維持穩(wěn)定。當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入發(fā)塵器后，流經(jīng)噴嘴將發(fā)塵器內(nèi)的液體霧化，然后噴到實驗管路內(nèi)，與實驗空氣相混合，形成均勻的氣溶膠顆粒物。

被測過濾器安裝在裝置內(nèi)，分別由激光粒子計數(shù)器，測試上下游的粒子數(shù)，將測得值進(jìn)行比較，得出被測過濾器的計數(shù)效率。

實驗測試臺搭建實物圖如圖5所示。

圖5 實驗測試臺搭建實物圖

4 實驗數(shù)據(jù)及分析

采用張妍等人[18]的研究成果，并參照日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIC9615提出的去除率作為指標(biāo)，對凈化效率進(jìn)行評價。去除率η定義為空氣凈化器連續(xù)運行一段時間后，室內(nèi)空氣中某污染物被去除的相對量。式中η為去除率，c0為初始濃度，ct為t時刻的濃度。

4.1 電離段電壓降低幅度與凈化效率

在處理氣體的面風(fēng)速不變工況下，電離段電壓降低幅度與凈化效率變化的實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 電離段電壓降低幅度與凈化效率變化的實驗數(shù)據(jù)

依據(jù)表1數(shù)據(jù)，繪制電離段電壓降低幅度與凈化效率變化的對照圖，如圖6所示。

圖6 電離段電壓降低幅度與凈化效率變化的對照圖

由圖6結(jié)果可知：兩組設(shè)計下在電離段電壓接近7.0 kV左右時，凈化效率均保持相對高水平。但當(dāng)電壓在6.2～7.0 kV范圍內(nèi)，對應(yīng)兩種直徑微粒，設(shè)計組B組的凈化效率均較原始組A組明顯提高，且B組對兩種微粒的凈化效率始終高于84%，而A組在電離段電壓6.3 kV及以下時對微粒的凈化效率急劇降低，不能達(dá)到凈化要求。

4.2 面風(fēng)速與凈化效率

在電離段電壓保持不變工況下，處理氣體的面風(fēng)速與凈化效率變化的實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 處理氣體的面風(fēng)速與凈化效率變化的實驗數(shù)據(jù)

依據(jù)表2數(shù)據(jù)，繪制變面風(fēng)速情況下凈化效率的對照圖，如圖7所示。

由圖7結(jié)果可知：面風(fēng)速在2.5～6.5 m·s-1范圍內(nèi)，兩組設(shè)計的凈化效率均隨面風(fēng)速增大而降低。但同等粒徑、相同面風(fēng)速下，設(shè)計組B組的凈化效率均較原始組A組提高3%～20%，且凈化效率的提高程度在高面風(fēng)速時尤為明顯。面風(fēng)速達(dá)到6 m·s-1時，B組對2 mm微粒的凈化效率高于90%，對0.5 mm微粒的凈化效率高于84%。

圖7 變面風(fēng)速情況下凈化效率的對照圖

4.3 出風(fēng)口臭氧濃度與面風(fēng)速、電離段電壓

在高效率凈化氣溶膠顆粒工況（凈化效率≥85%）下，繪制出風(fēng)口臭氧濃度與面風(fēng)速、電離段電壓的變化圖，如圖8所示。

圖8 出風(fēng)口臭氧濃度與面風(fēng)速、電離段電壓的變化圖

由圖8結(jié)果可知：同等條件下，相對低面風(fēng)速時臭氧濃度明顯較低。面風(fēng)速在2.0 m·s-1、2.5 m·s-1情況下，兩組設(shè)計的臭氧濃度均隨電離段電壓增大而有所升高，但同等電離段電壓下，設(shè)計組B組的臭氧濃度均低于原始組A組，且臭氧濃度的降低程度在較低電壓時尤為明顯。電離段電壓在6.8 kV以下、面風(fēng)速為2.5 m·s-1時，B組的臭氧濃度不超過0.024 mg·m-3，而A組的臭氧濃度均在0.024 mg·m-3以上?？梢姼倪M(jìn)設(shè)計后在保持高凈化效率的前提下，實現(xiàn)了更低的臭氧水平，實驗結(jié)果符合計算預(yù)期。

5 結(jié)語

分析了靜電式空氣凈化裝置的凈化效率與電離段電壓、面風(fēng)速、臭氧等因素的關(guān)系，改進(jìn)了靜電式空氣凈化裝置單區(qū)結(jié)構(gòu)，通過理論模型建立與試驗測試，得到以下結(jié)論：（1）改進(jìn)后雙區(qū)4排的結(jié)構(gòu)設(shè)計，能滿足高凈化效率與低臭氧排放的要求，解決了原單區(qū)凈化裝置性能不足的問題。（2）用雙區(qū)螺旋結(jié)構(gòu)，使電離段電壓在6.2～7.0 kV范圍內(nèi)、面風(fēng)速在2.5～6.0 m·s-1范圍內(nèi)時，靜電式空氣凈化裝置對2.0 mm直徑微粒的凈化效率保持在90%以上；在凈化效率≥85%要求下，電離段電壓在6.2～6.8 kV范圍內(nèi)、面風(fēng)速在2.5 m·s-1左右時，處理氣溶膠顆粒所產(chǎn)生的臭氧濃度低于0.02 mg·m-3。（3）致使臭氧低排放的主要因素是電離段的電壓和結(jié)構(gòu)設(shè)置。該研究通過控制低電壓梯度、采用正極性電暈與合理排布電離絲實現(xiàn)了這一點。