多功能復合型空氣凈化設備的設計

孫如軍，李澤，崔錕，張騫

（德州學院 機電工程學院，山東 德州 253023）

近年來，隨著國內外工業生產和社會經濟的快速發展，環境污染問題日益顯現，其中空氣污染問題尤為突出．現在空氣污染已由傳統的煤煙型向綜合型污染轉變，我國在空氣凈化領域的研究已經進入一個新的發展階段[1]．在這一階段我國的空氣凈化設備不僅要實現產品的完全自主知識產權，更要打造自己的商業品牌，提高在國際市場的競爭力．本文設計了一種基于新風理論的空氣凈化設備，這款設備不僅可以用作家用空氣清潔，同時還可以用于工業生產中高塵車間的空氣凈化．通過實際驗證這款設備無論是在凈化效果，還是生產造價上都優于同類型產品．

空氣凈化的概念最早起源于國外，由約翰和查爾斯·迪恩美國消防員于1832年發明的一款新型防煙霧口罩開始興起，后者在其基礎上進行了改進，其口罩的過濾效果進一步加強．繼美國之后英國、德國、日本等發達國家也對空氣凈化器展開了深入的研究，形成了很多國際知名的空氣凈化器品牌，如日本的松下、夏普，英國的斯帝沃等．這些空氣凈化器由于其過濾核心的造價不菲，導致空氣凈化器的市場價格昂貴，社會普及率較低，沒有形成較為成熟的商業轉換 ．我國對空氣凈化器的研究從上世紀60年代開始，根據中國知網的文獻數據統計顯示，2005—2019年關于空氣凈化器研究的論文數量為2485篇，其中空氣凈化設備創新的1235篇，凈化效果分析的856篇，市場分析與優化設計394篇．但是這中間的成果轉化率卻不足15%，大多的研究停留在理論層面，距實際應用還有一段距離，這就說明我國在該領域還處于培養發展階段．

1 主要空氣污染物

現在根據空氣污染物的存在特性，可以將污染物分為氣態懸浮污染物與顆粒懸浮污染物2類，這2類污染物在人們的日常生產生活中分布范圍廣，危害大．

1.1 氣態懸浮污染物

氣態懸浮污染物通常大量存在于室內，特別是在新房裝修之后，由于新家具與裝修材料在質量上不符合標準，加之其室內如果通風效果不佳就會導致大量有害氣體的增加．這其中除生活中熟知的一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等還有具有刺鼻氣味的苯類物質、甲醛以及揮發性TVOC類物質和放射性污染．這些污染物主要來源于地基土壤、生活中的化學制品，如化妝用品和裝修建材等[3]．根據國家標準規定整理出污染物標準量表（見表1）．

表1 污染物標準量表 mg/m3

相關研究表明，氣態懸浮污染物對人體有著諸多的不利影響，如二氧化碳濃度超過（1000～2000）×10-6時人體就會感到頭痛、呼吸困難，再嚴重就會造成大腦死亡．甲醛特別是對于兒童來說極易引起白血病、哮喘等疾病，而放射性污染則會加大患癌幾率，長期接觸會導致人體生理的病變．

1.2 顆粒懸浮污染物

顆粒懸浮污染物是從微觀的層面進行的定義，是指單個顆粒的直徑在毫米或者是微米級，并且通過呼吸可以進入人體肺部器官的污染物．通常用particulate matter的縮寫PM來表示懸浮顆粒物的等級，如PM10和PM2.5等霧霾天氣的形成大多源于此．這類污染物主要來源于地面揚塵、工業排放物和二手煙等．在顆粒的表面常常會附著相當數量的細菌和病毒，因為體積小、質量輕，所以流動性強，經常引起呼吸道過敏和肺癌等疾病[4]．

2 設備的總體設計原理

對多功能空氣凈化裝置的優化設計依然采用模塊化程序設計，將對設備的空氣水洗模塊、電解分離模塊、小負離子發生模塊、臭氧滅菌模塊、溫度調節模塊以及單片機程序控制模塊等六大組成部分進行優化設計．設備的工作流程見圖1．空氣水洗與電解分離是整套設備的核心部分，51單片機的程序控制貫穿設備的整個運行周期，將設備的各個組成功能單元統一地結合在一起實現機器的智能化和精細化操作．設備的總體結構示意圖見圖2.

本設備內部設有空氣質量傳感器，通過它對設備周圍環境的空氣質量進行數據的實時采集，隨后傳輸到單片機，為單片機后續控制其它工作部件提供指令依據．設備工作時外設的相關空氣質量檢測探頭開始對周圍的空氣進行收集，并且將收集到的相關數據通過數字的形式發送給空氣質量傳感器進行分析．單片機設有控制程序，將傳感器分析得到的結果在LED1602液晶顯示屏上顯示，例如：濕度、溫度、PM值、二氧化碳濃度、一氧化碳濃度等．當檢測值高于報警值時在單片機的控制下引風機工作，將空氣帶入設備，經過電離分解、空氣水洗、小負離子發生、臭氧滅菌、溫控調節最后排出略帶加濕的新鮮空氣[5]．

圖1 工作流程

圖2 設備結構示意圖

2.1 51單片機控制模塊

51單片機控制系統是該設備的運行核心，本文選用STC12C5A60S2單片機和QS-01空氣質量傳感器作為試驗機控制系統的核心組件，這款單片機運算速度是傳統8051的6～7倍，可以完全滿足設備的運行需要．當設備接通電源后51單片機隨即進入待定工作狀態，這時單片機要經過大約5 s的延時啟動過程．這是由于QS-01空氣質量傳感器在進入正常工作之前需要經過一定時間的啟動預熱，在這段時間內將空氣質量傳感器中的數據進行自我還原，清除先前的檢測數據．一方面，可以保證空氣凈化設備在開始工作后得到實時準確的空氣質量參數；另一方面，可以更為直觀地觀察到空氣質量的改變．在傳感器進入穩定運行階段后，會將第1次穩定檢測到的空氣質量參數傳送到ADC0809模數轉換芯片，進行空氣質量傳感器信號的編譯與處理，編譯后的信息會在單片機預設的邏輯運算程序中進行計算．根據計算的結果，在已經設計好的凈化方案參數庫中進行選擇，并且將方案數據通過8位的并行接口傳送到LCD1062進行可視化操作．在液晶顯示器上根據現場的實際情況結合工作的要求選擇合適的凈化方案，同時設備的運行參數也會在屏幕上進行顯示，例如：風速、電流量、運行時間、水箱位置等[6]．設備運行一段時間后，當空氣質量達到相關的標準值時，設備將會自動進入到待機狀態防止不必要的資源浪費．控制系統框架見圖3，LCD電路見圖4，控制系統流程見圖5．

圖3 控制系統總體結構

圖4 LCD電路

圖5 控制系統流程圖

2.2 水洗模塊

空氣水洗是本設備運行的關鍵部分，主要的凈化功能在這里體現，空氣水洗結構見圖6．在空氣水洗模塊，利用尼龍材質的過濾網布在設備內部進行錯位排列，為保證凈化的效果每層過濾網之間的距離控制在100 mm左右，這樣的設計不僅可以增加氣流在設備內的過濾時間，而且提高了氣流在設備內部穿過過濾網的次數．當空氣進入設備內部之后，加水器開始工作，過濾網周邊設置的噴水口對過濾網進行噴灑，使過濾網上形成一層均勻的水膜．在引風機的作用下，空氣在水膜中反復穿過．利用水自身的吸附性與黏性，當通過過濾水膜時留下空氣中較大的懸浮顆粒物，經過水洗后空氣中的顆粒污染物與氣體污染物得到基本過濾，同時空氣還達到了加濕的目的．根據國家標準高效過濾濾料性能指標實驗中透過率與阻力的相關規定，檢測設備的透過率和阻力．實驗表明，產品的透過率≤0.1%（即效率≥99.9%），對粒徑≥0.1 μm微粒的計數透過率達到≤0.001%（即效率≥99.999%），完全符合高效過濾器的標準[7]．

2.3 電離分解模塊

當設備工作后在單片機的控制下引風機工作，空氣引入空氣凈化的第一環節．根據氣體一般是中性的特點，在氣體獲得能量時，就會分離成電子、正離子、負離子，使氣體變成導電體，而使氣體變成導電體的過程就是電離氣體．

電離氣體的方法有很多種，如按電離發生的原因來看，氣體放電可分為被激放電和自激放電2種．通過電離器的外部放電作用，進入凈化器的空氣中一部分原子或分子在充分獲得了電離器產生的足夠大的電場能量后，電子就能在能量的激勵下離開氣體原子或分子，進而產生電子和正離子．因為正離子和電子在電場中的運動是朝著相對的方向，同時在弱電場中電子能量一般較小，當電子與中性分子或原子相碰撞時，因為分子之間的吸引力電子與中性分子等極易結合形成負離子，這時氣體導電機構主要是由正、負離子組成，而不是自由電子．在正常情況下，氣體是良好的絕緣體，但是在成為導電體之后，極容易與其它物質結合生成穩定的物質．例如：氧離子與氧離子容易生成O2，對周圍環境也有極大的改善．設備在空氣循環系統中增加適當的存量空間，延遲離子和中子在空間內的存留時間，使離子和中子在滯留期間找到合適的配對對象．通過控制風機轉速和電離電壓的調整，精確控制氣體流量與CO和CO2的風量比例，提升空間的環境質量．空氣電離分解結構見圖7．

圖6 空氣水洗結構

圖7 空氣電離分解結構

本設計采用電離器進行氣體電離，在設定擊穿電壓時通過帕邢定律（在均勻電場，氣壓在0.098 MPa，溫度為25 ℃，兩極間距離大于0.1 cm的前提下），空氣被擊穿的電壓與極間距離保持關系

其中：Uj為空氣擊穿電壓（kV）；B為電極間距離（cm）．計算得到正常情況下0.1 cm極間距的空氣擊穿電壓近似為30 kV．

為了提高電離器的適用范圍，對原有電離器的電路加入電壓調節組件，讓原本不可變的輸出電壓變為在規定范圍內可調電壓[8]．

2.4 小負離子發生模塊

本模塊采用JP-A2241型小負離子發生器，這款發生器可以很好地去除空氣中的煙塵、甲醛以及細菌．通過負離子發生器上的碳刷將電子呈散狀發射，電子在空氣中與懸浮顆粒物結合形成達到降塵的目的．小負離子發生模塊結構見圖 8．為了達到小負離子的精準產生，在小負離子發生模塊增加檢測控制系統，當空氣中的負離子量達到滿足需求的標準量時，系統自動控制負離子發生器停止運行，以減少不必要的損耗．

圖8 小負離子發生單元結構

2.5 臭氧滅菌單元

通常臭氧在常溫常壓下是一種淡藍色并且帶有魚腥臭味的氣體，它是大氣中的一種微量氣體．因其有著很好的殺菌、消毒、除味的效果，這種氣體目前已經廣泛應用于飲用水和工業污水的處理等領域．因此，設計這個環節對空氣進行最后的消毒滅菌．臭氧滅菌單元結構見圖 9．但是臭氧同時是一種溫室氣體，當它的濃度不斷增加的同時，不僅會對生物造成危害，而且嚴重時還會引發光化學煙霧．為解決安全使用與添加量之間的矛盾，依據臭氧投放量的公式

其中：DO3為實際選用臭氧發生器的產量，g/h；cO3為臭氧質量濃度，g/m3；QN為發生器產生的標準氣量，m3/h[9]．

圖9 臭氧滅菌單元結構

經過測算，要想滿足設備的正常運行需求，臭氧的產生量必須要控制在0.2 g/h左右，其誤差不允許超過0.1 g/h，臭氧質量濃度保持在為4.46×10-9mg/m3．為實現設計要求，對在不改變發生器基本功能、電壓和電場的前提下，通過調節發生器的使用電流強度來增加或減少臭氧的產生，從而達到控制臭氧量的目的[10]．

2.6 溫度調節模塊

設備完成凈化過程后，空氣已經得到有效的過濾達到新鮮空氣的標準．但是為了適應現代生產生活的需求，在空氣完成凈化后進入最后的溫度調節模塊，利用空調制冷與制熱的基本原理，通過氟利昂的液態與氣態的轉變實現對空氣的吸熱與放熱．通過壓縮機的壓縮轉換，將氣態的制冷劑轉換為高溫高壓的氣態制冷劑，通過銅管輸送到冷凝器（室外機）散熱后成為常溫高壓的液態制冷劑，所以室外機吹出來的是熱風，反之則為冷風[11]．溫度調節單元樣機實物見圖10．

圖10 溫度調節單元樣機實物

3 結語

以新風理論為基礎，研制了一款新型的復合式空氣凈化設備．本款設備將空氣凈化技術進行整合，以水膜過濾為主要技術手段，實現在工業與家用2方面的轉換，使用較低分貝的引風機進行吸引噪聲小，且造價低，適合大面積的推廣．