基于CFD技術(shù)的空氣自動化凈化器濾芯的優(yōu)化設(shè)計

黃勁松，駱桂芳，宋瑞仙，唐 朋

（湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430070）

0 引言

伴隨著自然環(huán)境污染的加劇，大氣污染問題也越來越受到人們的關(guān)注，尤其在我國，部分城市由于季風(fēng)的影響，冬季空氣污染非常嚴(yán)重。今天的社會，有別于現(xiàn)在的室外空氣污染，80%的人都待在室內(nèi)，室內(nèi)空氣污染來源很多，空氣污染的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過室外空氣污染。甲醛是裝修房屋的主要污染物，廣泛應(yīng)用于各類膠粘劑、人造板、油漆、涂料等行業(yè)。人長期吸入含有這些污染物的氣體，就會引起各種慢性呼吸道和神經(jīng)系統(tǒng)疾病。因此，越來越多的企業(yè)開始重視研究、開發(fā)和生產(chǎn)能徹底凈化室內(nèi)空氣、改善人們生活環(huán)境的空氣凈化器產(chǎn)品。除塵一般采用靜電吸附的方法來實現(xiàn)。這種空氣凈化器運行時，污染物會留在濾網(wǎng)內(nèi)，濾網(wǎng)內(nèi)堆積的污染物就會成為細(xì)菌滋生的溫床，對室內(nèi)空氣造成二次污染。針對這一問題，提出了基于 CFD技術(shù)的空氣自動過濾器優(yōu)化設(shè)計方案。

1 空氣自動化凈化器濾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計

選用三種凈化模塊疊加，用戶可根據(jù)實際使用情況選擇所需的凈化模塊數(shù)量。過濾器用卡接，在接頭處裝上密封圈，確保密封良好。圖1展示了整個過濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

1.1 清潔模塊

圖1 濾芯整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

空氣自動化凈化器濾芯清潔模塊示意圖如圖2所示，其主要包括殼體及設(shè)置在殼體內(nèi)部的清潔組件。

過濾器沿兩個濾芯導(dǎo)槽滑落到濾芯固定板上，導(dǎo)槽引導(dǎo)濾芯，固定板支持濾芯，濾芯固定板截面尺寸不超過或等于濾芯截面尺寸，而且濾芯固定板也可以是多孔板，便于粉塵的清除。過濾器前、后兩側(cè)為需要清洗的主要部位，過濾器上粘有大量灰塵。前部設(shè)置有刷板和紫燈，能清除濾芯表面粗灰塵，實現(xiàn)內(nèi)部殺菌。安裝靜電發(fā)生器后，只需將毛刷下的灰塵和濾芯內(nèi)的部分灰塵吸進(jìn)吸塵器袋中即可。機殼后壁還可設(shè)置滑導(dǎo)槽，只要濾芯固定板與電機正常連接即可保證。

圖2 清潔模塊結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 凈化模塊

超聲霧化霧化濾芯位于濾芯底部的中心位置，可產(chǎn)生大量的水霧，其直徑只有微米，根據(jù)空氣污染等級和空氣凈化等級確定濾芯的數(shù)量。濾清器外壁上的水霧濾清器是固定螺絲的濾清器，而水霧濾清器是漏斗式的，它不僅有利于收集水流，而且可以增加濾棉的面積，提高過濾效率。

濾芯進(jìn)水由泵通過管道進(jìn)入濾芯，漏斗形濾芯底部暫存部分水，部分水通過無紡布直接進(jìn)入二級濾芯。類似地，水也可以通過第二過濾模塊被送到第三過濾模塊。過濾器底部的超聲波霧化器將水霧化為微米級的水霧，空氣中含有可吸入顆粒物和水溶性污染物。過濾器底部的空氣入口進(jìn)入第三級過濾器，經(jīng)過三級、二級、一級凈化模塊，將污染空氣與水霧充分混合，再經(jīng)層層過濾。水霧的出現(xiàn)，大大增加了水和空氣的接觸面積，提高了空氣凈化的效率。

1.3 電路模塊

電路的示意圖，如圖3所示。

圖3 電路圖

該計時器串接 UV燈，電源與開關(guān)并聯(lián)，在啟動前先設(shè)定好時間。打開開關(guān)，定時器到設(shè)定的時間，蜂鳴器開始工作，指示清洗結(jié)束，濾芯取出。

2 空氣自動化凈化器濾芯工作原理設(shè)計

2.1 CFD模擬分析模型構(gòu)建

在有限元法中，CFD是流體有限元的總稱。先建立氣流實體模型，再通過網(wǎng)格劃分、輸入邊界條件等方法進(jìn)行分析。因此分析模型的建立非常關(guān)鍵，網(wǎng)格劃分質(zhì)量的優(yōu)劣也直接影響分析的結(jié)果。

2.1.1 網(wǎng)格劃分

采用模塊化設(shè)計軟件Pro/E，建立了初濾器的三維幾何模型，其主體是進(jìn)水口、孔洞和出水口。空氣入口部分由于空氣中的塵埃、雜質(zhì)和空氣濾清器內(nèi)壁的沖擊而積聚起來。因為 FEA分析使用了過濾器的氣流通道，所以所建立的模型是一個實體模型，其形狀是過濾器殼體內(nèi)部形狀。

如圖4所示，得到ICEM-CFD在過濾殼體管道中的網(wǎng)格。濾波器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用整體分片。輸入網(wǎng)格最大尺寸，以平面為單位，進(jìn)行整體分割，得到網(wǎng)格結(jié)果。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.1.2 數(shù)學(xué)模型

假定空氣流是粘性流體，空氣流是雷諾數(shù)，盡可能考慮濾網(wǎng)的實際流量。通過計算，流動雷諾數(shù)大于其上的臨界雷諾數(shù)，屬于湍流范疇。對于紊流現(xiàn)象的模擬，采用了高雷諾數(shù)湍流模型，三維不可壓粘性紊流模型。該控制方程如下：

除動量方程和連續(xù)性方程外，還可以用達(dá)西定律來描述多孔介質(zhì)中的流體。也就是說：

式(1)中，ξi表示方向；P表示滲流量；Ki表示I多孔介質(zhì)的穿透率；vi表示流量速度。空氣過濾器的過濾能力取決于出口速度和出口壓力。根據(jù)分析要求，設(shè)定出料真空，設(shè)定壁流場。粘滯系數(shù)和慣性系數(shù)可由以下公式求得：

式(2)中，C1表示慣性系數(shù)；C2表示粘性系數(shù)；μ表示有效渦粘系數(shù)。

流體經(jīng)濾芯產(chǎn)生的壓力可用下式表達(dá)：

2.2 速度場模擬

為了縮短模擬時間，以九通道折疊式空氣過濾器為例，對所用玻璃板進(jìn)行了尺寸匹配，模擬了三通道內(nèi)的速度場。流體（空氣）流量為25m3/h，相對濕度為50%，溫度為25℃，氣體過濾器中的流體處于一種紊流狀態(tài)。圖5顯示了折疊式空氣清潔器三段的速度場。

圖5 3個截面速度場

流速為25m3/h的流體（空氣）和50%的相對濕度和25℃的溫度。氣濾器內(nèi)的流體處于紊流狀態(tài)。通過對三層折疊式空氣清潔器速度場的研究，發(fā)現(xiàn)在各個玻璃片表面都有相似的傳質(zhì)和氧化反應(yīng)過程，并且在此過程中可采用光催化劑。從剖面B和C的速度場可以看出，三角形通道中各側(cè)速度較大，頂部速度較小，從而削弱了光催化劑對甲醛的傳質(zhì)和氧化作用，因此對流道剖面進(jìn)行優(yōu)化也是提高空氣凈化器性能的有效途徑之一。

2.3 工作流程

濾芯工作流程如圖6所示。

圖6 濾芯工作流程

按圖6所示，由上至下，將濾芯插入兩個引導(dǎo)槽之間，并使之向下繼續(xù)接觸到濾芯固定板頂部；打開開關(guān)，啟動電源，馬達(dá)，靜電發(fā)生器和紫外線燈工作，馬達(dá)控制濾芯固定板和濾芯上移；刷板上的刷毛在被靜電發(fā)生器吸收后向下傾斜。此時濾芯與毛刷反向接觸，在濾芯一側(cè)實現(xiàn)粗塵清除。靜電發(fā)生器將毛刷內(nèi)的塵土和濾芯內(nèi)的部分塵土吸入除塵袋內(nèi)，同時用紫外線燈對濾芯進(jìn)行消毒；通過過濾網(wǎng)，大部分塵土為細(xì)灰，與毛刷配合使用，可達(dá)到過濾網(wǎng)深度潔凈。濾網(wǎng)通過濾網(wǎng)固定板的滑移限后，通過曲柄滑塊機構(gòu)開始滑移，并滑至限位。濾清器與固定板頂部接觸后，清洗周期結(jié)束。重復(fù)以上步驟，直至清潔干凈，關(guān)閉電源，取出濾網(wǎng)。

3 實驗

為了驗證基于CFD技術(shù)的空氣自動化凈化器濾芯的優(yōu)化設(shè)計合理性，進(jìn)行實驗驗證分析。

3.1 實驗環(huán)境

以某小區(qū)剛裝修完的室內(nèi)環(huán)境為實驗環(huán)境進(jìn)行實驗分析，該室內(nèi)環(huán)境及產(chǎn)生的氣體如圖7所示。

圖7中，苯的來源主要來自合成纖維顏料和涂料，有害因素是抑制造血功能，導(dǎo)致貧血和白血病，并引起劇烈的癌變；氨的來源主要是水泥、防火板材和大理石，其危害是引起哮喘和降低人體抵抗力；揮發(fā)物主要來自裝飾材料、家具等，對人體造成傷害，嚴(yán)重時會損害肝臟和血液系統(tǒng)；甲醛來源于刨花板、密度板、膠合板和墻紙，其危害主要是引發(fā)鼻咽癌、喉頭癌等嚴(yán)重疾病。

圖7 室內(nèi)環(huán)境及產(chǎn)生的氣體

3.2 實驗結(jié)果與分析

分別使用靜電吸附方式和CFD模擬分析技術(shù)對污染物氣體進(jìn)行凈化處理，處理情況如下所示。

1）苯

由于苯的揮發(fā)性很強，暴露于空氣中，針對苯污染物質(zhì)的凈化處理，分別使用兩種技術(shù) ，凈化效率如圖8所示。

圖8 兩種技術(shù)凈化苯的效率對比結(jié)果

由圖8可知，靜電吸附凈化效率隨苯液流量的增大而降低，從苯液體流量為0.8m3/h時開始，凈化效率低于60%；空氣自動化凈化器的凈化效率隨著苯液流量的增加而降低，但保持在90%以上。

2）氨

針對氨氣污染物質(zhì)的凈化處理，分別使用兩種技術(shù)，凈化效率如圖9所示。

圖9 兩種技術(shù)凈化氨氣的效率對比結(jié)果

由圖9可知，采用靜電吸附法凈化效果隨苯液流量的增加而逐漸下降，但均高于60%；隨著苯液流量的增加，空氣自動化凈化器的凈化效率逐漸降低，但保持在93%以上。

3）揮發(fā)性污染物

針對揮發(fā)性污染氣體污染物質(zhì)的凈化處理，分別使用兩種技術(shù)，凈化效率如圖10所示。

圖10 兩種技術(shù)凈化揮發(fā)性污染氣體的效率對比結(jié)果

由圖10可知，使用靜電吸附方式和空氣自動化凈化器技術(shù)，在氣體流量增加情況下，也能保持逐漸上升趨勢的凈化效率，其中空氣自動化凈化器最高凈化效率為91%；對于進(jìn)出口凈化濃度，使用靜電吸附方式最終凈化濃度比空氣自動化凈化器凈化濃度低78m3/mg。

4）甲醛

針對甲醛污染物質(zhì)的凈化處理，分別使用兩種技術(shù)，凈化效率如表1所示。

表1 兩種技術(shù)凈化甲醛氣體的效率對比

由表1可知，當(dāng)氣體流量分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0m3/h時，使用空氣自動化凈化器對甲醛的凈化效率能比單獨使用靜電吸附方式提高17%、18%、12%、16%、18%。由此可知，使用該凈化器對甲醛氣體凈化效率較高。

4 結(jié)語

根據(jù)CFD模擬分析模型，結(jié)合Pro/E軟件劃分氣流通道網(wǎng)格，優(yōu)化設(shè)計改進(jìn)空氣過濾器濾芯。在清潔模塊中設(shè)置頂蓋，在保證灰塵快速吸附的同時，防止飛塵外溢。利用CFD技術(shù)模擬速度場，提高濾芯凈化效率。通過實驗驗證結(jié)果證實了該濾芯凈化效率高，可以有效地緩解因濾芯報廢所帶來的生態(tài)環(huán)境污染問題。