基于負(fù)壓吸附和靜電除塵的靜音黑板擦設(shè)計(jì)

趙晨陽

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

基于負(fù)壓吸附和靜電除塵的靜音黑板擦設(shè)計(jì)

趙晨陽

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

為了降低擦黑板時(shí)產(chǎn)生的粉塵污染，文章設(shè)計(jì)了一款除塵黑板擦。其工作原理是風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)形成負(fù)壓，使粉塵經(jīng)透氣孔進(jìn)入黑板擦。由于過濾網(wǎng)的過濾作用使灰塵留在集塵格，設(shè)置金屬靜電除塵以增強(qiáng)除塵效果。內(nèi)設(shè)隔音棉，用于降低風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲。實(shí)驗(yàn)表明，除塵效率達(dá)到95.5%，有效減少了粉塵的飛揚(yáng)。

負(fù)壓吸附；靜電除塵；靜音；無塵

如果老師一節(jié)課用5只粉筆，一周上8節(jié)課，那么工作40年要用掉51 200支粉筆，重達(dá)193.894 4 kg。即便只吸1%的灰，也要吸掉約2 kg的粉筆灰。針對這一問題，本文介紹了一款除塵黑板。

1 工作原理

黑板的上下固定有水平滑輪導(dǎo)軌，上下導(dǎo)軌之間連接一個(gè)豎直導(dǎo)軌，板擦固定在豎直導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)上下快速滑動(dòng)，而豎直導(dǎo)軌又可以沿著水平導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)水平滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)擦除整個(gè)黑板的功能。

整套裝置的核心在于可拆卸的黑板擦，如圖1—5所示，黑板擦包括離心風(fēng)機(jī)1，靜電除塵片2，透氣孔3，上殼體4，過濾板5，下殼體6，開關(guān)7，毛刷8，止回閥9，放置可充電的鋰離子電池的封閉盒10，充電插孔12，隔音材料，控制單元以及可充電的鋰離子電池。黑板擦具有外殼，外殼包括上殼體4和下殼體6。上殼體4的側(cè)面設(shè)置有充電插孔12和多個(gè)透氣孔3。下殼體6套在上殼體4的外側(cè)，開關(guān)7設(shè)置在下殼體6上。下殼體6四周是吸氣孔，一端與上殼體4相連，另一端設(shè)置有集中氣流的裙部和硬支撐刷毛。如圖2所示，毛刷8固定設(shè)置在下殼體6上且位于下殼體6的外側(cè)，用于擦拭板上的粉筆字跡。集塵格設(shè)置在下殼體6內(nèi)，用于收集毛刷擦拭掉下粉塵，集塵格側(cè)面設(shè)置有如圖5所示的開口11，用于倒出粉塵。如圖6所示的過濾板5設(shè)置在集塵格的下方，用于對粉塵進(jìn)行過濾，過濾板5可與集塵格活動(dòng)分離，便于清洗集塵格；過濾板5上設(shè)置有外形呈折疊形狀的過濾材料，用于擴(kuò)大接觸的表面積。過濾材料為耗材，可更換，因此有利于節(jié)約成本。集塵箱設(shè)置在過濾板5的下方，用于收集過濾后的粉塵。集塵箱內(nèi)設(shè)置有導(dǎo)流葉片和靜電除塵片2，用于利用靜電吸附粉塵，靜電除塵片2可以用刷毛定期刷洗。集塵箱內(nèi)壁及導(dǎo)流葉片的金屬化表面，連接到控制電路中的高壓發(fā)生器，當(dāng)離心風(fēng)機(jī)1工作時(shí)，整個(gè)集塵箱被充上電，使之成為能夠吸附灰塵的過濾器。如圖5所示，多個(gè)止回墊片9設(shè)置在下殼體6內(nèi)，位于吸氣孔邊，用于在離心風(fēng)機(jī)1關(guān)閉時(shí)封住吸氣孔，防止粉塵落出。下殼體6套在上殼體4的一端上，兼做集塵箱的密封。離心風(fēng)機(jī)1固定設(shè)置在上殼體4內(nèi)且位于集塵箱的下方，用于提供吸引粉塵進(jìn)入吸氣孔的氣流?？沙潆姷匿囯x子電池設(shè)置在離心風(fēng)機(jī)1一側(cè)的封閉盒10中，用于向離心風(fēng)機(jī)1提供電源。隔音材料設(shè)置在離心風(fēng)機(jī)1的外殼上，實(shí)施例中，隔音材料采用隔音棉制成。控制單元包括與離心風(fēng)機(jī)1相連的控制電路、高壓發(fā)生器。

黑板擦操作過程：按下開關(guān)后啟動(dòng)離心風(fēng)機(jī)1，擦黑板時(shí)，粉筆書寫痕跡被毛刷8刷下，粉塵掉落后遇上從邊緣吸入的氣流，被氣流帶動(dòng)，經(jīng)過吸氣孔和止回墊片9后進(jìn)入集塵格，被過濾板5阻擋而留在集塵格內(nèi)。氣流中殘余的粉塵進(jìn)入集塵箱后，被導(dǎo)向槽內(nèi)的靜電除塵片2吸附，干凈氣流由風(fēng)機(jī)抽出，從側(cè)面透氣孔3排出。

圖1 黑板擦立體分解示意

圖2 黑板擦剖面分解示意

圖3 黑板擦離心風(fēng)機(jī)

圖4 黑板擦下殼體

圖5 黑板擦上殼體

圖6 黑板擦過濾板

2 黑板擦儲(chǔ)塵容量測定實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)器材包括板擦、粉筆（3～5支）、量尺、小漏斗、量筒、鐵架臺(tái)、電子天平、砂紙。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）用砂紙磨制3支粉筆，放在白紙上以備使用。

（2）選取100 mL左右的量筒，稱量其凈質(zhì)量m0。

（3）將小漏斗、量筒安裝在鐵架臺(tái)合適位置，調(diào)整水平。

（4）將粉塵緩慢倒入漏斗中。

（5）待漏斗中粉塵全部流出后，用刮片和毛刷將量筒上粉塵全部刮下去。

（6）將量筒中粉塵抖平，讀出其體積v1。

（7）將量筒與粉塵放在電子天平上，稱量其質(zhì)量m1。

（8）測量板擦除塵槽尺寸，計(jì)算其體積V2。

（9）計(jì)算堆積密度ρ=（m1-m0）/v1，黑板擦可吸收的粉筆灰質(zhì)量M=ρv2。

單只粉筆質(zhì)量為m粉，換算成粉筆支數(shù)N=M/m粉。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理

量筒凈重m0=18.314 g，量筒與粉筆灰總重m1=22.497 g。

粉塵的體積V1=7.40 mL

密度ρ=（22.497-18.314）/7.40=0.56 g/mL，經(jīng)測量儲(chǔ)塵槽的體積為180 000 mm3。

M=ρ×V2=0.56×180 000×10-3=100.8 g。

經(jīng)測量單只粉筆的質(zhì)量為3.787 g，儲(chǔ)塵槽可儲(chǔ)存的粉筆數(shù)N=M/m粉=26.617（支）。

3 吸收率測定實(shí)驗(yàn)及過濾膜性能驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)器材包括可拆卸黑板擦、儲(chǔ)塵盒、塑料袋、膠帶、天平、粉筆、黑板、

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

稱量單支粉筆的質(zhì)量，用該支粉筆在黑板上寫字直至全部用完（注意，使用黑板書寫的過程有部分粉筆灰掉落，用儲(chǔ)塵盒接?。Ｓ盟芰洗咨虾诎宀恋暮笊w，用該黑板擦擦黑板。擦黑板過程中，粉筆灰有3個(gè)去處：（1）被黑板擦吸收至內(nèi)部吸塵槽內(nèi)；（2）未被吸收的粉筆灰漂浮進(jìn)入空氣中；C（3）少部分粉塵穿過板擦內(nèi)過濾膜由通風(fēng)孔進(jìn)入塑料袋內(nèi)，實(shí)驗(yàn)前后分別稱量板擦，塑料袋及儲(chǔ)塵盒的質(zhì)量，通過計(jì)算可以得到黑板擦對粉筆灰的吸收率。此外可以計(jì)算出透過過濾膜的粉塵質(zhì)量，以檢驗(yàn)過濾膜的性能。

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）稱量單只粉筆、板擦、塑料袋、儲(chǔ)塵盒的質(zhì)量，分別記為：m粉，m10，m20，m30。

（2）將該支粉筆寫粉筆字直至用完，同時(shí)黑板下放置一儲(chǔ)塵盒來吸收掉落的粉塵。

（3）將塑料袋套在后蓋通風(fēng)口處（塑料袋足夠大），用膠帶將交接處密封好。同時(shí)將儲(chǔ)塵盒從黑板處移開。

（4）打開黑板擦開關(guān)，將所有的字擦干凈。

（5）分別稱量黑板擦，吸塵塑料袋，儲(chǔ)塵盒的質(zhì)量，記為m11，m21，m31。

（6）計(jì)算吸塵率及過濾膜透過率。

根據(jù)類似吸塵產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)表明，若透過率η透≤6%，則認(rèn)為過濾膜過濾性能良好。

實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，計(jì)算平均值。

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（已計(jì)算為平均值）

單只粉筆質(zhì)量m粉=3.787g；黑板擦質(zhì)量m10=380.01g，m11=383.42g；吸塵塑料袋質(zhì)量m20=10.125g，m21=10.287g；儲(chǔ)塵盒質(zhì)量m30=12.248g，m31=12.463g；η吸=（383.42-380.01）/[3.787-（12.463-12.248）]=0.955=95.5%；η透=1-0.955=0.045=4.5%。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測得黑板擦吸收率可達(dá)95.5%，且過濾膜性能良好。

4 結(jié)語

除塵黑板總體結(jié)構(gòu)合理，結(jié)構(gòu)緊湊，材料輕便，輕巧耐用，易于加工，安全可靠。黑板軌道、鋰離子電池、開關(guān)、風(fēng)機(jī)、導(dǎo)流葉片、導(dǎo)線、墊片等元件均為標(biāo)準(zhǔn)件，成本低廉，易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，具有很強(qiáng)的可推廣性。

Design of mute blackboard eraser based on negative pressure adsorption and static electricity dust removal

Zhao Chenyang
（Energy and Power Engineering School of University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China）

In order to reduce the dust pollution when cleaning the blackboard, a dust elimination blackboard eraser was designed in this paper.The working principle is that the fan rotates to form negative pressure, and the dust enters the blackboard eraser through the air hole. The dust is left in the dust collecting box because of the fi ltering function of the fi lter screen, and the metal electrostatic dust removing is arranged to enhance the dust removal effect. Equipped with noise proof cotton in the blackboard eraser to reduce the noise caused by fan rotation. Experimental results show that the removal ef fi ciency reached 95.5%, which has effectively reduced the fl ying of dust.

negative pressure adsorption; electrostatic dust removal; mute; dust-free

趙晨陽（1996— ），女，河北唐山，本科。