蒸發(fā)冷卻填料過濾性能的實(shí)驗(yàn)研究

申永波,黃 翔,嚴(yán)錦程,賈 曼

(西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

工業(yè)革命以來隨著生產(chǎn)力的大幅提高,給生態(tài)環(huán)境卻帶來了化石燃料燃燒、汽車尾氣排放、生活垃圾焚燒等諸多污染．導(dǎo)致空氣品質(zhì)逐漸降低．近年來我國工業(yè)、交通以及建筑業(yè)的快速發(fā)展,空氣污染也日益嚴(yán)峻．冬季霧霾頻發(fā),我國北方還伴隨有沙塵暴天氣,嚴(yán)重影響了人們的正常生活[1]．此外，減小空氣中的微生物關(guān)鍵在于去除空氣中的粉塵及其附著微生物形成的浮游生物粒子,尤其是當(dāng)量直徑為5～10 μm的粒子[2]．傳統(tǒng)的空調(diào)設(shè)備中的濾網(wǎng)多采用纖維過濾網(wǎng),使用時被阻擋的塵粒會堆積在一起,病菌也會隨之附著在濾網(wǎng)上．蒸發(fā)冷卻填料彌補(bǔ)了傳統(tǒng)過濾網(wǎng)的不足,濕式填料在處理空氣的同時能夠吸附空氣中粉塵,去除空氣中的有害氣體．對空氣中粒徑小于10 μm的懸浮顆粒物有較高的過濾效果,因此對其深入研究具有重要意義[3]．

國外學(xué)者Paschold在蒸發(fā)冷卻器測試室中對室內(nèi)外可吸入顆粒物濃度進(jìn)行測定,通過在兩個蒸發(fā)冷卻器模型所做的實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)采用蒸發(fā)冷卻器后室內(nèi)PM 10的去除效率為50%,PM 2.5為10%～40%,這些結(jié)果與采用除塵系統(tǒng)的結(jié)果一致[4]．文獻(xiàn)[5]發(fā)現(xiàn)無論采用木絲填料還是剛性填料的蒸發(fā)冷卻器,都能有效地置換室內(nèi)的空氣,并且除塵效率相似,可將室內(nèi)空氣中的PM 10可吸入顆粒物減少40%,而PM 2.5的濃度減少約35%．國內(nèi)學(xué)者多以蒸發(fā)冷卻裝置作為主要制冷裝置單獨(dú)應(yīng)用或與其他除濕裝置等聯(lián)合應(yīng)用[6]．孫賀江提出了一種完全區(qū)別于傳統(tǒng)空氣過濾概念的過濾-脫離理念,并通過實(shí)驗(yàn)得出填料型洗滌式空氣過濾器過濾效果相當(dāng)于粗效過濾器水平,而阻力卻低于傳統(tǒng)粗效過濾器[7]．張偉峰研究了填料式噴水式中填料段對PM 10的去除效率,結(jié)果表明,噴水量一定時,隨著風(fēng)速的增加填料段的過濾效果遞減,最高可達(dá)57.6%[8]．此外,在空氣處理機(jī)組中使用濕式金屬填料,對于當(dāng)量直徑在3 μm以上顆粒的去除效率較高,并且可以與消毒液滅菌相結(jié)合,完全消除粉塵的二次污染,也可起到阻止傳染性細(xì)菌病毒通過空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行傳播的作用．其過濾效率和阻力受淋水密度的影響不大,且在噴淋水中加入表面活性劑可以提其過濾效率[9-10]．

單元式蒸發(fā)冷卻設(shè)備包括蒸發(fā)式冷氣機(jī)、移動式蒸發(fā)冷氣機(jī)、窗機(jī)等．相對大型蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組應(yīng)用更加廣泛,工廠、住宅、商鋪隨處可見．國內(nèi)外學(xué)者對蒸發(fā)冷卻填料在單元式蒸發(fā)冷卻設(shè)備中的除塵效率的研究較少,本文借助氣溶膠粒徑譜儀(Promo2000),分析蒸發(fā)冷卻填料的過濾性能.

1 蒸發(fā)冷卻技術(shù)

蒸發(fā)冷卻是一項(xiàng)利用水蒸發(fā)吸熱制冷的技術(shù)．當(dāng)水被蒸發(fā)進(jìn)入待冷卻的空氣中時簡稱“直接”蒸發(fā)冷卻,發(fā)生直接蒸發(fā)冷卻時,在水的表面發(fā)生質(zhì)的交換,水和非飽和空氣-水混合物處于游離狀態(tài)時,基于相應(yīng)的溫度和蒸汽壓力的差異發(fā)生接觸,使熱量和水轉(zhuǎn)移．常見的冷卻器類型是淋水式直接蒸發(fā)冷卻器(段)．它由一個立方體盒子、濕式過濾器(填料)、循環(huán)水系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)組成．經(jīng)常安裝雙速風(fēng)機(jī),以便根據(jù)個人舒適度控制通風(fēng)量輸出[11]．

在蒸發(fā)冷卻器(段)中水與空氣間的熱濕交換過程是空氣將潛熱傳遞給水,使空氣的溫度下降．由于水的蒸發(fā),空氣中水蒸氣含量不斷增加,進(jìn)入空氣的水蒸氣帶回汽化潛熱．當(dāng)這兩種熱量相等時,水溫達(dá)到空氣的濕球溫度．只要空氣未飽和,利用循環(huán)水噴淋空氣或蒸發(fā)冷卻填料可達(dá)到降溫效果．蒸發(fā)冷卻填料作為蒸發(fā)冷卻的核心部件,目前常用的直接蒸發(fā)冷卻器(段)填料有:有機(jī)填料、無機(jī)填料、天然植物纖維填料、金屬填料、無紡布填料、PVC填料、多孔陶瓷材料等．而蒸發(fā)冷卻器中顆粒物的去除機(jī)理有慣性碰撞、擴(kuò)散、接觸阻留和沉降．當(dāng)蒸發(fā)冷卻填料處于干燥狀態(tài)時,相當(dāng)于濾網(wǎng)過濾器的作用,阻礙空氣中的顆粒物的通過．當(dāng)在填料層淋水或其它溶液時,在降低空氣溫度的同時,過濾材料通道及其表面形成液滴和液膜,空氣中的塵粒、氣溶膠通過與液滴、液膜相接觸而被捕獲,被淋下來的水或其他溶液帶走,從而可以有效地將液態(tài)或固態(tài)粉塵粒子從氣流中除去[12-13]．作為一種自凈式過濾器,蒸發(fā)冷卻填料作為過濾器使用時克服了傳統(tǒng)空氣過濾器的弊病,具有明顯的優(yōu)勢,因此將蒸發(fā)冷卻與空氣凈化技術(shù)相結(jié)合,可提高室內(nèi)空氣品質(zhì),達(dá)到空氣凈化的效果．

2 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

蒸發(fā)冷卻填料作為過濾器使用時,過濾器的過濾效果和阻力主要取決于迎面風(fēng)速、淋水密度、比表面積以及填料的吸濕性等[14]．本次實(shí)驗(yàn)主要測試植物纖維填料干燥和完全潤濕時對室內(nèi)空氣的除塵效率,與國外學(xué)者所提出的效率進(jìn)行對比,以驗(yàn)證蒸發(fā)冷卻填料的過濾效果．

2.2 測試裝置及儀器儀表

氣溶膠粒徑譜儀如圖1所示,實(shí)驗(yàn)于2017年7月初在密閉實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,設(shè)備為德國制造的氣溶膠粒徑譜儀(Promo2000)、植物纖維填料、密封箱等．將蒸發(fā)冷卻填料鑲?cè)朊芊庀?在箱體后部預(yù)留有小孔．

氣溶膠粒徑譜儀(Promo2000)用于顆粒物尺寸分析和濃度測定的光散射粒徑譜儀,安裝welas○R傳感器,welas○R傳感器配備可測量不同粒徑大小顆粒物的傳感器,通過光纖電纜可以方便地集成入Promo○R 2000中．傳感器能夠可靠地測量濃度范圍1～106 P/cm3,顆粒粒徑范圍為0.2～105 μm的顆粒物．填料選用植物纖維填料(有機(jī)填料)厚度為0.1 m,迎風(fēng)面積為0.12×0.25 m2．

圖 1 氣溶膠粒徑譜儀(Promo2000) 圖 2 濕潤的植物纖維填料Fig.1 Aerosol particle size spectrometer(Promo2000) Fig.2 Wetted plant fiber fillers

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

利用氣溶膠粒徑譜儀(Promo2000)對不同處理過程的空氣進(jìn)行取樣分析,計(jì)算出每一時刻空氣中各種可吸入顆粒物的濃度變化情況．通過數(shù)據(jù)分析,得出經(jīng)干式植物纖維填料以及濕潤后的植物纖維填料過濾后的空氣中可吸入顆粒物濃度變化曲線．

(1) 利用氣溶膠粒徑譜儀(Promo2000)測試實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)空氣,每次測試時長為60 s．

(2) 將干式植物纖維填料鑲?cè)胱灾泼芊庀?將氣溶膠粒徑譜儀(Promo2000)的軟管插入密封箱預(yù)留的小孔,開始測試,測試時長與處理過程(1)相同．

(3) 將干式植物纖維填料從密封箱取出,水從填料流道自上而下流過,使其潤濕,將潤濕后的填料重新鑲?cè)朊芊庀?把氣溶膠粒徑譜儀(Promo2000)的軟管插入密封箱預(yù)留的小孔,開始測試,測試時長與處理過程(2)相同．

2.4 數(shù)據(jù)記錄與處理

分別對室內(nèi)空氣，經(jīng)干式植物纖維填料過濾后的空氣以及完全潤濕的植物纖維填料過濾后的空氣利用氣溶膠粒徑譜儀(Promo2000)取樣,得不同時刻所測空氣中可吸入顆粒物濃度(μg/m3)．

為了準(zhǔn)確地分析不同處理過程中室內(nèi)可吸入顆粒物濃度變化過程,對實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)每60 s取其平均值,并記錄數(shù)據(jù)．不同時刻室內(nèi)可吸入顆粒物濃度見表1．

表 1 不同時刻室內(nèi)可吸入顆粒物濃度

圖 3 不同處理過程下空氣中可吸入顆粒物濃度Fig.3 Concentration of respirable particulate matter in air under different treatments

從表1可以看出，濕式填料的過濾效率高于干式填料,以PM 10的過濾效果為例．使用干式填料過濾，室內(nèi)空氣中顆粒物濃度從158.57 μg/m3降至34.89 μg/m3而在濕工況處理下,室內(nèi)空氣中顆粒物濃度從158.57 μg/m3降至19.92 μg/m3．因?yàn)樵谔盍系倪^濾機(jī)理中,接觸阻留、擴(kuò)散效應(yīng)和沉淀均與濕膜有關(guān)，尤其是擴(kuò)散效應(yīng),其在干工況和濕工況下的作用效果差異懸殊,并且擴(kuò)散效應(yīng)主要作用于小粒徑粉塵．當(dāng)過濾材料通道及其表面形成液滴和液膜,空氣中的塵粒、氣溶膠才能通過與液滴、液膜相接觸而被捕獲,然后被淋下來的水或其他溶液帶走,從而可以有效地將液態(tài)或固態(tài)粉塵粒子從氣流中除去．雖然此過程伴隨著熱質(zhì)交換作用,但顆粒物的去除機(jī)理中,慣性碰撞、擴(kuò)散效應(yīng)、接觸阻留和沉降均與熱質(zhì)交換作用無關(guān),因此填料的過濾效率與熱質(zhì)交換作用不會相互影響．

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將不同種處理過程下空氣中可吸入顆粒物濃度的變化情況進(jìn)行比較,不同處理過程下空氣中可吸入顆粒物濃度如圖3所示．

通常采用過濾效率衡量填料作為過濾器使用時,對某一粒徑范圍塵粒的過濾效果,計(jì)算公式如下:

式中:y1為處理前空氣中含塵濃度,mg/m3;y2為處理后空氣中含塵濃度,mg/m3;η為除塵效率,%．

室內(nèi)空氣取樣時測得PM 2.5、PM 10、TSP分別為67.25 μg/m3,165.09 μg/m3,192.74 μg/m3．當(dāng)使用干式填料對空氣過濾后再對其取樣分析,得到空氣中PM 2.5、PM 10、TSP分別為24.37 μg/m3,34.24 μg/m3,35.02 μg/m3,通過計(jì)算得出，干式填料的除塵效率分別為65%,77%,80%．而濕式填料相對未經(jīng)過濾的空氣中的PM 2.5、PM 10、TSP的除塵效率分別為84%,91%,92%．無論干式填料還是濕式填料,顆粒物粒徑越大過濾效率也越高．因?yàn)殡S著粉塵顆粒粒徑的增大,慣性碰撞、攔截阻留和重力沉降等過濾效率都隨之增大[15]．

本次實(shí)驗(yàn)中填料對空氣的過濾效果遠(yuǎn)大于國外學(xué)者Paschold提出的使用蒸發(fā)冷卻器后的室內(nèi)PM 10可吸入顆粒物濃度減少50%,PM 2.5可吸入顆粒物濃度去除效率10%～40%．

因?yàn)轱L(fēng)速是影響蒸發(fā)冷卻填料過濾性能的關(guān)鍵因素,氣溶膠粒徑譜儀與密封箱連接后,等同于吸氣口迅速擴(kuò)大,且填料的迎面風(fēng)速僅為0.3 m/s．此次實(shí)驗(yàn)中選取比表面積較大的填料,結(jié)構(gòu)更加緊湊,使慣性碰撞更加劇烈,因此對空氣中可吸入顆粒物有較高過濾效果．

圖 4 室內(nèi)各測點(diǎn)布置圖Fig.4 Indoor layout of the test points

3 蒸發(fā)冷卻填料過濾性能測試

本次測試在某實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,該實(shí)驗(yàn)室長6.5 m、寬6 m,面積39 m2,測試時間為2017年1月中旬,主要測試蒸發(fā)冷卻對PM 2.5、PM 10以及TSP的除塵效率．測試設(shè)備有蒸發(fā)式冷風(fēng)扇及手?jǐn)y式(粉塵)測量儀．將蒸發(fā)式冷風(fēng)扇放置于室內(nèi),門窗關(guān)閉,避免新風(fēng)進(jìn)入．待室內(nèi)空氣中可吸入顆粒物濃度穩(wěn)定后開始測試．室內(nèi)測點(diǎn)布置示意圖如圖4所示(圖中數(shù)字為測點(diǎn)編號),從圖4可以看出，室內(nèi)測點(diǎn)1，2在蒸發(fā)式冷氣機(jī)進(jìn)風(fēng)口及出風(fēng)口處；測點(diǎn)2，3，4距離為1.5 m；測點(diǎn)5，6選擇受出風(fēng)口氣流影響較小的位置,位于靠近墻體側(cè),各測點(diǎn)位于距地面高0.75 m處,即為辦公桌同一高度處,對室內(nèi)各測點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)求平均值．

在蒸發(fā)式冷風(fēng)扇未開啟時對室內(nèi)外可吸入顆粒物濃度進(jìn)行測試,室外PM 2.5、PM 10、TSP濃度分別為258.9 μg/m3,518.5 μg/m3,591.2 μg/m3．此時室內(nèi)PM 2.5、PM 10、TSP濃度分別為208.4 μg/m3,277.1 μg/m3,283.9 μg/m3．開啟蒸發(fā)式冷風(fēng)扇,實(shí)驗(yàn)時間140 min,每10 min測量1次．

對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到在蒸發(fā)式冷風(fēng)扇的作用下室內(nèi)PM 2.5、PM 10、以及TSP濃度變化曲線,如圖5所示.從圖5可以看出,在冬季霧霾天,在蒸發(fā)式冷風(fēng)扇的作用下,室內(nèi)可吸人顆粒物PM 2.5、PM 10以及TSP濃度呈衰減趨勢.室內(nèi)空氣中PM 2.5，PM 10，TSP減少量分別為21.2%,32.9%,31.6%;在蒸發(fā)式冷風(fēng)扇的作用下室內(nèi)空氣中的PM 2.5、PM 10以及TSP可吸入顆粒物濃度均有明顯減少．帶有蒸發(fā)冷卻填料的蒸發(fā)冷卻設(shè)備對可吸入顆粒物同樣具有過濾功效．除塵效率低于實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果是因?yàn)槌龎m效率受風(fēng)速的影響,當(dāng)氣流速度增大，慣性碰撞效率也隨之增加,擴(kuò)散效率和重力沉降效率卻隨速度的增加而減小,并且攔截阻留效率幾乎與速度無關(guān)．應(yīng)用測試階段填料迎面風(fēng)速為3.6 m/s,大于實(shí)驗(yàn)測試階段對人體可吸入顆粒物而言,當(dāng)風(fēng)速變大時慣性碰撞增長低于擴(kuò)散效率與沉降效率的減小量．

4 結(jié) 論

(1) 除了大型蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組外,單元式直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備對空氣同樣具有除塵凈化的功效．濕式植物纖維填料在接觸阻留和沉降的過濾機(jī)理作用下,過濾性能優(yōu)于干式植物纖維填料．

(2) 在空氣污染較為嚴(yán)重的地區(qū)使用直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備時,可以適當(dāng)調(diào)低風(fēng)速,以提高蒸發(fā)冷卻填料對空氣中可吸入顆粒物的除塵效率,提高室內(nèi)空氣品質(zhì)．

(3) 擴(kuò)散效應(yīng)主要作用于小粒徑粉塵．在過濾材料通道及其表面形成液滴和液膜,可有效地將液態(tài)或固態(tài)粉塵粒子從氣流中除去．在顆粒物的去除機(jī)理中,慣性碰撞、擴(kuò)散效應(yīng)、接觸阻留和沉降均與熱質(zhì)交換作用無關(guān),填料的過濾效率與熱質(zhì)交換作用不會相互影響．

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 李紀(jì)峰.試析我國大氣污染防治的形勢及對策[J].中國科技信息,2014(6):28-29.

LI J F.An analysis of the situation and countermeasures of prevention and control of atmospheric pollution in China[J].China Science and Technology Information,2014(6):28-29.

[2] 胡家駿,周群英.環(huán)境工程微生物學(xué)[M].上海:高等教育出版社,1988:128-130.

HU J J,ZHOU Q Y.Environmental engineering microbiology[M].Shanghai:Higher Education Press,1988:128-130.

[3] 汪天尖.蒸發(fā)冷卻填料的除塵性能研究[D].廣州：廣州大學(xué),2015：16-20.

WANG T J.Study on filtration performance of evaporative cooling pad[D].Guangzhou：Guangzhou University,2015:16-20.

[4] PASCHOLD H W.The effects of evaporative cooling on indoor/outdoor air quality in an arid region[D].Indiana:The University of Texas,2002:10-15.

[5] WEN W L,PASCHOLD H,MORALES H,et al.Correlations between short-term indoor and outdoor PM concentrations at residences with evaporative coolers[J].Atmospheric Environment,2003,37(19):2691-2703.

[6] 吳志湘,黃翔,蘭治科,等.干工況風(fēng)機(jī)盤管-半集中式蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)[J].西安工程大學(xué)學(xué)報,2008,22(2):182-186.

WU Z X,HUANG X,LAN Z K,et al.A semi-central evaporative cooling car-conditioning system combined fan-coil unit in dry condition[J].Journal of Xi′an Polytechnic University,2008,22(2):182-186.

[7] 張歡,由世俊,馬德剛,等.空調(diào)機(jī)組用填料型洗滌式空氣過濾器的實(shí)驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械，2004，32(4):48-50.

ZHANG H,YOU S J,MA D G,et al.Experimental study of the wetted media air filter used in air-handling unit[J].Fluid Machinery,2004，32(4):48-50.

[8] 張偉峰,黃翔,顏蘇芊.填料式噴水室凈化處理室外新風(fēng)中PM10的實(shí)驗(yàn)研究[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2006(1):8-11.

ZHANG W F,HUANG X,YAN S Q.Experimental study on padding air-washer purifying the PM10of the outdoor air[J].Contamination Control & Air-Conditioning Technology,2006(1):8-11.

[9] 張歡,李博佳,由世俊.金屬填料型直接蒸發(fā)冷卻裝置在空氣處理機(jī)組中的應(yīng)用研究[J].暖通空調(diào),2009,39(9):24-27.

ZHANG H,LI B J,YOU S J.Application of direct evaporative cooling device with metal filler to air handling units[J].Heating Ventilating & Air Conditioning,2009,39(9):24-27.

[10] 馬德剛,張歡,葉天震,等.濕式填料在中央空調(diào)中除塵的效果觀察[J].中國公共衛(wèi)生,2004,20(3):369-370.

MA D G,ZHANG H,YE T Z,et al.Study on effect of wet on dust collection of central air conditioning[J].China Public Health,2004,20(3):369-370.

[11] 張歡,由世俊,馬德剛,等.空調(diào)機(jī)組用填料型洗滌式空氣過濾器的實(shí)驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械,2004,32(4):48-50;47.

ZHANG H,YOU S J,MA D G,et al.Experimental study of the wetted media air filter used in air-handing Unit[J].Fluid Machinery,2004,32(4):48-50;47.

[12] 黃翔.國內(nèi)外蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)研究進(jìn)展(1)[J].暖通空調(diào),2007,37(2):24-30.

HUANG X.Progress in research of evaporative cooling air conditioning technology at home and abroad(part 1)[J].Heating Ventilating & Air Conditioning,2007,37(2):24-30.

[13] 李元銘,強(qiáng)天偉.蒸發(fā)冷卻對霧霾空氣的凈化作用[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2014(2):31-34.

LI Y M,QIANG T W.Purification of evaporative cooling air to the haze[J].Contamination Control & Air-Conditioning Technology,2014(02):31-34.

[14] 黃翔.蒸發(fā)冷卻空調(diào)理論與應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010:162-210.

HUANG X.Evaporative cooling air conditioning theory and application[M].Beijing:China Architecture & Building Press,2010:162-210.

[15] PASCHOLD H,LI W W,MORALES H,et al.Laboratory study of the impact of evaporative coolers on indoor PM concentrations[J].Atmospheric Environment,2003,37(8):1075-1086.