新型駐電極空氣過(guò)濾器容塵性能實(shí)驗(yàn)研究

熊文浪 林忠平

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

0 引言

現(xiàn)有大量醫(yī)學(xué)研究報(bào)告指出，人體長(zhǎng)期暴露在顆粒物濃度較高的環(huán)境中容易引發(fā)心血管、呼吸系統(tǒng)甚至癌癥等疾病，且細(xì)顆粒物對(duì)于健康的威脅更大[1]。對(duì)于室內(nèi)和室外顆粒物濃度水平的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，室內(nèi)空氣PM2.5濃度和大氣PM2.5呈強(qiáng)相關(guān)性[2]，室內(nèi)的顆粒物污染源主要是大氣環(huán)境，這一點(diǎn)已得到大多數(shù)學(xué)者的認(rèn)同[3-5]。霧霾的頻發(fā)不僅給室外環(huán)境造成影響，也會(huì)引發(fā)社會(huì)對(duì)于室內(nèi)空氣質(zhì)量的擔(dān)憂，從而迫使公眾尋求纖維過(guò)濾、靜電除塵、負(fù)離子作用甚至生物過(guò)濾系統(tǒng)[6]等凈化空氣的手段來(lái)保證基本的健康需求。

自從將靜電除塵技術(shù)應(yīng)用到控制室內(nèi)顆粒物領(lǐng)域從而得到靜電式集塵過(guò)濾器（ESP），新技術(shù)、新構(gòu)造就不斷的涌現(xiàn)[7]，靜電類過(guò)濾器（ESP）集塵效率不斷提高，對(duì)細(xì)顆粒物的收集效果更好，其相對(duì)于傳統(tǒng)纖維過(guò)濾器更是具有阻力小、風(fēng)機(jī)能耗小的優(yōu)勢(shì)，因此廣泛應(yīng)用于室內(nèi)空氣凈化設(shè)備中。單區(qū)結(jié)構(gòu)的靜電式集塵過(guò)濾器（ESP）在收塵過(guò)程中會(huì)因?yàn)榉蹓m層表面電荷的累積產(chǎn)生反電暈效果[8-9]，這不利于對(duì)顆粒物的收集，而將對(duì)粒子電離和收集分為兩個(gè)階段，形成雙區(qū)結(jié)構(gòu)[10-11]，讓粒子先帶上一定量的電荷，再通過(guò)電場(chǎng)被收集，這樣就能很好的解決反電暈的問題。

1 新型駐電極空氣過(guò)濾器

新型駐電極空氣過(guò)濾器是一種依靠電場(chǎng)與荷電粒子間的靜電力完成對(duì)粒子捕集的空氣凈化設(shè)備。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，它屬于引言中提到的雙區(qū)結(jié)構(gòu)靜電式集塵過(guò)濾器。如圖1所示，它包括兩個(gè)部分：針尖放電裝置和集塵極板。根據(jù)其功能要求以及尺寸的不同可以選擇裝配于空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)段或回風(fēng)段內(nèi)，或者室內(nèi)空氣凈化器等裝置內(nèi)。

圖1 新型駐電極空氣過(guò)濾器工作原理

針尖放電裝置包括不銹鋼針和鋁制孔板。不銹鋼電暈針接入-12kV左右的負(fù)高電壓，鋁制孔板接地，電勢(shì)為零，含塵氣流中的粒子通過(guò)帶有圓孔的矩形陣列孔板后帶上一定量的電荷，進(jìn)入到集塵模塊在靜電場(chǎng)中被捕集。

集塵模塊的高壓電源正負(fù)極通過(guò)導(dǎo)線接入碳纖維導(dǎo)電薄膜，本研究中的實(shí)驗(yàn)對(duì)象的正極接地；薄膜外包裹導(dǎo)電率極低的電介質(zhì)材料形成密閉空間，顆粒物也無(wú)法與電極直接接觸，防止電極間因高電壓產(chǎn)生打火現(xiàn)象。通過(guò)極大的縮小兩集塵板間距并加以高電壓，營(yíng)造出集塵區(qū)微孔通道內(nèi)的極強(qiáng)電場(chǎng)，和普通集塵板相比，可更加有效的捕獲荷電粒子，提高該類設(shè)備的收塵效率。應(yīng)用此集塵模塊的雙區(qū)靜電過(guò)濾器在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中表現(xiàn)良好，大于等于0.3 μm粒徑粒子的集塵效率為76.1%[12]。

2 容塵實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

駐電極空氣過(guò)濾器的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN779：2012《一般通風(fēng)過(guò)濾器——過(guò)濾性能測(cè)定》[13]搭建，主要由變頻風(fēng)機(jī)，噴嘴流量計(jì)，壓差計(jì)，高壓測(cè)試系統(tǒng)，功率測(cè)試系統(tǒng)，氣溶膠采樣系統(tǒng)，氣體采樣系統(tǒng)及風(fēng)管管道等組成，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的示意圖則如圖2所示。

圖2 空氣過(guò)濾器性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

在連續(xù)運(yùn)行容塵階段測(cè)試過(guò)程中用到的儀器有：

1）高壓探棒FLUKE 80K-15和萬(wàn)用表的組合，探棒接入萬(wàn)用表千伏直流高壓量程，通過(guò)直接接觸法測(cè)量針尖放電電壓，儀器不準(zhǔn)確度±1%。

2）臭氧檢測(cè)儀model 106 L，基于紫外分光光度法測(cè)量臭氧濃度，儀器不準(zhǔn)確度±2%。

3）電質(zhì)量分析儀HIOKI 3197，配合功率儀測(cè)量裝置開啟時(shí)的電參數(shù)，儀器不準(zhǔn)確度±1%。

4）壓力傳感器KIMO CP100，測(cè)量受試過(guò)濾器前后的壓差，得到不同風(fēng)量下的阻力，儀器不準(zhǔn)確度±1 Pa。

5）Palas promo 2000氣溶膠粒徑譜儀，基于光散射原理測(cè)量大氣塵上下游粒子濃度，配合使用welas 2300探頭測(cè)量范圍為0.17～10 μm粒徑的粒子濃度。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

本文主要目的在于通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究新型駐電極空氣過(guò)濾器實(shí)際連續(xù)運(yùn)行條件下容塵（大氣塵）階段的容塵階段效率、阻力、臭氧發(fā)生濃度、容塵量、針尖放電高壓等性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化，具體的實(shí)驗(yàn)方法如下：

1）測(cè)定受試樣品的規(guī)格參數(shù)，包括尺寸、重量等。

2）在容塵初始階段，進(jìn)行風(fēng)量-阻力測(cè)試，確定1.0～3.0 m/s五組風(fēng)速所對(duì)應(yīng)不同風(fēng)量下的阻力性能。

3）通過(guò)采樣管連接粒子計(jì)數(shù)器，測(cè)試初始狀態(tài)不同迎面風(fēng)速下的各粒徑段粒子的上下游濃度，按照EN779：2012中規(guī)定的方法計(jì)算分組效率和分級(jí)效率，并以此參照標(biāo)準(zhǔn)ISO 16890-1：2016中推薦的方法計(jì)算PM2.5計(jì)重效率[14]。

4）設(shè)備運(yùn)行功耗的測(cè)量。

5）根據(jù) GB/T14295-2008《空氣過(guò)濾器》，在試驗(yàn)風(fēng)量下，使用臭氧檢測(cè)儀交替測(cè)量上、下游臭氧濃度，并計(jì)算得到濃度差即為臭氧發(fā)生濃度。

6）調(diào)整高壓探棒和萬(wàn)用表至千伏檔位，測(cè)量針尖放電高壓。

7）連續(xù)運(yùn)行60天進(jìn)行容塵，每天運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為8小時(shí)，定時(shí)開啟定時(shí)關(guān)閉，每隔一天測(cè)量并計(jì)算得到1.0 m/s和2.5 m/s迎面風(fēng)速下的過(guò)濾效率，期間重復(fù)4、5、6 步驟。

8）每一階段容塵后稱量裝置的重量，計(jì)算得到容塵量。

9）取出駐電極集塵模塊進(jìn)行清洗，在1.0 m/s和2.5 m/s迎面風(fēng)速下再次測(cè)量清洗后的過(guò)濾效率，對(duì)比清洗前后的效率變化情況。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 初始阻力與效率

圖3為新型駐電極過(guò)濾器的初始阻力與迎面風(fēng)速的關(guān)系，在1.0 m/s和2.5 m/s迎面風(fēng)速下初阻力較小，分別為14 Pa和60 Pa，對(duì)比同效率等級(jí)的纖維過(guò)濾器在2.5 m/s迎面風(fēng)速下整個(gè)容塵階段的平均阻力232 Pa。如果單獨(dú)看同風(fēng)速下的集塵板阻力要更小，在1.0 m/s迎面風(fēng)速下不到10 Pa，在2.5 m/s迎面風(fēng)速下不到30 Pa，這說(shuō)明改善放電模塊的結(jié)構(gòu)還能夠進(jìn)一步降低整體的阻力。

圖3 初始狀態(tài)風(fēng)速-阻力

容塵零階段測(cè)試的裝置的初始性能顯示：根據(jù)ISO 16890-1：2016計(jì)算出的初始PM2.5過(guò)濾效率在1.0 m/s和2.5 m/s迎面風(fēng)速下分別為99.8%和97.6%，更進(jìn)一步的觀察初始條件下的分級(jí)效率和分組效率發(fā)現(xiàn)，不同風(fēng)速下的初始分組效率和分級(jí)效率均較高（圖4），在90%以上。風(fēng)速小于2 m/s效率則均在99%以上。

圖4 初始狀態(tài)分級(jí)效率

3.2 容塵階段效率

圖5說(shuō)明容塵階段內(nèi)1.0 m/s和2.5 m/s迎面風(fēng)速下效率的表現(xiàn)差異較大，小風(fēng)速下效率衰減更為緩慢，過(guò)濾效果更為可靠，在40個(gè)容塵天數(shù)前效率基本保持在90%以上，隨著容塵的進(jìn)行效率減少并在70%左右震蕩，而大風(fēng)速下測(cè)得的效率呈現(xiàn)出更加明顯的下降趨勢(shì)。對(duì)于0.39 μm粒徑檔而言，效率從最初幾個(gè)容塵天數(shù)的90%以上逐步衰減，但是PM2.5計(jì)重效率相對(duì)于其他計(jì)數(shù)效率更高，測(cè)得的各組數(shù)據(jù)PM2.5效率比0.39 μm粒徑檔效率高1.7%～27.1%，這種差異是由入口處的含塵氣流中粒子的粒徑分布不同造成的，可以看出，在50個(gè)容塵天數(shù)之前2.5 m/s風(fēng)速下PM2.5計(jì)重效率始終保持在50%以上。

圖5 容塵階段效率

3.3 臭氧發(fā)生濃度

臭氧濃度監(jiān)測(cè)的結(jié)果顯示（圖6），其濃度的增量最大僅為16.1 ppb，小于國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值濃度80 ppb，且未呈現(xiàn)出與迎面風(fēng)速明顯的相關(guān)性，出現(xiàn)的負(fù)增量可能與測(cè)試過(guò)程中上游入口處濃度變化迅速有關(guān)。

圖6 臭氧發(fā)生濃度監(jiān)測(cè)

3.4 針尖放電高壓

各放電針尖處的高壓值在差異較小，偏差系數(shù)（不均勻度）較小僅為0.036%，可以認(rèn)為某點(diǎn)處的針尖放電高壓值具有整體的代表性。容塵過(guò)程針尖高壓在-11.84 kV至-11.90 kV保持穩(wěn)定（圖7），并沒有出現(xiàn)高壓值衰弱的情況，排除了粒子荷電能力對(duì)影響效率衰減的干擾。

圖7 針尖放電高壓

3.5 電參數(shù)

直流高壓供電模塊的功率穩(wěn)定在15 W左右，這包括對(duì)集塵模塊和針尖放電模塊兩部分的供電。

3.6 清洗效果

通過(guò)加入超聲波模塊清洗，洗滌劑浸泡晾干后發(fā)現(xiàn)，清洗后集塵模塊能夠恢復(fù)到較為清潔的狀態(tài)，其中容塵初態(tài)至容塵終態(tài)增重44.3 g，清洗后減重28.4 g，殘余塵重15.9 g，可以看出清洗的較為徹底。但仍然有改進(jìn)的空間，尤其是微孔深層的集塵。清洗后效率較容塵末階段也有較大提升，1.0 m/s下PM2.5效率93.6%，2.5 m/s下PM2.5效率69.1%，但無(wú)法恢復(fù)到初始效率?？梢灾溃l繁清洗效率衰減更為緩慢。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)連續(xù)容塵實(shí)驗(yàn)探究新型駐電極空氣過(guò)濾器的容塵性能，得出若干主要結(jié)論。

1）新型駐電極空氣過(guò)濾器捕集粒子能力強(qiáng)，初始阻力在1.0 m/s迎面風(fēng)速下低至14 Pa，2.5 m/s迎面風(fēng)速下為60 Pa，且阻力容塵后基本不變。初始PM2.5過(guò)濾效率分別為99.8%和97.6%，1.0～3.0 m/s風(fēng)速下的分組效率和分級(jí)效率均在90%以上。

2）在容塵過(guò)程中過(guò)濾器的效率衰減緩慢，1.0 m/s迎面風(fēng)速下PM2.5計(jì)重效率連續(xù)運(yùn)行容塵40天效率仍在90%以上，在50個(gè)容塵天數(shù)之前2.5 m/s風(fēng)速下PM2.5計(jì)重效率始終保持在50%以上，清洗后效率較容塵終態(tài)有較大提升，1.0 m/s下PM2.5計(jì)重效率93.6%，2.5m/s下PM2.5效率69.1%，頻繁清洗效率衰減更為緩慢。

3）容塵過(guò)程中，臭氧發(fā)生濃度在安全限值內(nèi)，增量最大僅為16.1 ppb，容塵過(guò)程針尖高壓在-11.84 kV至-11.90 kV保持穩(wěn)定，電功率穩(wěn)定在15 W左右。