雙向空氣凈化換氣裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙丁凡,李 晶,周 旺

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著生活質(zhì)量的日益提高,人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量狀況越來越關(guān)注。人的一生超過90%的時(shí)間在室內(nèi)度過,但許多對人體有害的物質(zhì)在室內(nèi)不斷累積并造成污染,污染程度甚至高于室外[1]。同時(shí),室外空氣污染日益嚴(yán)重,將室外空氣直接引入室內(nèi)不僅不能降低室內(nèi)污染物濃度,而且可能會加劇惡化室內(nèi)空氣品質(zhì)[2]。因此,新風(fēng)系統(tǒng)[3]的發(fā)展應(yīng)用逐漸成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]對室內(nèi)空氣凈化器進(jìn)行分析,得出空氣凈化器中有多種不同的技術(shù)和介質(zhì),能夠吸附、分解或轉(zhuǎn)化各種空氣污染物,對室內(nèi)空氣的內(nèi)部循環(huán)優(yōu)化,向用戶提供清潔和安全的空氣,但成本功耗較高;文獻(xiàn)[5]為將室內(nèi)立體空間循環(huán)凈化,采用四周+底部進(jìn)風(fēng),頂部吹風(fēng)的設(shè)計(jì),在其底部安裝萬向輪,在頂部安裝拉手,確保移動性,但加裝蓄電池增大了設(shè)計(jì)研發(fā)成本,且只是優(yōu)化室內(nèi)原有空氣,不存在與外界交換氣體。

根據(jù)國家《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T18883—2002,每人在約4.6 m3空間下保證新風(fēng)量在30 m3/h以上,才能確保室內(nèi)CO2的體積濃度不超過0.1%,這也與新風(fēng)量指標(biāo)至少每人30 m3/h吻合[6-8]。為此,空氣凈化換氣裝置的設(shè)計(jì)符合當(dāng)前趨勢,其市場潛力是不可預(yù)估的。本文針對現(xiàn)代建筑室內(nèi)空氣污染,室內(nèi)空氣凈化器功耗成本較高且不存在與外界交換氣體等問題,采用Pro/E三維結(jié)構(gòu)建模、Abaqus有限元分析和Fluent流體仿真技術(shù),設(shè)計(jì)開發(fā)一款經(jīng)濟(jì)適用、可雙向凈化且可以加熱空氣的換氣裝置。

1 總體設(shè)計(jì)

基于Pro/E三維結(jié)構(gòu)建模技術(shù)[9],設(shè)計(jì)雙向空氣凈化換氣裝置,包括外形部分、傳動部分和過濾部分。該裝置的三維實(shí)體模型如圖1所示。

1-外蓋;2-電加熱絲;3-副外殼;4-電動機(jī);5-風(fēng)扇;6-中心軸;7-風(fēng)扇蓋;8-擋風(fēng)板;9-主外殼;10-過濾網(wǎng);11-內(nèi)蓋圖 1 裝置的三維實(shí)體模型Fig.1 3D solid model of the device

雙向空氣凈化換氣裝置中,外形部分由外蓋1、副外殼3、主外殼9、內(nèi)蓋11組成,均由耐高溫的碳纖維復(fù)合材料[10]制成。其框架為正方形,內(nèi)部可安裝電動機(jī)、風(fēng)扇葉等,外部安裝有電加熱絲、過濾網(wǎng)。傳動部分由電動機(jī)4、風(fēng)扇5、中心軸6、風(fēng)扇蓋7組成,小型電動機(jī)通過中心軸控制風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn),2個(gè)風(fēng)車輪狀的擋風(fēng)板安裝到主外殼內(nèi)部的圓形支架上,其中心與電動機(jī)在同一軸線上。過濾部分包含HEPA高效過濾網(wǎng)、活性炭結(jié)構(gòu),且HEPA高效過濾網(wǎng)位置固定,而活性炭結(jié)構(gòu)可繞中心旋轉(zhuǎn),在電動機(jī)帶動風(fēng)扇產(chǎn)生風(fēng)力時(shí)室外的空氣通過上述兩部分達(dá)到對空氣的凈化作用。HEPA高效過濾網(wǎng)能夠過濾自然空氣中含有的大量微粒污染物,通過它可以去除至少97%的空中微粒(直徑0.3μm)[11-13]。該裝置的活性炭結(jié)構(gòu)采用優(yōu)質(zhì)活性炭經(jīng)特殊處理,主要是利用活性炭作為吸附劑來吸附轉(zhuǎn)移空氣中的有機(jī)大分子物質(zhì)[14-15],在過濾、阻隔、吸附方面的性能極其優(yōu)異,適用于口罩、空氣凈化器等與空氣凈化有關(guān)的產(chǎn)品領(lǐng)域[16]。

2 運(yùn)行機(jī)理

該裝置需要220 V的小型電動機(jī),并設(shè)置有位置1、位置2、位置3。位置1為關(guān)閉階段,2個(gè)塑料擋風(fēng)板差位分布,完全遮住主外殼空腔,將室內(nèi)室外空氣隔離;位置2為進(jìn)氣階段,塑料擋風(fēng)板處在HEPA過濾網(wǎng)間隙區(qū)域,此時(shí)只有HEPA過濾網(wǎng)區(qū)域可供氣體進(jìn)入;位置3為排氣階段,塑料擋風(fēng)板處在HEPA過濾網(wǎng)區(qū)域,此時(shí)只有HEPA過濾網(wǎng)間隙區(qū)域可供排出氣體。當(dāng)風(fēng)扇向室內(nèi)進(jìn)風(fēng)時(shí),電動機(jī)正轉(zhuǎn)帶動風(fēng)扇順時(shí)針旋轉(zhuǎn),此時(shí)擋風(fēng)板處于位置2,室外氣體只有通過HEPA過濾網(wǎng)進(jìn)入室內(nèi)達(dá)到凈化空氣的作用,如需熱空氣,則給電熱絲通電。當(dāng)風(fēng)扇向室外排風(fēng)時(shí),電動機(jī)反轉(zhuǎn)帶動風(fēng)扇逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),此時(shí)擋風(fēng)板處于位置3,室內(nèi)的氣體也只能從HEPA過濾網(wǎng)的間隙區(qū)域排出,排氣過程則不需給電熱絲通電。位于外蓋內(nèi)部的電加熱絲設(shè)置有手動通電開關(guān),通電即加熱空氣。

3 有限元分析及材料優(yōu)選

3.1 模態(tài)分析及算法

模態(tài)分析是有限元動力學(xué)分析中的基礎(chǔ)內(nèi)容,工程上進(jìn)行模態(tài)分析的目的是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之前可以預(yù)先避免可能引起的共振[17]。為了保證裝置運(yùn)行時(shí)性能穩(wěn)定,對本設(shè)計(jì)進(jìn)行模態(tài)分析[18-19]。

機(jī)械系統(tǒng)作自由振動并忽略阻尼時(shí)其方程為

(1)

|[K]-ω2[M]|=0

(2)

已知固有圓周頻率ω,可知固有頻率f=ω/2π,外界激勵頻率接近f時(shí)機(jī)械系統(tǒng)將產(chǎn)生共振現(xiàn)象,所以機(jī)械裝置運(yùn)行時(shí)要避開頻率f的激勵。

導(dǎo)入Pro/E模型之后,建立裝置的有限元模型,對其進(jìn)行模態(tài)分析,利用Abaqus/Standard隱式求解器下的Lanczos算法。該算法選擇一個(gè)初始向量,經(jīng)過m次反迭代、正交化和歸一化處理,形成m個(gè)Lanczos向量;而正交因數(shù)形成一個(gè)三對角矩陣,通過求解這個(gè)三對角陣的特征解,可求得原廣義特征值問題的前若干階特征值,即若干階模態(tài)頻率。

選取一個(gè)適當(dāng)?shù)某跏嫉蛄縬1,使得(q1)TMq1=1,M為質(zhì)量矩陣,設(shè)k為迭代次數(shù),對k=1,2,3，…,m進(jìn)行以下向量反迭代

q-k+1=Sqk

(3)

式中:S=K-1M,K為剛度矩陣。將反迭代后的向量正交化,其中正交系數(shù)為:αk=q-k+1-αkqk-βkqk-1和βk=(q-k+1)TMqk-1,k=1,2,3，…,m。對q-k+1歸一化處理,形成第k+1個(gè)Lanczos向量

(4)

(5)

求解三對角陣特征值,即求得若干階模態(tài)頻率的近似解。因此,經(jīng)Lanczos算法得到裝置的一階模態(tài)頻率f1=63.3 Hz,參考風(fēng)扇最大轉(zhuǎn)速2 000 r/min下的振動頻率(約為34 Hz),不會發(fā)生共振激勵現(xiàn)象,滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 裝置材料優(yōu)選

考慮裝置的一階模態(tài)頻率f1遠(yuǎn)大于風(fēng)扇最大轉(zhuǎn)速下的振動頻率以及設(shè)計(jì)制造成本,可對其進(jìn)行材料優(yōu)選。經(jīng)大量仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對裝置模態(tài)起主要作用的是碳纖維復(fù)合材料,通過研究和對比不同材料參數(shù)屬性,發(fā)現(xiàn)彈性模量對裝置一階固有頻率作用顯著,具體趨勢如圖2所示。

圖 2 彈性模量對模態(tài)的影響Fig.2 The effect of elastic modulus on the modal

從圖2可見,在材料優(yōu)選進(jìn)程中,彈性模量對裝置的模態(tài)影響效果明顯,隨著彈性模量的減小,裝置的一階固有頻率也隨之減少。當(dāng)彈性模量取值到70 GPa時(shí),裝置的模態(tài)是36.58 Hz,依然大于風(fēng)扇最高轉(zhuǎn)速下的振動頻率?？蓪⑼庑尾糠值奶祭w維復(fù)合材料換成鋁合金材料(E鋁=72 GPa),其一階頻率為37.1 Hz,較原來下降41.39%,滿足不共振條件。材料優(yōu)選后有利于裝置設(shè)計(jì)制造成本的減少,也有益于降低裝置的噪聲和振動。

4 空氣流體分析

利用流體仿真軟件Fluent對裝置材料優(yōu)選前后的風(fēng)扇裝置進(jìn)行分析[20],采用市面上常見的主臥房間模型:長×寬×高(3.6 m×4.8 m×2.8 m),得到房間內(nèi)的流線圖,如圖3，4所示。

圖 3 優(yōu)選前房間流線圖

圖 4 優(yōu)選后房間流線圖

圖4可以清晰地反映優(yōu)選后房間內(nèi)空氣的流動情況和流動趨勢,對比圖3發(fā)現(xiàn),較優(yōu)選前并無明顯差異,表明優(yōu)選后裝置一階頻率的大幅下降不會對室內(nèi)空氣流動產(chǎn)生顯著影響。

新風(fēng)換氣次數(shù)是驗(yàn)證換氣裝置的基本參量,其公式如下:

n=Q/V

(6)

式中:n為換氣次數(shù);Q為通風(fēng)量;V為房間容積。

根據(jù)標(biāo)況下空氣密度1.29 kg/m3,房間容積48.384 m3和式(6),得到流體分析結(jié)果,見表1。

表 1 流體分析結(jié)果

由表1可知,裝置材料優(yōu)選后的流體參數(shù)較優(yōu)選前均有小幅度下降,參照國家規(guī)定的居住建筑設(shè)計(jì)最小換氣次數(shù)[21],根據(jù)所采用的房間模型(人均居住面積小于10 m2),不難發(fā)現(xiàn)其換氣次數(shù)遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)GB50736—2012所要求的0.70 次/h,能夠滿足一般室內(nèi)房間的需求,可以證明本研究對裝置的設(shè)計(jì)是合理可行的。

5 結(jié) 語

本文基于Pro/E三維結(jié)構(gòu)建模技術(shù),設(shè)計(jì)開發(fā)了一款新型雙向空氣凈化換氣裝置,該裝置能實(shí)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)交替進(jìn)行,也能對冷空氣進(jìn)行加熱。(1)通過Lanczos算法,求得裝置的一階模態(tài)頻率f1為63.3 Hz,驗(yàn)證該裝置不會產(chǎn)生共振;又考慮到f1大于風(fēng)扇最大轉(zhuǎn)速下的振動頻率以及設(shè)計(jì)制造成本,可對裝置材料優(yōu)選,研究發(fā)現(xiàn)彈性模量對裝置一階固有頻率影響顯著,將外形部分的碳纖維復(fù)合材料換成鋁合金材料一階頻率較原來下降41.39%,依然滿足不共振條件。(2)經(jīng)Fluent對優(yōu)選前后的裝置流體分析,結(jié)果表明優(yōu)選后裝置的一階頻率大幅下降不會對室內(nèi)空氣流動產(chǎn)生顯著影響;流體參數(shù)較優(yōu)選前均有小幅度下降,特別是每小時(shí)換氣次數(shù)由4.66 次/h降為4.38 次/h,但同樣符合《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》。

本文的整個(gè)設(shè)計(jì)與優(yōu)選過程,為室內(nèi)空氣凈化設(shè)備的研發(fā)與完善提供了參考,對解決現(xiàn)代建筑室內(nèi)空氣污染問題具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但材料優(yōu)化進(jìn)程只單方面考慮彈性模量參數(shù),存在一定的局限性,今后將著重對此進(jìn)行深入研究。