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(yùn)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(jī)殼后壁還可設(shè)置滑導(dǎo)槽，只要濾芯固定板與電機(jī)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(jī)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(qiáng)，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(dú)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。