等離子體發(fā)生器導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

孫麗穎, 張 豪, 喬 彬, 于 潔*

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150001; 2.深圳市新凱來(lái)技術(shù)有限公司,廣東 深圳 518100)

空氣凈化器中高效濾芯的使用壽命是評(píng)價(jià)空氣凈化器性能的重要指標(biāo).為提高濾芯的使用效率進(jìn)而改善裝置的凈化性能,可以在風(fēng)機(jī)和高效濾芯之間加裝導(dǎo)流型等離子體發(fā)生器,利用等離子體發(fā)生器產(chǎn)生大量等離子體進(jìn)行細(xì)菌病毒等污染物的降解,等離子體降解污染物,由于放電間隙較小,如果凈化后的空氣徑直流向后端的高效濾芯,會(huì)導(dǎo)致濾芯利用率較低,從而影響濾芯的使用壽命.通過(guò)延長(zhǎng)發(fā)生器中的絕緣介質(zhì)形成一個(gè)有角度的導(dǎo)流板,可以使送風(fēng)氣流更均勻地吹向?yàn)V芯,進(jìn)而提高濾芯的利用率.導(dǎo)流型等離子體發(fā)生器,在增加空氣凈化器消毒殺菌功能的同時(shí),又改善了風(fēng)機(jī)送風(fēng)的均勻性,提高了濾芯的利用率.因此,具有良好的市場(chǎng)前景[1-2].目前,已有很多學(xué)者針對(duì)等離子體發(fā)生器的凈化效能[3-5]及空氣凈化器的流場(chǎng)模擬進(jìn)行了相關(guān)研究.許海波[6]等人選用圓弧狀濾芯搭配入口導(dǎo)流結(jié)構(gòu),可以在不影響總體流量的情況下,改進(jìn)流量均勻度,提升濾芯的使用壽命以及利用率.楚明浩[7]等人分析了濾網(wǎng)排列結(jié)構(gòu)變化對(duì)濾網(wǎng)整體過(guò)濾效果的影響.羅賢才[8]等人研究了折距、折高及速度對(duì)空氣凈化器濾芯阻力的影響,并結(jié)合參數(shù)優(yōu)化的方法,尋找變量范圍內(nèi)折距、折高的最優(yōu)解.翟浩[9]通過(guò)流體軟件分析了三種陣列式放電模塊在直通式風(fēng)道內(nèi)對(duì)空氣流動(dòng)的影響,結(jié)果表明,增加氣流的流通路徑與配合交錯(cuò)式放電模塊有利于提高污染物去除效率.季英波[10]、楊焯靖[11]等人也研究了不同因素對(duì)空氣凈化器性能的影響.現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)于如何提高空氣凈化器內(nèi)部濾芯利用率的問(wèn)題研究相對(duì)較少.發(fā)生器設(shè)置導(dǎo)流板是使氣流更均勻的吹向?yàn)V芯、提高濾芯利用率的有效措施.發(fā)生器的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)是影響送風(fēng)均勻性的關(guān)鍵所在,為探究適宜的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù),本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)導(dǎo)流板下的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析,通過(guò)對(duì)比濾芯使用率和送風(fēng)均勻性等指標(biāo),給出適宜的導(dǎo)流板長(zhǎng)度和張開(kāi)角度設(shè)計(jì)方案.

1 等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)

等離子體發(fā)生器設(shè)計(jì)由兩個(gè)放電極和夾在中間的絕緣介質(zhì)組成,為增強(qiáng)絕緣介質(zhì)的導(dǎo)流效果,將其延長(zhǎng),形成一個(gè)帶角度的導(dǎo)流板,如圖1所示.

圖1 等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

受污染空氣在風(fēng)機(jī)的作用下被吸入空氣凈化器,先在初效過(guò)濾網(wǎng)中過(guò)濾空氣中的粉塵及顆粒懸浮物等大顆粒,然后進(jìn)入電離階段,在兩個(gè)放電極的放電間隙被電離,大量高能活性的等離子體引發(fā)揮發(fā)性有機(jī)物的分解過(guò)程,此過(guò)程去除甲醛、TVOC和細(xì)菌等污染物,之后絕緣介質(zhì)層的導(dǎo)流部分將氣流分散開(kāi)來(lái),更均勻地從出風(fēng)口吹向高效濾芯,空氣中的電離副產(chǎn)物臭氧被高效濾芯吸收,最終干凈的空氣被送出空氣凈化器進(jìn)入室內(nèi)環(huán)境.

從圖1可以看出,導(dǎo)流板為等腰三角形,為探究適宜的導(dǎo)流板張開(kāi)角度和高度,選取10°、20°、30°、40°四種角度和50、100、150 mm三種高度進(jìn)行對(duì)比分析,如圖2、3所示.本文將等離子體發(fā)生器設(shè)計(jì)在風(fēng)機(jī)和高效濾芯之間,放置位置如圖4所示,這樣可以使自風(fēng)機(jī)吹出的氣流分散開(kāi)來(lái),更均勻地吹向?yàn)V芯.

圖2 導(dǎo)流板的角度示意圖

圖3 導(dǎo)流板的高度示意圖

圖4 發(fā)生器在空氣凈化器中放置位置示意圖

2 模擬模型

為分析導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣流分布均勻性的影響,建立了由等離子體發(fā)生器和高效濾芯組成的空氣凈化模塊的物理模型,氣流從等離子體發(fā)生器放電極吹向?yàn)V芯,如圖5所示.模型中發(fā)生器放電極尺寸為200 mm×50 mm×10 mm,高效濾芯尺寸為400 mm×200 mm×10 mm,濾芯距離進(jìn)風(fēng)口的距離為300 mm.選取絕緣介質(zhì)導(dǎo)流板長(zhǎng)度為50、100、150 mm,角度為10°、20°、30°、40°進(jìn)行對(duì)比分析,加上不設(shè)導(dǎo)流板的情況,共有13種對(duì)比工況,見(jiàn)表1.

表1 對(duì)比工況說(shuō)明

圖5 空氣凈化模塊模型圖

模擬過(guò)程中風(fēng)量設(shè)定為150 m3/h,濾芯設(shè)置為各向同性、孔隙率為0.5的多孔介質(zhì),流道出口邊界為環(huán)境壓力.

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

適宜的導(dǎo)流板的角度和長(zhǎng)度能改善送風(fēng)不均勻和濾芯使用率低的問(wèn)題,延長(zhǎng)濾芯壽命.本文采用速度不均勻系數(shù)K和濾芯使用率作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)不同工況進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)而分析導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)空氣凈化器濾芯使用率的影響.

3.1 速度不均勻系數(shù)

速度不均勻系數(shù)計(jì)算方法如下[12]:

(1)

(2)

(3)

其中:K為速度不均勻系數(shù);ξ為濾芯迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)的速度均方根偏差;ζ為濾芯迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)的速度均值.K值越小,表示氣流分布的均勻性越好.

3.2 濾芯使用率

濾芯使用率表征濾芯迎風(fēng)面各測(cè)點(diǎn)觀察值與其最大值的差異程度.通常情況下,濾芯的某一部分達(dá)到納垢極限時(shí),過(guò)濾效果將會(huì)大幅下降,濾芯的完整使用時(shí)間即所謂的濾芯使用壽命,δ值越大,表示濾芯的使用率越好,壽命越長(zhǎng).

濾芯使用率δ計(jì)算方法如下:

(4)

其中:Qi為各濾芯等分面風(fēng)量,m3/h;Qmax為濾芯等分面風(fēng)量的最大值,m3/h.本文將濾芯迎風(fēng)面等分為4行8列32個(gè)面進(jìn)行分析.

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 風(fēng)量為150 m3/h時(shí)的流動(dòng)分析

4.1.1 不加導(dǎo)流板時(shí)的流動(dòng)分析

圖6～8為不加導(dǎo)流板(工況1)時(shí)的流動(dòng)跡線圖和速度矢量圖,從圖中可以看出,從進(jìn)風(fēng)口吹來(lái)的風(fēng)徑直吹向了濾芯,絕大部分氣流從濾芯的中心部位流過(guò).

圖6 工況1氣流跡線圖

圖7 工況1濾芯迎風(fēng)面速度矢量圖

圖8 工況1 Z=0.11 m處速度矢量圖

4.1.2 加導(dǎo)流板時(shí)的流動(dòng)分析

圖9～11為加導(dǎo)流板并采用工況6結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)的流動(dòng)跡線圖和速度矢量圖,從圖9～11可以看出,從進(jìn)風(fēng)口吹來(lái)的風(fēng)沿導(dǎo)流板兩側(cè)擴(kuò)散開(kāi)來(lái)后流向?yàn)V芯,導(dǎo)流板的導(dǎo)流效果改變了工況1中濾芯中心部位通過(guò)大部分流量的情況,使得流過(guò)濾芯的氣流流動(dòng)更加均勻.

圖9 工況6流動(dòng)跡線圖

圖10 工況6濾芯迎風(fēng)面速度矢量圖

圖11 工況6 Z=0.11 m處速度矢量圖

對(duì)工況1～13的仿真結(jié)果進(jìn)行整理,通過(guò)計(jì)算可以得出各個(gè)工況的濾芯迎風(fēng)面流量均在149～149.76 m3/h之間,說(shuō)明增加導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對(duì)流量的影響不大,可以忽略不計(jì).各工況的濾芯使用率和速度不均勻系數(shù)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖12.

圖12 各工況的濾芯使用率和速度不均勻系數(shù)

從圖12可以看出,導(dǎo)流板張開(kāi)角度為20°、導(dǎo)流板長(zhǎng)度為100 mm的工況6表現(xiàn)最好,此結(jié)構(gòu)將濾芯利用率從49.6%提高到了62.5%,增加約13%,意味著濾芯的使用壽命延長(zhǎng)了13%,同時(shí)將不均勻系數(shù)從33.7%降到29.8%,下降約4%.說(shuō)明設(shè)置尺寸適宜的導(dǎo)流板可以在降低送風(fēng)速度不均勻系數(shù)的同時(shí)提高凈化器濾芯的利用率.

4.2 風(fēng)量為300 m3/h時(shí)的流動(dòng)分析

為驗(yàn)證上述結(jié)論的適用性,針對(duì)風(fēng)量為300 m3/h的情況進(jìn)行模擬計(jì)算,將不加導(dǎo)流板(工況1)和設(shè)置導(dǎo)流板(工況6)的流動(dòng)情況進(jìn)行比較,工況1和工況6的流動(dòng)跡線圖、濾芯迎風(fēng)面速度矢量圖和Z=0.11 m出的速度矢量圖,見(jiàn)圖13～18.

圖13 工況1流動(dòng)跡線圖

圖14 工況6流動(dòng)跡線圖

圖15 工況1濾芯迎風(fēng)面速度矢量圖

圖16 工況6濾芯迎風(fēng)面速度矢量圖

圖17 工況1 Z=0.11 m處速度矢量圖

圖18 工況6 Z=0.11 m處速度矢量圖

從圖13～18中可以看出,增大送風(fēng)量時(shí),設(shè)置導(dǎo)流板仍能起到改善迎風(fēng)面速度均勻性、提高濾芯使用率的作用.此外,增加導(dǎo)流板使得消毒裝置內(nèi)部的空氣流速相對(duì)降低,這也有利對(duì)空氣凈化器內(nèi)部的噪音控制.兩種工況濾芯使用率和速度不均勻系數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.從表2可以看出,工況6導(dǎo)流板的使用使濾芯利用率增加約10%,不均勻系數(shù)下降約4%.

表2 工況1和工況6的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

對(duì)比圖12和表2可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)送風(fēng)量由150 m3/h增加到300 m3/h時(shí),送風(fēng)不均勻系數(shù)下降均約4%,即送風(fēng)量變化時(shí),設(shè)置導(dǎo)流板對(duì)改善送風(fēng)均勻性的效果差別不大,但濾芯使用率的增加值由原來(lái)的14%下降到10%,降低了4%.意味著濾芯使用率增加值會(huì)隨著送風(fēng)量的增加而略有降低,因此,采用較低的送風(fēng)量時(shí),更能發(fā)揮設(shè)置導(dǎo)流板的優(yōu)勢(shì).

5 結(jié) 論

本文針對(duì)如何提升空氣凈化器內(nèi)部濾芯使用率的問(wèn)題,以凈化器中風(fēng)機(jī)和高效濾芯之間的離子發(fā)生器導(dǎo)流板為主要研究對(duì)象,采用數(shù)值模擬的方法對(duì)導(dǎo)流板所在的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究,通過(guò)改變導(dǎo)流板的長(zhǎng)度和張開(kāi)角度,給出了適宜的導(dǎo)流板設(shè)計(jì)方案,從而使送風(fēng)更加均勻的流向?yàn)V芯.研究得出的主要結(jié)論如下:

1)增加導(dǎo)流板可以在降低送風(fēng)速度不均勻系數(shù)的同時(shí)提高凈化器濾芯的利用率,對(duì)于本文研究的凈化器尺寸,適宜的導(dǎo)流板設(shè)計(jì)參數(shù)為長(zhǎng)度100 mm,張開(kāi)角度為10°.

2)當(dāng)導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí),濾芯使用率隨送風(fēng)量的增加而略有降低,當(dāng)送風(fēng)量由150 m3/h增加到300 m3/h時(shí),濾芯使用率增加值降低了4%.因此,采用較低的送風(fēng)量時(shí),更能發(fā)揮設(shè)置導(dǎo)流板的優(yōu)勢(shì).