李有余 / 張 杰

(霍尼韋爾環(huán)境自控產(chǎn)品(天津)有限公司全球研發(fā)中心， 天津 300457)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生活方式的現(xiàn)代化，人們生產(chǎn)和生活越來越集中在室內(nèi)進(jìn)行。而現(xiàn)在的房屋密封性能很好，惡劣的室內(nèi)空氣很難通過自然循環(huán)得到改善，室內(nèi)空氣質(zhì)量的改善和控制變得越來越重要。室內(nèi)空氣污染主要來源于家庭裝修、不合格的建筑材料和家具、烹飪油煙、吸煙、進(jìn)入室內(nèi)的工業(yè)廢氣和汽車尾氣、寵物生成的細(xì)菌和病毒等。

室內(nèi)空氣質(zhì)量的改善和控制可以通過三種方法實(shí)現(xiàn)：從根源上禁止或控制污染源的進(jìn)入、濾除室內(nèi)污染、通風(fēng)稀釋室內(nèi)污染。

針對(duì)濾除室內(nèi)污染方法，本文介紹了一種靜電式空氣凈化器的設(shè)計(jì)。靜電式空氣凈化器具有運(yùn)行阻力低、運(yùn)行費(fèi)用少、單位時(shí)間內(nèi)凈化空氣量大、凈化效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)高壓靜電也有很好的滅菌效果。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及各功能介紹

按照空氣流經(jīng)的路徑，靜電式空氣凈化器主要包括前置濾網(wǎng)、電離級(jí)、集塵級(jí)、風(fēng)扇和后置濾網(wǎng),如圖1所示。其中電離級(jí)和集塵級(jí)統(tǒng)稱集塵單元。凈化器還包括產(chǎn)生高壓靜電的高壓電源和方便用戶操作的控制電路及顯示電路等。

圖1 靜電式空氣凈化器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

前置濾網(wǎng)為細(xì)金屬絲網(wǎng)、纖維粗效過濾器等，主要作用是去除空氣中較大的灰塵、蚊蟲等，同時(shí)避免較大顆粒進(jìn)入后級(jí)集塵單元引起放電。

電離級(jí)由電離絲和金屬平板組成。電離絲接通高壓直流電后，產(chǎn)生電暈放電，將通過的污濁空氣荷電。電離絲的電壓有正電壓和負(fù)電壓兩種。負(fù)電壓的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生電暈的電壓低，生成的適量負(fù)離子對(duì)人體有益，缺點(diǎn)是產(chǎn)生的臭氧濃度高，對(duì)人體有害。正電壓的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的臭氧濃度低，但正離子對(duì)人體有害。

當(dāng)載有電荷的灰塵隨著空氣通過集塵級(jí)時(shí)，在庫侖力的作用下，被相反極性的極板所吸附，從而降低了空氣中的含塵量，達(dá)到凈化的目的。

風(fēng)扇的作用是將室內(nèi)污濁的空氣吸入靜電除塵設(shè)備，并推動(dòng)其依次通過濾網(wǎng)、電離級(jí)和集塵級(jí)，最后將清潔的空氣排放到室內(nèi)。風(fēng)扇有直流和交流兩種，前者可無極調(diào)速，噪音小，但成本高。后者只能固定幾種風(fēng)速，噪音較大，但成本較低。

后級(jí)濾網(wǎng)一般采用活性炭濾網(wǎng)，用于去除高壓靜電產(chǎn)生的臭氧及室內(nèi)空氣中的異味。

高壓電源用于生成電離和集塵的高壓直流電，電壓一般為6kV～15kV。早期的高壓直流電源一般采用工頻鐵心變壓器升壓的方案，而隨著開關(guān)電源技術(shù)的出現(xiàn)，部分靜電除塵設(shè)備開始采用開關(guān)電源的方案。它有體積小、效率高、輸出電壓穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

控制電路和顯示電路一般包括用于風(fēng)速調(diào)節(jié)的按鍵、顯示面板、控制質(zhì)量顯示等。

2 高壓電源和集塵單元的設(shè)計(jì)

高壓電源和集塵單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心。電離絲上的電壓、電離絲的直徑、集塵級(jí)上的電壓、集塵板的寬度和間距、經(jīng)過集塵單元的空氣流速都會(huì)影響最終的凈化效率。在其他參數(shù)不變的情況下，當(dāng)其中某個(gè)參數(shù)增加時(shí)，凈化效率的變化如表1[1]所示。

同時(shí)，以上所有能增加凈化效率的措施，除空氣流速之外，都會(huì)造成高壓電源輸出功率的增大，更嚴(yán)重的會(huì)造成集塵單元不同極性金屬間的放電?？諝饬魉俚慕档?，即風(fēng)扇速度的降低，會(huì)增加凈化效率，但會(huì)減少單位時(shí)間內(nèi)凈化空氣量。所以在電源和集塵單元的設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮多種因素，最后選擇最優(yōu)的參數(shù)組合。

本文采用開關(guān)式電源生成兩路高壓靜電，分別供給電離級(jí)和集塵級(jí)。

高壓電源的原理如圖1所示。輸入110V～265V的交流電，經(jīng)過整流和濾波后，變?yōu)橹绷麟?，直流電?jīng)過推挽式變換器和變壓器升壓，再經(jīng)過倍壓和整流，最后輸出兩路直流電源，分別是8 000V和4 000V。其中從變壓器次級(jí)反饋的電壓經(jīng)過開關(guān)電源芯片控制推挽式變換器的占空比，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

圖2 靜電式空氣凈化器高壓電源的原理

靜電集塵單元分為電離級(jí)和集塵級(jí)兩部分。電離級(jí)和集塵級(jí)既可以用相同電壓的高壓靜電，也可以用不同電壓的高壓靜電供電。前者的優(yōu)點(diǎn)是可以簡化高壓電源和集塵單元的設(shè)計(jì)，而后者的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)更高的凈化效率。本文的靜電集塵單元采用雙級(jí)式設(shè)計(jì)。

3 性能測試

根據(jù)《空氣凈化器》(GB/T 18801-2008)標(biāo)準(zhǔn)[2]，將按以上原理設(shè)計(jì)的樣機(jī)置于30m3的凈化實(shí)驗(yàn)艙中，分別發(fā)生一定濃度的甲醛、苯、顆粒物，測定凈化實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)被測對(duì)象的總衰減。按同樣方法測定以上三種被測對(duì)象的自然衰減并計(jì)算潔凈空氣量和樣品在1h內(nèi)的凈化效率。檢測結(jié)果如表2所示。

表2 樣機(jī)的凈化效率

根據(jù)《消毒技術(shù)規(guī)范》，對(duì)樣機(jī)的殺菌能力進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，此空氣凈化器對(duì)45 m3內(nèi)空氣中的自然菌作用120min后的殺菌率為90.3%。

4 結(jié)束語

本文研制的靜電式空氣凈化器采用開關(guān)式高壓電源和雙級(jí)式靜電集塵單元計(jì)，達(dá)到了很好的去除室內(nèi)空氣污染物的目的。

[1] 李杰，王寧會(huì)，張彥彬.新型封閉室內(nèi)空氣凈化技術(shù)研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，第38卷(第3期)：273-276.

[2] 中華人名共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.,空氣凈化器(GB/T 18801-2008)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.