孫如軍，李澤，崔錕，張騫

（德州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253023）

近年來，隨著國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益顯現(xiàn)，其中空氣污染問題尤為突出．現(xiàn)在空氣污染已由傳統(tǒng)的煤煙型向綜合型污染轉(zhuǎn)變，我國在空氣凈化領(lǐng)域的研究已經(jīng)進(jìn)入一個新的發(fā)展階段[1]．在這一階段我國的空氣凈化設(shè)備不僅要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的完全自主知識產(chǎn)權(quán)，更要打造自己的商業(yè)品牌，提高在國際市場的競爭力．本文設(shè)計(jì)了一種基于新風(fēng)理論的空氣凈化設(shè)備，這款設(shè)備不僅可以用作家用空氣清潔，同時(shí)還可以用于工業(yè)生產(chǎn)中高塵車間的空氣凈化．通過實(shí)際驗(yàn)證這款設(shè)備無論是在凈化效果，還是生產(chǎn)造價(jià)上都優(yōu)于同類型產(chǎn)品．

空氣凈化的概念最早起源于國外，由約翰和查爾斯·迪恩美國消防員于1832年發(fā)明的一款新型防煙霧口罩開始興起，后者在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，其口罩的過濾效果進(jìn)一步加強(qiáng)．繼美國之后英國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家也對空氣凈化器展開了深入的研究，形成了很多國際知名的空氣凈化器品牌，如日本的松下、夏普，英國的斯帝沃等．這些空氣凈化器由于其過濾核心的造價(jià)不菲，導(dǎo)致空氣凈化器的市場價(jià)格昂貴，社會普及率較低，沒有形成較為成熟的商業(yè)轉(zhuǎn)換 ．我國對空氣凈化器的研究從上世紀(jì)60年代開始，根據(jù)中國知網(wǎng)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2005—2019年關(guān)于空氣凈化器研究的論文數(shù)量為2485篇，其中空氣凈化設(shè)備創(chuàng)新的1235篇，凈化效果分析的856篇，市場分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)394篇．但是這中間的成果轉(zhuǎn)化率卻不足15%，大多的研究停留在理論層面，距實(shí)際應(yīng)用還有一段距離，這就說明我國在該領(lǐng)域還處于培養(yǎng)發(fā)展階段．

1 主要空氣污染物

現(xiàn)在根據(jù)空氣污染物的存在特性，可以將污染物分為氣態(tài)懸浮污染物與顆粒懸浮污染物2類，這2類污染物在人們的日常生產(chǎn)生活中分布范圍廣，危害大．

1.1 氣態(tài)懸浮污染物

氣態(tài)懸浮污染物通常大量存在于室內(nèi)，特別是在新房裝修之后，由于新家具與裝修材料在質(zhì)量上不符合標(biāo)準(zhǔn)，加之其室內(nèi)如果通風(fēng)效果不佳就會導(dǎo)致大量有害氣體的增加．這其中除生活中熟知的一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等還有具有刺鼻氣味的苯類物質(zhì)、甲醛以及揮發(fā)性TVOC類物質(zhì)和放射性污染．這些污染物主要來源于地基土壤、生活中的化學(xué)制品，如化妝用品和裝修建材等[3]．根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定整理出污染物標(biāo)準(zhǔn)量表（見表1）．

表1 污染物標(biāo)準(zhǔn)量表 mg/m3

相關(guān)研究表明，氣態(tài)懸浮污染物對人體有著諸多的不利影響，如二氧化碳濃度超過（1000～2000）×10-6時(shí)人體就會感到頭痛、呼吸困難，再嚴(yán)重就會造成大腦死亡．甲醛特別是對于兒童來說極易引起白血病、哮喘等疾病，而放射性污染則會加大患癌幾率，長期接觸會導(dǎo)致人體生理的病變．

1.2 顆粒懸浮污染物

顆粒懸浮污染物是從微觀的層面進(jìn)行的定義，是指單個顆粒的直徑在毫米或者是微米級，并且通過呼吸可以進(jìn)入人體肺部器官的污染物．通常用particulate matter的縮寫PM來表示懸浮顆粒物的等級，如PM10和PM2.5等霧霾天氣的形成大多源于此．這類污染物主要來源于地面揚(yáng)塵、工業(yè)排放物和二手煙等．在顆粒的表面常常會附著相當(dāng)數(shù)量的細(xì)菌和病毒，因?yàn)轶w積小、質(zhì)量輕，所以流動性強(qiáng)，經(jīng)常引起呼吸道過敏和肺癌等疾病[4]．

2 設(shè)備的總體設(shè)計(jì)原理

對多功能空氣凈化裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)依然采用模塊化程序設(shè)計(jì)，將對設(shè)備的空氣水洗模塊、電解分離模塊、小負(fù)離子發(fā)生模塊、臭氧滅菌模塊、溫度調(diào)節(jié)模塊以及單片機(jī)程序控制模塊等六大組成部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)．設(shè)備的工作流程見圖1．空氣水洗與電解分離是整套設(shè)備的核心部分，51單片機(jī)的程序控制貫穿設(shè)備的整個運(yùn)行周期，將設(shè)備的各個組成功能單元統(tǒng)一地結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)機(jī)器的智能化和精細(xì)化操作．設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)示意圖見圖2.

本設(shè)備內(nèi)部設(shè)有空氣質(zhì)量傳感器，通過它對設(shè)備周圍環(huán)境的空氣質(zhì)量進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，隨后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，為單片機(jī)后續(xù)控制其它工作部件提供指令依據(jù)．設(shè)備工作時(shí)外設(shè)的相關(guān)空氣質(zhì)量檢測探頭開始對周圍的空氣進(jìn)行收集，并且將收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)通過數(shù)字的形式發(fā)送給空氣質(zhì)量傳感器進(jìn)行分析．單片機(jī)設(shè)有控制程序，將傳感器分析得到的結(jié)果在LED1602液晶顯示屏上顯示，例如：濕度、溫度、PM值、二氧化碳濃度、一氧化碳濃度等．當(dāng)檢測值高于報(bào)警值時(shí)在單片機(jī)的控制下引風(fēng)機(jī)工作，將空氣帶入設(shè)備，經(jīng)過電離分解、空氣水洗、小負(fù)離子發(fā)生、臭氧滅菌、溫控調(diào)節(jié)最后排出略帶加濕的新鮮空氣[5]．

圖1 工作流程

圖2 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 51單片機(jī)控制模塊

51單片機(jī)控制系統(tǒng)是該設(shè)備的運(yùn)行核心，本文選用STC12C5A60S2單片機(jī)和QS-01空氣質(zhì)量傳感器作為試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的核心組件，這款單片機(jī)運(yùn)算速度是傳統(tǒng)8051的6～7倍，可以完全滿足設(shè)備的運(yùn)行需要．當(dāng)設(shè)備接通電源后51單片機(jī)隨即進(jìn)入待定工作狀態(tài)，這時(shí)單片機(jī)要經(jīng)過大約5 s的延時(shí)啟動過程．這是由于QS-01空氣質(zhì)量傳感器在進(jìn)入正常工作之前需要經(jīng)過一定時(shí)間的啟動預(yù)熱，在這段時(shí)間內(nèi)將空氣質(zhì)量傳感器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行自我還原，清除先前的檢測數(shù)據(jù)．一方面，可以保證空氣凈化設(shè)備在開始工作后得到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的空氣質(zhì)量參數(shù)；另一方面，可以更為直觀地觀察到空氣質(zhì)量的改變．在傳感器進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段后，會將第1次穩(wěn)定檢測到的空氣質(zhì)量參數(shù)傳送到ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，進(jìn)行空氣質(zhì)量傳感器信號的編譯與處理，編譯后的信息會在單片機(jī)預(yù)設(shè)的邏輯運(yùn)算程序中進(jìn)行計(jì)算．根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，在已經(jīng)設(shè)計(jì)好的凈化方案參數(shù)庫中進(jìn)行選擇，并且將方案數(shù)據(jù)通過8位的并行接口傳送到LCD1062進(jìn)行可視化操作．在液晶顯示器上根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況結(jié)合工作的要求選擇合適的凈化方案，同時(shí)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)也會在屏幕上進(jìn)行顯示，例如：風(fēng)速、電流量、運(yùn)行時(shí)間、水箱位置等[6]．設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，當(dāng)空氣質(zhì)量達(dá)到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，設(shè)備將會自動進(jìn)入到待機(jī)狀態(tài)防止不必要的資源浪費(fèi)．控制系統(tǒng)框架見圖3，LCD電路見圖4，控制系統(tǒng)流程見圖5．

圖3 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖4 LCD電路

圖5 控制系統(tǒng)流程圖

2.2 水洗模塊

空氣水洗是本設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵部分，主要的凈化功能在這里體現(xiàn)，空氣水洗結(jié)構(gòu)見圖6．在空氣水洗模塊，利用尼龍材質(zhì)的過濾網(wǎng)布在設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行錯位排列，為保證凈化的效果每層過濾網(wǎng)之間的距離控制在100 mm左右，這樣的設(shè)計(jì)不僅可以增加氣流在設(shè)備內(nèi)的過濾時(shí)間，而且提高了氣流在設(shè)備內(nèi)部穿過過濾網(wǎng)的次數(shù)．當(dāng)空氣進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部之后，加水器開始工作，過濾網(wǎng)周邊設(shè)置的噴水口對過濾網(wǎng)進(jìn)行噴灑，使過濾網(wǎng)上形成一層均勻的水膜．在引風(fēng)機(jī)的作用下，空氣在水膜中反復(fù)穿過．利用水自身的吸附性與黏性，當(dāng)通過過濾水膜時(shí)留下空氣中較大的懸浮顆粒物，經(jīng)過水洗后空氣中的顆粒污染物與氣體污染物得到基本過濾，同時(shí)空氣還達(dá)到了加濕的目的．根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)高效過濾濾料性能指標(biāo)實(shí)驗(yàn)中透過率與阻力的相關(guān)規(guī)定，檢測設(shè)備的透過率和阻力．實(shí)驗(yàn)表明，產(chǎn)品的透過率≤0.1%（即效率≥99.9%），對粒徑≥0.1 μm微粒的計(jì)數(shù)透過率達(dá)到≤0.001%（即效率≥99.999%），完全符合高效過濾器的標(biāo)準(zhǔn)[7]．

2.3 電離分解模塊

當(dāng)設(shè)備工作后在單片機(jī)的控制下引風(fēng)機(jī)工作，空氣引入空氣凈化的第一環(huán)節(jié)．根據(jù)氣體一般是中性的特點(diǎn)，在氣體獲得能量時(shí)，就會分離成電子、正離子、負(fù)離子，使氣體變成導(dǎo)電體，而使氣體變成導(dǎo)電體的過程就是電離氣體．

電離氣體的方法有很多種，如按電離發(fā)生的原因來看，氣體放電可分為被激放電和自激放電2種．通過電離器的外部放電作用，進(jìn)入凈化器的空氣中一部分原子或分子在充分獲得了電離器產(chǎn)生的足夠大的電場能量后，電子就能在能量的激勵下離開氣體原子或分子，進(jìn)而產(chǎn)生電子和正離子．因?yàn)檎x子和電子在電場中的運(yùn)動是朝著相對的方向，同時(shí)在弱電場中電子能量一般較小，當(dāng)電子與中性分子或原子相碰撞時(shí)，因?yàn)榉肿又g的吸引力電子與中性分子等極易結(jié)合形成負(fù)離子，這時(shí)氣體導(dǎo)電機(jī)構(gòu)主要是由正、負(fù)離子組成，而不是自由電子．在正常情況下，氣體是良好的絕緣體，但是在成為導(dǎo)電體之后，極容易與其它物質(zhì)結(jié)合生成穩(wěn)定的物質(zhì)．例如：氧離子與氧離子容易生成O2，對周圍環(huán)境也有極大的改善．設(shè)備在空氣循環(huán)系統(tǒng)中增加適當(dāng)?shù)拇媪靠臻g，延遲離子和中子在空間內(nèi)的存留時(shí)間，使離子和中子在滯留期間找到合適的配對對象．通過控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電離電壓的調(diào)整，精確控制氣體流量與CO和CO2的風(fēng)量比例，提升空間的環(huán)境質(zhì)量．空氣電離分解結(jié)構(gòu)見圖7．

圖6 空氣水洗結(jié)構(gòu)

圖7 空氣電離分解結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用電離器進(jìn)行氣體電離，在設(shè)定擊穿電壓時(shí)通過帕邢定律（在均勻電場，氣壓在0.098 MPa，溫度為25 ℃，兩極間距離大于0.1 cm的前提下），空氣被擊穿的電壓與極間距離保持關(guān)系

其中：Uj為空氣擊穿電壓（kV）；B為電極間距離（cm）．計(jì)算得到正常情況下0.1 cm極間距的空氣擊穿電壓近似為30 kV．

為了提高電離器的適用范圍，對原有電離器的電路加入電壓調(diào)節(jié)組件，讓原本不可變的輸出電壓變?yōu)樵谝?guī)定范圍內(nèi)可調(diào)電壓[8]．

2.4 小負(fù)離子發(fā)生模塊

本模塊采用JP-A2241型小負(fù)離子發(fā)生器，這款發(fā)生器可以很好地去除空氣中的煙塵、甲醛以及細(xì)菌．通過負(fù)離子發(fā)生器上的碳刷將電子呈散狀發(fā)射，電子在空氣中與懸浮顆粒物結(jié)合形成達(dá)到降塵的目的．小負(fù)離子發(fā)生模塊結(jié)構(gòu)見圖 8．為了達(dá)到小負(fù)離子的精準(zhǔn)產(chǎn)生，在小負(fù)離子發(fā)生模塊增加檢測控制系統(tǒng)，當(dāng)空氣中的負(fù)離子量達(dá)到滿足需求的標(biāo)準(zhǔn)量時(shí)，系統(tǒng)自動控制負(fù)離子發(fā)生器停止運(yùn)行，以減少不必要的損耗．

圖8 小負(fù)離子發(fā)生單元結(jié)構(gòu)

2.5 臭氧滅菌單元

通常臭氧在常溫常壓下是一種淡藍(lán)色并且?guī)в恤~腥臭味的氣體，它是大氣中的一種微量氣體．因其有著很好的殺菌、消毒、除味的效果，這種氣體目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飲用水和工業(yè)污水的處理等領(lǐng)域．因此，設(shè)計(jì)這個環(huán)節(jié)對空氣進(jìn)行最后的消毒滅菌．臭氧滅菌單元結(jié)構(gòu)見圖 9．但是臭氧同時(shí)是一種溫室氣體，當(dāng)它的濃度不斷增加的同時(shí)，不僅會對生物造成危害，而且嚴(yán)重時(shí)還會引發(fā)光化學(xué)煙霧．為解決安全使用與添加量之間的矛盾，依據(jù)臭氧投放量的公式

其中：DO3為實(shí)際選用臭氧發(fā)生器的產(chǎn)量，g/h；cO3為臭氧質(zhì)量濃度，g/m3；QN為發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)氣量，m3/h[9]．

圖9 臭氧滅菌單元結(jié)構(gòu)

經(jīng)過測算，要想滿足設(shè)備的正常運(yùn)行需求，臭氧的產(chǎn)生量必須要控制在0.2 g/h左右，其誤差不允許超過0.1 g/h，臭氧質(zhì)量濃度保持在為4.46×10-9mg/m3．為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，對在不改變發(fā)生器基本功能、電壓和電場的前提下，通過調(diào)節(jié)發(fā)生器的使用電流強(qiáng)度來增加或減少臭氧的產(chǎn)生，從而達(dá)到控制臭氧量的目的[10]．

2.6 溫度調(diào)節(jié)模塊

設(shè)備完成凈化過程后，空氣已經(jīng)得到有效的過濾達(dá)到新鮮空氣的標(biāo)準(zhǔn)．但是為了適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)生活的需求，在空氣完成凈化后進(jìn)入最后的溫度調(diào)節(jié)模塊，利用空調(diào)制冷與制熱的基本原理，通過氟利昂的液態(tài)與氣態(tài)的轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)對空氣的吸熱與放熱．通過壓縮機(jī)的壓縮轉(zhuǎn)換，將氣態(tài)的制冷劑轉(zhuǎn)換為高溫高壓的氣態(tài)制冷劑，通過銅管輸送到冷凝器（室外機(jī)）散熱后成為常溫高壓的液態(tài)制冷劑，所以室外機(jī)吹出來的是熱風(fēng)，反之則為冷風(fēng)[11]．溫度調(diào)節(jié)單元樣機(jī)實(shí)物見圖10．

圖10 溫度調(diào)節(jié)單元樣機(jī)實(shí)物

3 結(jié)語

以新風(fēng)理論為基礎(chǔ)，研制了一款新型的復(fù)合式空氣凈化設(shè)備．本款設(shè)備將空氣凈化技術(shù)進(jìn)行整合，以水膜過濾為主要技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)在工業(yè)與家用2方面的轉(zhuǎn)換，使用較低分貝的引風(fēng)機(jī)進(jìn)行吸引噪聲小，且造價(jià)低，適合大面積的推廣．