黃南海，汪志成

（東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

科技發(fā)展迅速，人們?cè)絹碓疥P(guān)注室內(nèi)空氣質(zhì)量的提升。室內(nèi)空氣凈化器技術(shù)成為提升室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)空氣凈化的主要技術(shù)有：纖維過濾、活性炭吸附、靜電除塵、低溫等離子體、光催化、紫外燈和臭氧等技術(shù)[1]。纖維過濾技術(shù)有很好的過濾效果，但需要定時(shí)更換，壽命短，維護(hù)成本高[2]?；钚蕴课郊夹g(shù)具有廣泛的吸附能力，但是吸收容量有限，易滋生微生物，需要頻繁更換，容易造成二次污染[3]。靜電除塵技術(shù)具有較好的微生物凈化效果，但是對(duì)于氣體污染物幾乎沒有效果。低溫等離子體技術(shù)利用產(chǎn)生的高能粒子殺菌，且等離子功率和VOCs降解效率成正比，但是等離子功率越高，有毒副產(chǎn)物就越多。光催化技術(shù)可以快速有效地降解VOCs，但是光催化反應(yīng)不完全時(shí)容易產(chǎn)生有毒中間產(chǎn)物[4]。紫外燈照射法直線傳播，且照射強(qiáng)度與距離的平方成反比，穿透能力弱，照射位置有限；臭氧消毒法對(duì)消毒環(huán)境要求高，需要環(huán)境濕度大于70%，消毒時(shí)需要人員回避，對(duì)金屬有腐蝕作用[5]。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于高壓靜電霧化的空氣凈化系統(tǒng)，在高壓電場(chǎng)中霧化的消毒液滴荷電后增強(qiáng)了對(duì)空氣雜質(zhì)的吸附能力和吸附面積，可以有效地吸附沉降空氣雜質(zhì)顆粒并且對(duì)空氣中的病菌進(jìn)行消殺；具備創(chuàng)新性的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和智能控制電路，有效解決空氣除塵和空氣滅菌的雙重問題。對(duì)于室內(nèi)新型空氣凈化器的設(shè)計(jì)與研究具有重大的意義。

1 靜電霧化空氣凈化機(jī)理

1.1 液滴霧化

液滴帶電是靜電霧化的首要條件，常見的液體荷電方法主要分為3 種：直接荷電法、電暈荷電法、感應(yīng)荷電法[6]。在本文設(shè)計(jì)中主要采用感應(yīng)荷電方法，液滴在破碎過程中，隨著液滴上的電荷量增加，液滴表面的電荷排斥力增加，那么液滴就會(huì)分解成更小的液滴。Rayleigh 極限表示了穩(wěn)定狀態(tài)下液滴尺寸和最大帶電量qmax的關(guān)系如下：

式中：γ為液體的表面張力；ε0為真空介電常數(shù)；d為液滴直徑。

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，當(dāng)液滴的帶電量超過Rayleigh極限的40%～50%時(shí)，液滴將破碎成小液滴[7]，液體開始霧化。

1.2 液滴荷電

液滴荷電捕集粉塵顆粒的過程中，帶電液滴的庫(kù)侖力將發(fā)揮重要作用，電環(huán)境的引入是液滴荷電除塵區(qū)別于常規(guī)噴霧除塵的關(guān)鍵[8]。單一的液滴的荷電量難以表現(xiàn)，為此系統(tǒng)采用荷質(zhì)比概念來表征液滴的荷電效果，如下式所示：

式中：κ為液滴荷質(zhì)比；q為荷電量；M為液滴群質(zhì)量；qm為液體質(zhì)量流量；I為電流值；t為測(cè)量時(shí)間。

1.3 液滴除塵滅菌

1.3.1 靜電霧化除塵

如圖1 所示，靜電霧化除塵由多種力學(xué)共同作用，主要包括靜電、慣性碰撞、攔截、重力、擴(kuò)散等力學(xué)表現(xiàn)[8]。其中靜電作用表現(xiàn)與粉塵粒子是否帶相反電性有關(guān)；慣性碰撞對(duì)于粒徑在1 μm以上的粉塵作用明顯；攔截作用表現(xiàn)在液滴與粉塵顆粒的距離相對(duì)粉塵粒徑較小時(shí)發(fā)生；重力作用主要表現(xiàn)在粉塵粒徑受地表重力影響時(shí)發(fā)生；擴(kuò)散作用表現(xiàn)在粉塵粒徑小于0.1 μm 時(shí)，粉塵在氣流中的布朗運(yùn)動(dòng)易與液滴發(fā)生碰撞而產(chǎn)生的作用。系統(tǒng)的除塵主要與靜電作用和慣性碰撞機(jī)理有關(guān)，靜電霧化荷電液滴具有粘滯力和庫(kù)侖力的作用，促進(jìn)靜電場(chǎng)中粉塵顆粒物的聚集沉降，同時(shí)靜電場(chǎng)本身也會(huì)對(duì)粉塵顆粒荷電，讓顆粒物的靜電作用和慣性碰撞作用更明顯，提升除塵效果。

圖1 靜電霧化捕集顆粒物

1.3.2 靜電霧化滅菌

根據(jù)上述靜電霧化及荷電機(jī)理，系統(tǒng)采用消毒藥劑作為霧化溶液時(shí)，霧化后的藥劑液滴表現(xiàn)出顆粒小、霧化均勻、捕集粒子能力強(qiáng)等特性。凈化器系統(tǒng)中，在靜電場(chǎng)的作用下，荷電的藥劑液滴的消殺病菌能力增強(qiáng)，均勻的霧化效果對(duì)于藥劑的使用效率也大大提高，有效避免了材料浪費(fèi)或造成二次污染[9]。

2 凈化器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于高壓靜電霧化的空氣凈化器機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由過濾網(wǎng)柵、底部?jī)?chǔ)液倉(cāng)（含水泵和水管）、高壓靜電霧化室（含霧化噴針、霧化電極、高壓發(fā)生器）、多橢圓紫外燈照射室（含紫外燈、過濾網(wǎng)、橢圓反射壁）、排風(fēng)扇、機(jī)械外殼以及電路控制等組成。該系統(tǒng)裝置的三維模型圖使用SolidWorks 軟件設(shè)計(jì)而成，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性將其劃分為不同模塊，再將設(shè)計(jì)好的各個(gè)模塊進(jìn)行裝配組合[10]。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 凈化器機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在電路控制系統(tǒng)下，風(fēng)扇開始工作，空氣經(jīng)排風(fēng)扇作用，通過主箱體外殼的活性炭進(jìn)氣柵格進(jìn)入主箱體，包裹在霧化室外表面的網(wǎng)柵霧化電極、循環(huán)霧化后沉降在主箱體底部的帶電溶液及霧化室中的霧化帶電溶液顆粒充分與空氣接觸，并持續(xù)對(duì)空氣中的病菌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，起到滅活細(xì)菌的作用，同時(shí)，空氣中的大顆粒污染物也被溶液顆粒吸附，達(dá)到空氣凈化的目的。凈化滅菌且被加濕后的空氣經(jīng)過過濾網(wǎng)過濾掉大顆粒污染物和水汽后，充分暴露在紫外線的強(qiáng)光照射下，空氣中的病菌進(jìn)一步被殺滅。同時(shí)，加濕后的空氣再次與帶有高壓靜電的高壓網(wǎng)柵發(fā)生作用，在殺滅病菌的同時(shí)，使得空氣電離產(chǎn)生一定的帶電粒子，在風(fēng)扇作用下被排放到外部空間，空氣中的帶電粒子繼續(xù)對(duì)外部空間的病菌產(chǎn)生滅活作用。

3 凈化器智能控制硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件總體設(shè)計(jì)

在整個(gè)空氣凈化器系統(tǒng)中，智能電路控制部分起著至關(guān)重要的作用。其設(shè)計(jì)以STM32F103ZET6 單片機(jī)為主控單元，以液位傳感器和空氣質(zhì)量傳感器組作為外部傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，以藍(lán)牙、按鍵和OLED 液晶屏顯示作為外部的人機(jī)交互，根據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及人機(jī)交互控制，驅(qū)動(dòng)電源模塊對(duì)凈化器的風(fēng)扇風(fēng)速、紫外燈開關(guān)、水泵速率、高壓靜電場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行調(diào)節(jié)管理、高效運(yùn)行。凈化器智能控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖3 所示。

圖3 凈化器智能控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)框圖

3.2 系統(tǒng)適配電源模塊

穩(wěn)定的電源供電方案是保證空氣凈化器正常持續(xù)工作的前提。系統(tǒng)采用220 V 家用電作為電源接入，采用變壓器將接入電源轉(zhuǎn)變?yōu)? V和24 V。其中5 V作為系統(tǒng)中的的傳感器組和單片機(jī)供電，24 V 作為系統(tǒng)中的高壓包、風(fēng)扇電機(jī)、水泵、紫外燈等部分供電。

3.3 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

3.3.1 粉塵傳感器

系統(tǒng)采用型號(hào)為ZPH01 的粉塵傳感器模塊作為PM2.5 數(shù)據(jù)采集的方案，傳感器采用粒子計(jì)數(shù)的原理捕捉1 μm 以上粒徑的顆粒物體，具備串口輸出數(shù)據(jù)的功能?？梢詫?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣中的粉塵顆粒雜質(zhì)含量，以反饋給凈化器系統(tǒng)調(diào)節(jié)工作的效率。

3.3.2 溫濕度傳感器

系統(tǒng)采用廣州奧斯公司生產(chǎn)的DHT1 型號(hào)溫濕度傳感器，用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的溫度和適度情況?？梢栽诃h(huán)境溫度較高或者空氣比較干燥時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜電霧化程度以及風(fēng)扇的風(fēng)速。

3.3.3 二氧化碳濃度傳感器

系統(tǒng)采用型號(hào)為CCS811 的二氧化碳濃度傳感器，CCS811 是一款低功耗的數(shù)字氣體傳感器和8 位MCU，用來檢測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量，包括CO2和VOCs，監(jiān)測(cè)靈敏度高，可通過IIC信號(hào)與單片機(jī)直接通信[11]。

3.3.4 煙霧傳感器

系統(tǒng)采用型號(hào)為MQ-2 的煙霧濃度傳感器，傳感器具備數(shù)字量和模擬量輸出模式，為獲取精準(zhǔn)的煙霧濃度數(shù)據(jù)，傳感器使用模擬量輸出后經(jīng)ADC 轉(zhuǎn)換后傳送給的單片機(jī)處理[12]。該傳感器數(shù)據(jù)的獲取可以作為系統(tǒng)預(yù)判環(huán)境是否存在過高煙霧濃度，當(dāng)煙霧濃度過高時(shí)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，可以作為預(yù)防家庭消防安全的一部分。

3.4 人機(jī)交互模塊

3.4.1 藍(lán)牙通信

系統(tǒng)采用HC-05 型號(hào)藍(lán)牙模塊，采用串口通信方式與單片機(jī)連接，客戶端采用遵循藍(lán)牙協(xié)議的APP 控制軟件，當(dāng)完成初始匹配后，遵循系統(tǒng)的自定義控制指令，在單片機(jī)（終端）完成指令信號(hào)收發(fā)后，按指令執(zhí)行相應(yīng)控制，即達(dá)到藍(lán)牙通信人機(jī)交互。

3.4.2 按鍵控制

系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)機(jī)按鍵，用于空氣凈化器的啟動(dòng)和關(guān)閉；設(shè)置工作模式調(diào)節(jié)按鍵，可以根據(jù)用戶的喜好調(diào)節(jié)空氣凈化器的工作狀態(tài)和工作模式。

3.4.3 OLED顯示

系統(tǒng)采用1.3 寸的藍(lán)色底OLED 顯示屏，選擇4 引腳IIC通信方式的接口型號(hào)，用于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、工作狀態(tài)顯示和人機(jī)交互時(shí)的操作指引顯示。

4 凈化器智能控制軟件設(shè)計(jì)

智能控制軟件由系統(tǒng)初始化程序、OLED 顯示程序、按鍵掃描程序、藍(lán)牙通信程序、傳感器初始化程序及數(shù)據(jù)采集程序、定時(shí)中斷處理程序、模式控制程序、風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、水泵控制單元、高壓包控制單元、紫外燈管控制單元、客戶端控制程序、省電保護(hù)程序和蜂鳴器報(bào)警監(jiān)測(cè)程序等子程序以及主程序共同組成[13]。各子程序在單片機(jī)的運(yùn)算處理下保證凈化器各功能穩(wěn)定運(yùn)行。模塊化的軟件設(shè)計(jì)便于系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行，同時(shí)使程序便于移植和調(diào)用，提升軟件的適用和兼容性能。軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程

接入電源，系統(tǒng)開始工作，單片機(jī)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)的處理結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示以及執(zhí)行相應(yīng)的模塊程序，同時(shí)根據(jù)是否有按鍵或藍(lán)牙的控制信號(hào)，決定是否執(zhí)行相應(yīng)的操作子程序。

5 靜電霧化空氣凈化器實(shí)驗(yàn)測(cè)試

5.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立

裝置設(shè)計(jì)尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m 的透明亞克力立方體閉合空間作為凈化器的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使用煙霧片產(chǎn)生濃度大于980 μg/m3的白色煙霧用來模擬惡劣環(huán)境的空氣條件，并將空氣凈化器放置在密閉空間內(nèi)對(duì)煙塵進(jìn)行循環(huán)凈化，在立方體頂端設(shè)計(jì)煙霧濃度風(fēng)窗實(shí)時(shí)測(cè)量密閉空間內(nèi)的煙霧濃度情況。

5.2 測(cè)量裝置簡(jiǎn)介

由于PM10 以下的微粒對(duì)人體的危害巨大，因此需要測(cè)量PM10 以下的粒子濃度[14]。系統(tǒng)采用奧格瑞斯安心寶的家用空氣質(zhì)量檢測(cè)儀，測(cè)量粒子質(zhì)量選擇PM2.5。該測(cè)量裝置采用激光散射原理對(duì)粒子進(jìn)行測(cè)量，可以手持式測(cè)量粒子濃度，且濃度測(cè)量范圍為0～999 μg/m3。

5.3 實(shí)驗(yàn)方案及步驟

系統(tǒng)設(shè)計(jì)超聲波霧化沉降煙霧、靜電霧化沉降煙霧、自然沉降煙霧3 組對(duì)照實(shí)驗(yàn)。超聲波霧化沉降煙霧和靜電霧化沉降煙霧的參數(shù)相同，保證變量一致的情況下進(jìn)行對(duì)照。實(shí)驗(yàn)一致采用1片煙霧片完全燃燒的標(biāo)準(zhǔn)煙霧環(huán)境為初始條件，測(cè)試該初始煙霧濃度為985 μg/m3。首先進(jìn)行超聲波霧化沉降煙霧，分別測(cè)量0 s、20 s、40 s、60 s、80 s 時(shí)風(fēng)窗口的煙霧質(zhì)量濃度并記錄；隨后保持初始條件一致，進(jìn)行靜電霧化沉降煙霧，分別測(cè)量0 s、20 s、40 s、60 s、80 s 時(shí)風(fēng)窗口的煙霧質(zhì)量濃度并記錄；最后保持初始條件一致，進(jìn)行自然沉降煙霧，分別測(cè)量0 s、20 s、40 s、60 s、80 s 時(shí)風(fēng)窗口的煙霧質(zhì)量濃度并記錄，其中每一組實(shí)驗(yàn)完成后需要對(duì)參與煙霧進(jìn)行清除以保證下一組實(shí)驗(yàn)不受干擾。為對(duì)比各組間煙霧沉降效率，定義如下：

式中：η為煙霧沉降效率；ρ0為粉塵初始濃度，mg/m3；ρt為t時(shí)間時(shí)粉塵濃度，mg/m3。

5.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖5 所示為超聲波霧化煙霧沉降、靜電霧化煙霧沉降、自然煙霧沉降的煙霧沉降效率對(duì)比柱形圖。由圖可知，在20 s 時(shí)超聲波霧化煙霧沉降效率達(dá)到87.41%，此時(shí)效率高于靜電霧化煙霧沉降效率；但在40 s 及以后時(shí)間，靜電霧化煙霧沉降效率超過超聲比霧化煙霧沉降效率，且最高達(dá)到99.09%；而期間自然煙霧沉降效率一致處于較低狀態(tài)，最高僅有34.92%。由此分析，自然煙霧沉降效率低下，主要依靠煙霧自身重力聚沉；靜電霧化荷電噴霧對(duì)于煙霧沉降的效率持續(xù)穩(wěn)定，優(yōu)于超聲波霧化后的煙霧沉降效率。

圖5 煙霧沉降效率對(duì)比

6 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)空氣凈化器無法同時(shí)解決空氣凈化和空氣滅菌且不環(huán)保、易產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物等問題，本文介紹了一種基于高壓靜電霧化原理的空氣凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，自然環(huán)境下空氣自主凈化能力弱，而高壓靜電霧化荷電噴霧對(duì)于空氣凈化的效率和效果明顯優(yōu)于普通的霧化方式（如超聲波霧化）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地將高壓靜電霧化應(yīng)用于空氣凈化器結(jié)構(gòu)中，增加了無臭氧型滅菌紫外燈，具有獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；采用高性能單片機(jī)和外圍多傳感器組合的硬件設(shè)計(jì)，加以智能的軟件控制程序驅(qū)動(dòng)，組成了核心的控制單元，讓空氣凈化器平穩(wěn)運(yùn)行。