孫麗穎, 張 豪, 喬 彬, 于 潔*

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

空氣凈化器中高效濾芯的使用壽命是評價空氣凈化器性能的重要指標.為提高濾芯的使用效率進而改善裝置的凈化性能,可以在風機和高效濾芯之間加裝導流型等離子體發(fā)生器,利用等離子體發(fā)生器產生大量等離子體進行細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,會導致濾芯利用率較低,從而影響濾芯的使用壽命.通過延長發(fā)生器中的絕緣介質形成一個有角度的導流板,可以使送風氣流更均勻地吹向濾芯,進而提高濾芯的利用率.導流型等離子體發(fā)生器,在增加空氣凈化器消毒殺菌功能的同時,又改善了風機送風的均勻性,提高了濾芯的利用率.因此,具有良好的市場前景[1-2].目前,已有很多學者針對等離子體發(fā)生器的凈化效能[3-5]及空氣凈化器的流場模擬進行了相關研究.許海波[6]等人選用圓弧狀濾芯搭配入口導流結構,可以在不影響總體流量的情況下,改進流量均勻度,提升濾芯的使用壽命以及利用率.楚明浩[7]等人分析了濾網排列結構變化對濾網整體過濾效果的影響.羅賢才[8]等人研究了折距、折高及速度對空氣凈化器濾芯阻力的影響,并結合參數優(yōu)化的方法,尋找變量范圍內折距、折高的最優(yōu)解.翟浩[9]通過流體軟件分析了三種陣列式放電模塊在直通式風道內對空氣流動的影響,結果表明,增加氣流的流通路徑與配合交錯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空氣凈化器性能的影響.現有文獻對于如何提高空氣凈化器內部濾芯利用率的問題研究相對較少.發(fā)生器設置導流板是使氣流更均勻的吹向濾芯、提高濾芯利用率的有效措施.發(fā)生器的導流板結構是影響送風均勻性的關鍵所在,為探究適宜的導流板結構參數,本文采用數值模擬的方法對不同結構參數導流板下的流動過程進行分析,通過對比濾芯使用率和送風均勻性等指標,給出適宜的導流板長度和張開角度設計方案.

1 等離子體發(fā)生器結構

等離子體發(fā)生器設計由兩個放電極和夾在中間的絕緣介質組成,為增強絕緣介質的導流效果,將其延長,形成一個帶角度的導流板,如圖1所示.

圖1 等離子體發(fā)生器結構示意圖

受污染空氣在風機的作用下被吸入空氣凈化器,先在初效過濾網中過濾空氣中的粉塵及顆粒懸浮物等大顆粒,然后進入電離階段,在兩個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)性有機物的分解過程,此過程去除甲醛、TVOC和細菌等污染物,之后絕緣介質層的導流部分將氣流分散開來,更均勻地從出風口吹向高效濾芯,空氣中的電離副產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入室內環(huán)境.

從圖1可以看出,導流板為等腰三角形,為探究適宜的導流板張開角度和高度,選取10°、20°、30°、40°四種角度和50、100、150 mm三種高度進行對比分析,如圖2、3所示.本文將等離子體發(fā)生器設計在風機和高效濾芯之間,放置位置如圖4所示,這樣可以使自風機吹出的氣流分散開來,更均勻地吹向濾芯.

圖2 導流板的角度示意圖

圖3 導流板的高度示意圖

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

為分析導流板結構參數對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)生器放電極吹向濾芯,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,濾芯距離進風口的距離為300 mm.選取絕緣介質導流板長度為50、100、150 mm,角度為10°、20°、30°、40°進行對比分析,加上不設導流板的情況,共有13種對比工況,見表1.

表1 對比工況說明

圖5 空氣凈化模塊模型圖

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

3 評價指標

適宜的導流板的角度和長度能改善送風不均勻和濾芯使用率低的問題,延長濾芯壽命.本文采用速度不均勻系數K和濾芯使用率作為主要評價指標對不同工況進行對比,進而分析導流板結構尺寸對空氣凈化器濾芯使用率的影響.

3.1 速度不均勻系數

速度不均勻系數計算方法如下[12]:

(1)

(2)

(3)

其中:K為速度不均勻系數;ξ為濾芯迎風面測點的速度均方根偏差;ζ為濾芯迎風面測點的速度均值.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面各測點觀察值與其最大值的差異程度.通常情況下,濾芯的某一部分達到納垢極限時,過濾效果將會大幅下降,濾芯的完整使用時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.

濾芯使用率δ計算方法如下:

(4)

其中:Qi為各濾芯等分面風量,m3/h;Qmax為濾芯等分面風量的最大值,m3/h.本文將濾芯迎風面等分為4行8列32個面進行分析.

4 模擬結果及分析

4.1 風量為150 m3/h時的流動分析

4.1.1 不加導流板時的流動分析

圖6～8為不加導流板(工況1)時的流動跡線圖和速度矢量圖,從圖中可以看出,從進風口吹來的風徑直吹向了濾芯,絕大部分氣流從濾芯的中心部位流過.

圖6 工況1氣流跡線圖

圖7 工況1濾芯迎風面速度矢量圖

圖8 工況1 Z=0.11 m處速度矢量圖

4.1.2 加導流板時的流動分析

圖9～11為加導流板并采用工況6結構參數時的流動跡線圖和速度矢量圖,從圖9～11可以看出,從進風口吹來的風沿導流板兩側擴散開來后流向濾芯,導流板的導流效果改變了工況1中濾芯中心部位通過大部分流量的情況,使得流過濾芯的氣流流動更加均勻.

圖9 工況6流動跡線圖

圖10 工況6濾芯迎風面速度矢量圖

圖11 工況6 Z=0.11 m處速度矢量圖

對工況1～13的仿真結果進行整理,通過計算可以得出各個工況的濾芯迎風面流量均在149～149.76 m3/h之間,說明增加導流結構對流量的影響不大,可以忽略不計.各工況的濾芯使用率和速度不均勻系數的計算結果見圖12.

圖12 各工況的濾芯使用率和速度不均勻系數

從圖12可以看出,導流板張開角度為20°、導流板長度為100 mm的工況6表現最好,此結構將濾芯利用率從49.6%提高到了62.5%,增加約13%,意味著濾芯的使用壽命延長了13%,同時將不均勻系數從33.7%降到29.8%,下降約4%.說明設置尺寸適宜的導流板可以在降低送風速度不均勻系數的同時提高凈化器濾芯的利用率.

4.2 風量為300 m3/h時的流動分析

為驗證上述結論的適用性,針對風量為300 m3/h的情況進行模擬計算,將不加導流板(工況1)和設置導流板(工況6)的流動情況進行比較,工況1和工況6的流動跡線圖、濾芯迎風面速度矢量圖和Z=0.11 m出的速度矢量圖,見圖13～18.

圖13 工況1流動跡線圖

圖14 工況6流動跡線圖

圖15 工況1濾芯迎風面速度矢量圖

圖16 工況6濾芯迎風面速度矢量圖

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,增大送風量時,設置導流板仍能起到改善迎風面速度均勻性、提高濾芯使用率的作用.此外,增加導流板使得消毒裝置內部的空氣流速相對降低,這也有利對空氣凈化器內部的噪音控制.兩種工況濾芯使用率和速度不均勻系數評價指標的計算結果見表2.從表2可以看出,工況6導流板的使用使濾芯利用率增加約10%,不均勻系數下降約4%.

表2 工況1和工況6的評價指標對比

對比圖12和表2可以發(fā)現,當送風量由150 m3/h增加到300 m3/h時,送風不均勻系數下降均約4%,即送風量變化時,設置導流板對改善送風均勻性的效果差別不大,但濾芯使用率的增加值由原來的14%下降到10%,降低了4%.意味著濾芯使用率增加值會隨著送風量的增加而略有降低,因此,采用較低的送風量時,更能發(fā)揮設置導流板的優(yōu)勢.

5 結 論

本文針對如何提升空氣凈化器內部濾芯使用率的問題,以凈化器中風機和高效濾芯之間的離子發(fā)生器導流板為主要研究對象,采用數值模擬的方法對導流板所在的內部流場進行研究,通過改變導流板的長度和張開角度,給出了適宜的導流板設計方案,從而使送風更加均勻的流向濾芯.研究得出的主要結論如下:

1)增加導流板可以在降低送風速度不均勻系數的同時提高凈化器濾芯的利用率,對于本文研究的凈化器尺寸,適宜的導流板設計參數為長度100 mm,張開角度為10°.

2)當導流板結構參數一定時,濾芯使用率隨送風量的增加而略有降低,當送風量由150 m3/h增加到300 m3/h時,濾芯使用率增加值降低了4%.因此,采用較低的送風量時,更能發(fā)揮設置導流板的優(yōu)勢.