張　偉，劉　波，楊炳耀，許祖軒，高雪源

(西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安 710021)

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靜電除塵式防霧霾紗窗除塵試驗及效率分析*

張偉，劉波，楊炳耀，許祖軒，高雪源

(西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安 710021)

摘要：為了解決普通紗窗無法在霧霾天氣下有效地過濾對人體有害的可吸入顆粒物的問題，通過將靜電除塵技術(shù)同濕度檢測控制技術(shù)以及現(xiàn)有的紗窗結(jié)合使用，設(shè)計了一組新型防霧霾紗窗裝置.在普通紗窗的外層安裝一臺靜電除塵裝置，對紗窗外即將進(jìn)入室內(nèi)的空氣進(jìn)行高效除霾.在紗窗外端安裝濕度檢測探頭，連接室內(nèi)濕度檢測控制裝置，實現(xiàn)了對靜電除塵裝置的工作濕度控制.通過現(xiàn)場檢測試驗，結(jié)果表明：使用普通紗窗時，室內(nèi)PM2.5值為401 μg·m-3;使用防霧霾紗窗之后，室內(nèi)PM2.5值下降到20 μg·m-3.使用防霧霾紗窗可高效除去空氣中對人體有害的可吸入顆粒物，顯著降低PM2.5.

關(guān)鍵詞：靜電除塵；防霧霾紗窗；濕度；細(xì)顆粒物(PM2.5)

隨著經(jīng)濟水平的提高和工業(yè)化進(jìn)程的加快，人們的生活水平得到了顯著的提高，但是伴隨而來的環(huán)境惡化問題尤其是霧霾等大氣污染已經(jīng)嚴(yán)重影響了人們正常生活.調(diào)查顯示，我國大中城市一年出現(xiàn)霧霾天氣的天數(shù)為150～210 d ，個別天數(shù)甚至引起檢測裝置爆表[1].霧霾中對人體有危害的主要成分是PM2.5，因此，持續(xù)的霧霾天氣使得人們產(chǎn)生了對PM2.5的擔(dān)憂.目前居民使用的紗窗功能較為簡單，只能過濾一些進(jìn)入房間的雜物，防止蚊蟲及大顆粒物質(zhì)進(jìn)入室內(nèi)，卻不能阻擋PM2.5與PM10等有害物質(zhì)進(jìn)入室內(nèi).因此在很多霧霾天氣下，人們不能開窗透風(fēng)，一旦開窗，這些有害物質(zhì)很容易進(jìn)入室內(nèi)，對人的身體和室內(nèi)環(huán)境造成很大的健康危害.

針對普通紗窗無法在霧霾天氣下有效地過濾對人體有害的可吸入顆粒物的問題，有多位學(xué)者提出了改造方案.文獻(xiàn)[2]將靜電除塵技術(shù)同紗窗結(jié)合，主要使用靜電發(fā)生器使紗窗帶上靜電；文獻(xiàn)[3]則將一種核孔膜技術(shù)同現(xiàn)有紗窗結(jié)合，從而解決可吸入顆粒物的問題；文獻(xiàn)[4]也提出了一種新的基于靜電技術(shù)的防塵透風(fēng)紗窗設(shè)計；還有一些別的學(xué)者對防霧霾紗窗領(lǐng)域進(jìn)行了許多研究[5-8].

但是，以上方案雖在一定程度上解決了對可吸入顆粒物的吸附問題，但是除塵效率不高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較昂貴，透光性差且安全性有待改善.因此，本文通過將靜電除塵技術(shù)同濕度檢測控制技術(shù)以及現(xiàn)有的紗窗結(jié)合使用，顯著提高了除塵效率，也解決了透光性，安全性等問題.

1靜電除塵原理

靜電除塵是一種氣體在靜電場中電離，電離后的電子與塵粒相遇，使其帶電被吸附于集塵板的除塵方式.其收集過程如圖1所示.其除塵過程包括:① 氣體電離；② 粉塵荷電；③ 粉塵沉降.

在強電場中空氣被電離為正離子及自由電子，空氣被電離之后，正離子立即同放電極(負(fù)極)結(jié)合，自由電子同空氣中的塵粒結(jié)合，實現(xiàn)粉塵荷電，荷電粉塵在庫侖力的作用下到達(dá)集塵板表面，然后放出其所帶電荷而沉積在集塵板上.

電極表面附近發(fā)生電離需要以下幾個條件:① 氣壓高于或者處于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；② 電極表面曲率半徑比較小，電場分布不均勻；③ 臨近電極處場強較高.電極附近電暈層內(nèi)場強很高，會引發(fā)劇烈電離.本文應(yīng)用高壓直流負(fù)電暈制造高壓靜電除塵器.電除塵器的伏安特性取決于電極的形狀、電壓波形和極性、氣體的組成和狀態(tài)、電極上集塵的厚度和性質(zhì)以及懸浮粉塵的濃度和顆粒直徑等因素[9].

圖1　板式電除塵器工作原理Fig.1　Principle of panel electrostatic dust remover

電暈開始發(fā)生所需要的場強主要由兩個因素決定:① 幾何因素；② 氣體性質(zhì).為提供氣體電離碰撞所需的能量，給定氣體中的起暈場強需要足夠大.顯然，這個主要取決于該氣體的電離電位和各次互相碰撞之間的平均自由程[10].空氣中的起暈電場強度為

(1)

式中:δ為空氣相對密度；a為電暈線半徑；m為導(dǎo)線光滑修正系數(shù)，一般在0.5～1之間，對清潔的光滑導(dǎo)線m=1，對實際中遇到的導(dǎo)線可取 0.6～0.7.

對式(1)進(jìn)行積分可得到起暈電壓值為

(2)

其中b為陰極到陽極的距離(m).

極線直徑增大時，起暈電壓隨之提升，如圖2所示.

極線附近的場強隨極線直徑的減小而增加.小直徑的極線附近場強隨極線離開表面的距離增大而急劇減小.而大直徑極線的場強減小程度與小直徑相比較低.當(dāng)極線直徑較大時，陰極到陽極的距離可忽略，由此可確定光滑粗大的極線起暈場強為300萬 V·m-1.因此，當(dāng)電除塵器中的放電極使用光滑圓線時，圓線的直徑一般為?1.5～3.8 mm，從而降低起暈電壓[10].由此可計算起暈電壓約為2 000 V.

粒子有效運動速度為電離產(chǎn)生的粒子運動速度與離子風(fēng)的運動速度之和，因此集塵電場中的離子風(fēng)可以加速塵粒向集塵板的沉降，從而提升靜電除塵的除塵功效，加快塵粒向集塵電極的運動.

圖2　起暈電壓隨極線直徑的變化Fig.2　Corona onset voltage changing with polar line’s diameter

2防霧霾紗窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1總體設(shè)計

板式靜電除塵裝置結(jié)構(gòu)示意簡圖如圖3所示.

圖3　板式靜電除塵裝置結(jié)構(gòu)示意簡圖Fig.3　Diagram of structure of the panel electrostatic dust remover

首先對于主要功能部件即靜電除塵裝置，采用了板式結(jié)構(gòu).室內(nèi)電源經(jīng)高壓變壓器變?yōu)? 000 V電壓后，其負(fù)極線同高壓母線相連，正極與集塵板相連；高壓母線與電暈極相連，電暈極由下方的電暈極固定裝置固定.工作時，高壓電源供電，電暈極帶負(fù)電，將裝置周圍的空氣通過所產(chǎn)生的離子風(fēng)吸入，高壓負(fù)電使得空氣電離為正負(fù)離子，負(fù)離子吸附空氣中0.01～50 μm的顆粒物向集塵板運動，并最終被吸附于集塵板.

由于靜電除塵裝置在陰雨天氣或者濕度過高時，可能會產(chǎn)生漏電等危害，故還需要控制靜電除塵裝置的工作濕度，使其在陰雨天氣或高濕度環(huán)境下自動斷電，當(dāng)濕度恢復(fù)到合適的工作范圍內(nèi)時，裝置重新啟動.采用濕度檢測控制裝置可以實現(xiàn)這一功能.

靜電除塵式防霧霾紗窗的總體結(jié)構(gòu)示意簡圖如圖4所示.

1—普通紗窗;2—濕度檢測探頭;3—濕度檢測探頭引線; 4—靜電除塵裝置;5—高壓電源線;6—集塵板; 7—外接電源線;8—濕度檢測控制裝置顯示屏; 9—濕度檢測控制裝置;10—開關(guān); 11—濕度控制范圍調(diào)節(jié)按鈕; 12—220～2 000 V變壓器;13—電暈極 圖4　靜電除塵式防霧霾紗窗總體結(jié)構(gòu)示意簡圖Fig.4　Diagram of anti-haze screen of electrostatic dust remover

由圖4可知，靜電除塵式防霧霾紗窗主要包括普通紗窗、靜電除塵裝置、濕度檢測控制裝置和變壓器等.靜電除塵裝置固定于普通紗窗外側(cè)，通過高壓電源線與220～2 000 V高壓變壓器相連，而變壓器又同濕度檢測控制裝置相連，受其控制電路的通斷；濕度檢測探頭安裝于紗窗外側(cè)的左上方，負(fù)責(zé)檢測靜電除塵裝置周圍濕度，其與濕度檢測控制裝置通過引線相連；濕度檢測控制裝置安裝于室內(nèi)，所需電源由普通家用室內(nèi)電源即220 V交流電源提供.

2.2結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

通過一定階段的調(diào)研得知，大部分家用紗窗規(guī)格為1 m×0.6 m，根據(jù)此規(guī)格，確定了所設(shè)計方案的基本規(guī)格.紗窗大小采用普通紗窗規(guī)格即1 m×0.6 m；窗紗方孔大小為2 mm×2 mm；靜電除塵裝置規(guī)格為0.9 m×0.5 m×0.05 m，功率為20 W，工作電流為10 mA，低于人體安全電流；靜電除塵裝置所需電壓為2 000 V；高壓變壓器采用220～2 000 V變壓器，其規(guī)格為0.1 m×0.1 m×0.15 m；濕度檢測控制裝置濕度單位選擇相對濕度單位，啟動濕度設(shè)置為75%，停止?jié)穸仍O(shè)置為90%.靜電除塵裝置與濕度檢測探頭為主要的紗窗外側(cè)懸掛裝置，整體重量為3 kg；連同紗窗在內(nèi)的整套裝置重量約為5 kg.

靜電除塵式防霧霾紗窗電源使用室內(nèi)電源提供，安裝方法同普通紗窗相同，即安裝于滑動導(dǎo)軌上，裝有靜電除塵裝置的一側(cè)朝室外放置，中間有窗紗同室內(nèi)隔離，紗窗導(dǎo)軌上需開有通電導(dǎo)線孔，以方便引線接入室內(nèi).

3除塵試驗及效率分析

制作靜電除塵防霧霾紗窗樣品，進(jìn)行現(xiàn)場檢測，調(diào)節(jié)濕度控制范圍，即啟動濕度為75%，停止?jié)穸葹?0%.一段時間后，當(dāng)靜電除塵裝置附近環(huán)境濕度低于75% 時，靜電除塵裝置開始工作，同時伴有微弱聲音但整體無明顯變化.此時，附近的空氣被電暈極電離成正負(fù)離子，并形成離子風(fēng)，使得空氣朝著一個方向流動，在經(jīng)過靜電除塵裝置時，空氣中0.01～50 μm的微小顆粒被吸附至集塵板，并在集塵板上堆積，隨即被除塵后的潔凈的空氣又經(jīng)過普通紗窗進(jìn)入到室內(nèi)，不久便可以看到實驗中心人為制造的渾濁的空氣被快速除凈，即實現(xiàn)了去除霧霾的目的.當(dāng)陰雨天氣到來或靜電除塵裝置附近環(huán)境濕度高于90% 時(試驗時人為制造噴霧以達(dá)到試驗所需空氣濕度來模擬陰雨天的空氣環(huán)境)，濕度檢測探頭檢測到的濕度超過了設(shè)定值，濕度檢測控制裝置則立即使220～2 000 V變壓器斷電，從而靜電除塵裝置停止工作.當(dāng)濕度重新下降至75% 以下時，濕度檢測控制裝置又使得220～2 000 V變壓器通電，從而靜電除塵裝置再次正常進(jìn)行工作，工作過程同上所述.防霧霾紗窗進(jìn)行清洗時，將紗窗卸下，對集塵板噴灑清洗劑后擦拭，待集塵板晾干后，即可再次進(jìn)行使用.

靜電除塵裝置的除塵效率可利用PM2.5濃度來進(jìn)行分析.所測數(shù)據(jù)是在人為制造的煙霧環(huán)境中檢測的.在實驗中心室內(nèi)模擬制造較高濃度PM2.5的環(huán)境，并采用抽樣檢測的方式，對全天24 h的6個時刻分別進(jìn)行檢測.檢測未使用防霧霾紗窗時的環(huán)境PM2.5值，進(jìn)而開啟裝置，檢測使用防霧霾紗窗之后環(huán)境的PM2.5值，加以對比，分別計算使用防霧霾紗窗前后室內(nèi)環(huán)境PM2.5的平均值.測量結(jié)果見表1.

由表1可知，采用抽樣檢測的方式進(jìn)行試驗之后，在各時段內(nèi)，使用靜電除塵式防霧霾紗窗之后的PM2.5的實時濃度較未使用的濃度均有大幅下降，且PM2.5的24 h均值比普通紗窗減少了381 μg·m-3.結(jié)果表明,靜電除塵式防霧霾紗窗能夠高效地除去空氣中的微小顆粒物.

表1　PM2.5濃度檢測數(shù)據(jù)表Tab.1　The test data of PM2.5 concentration

4結(jié) 論

1) 基于靜電除塵原理，通過將靜電除塵技術(shù)同濕度檢測控制技術(shù)及現(xiàn)有的紗窗結(jié)合使用，設(shè)計了一組新型防霧霾紗窗裝置.該紗窗解決了普通紗窗無法在霧霾天氣下有效地過濾對人體有害的可吸入顆粒物的問題.

2) 該新型防霧霾紗窗實現(xiàn)了濕度調(diào)節(jié)控制功能，在濕度適當(dāng)時工作，在陰雨天氣或者濕度極高時停止工作，增強了安全性.

3) 通過樣品現(xiàn)場檢測試驗，結(jié)果顯示靜電除塵式防霧霾紗窗的除塵效率達(dá)95%以上，證明了新型紗窗基于靜電除塵原理進(jìn)行防霧霾除塵的高效性.

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(責(zé)任編輯、校對張超)

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DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.06.005

*收稿日期：2015-11-04

基金資助：西安工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201410702035)

作者簡介：張偉(1992-)，男，西安工業(yè)大學(xué)助研. 通訊作者：劉波(1963-)，男，西安工業(yè)大學(xué)教授，主要研究方向為機械制造工藝、精密機械設(shè)計、空氣軸承設(shè)計及超精密機械儀器等.E-mail:liubo5620@xatu.edu.cn.

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:中圖號：U453.8+3A

文章編號：1673-9965(2016)06-0456-05

Dust Removing Test and Efficient Analysis of Anti-Haze Screen of Electrostatic Dust Removal

ZHANGWei,LIUBo,YANGBingyao,XUZuxuan,GAOXueyuan

(School of Mechatronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

Abstract:In order to solve the problem that common screen window can not filter the dust which is harmful to the human body effectively in fog and haze,a group of new anti haze screen device is designed,combining the normal screen with the electrostatic dust removal technology and humidity measurement and control technology.It is achieved to filter the passing air efficiently by installing an electrostatic dust removing device and a transformer device out of the common screen window.The humidity detection probe is installed out of the window,and it is connected with the humidity detecting and controlling device inside,to control the working humidity of the electrostatic dust removing device.The results of experiment show:After using anti-haze screens,the index of PM2.5decreases to 20 μg·m-3in room,compared with PM2.5of 401 μg·m-3,while the ordinary screens is used.It is verified that the anti-haze screens efficiently remove the respirable particulate in the air,which could be harmful to human beings,and dramatically reduce PM2.5.

Key words:electrostatic precipitator;anti haze screen;humidity;PM2.5