林鐘衛(wèi)，王琴，羅準，朱邦杰，葛江宇，鄭雄勝

（1.浙江海洋大學 船舶與機電工程學院，浙江 舟山316022；2.舟山市知創(chuàng)科技開發(fā)有限公司，浙江 舟山316000）

0 引言

由于紡織廠、煉鋼廠、化工廠等車間環(huán)境惡劣，空氣中粉塵、油霧等雜質太多，影響車間工人的身體健康[1]，而現(xiàn)有技術的集塵設備在工作過程中，會將部分機械能轉化為了熱能，使得排出的氣體具有較高的溫度，影響人體的舒適性。尤其是應用于工廠的大型集塵設備，經(jīng)凈化后的大量溫度較高的氣體被排入至廠房內，使廠房內溫度升高，導致工人感到燥熱；另外，溫度的升高還會影響機械設備的使用壽命、增加故障率。

此外，如果室內空氣過于干燥或濕度過大，會引起室內人員的不適。本文在傳統(tǒng)空氣凈化器的基礎上，設計一新款紡織廠用空氣凈化裝置，在保證凈化加濕空氣的同時還能減少熱量散失。

1 研究現(xiàn)狀

由于環(huán)境問題關乎人們的健康，尤其在室內封閉環(huán)境下，空氣中的污染物聚集，容易引發(fā)呼吸道疾病，相關學者對此做了研究，提出了自己的設計方案。熊英瑩等[2]設計提出一種節(jié)能型空氣凈化裝置（如圖1），該裝置將流體力學與熱力學能量守恒轉換相結合，舍棄傳統(tǒng)的扇葉結構而采用先進的負壓式變截面結構，同時在凈化工藝方面也是采用先進的活性炭吸附及負離子技術與紫外燈殺菌技術，整個裝置設計合理、節(jié)能環(huán)保、空氣凈化率高。

圖1 凈化原理示意圖

王應軍等[3]提出一種基于單片機控制的空氣凈化裝置（如圖2），該裝置利用單片機智能控制，通過進出風機實現(xiàn)室內外氣體的交換，利用過濾網(wǎng)、負離子裝置等對空氣進行凈化除雜，該裝置功率消耗小、維護成本低、適合家庭使用。

圖2 空氣凈化裝置主板控制圖

雖然相關學者針對各自面對的實際問題提出了自己的方案，但是由于在工廠車間等場所，我們不僅僅要考慮技術水平，還要考慮實際使用的成本及設備維護資金和使用周期，確保在有限資金范圍內實現(xiàn)效益的最大化。

本文在此基礎上結合紡織工廠車間實際，設計符合實際應用的空氣凈化裝置。

2 空氣凈化裝置結構設計

本文設計一種紡織工廠空氣凈化裝置，以解決空氣凈化，改善空氣濕度和環(huán)境的溫度的問題，該裝置主要由可移動底盤、空氣凈化箱、濕度控制裝置等組成（如圖3），整個裝置的尺寸可以根據(jù)紡織廠空間的大小進行設計選擇。本文設計尺寸長為1.5 m，寬為1 m，高為2 m，額定功率為10 kW，對微粒尺寸為0.3 μm 以上的顆粒過濾效率可以達到99.97%以上，基本滿足紡織廠要求。

該裝置采用可移動的底盤，使得凈化裝置能按照設定路線在車間內進行循環(huán)行走，使得凈化裝置不是固定在一個地方，保證車間內每個區(qū)域的空氣都能得到凈化，保證每個區(qū)域的空氣質量。

空氣凈化箱[4]安裝在底座上，包括凈化機構和冷卻機構，在凈化機構后端的出氣管內設置冷卻機構，可以調節(jié)排出空氣溫度，避免排出空氣溫度過高，影響操作工人的舒適性，并改善車間設備運行的環(huán)境溫度。

濕度控制裝置由安裝在凈化箱上端的加濕機構和除濕機構組成。采用濕度控制裝置，可以實時監(jiān)測空氣的濕度情況，為操作工人提供舒適健康的工作環(huán)境[5]。

圖3 空氣凈化裝置整體示意圖

2.1 凈化機構

凈化機構由進氣管、凈化箱組成，兩者之間通過進氣管連接，凈化箱上端安裝有凈化盒，在凈化盒內沿進氣方向依次設置初步過濾網(wǎng)、除氣態(tài)污染物網(wǎng)、靜電除塵網(wǎng)和甲醛吸附網(wǎng)。除氣態(tài)污染物網(wǎng)和甲醛吸附網(wǎng)均采用蜂窩狀活性炭濾網(wǎng)，蜂窩狀活性炭濾網(wǎng)具有較多的孔結構[6]，與傳統(tǒng)活性炭濾網(wǎng)相比，具有更優(yōu)良的氣體動力學性能、體積密度小、比面積大、吸附效率高、風阻系數(shù)小等優(yōu)點，可有效地去除空氣中的甲醛、苯、二甲苯、臭氧等有害氣體。除氣態(tài)污染物網(wǎng)和甲醛吸附網(wǎng)均采用椰殼活性炭制成，椰殼活性炭是一種不規(guī)則的破碎炭，具有強度高、飽和后可多次再生的特性，高吸附能力、低阻力等優(yōu)點，用其制成活性炭除氣態(tài)污染物濾網(wǎng)和甲醛吸附網(wǎng)，可達到高效去除氣態(tài)污染物和臭氧的有益效果。在甲醛吸附網(wǎng)后端還設有高效HEPA 網(wǎng)[7]（即高效率空氣微粒子過濾網(wǎng)），可以去除空氣中直徑為0.3 μm 以上的微粒，通過在除臭氧濾網(wǎng)的下游設置高效HEPA 網(wǎng)，起到了進一步凈化空氣的有益效果。在凈化盒上端開設有一與空氣進氣管連接的進氣口，凈化盒下端開有一出氣口，在進氣管的管口還設有用于防蚊蟲的防蟲網(wǎng)[8]，防蟲網(wǎng)外表面涂覆有驅蟲藥層，用于防止蚊子或飛蛾等昆蟲從空氣進氣管內飛入凈化盒內；凈化機構內的濾網(wǎng)根據(jù)使用頻率的多少進行更換，一般建議2～3 個月進行全套更換，在更換時拆除濾網(wǎng)并進行除塵等操作，清洗完成后烘干備用。

圖4 空氣凈化機構6 的詳細示意圖

2.2 冷卻機構

冷卻機構包括出氣管、冷卻液管和散熱翅片。出氣管位于凈化機構的下方，呈彎折狀，收納于空氣凈化箱內，且出氣管的空氣出口端從空氣凈化箱底部伸出，延伸至空氣凈化箱的上端固定；冷卻液管的進口處設有冷卻液流量閥，冷卻液流量閥根據(jù)出氣管出口處溫度自動調節(jié)冷卻液管內的冷卻液流量；散熱翅片增大了冷卻液管與氣體之間的接觸面積[9]。被凈化后的空氣進入出氣管后與冷卻液進行熱交換，氣體溫度被降低，并且使得氣體中的飽和水蒸氣的含量降低，也就是說，相同體積內的氣體能夠包含的水蒸汽更少。

由于在熱交換過程中導致一部分水蒸汽凝結析出，在出氣管內積留下來的冷凝水可以通過出氣管上的出水閥排出。因此，流經(jīng)空氣凈化箱的氣體被排出至廠房等環(huán)境中時，不但實現(xiàn)了凈化，而且具有相對較低的溫度和相對較小的濕度，能夠提高廠房內操作工人的舒適性，同時不會影響廠房內機械設備的使用壽命。另外，由于經(jīng)空氣凈化箱排出的氣體本身溫度較低，因而能夠減少大功率空調系統(tǒng)的使用，甚至無需使用大功率空調系統(tǒng)，從而減少電量的消耗。

冷卻液管具有進液口和出液口，溫度較低的冷卻液從進液口流入冷卻液管內，與氣體熱交換后溫度升高，并從出液口流出冷卻液管，流出的冷卻液通過自然冷卻或其他冷卻方式降低溫度，降低溫度后的冷卻液重新進入進液口流入冷卻液管實現(xiàn)冷卻循環(huán)，以持續(xù)對流經(jīng)冷卻液管的氣體進行降溫。

冷卻液管的進液口、出液口穿過氣管，并在出氣管外部通過循環(huán)管互相連通，形成冷卻液管的循環(huán)系統(tǒng)。冷卻液中循環(huán)流通的冷卻液可以是溫度較低的冷卻水，也可以是制冷液，冷卻液可以由工業(yè)廢水提供，控制工業(yè)廢水的溫度在20 ℃左右，或更低的溫度，通過熱交換以降低從凈化裝置排出的氣體的溫度，因而能夠在較大程度上節(jié)約資源，提高經(jīng)濟效益。

冷卻液的進口處設有冷卻液流量閥[10]，冷卻液流量閥根據(jù)出氣管出口處溫度自動調節(jié)冷卻液管內的冷卻液流量。由溫度傳感器感應排出氣體溫度，判斷需要增大冷卻液流量閥開度以增大冷卻液的流量，或者減小冷卻液流量閥開度以降低冷卻液流量，從而維持空氣凈化箱中排出的空氣溫度，進一步提高人體的舒適性。

2.3 濕度控制裝置

濕度控制裝置主要指的是濕度檢測，濕度檢測計檢測空氣的濕度[11]，反饋給中央控制器，判斷需要加濕或者除濕，并且空氣加濕機構內的水箱中設有水位傳感器。

3 空氣凈化裝置工作原理

首先通過觸摸操作屏對凈化裝置進行設置，包括設定凈化裝置的行走路線、設定返回電量、排出空氣溫度、空氣濕度值等。設置好所有參數(shù)后，凈化裝置開始按照設定路線工作，空氣凈化機構開始工作，安裝于空氣進氣管內的第一抽氣泵和出氣管內的第二抽氣泵開始工作，對空氣進行凈化處理，冷卻機構對空氣進行冷卻處理；溫度傳感器檢測出氣管排出空氣的溫度，如果溫度過高，那么由中央控制器控制冷卻液流量閥增大開度，增加冷卻液流量；如果溫度低于設定時，那么由中央控制器控制冷卻液流量閥減小開度，減少冷卻液流量。由濕度檢測計檢測空氣的濕度，空氣濕度過高時，開啟空氣除濕機構，對空氣進行除濕處理；當空氣過于干燥時，開啟空氣加濕機構，對空氣進行加濕處理。在電量檢測單元檢測到電量到達設定的最低值時，凈化裝置返回原始地點進行充電；當空氣加濕機構內水箱的水位傳感器感應到水量不足時，凈化裝置由中央控制器移動到加水地點進行加水。

4 結語

相比較于現(xiàn)有技術，本文提出的方案具有以下優(yōu)點：采用多層網(wǎng)結構組成的空氣凈化機構，能有效濾除空氣中存在的粉塵、油霧、甲醛等有害雜質，保證人體健康；在空氣凈化機構后端的出氣管內設置冷卻機構，可以調節(jié)排出的空氣溫度，避免排出的空氣溫度過高，影響操作工人的舒適性，以及改善車間設備運行的環(huán)境溫度；采用濕度控制裝置，可以實時監(jiān)測空氣中的濕度情況，為操作工人提供更舒適健康的工作環(huán)境；此外，采用可移動的底盤通過中央控制器控制，使得凈化裝置能按照設定路線在車間內進行循環(huán)行走，使紡織車間內每個區(qū)域的空氣凈化更加充分，保證每個區(qū)域的空氣質量[12]。