王清樹(shù)，夏以誠(chéng)，崔雯婧，宋雪晴，郁安吉，馮 婧

（蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

靜電式空氣凈化裝置利用電暈放電原理，電離空氣產(chǎn)生正、負(fù)離子，臟空氣中的粉塵被荷電，在集塵極中受電場(chǎng)力作用發(fā)生偏離去除，達(dá)到除塵凈化空氣的目的。但是目前凈化裝置多采用單區(qū)系統(tǒng)，粉塵的荷電和捕集分離在同一電場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行，電暈電極和集塵電極布置在同一電場(chǎng)區(qū)內(nèi)，當(dāng)風(fēng)量加大時(shí)凈化效率降低明顯，若為提高凈化率增加電離強(qiáng)度，超過(guò)臨界值，會(huì)導(dǎo)致臭氧濃度超標(biāo)。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)靜電式空氣凈化裝置的研究，理論方面主要集中在效率計(jì)算模型和荷電計(jì)算模型上。效率計(jì)算模型主要包括層流模型和紊流模型。其中紊流模型先后經(jīng)歷了多依奇理論[1]、庫(kù)泊爾曼理論[2]、萊昂納德理論[3]、靜電傳輸與紊流摻混理論[4-7]和數(shù)值仿真理論[8]。荷電計(jì)算模型主要用于顆粒物驅(qū)進(jìn)速度的確定，包括電場(chǎng)強(qiáng)度、電暈電壓、電暈電流、荷電量等參數(shù)的計(jì)算[9]。實(shí)驗(yàn)方面，靜電凈化技術(shù)集中研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)設(shè)備性能的影響，其中結(jié)構(gòu)參數(shù)包括放電極結(jié)構(gòu)、放電極尺寸、板長(zhǎng)、板間距等[10-11]，運(yùn)行參數(shù)包括電離電壓、集塵電壓、迎面風(fēng)速、污染物性質(zhì)等[12-15]。

該研究在目前靜電式空氣凈化裝置的基礎(chǔ)上，依據(jù)靜電傳輸與紊流摻混理論建立靜電式空氣凈化裝置的理論計(jì)算模型計(jì)算理論凈化效率。在此基礎(chǔ)上，圍繞凈化效率與電離電壓、面風(fēng)速、臭氧濃度等方面的特性開(kāi)展研究，控制影響凈化效率的因素，并針對(duì)性改進(jìn)。通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試改進(jìn)的靜電式空氣凈化裝置在變風(fēng)量、變電壓下的凈化效率曲線(xiàn)，同時(shí)對(duì)比臭氧濃度，探索解決靜電式空氣凈化裝置效率不穩(wěn)定和臭氧濃度超過(guò)舒適濃度的問(wèn)題，對(duì)促進(jìn)靜電式空氣凈化裝置發(fā)展、改善現(xiàn)代生活質(zhì)量具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)效益[16-17]。

1 靜電式空氣凈化裝置作用機(jī)理分析

1.1 靜電式空氣凈化裝置結(jié)構(gòu)

靜電式凈化裝置采用高壓靜電凈化技術(shù)，其性能取決于電離段、集塵段及高壓電源的性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)特性。

1.1.1 電離段 電離段的作用是給氣溶膠顆粒荷電，可分為電暈放電和氣體荷電兩個(gè)階段。①電暈放電。高壓電源產(chǎn)生高壓直流正電壓或負(fù)電壓，通過(guò)電暈線(xiàn)在尖端電極附近聚集大量電荷，局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)氣體的電離場(chǎng)強(qiáng)，使氣體產(chǎn)生激勵(lì)并電離，出現(xiàn)電暈放電。電子或離子在電場(chǎng)力和布朗運(yùn)動(dòng)作用下，做遠(yuǎn)離尖端電極的運(yùn)動(dòng)，形成帶正電或負(fù)電的氣體，在靠近尖端電極表面聚集起相反電性離子或電子。電場(chǎng)繼續(xù)加強(qiáng)時(shí)，離子或電子被吸進(jìn)電極，出現(xiàn)脈沖電暈電流，帶正電或負(fù)電的氣體則擴(kuò)散到電離段空間，此后又重復(fù)開(kāi)始下一個(gè)電離及帶電粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程。②荷電機(jī)理。通過(guò)電暈放電，產(chǎn)生了大量的帶正電或負(fù)電的氣體，臟空氣流過(guò)電離段時(shí)，氣溶膠微粒與電離產(chǎn)生的帶正電或負(fù)電的氣體碰撞，從而帶上相應(yīng)的電荷。

1.1.2 集塵段 集塵段是正、負(fù)交替排列的電極板，電場(chǎng)方向與極板表面垂直，荷電氣溶膠顆粒通過(guò)集塵段時(shí)，在電場(chǎng)力作用下，會(huì)向相反電性的極板偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而被極板捕集。單區(qū)結(jié)構(gòu)電離段和集塵段處于同一段，集塵板是裝置的外殼體，電暈線(xiàn)相當(dāng)于另一電極板，荷電與集塵是在同一個(gè)段中完成，風(fēng)量變化，氣溶膠濃度增加，都可能導(dǎo)致效率不穩(wěn)定，需要增加電源電壓的輸出。

1.1.3 高壓電源 當(dāng)輸入額定電壓后，高壓電源能夠轉(zhuǎn)換輸出直流高壓正電壓或負(fù)電壓，作用在電離段的電暈線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)電暈放電和氣溶膠荷電過(guò)程。高壓電源電壓值的高低除影響效率的同時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致臭氧濃度的變化。

1.2 靜電式空氣凈化裝置工作原理

1.2.1 工作原理圖 改進(jìn)后的靜電式空氣凈化裝置，采用了雙區(qū)結(jié)構(gòu)，將電離段和集塵段分開(kāi)設(shè)置，根據(jù)需要調(diào)整電離段和集塵段的電壓值，有利于保持凈化效率的穩(wěn)定。改進(jìn)后的靜電式空氣凈化裝置原理圖如圖1所示。

圖1 改進(jìn)后的靜電式空氣凈化裝置原理圖

1.2.2 理論效率模型 改進(jìn)后的靜電式空氣凈化裝置效率模型，采用靜電傳輸與紊流摻混理論。在庫(kù)泊爾曼理論的基礎(chǔ)上，由張國(guó)權(quán)等[4-7]提出的該理論認(rèn)為：在空氣凈化裝置的靜電場(chǎng)中，橫向受到微粒的擴(kuò)散影響，紊流摻混不一定減小驅(qū)進(jìn)速度；在縱向上，紊流摻混效應(yīng)是由氣流的不均勻分布引起的。靜電收集的一般理論模型是靜電力、重力、紊流摻混和電風(fēng)的結(jié)合，多依奇公式僅僅是一種簡(jiǎn)化的特殊形式。靜電傳輸和紊流混合理論涵蓋了風(fēng)速不均勻?qū)е碌念w粒紊流擴(kuò)散效果，區(qū)分了垂直和橫向紊流摻混效果，并獲得了如下?lián)交炷Ｐ捅磉_(dá)式

解得效率表達(dá)式為

式中F為與橫向和縱向紊流摻混系數(shù)Ex、Ey有關(guān)的參數(shù)。

靜電傳輸與紊流摻混理論克服了庫(kù)泊爾曼理論中氣流速度均一假設(shè)的問(wèn)題，更接近實(shí)際，而且還成功解釋了非多依奇現(xiàn)象。

1.3 臭氧形成機(jī)理

臭氧的形成過(guò)程非常復(fù)雜，既包括電子離解氧氣分子為氧原子，氧原子與氧氣分子結(jié)合形成臭氧分子；還包括伴隨副反應(yīng)，離解氧原子與臭氧分子結(jié)合形成氧氣分子，電子離解臭氧分子為氧原子和氧氣分子，電子與氧原子結(jié)合形成負(fù)氧離子等典型過(guò)程。因此，電子能量需要控制，2～8.4 eV的電子會(huì)加速臭氧分子的分解，大于8.4 eV的電子才促進(jìn)臭氧生產(chǎn)。

正極性電暈放電形成正離子的遷移率遠(yuǎn)小于電子的遷移率，正極性電暈尖端附近電場(chǎng)減弱，需要較高的電壓才能發(fā)生電暈，因此負(fù)極性電暈比正極性電暈起始電壓要低，形成臭氧的放電一般都采用負(fù)極性電暈。

2 靜電式空氣凈化裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 離子箱

通過(guò)將電離段和集塵段分開(kāi)，改進(jìn)為雙區(qū)凈化裝置。改進(jìn)后的離子箱設(shè)置圖如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的離子箱設(shè)置圖

2.2 電離絲

通過(guò)理論分析和多次測(cè)試數(shù)據(jù)分析，針對(duì)性的改進(jìn)措施為：采用螺旋化處理，分析不同螺旋化結(jié)構(gòu)對(duì)空氣電離荷電的影響；合理設(shè)置電離絲的排布方式，將電離絲從單根變?yōu)槎喔?，測(cè)試結(jié)果表明，4排是較為合理的方案，方案改進(jìn)后的電離絲設(shè)置圖如圖3所示。

圖3 方案改進(jìn)后電離絲設(shè)置圖

2.3 高壓電源

高壓電源選擇（6.5±0.4）kV高壓直流正電壓設(shè)計(jì)，采用環(huán)氧樹(shù)脂完全封裝，確保其安全可靠性。選用定制生產(chǎn)的高壓電源，具有良好的穩(wěn)定性及電磁兼容性能。

2.4 臭氧控制

降低電離段的電壓值，從源頭上減少臭氧的產(chǎn)生。雙區(qū)4排合理分布，可在降低電離電壓的同時(shí)增加對(duì)氣溶膠顆粒的荷電效果。采用正極性電暈，減少臭氧的產(chǎn)生。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

以目前單區(qū)結(jié)構(gòu)的靜電式空氣凈化裝置為A組、改進(jìn)后的凈化裝置為B組進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理圖如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理圖

對(duì)比實(shí)驗(yàn)分以下三組進(jìn)行：

（1）在處理氣體的面風(fēng)速不變工況下，研究電離段電壓降低幅度與凈化效率的變化規(guī)律；

（2）在電離段電壓保持不變工況下，分析處理氣體面風(fēng)速與凈化效率的變化規(guī)律；

（3）在高效率凈化工況下，出風(fēng)口臭氧濃度隨面風(fēng)速與電離段電壓的變化規(guī)律。

調(diào)整穩(wěn)壓閥后的壓縮空氣壓力略高于氣溶膠顆粒發(fā)塵器所需壓力，再通過(guò)穩(wěn)壓閥使進(jìn)入發(fā)塵器的空氣壓力維持穩(wěn)定。當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入發(fā)塵器后，流經(jīng)噴嘴將發(fā)塵器內(nèi)的液體霧化，然后噴到實(shí)驗(yàn)管路內(nèi)，與實(shí)驗(yàn)空氣相混合，形成均勻的氣溶膠顆粒物。

被測(cè)過(guò)濾器安裝在裝置內(nèi)，分別由激光粒子計(jì)數(shù)器，測(cè)試上下游的粒子數(shù)，將測(cè)得值進(jìn)行比較，得出被測(cè)過(guò)濾器的計(jì)數(shù)效率。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試臺(tái)搭建實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試臺(tái)搭建實(shí)物圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

采用張妍等人[18]的研究成果，并參照日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIC9615提出的去除率作為指標(biāo)，對(duì)凈化效率進(jìn)行評(píng)價(jià)。去除率η定義為空氣凈化器連續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后，室內(nèi)空氣中某污染物被去除的相對(duì)量。式中η為去除率，c0為初始濃度，ct為t時(shí)刻的濃度。

4.1 電離段電壓降低幅度與凈化效率

在處理氣體的面風(fēng)速不變工況下，電離段電壓降低幅度與凈化效率變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 電離段電壓降低幅度與凈化效率變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

依據(jù)表1數(shù)據(jù)，繪制電離段電壓降低幅度與凈化效率變化的對(duì)照?qǐng)D，如圖6所示。

圖6 電離段電壓降低幅度與凈化效率變化的對(duì)照?qǐng)D

由圖6結(jié)果可知：兩組設(shè)計(jì)下在電離段電壓接近7.0 kV左右時(shí)，凈化效率均保持相對(duì)高水平。但當(dāng)電壓在6.2～7.0 kV范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)兩種直徑微粒，設(shè)計(jì)組B組的凈化效率均較原始組A組明顯提高，且B組對(duì)兩種微粒的凈化效率始終高于84%，而A組在電離段電壓6.3 kV及以下時(shí)對(duì)微粒的凈化效率急劇降低，不能達(dá)到凈化要求。

4.2 面風(fēng)速與凈化效率

在電離段電壓保持不變工況下，處理氣體的面風(fēng)速與凈化效率變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 處理氣體的面風(fēng)速與凈化效率變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

依據(jù)表2數(shù)據(jù)，繪制變面風(fēng)速情況下凈化效率的對(duì)照?qǐng)D，如圖7所示。

由圖7結(jié)果可知：面風(fēng)速在2.5～6.5 m·s-1范圍內(nèi)，兩組設(shè)計(jì)的凈化效率均隨面風(fēng)速增大而降低。但同等粒徑、相同面風(fēng)速下，設(shè)計(jì)組B組的凈化效率均較原始組A組提高3%～20%，且凈化效率的提高程度在高面風(fēng)速時(shí)尤為明顯。面風(fēng)速達(dá)到6 m·s-1時(shí)，B組對(duì)2 mm微粒的凈化效率高于90%，對(duì)0.5 mm微粒的凈化效率高于84%。

圖7 變面風(fēng)速情況下凈化效率的對(duì)照?qǐng)D

4.3 出風(fēng)口臭氧濃度與面風(fēng)速、電離段電壓

在高效率凈化氣溶膠顆粒工況（凈化效率≥85%）下，繪制出風(fēng)口臭氧濃度與面風(fēng)速、電離段電壓的變化圖，如圖8所示。

圖8 出風(fēng)口臭氧濃度與面風(fēng)速、電離段電壓的變化圖

由圖8結(jié)果可知：同等條件下，相對(duì)低面風(fēng)速時(shí)臭氧濃度明顯較低。面風(fēng)速在2.0 m·s-1、2.5 m·s-1情況下，兩組設(shè)計(jì)的臭氧濃度均隨電離段電壓增大而有所升高，但同等電離段電壓下，設(shè)計(jì)組B組的臭氧濃度均低于原始組A組，且臭氧濃度的降低程度在較低電壓時(shí)尤為明顯。電離段電壓在6.8 kV以下、面風(fēng)速為2.5 m·s-1時(shí)，B組的臭氧濃度不超過(guò)0.024 mg·m-3，而A組的臭氧濃度均在0.024 mg·m-3以上?？梢?jiàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)后在保持高凈化效率的前提下，實(shí)現(xiàn)了更低的臭氧水平，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合計(jì)算預(yù)期。

5 結(jié)語(yǔ)

分析了靜電式空氣凈化裝置的凈化效率與電離段電壓、面風(fēng)速、臭氧等因素的關(guān)系，改進(jìn)了靜電式空氣凈化裝置單區(qū)結(jié)構(gòu)，通過(guò)理論模型建立與試驗(yàn)測(cè)試，得到以下結(jié)論：（1）改進(jìn)后雙區(qū)4排的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能滿(mǎn)足高凈化效率與低臭氧排放的要求，解決了原單區(qū)凈化裝置性能不足的問(wèn)題。（2）用雙區(qū)螺旋結(jié)構(gòu)，使電離段電壓在6.2～7.0 kV范圍內(nèi)、面風(fēng)速在2.5～6.0 m·s-1范圍內(nèi)時(shí)，靜電式空氣凈化裝置對(duì)2.0 mm直徑微粒的凈化效率保持在90%以上；在凈化效率≥85%要求下，電離段電壓在6.2～6.8 kV范圍內(nèi)、面風(fēng)速在2.5 m·s-1左右時(shí)，處理氣溶膠顆粒所產(chǎn)生的臭氧濃度低于0.02 mg·m-3。（3）致使臭氧低排放的主要因素是電離段的電壓和結(jié)構(gòu)設(shè)置。該研究通過(guò)控制低電壓梯度、采用正極性電暈與合理排布電離絲實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。