空氣凈化器結構改進與流動性能范文
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《農村青少年科學探究》2017年第z2期
摘要:針對目前傳統結構下空氣凈化器濾芯使用壽命與利用率偏低的問題,通過選取不同的濾芯結構與添加入口導流結構,提出一種優化的空氣凈化器結構.對空氣凈化器內部流動效果進行流動仿真研究,采用Fluent軟件進行求解,得出靜壓、速度、湍流參數、質量流率等一系列數據,討論不同結構對空氣流動、濾芯效率及濾芯壽命等性能參數的影響.結果表明,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.在進一步的濾芯曲率半徑優化過程中,得出在導流結構的曲率半徑為1400mm~1500mm時可得到更優化結果.
關鍵詞:空氣凈化器;入口導流結構;濾芯結構;質量流率均勻度
0引言
目前,我國大氣污染較為嚴重,主要污染因素有可吸入顆粒物PM2.5和PM10以及SO2、NO2、甲醛、苯等異味物質.在環境大氣質量未有質的改善之前,城市居民對于室內空氣凈化器仍有著較大的需求,這一現象也促進了空氣凈化器產業的迅速發展.市面上家用凈化器基本分為兩種,一種為壁掛式新風空氣凈化器(以下簡稱為“新風機”),另一種則為技術較成熟的落地式凈化器.針對降低空氣濾清器中噪音的問題,國內外學者做了大量的研究工作.HAO等基于聲學理論及要求,在詳細設計中,提出一種在低頻率下改善聲學性能的有效方法[1].劉景成等專門研究了濾芯的流阻特性以及吸聲特性,并且對空氣濾清器的噪音特性進行了仿真優化[2].朱廉潔等通過有限元法計算分析空氣濾清器的消聲特性,得出空氣濾清器的聲學有限元處理方法是合理的[3].在濾芯結構、材料優化方面,李佳等分析了濾清裝置中的濾紙尺寸、材質和褶數等各因素對空氣濾清器性能的影響規律,研究了濾紙角度對流動性能的影響[4].THOMAS等研究了數種參數,如空氣速度、顆粒大小等對濾芯效率的影響,并開發了一個基于濾清器中區分沉甸顆粒和過濾纖維的模型,可以算出剖面滲透率的下降指數[5].馮建勇等比較了濾清材料使用前后不同的結構,并研究了多種不同的過濾材料的性能[6].在功能開發方面,楊乾設計了空氣凈化器控制系統,開發了基于C語言的軟件控制程序,引入多種傳感器,實現了根據空氣質量實時調節凈化效率,并極大地優化了人機交互[7].目前,國內外對于空氣凈化器內部流動問題的研究幾乎空白,而新風機空氣凈化器大多濾芯的利用率存在著比較大的缺陷,導致濾芯的使用壽命縮短.為此,本文將嘗試運用Fluent商業軟件對空氣凈化器的空氣流動效果進行模擬分析,根據模擬得到的數據比較,探討不同的結構對凈化器內部流體流動的影響,并進一步優化分析優選方案的濾芯結構參數,以達到提高濾芯利用率與使用壽命最大化的目的.
1新風空氣凈化器結構
新風機一般包括初效過濾層、靜電集塵層、活性炭及光觸媒濾層、HEPA濾層(濾芯)4個過濾層,內置風機提供空氣循環動力.由于需要連接外部管道以獲取室外新風,所以結構與落地式新風機有較大差異.室外空氣由機器內部的風機吸入后依次通過初效過濾層、靜電集塵層、活性炭及光觸媒濾層,之后通過風機室進入最后的HEPA過濾區,經過最后的HEPA濾層后送入室內,給予室內源源不斷的新鮮潔凈空氣.由于自風機室之前的結構較為理想,無需改動,本文只截取風室出口至新風機出口這部分結構進行討論.在不影響結果的情況下,為了便于計算,以傳統機型結構為例,在不改變外殼大小、結構的前提下,進行一定的參數簡化,提出改進的新風機濾芯與導流結構,傳統式新風機濾芯結構如圖1(a),(b)所示,新型新風機濾芯結構如圖1(c)所示(箭頭所示為流體流動方向,關鍵參數已在圖中標出,其中定義濾芯正對入風口的面為迎風面).圖1中濾芯參數均有注明,A結構為一長方體,規格為360mm×50mm×210mm;B結構中出風面附近的2個濾芯(虛線表示)選擇相同大小,四棱柱的長邊為190mm,短邊為50mm,高為210mm.C結構的濾芯為弧形,其相對空氣凈化器框架外殼中軸線對稱,選取190mm的半徑,寬50mm,高210mm.本文將對此3種結構分別進行模擬流動分析,在運用ICEM軟件將模型網格劃分后,導入Fluent軟件計算出結果,并比較各結構的優劣.
2新風機流動性能計算與優化處理
2.1物理模型建立及邊界條件的選取
選取相同框架大小,相同厚度濾芯,框架大小為500mm×360mm×240mm,壁面厚度為1.5mm,壁面設置為300-O型鋁材,流道內的氣體定義為空氣.為了簡化計算,濾芯取平直面,厚度為50mm,對于A,B,C3種結構,算出其迎風面積分別為86400mm2,91200mm2,100148mm2.入口壓力為60Pa,出口設置為0Pa.運用Fluent計算軟件分別對3種結構進行分析,得出不同結構下迎風面質量流率與總質量流率,各檢測位置的流速、壓力、湍動能以及湍能耗散率等參數.
2.2數學模型及算法
2.3性能分析與結果
討論本文針對內部流體流動問題提出以下假設:入口壓力均勻,忽略流動時的溫度變化,忽略濾芯復雜的結構,將濾芯視作網格化單元體.重點分析濾芯結構改進與添加導流結構之后,流體在新結構下與傳統結構下流動狀況的不同.濾芯區域設置為層流[11],本文主要目的在于改良濾芯的質量流量均勻度問題,故除了出風口之外不參考濾芯背風面至出口那部分空間的空氣流動情況.
3結論
文中研究了空氣凈化器不同內部結構對于流動效果的影響,分別選用了傳統的結構,以及改進后的兩種結構.通過計算,對比質量流率、流量均勻度、湍流性能、流體速度等參數,來評價此三種結構的優劣性.(1)提出對空氣凈化器中流動性能與濾芯使用性能的評估方法,通過把濾芯迎風面分割成單元面并監測其單元面的質量流率與靜壓對濾芯的使用效果,并在內部設置監測點監測所需參數,對流體的流動狀況進行分析.運用上述方法可以有效評估凈化器的使用性能.(2)提出新型濾芯結構,該結構是在通過改變濾芯形狀下,在入口放置導流裝置以達成提高流量均勻度的目的,提高濾芯壽命與使用率,改進了市面上的傳統凈化器結構.從文中計算分析結果對比可以得出,傳統的結構會導致濾芯邊界區域利用率較低,使用壽命不高的情況.而在新型的結構下,濾芯的邊界區域也得以有效利用,濾芯使用率提高了20.2%,而且在改進結構后并未影響到總的質量流量.表明在入口處添加導流結構與改進濾芯為圓弧后,使用性能上將優于傳統結構.
作者：許海波；李久成；蘇芳；董玉德 單位：合肥工業大學