空气净化器结构改进与流动性能范文

《农村青少年科学探究》2017年第z2期

摘要:针对目前传统结构下空气净化器滤芯使用寿命与利用率偏低的问题,通过选取不同的滤芯结构与添加入口导流结构,提出一种优化的空气净化器结构.对空气净化器内部流动效果进行流动仿真研究,采用Fluent软件进行求解,得出静压、速度、湍流参数、质量流率等一系列数据,讨论不同结构对空气流动、滤芯效率及滤芯寿命等性能参数的影响.结果表明,选用圆弧状滤芯搭配入口导流结构,可以在不影响总体流量的情况下,改进流量均匀度,提升滤芯的使用寿命以及利用率.在进一步的滤芯曲率半径优化过程中,得出在导流结构的曲率半径为1400mm~1500mm时可得到更优化结果.

关键词:空气净化器;入口导流结构;滤芯结构;质量流率均匀度

0引言

目前,我国大气污染较为严重,主要污染因素有可吸入颗粒物PM2.5和PM10以及SO2、NO2、甲醛、苯等异味物质.在环境大气质量未有质的改善之前,城市居民对于室内空气净化器仍有着较大的需求,这一现象也促进了空气净化器产业的迅速发展.市面上家用净化器基本分为两种,一种为壁挂式新风空气净化器(以下简称为“新风机”),另一种则为技术较成熟的落地式净化器.针对降低空气滤清器中噪音的问题,国内外学者做了大量的研究工作.HAO等基于声学理论及要求,在详细设计中,提出一种在低频率下改善声学性能的有效方法[1].刘景成等专门研究了滤芯的流阻特性以及吸声特性,并且对空气滤清器的噪音特性进行了仿真优化[2].朱廉洁等通过有限元法计算分析空气滤清器的消声特性,得出空气滤清器的声学有限元处理方法是合理的[3].在滤芯结构、材料优化方面,李佳等分析了滤清装置中的滤纸尺寸、材质和褶数等各因素对空气滤清器性能的影响规律,研究了滤纸角度对流动性能的影响[4].THOMAS等研究了数种参数,如空气速度、颗粒大小等对滤芯效率的影响,并开发了一个基于滤清器中区分沉甸颗粒和过滤纤维的模型,可以算出剖面渗透率的下降指数[5].冯建勇等比较了滤清材料使用前后不同的结构,并研究了多种不同的过滤材料的性能[6].在功能开发方面,杨乾设计了空气净化器控制系统,开发了基于C语言的软件控制程序,引入多种传感器,实现了根据空气质量实时调节净化效率,并极大地优化了人机交互[7].目前,国内外对于空气净化器内部流动问题的研究几乎空白,而新风机空气净化器大多滤芯的利用率存在着比较大的缺陷,导致滤芯的使用寿命缩短.为此,本文将尝试运用Fluent商业软件对空气净化器的空气流动效果进行模拟分析,根据模拟得到的数据比较,探讨不同的结构对净化器内部流体流动的影响,并进一步优化分析优选方案的滤芯结构参数,以达到提高滤芯利用率与使用寿命最大化的目的.

1新风空气净化器结构

新风机一般包括初效过滤层、静电集尘层、活性炭及光触媒滤层、HEPA滤层(滤芯)4个过滤层,内置风机提供空气循环动力.由于需要连接外部管道以获取室外新风,所以结构与落地式新风机有较大差异.室外空气由机器内部的风机吸入后依次通过初效过滤层、静电集尘层、活性炭及光触媒滤层,之后通过风机室进入最后的HEPA过滤区,经过最后的HEPA滤层后送入室内,给予室内源源不断的新鲜洁净空气.由于自风机室之前的结构较为理想,无需改动,本文只截取风室出口至新风机出口这部分结构进行讨论.在不影响结果的情况下,为了便于计算,以传统机型结构为例,在不改变外壳大小、结构的前提下,进行一定的参数简化,提出改进的新风机滤芯与导流结构,传统式新风机滤芯结构如图1(a),(b)所示,新型新风机滤芯结构如图1(c)所示(箭头所示为流体流动方向,关键参数已在图中标出,其中定义滤芯正对入风口的面为迎风面).图1中滤芯参数均有注明,A结构为一长方体,规格为360mm×50mm×210mm;B结构中出风面附近的2个滤芯(虚线表示)选择相同大小,四棱柱的长边为190mm,短边为50mm,高为210mm.C结构的滤芯为弧形,其相对空气净化器框架外壳中轴线对称,选取190mm的半径,宽50mm,高210mm.本文将对此3种结构分别进行模拟流动分析,在运用ICEM软件将模型网格划分后,导入Fluent软件计算出结果,并比较各结构的优劣.

2新风机流动性能计算与优化处理

2.1物理模型建立及边界条件的选取

选取相同框架大小,相同厚度滤芯,框架大小为500mm×360mm×240mm,壁面厚度为1.5mm,壁面设置为300-O型铝材,流道内的气体定义为空气.为了简化计算,滤芯取平直面,厚度为50mm,对于A,B,C3种结构,算出其迎风面积分别为86400mm2,91200mm2,100148mm2.入口压力为60Pa,出口设置为0Pa.运用Fluent计算软件分别对3种结构进行分析,得出不同结构下迎风面质量流率与总质量流率,各检测位置的流速、压力、湍动能以及湍能耗散率等参数.

2.2数学模型及算法

2.3性能分析与结果

讨论本文针对内部流体流动问题提出以下假设:入口压力均匀,忽略流动时的温度变化,忽略滤芯复杂的结构,将滤芯视作网格化单元体.重点分析滤芯结构改进与添加导流结构之后,流体在新结构下与传统结构下流动状况的不同.滤芯区域设置为层流[11],本文主要目的在于改良滤芯的质量流量均匀度问题,故除了出风口之外不参考滤芯背风面至出口那部分空间的空气流动情况.

3结论

文中研究了空气净化器不同内部结构对于流动效果的影响,分别选用了传统的结构,以及改进后的两种结构.通过计算,对比质量流率、流量均匀度、湍流性能、流体速度等参数,来评价此三种结构的优劣性.(1)提出对空气净化器中流动性能与滤芯使用性能的评估方法,通过把滤芯迎风面分割成单元面并监测其单元面的质量流率与静压对滤芯的使用效果,并在内部设置监测点监测所需参数,对流体的流动状况进行分析.运用上述方法可以有效评估净化器的使用性能.(2)提出新型滤芯结构,该结构是在通过改变滤芯形状下,在入口放置导流装置以达成提高流量均匀度的目的,提高滤芯寿命与使用率,改进了市面上的传统净化器结构.从文中计算分析结果对比可以得出,传统的结构会导致滤芯边界区域利用率较低,使用寿命不高的情况.而在新型的结构下,滤芯的边界区域也得以有效利用,滤芯使用率提高了20.2%,而且在改进结构后并未影响到总的质量流量.表明在入口处添加导流结构与改进滤芯为圆弧后,使用性能上将优于传统结构.

作者：许海波；李久成；苏芳；董玉德 单位：合肥工业大学