基于超声雾化的室内外防霾净化窗的设计和制作毕业论文
2021-03-13 23:15:01
摘 要
近年来，由于呼吸道疾病患病率逐年提升，人们对PM2.5的认识也更加全面，越来越多的净化空气产品应用而生。本文旨在提出一种新型的防霾净化窗，其既能实现室内空气循环净化，又能实现通风换气，对有效解决室内空气污染问题具有重大意义。
在各种净化空气产品性能单一的情况下，提出了利用超声雾化这一技术达到去除空气中PM2.5的目的，同时结合冷凝除湿原理，纳米技术设计出了一款具有三种工作模式的防霾净化窗。
为对设计方案进行合理、有效地优化，利用Fluent软件对装置内部流场状态进行气体单相流仿真计算，通过提出的八种方案比较，提出方案八为更加合理的方案。接着利用DPM模型分析了净化装置内部粉尘颗粒被水面捕捉的效果，粉尘颗粒运动轨迹以及在净化装置内的停留时间，得出初始方案和方案七、八相比于其他方案，水面捕捉粉尘颗粒的效果较好，但总体趋势为水面对大粒径粉尘颗粒吸附效果较好，对PM2.5这类小粒径颗粒吸附效果较差。
最后通过分析超声雾化除尘、冷凝除湿效率影响因素，理论分析结合实际，对各器件进行了选型，完成了装置的整体设计与优化。并对初始设计方案进行了性能测试，以便后续优化方案实物与之对比。
关键词：超声雾化；冷凝除湿；净化窗；FLUENT；DPM
Abstract
In recent years, due to the prevalence of respiratory diseases increased year by year, people on the understanding of PM2.5 more comprehensive, and more and more purification of air products appear on the market. The paper aims to propose a new anti-haze purification window, which can achieve indoor air circulation purification, but also to achieve ventilation, to effectively solve the problem of indoor air pollution is of great significance.
In the case of a single performance of various air purification products, the purpose of using ultrasonic atomization technology to achieve the purpose of removing PM2.5 in the air, combined with the principle of condensing dehumidification, nanotechnology designed a three working mode Anti-haze purification window.
In order to optimize the design scheme, the flow field of the device is simulated by Fluent software. The proposed scheme is a more reasonable scheme by comparing the eight schemes. Then, the DPM model was used to analyze the effect of the dust particles in the purification device, the trajectories of the dust particles and the residence time in the purification device. The effect of capturing the dust particles the initial scheme and scheme 7 and 8 compared with other schemes were better, but the overall trend for the water surface of large particles of dust particles adsorption effect is better, PM2.5 such small particle size particle adsorption effect is poor.
Finally, the whole design and optimization of the device are completed by analyzing the influencing factors of ultrasonic atomization and dust removal, condensing dehumidification efficiency, theoretical analysis and practicality. And the performance of the initial design of the program to test, so that the follow-up optimization program in kind with the contrast.
Keywords：ultrasonic atomization; Condensate dehumidification; air purifying window; FLUENT；DPM.
目 录
摘要 I
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 本文研究主要内容 2
第2章 除尘、除湿理论依据 4
2.1 超声雾化除尘技术 4
2.1.1 超声雾化水原理 4
2.1.2 雾化除尘原理 4
2.2 冷凝除湿技术 5
2.2.1 冷凝除湿原理 6
2.3 表面活性剂 6
2.4 纳米技术 6
2.5 初始方案 6
2.6 本章小结 7
第3章 净化装置仿真计算 8
3.1 仿真计算方法的确定 8
3.2 几何模型的建立 9
3.3 网格划分 10
3.4 气体单相流流场分析 11
3.4.1 结果分析 12
3.4.2 改进方案 13
3.4.3 改进后模型流场分析 15
3.5 气-固两相流流场分析 17
3.5.1 离散相控制方程 17
3.5.2 边界条件设置 18
3.5.3 结果分析 19
3.6 本章小结 22
第4章 雾化除尘、冷凝除湿效率影响因素分析及选型 23
4.1 雾化除尘效率 23
4.2 冷凝除湿效率 23
4.3 除尘、除湿效率影响因素分析 24
4.4 器件型号及规格 25
4.5 本章小结 25
第5章 设计结论及初始方案性能测试 27
5.1 装置结构 27
5.2 经济性分析 27
5.3 使用寿命分析 28
5.4 初始方案性能测试 29
5.4.1 净化性能测试 29
5.4.2 湿度检测 30
5.5 本章小结 30
第6章 总结与展望 31
6.1 本文总结 31
6.2 研究展望 32
致 谢 35
附录A 结构设计图纸 36
绪论
研究背景及意义
近年来，由于呼吸道疾病的患病率上升，人们对PM2.5的认识也更加全面。2015年10月16日，耶鲁大学-南京信息工程大学大气环境中心张炎麟团队关于中国城市PM2.5时空分布特征研究成果在《Science Reports》上发表，研究显示：中国城市人口的PM2.5年平均暴露浓度约为60ug/m3，是全球平均值的3倍[[1]]。而我国《环境空气质量标准》中规定：PM2.5年平均浓度小于35ug/m3为达标[[2]]。清华大学于2015年4月22日发布的“室内PM2.5污染调研报告”中显示：室内PM2.5的暴露量和潜在剂量为室外的4倍[[3]]。
PM2.5指空气动力学当量直径小于或等于2.5um的大气污染物，包括细菌、尾气、烟尘、以及表面吸附的其他物质，包括多环芳香烃或重金属及其氧化物等有毒或致癌物质。由于PM2.5直径小，可深入到肺泡，易诱发哮喘、呼吸道感染，导致高血压、冠心病等多种疾病，长期暴露在高浓度环境中甚至引起白血病等难以治愈的疾病[[4]-[5]]。因此，如何有效的减少室内有害空气对健康的影响成为发展的重点。面临健康与环保的双重挑战，各式各样的室内空气净化技术应运而生。
国内外研究现状
目前，市面上的空气净化技术多样，出现了各类空气净化器，防霾窗纱，新风系统。人们在不断改进和创新，旨在做到低能耗、低成本、无污染，然而多数现有产品功能较为单一。
空气净化器仅能实现室内空气循环净化或通风，长期进行室内空气循环净化不引入新鲜空气容易造成室内含氧量降低。目前市面上新出的德国“5 plus dust evo”防微尘窗纱对PM1-PM3微尘阻隔率在73.6%以上，但是室内PM2.5不仅取决于窗户通风，还取决于房间的取暖等情况，所以将对抗雾霾的目标仅放在窗户通风是远远不够的[[6]]。新风系统通过引入室外空气来改善室内空气质量，但为了维持室内温度，常常需要将室外空气加热或冷却至室温，因而会耗费大量能源[[7]]。因此设计出一种既能实现室内外通风防霾换气，又能实现室内空气循环净化的新型装置，具有很大的发展空间和实用意义，对于当前净化装置的完善与创新也有着重要意义。
超声雾化法主要利用超声波在介质内传播时,存在于液体中的空化核在超声波的作用下生长、合并、崩溃并同时伴随着微激波和微射流的产生，从而产生水雾与粉尘结合、凝并、沉降实现除尘。超声雾化水雾方式主要有两种方法，一种是通过换能器的机械振动产生超声波雾化水雾，另一种是通过超声波雾化喷头实现。超声波雾化除尘方式大大减少了水的使用，不存在二次污染问题，且雾化产生的水雾与粉尘粒径相近，除效率一般可达90%，尤其是对PM2.5等细微颗粒除尘效率较高[[8]][[9]][-[10]]，由于其优越的特性，目前越来越多的人正将超声雾化应用于室内除尘方面。
超声雾化除尘影响因素方面：袁颖、王京刚[[11]]通过实验分析了过滤风速、喷雾量和水雾荷质比对荷电水雾除尘器除尘效率的影响，得出喷雾量对除尘效率的影响比其他两个探究因素影响更明显；张文俊，武明亮[[12]]等人在不同温度下用不同频率的压电换能器对两种抑尘剂进行了雾化，得出温度适当高时更有利于雾化并且频率越高水雾直径越小。
超声雾化除尘效果方面：Okawa，H，Nishi，K[[13]]等人通过实验证明雾化水雾通过增加空气湿度可以降低灰尘弥散量，且灰尘弥散量随着相对空气湿度的增加线性降低；王金鹏，戚兆阳[[14]]等人利用超声雾化除尘技术结合负离子技术设计了一款净化装置，通过实验证明在8m3试验舱内，净化装置在前20min将PM2.5浓度降低44.2%，后50min使PM2.5从382.7ug/m3降至72.3 ug/m3，证明该装置可有效降低空气中PM2.5含量；郭五星[[15]]利用超声雾化原理设计了一款空气净化器原理样机，通过实验得出超声雾化产生的水雾能将空气中的颗粒物较好地去除，但净化速率慢，效率低，尤其在气体流量较大时效果较差；崔程虹，蒋云飞[[16]]等人设计了一种空气净化纱窗，该纱窗采用滤网过滤与荷电水雾吸附相结合的复合除尘技术，通过实验表明：当纱窗腔体充满水雾时，纱窗能够将粉尘模拟箱中PM2.5值从250ug/m3降至10ug/m3左右，当加上静电后，该纱窗能够将PM2.5从800ug/m3降至3ug/m3，优于当时室内PM2.5值（6ug/m3）。
粉尘颗粒及水雾颗粒仿真计算方面：袁颖、王京刚[[17]]依据拉格朗日法推导出了荷电水雾除尘过程中粉尘粒子的轨迹方程，并针对单个粒子运动轨迹建立了数学模型；张原，桂祥友[[18]]根据气—固两相流理论，在拉格朗日坐标系下建立粉尘颗粒运动轨迹方程，得出粉尘沉降轨迹；丁晓勇[[19]]分析了距离雾化喷嘴不同位置的水雾粒径分布情况，得出随着距离喷嘴距离的变大水雾粒径呈变大趋势；王云龙[[20]]认为水雾在流动过程中碰到过滤装置或壁面形成水膜，水膜可以捕捉粉尘，因此将壁面设为捕捉面，得出超声雾化除尘效果明显。
本文研究主要内容
本文旨在设计一款既能实现室内外通风防霾换气，又能实现室内空气循环净化的新型装置，可实现当室内空气清洁度不够或需开窗通风时，雾化室内产生雾化水雾与PM2.5结合达到去除PM2.5的效果，经净化后的空气进入冷凝室冷凝沉降引入室内新鲜空气，同时配合纳米滤网实现大面积自然通风情况下的空气净化。
图1.1为本文设计思路图
