基于CFD技术的空气自动化净化器滤芯的优化设计

黄劲松，骆桂芳，宋瑞仙，唐 朋

（湖北工业大学，武汉 430070）

0 引言

伴随着自然环境污染的加剧，大气污染问题也越来越受到人们的关注，尤其在我国，部分城市由于季风的影响，冬季空气污染非常严重。今天的社会，有别于现在的室外空气污染，80%的人都待在室内，室内空气污染来源很多，空气污染的程度远远超过室外空气污染。甲醛是装修房屋的主要污染物，广泛应用于各类胶粘剂、人造板、油漆、涂料等行业。人长期吸入含有这些污染物的气体，就会引起各种慢性呼吸道和神经系统疾病。因此，越来越多的企业开始重视研究、开发和生产能彻底净化室内空气、改善人们生活环境的空气净化器产品。除尘一般采用静电吸附的方法来实现。这种空气净化器运行时，污染物会留在滤网内，滤网内堆积的污染物就会成为细菌滋生的温床，对室内空气造成二次污染。针对这一问题，提出了基于 CFD技术的空气自动过滤器优化设计方案。

1 空气自动化净化器滤芯结构设计

选用三种净化模块叠加，用户可根据实际使用情况选择所需的净化模块数量。过滤器用卡接，在接头处装上密封圈，确保密封良好。图1展示了整个过滤器内部结构。

1.1 清洁模块

图1 滤芯整体内部结构

空气自动化净化器滤芯清洁模块示意图如图2所示，其主要包括壳体及设置在壳体内部的清洁组件。

过滤器沿两个滤芯导槽滑落到滤芯固定板上，导槽引导滤芯，固定板支持滤芯，滤芯固定板截面尺寸不超过或等于滤芯截面尺寸，而且滤芯固定板也可以是多孔板，便于粉尘的清除。过滤器前、后两侧为需要清洗的主要部位，过滤器上粘有大量灰尘。前部设置有刷板和紫灯，能清除滤芯表面粗灰尘，实现内部杀菌。安装静电发生器后，只需将毛刷下的灰尘和滤芯内的部分灰尘吸进吸尘器袋中即可。机壳后壁还可设置滑导槽，只要滤芯固定板与电机正常连接即可保证。

图2 清洁模块结构示意图

1.2 净化模块

超声雾化雾化滤芯位于滤芯底部的中心位置，可产生大量的水雾，其直径只有微米，根据空气污染等级和空气净化等级确定滤芯的数量。滤清器外壁上的水雾滤清器是固定螺丝的滤清器，而水雾滤清器是漏斗式的，它不仅有利于收集水流，而且可以增加滤棉的面积，提高过滤效率。

滤芯进水由泵通过管道进入滤芯，漏斗形滤芯底部暂存部分水，部分水通过无纺布直接进入二级滤芯。类似地，水也可以通过第二过滤模块被送到第三过滤模块。过滤器底部的超声波雾化器将水雾化为微米级的水雾，空气中含有可吸入颗粒物和水溶性污染物。过滤器底部的空气入口进入第三级过滤器，经过三级、二级、一级净化模块，将污染空气与水雾充分混合，再经层层过滤。水雾的出现，大大增加了水和空气的接触面积，提高了空气净化的效率。

1.3 电路模块

电路的示意图，如图3所示。

图3 电路图

该计时器串接 UV灯，电源与开关并联，在启动前先设定好时间。打开开关，定时器到设定的时间，蜂鸣器开始工作，指示清洗结束，滤芯取出。

2 空气自动化净化器滤芯工作原理设计

2.1 CFD模拟分析模型构建

在有限元法中，CFD是流体有限元的总称。先建立气流实体模型，再通过网格划分、输入边界条件等方法进行分析。因此分析模型的建立非常关键，网格划分质量的优劣也直接影响分析的结果。

2.1.1 网格划分

采用模块化设计软件Pro/E，建立了初滤器的三维几何模型，其主体是进水口、孔洞和出水口。空气入口部分由于空气中的尘埃、杂质和空气滤清器内壁的冲击而积聚起来。因为 FEA分析使用了过滤器的气流通道，所以所建立的模型是一个实体模型，其形状是过滤器壳体内部形状。

如图4所示，得到ICEM-CFD在过滤壳体管道中的网格。滤波器结构复杂，采用整体分片。输入网格最大尺寸，以平面为单位，进行整体分割，得到网格结果。

图4 网格划分结果

2.1.2 数学模型

假定空气流是粘性流体，空气流是雷诺数，尽可能考虑滤网的实际流量。通过计算，流动雷诺数大于其上的临界雷诺数，属于湍流范畴。对于紊流现象的模拟，采用了高雷诺数湍流模型，三维不可压粘性紊流模型。该控制方程如下：

除动量方程和连续性方程外，还可以用达西定律来描述多孔介质中的流体。也就是说：

式(1)中，ξi表示方向；P表示渗流量；Ki表示I多孔介质的穿透率；vi表示流量速度。空气过滤器的过滤能力取决于出口速度和出口压力。根据分析要求，设定出料真空，设定壁流场。粘滞系数和惯性系数可由以下公式求得：

式(2)中，C1表示惯性系数；C2表示粘性系数；μ表示有效涡粘系数。

流体经滤芯产生的压力可用下式表达：

2.2 速度场模拟

为了缩短模拟时间，以九通道折叠式空气过滤器为例，对所用玻璃板进行了尺寸匹配，模拟了三通道内的速度场。流体（空气）流量为25m3/h，相对湿度为50%，温度为25℃，气体过滤器中的流体处于一种紊流状态。图5显示了折叠式空气清洁器三段的速度场。

图5 3个截面速度场

流速为25m3/h的流体（空气）和50%的相对湿度和25℃的温度。气滤器内的流体处于紊流状态。通过对三层折叠式空气清洁器速度场的研究，发现在各个玻璃片表面都有相似的传质和氧化反应过程，并且在此过程中可采用光催化剂。从剖面B和C的速度场可以看出，三角形通道中各侧速度较大，顶部速度较小，从而削弱了光催化剂对甲醛的传质和氧化作用，因此对流道剖面进行优化也是提高空气净化器性能的有效途径之一。

2.3 工作流程

滤芯工作流程如图6所示。

图6 滤芯工作流程

按图6所示，由上至下，将滤芯插入两个引导槽之间，并使之向下继续接触到滤芯固定板顶部；打开开关，启动电源，马达，静电发生器和紫外线灯工作，马达控制滤芯固定板和滤芯上移；刷板上的刷毛在被静电发生器吸收后向下倾斜。此时滤芯与毛刷反向接触，在滤芯一侧实现粗尘清除。静电发生器将毛刷内的尘土和滤芯内的部分尘土吸入除尘袋内，同时用紫外线灯对滤芯进行消毒；通过过滤网，大部分尘土为细灰，与毛刷配合使用，可达到过滤网深度洁净。滤网通过滤网固定板的滑移限后，通过曲柄滑块机构开始滑移，并滑至限位。滤清器与固定板顶部接触后，清洗周期结束。重复以上步骤，直至清洁干净，关闭电源，取出滤网。

3 实验

为了验证基于CFD技术的空气自动化净化器滤芯的优化设计合理性，进行实验验证分析。

3.1 实验环境

以某小区刚装修完的室内环境为实验环境进行实验分析，该室内环境及产生的气体如图7所示。

图7中，苯的来源主要来自合成纤维颜料和涂料，有害因素是抑制造血功能，导致贫血和白血病，并引起剧烈的癌变；氨的来源主要是水泥、防火板材和大理石，其危害是引起哮喘和降低人体抵抗力；挥发物主要来自装饰材料、家具等，对人体造成伤害，严重时会损害肝脏和血液系统；甲醛来源于刨花板、密度板、胶合板和墙纸，其危害主要是引发鼻咽癌、喉头癌等严重疾病。

图7 室内环境及产生的气体

3.2 实验结果与分析

分别使用静电吸附方式和CFD模拟分析技术对污染物气体进行净化处理，处理情况如下所示。

1）苯

由于苯的挥发性很强，暴露于空气中，针对苯污染物质的净化处理，分别使用两种技术 ，净化效率如图8所示。

图8 两种技术净化苯的效率对比结果

由图8可知，静电吸附净化效率随苯液流量的增大而降低，从苯液体流量为0.8m3/h时开始，净化效率低于60%；空气自动化净化器的净化效率随着苯液流量的增加而降低，但保持在90%以上。

2）氨

针对氨气污染物质的净化处理，分别使用两种技术，净化效率如图9所示。

图9 两种技术净化氨气的效率对比结果

由图9可知，采用静电吸附法净化效果随苯液流量的增加而逐渐下降，但均高于60%；随着苯液流量的增加，空气自动化净化器的净化效率逐渐降低，但保持在93%以上。

3）挥发性污染物

针对挥发性污染气体污染物质的净化处理，分别使用两种技术，净化效率如图10所示。

图10 两种技术净化挥发性污染气体的效率对比结果

由图10可知，使用静电吸附方式和空气自动化净化器技术，在气体流量增加情况下，也能保持逐渐上升趋势的净化效率，其中空气自动化净化器最高净化效率为91%；对于进出口净化浓度，使用静电吸附方式最终净化浓度比空气自动化净化器净化浓度低78m3/mg。

4）甲醛

针对甲醛污染物质的净化处理，分别使用两种技术，净化效率如表1所示。

表1 两种技术净化甲醛气体的效率对比

由表1可知，当气体流量分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0m3/h时，使用空气自动化净化器对甲醛的净化效率能比单独使用静电吸附方式提高17%、18%、12%、16%、18%。由此可知，使用该净化器对甲醛气体净化效率较高。

4 结语

根据CFD模拟分析模型，结合Pro/E软件划分气流通道网格，优化设计改进空气过滤器滤芯。在清洁模块中设置顶盖，在保证灰尘快速吸附的同时，防止飞尘外溢。利用CFD技术模拟速度场，提高滤芯净化效率。通过实验验证结果证实了该滤芯净化效率高，可以有效地缓解因滤芯报废所带来的生态环境污染问题。