CN107158860B

CN107158860B - 车载空气质量监控环流场异型风道除霾装置及其制造方法

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Publication number: CN107158860B
Application number: CN201710316471.7A
Authority: CN
Inventors: 陈麒如; 赵雨濛; 耿浩博
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-05-08
Filing date: 2017-05-08
Publication date: 2018-03-06
Anticipated expiration: 2037-05-08
Also published as: CN107158860A

Abstract

本发明属空气净化装置领域，尤其涉及一种车载空气质量监控环流场异型风道除霾装置及其制造方法，包括太阳能储能板(9)、蓄电池(10)及除霾模块单元；除霾模块单元包括工作仓(8)、扩风口(1)、异型风道(2)、轴流风机(4)、过滤器(3)、离心风机(5)、引风风道(6)及溶液吸收装置(7)；离心风机(5)设于引风风道(6)的入口端；所述引风风道(6)的出口端伸入溶液吸收装置(7)的过滤液体中；所述扩风口(1)的出风口经轴流风机(4)与异型风道(2)的入风口相通；过滤器(3)固定设于异型风道(2)的出风口；本发明风道进口风压大，边界阻力小，除霾效率高，适用范围广，兼容性强。

Description

车载空气质量监控环流场异型风道除霾装置及其制造方法

技术领域

本发明属属空气净化装置领域，尤其涉及一种车载空气质量监控环流场异型风道除霾装置及其制造方法。

背景技术

随着环境污染越来越严重，空气的污染变成了重灾区，我国大部分地区的雾霾天数增多，现在不仅是局部室外空气污染严重，城市整体上空的空气都有严重的污染，因此空气的净化被人们越发重视了。雾霾，是雾和霾的组合词。雾霾常见于城市。中国不少地区将雾并入霾一起作为灾害性天气现象进行预警预报，统称为“雾霾天气”。雾霾是特定气候条件与人类活动相互作用的结果。高密度人口的经济及社会活动必然会排放大量细颗粒物，一旦排放超过大气循环能力和承载度，细颗粒物浓度将持续积聚，此时如果受静稳天气等影响，极易出现大范围的雾霾。雾和霾相同之处都是视程障碍物。雾与霾的形成原因和条件却有很大的差别。雾是浮游在空中的大量微小水滴或冰晶，形成条件要具备较高的水汽饱和因素。雾气看似温和，里面却含有各种对人体有害的细颗粒、有毒物质达20多种，包括了酸、碱、盐、胺、酚等，以及尘埃、花粉、螨虫、流感病毒、结核杆菌、肺炎球菌等，其含量是普通大气水滴的几十倍。与雾相比，霾对人的身体健康的危害更大。由于霾中细小粉粒状的飘浮颗粒物直径一般在0.01微米以下，可直接通过呼吸系统进入支气管，甚至肺部。所以，霾影响最大的就是人的呼吸系统，造成的疾病主要集中在呼吸道疾病、脑血管疾病、鼻腔炎症等病种上。同时，灰霾天气时，气压降低、空气中可吸入颗粒物骤增、空气流动性差，有害细菌和病毒向周围扩散的速度变慢，导致空气中病毒浓度增高，疾病传播的风险很高。目前，普遍采用的空气净化装置虽然在一定程度上解决了除霾问题，但上述装置普遍存在风道进口风压小，边界阻力大，除霾效率不高等问题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种净化效果理想，风道进口风压大，边界阻力小，除霾效率高，适用范围广，兼容性强的车载空气质量监控环流场异型风道除霾装置及其制造方法。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

车载空气质量监控环流场异型风道除霾装置，包括太阳能储能板、蓄电池、空气质量监测模块及除霾模块单元；所述除霾模块单元采用5组并接结构；所述除霾模块单元包括工作仓、扩风口、异型风道、轴流风机、过滤器、离心风机、引风风道及溶液吸收装置；所述异型风道、过滤器、离心风机、引风风道及溶液吸收装置固定设于工作仓内；所述离心风机设于引风风道的入口端；所述引风风道的出口端伸入溶液吸收装置的过滤液体中；所述扩风口的出风口经轴流风机与异型风道的入风口相通；所述过滤器固定设于异型风道的出风口；所述扩风口采用喇叭口结构；所述太阳能储能板的信号传输端口经蓄电池与离心风机的信号传输端口相接；所述空气质量监测模块包括车载传感器、移动电话、控制单元、电源变换单元、GPS单元及广域互联网无线通信单元；所述车载传感器的信号传输端口与移动电话的信号传输端口相接；所述移动电话、电源变换单元、GPS单元及广域互联网无线通信单元的信号传输端口分别与控制单元的信号传输端口相接。

作为一种优选方案，本发明所述控制单元采用MC68060RC60微处理器；所述电源变换单元包括开关电压调节器LM2596芯片及AE1509稳压器；所述GPS单元采用SkylabGB10；所述广域互联网无线通信单元采用GPRS模块。

进一步地，本发明所述异型风道2X,Y,Z三个方向的剖面闭合曲线高斯拟合函数：

式中待估参数y_max、x_max和S分别为高斯曲线的峰值、峰值位置和半宽度；

将X1轴剖面形成的闭合曲线分为10个特征点，F(X1)、F(X2)、F(X3)、F(X4)、F(X5)及F(X6)为变量坐标；X轴向各个闭合曲线的数学模型：

将Y1轴剖面形成的闭合曲线分为8个特征点，G(Y1)、G(Y2)、G(Y3)及G(Y4)为变量坐标；Y轴向各个闭合曲线的数学模型：

将Z1轴剖面形成的闭合曲线分为7个特征点，K(Z1)、K(Z2)及K(Z3)为变量坐标；Z轴向各个闭合曲线的数学模型：

上述车载空气质量监控环流场异型风道除霾装置的制造方法，采用如下步骤：

A、先完成除霾模块单元的制造，将异型风道、过滤器、离心风机、引风风道及溶液吸收装置固定设于工作仓内；离心风机设于引风风道的入口端；所述引风风道的出口端伸入溶液吸收装置的过滤液体中；将扩风口的出风口经轴流风机与异型风道的入风口相通；在异型风道的出风口处设置过滤器；所述异型风道X,Y,Z三个方向的剖面闭合曲线采用高斯拟合构建数学模型，并通过SOLIDWORKS构建出3D模型，在通过CFD计算后，通过FLUENT模拟出相关测试参数；闭合曲线高斯拟合函数：

B、将除霾模块单元5组并接，将太阳能储能板置于除霾模块单元之上，所述太阳能储能板的信号传输端口经蓄电池与离心风机的信号传输端口相接；

C、将空气质量监测模块设于除霾模块单元之上。

本发明净化效果理想，风道进口风压大，边界阻力小，除霾效率高，适用范围广，兼容性强。

本发明通过调整进风结构，使进来的风可以最大截面积和均匀分布通过过滤。通过前面轴流风轮过来的风，在这个风道中可以达到调整进风结构和附面层，进一步调整进风风向和均态分布，使其能以最小的阻力更大的面积与后面的过滤器交接。对风道进口及其风向调整角进行处理，具有旋流的环流场进风口，使本发明进口风压增大，同时减少了气体在风道种的附面层系数(即减小边界阻力)。由于风进口处为增压减速区，流体质点受到与主流方向相反的压差作用；靠近壁面的质点由于流体粘性作用，速度较之主流中心处要小得多；在反向压差和粘性力的共同作用下，速度逐渐减小，并在处附面层分离，随后出现与主流方向相反的流动即产生涡旋。对于渐扩管，雷诺数或扩张角愈大，涡旋区范围愈大，位置愈靠前；对于突扩，雷诺数的大小对涡旋区位置和大小的影响不明显，起决定性作用的是形状。因此，优化渐扩段的方法主要是破坏或延迟附面层的分离，并降低它的强度和大小。

计算结果表明：(1)按优化前进口速度8.3m/s时，除霾装置的处理气量为0.08kg/s，在同样的进气速度下，增加进气喇叭口，处理气量增大到0.17kg/s，质量流量增加113％，说明增加进气扩口有效的放大了装置的处理气量；(2)从改进前后的流线分布特征可知，优化前进气直接冲击滤料局部，未能充分利用过滤器面积，上部及下部流线均存在空白，同时，在装置的下部还有较强的局部旋涡，这将导致较大的压力损失。增设入口散流叶轮以及进气口异型风道后，进口气流能够均布到全部过滤器表面，充分利用了过滤面积，同时消除了局部涡旋，从一定程度上降低了压力损失。

不同风速下单元模块通风量、进排气PM2.5/PM10浓度表

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2-1、图2-2、图2-3、图2-4、图2-5、图2-6及图2-7为本发明异型风道X轴剖面图；

图3-1、图3-2、图3-3、图3-4及图3-5为本发明异型风道Y轴剖面图；

图4-1、图4-2、图4-3及图4-4为本发明异型风道Z轴剖面图；

图5为本发明异型风道立体图；

图6为本发明除霾模块单元结构示意图；

图7为本发明整体使用状态图；

图8为本发明空气质量监控电路原理框图。

图中：1、扩风口；2、异型风道；3、过滤器；4、轴流风机；5、离心风机；6、引风风道；7、溶液吸收装置；8、工作仓；9、太阳能储能板；10、蓄电池；11、基座。

具体实施方式

如图1、图6及图8所示，车载空气质量监控环流场异型风道除霾装置包括太阳能储能板9、蓄电池10及除霾模块单元；所述除霾模块单元采用5组并接结构；所述除霾模块单元包括工作仓8、扩风口1、异型风道2、轴流风机4、过滤器3、离心风机5、引风风道6及溶液吸收装置7；所述异型风道2、过滤器3、离心风机5、引风风道6及溶液吸收装置7固定设于工作仓8内；所述离心风机5设于引风风道6的入口端；所述引风风道6的出口端伸入溶液吸收装置7的过滤液体中；所述扩风口1的出风口经轴流风机4与异型风道2的入风口相通；所述过滤器3固定设于异型风道2的出风口；所述扩风口1采用喇叭口结构；所述太阳能储能板9的信号传输端口经蓄电池10与离心风机5的信号传输端口相接；所述空气质量监测模块包括车载传感器、移动电话、控制单元、电源变换单元、GPS单元及广域互联网无线通信单元；所述车载传感器的信号传输端口与移动电话的信号传输端口相接；所述移动电话、电源变换单元、GPS单元及广域互联网无线通信单元的信号传输端口分别与控制单元的信号传输端口相接。

本发明所述控制单元采用MC68060RC60微处理器；所述电源变换单元包括开关电压调节器LM2596芯片及AE1509稳压器；所述GPS单元采用SkylabGB10；所述广域互联网无线通信单元采用GPRS模块。

本发明所述异型风道2X,Y,Z三个方向的剖面闭合曲线高斯拟合函数：

A、先完成除霾模块单元的制造，将异型风道2、过滤器3、离心风机5、引风风道6及溶液吸收装置7固定设于工作仓8内；离心风机5设于引风风道6的入口端；所述引风风道6的出口端伸入溶液吸收装置7的过滤液体中；将扩风口1的出风口经轴流风机4与异型风道2的入风口相通；在异型风道2的出风口处设置过滤器3；所述异型风道2X,Y,Z三个方向的剖面闭合曲线采用高斯拟合构建数学模型，并通过SOLIDWORKS构建出3D模型，在通过CFD计算后，通过FLUENT模拟出相关测试参数；闭合曲线高斯拟合函数：

B、将除霾模块单元5组并接，将太阳能储能板9置于除霾模块单元之上，所述太阳能储能板9的信号传输端口经蓄电池10与离心风机5的信号传输端口相接；

C、将空气质量监测模块设于除霾模块单元之上。

进口流体风道增压设计及优化是本发明的核心，为增加装置的处理气量，充分利用过滤有效面积以提高空气净化效果，同时考虑到装置的重心和安装的协调性，对进风口和风道进行了优化设计。其主要改进是：在原有基础上进气口前增加了喇叭口集气装置，目的是增大进气量和进气风压；前端采用流线型弧面设计加大迎风面，减低风阻；在进气口增加一个轴流被动式叶轮，将进气进行扩散，避免进气流直接冲击过滤器局部；进一步加大过滤器倾角至30度以增大有效接触面积；进气口设置由圆变方的螺旋状扩口通道，使气流直达过滤层，避免过滤腔室内形成湍流和涡流，减少压力损失。流体风道采用Solidworks软件建立的几何模型，经导入GAMBIT软件进行网格划分，运用ANSYS FLUENT仿真软件对风道流场进行结构优化。

针对X,Y,Z三个方向的剖面闭合曲线我们可用高斯拟合原理为此风道构建数学模型，并通过SOLIDWORKS构建出3D模型。在通过CFD计算后，进口速度按照汽车平均时速30km/h进行折算，最终在FLUENT软件中进行流场计算通过FLUENT模拟出相关测试参数，以达到设计要求。

闭合曲线拟合公式为：

设有一组实验数据(x_i,y_i)(i＝1,2,3,...)可用高斯函数描述

式中待估参数y_max、x_max和S分别为高斯曲线的峰值、峰值位置和半宽度信息，上式两边取自然对数，化为

令

并考虑全部试验数据，则(3)式以矩阵形式表示为

简记为

Z＝XB (5)

根据最小二乘原理，构成矩阵B的广义最小二乘解为

B＝(X^TX)^-1X^TZ (6)

再根据(6)式求出待估参数y_max、x_max和S，得到(1)式高斯函数的特征参数，求得此曲面的闭合曲线方程。

参见图2-1、图2-2、图2-3、图2-4、图2-5、图2-6及图2-7所示,图2-1、图2-2、图2-3、图2-4、图2-5、图2-6及图2-7为从X1到X6依次为流场风道进风口到出风口的X轴向剖面图。

从正切向看进口的流场有旋流和湍流，而且流速偏低离散型大，逐渐通过此风道流场后旋流和湍流明显减少，而且局部中心出风口的风压增加，更加有利于后面各部分过滤器的除霾效果。

根据X轴各个剖面图，依次针对各个曲面的特性及分布特点，找出相应的特定坐标点，所述X1截面图由于离进风口最近，基本形状还是接近于圆形，但由于后面尾部的侧旋作用及偏离导致其截面为多曲线环闭而成的异性曲线，其特征曲线分为10个有效的特征点，变量坐标如F(X1)，依次往下形变和侧旋而形成了F(X2),F(X3)。

由于流场出口需要偏置后以方形端面，并以正向垂直输出增压气流，从而流道上相关曲面变化而使得风向偏转从而达到理想输出要求，依照此要求后面形成了F(X4),F(X5),F(X6)的变量坐标。在根据闭合曲面方程(1),求解得出X轴向各个闭合曲线的数学模型。

X轴剖面图所描述的曲线为F(X)＝{x_i|y_i}(i＝0，1,2，……)

参见图3-1、图3-2、图3-3、图3-4及图3-5所示，图3-5为本发明Y轴整体剖面图。图3-1、图3-2、图3-3及图3-4从Y1到Y4依次为流场风道从左至右的截面图。

根据Y轴各个剖面图，依次针对各个曲面的特性及分布特点，找出相应的特定坐标点，所述Y1剖面图为风道最左侧面截面图，向右依次为Y2,Y3,Y4,其形状是由于前置的轴流风机带动的风流进入后形成旋流式前进，这样在通过特性风道的设计可以调整风向和增大风压，从而可以减少湍流的形成。为此我们将Y1轴剖面图形成的闭合曲线有8个有效特征点，变量坐标如G(Y1)，依次往下形变和侧旋而形成了G(Y2),G(Y3)和G(Y4)。在根据闭合曲面方程(1),求解得出Y轴向各个闭合曲线的数学模型。

参见图4-1、图4-2、图4-3及图4-4。图4-4为本发明Z轴整体剖面图。图4-1、图4-2及图4-3为从Z1到Z3依次为流场风道从上至下的截面图。

根据Z轴各个剖面图，依次针对各个曲面的特性及分布特点，找出相应的特定坐标点，所述Z1剖面图为风道最顶面截面图，向下依次为Z2,Z3。在K(Z1)顶部剖面图上有7个有效特征点，但在(4,5,6)上个点出有明显的内凹处，其作用可以在旋流时调整风向角，使其可以垂直吹入下一个过滤设备。随着向下底面向前延伸，使来风能最大面积的与过滤设备相接触，其闭合曲面坐标为K(Z2),K(Z3)。在根据闭合曲面方程(1),求解得出Z轴向各个闭合曲线的数学模型。

本发明在使用时，外部空气经扩风口及轴流风机进入异型风道，经过滤器过滤后，由引风风道送入溶液吸收装置的过滤液体中。

增加喇叭口引风装置后滞止风压增加210.4Pa，同比增加522％。当出租车时速达到60km/h时，可净化空气1177m³/h，进风口滞止风压可达1017Pa；而当出租车在高速上以120km/h的速度定速巡航时，净化空气2351m³/h，进风口滞止风压可达4040Pa，净化空气效果更加明显。当然不建议这么做，该装置在120km/h的速度下的风阻和风噪会非常大。

本装置为模块化设计。考虑不额外产生风阻能耗，最大化增强空气净化量，本装置与出租车灯箱正面迎风面积相同，由五组模块并联排列组成。沈阳民用汽车保有量超过170万部。单车在平均时速30km/h情况下，净化空气2935m³/h。仅以2万部出租车推算，在不产生尾气排放及能耗增加的前提下，日空气净化量可达14.08亿m³。城区面积185平方公里(1.85亿m²)范围内，高度7.61米以内的空气得以净化,效果显著。考虑到装置内部的阻力，实际处理风量会比上述计算值偏小。

本发明环流场风道除霾装置用车载空气质量监测模块在工作时，车载传感器根据需要接通电源，在完成自身启动初始化并与车载控制单元完成自组网后，采集相应的数据并向控制单元发送；随后可以根据需要切断电源进入休眠状态以节省电池电力；在经过一定的采样或检测周期后再次被唤醒进行再次的数据采集和发送。其中，采样或检测频率可根据具体情况和需求而设置并调整。

本发明监控部分位于除霾装置的进风口，采用激光散射测量法。该方法测量速度快，准确度高。光源采用激光二极管，体积小，发光效率高，能耗低，便于集成。激光束经过雾霾空气发生散射，通过对散射光强度测量，实现雾霾浓度监测。每个机动车车顶的环流场风道除霾装置所获得的数据，传递至驾驶员的移动电话，再经过wifi或蜂窝信号传递至运营商的基站，通过光纤进入以太网，最终上传至云计算系统。该系统将各车载装置上传的信息(包括位置、时间、浓度)进行大数据分析，不仅能够实时播报雾霾的空间分布，还能分析出雾霾的形成、发展、变化和消散情况，总结出气象条件和地理因素对空气质量的影响，对根本上消除雾霾有重要的作用。

本发明数据采集终端分布于各个行驶中的机动车上，相比于定点监测，其数据源分布更广；相比于遥感探测，其数据来源更直接，准确性高误差小。行驶中的机动车，其位置不断变化，车与车之间形成随机的组网结构，可实现空气质量的实时动态监测。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.车载空气质量监控环流场异型风道除霾装置，其特征在于，包括太阳能储能板(9)、蓄电池(10)、空气质量监测模块及除霾模块单元；所述除霾模块单元采用5组并接结构；所述除霾模块单元包括工作仓(8)、扩风口(1)、异型风道(2)、轴流风机(4)、过滤器(3)、离心风机(5)、引风风道(6)及溶液吸收装置(7)；所述异型风道(2)、过滤器(3)、离心风机(5)、引风风道(6)及溶液吸收装置(7)固定设于工作仓(8)内；所述离心风机(5)设于引风风道(6)的入口端；所述引风风道(6)的出口端伸入溶液吸收装置(7)的过滤液体中；所述扩风口(1)的出风口经轴流风机(4)与异型风道(2)的入风口相通；所述过滤器(3)固定设于异型风道(2)的出风口；所述扩风口(1)采用喇叭口结构；所述太阳能储能板(9)的信号传输端口经蓄电池(10)与离心风机(5)的信号传输端口相接；所述空气质量监测模块包括车载传感器、移动电话、控制单元、电源变换单元、GPS单元及广域互联网无线通信单元；所述车载传感器的信号传输端口与移动电话的信号传输端口相接；所述移动电话、电源变换单元、GPS单元及广域互联网无线通信单元的信号传输端口分别与控制单元的信号传输端口相接；所述控制单元采用MC68060RC60微处理器；所述电源变换单元包括开关电压调节器LM2596芯片及AE1509稳压器；所述GPS单元采用SkylabGB10；所述广域互联网无线通信单元采用GPRS模块；所述异型风道(2)的出风口与水平方向的夹角为30度；

所述异型风道(2)X,Y,Z三个方向的剖面闭合曲线高斯拟合函数：

<mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>&times;</mo> <mi>exp</mi> <mo>&lsqb;</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mi>S</mi> </mfrac> <mo>&rsqb;</mo> <mo>;</mo> </mrow>

上述车载空气质量监控环流场异型风道除霾装置的制造方法，包括：

A、先完成除霾模块单元的制造，将异型风道(2)、过滤器(3)、离心风机(5)、引风风道(6)及溶液吸收装置(7)固定设于工作仓(8)内；离心风机(5)设于引风风道(6)的入口端；所述引风风道(6)的出口端伸入溶液吸收装置(7)的过滤液体中；将扩风口(1)的出风口经轴流风机(4)与异型风道(2)的入风口相通；在异型风道(2)的出风口处设置过滤器(3)；所述异型风道(2)X,Y,Z三个方向的剖面闭合曲线采用高斯拟合构建数学模型，并通过SOLIDWORKS构建出3D模型，在通过CFD计算后，通过FLUENT模拟出相关测试参数；闭合曲线高斯拟合函数：

B、将除霾模块单元5组并接，将太阳能储能板(9)置于除霾模块单元之上，所述太阳能储能板(9)的信号传输端口经蓄电池(10)与离心风机(5)的信号传输端口相接；

C、将空气质量监测模块设于除霾模块单元之上。