CN109420385B - 一种涡式空气净化器 - Google Patents

Abstract

一种涡式空气净化器，特别是涉及一种以水蒸汽（气态的水蒸气和液态的雾同时存在，合称为水蒸汽）为工作介质，利用气雾混合、水蒸气凝聚和冷凝的方法捕获空气污染物和涡旋分离回收工作介质的方法去除空气污染物的空气净化器。

Description

一种涡式空气净化器

技术领域

一种涡式空气净化器，特别是涉及一种以水蒸汽（气态的水蒸气和液态的雾同时存在，合称为水蒸汽）为工作介质，利用气雾混合、水蒸气凝聚和冷凝的方法捕获空气污染物和涡旋分离回收工作介质的方法去除空气污染物的空气净化器。

基于该净化器的空气净化方法是指空气污染物被工作介质捕获的方法、空气污染物随工作介质从空气中分离回收的方法、工作介质循环净化的方法。

背景技术

近年来空气质量日益恶化，对人们身体健康构成威胁。目前空气净化装置采用的工作方法与原理主要有过滤、静电、吸附、紫外、光催化、液体鼓泡、液膜洗涤、文丘里管法八种。

过滤式净化装置采用一级或多级滤网、滤膜或滤芯，可过滤去除空气中的颗粒物。过滤单元体积较大，且过滤装置长期运行后易于堵塞，阻力上升，能耗提高，净化效果下降。过滤单元通常清理困难，更换成本也较高。

静电式净化装置可去除空气中的颗粒物，但对比电阻较高或较低的颗粒物去除效果较差。高压电场有一定安全隐患，且有造成微量臭氧二次污染的风险。

吸附式净化装置可去除空气中的气态污染物，但对细小颗粒物去除效果较差，工作阻力一般也较高。吸附材料容量有限，饱和后通常难以在线再生，更换成本较高。

紫外式净化装置可杀灭大部分微生物，但不能去除气态污染物，也不能去除细小悬浮颗粒物。

液体鼓泡式净化装置与液膜洗涤式净化装置可去除颗粒物与多种气态污染物，但设备体积、运行重量较高。

文丘里管装置通常设置一个或一组文丘里管，运行过程中通过文丘里管渐缩喉管加快水流速度，动压转化为静压，吸入空气，实现充分混合。文丘里管喉管下游为渐扩管段，动压恢复为静压，总体压头可以部分恢复。文丘里管最佳工况下水压损失一般在0.1-0.3MPa，单位气量能耗较高，动力设备重量也较大。文丘里管自身体积较小，但一般需要较大的安装与操作空间。此外，文丘里管加工制作相对繁琐。

大气中的悬浮颗粒物是悬浮在大气中的固体、液体颗粒状物质(或称气溶胶)的总称。由于来源和形成不同，它的形状、密度、粒径大小，光、电、磁学等物理性质及化学组成有很大差异。大气中颗粒物的粒径从0.001μm至1000μm以上，一般粒径大于50μm的颗粒物受重力作用很快沉降到地面，在大气中滞留几分钟到几小时；粒径为0.1μm的颗粒不但在大气中滞留时间长，而且迁移距离远。 来源可分为天然来源和人为来源。人为排放源有化石燃料燃烧产生的煤烟；工业生产、建筑产生的工业粉尘、金属尘、水泥尘等；汽车、飞机排气等。天然源有土壤尘、火山灰、森林火灾灰、海盐粒等。

在空气动力学和环境气象学中，悬浮颗粒物以直径分类，小于100微米的称为TSP，即总悬浮颗粒物；小于10微米的称为PM10，即可吸入颗粒物。需要指出的是，这类颗粒物能进入人体的呼吸系统，可对人体健康构成损害。而颗粒直径小于2.5微米的称为PM2.5，以形象的比例来看，人的头发直径约为50微米至70微米，PM2.5相当于发丝直径的3.6%至5%，可以被吸入肺部，粘连在肺泡上，对人体造成很大危害。

天空中的云、雾、尘埃，工业上和运输业上用的锅炉和各种发动机里未燃尽的燃料所形成的烟，采矿、采石场磨材和粮食加工时所形成的固体粉尘，人造的掩蔽烟幕和毒烟等都是气溶胶的具体实例。

PM2.5的重要特征是固体、液体颗粒状物质，其分散相为固体或液体小质点，其大小为0.001~100微米，分散介质为气体。因此，可以从固体或液体的密度角度来考虑分离去除问题，而水的密度可以作为一个重要的参照指标，一般常见固体工业原料、产品或废弃物的密度大于水的密度，即使固体颗粒物是中空多隙的，也可以通过水汽凝集使其被填满而具有水的密度特征，常见的工业用液体的密度与水接近；而相对于空气，固体和液体的密度是空气的几百倍乃至几千倍，这个巨大的密度差为物理去除PM2.5提供了技术基础。

气态污染物常见的是碳污染物、含硫污染物、含氮污染物、卤素化合物、有机化合物等，其多数的共性是溶水性、常温沸点、与水反应、与弱酸或弱碱反应，因此利用湿法去除气态污染物具有一定的优势。

大气气溶胶的消除，主要靠大气的降水、降温、涡旋气流、小粒子间的碰并、凝聚、聚合和沉降过程。由于在实际的大气中没有气溶胶粒子作为云雾的凝结核(或冰核)，无法形成雾，所以雾和霾的背后都与气溶胶粒子有关。

研究自然界净化空气的现象，利用好水蒸汽这类工作介质，发现和使用好其中的自然规律，对于空气净化器的开发者是至关重要的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、体积紧凑、压降低、耗材少、无二次污染、效率高、处理量大，可同时去除细颗粒物和气态污染物的空气净化器，解决了用宽度毫米级的结构去除微米级物体的技术难题。

本发明所采用的技术方案是：本空气净化器由底部水槽(1)，箱体(2)，进风口(3)，造雾器浮漂(4)，造雾器(5)，绕流区入口导流板(6)，绕流区入口(7)，绕流区入口隔板(8)，绕流柱组(9)，涡式分离装置(10)，风机吸风口(11)，风机吸风口隔板 (12)，风机(13)，出风口(14)，出风口盖板(15)，电化学净水装置(16)，涡式分离装置架板（17）构成。空气净化器工作时，水槽盛水使造雾器浮漂浮起，因风机排风致箱体内气压降低，压差转化成空气动能，风机工作一段时间后箱体内外压差视为恒定，含污染物（包括细颗粒物和气态污染物）的空气被吸入进风口，经绕流区入口导流板后与造雾器产生的大量雾滴和水蒸气混合形成气雾混合气流，气雾混合气流的湿度饱和；气雾混合气流经过绕流区入口穿过绕流柱组，绕流柱组为一组圆柱体间隔一定空隙圆周阵列排列，气雾混合气流经过绕流柱之间的空隙后，在绕流柱背面产生卡门涡街效应，空气、水蒸气、气态污染物因粒径小向涡旋中心旋转汇集，同时水蒸气因大量凝聚核（气态污染物、细颗粒物、雾滴都是凝聚核）的存在而不断凝结成雾，粒径大一些的细颗粒物和雾滴则在涡旋外围旋转，绕流柱阵列形成的一组涡旋互相交变影响，随着气流扩散涡旋迅速脱落又形成湍流，这样空气、水蒸气、气态污染物、细颗粒物和雾滴得到充分混合，空气污染物在混合过程中被水蒸气凝结能细小雾滴或者与雾滴碰撞融合而被雾滴捕获，其中疏水性气态污染物、疏水性细颗粒物可被含表面活性剂的雾滴捕获。然后气雾混合气流进入涡式分离装置，涡式分离装置由一组涡状流道组成，涡状流道内两侧壁水平剖面（即涡面边界）为同原点的两条等长等角螺线（也称对数螺线）弧，两弧夹角为2π/N(N取正整数，且N≥3)，其中的一条弧沿原点旋转角度2π/N后可以与另一条弧重合，等角螺线弧的等角个数≥2，等角对应弧为等角圆周弧，两相邻等角圆周弧连接点共切线、共法线是等角螺线的特性，该连接点为等角螺线弧曲率变化点，曲率在该点法向上变化时沿等角螺线运动的流体质点的切向线速度不变，而角速度变化，流体质点经过该点时所受向心力也随曲率变化，涡状流道的等角螺线弧起始位置对应等角圆周弧的曲率半径和极径设定为与特定质点粒径平衡的向心力曲率半径和对应极径，沿等角螺线旋转的极径和对应等角圆周弧的曲率半径按等角螺线函数渐次缩小，涡状流道按气流方向旋转收缩，气流通过时因过流断面连续缩小而产生文丘里效应和伯努利效应，气雾混合气流随流道变窄而流速增加，流速增加而压强减小；又根据查理定律，压强减小温度降低，则饱和水蒸气在涡状流道中不断包裹凝聚核凝结成雾；因涡线保持定理和涡面保持定理，涡状流道内的流体质点流线均为涡线即与两侧壁相同的等角螺线，气雾混合气流内粒径不同的质点受空气阻力作用，沿等角螺线形的流线加速前进，水平切向受空气阻力的切向分力约束线速度不断增加，水平法向受空气阻力的向心分力约束，方向不断改变且指向等角圆周弧的曲率圆心，质点流经两相邻等角圆周弧连接点时，曲率变大曲率圆心位置改变而方向不变，向心分力因曲率变大而增加，而此时切向分力不变线速度不变，粒径平衡于变化前曲率半径的特定质点因空气阻力提供的向心分力已经平衡，向心分力无法增加，向心分力按原圆周运动轨迹改变特定质点运动方向，无法按沿涡状流道流线曲率增大的方向改变特定质点的运动方向，被离心分离甩向流道外侧，因等角螺线的曲率变化量成函数比例，在此函数比例范围内小于平衡曲率半径对应粒径的质点也一同被分离，在此函数比例范围外即小于等于变化后曲率半径对应粒径的质点继续沿涡状流道流线方向前进，待经过下一个等角圆周弧连接点时继续对应分离，以此类推直至洁净空气排出涡状流道。一定长度的涡状流道可以精确去除一定粒径范围的雾滴，因空气污染物已被雾滴捕获，或其不规则形状已经过气雾混合的修复补偿，密度和形状更接近于雾滴，从而使去除范围更大、效果更好。与特定质点粒径平衡的向心力曲率半径（简称平衡曲率半径）是指因空气阻力为质点做同向曲线运动提供动力，质点速度与气流速度相同、质点受压强相同，密度相同的粒径不同的质点粒径越小则质量越小，质量越小则与向心力平衡的曲率半径越小，特定质点粒径例如：PM2.5(空气动力学当量直径小于等于 2.5 微米的颗粒物)，又如直径2.5微米的雾滴可视为半径1.25微米的球体，根据向心力公式F_向=mυ²/R和空气阻力公式F_空=(1/2)Cρ_空气Sυ²，半径r=1.25微米的雾滴空气阻力与向心力平衡时（C为空气阻力系数，球体的空气阻力系数为0.5），平衡曲率半径R=(16/3) rρ_水/ ρ_空气=5.156毫米，即与雾滴粒径2.5微米平衡的向心力曲率半径是5.156毫米，则涡状流道的等角螺线弧起始位置对应等角圆周弧的曲率半径设定为5.156毫米，极径按等角螺线函数的其它参数计算设定（一般颗粒的直径称为粒径）；同理，除水以外的不同密度的球状颗粒物或气态污染物的平衡半径可由上述方法推导，则密度可由相对于水的密度ρ_相表示，平衡曲率半径R=(16/3) rρ_相/ ρ_空气，再引申至形状不规则颗粒物，设形状不规则颗粒物体积V为截面积S乘以高h 即V=S×h, 则平衡曲率半径R=2hρ_相/（Cρ_空气）；设某粒径质点在涡状流道的等角螺线弧起始位置开始经过第一次等角圆周弧的曲率变化即刚好被有效分离，则该质点粒径为特定质点粒径，该特定质点粒径的选择以主要污染颗粒物的粒径或造雾器产出主要雾滴的粒径为参考且尽量保证在涡状流道的等角螺线变化的曲率范围内有效去除大部分污染物，与该特定质点粒径平衡的向心力曲率半径简称平衡曲率半径；粒径大于特定质点粒径的污染颗粒物因其平衡曲率半径大于特定质点的平衡曲率半径则在涡状流道入口即可被分离去除。雾滴被分离甩向涡状流道外侧壁汇集成液膜，液膜同时增强了涡状流道外侧壁的附着力，增加一定的捕获效果和分离效果，含污染物的液膜受重力作用沿壁流向流道底部，汇集一定高度后沿流道气流入口底部流出，落回底部水槽，底部水槽中安置电化学净水装置，工作电压小于12伏，工作电流小于100微安，利用低压电流激发催化剂催化水中氢氧根产生具有强氧化性的羟基自由基，将水中溶解或悬浮的污染物氧化分解为无害气体和矿物盐，起到在线净化水的作用，保证循环用水不含有害污染物。水蒸气的益处，在于贯穿全程的气压减小使其不断地凝结于凝聚核之上，起到了增大凝聚核体积、质量，修复凝聚核形状的重要作用，可在涡状流道中基本消耗殆尽，最终由风机排出的洁净空气相对湿度增量可控制到很小。

本发明中的涡状流道结构仿生台风的涡旋结构，台风眼附近风速最大，离心效应最强，而台风眼区内天空晴朗、无雨无风，台风的涡旋结构曲线是等角螺线的一种。

本发明的绕流区由绕流区入口导流板，绕流区入口，绕流区入口隔板，绕流柱组构成，利用绕流柱组的卡门涡街原理使工作介质与空气污染物充分混合。在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出卡门涡街旋转方向相反、并排列成有规则的双列线涡。开始时，这两列线涡分别保持自身的运动前进，接着它们互相干扰，互相吸引，而且干扰越来越大，形成非线性的所谓涡街。对圆柱绕流，涡街的每个单涡的频率f与绕流速度v成正比，与圆柱体直径d成反比，即f=Sr(v/d)，绕流柱直径越大则涡街的脱落频率越小，则涡街之间相互干扰的距离越长，涡街的横向互干扰既防止出现直接飘入涡状流道的线性层流又充分混合空气污染物和工作介质，增加了工作介质捕获污染物的接触面积和停留时间。

基于该净化器的空气净化方法是指空气污染物被工作介质捕获的方法、空气污染物随工作介质从空气中分离回收的方法、工作介质循环净化的方法。空气污染物被工作介质捕获的方法包括气雾的涡旋混合、湍流混合、水蒸气的凝聚核凝结和水蒸气的涡旋降温冷凝，气雾的涡旋混合指气流经过绕流柱后产生卡门涡街效应的涡旋而使气雾充分混合，气雾的湍流混合指卡门涡街脱落时形成湍流而使气雾充分混合，水蒸气的凝聚核凝结指空气污染物作为凝聚核在气雾混合的过程中使水蒸气凝结成雾滴，水蒸气的涡旋降温冷凝指涡状流道中压强减小温度降低的过程使水蒸气凝结成雾滴，经以上混合过程空气污染物被雾滴捕获或被水蒸气凝结捕获；空气污染物随工作介质从空气中分离回收的方法包括涡状流道的增速、降压、降温冷凝、涡旋分离效应；工作介质循环净化的方法是指水经雾化、混合、冷凝、分离回收、电催化净化、再雾化、混合、冷凝、分离回收、电催化净化……循环使用的过程。

以上方法的结合运用为该净化器的空气净化方法，其中产生涡旋分离效应的方法为本发明的技术突破；涡旋分离方法是利用涡旋结构产生涡旋流场，使气雾混合气流在涡旋流场内形成涡流，涡流流线是等角螺线，工作介质的受力情况和相态因受涡旋流场曲率变化的影响而从气流中分离去除的方法。

本发明使用的主要自然规律包括卡门涡街效应、文丘里效应、伯努利效应、查理定律、降温冷凝效应、涡旋分离效应、羟基自由基的强氧化性、液体表面张力规律。

在极坐标中，等角螺线的方程是：ρ=αe^(φk)，其中：α和k为常数，φ是极角，ρ是极径，e是自然对数的底，此方案中极点即是原点，极径ρ用p代替以区别于密度ρ；等角β为一条等角螺线弧上两相邻极径（p_n与p_n+1）的夹角，等角β=π/ M (M 为等角个数，M≥2)，等角螺线弧两端点极角即两端点极径（p₁与p_n+1）的夹角φ= Mβ（φ≤π），X= e^(βk)则lnX=βk（X>0且X≠1，当X>1时，等角螺线旋转方向曲率为渐小；当X﹤1时，等角螺线旋转方向曲率为渐大）；等角β对应等角螺线上圆周弧n（n为弧的条数，n≥1）的圆周角等于β，弧n的曲率半径为R_n，当X>1时R_n=[（Xp - pcosβ）^2+（psinβ）^2] ^(1/2)/[2sin(β/2)]，当X﹤1时R_n=[（p-Xpcosβ）^2+（Xpsinβ）^2] ^(1/2)/[2sin(β/2)]，相邻弧为等角弧，相邻弧的曲率半径为XR_n；两条等长等角螺线弧的同原点夹角θ=2π/N(N取正整数，且N≥3)；等角螺线的特性是相邻两等角弧n和弧n+1连接点共切线、共法线，曲率变化时角速度变化，而线速度大小不变。等角螺线弧符合涡线定义，流道内两侧壁水平投影均为涡线，流道为涡状，根据涡线保持定理，理想、正压流体若质量力有势，则在某一时刻组成涡线的流体质点在此以前或以后的任何时刻永远组成涡线。经过流道的气流流线均为涡线，流道内涡线保持。根据涡面保持定理，理想、正压流体若外力有势，则在某一时刻组成涡面的流体质点在此以前或以后的任何时刻永远组成涡面。流道内涡线组成涡面，流道内涡面保持。

计算等角螺线弧中的等角β、弧n的曲率半径R_n、弧n的极径p_n和p_n+1，等角螺线的方程为p_n= p_n+1e^(βk)；计算等角螺线弧两端点极角φ和两端点极径p₁与p_n+1，等角螺线的方程为p₁= p _n+1e^(φk)。

例1：设M=2，X=1.618，N=5，则β=π/2，k= lnX/β=0.3063489，φ=2β=π，θ=2π/5，R₁=1.345p₁，R₂=1.618R₁=2.176 p₁，该流道内两侧壁的等角螺线弧为黄金螺线弧，黄金螺线弧两端极径比p₁：p_n+1=1：2.618，其螺线旋转方向曲率渐小，旋转方向上相邻弧n与弧n+1的曲率半径比为1:1.618，等角度为90°，极角180°，流道内两侧壁夹角为72°，流道内的气流流线均为黄金涡线。

例2：设M=2，X=0.618，N=13，则β=π/2，k= lnX/β=（–）0.3063489，φ=2β=π，θ=2π/13，R₁=0.831p₁，R₂=0.618 R₁=0.514p₁；R₁=10mm，R₂=6.18 mm，p₁=12.034mm，p₂=7.437 mm，p₃=4.596 mm该流道内两侧壁的等角螺线弧为黄金螺线弧，黄金螺线弧两端极径比p₁：p_n+1 =1:0.382，其螺线旋转方向曲率渐大，旋转方向上相邻弧n与弧n+1的曲率半径比为1: 0.618，等角度为90°，极角180°，流道两壁夹角为27.69°，流道内的气流流线均为黄金涡线，例2与例1螺线旋转方向相反。

例3：设M=6，X=2，N=8，则β=π/6，k= lnX/β=1.32381359，φ=6β=π，θ=2π/8，R₁=2.394p₁，R₂=2R₁=4.788p₁，R₃=2R₂=9.576p₁，R₄=2R₃=19.152p₁，R₅=2R₄=38.304p₁，R₆=2R₅=76.608 p₁，该流道内两侧壁的等角螺线弧为6个等角度30°弧n相连，两端极径比p₁：p_n+1=1：64，其螺线旋转方向曲率渐小，旋转方向上相邻弧n与弧n+1的曲率半径比为1: 2，等角度为30°，极角180°，流道两壁夹角为45°，流道内的气流流线均为涡线。

例4：设M=6，X=1/2，N=13，则β=π/6，k= lnX/β=（–）1.32381359，φ=4β=2π/3，θ=2π/13，R₁=1.197 p₁，R₂=（1/2）R₁=0.599 p₁，R₃=（1/2）R₂=0.300 p₁，R₄=（1/2）R₃=0.150 p₁； n=4，R₁=10mm， R₂=（1/2）R₁=5 mm，R₃=（1/2）R₂=2.5 mm，R₄=（1/2）R₃= 1.25mm，p₁=8.354 mm ，p₂=4.177 mm，p₃=2.088 mm，p₄=1.044 mm， p₅=0.522 mm，该流道内两侧壁的等角螺线弧为4个等角度30°弧n相连，两端极径比p₁：p_n+1=1：0.0625，其螺线旋转方向曲率渐大，旋转方向上相邻弧n与弧n+1的曲率半径比为2: 1，等角度为30°，极角120°，流道两壁夹角为27.69°，流道内的气流流线均为涡线。

无论如何计算等角螺线旋转方向，本装置内气流从涡状流道宽口处流入，窄口处流出，等角螺线旋转方向统一按曲率渐大计算或按曲率渐小计算后k值按负数再折算回来。

涡状流道竖直放置时，气流为等高流动，根据涡面保持定理和涡线保持定理，涡状流道内的涡面和涡线均可保持；根据文丘里效应，该效应表现在受限流动在通过缩小的过流断面时，流体出现流速增大的现象，其流速与过流断面成反比，涡状流道过流断面沿等角螺线旋转方向渐缩变窄，压强减小，流速增加；伯努利方程：P+(1/2) ρυ²+ρgh=C（C为常量），等高流动则P+(1/2) ρυ²=C，则即时压强差C–P=(1/2) ρυ²，则气流中质点所受的压力差为压强差与迎风面积S的乘积再乘以阻力系数，故F=（C﹣P）SC_阻力系数=(1/2)ρυ²SC_阻力系数为气流阻力，气流阻力方向与气流速度方向相同；而涡状流道两端的压力差可表述为△F=△PSC_阻力系数=（P₂﹣P₁）SC_阻力系数=(1/2)ρ（υ₂ ²﹣υ₁ ²）SC_阻力系数。

气雾混合气流经过涡状流道时，形成涡流，各质点沿流道向内涡旋前进，流道变窄，压强减小，流速增加，流道各质点迹线为流道内涡线，流道内涡线为等角螺线弧，质点沿等角螺线弧各等角圆周弧n做变速圆周运动，运动半径为弧n的曲率半径R_n，空气阻力与向心力平衡，涡状流道内的涡面和涡线均保持，等角螺线向内旋转过等角β时，弧n+1曲率半径在法线方向上收缩了1–e^(–β|k|)倍，弧n+1的曲率半径R_n+1是弧n的曲率半径R_n 的e^(–β|k|)倍，一定粒径的雾滴受同向空气阻力作用经过此处时，根据F_向=mυ²/R，线速度大小不变，线速度方向需改变，流道内的向心力半径减小，向心力角速度增加，F_向=mυ²/ [R_n×e^(–β|k|)]，此时通过流道所需向心力增加 [1–e^(–β|k|)] / e^(–β|k|)倍，而空气阻力与弧n上的向心力已经平衡，一定粒径的雾滴的迎风面积S固定不变，线速度大小即刻不增加，空气阻力F_空=(1/2) ρ_空气υ²SC_阻力系数不增加，因此雾滴无力改变线速度方向转入下一段流道，而被离心分离，甩到流道旋向外侧而后着壁；此处相对更小尺度的雾滴，半径更小，迎风面积更小，因空气阻力F_空=(1/2)ρ_空气υ²SC_阻力系数=（C﹣P）SC_阻力系数，粒径不同的雾滴受力比等于迎风面积比即等于其半径的平方比，又根据F_向=mυ²/R，空气阻力F_空=F_向 ，则mυ²/R=（C﹣P）SC_阻力系数，则R=mυ²/[（C﹣P）SC_阻力系数]……③，公式③中质量与面积用密度和体积替换，m/S=ρ_雾V_球/S，雾滴视为球体，体积公式V_球= (4/3) πr³中的大圆面积S=πr²约掉得m/S = (4/3)rρ_雾，带回公式③则R= (4/3) rρ_雾υ²/[（C﹣P）C_阻力系数]= (8/3) rρ_雾/（ρ_空气C_阻力系数）可知变速圆周运动半径R与雾滴半径r成正比，线速度不变且与气流速度相同，其它参数均为定值，那么r越小则运动半径R越小，不同粒径的雾滴受力比等于其半径的平方比，设粒径不同的雾滴1和雾滴2，r₁ > r₂，且雾滴1刚好通过弧n即被分离，则它们所受空气阻力F_空1：F_空2 =（C﹣P）S₁C_阻力系数：（C﹣P）S₂C_阻力系数= S₁： S₂=r₁ ²：r₂ ²，又因它们同时通过了弧n流道，则F_向1=m₁υ²/R_n，F_向2=m₂υ²/R_n，故F_向1/F_向2= m₁/ m₂，质量m用密度和体积替换后得F_向1/ F_向2= r ₁ ³/ r ₂ ³，因雾滴1刚好通过弧n即被分离，则F_向1= F_空1，因F_向1=F_向2（r ₁ ³/ r ₂ ³），且F_空1=F_空2（r₁ ²/ r₂ ²），则F_向2（r ₁ ³/ r ₂ ³）=F_空2（r₁ ²/r₂ ²）简化为F_空2/ F_向2= r ₁/ r ₂，又因r₁ > r₂，显然F_空2 > F_向2，而等角螺线向内旋转过等角β时，雾滴1刚好通过弧n即被分离，则F_空1＜F_向n+1= F_向n / e^(–β|k|），因雾滴2的F_空2 > F_向2且F_空2/ F_向2= r ₁/ r ₂，则需F_空2 > F_向2+1即F_空2 > F_向2/ e^(–β|k|），雾滴2才可通过弧n与弧n+1的共法线位置而继续做变速圆周运动，将F_空2/ F_向2= r ₁/ r ₂代入F_空2 > F_向2/ e^(–β|k|）可得：r ₂＜e^(–β|k|）r ₁ 也就是说雾滴的半径小于e^(–β|k|）r ₁ 时，可以连续通过弧n与弧n+1，而半径大于等于e^(–β|k|）r ₁的雾滴皆被分离着壁。气流继续前进，随着涡状流道曲率渐次增大，渐次有相对更小尺度的雾滴被分离着壁。

涡状流道中，雾滴受法向向心力做变速圆周运动半径R与切向线速度大小无关，与雾滴半径r成正比，与雾滴的密度成正比，与空气密度成反比；相同粒径雾滴做变速圆周运动半径相同。依公式R=(16/3) r ρ_雾/ ρ_空气可知变速圆周运动半径R即为前述平衡曲率半径，对应半径r的雾滴在曲率半径大于平衡曲率半径R的圆周流道中运动所受空气阻力大于向心力做向心运动；在曲率半径小于平衡曲率半径R的圆周流道中运动所受空气阻力小于向心力做离心运动；在曲率半径等于平衡曲率半径R的圆周流道中运动所受空气阻力等于向心力做圆周运动。含雾滴气流在涡状流道中则表现为合力指向极坐标极点的向心分力和切向分力，向心分力指向等角螺线弧上等角圆周弧的曲率圆心，改变雾滴的运动方向，保持圆周运动轨迹，切向分力指向速度方向，改变雾滴的速度大小，保持直线运动轨迹，向心分力和切向分力的方向互相垂直；在无限长的涡状流道中，雾滴（或质点）的粒径一定，受恒定压强差（C﹣P）转化的动压(1/2)ρ_空气υ²作用沿等角螺线运动，等角螺线方程是极坐标函数，从无穷大到无穷小，一定出现平衡曲率半径R_n =(16/3) r ρ_雾/ ρ_空气的等角圆周弧，雾滴（或质点）在此等角圆周弧上做变速圆周运动，其受力平衡为m（υ₂ ²﹣υ₁ ²）/R_n=(1/2) ρ_空气（υ₂ ²﹣υ₁ ²）SC_阻力系数，雾滴（或质点）的线速度大小和方向均与气流相同，当曲率变化的瞬时，转入下一段等角圆周弧R_n+1的线速度随压强微小减小而微小增加为初速度υ^‘ ₁，R_n+1=e^(–β|k|) R_n ，则受力mυ^‘ ₁ ²/ R_n+1﹣mυ₂ ²/ R_n=mυ^‘ ₁ ²/ [e^(–β|k|) R_n]﹣mυ₂ ²/ R_n = m [υ^‘ ₁ ²e^(β|k|)﹣υ₂ ²] / R_n，因e^(β|k|)＞1，所以[υ^‘ ₁ ²e^(β|k|)﹣υ₂ ²] ＞（υ^‘ ₁ ²﹣υ₂ ²），则m [υ^‘ ₁ ²e^(β|k|)﹣υ₂ ²] / R_n ＞(1/2) ρ_空气（υ^‘ ₁ ²﹣υ₂ ²）SC_阻力系数，所以空气阻力无法维持雾滴（或质点）下一段的变速圆周运动，而使之脱离等角螺线。

涡状流道中，根据查理定律：P = P₀(1+t/273) 、伯努利方程：P+(1/2)ρυ² =C（C为常量）和文丘里效应：过流断面与流体速度成反比，则流道渐缩过程中气雾混合气流压强减小、速度增加、温度降低，水蒸气冷凝放热，热量被降温后的气流吸收并带走，完成热交换功能，使箱体内温度降低，增加水蒸气的冷凝雾量，增大了部分雾滴尺度，进而增强分离效果。连续循环工作一段时间，导致冷凝除湿效果进一步增强；因查理定律P = P₀(1+t/273) 、伯努利方程P+(1/2)ρυ² =C（C为常量），则P₀(1+t/273) =C-(1/2)ρυ²，P₀=101325Pa为标准大气压，ρ=1.293 kg/m³，当P₀ =C时，t =﹣(273/2)ρυ²/ P₀；涡状流道高度H固定，气流等高流动，等角螺线自我相似，过流断面净宽度L₁按等角螺线向内旋转过M个等角β时缩小为L_M= [e^(–β|k|)] ^M L₁，因速度υ与过流断面面积L×H成反比，高度H为定值，则υ₂ ²﹣υ₁ ²= (υ₁/ [e^(–β|k|)]^M)²﹣υ₁ ²，当β=π/2时υ₂ ²﹣υ₁ ²=1.618^2Mυ₁ ²﹣υ₁ ²，那么温差t₂- t₁=﹣(273/2)ρ（1.618^2Mυ₁ ²﹣υ₁ ²）/P₀，当M=3时t₂- t₁=﹣(273/2)·1.293（1.618⁶ υ₁ ²﹣υ₁ ²）/101325=﹣0.0295υ₁ ²℃（负数代表温度降低），若用流量100m³/h的离心风机驱动气流，涡状流道入口风速为2m/s，空气的比热为1030J/(kg·℃），同时用水循环造雾，水的比热为4200J/(kg·℃），则每小时每公斤水可降低的温度=空气密度 ×风量×空气比热 /水比热×温差==1.293×100×1030/4200×0.0295×2²=﹣3.74℃；当M=1时，t₂- t₁=﹣0.0028υ₁ ²℃，每小时每公斤水可降低的温度=﹣0.357℃；当M=2时，t₂- t₁=﹣0.0102υ₁ ²℃，每小时每公斤水可降低的温度=﹣1.29℃。在一定空间内长时间运行产生的累加除湿效果更好，更适合湿量有限的民用场所。

本发明的空气净化效果与工作介质捕获空气污染物的效果和涡式分离装置的去除效果正相关，绕流柱直径越大则卡门涡街的脱落频率越小，气雾混合越剧烈，捕获越充分；涡状流道的曲率变化越大，分离去除效果越好，涡状流道两壁夹角越小，分离去除效果越好，涡状流道越长，分离去除效果越好。

涡状流道出口即窄口（33）不宜过窄，过窄容易造成液滴或液膜堵塞，在空气质量要求较高的场合需要设计制作过窄涡状流道时，可以在涡状流道两壁预埋低压同性平行电极（如负极），使液面产生同性感应电荷（如正电荷），互相排斥以削弱液体表面张力，同时可在绕流区入口预埋与前述电性相反的电极（如正极），使造雾器水面带有与电极电性相反的电荷（如负电荷），使造出的雾滴也带有相反电荷（如负电荷），这样气雾混合气流经过涡状流道时因异性电荷吸引，雾滴可以迅速被流道捕获，可以大大提高分离去除效率，但同时必须用导线将涡式分离装置底部积水区域和底部水槽接通，以释放累积电荷，防止产生瞬时高压击穿设备或者伤人；也可在底部水槽中加适量的表面活性剂，以降低水的表面张力；也可采用亲水材料制作涡状流道两壁，使液滴或液膜形成时迅速铺展，减少液滴或液膜表面张力的影响；也可周期性使风机反转几分钟，使液膜表面压力降低，被反向气流推向宽口，加速重力下落，同时也起到反清洗作用，而后恢复风机正转。液滴或液膜在涡状流道窄口处堵塞形成堵塞液膜，是液体的表面张力造成的，在室温（20℃左右）下，大部分液体的表面张力在20〜40达因/厘米范围以内，水的表面张力为72达因/厘米，设涡状流道材料与水的接触角为π/3，涡状流道堵塞最窄宽度为K，堵塞时则因表面张力形成夹于两壁之间的饼状液膜，饼状厚度沿流道宽度变化，因为窄处表面张力大曲率大，为简化计算以最窄处宽度K为标准计算一个等厚度饼状液膜的半径为r，则等厚度饼状液膜的高度为2r，而实际饼状液膜的高度由厚度变化原因会小于2r，那么以2r为标准不影响结构效果，再设表面张力系数为σ=72达因/厘米，则重力平衡于两壁的张力时ρgπr²K=2（2πrσcos(π/3)），那么2r=8σcos(π/3)/（ρgK）=0.0000294/K，由以上计算可视同饼状液膜累积高度达到0.0000294/K时会因重力下滑至流道底部，而流道底部的堵塞液膜将一直保持此高度，去除假设则底部堵塞液膜的实际高度小于此高度。因此消除堵塞液膜的影响需涡状流道结构高度包括涡状流道的过风量高度与堵塞液膜高度。涡状流道过风从宽口进入，涡状流道结构高度大于等于涡状流道的过风量高度与堵塞液膜高度与底部液面高度三者之和，其结构面积按宽口最窄处截面面积S_{涡状流道宽口最窄处截面}=宽_{涡状流道宽口最窄处}×（过风量高度+堵塞液膜高度+底部液面高度）。涡式分离装置的过风量参考风机的风量，涡式分离装置的过风面积为涡状流道宽口（30）最窄处截面过风面积之和，涡状流道宽口最窄处截面过风面积S_{涡状流道宽口最窄处过风}=S_{涡状流道宽口最窄处截面}﹣宽_{涡状流道宽口最窄处}×（堵塞液膜高度+底部液面高度）；涡式分离装置的过风面积大于等于风机进风口面积，S_{涡式分离装置过风}=∑S_{涡状流道宽口最窄处过风}≥S_{风机进风口}。所谓涡状流道宽口最窄处是指外侧壁螺线起点为圆心向对面螺线做外切圆，该外切圆与对面螺线的切点与圆心的连线为最窄处，该连线的长度为外切圆半径，该外切圆半径长度即是该处截面宽度，如图12中（101）为以A’点为圆心向对面等角螺线弧（90）做外切圆；所谓涡状流道窄口最窄处是指内侧壁螺线终点为圆心向对面螺线做内切圆，该内切圆与对面螺线的切点与圆心的连线为最窄处，该连线的长度为内切圆半径，该内切圆半径长度即是该处截面宽度，如图12中（102）为以E点为圆心向对面等角螺线弧（89）做内切圆。

本发明的有益效果是，提高去除效率，兼有除湿功能，结构小巧，使用简单，制造与运行成本低廉的产品。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1A是本发明具体实施方式一的结构三视图中的正视图，图1B是本发明具体实施方式一的结构三视图中的侧视图，图1C是本发明具体实施方式一的结构三视图中的俯视图。

图1A、图1B、图1C中1.底部水槽，2.箱体，3.进风口，6.绕流区入口导流板，14.出风口，15.出风口盖板。

图2是本发明具体实施方式一的图1B中F—F位置的竖向剖视图F—F。

图2中1. 底部水槽，2.箱体，3.进风口，4.造雾器浮漂，5.造雾器，6.绕流区入口导流板，8.绕流区入口隔板，9.绕流柱组，10.涡式分离装置，11.风机吸风口，12. 风机吸风口隔板，13.风机，14.出风口，15.出风口盖板，16.电化学净水装置，17.涡式分离装置架板。

图3A是本发明具体实施方式一的图1A中B—B位置的水平剖视图，图3B是图1A中C—C位置的水平剖视图，图3C是图1A中D—D位置的水平剖视图。

图3A、图3B、图3C中4.造雾器浮漂，5.造雾器，6.绕流区入口导流板，7.绕流区入口，8.绕流区入口隔板，9.绕流柱组，10.涡式分离装置，16.电化学净水装置， 17.涡式分离装置架板。

图4是本发明具体实施方式一的1层涡状流道的圆周阵列盘水平剖视图。

图4中30. 涡状流道宽口，31.涡状流道，32. 垂直圆管，33. 涡状流道窄口，34.延长圆管，62.圆周阵列盘，63. 图6D中水平剖视图G—G的位置。

图5是本发明具体实施方式一的图1B中F—F位置的竖向剖视图F—F的局部放大，相邻3层涡状流道的圆周阵列盘的竖向剖视图T-T。

图5中30.涡状流道宽口，32.垂直圆管，33.涡状流道窄口，34.延长圆管，51.进气方向，52.相邻圆周阵列盘垂直圆管与延长圆管连接处气流方向，53.出气方向。

图6A是本发明具体实施方式一的涡式分离装置中1层涡状流道的圆周阵列盘的局部正视图、 图6B是本发明具体实施方式一的涡式分离装置中1层涡状流道的圆周阵列盘的局部俯视图、 图6D是本发明具体实施方式一的涡式分离装置中1层涡状流道的圆周阵列盘的局部水平剖视图G—G和 图6C是本发明具体实施方式一的涡式分离装置中1层涡状流道的圆周阵列盘的局部竖向剖视图H—H。

图6A、 图6B、图6C 和 图6D中30.涡状流道宽口，31.涡状流道，32.垂直圆管，33.涡状流道窄口，34.延长圆管，35.垂直圆管顶盖圆孔，51.进气方向，52.相邻圆周阵列盘垂直圆管与延长圆管连接处气流方向，53.出气方向。

图7是本发明具体实施方式一的涡式分离装置中涡状流道结构示意图的局部放大图。

图7中45.等角螺线弧AC，40.等角螺线弧A’’C’’，70.等角圆周弧AB半径R1=5.15mm，71.等角圆周弧A’’B’’半径R1=5.15 mm，72.等角圆周弧B’’C’’半径R2= 3.18 mm，73.等角圆周弧BC半径R2= 3.18 mm， 74.与弧BC相切内壁半径为1.96 mm的垂直圆管CC’’，75.与等角圆周弧AB相切弧半径8.33mm为涡状流道延长部分，因涡状流道外部结构需平滑整齐以减少阻力，需尽量使用平滑曲线或曲面连接。

图8是本发明具体实施方式一的涡式分离装置中单个涡状流道结构示意图和受力分析图。

图8中40.涡状流道内壁等角螺线弧A’’C’’，41.涡状通道内流线，42.涡状通道内流线A’C’，43.涡状通道内流线，44.涡状通道内流线，45. 涡状流道内壁等角螺线弧AC，46.涡状通道内平衡曲率半径迹线A’ B’U， 54.点T是B’点线速度v2在壁上的投影，55.OA’’是极径p₁，56.OB’’是极径p₂，57.OC’’是极径p₃，58. A’点线速度v1，59. B’点线速度v2，60.∠β是等角90°，61.∠θ是两内壁等角螺线弧夹角72°，64. 原点O，65.点O1是等角圆周弧1圆心，66.点O2是等角圆周弧2圆心，71.等角圆周弧A’’B’’半径R1=5.15 mm，72.等角圆周弧B’’C’’半径R2= 3.18 mm。

图9A是本发明具体实施方式二的结构侧视图， 图9B是本发明具体实施方式二的结构侧视图J—J位置的竖向剖视图J—J。

图9A和图9B中1. 底部水槽，2.箱体，3.进风口，4.造雾器浮漂，5.造雾器，6.绕流区入口导流板，8.绕流区入口隔板，9.绕流柱组，80.涡式分离装置，11.风机吸风口，12. 风机吸风口隔板，13.风机，14.出风口，15.出风口盖板，16.电化学净水装置，17.涡式分离装置架板。

图10是本发明具体实施方式二的结构水平剖视图K—K，是图9B的K—K位置。

图10中1. 底部水槽，2.箱体，67. 图12的放大位置，80.涡式分离装置。

图11是本发明具体实施方式二的结构水平剖视图K—K的局部放大图。

图11中31.涡状流道，51.进气方向，53.出气方向，81.等角圆周弧半径R4=2.17mm，82.等角圆周弧半径R3= 2.90 mm，83.等角圆周弧半径R2= 3.87 mm，84.等角圆周弧半径R1= 5.15 mm，85.等角圆周弧半径R4=2.17 mm，86.等角圆周弧半径R3= 2.90 mm，87.等角圆周弧半径R2= 3.87 mm，88.等角圆周弧半径R1= 5.15 mm，89. 涡状流道内壁等角螺线弧，90. 涡状流道内壁等角螺线弧。

图12是本发明具体实施方式二的涡式分离装置中单个涡状流道内壁结构示意图。

图12中81.等角圆周弧半径R4=2.17 mm，82.等角圆周弧半径R3= 2.90 mm，83.等角圆周弧半径R2= 3.87 mm，84.等角圆周弧半径R1= 5.15 mm，89. 涡状流道内壁外侧等角螺线弧，90. 涡状流道内壁内侧等角螺线弧，91.等角螺线弧极径P5，92.等角螺线弧极径P4，93.等角螺线弧极径P3，94.等角螺线弧极径P2，95.等角螺线弧极径P1，96.等角圆周弧H4，97.等角圆周弧H3，98.等角圆周弧H2，99.等角圆周弧H1，100.原点O，101.涡状流道宽口最窄处，102.涡状流道窄口最窄处。

实施方式

具体实施方式一

一种净化PM2.5(空气动力学当量直径小于等于 2.5 微米的颗粒物)的空气净化器，涡式分离装置的涡状流道以直径2.5微米的雾滴作参照，设PM2.5为半径1.25微米的球体，密度与水相同为1000kg/m³，根据向心力公式F_向=mυ²/R和空气阻力公式F_空=(1/2)Cρ_空气Sυ²，半径r=1.25微米的PM2.5空气阻力与向心力平衡时（C为空气阻力系数，球体的空气阻力系数为0.5），平衡曲率半径R=(16/3) rρ_水/ ρ_空气=5.156毫米，即与PM2.5粒径2.5微米平衡的向心力曲率半径是5.156毫米，则涡状流道（31）的两等角螺线弧起始位置对应等角圆周弧的曲率半径（70）和（71）设定为5.15毫米即R₁=5.15mm，再设M=2，X=0.618，N=5，则β=π/2，k=lnX/β=（—）0.3063489，φ=2β=π，θ=2π/5，R₁=0.832p₁，p₁=6.19 mm，R₂=0.618R₁=0.514p₁=3.18 mm，则p₂=3.83 mm，p₃=2.36mm，该流道内两侧壁的等角螺线弧（40）和（45）为黄金螺线弧，黄金螺线弧两端极径比（55）p₁：（57）p₃=2.618：1，其螺线旋转方向曲率渐大，旋转方向上等角螺线弧（45）上相邻等角圆周弧AB与等角圆周弧BC的曲率半径比为1.618: 1，等角螺线弧（40）上相邻等角圆周弧A’’B’’与等角圆周弧B’’C’’的曲率半径比为1.618: 1，等角（60）∠β为90°等于等角圆周弧A’’B’’对应圆周角∠A’’ O1B’’且等于等角圆周弧B’’ C’’对应圆周角∠B’’ O2C’’，极角φ=2β=180°，流道内两侧壁夹角（61）∠θ为72°，净化器运行一段时间，涡状流道内外压差稳定，形成稳定涡线和涡面，流道内的气流流线均为黄金涡线如（41）、（42）、（43）、（44），流道壁高43mm，垂直圆管（32）半径1.96mm与外壁等角螺线（45）相切，涡状流道个数大于等于风机吸风口（11）面积与垂直圆管截面积的比值，垂直圆管位置的压强低于涡状流道宽口位置压强，所以垂直圆管截面积需小于涡状流道宽口过风面积以实现压强梯度，所以在此可以以垂直圆管截面积为最小过风面积计算涡状流道个数；风机吸风口（11）为风机吸风口隔板（12）上的开孔，开孔直径略大于风机进风口直径，保证风机旋转时不扫边摩擦即可，涡状流道水平剖面结构见附图6D、附图7、附图8；涡式分离装置（10）为多层倒塔形状，每层为涡状流道（31）的圆周阵列盘（62）见附图4、附图5，因每层圆周阵列盘都设置了垂直圆管，垂直圆管的过风面积需小于本层底部液面高度和堵塞液膜高度，气流方向为每层圆周阵列盘的外围（51）向中心进风（53），在涡状流道中为宽口（30）进入，窄口（33）排出，于垂直圆管（32）中旋转向上（52）经上层盘的延长圆管（34）流出（53）涡式分离装置，进入风机吸风口（11）以下空间，再经过风机吸风口隔板（12）的风机吸风口（11）由风机（13）排出于出风口盖板（15）的出风口（14）。设风机（13）静压200pa，风机风量200m³/h，风机吸风口（11）直径95 mm，涡状流道个数≥风机吸风口面积：垂直圆管截面积=(95/2)²/(1.96) ²=587个涡状流道（31），绕流区入口（7）直径100 mm，绕流区入口风速4m/s，绕流柱组（9）的绕流柱直径d=15mm，绕流柱间隙10 mm，14根高度50mm绕流柱，S_{绕流区入口}=3.14×（0.1/2）² =0.00785㎡，ΣS_{绕流区间隙}=14×0.01×0.05=0.007㎡，S_{绕流区入口}>ΣS_{绕流区间隙}，涡街脱落频率f=Sr(v/d)= 0.21×（4/0.015）=56次/秒，绕流区水平剖面结构见附图3B、附图3C。设底部水槽（1）容量5升，盛满自来水，本空气净化器的降温效益，温差t₂- t₁=﹣(273/2)ρ_空气（1.618^2Mυ₁ ²﹣υ₁ ²）/P₀，υ₁=4m/s，P₀为标准大气压101325pa，则温差t₂- t₁=（﹣）0.163℃，则每小时每公斤水可降低的温度=空气密度 ×风量×空气比热 /水比热×温差==1.293×200×1030/4200×（﹣）0.163=（﹣）10.33℃，再依造雾器每小时用水量可计算出本净化器与背景气温的每小时理论温差。空气净化器运行，箱体（2）内外形成压力差，含PM2.5的空气被吸入箱体开口的进风口（3），经绕流区入口导流板（6）后与造雾器浮漂（4）内的造雾器（5）产生的大量雾滴和水蒸气混合形成气雾混合气流，气雾混合气流的湿度饱和；气雾混合气流经过绕流区入口（7）穿过绕流柱组（9），绕流柱组为一组圆柱体间隔一定空隙圆周阵列排列，气雾混合气流经过绕流柱之间的空隙后，在绕流柱背面产生卡门涡街效应，空气、水蒸气、气态污染物因粒径小向卡门涡街的涡旋中心旋转汇集，同时水蒸气因大量凝聚核（气态污染物、细颗粒物、雾滴都是凝聚核）的存在而不断凝结成雾，粒径大一些的细颗粒物和雾滴则在卡门涡街涡旋外围旋转，绕流柱阵列形成的一组卡门涡街涡旋互相交变影响，随着气流扩散卡门涡街涡旋迅速脱落又形成湍流，这样空气、水蒸气、气态污染物、细颗粒物和雾滴得到充分混合，空气污染物在混合过程中被水蒸气凝结包裹成细小雾滴或被水蒸气凝结的细小雾滴粘连，或者空气污染物与雾滴碰撞融合而被雾滴捕获，其中疏水性气态污染物、疏水性细颗粒物可被含表面活性剂的雾滴捕获。然后气雾混合气流进入涡式分离装置（10），涡式分离装置为多层倒塔形状，每层为涡状流道（31）的圆周阵列盘（62），气流方向为每层圆周阵列盘的外围（51）向中心进风（53），在涡状流道中为宽口（30）进入，窄口（33）排出，理想状态下，进入涡状流道的混合气流中直径2.5微米的雾滴和直径2.5微米且密度接近于水的颗粒物为质点，因空气阻力和向心力平衡做变速圆周运动，该类质点的迹线为涡线与涡状流道内的流线重合如图8中（41）、（42）、（43）、（44），如图8中（42）所示质点在A’点线速度v1，到达B’点线速度v2，涡状流道高度H固定，气流等高流动，水平切向受空气阻力的切向分力约束线速度大小不断增加，水平法向受空气阻力的向心分力约束，方向不断改变且指向等角圆周弧的曲率圆心，等角螺线自我相似，过流断面净宽度L₁按等角螺线向内旋转过1个等角90°时缩小为L₂= [e^(–β|k|)] ¹L₁=0.618 L₁，因文丘里效应的过流断面与流体速度成反比则线速度的大小变化为v2： v1= L₁：L₂ =1.618：1，此B’点为等角螺线弧（42）上曲率变化点，同等角螺线弧（40）上的B’’点所示，曲率半径R₁变化为R₂，该类质点流经B’点时，曲率变大曲率圆心位置改变而方向不变，向心分力因曲率变大而增加(1/R₂–1/R₁)/(1/ R₁)=0.618倍，而此时切向分力不变线速度大小不变，该类质点半径r=1.25微米平衡于变化前曲率半径R₁=(16/3) rρ_水/ ρ_空气=5.156毫米而空气阻力提供的向心分力已经平衡无法增加，而其运动方向无法沿涡状流线（42）B’C’的方向改变，该类质点被离心分离甩向流道外侧，着壁于（46）涡状流道内平衡曲率半径迹线A’B’U上的U点和（54）T点连成弧线上的区域，再考虑下一时刻空气分子流体对该类质点的影响，下一时刻空气分子流体因流线曲率变大过流断面微小减小，线速度大小因过流断面的微小减小而微小增加，线速方向随流线曲率变化，但是线速度增量而增加的向心力远小于所需的0.618倍的向心力增量，线速度大小需空气分子流体到达C’位置时过流断面才缩小为B’的0.618倍而增加0.618倍，所以下一时刻空气分子流体对该类质点的影响很小，同时原流线方向上受力减小，因此该类质点沿线速度v2方向和原流线之间的区域运动着壁于弧TU上。空气分子流体的密度小，流体中的悬浮物因密度和体积不同于空气分子，而在空气分子流体流向改变时悬浮物的运动轨迹会因受力变化不同步于流体而不同。而直径2.5微米至直径1.545微米（0.618×2.5微米）之间的与雾滴同密度质点均被离心分离，直径小于1.545微米随同气流进入下一段流道，同理，气流经过（45）C点后进入垂直圆管（32），此处垂直圆管半径（74）为1.96毫米，是弧BC半径（73）3.18毫米的0.618倍，则至此可以分离出最小直径0. 96微米(0.618×1.545微米)的雾滴。而后气流沿垂直圆管（32）中方向（52）旋转向上经上层盘的延长圆管（34）流出（53）涡式分离装置，进入风机吸风口（11）以下空间，再经过风机吸风口隔板（12）的风机吸风口（11）由风机（13）排出于出风口盖板（15）的出风口（14）。依上所述，本空气净化器可去除直径0.96微米以上的雾滴和密度接近于水的直径0.96微米以上的细颗粒物，以及运行中被工作介质捕获的直径更小的颗粒物和气态污染物，而密度大于水的污染物如铁粉密度为7800kg/m³，因R=(16/3) rρ_相/ρ_空气，R₁ =5.156mm，r_铁= R₁ /[(3/16) ρ_空气/ρ_铁相]，则球状铁细颗粒的平衡粒径2r_铁=0.33微米，最小去除粒径0.127微米（0.618²×0.33微米），对于不规则状铁细颗粒，因R=2hρ_相/（Cρ_空气），则h= R₁Cρ_空气/2ρ_铁相=0.43C微米，设不规则状铁细颗粒的空气阻力系数1＞C＞0.5，则0.43微米＞h＞0.215微米，则这说明对于密度大于水的污染物去除范围更大，去除能力更强。本实施例净化器的涡状流道窄口（33）最窄处截面宽度1.08毫米，设其为堵塞液膜厚度K，K=1.08毫米，此处富集连续液膜而堵塞，但液膜累积到一定高度会下滑至涡状流道底部，然后液膜重新累积，底部留下一个堵塞液膜高度的空间则可消除堵塞液膜的影响，堵塞液膜高度2r=8σcos(π/3) /（ρgK）=0.0000294/K=27.2毫米。涡式分离装置的过风面积大于等于风机进风口面积，S_{涡式分离装置过风}=∑S_{涡状流道宽口最窄处过风}=S_{涡状流道宽口最窄处截面}﹣宽_{涡状流道宽口最窄处}×（堵塞液膜高度+底部液面高度）≥S_{风机进风口}。另外本实施例涡状流道的高度还要考虑垂直圆管（32）内的液面高度，液膜在涡状流道底部汇集，因风力推动会形成一定高度，因风力小于液体的表面张力，该高度不会超过毛细作用的2倍，因涡状流道结构高度大于等于涡状流道的过风量高度与堵塞液膜高度与底部液面高度三者之和，本实施例的涡状流道底部与垂直圆管联通，垂直圆管液面压力更低，所以涡状流道的底部液面高度以垂直圆管的毛细作用液面高度2倍为准。涡状流道壁高43毫米，垂直圆管半径1.96毫米，水的毛细作用高度因表面张力公式ρgπr²K=2πrσcos(π/3)，则K=2σcos(π/3) /（ρgr）=2×0.072×0.5 /（1000×9.8×0.00196）=3.75毫米，则若垂直圆管侧面封闭时毛细作用高度为3.75毫米，则底部液面高度取2×3.75=7.5毫米，流道壁的过风量高度为43–2×3.75–27.2=8.3毫米，涡状流道宽口（30）最窄处截面宽度为1.96毫米，则该截面过风面积为8.3×1.96=16.27平方毫米，587个涡状流道截面过风面积之和为9554.5平方毫米即涡式分离装置最小过风面积为9554.5平方毫米，风机吸风口（11）直径95毫米略大于风机自身进风口直径，则按直径95毫米计算面积为7084.6平方毫米，因9554.5平方毫米＞7084.6平方毫米，则此涡式分离装置最小过风面积大于风机进风口面积，符合技术要求。

具体实施方式二

一种净化PM2.5(空气动力学当量直径小于等于 2.5 微米的颗粒物)的空气净化器，涡式分离装置的涡状流道以直径2.5微米的雾滴作参照，设PM2.5为半径1.25微米的球体，密度与水相同为1000kg/m³，根据向心力公式F_向=mυ²/R和空气阻力公式F_空=(1/2)Cρ_空气Sυ²，半径r=1.25微米的PM2.5空气阻力与向心力平衡时（C为空气阻力系数，球体的空气阻力系数为0.5），平衡曲率半径R=(16/3) rρ_水/ ρ_空气=5.156毫米，即与PM2.5粒径2.5微米平衡的向心力曲率半径是5.156毫米，则涡状流道的等角螺线弧（89）和等角螺线弧（90）起始位置对应等角圆周弧的曲率半径设定为5.15毫米即R₁=5.15mm，再设M=6，X=0.75，N=8，则β=π/6，k= lnX/β=（—）0.5494323，φ=4β=2π/3，θ=2π/8，R=[（p-Xpcosβ）^2+（Xpsinβ）^2] ^(1/2)/[2sin(β/2)]，R₁=0.9919p₁，p₁=5.19 mm，R₂=0.75R₁=3.87mm，R₃=2.90 mm， R₄=2.17 mm，p₂=3.89mm，p₃=2.92mm，p₄=2.19mm，p₅=1.64mm，该流道内两侧壁的等角螺线弧（89）和（90）采用4段等角圆周弧，等角螺线弧（90）两端极径比（95）p₁：（91）p₅=3.165：1，其螺线旋转方向曲率渐大，旋转方向上等角螺线弧（90）上相邻等角圆周弧AB（99）与等角圆周弧BC（98）的曲率半径比为1.333: 1，极等角DOE即∠β为30°等于等角圆周弧H4（96）对应圆周角DO4E且等于等角圆周弧H3（97）、H2（98）、H1（99）对应的圆周角，极角φ=4β=120°，流道内两侧壁夹角∠θ为45°，净化器运行一段时间，涡状流道内外压差稳定，形成稳定涡线和涡面，流道内的气流流线均为涡线，流道壁高300mm，涡状流道个数大于等于风机吸风口（11）面积与涡状流道宽口最窄处（101）截面过风面积的比值，风机吸风口（11）为风机吸风口隔板（12）上的开孔，开孔直径略大于风机进风口直径，保证风机旋转时不扫边摩擦即可，涡状流道水平剖面结构见附图11、附图12。涡式分离装置（80）为直筒形状，涡状流道圆周阵列排列见附图10，气流方向外围向中心进风，气流穿过涡状流道即完成净化，进入风机吸风口（11）以下空间，再经过风机吸风口隔板（12）的风机吸风口（11）由风机（13）排出于出风口盖板（15）的出风口（14）。设风机（13）静压200pa，风机风量200m³/h，风机吸风口（11）直径95 mm，涡状流道宽口最窄处（101）截面宽度1.4 mm，绕流区入口（7）直径100 mm，绕流区入口风速4m/s，绕流柱组（9）的绕流柱直径d=15mm，绕流柱间隙10 mm，14根高度50mm绕流柱，S_{绕流区入口}=3.14×（0.1/2）² =0.00785㎡，ΣS_{绕流区间隙}=14×0.01×0.05=0.007㎡，S_{绕流区入口}>ΣS_{绕流区间隙}，涡街脱落频率f=Sr(v/d)= 0.21×（4/0.015）=56次/秒，绕流区水平剖面结构与具体实施方式一相同，见附图3B、附图3C。设底部水槽（1）容量5升，盛满自来水，本空气净化器的降温效益，温差t₂- t₁=﹣(273/2)ρ_空气（1.333^4×2υ₁ ²﹣υ₁ ²）/P₀，υ₁=4m/s，P₀为标准大气压101325pa，则温差t₂- t₁=（﹣）0.25℃，则每小时每公斤水可降低的温度=空气密度 ×风量×空气比热 /水比热×温差=1.293×200×1030/4200×（﹣）0.25=（﹣）15.85℃，再依造雾器每小时用水量可计算出本净化器与背景气温的每小时理论温差。空气净化器运行，箱体（2）内外形成压力差，含PM2.5的空气被吸入箱体开口的进风口（3），经绕流区入口导流板（6）后与造雾器浮漂（4）内的造雾器（5）产生的大量雾滴和水蒸气混合形成气雾混合气流，气雾混合气流的湿度饱和；气雾混合气流经过绕流区入口（7）穿过绕流柱组（9），绕流柱组为一组圆柱体间隔一定空隙圆周阵列排列，气雾混合气流经过绕流柱之间的空隙后，在绕流柱背面产生卡门涡街效应，空气、水蒸气、气态污染物因粒径小向卡门涡街的涡旋中心旋转汇集，同时水蒸气因大量凝聚核（气态污染物、细颗粒物、雾滴都是凝聚核）的存在而不断凝结成雾，粒径大一些的细颗粒物和雾滴则在卡门涡街涡旋外围旋转，绕流柱阵列形成的一组卡门涡街涡旋互相交变影响，随着气流扩散卡门涡街涡旋迅速脱落又形成湍流，这样空气、水蒸气、气态污染物、细颗粒物和雾滴得到充分混合，空气污染物在混合过程中被水蒸气凝结包裹成细小雾滴或被水蒸气凝结的细小雾滴粘连，或者空气污染物与雾滴碰撞融合而被雾滴捕获，其中疏水性气态污染物、疏水性细颗粒物可被含表面活性剂的雾滴捕获。然后气雾混合气流进入涡式分离装置（80），涡式分离装置为直筒形状，涡状流道为圆周阵列排列，气流方向为圆周阵列的外围向中心进风如图11，经每个涡状流道宽口进入窄口流出，理想状态下，进入涡状流道的混合气流中直径2.5微米的雾滴和直径2.5微米且密度接近于水的颗粒物为质点，因空气阻力和向心力平衡做变速圆周运动，该类质点的迹线为涡线与涡状流道内的流线重合，涡状流道高度H固定，气流等高流动，水平切向受空气阻力的切向分力约束线速度大小不断增加，水平法向受空气阻力的向心分力约束，方向不断改变且指向等角圆周弧的曲率圆心，等角螺线自我相似，过流断面净宽度L₁按等角螺线向内旋转过1个等角30°时缩小为L₂= [e^(–β|k|)] ¹L₁=0.75 L₁，因文丘里效应的过流断面与流体速度成反比则线速度的大小变化为v2：v1= L₁：L₂ =1.333：1，此时经过等角螺线弧（90）上曲率变化点如图12，曲率半径R₁变化为R₂，曲率变大曲率圆心位置改变而方向不变，向心分力因曲率变大而增加(1/R₂–1/R₁)/(1/R₁)=0.75倍，而此时切向分力不变线速度大小不变，该类质点半径r=1.25微米平衡于变化前曲率半径R₁=(16/3) rρ_水/ ρ_空气=5.156毫米而空气阻力提供的向心分力已经平衡无法增加，而其运动方向无法沿涡状流线的新曲率圆周方向改变，该类质点被离心分离甩向流道外侧，着壁于涡状流道内平衡曲率半径迹线延长弧线和分离点切线相交于流道壁之间的区域，再考虑下一时刻空气分子流体对该类质点的影响，下一时刻空气分子流体因流线曲率变大过流断面微小减小，线速度大小因过流断面的微小减小而微小增加，线速方向随流线曲率变化，但是线速度增量而增加的向心力远小于所需的0.75倍的向心力增量，线速度大小需空气分子流体到达下一段等角圆周弧时过流断面才缩小为此时的0.75倍而增加0.75倍，所以下一时刻空气分子流体对该类质点的影响很小，同时原流线方向上受力减小，因此该类质点沿线速度方向和原流线延长弧线之间的区域运动着壁。空气分子流体的密度小，流体中的悬浮物因密度和体积不同于空气分子，而在空气分子流体流向改变时悬浮物的运动轨迹会因受力变化不同步于流体而不同。而直径2.5微米至直径1.875微米（0.75×2.5微米）之间的与雾滴同密度质点均被离心分离，直径小于1.875微米随同气流进入下一段流道，同理，气流经过4个等角圆周弧的曲率变化点后，等角圆周弧半径（85）为2.17毫米，是起始位置半径的0.3165倍，则至此可以分离出最小直径0. 422微米(0.75³×2.5微米)的雾滴。而后气流进入风机吸风口（11）下面的空间，再经过风机吸风口隔板（12）的风机吸风口（11）由风机（13）排出于出风口盖板（15）的出风口（14）。依上所述，本空气净化器可去除直径0.422微米以上的雾滴和密度接近于水的直径0.422微米以上的细颗粒物，以及运行中被工作介质捕获的直径更小的颗粒物和气态污染物，而密度大于水的污染物如铁粉密度为7800kg/m³，因R=(16/3) rρ_相/ ρ_空气，R₁ =5.156mm，r_铁= R₁ /[(3/16) ρ_空气/ρ_铁相]，则球状铁细颗粒的平衡粒径2r_铁=0.33微米，最小去除粒径0.139微米（0.75²×0.33微米），对于不规则状铁细颗粒，因R=2hρ_相/（Cρ_空气），则h= R₁Cρ_空气/2ρ_铁相=0.43C微米，设不规则状铁细颗粒的空气阻力系数1＞C＞0.5，则0.43微米＞h＞0.181微米，则这说明对于密度大于水的污染物去除范围更大，去除能力更强。本实施例净化器的涡状流道窄口处（102）最窄截面宽度0.85毫米，设其为堵塞液膜厚度K，K=0.85毫米，此处富集连续液膜而堵塞，但液膜累积到一定高度会下滑至涡状流道底部，然后液膜继续累积，底部留下一个堵塞液膜高度的空间则可消除堵塞液膜的影响，堵塞液膜高度2r=8σcos(π/3) /（ρgK）=0.0000294/K=34.5毫米。涡式分离装置的过风面积大于等于风机进风口面积，S_{涡式分离装置过风}=∑S_{涡状流道宽口最窄处过风}=S_{涡状流道宽口最窄处截面}﹣宽_{涡状流道宽口最窄处}×（堵塞液膜高度+底部液面高度）≥S_{风机进风口}，涡状流道的结构高度大于等于涡状流道的过风量高度与堵塞液膜高度与底部液面高度三者之和，本实施例涡式分离装置为单筒结构，筒内直径较大，涡状流道底部水平两端敞口，底部液面高度可以忽略。涡状流道宽口（101）最窄截面宽度为1.4毫米，堵塞液膜高度34.5毫米，风机吸风口（11）直径95毫米略大于风机自身进风口直径，则按直径95毫米计算面积为7084.6平方毫米，设涡状流道壁高X毫米，个数为Y个，Y×(X–34.5) ×1.4 ≥7084.6平方毫米，令Y=21，则X≥210.5毫米，则此涡式分离装置涡状流道壁高可取211毫米。 涡状流道的占地直径可以与等角螺线两端极径和相当，那么21个涡状流道相切排列的圆周阵列占地周长相当于21×（p₁+ p₅）=21×（5.19+ 1.64）=143.43mm，折算成圆周阵列的占地直径为143.43/π=45.68毫米，21个涡状流道组成的涡式分离装置内径需大于风机吸风口直径，则其圆周阵列需使涡状流道有更大的间隙保证涡式分离装置内径大于95毫米；如设涡状分离装置内径150 mm，则周长为150×π=471 mm，此周长可圆周阵列排下涡状流道个数约为471/（5.19+ 1.64）=70个，则涡状流道高度可降至X≥7084.6/（1.4×70）+34.5=107毫米。经过精确计算可以得到比较经济的结构形式。

Claims (8)

1.一种涡式空气净化器，其特征在于：所述涡式空气净化器由底部水槽(1)，箱体(2)，进风口(3)，造雾器浮漂(4)，造雾器(5)，绕流区入口导流板(6)，绕流区入口(7)，绕流区入口隔板(8)，绕流柱组(9)，涡式分离装置(10)，风机吸风口(11)，风机吸风口隔板 (12)，风机(13)，出风口(14)，出风口盖板(15)，电化学净水装置(16)，涡式分离装置架板（17）构成；含污染物的空气被吸入进风口，经绕流区入口导流板后与造雾器产生的大量雾滴和水蒸气混合形成气雾混合气流，气雾混合气流经绕流柱组背面时产生涡街和湍流，空气污染物被雾滴捕获，部分水蒸气因大量污染物凝聚核而凝结成雾滴，而后气雾混合气流进入由一组涡状流道组成的涡式分离装置，所述涡状流道以箱体内的气压低点为中心圆周阵列排布或线性阵列排布，所述涡状流道内两侧壁水平剖面为同原点的两条等长等角螺线弧，所述两条等长等角螺线弧夹角为2π/N，N取正整数，且N≥3，其中的一条弧沿原点旋转角度2π/N后可以与另一条弧重合，气雾混合气流随涡状流道旋转前进，压强减小，流速增加同时温度降低，水蒸气因温度降低而不断凝结成雾滴，雾滴因涡状流道的曲率不断增大而被离心分离甩向涡状流道外侧壁，被工作介质捕获的空气污染物随雾滴被去除，洁净气流被风机排出，被甩到外侧壁的雾滴汇集成液膜，液膜增强了捕获效果和分离效果，含污染物的液膜受重力作用沿流道壁流向底部，汇集一定高度后沿流道底部流出，落回至底部水槽，污染物随水转移到底部水槽中被电化学净水装置产生的羟基自由基氧化分解为无害气体和矿物盐，水被净化后供造雾器循环使用。

2.根据权利要求1所述的一种涡式空气净化器，其特征在于：所述造雾器采用超声造雾或压力式喷雾。

3.根据权利要求1所述的一种涡式空气净化器，其特征在于：所述等角螺线弧的等角个数≥2。

4.根据权利要求1所述的一种涡式空气净化器，其特征在于：所述等角螺线弧起始位置对应等角圆周弧的曲率半径小于等于平衡曲率半径。

5.根据权利要求4所述的一种涡式空气净化器，其特征在于：所述平衡曲率半径是与被去除主要污染物的粒径平衡的向心力曲率半径或与造雾器产出主要雾滴的粒径平衡的向心力曲率半径。

6.根据权利要求1所述的一种涡式空气净化器，其特征在于：所述绕流柱间距小于绕流柱直径，绕流柱间隙面积之和小于等于绕流区入口面积。

7.根据权利要求1所述的一种涡式空气净化器，其特征在于：所述绕流柱为圆柱体，其半径大于等于涡状流道的平衡曲率半径。

8.根据权利要求1所述的一种涡式空气净化器，其特征在于：所述电化学净水装置在水中使用催化剂。

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