CN109604062B - 静电除尘反应器设计方法及室内除尘设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种静电除尘反应器设计方法，包括以下步骤：S100：估算室内气体流量Q和电场风速v，计算集尘板截面面积F；S200：设计电场强度E和电源电压U，计算极板间距b；S300：确定粉尘颗粒驱进速度ω和设计集尘效率η′，计算集尘板长度L；S400：计算集尘面积S；S500：计算集尘板通道数n；S600：计算集尘板宽度W；S700：校正设计参数。本发明还公开了通过上述方法设计的室内除尘设备。本发明根据需要净化的室内条件设计静电除尘反应器参数，考察不同粒径段、不同形貌的颗粒在系统中细微颗粒物的荷电机理和迁移规律，基于效率公式，对集尘板尺寸、间距和电场强度进行调整，设计出能够有效去除多种粒径颗粒的电场结构，提高亚微米级颗粒的脱除效率。
Description
技术领域
本发明涉及空气净化技术领域，具体涉及一种静电除尘反应器设计方法及室内除尘设备。
背景技术
自2013年以来，我国雾霾天气频发，大气中PM2.5浓度严重超标，许多城市深受其害。针对室内环境问题，人们研发了各种室内净化技术，市场上出现了多种类型的空气净化器，以去除室内空气中的可吸入颗粒物、烟尘灰尘以及以甲醛为代表的挥发性有机物，有效改善室内空气质量。
目前主流的空气除尘技术包括空气过滤技术和静电吸附技术。空气过滤技术让空气通过纤维过滤材料，捕集空气中的颗粒污染物从而达到净化空气的目的，运用空气过滤技术可以在去除细颗粒物的同时过滤细菌和病毒。过滤技术是目前最为主流的净化手段，市场上多数空气净化器都采用HEPA滤网进行过滤。HEPA是一种国际公认的高效滤芯，一般采用多组分玻璃纤维制成，孔径微小，吸附容量大，净化效率高，可有效去除PM2.5、烟雾、细菌等；静电吸附技术的基本原理是把含颗粒物的空气引入高电压静电场内，通过尖端放电作用使颗粒物带上电荷，带电颗粒在电场中受到电场力的作用，向带相反电性的电极板运动，并集附于其上，从而实现净化空气的目的。但现有技术中的除尘技术主要针对的是PM2.5，部分高效的设备可有效去除粒径在1.0μm以上的可吸入颗粒物，但对粒径更小的PM0.3无法有效祛除。
PM0.3，是指空气中直径小于或等于0.3um的固体颗粒或颗粒，也称为可入肺颗粒物。PM0.3粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。PM0.3的来源十分广泛，90％以上来自于电厂、工厂、汽车排放的废气，含有汞、镉、铅等重金属，并且在空气中停留时间较长，扩散范围可达1000公里，而在室内，PM0.3则主要来自于装修、家具的油漆和胶黏剂等。这些空气中的PM0.3进入人体血液循环之后，会对心血管、大脑等多个人体器官产生健康危害。与只通过呼吸进入肺部、阻塞肺泡的PM2.5相比，PM0.3在传播通道上可谓“无孔不入”。PM0.3不仅能通过呼吸抵达肺部最深处，并穿越肺泡，进入到人体的血液组织之中，还能直接透过皮肤进入血液，并且永久无法去除，因此其防范难度远远大于PM2.5。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明一种静电除尘反应器设计方法及室内除尘设备。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种静电除尘反应器设计方法，包括以下步骤：
S100：估算室内气体流量Q和电场风速V，计算高压极板截面面积F，
S200：设计电场强度E和电源电压U，计算高压极板间距b，
S300：确定粉尘颗粒驱进速度ω和设计集尘效率η’，根据效率公式计算高压极板长度L；
S400：计算集尘面积S；
S500：计算高压极板通道数n，
S600：计算高压极板宽度W，
S700：校正设计参数，判断设计参数是否满足校正公式，不符合条件则调整设计参数电场强度E和电源电压U。
较佳的，所述步骤S300中的效率公式为：
其中，η’为设计集尘效率，ω为粉尘颗粒驱进速度，V为电场风速，b为高压极板间距，L为高压极板长度，A、B、C均为回归系数。
较佳的，所述步骤S300中粉尘颗粒驱进速度ω根据以下公式计算得到：
其中，ω为粉尘颗粒驱进速度，d为粉尘颗粒直径，ε0为真空介电常数，ε为粉尘颗粒相对介电常数，E为电场强度，μ为空气黏度。
较佳的，所述步骤S400中集尘面积S根据以下公式计算得到：
其中，S为集尘面积，Q为气体流量，ω为粉尘颗粒驱进速度，η’为设计集尘效率。
较佳的，所述步骤S700中的校正公式包括第一校正公式
第二校正公式
设计参数需同时满足所述第一校正公式和所述第二校正公式。
较佳的，所述步骤S100中室内气体流量Q根据房间面积S，高度H和空气每小时循环次数N计算得到，Q＝S×H×N。
较佳的，所述步骤S200中电场强度E为3-8kV/cm，所述电源电压U为5-10kV。
本发明还提供一种室内除尘设备，包括外壳，所述外壳内安装有多块高压极板，所述高压极板的尺寸和结构根据上述的方法设计得到，两块相邻所述高压极板之间构成一个通道，每个所述通道的中部具有一块与所述高压极板平行的接地板，每块所述接地板之前设有一组预荷电极线。
较佳的，所述预荷电极线为单极线，所述预荷电极线与所述接地板前端的水平距离可调。
较佳的，所述预荷电极线与第一电源的正极连接，所述高压极板与第二电源的正极连接，所述接地板接地。
较佳的，所述预荷电极线为单极线，所述预荷电极线的直径为0.1-0.4mm。
较佳的，所述第一电源为脉冲电源。
较佳的，所述预荷电极线上设有突刺、十字刺或圆环。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：
本发明根据需要净化的室内条件设计静电除尘反应器参数，考察不同粒径段、不同形貌的颗粒在系统中细微颗粒物的荷电机理和迁移规律，基于效率公式，对高压极板尺寸、间距和电场强度进行调整，设计出能够有效去除多种粒径颗粒的电场结构，提高亚微米级颗粒的脱除效率。
设置校正步骤，分别考虑气体流速对颗粒的影响，电晕放电产生的臭氧和氮氧化物二次污染问题，对静电除尘反应器的参数进行校正，使设计参数更加科学合理，保证除尘效率的同时防止产生二次污染。
在室内静电除尘设备中设计一段预荷电区，能够优化静电除尘设备的除尘效果，预荷电与集尘电压分双电压控制，能够通过电压调节在安全性、能耗和除尘效率之间达到平衡。
附图说明
为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明静电除尘反应器设计方法的流程图；
图2是实施例5所述室内除尘设备的结构图；
图3是实施例6所述室内除尘设备的剖面图；
图4是实施例8中预荷电极线结构示意图；
图5是实施例8中室内除尘设备电场结构通道的示意图；
图6是实施例9中室内除尘设备电场结构通道的示意图；
图7是实施例11所述室内除尘设备的剖面图。。
图中数字表示：
1.外壳 2.预荷电极线 3.高压极板 4.接地板 5.极线安装槽 6.第一电源线 7.第二电源线 8.接地线 9.进气口 10.出气口 11.十字刺 12.圆环
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例1
一种静电除尘反应器，具有线板式电场结构，并采用正电晕放电，其电场结构设计方法如图1所示，包括以下步骤：
S100：估算室内气体流量Q和电场风速V，根据气体流量Q和电场风速V计算高压极板截面面积F，
S200：设计电场强度E和电源电压U，计算高压极板间距b，
S300：确定粉尘颗粒驱进速度ω和设计集尘效率η’，根据效率公式计算高压极板长度L，效率公式为：
其中，η’为设计集尘效率，ω为粉尘颗粒驱进速度，V为电场风速，b为高压极板间距，L为高压极板长度，A、B、C均为回归系数。回归系数A、B、C根据拟合方程得到，对于不同粒径的颗粒，其回归系数不同。
S400：计算集尘面积S，
其中，S为集尘面积，Q为气体流量，ω为粉尘颗粒驱进速度，η’为设计集尘效率。
S500：计算高压极板通道数n，
其中，F为高压极板截面面积，b为高压极板间距，L为高压极板长度L。
S600：计算高压极板宽度W，
其中，S为集尘面积，n为尘板通道数，L为高压极板长度L。
S700：校正设计参数，判断设计参数是否满足第一校正公式
电场风速V不能太大，否则带电粒子可能被气流卷吸而带出电场。判断设计参数是否满足第二校正公式
电晕放电会使空气中含有臭氧和氮氧化物，需要将臭氧发生浓度控制在75ppb以下，满足空气净化器臭氧排放要求。设计参数需同时满足所述第一校正公式和第二校正公式，不符合条件则调整设计参数电场强度E、电源电压U或高压极板长度h，使设计参数满足校正公式。
本方法根据需要净化的室内条件设计静电除尘反应器参数，考察不同粒径段、不同形貌的颗粒在系统中细微颗粒物的荷电机理和迁移规律，基于效率公式，对高压极板尺寸、间距和电场强度进行调整，设计出能够有效去除多种粒径颗粒的电场结构，提高亚微米级颗粒的脱除效率。
实施例2
设计一种静电除尘反应器，包括以下步骤：
S100：估算室内气体流量Q，设定房间面积S，高度H，空气每小时循环次数N，代入公式Q＝S×H×N，得到所需气体流量Q。
静电除尘器的电场风速V取1-1.5m/s，如果除尘器风速过高，会增加电场长度和净化器的体积，引起粉尘二次飞扬；风速过低，则电场横截面积增大，从而设备体积增大，成本上升。
根据气体流量Q和电场风速V计算高压极板截面面积F，代入公式
S200：设计电场强度E为3-8kV/cm，电源电压U为5-7kV，计算高压极板间距
S300：根据经验值确定驱进速度ω为0.09m/s，设定设计集尘效率η’在80％以上，根据效率公式计算高压极板长度L，效率公式为：
其中，η’为设计集尘效率，ω为粉尘颗粒驱进速度，V为电场风速，b为高压极板间距，L为高压极板长度，A、B、C均为回归系数。
回归系数A、B、C根据拟合方程得到，对于不同粒径的颗粒，其回归系数不同。当颗粒粒径6nm≤dp≤100nm，A＝1.4，B＝0.76，C＝-0.005。当颗粒粒径100nm≤dp，A＝2.27，B＝-0.51，C＝3.84。
计算得到高压极板长度L，作为小型的室内静电除尘反应器，限定高压极板长度L在175mm-185mm之间。
S400：计算集尘面积S，
其中，S为集尘面积，Q为气体流量，ω为粉尘颗粒驱进速度，η’为设计集尘效率。
S500：计算高压极板通道数n，
其中，F为高压极板截面面积，b为高压极板间距，L为高压极板长度L。
S600：计算高压极板宽度W，
其中，S为集尘面积，n为尘板通道数，L为高压极板长度L。
S700：校正设计参数，判断设计参数是否同时满足条件
和
实施例3
设计一种静电除尘反应器，包括以下步骤：
S100：估算室内气体流量Q，设定房间面积S为10m2，高度H为3m，空气每小时循环次数N为3次，代入公式Q＝S×H×N，得到所需气体流量Q为90m3/h。设定静电除尘器的电场风速V为1m/s。
根据气体流量Q和电场风速V计算高压极板截面面积F，代入公式
高压极板截面面积F为0.025m2。
S200：设计电场强度E为5kV/cm，电源电压U为7kV，计算高压极板间距
得到高压极板间距b为14mm。
S300：根据经验值确定驱进速度ω为0.09m/s，设定设计集尘效率η’在85％的情况下，计算得到高压极板长度L为178mm。
S400：计算集尘面积S，
集尘面积S为0.53m2。
S500：计算高压极板通道数n，
计算得到高压极板通道数n为10个。
S600：计算高压极板宽度W，
计算得到高压极板宽度W为150mm。
S700：校正设计参数，判断设计参数是否满足条件
本设计中V＝1m/s，
符合第一校正公式；判断设计参数是否满足条件
本设计中
符合第二校正公式。本设计既能保证除尘效率，同时能防止产生二次污染。
实施例4
本实施例在上述实施例的基础上，所述步骤S300中粉尘颗粒驱进速度ω根据以下公式计算得到：
其中，ω为粉尘颗粒驱进速度，d为粉尘颗粒直径，ε0为真空介电常数，ε0＝8.85×10-12C/V·m，ε为粉尘颗粒相对介电常数，ε＝32.6，E为电场强度，μ为空气黏度，μ＝14.9uPa·s。
通过该公式计算可以更准确的计算出颗粒的驱进速度，使静电除尘反应器结构、尺寸设计更加合理。
实施例5
如图2所示，一种室内静电除尘设备，包括外壳1和安装在外壳1内的电场结构，电场结构分为用于将带电粒子附着在颗粒物上的预荷电区和捕捉带电颗粒的集尘区，该设备集尘区的电场结构通过上述实施例中静电除尘反应器的设计方法设计得到。
电场结构由多块高压极板3、多块接地板4和多组预荷电极线2组成。高压极板3平行布置，每块高压极板3之间的间距相同，两块相邻的高压极板3之间构成一个通道。每个通道的中部具有一块与高压极板3平行的接地板4和一组预荷电极线2，预荷电极线2设置在接地板4之前，靠近外壳1的气体进口位置。电场结构中预荷电极线2的布置位置为预荷电区，接地板4布置的位置为集尘区。
该室内静电除尘设备具有预荷电区和集尘区的双区设计，当空气进入除尘设备内，预荷电极线2产生电晕，使空气中的颗粒在预荷电区进行荷电，荷电颗粒通过集尘区时被捕集，双区设计使室内静电除尘设备具有更高的颗粒物捕集效率。
所述预荷电极线2通过第一电源线6与第一电源的正极连接，所述高压极板3通过第二电源线7与第二电源的正极连接，所述接地板4通过接地线8接地。其中第一电源的电压在8-9kV范围内可调，第二电源的电压在5-7kV范围内可调，将电场电压控制在安全范围，在保证除尘效率的同时，防止电压击穿。预荷电与集尘电压分双电压控制，能够通过电压调节在安全性能、能耗和除尘效率之间达到平衡。
实施例6
如图3所示，一种室内静电除尘设备，包括外壳1和安装在外壳1内的电场结构，电场结构分为预荷电区和集尘区。
电场结构共设置11块平行的高压极板3，高压极板3的尺寸为178mm×150mm，每块高压极板3之间的间距为14mm。两块相邻的高压极板3之间构成一个通道，本设计共有10个通道。每个通道的中部具有一块与高压极板3平行的接地板4和一组预荷电极线2。
所述预荷电极线2为单极线，其直径为0.1mm。当单通道仅设置一根电晕极时,即可达到良好的净化效果，同时又能够简化净化器结构，降低工作电压，减少设备造价。所述接地板4前端与高压极板3前端之间的水平距离为30mm，预荷电极线2安装在极线安装槽5内，其与接地板4前端的水平距离在10mm-50mm之间可调。可以通过调节预电荷极线2至接地板4前端的距离，在较低的电压下实现更高的除尘效率。
预荷电极线2与第一电源的正极连接，高压极板3与第二电源的正极连接，所述接地板4接地。其中第一电源的电压在8-9kV范围内可调，第二电源的电压在5-10kV范围内可调。
当第一电源的电压为8.4kV，第二电源的电压为5kV时，该室内静电除尘设备对空气中1um以上的颗粒物去除率在80％以上，对3um以上的颗粒物去除率在95％以上，对2.5um以上的颗粒物能完全去除。
实施例7
本实施在上述实施的基础上，所述预荷电极线2上设有突刺，在电晕放电过程中，突刺周围具有很高的电场强度，形成具有高密度电荷的电离区域，使空气中颗粒物荷电充分。
实施例8
如图4和图5，本实施与上述实施的不同之处在于，所述预荷电极线2上设有十字刺11，十字刺11能够提高电离区域的电荷密度，使空气中颗粒物荷电充分，提高除尘效果。
实施例9
如图6所示，本实施与上述实施的不同之处在于，所述预荷电极线2上设有圆环12，圆环12结构相较于其他结构能增加预电荷极线2周围的场强，控制电离区域，有利于荷电粒子向高压极板运动。
实施例10
本实施例在上述实施例的基础上，用于预荷电的第一电源为脉冲电源，能够使电极间的电流突然增大，提高电离效率。
实施例11
如图7所示，本实施在上述实施的基础上，所述外壳1两端分别安装进气口9和出气口10，进气口9和出气口10均为喇叭状，可以加强空气扩散。所述进气口9和出气口10上设有滤网，能够初滤掉大颗粒物质。
实施例12
本实施与上述实施例不同之处在于，所述预荷电极线2的直径为0.3mm；所述高压极板3的数量为13块，共构成12个通道；高压极板3的尺寸为185mm×145mm，每块高压极板3之间的间距为20mm。
实施例13
本实施与上述实施例不同之处在于，所述预荷电极线2的直径为0.2mm；所述高压极板3的数量为15块，共构成14个通道；高压极板3的尺寸为175mm×155mm，每块高压极板3之间的间距为18mm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种静电除尘反应器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100：估算室内气体流量Q和电场风速V，计算高压极板截面面积F，
S200：设计电场强度E和电源电压U，计算高压极板间距b，
S300：确定粉尘颗粒驱进速度ω和设计集尘效率η’，根据效率公式计算高压极板长度L，所述效率公式为：
其中，η’为设计集尘效率，ω为粉尘颗粒驱进速度，V为电场风速，b为高压极板间距，L为高压极板长度，A、B、C均为回归系数；
S400：计算集尘面积S；
S500：计算高压极板通道数n，
S600：计算高压极板宽度W，
S700：校正设计参数，判断设计参数是否满足校正公式，不符合条件则调整设计参数电场强度E和电源电压U。
2.如权利要求1所述的静电除尘反应器设计方法，其特征在于，所述步骤S300中粉尘颗粒驱进速度ω根据以下公式计算得到：
其中，ω为粉尘颗粒驱进速度，d为粉尘颗粒直径，ε0为真空介电常数，ε为粉尘颗粒相对介电常数，E为电场强度，μ为空气黏度。
3.如权利要求1所述的静电除尘反应器设计方法，其特征在于，所述步骤S400中集尘面积S根据以下公式计算得到：
其中，S为集尘面积，Q为气体流量，ω为粉尘颗粒驱进速度，η’为设计集尘效率。
4.如权利要求1-3任一所述的静电除尘反应器设计方法，其特征在于，所述步骤S700中的校正公式包括第一校正公式
第二校正公式
设计参数需同时满足所述第一校正公式和所述第二校正公式。
5.如权利要求4所述的静电除尘反应器设计方法，其特征在于，所述步骤S100中室内气体流量Q根据房间面积S，高度H和空气每小时循环次数N计算得到，Q＝S×H×N。
6.如权利要求4所述的静电除尘反应器设计方法，其特征在于，所述步骤S200中电场强度E为3-8kV/cm，所述电源电压U为5-10kV。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的静电除尘反应器设计方法设计的室内除尘设备，其特征在于，包括外壳，所述外壳内安装有多块高压极板，两块相邻所述高压极板之间构成一个通道，每个所述通道的中部具有一块与所述高压极板平行的接地板，每块所述接地板之前设有一组预荷电极线。
8.如权利要求7所述的室内除尘设备，其特征在于，所述预荷电极线为单极线，所述预荷电极线与所述接地板前端的水平距离可调。
9.如权利要求7所述的室内除尘设备，其特征在于，所述预荷电极线与第一电源的正极连接，所述高压极板与第二电源的正极连接，所述接地板接地。
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