CN110118400A - 基于低温冷凝的多功能空气净化装置及方法 - Google Patents

基于低温冷凝的多功能空气净化装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于低温冷凝的多功能空气净化装置：包括外壳，外壳从中心到边缘依次设置有喷雾室、冷流道和热流道，冷流道和热流道之间设置有冷热流道分隔板和半导体制冷片，隔板和半导体制冷片交替设置，从而围成设置有缺口的分隔层，分隔层的缺口作为分流口，冷流道通过分流口与热流道连通，半导体制冷片上设置有冷端翅片和热端翅片，冷端翅片和热端翅片分别位于冷流道和热流道中，喷雾室通过冷流道入口与冷流道连通，外壳上设置有空气入口和空气出口，空气入口与喷雾室连通，空气出口与热流道连通，喷雾室中设置有超声波加湿器。本发明多种功能复合一体，具有消除PM2.5、消除甲醛及其他易溶于水的污染气体、空气除湿、空气加湿的功能。

Description

基于低温冷凝的多功能空气净化装置及方法
技术领域
本发明涉及基于低温冷凝的基于低温冷凝的多功能空气净化装置及方法，属于空气净化 应用领域。
背景技术
人每天大约有超过80％的时间是在室内度过的，室内空气环境的优劣直接影响人体健康 和生活品质。目前室内空气最常见的污染物是PM2.5和甲醛。
PM2.5是重要的大气污染物，它可进人的肺泡并沉积,导致与心和肺的功能障碍有关的疾 病,对人体健康构成较大危害。室内的PM2.5大部分来自室外，因此PM2.5已经成为人体健康 和生活品质的主要影响因素之一。PM2.5净化技术主要有以下两种：(1)高效空气过滤器， 采用超细玻璃纤维纸作为过滤材料，利用物理方法直接拦截空气中颗粒物，过滤效率高，性 能稳定，安全性好，后期维护方便，大量应用在洁净室空调及室内空气净化器中。但高效空 气过滤器自身阻力较高，处理风量低，风机能耗大，成本也高。另外需要定期报废更换过滤 材料，否则会因积尘过多堵塞滤网降低PM2.5的过滤效率。(2)静电除尘技术,静电除尘器的工 作原理是在两个电极之间加上高压电源产生强电场，利用正电晕放电。当含尘气流通过电晕 区时，污染颗粒物电离带上正电荷，在库仑力作用下，带有正荷电的颗粒物向集尘电极运动 并尘集，从而使颗粒物与气流分离，达到净化空气的效果。静电集尘的优点是压力损失小， 后期无需更换材料，只需清洗集尘极。但集尘效率不如高效空气过滤器，使用过程中容易产 生臭氧，造成对室内空气的二次污染。
甲醛是另一种常见的室内空气污染物，会损害人的嗅觉、眼睛，使呼吸道产生刺激症状， 还能使人体免疫功能异常、肝肺损伤、神经衰弱。甲醛净化的处理技术主要有两种：(1)活 性炭等吸附剂吸附，吸附净化甲醛主要存在使用寿命有限的问题，吸附达到饱和后需要更换 吸附剂或再生吸附剂，导致成本上升。(2)光催化降解，光催化材料在特定波长光的照射下， 它可以分解或降解有机化合物和一部分的无机物，将他们分解成无毒的CO2、H2O和其它的 无机离子。需要特定波长光的照射才可以使光催化材料发挥作用，使得其应用受到一定的限 制。
除了净化空气的需求，人们也需要对室内的热湿环境进行调控。例如在天气潮湿的时候 需要除湿，在天气干燥的时候又需要加湿。
目前市场上有采用高效过滤材料消除PM2.5的空气净化器，有采用活性炭或光触媒消除 甲醛的空气净化装置，也有加湿器和除湿机，但是尚无同时具有上述四种功能的装置。
因此，需要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高效的基于低温冷凝的多功能空气净化装置及方 法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于低温冷凝的多功能空气净化装置：包括外壳；
所述外壳从中心到边缘依次设置有喷雾室、冷流道和热流道；
所述冷流道和热流道之间设置有冷热流道分隔板和半导体制冷片；所述隔板和半导体制 冷片交替设置，从而围成设置有缺口的分隔层，分隔层的缺口作为分流口；所述冷流道通过 分流口与热流道连通；
所述半导体制冷片上设置有冷端翅片和热端翅片，冷端翅片和热端翅片分别位于冷流道 和热流道中；
所述喷雾室通过冷流道入口与冷流道连通；
所述外壳上设置有空气入口和空气出口，空气入口与喷雾室连通，空气出口与热流道连 通；
所述喷雾室中设置有超声波加湿器。
作为对本发明基于低温冷凝的多功能空气净化装置的改进：
所述分流口和冷流道入口分别设置在外壳的相对两侧，空气出口和分流口设置在外壳的 相对两侧。
作为对本发明基于低温冷凝的多功能空气净化装置的进一步改进：
所述冷端翅片斜向下设置，倾斜角度为5°，冷端翅片与喷雾室的外侧壁之间设置有冷 端翅片缝隙；所述热端翅片水平设置，热端翅片与外壳的内侧壁紧贴。
作为对本发明基于低温冷凝的多功能空气净化装置的进一步改进：
所述半导体制冷片的数量为四个，冷热流道分隔板的数量为三个，分流口位于两个半导 体制冷片之间。
作为对本发明基于低温冷凝的多功能空气净化装置的进一步改进：
所述冷流道和热流道均为回形的通道。
作为对本发明基于低温冷凝的多功能空气净化装置的进一步改进：
所述空气出口上设置有变速风机。
本发明还提供一种空气净化方法：包括以下步骤：
1)、室内空气从空气入口进入喷雾室，在超声波加湿器的作用下，空气相对湿度增加， 加湿后的空气经过冷流道入口进入冷流道分左右两路；
2)、两路加湿后的空气被冷端翅片冷却降温，去除加湿后的空气中的水蒸气，空气相对 湿度降低，成为降温后的空气；
3)、两路降温后的空气在分流口汇集后进入热流道，在热流道中分为左右两路；两路降 温后的空气被热端翅片加热升温，成为回温后的空气；
4)、两路回温后的空气在空气出口汇集后流出。
作为对本发明空气净化方法的改进：
步骤2)所得的降温后的空气的湿度与从空气入口流入的室内空气的湿度相同。
作为对本发明空气净化方法的改进进一步：
步骤3)所得的回温后的空气的温度与从空气入口流入的室内空气温度相同。
本发明基于低温冷凝的多功能空气净化装置及方法的技术优势为：
本发明的空气净化技术，用超声波喷雾加湿，水雾吸收甲醛，半导体制冷片冷端低温冷 凝空气中的水蒸气，细颗粒物成为凝结核不断生长，空气得到净化。半导体热端加热被处理 后的空气，以保证出口空气温湿度不变，解决了喷雾导致空气相对湿度增大及空气被半导体 制冷片冷端降温的问题。该装置结构简单紧凑、造价低廉、噪声小，由于不需要高效空气过 滤器，空气阻力大大减小，运行费用低。多种功能复合一体，具有消除PM2.5、消除甲醛及 其他易溶于水的污染气体、空气除湿、空气加湿的功能。
本发明的主要优势在于：
1、无需空气过滤器(针对PM2.5)及吸附剂(针对甲醛)，也就不存在常规装置需要定 期更换空气过滤材料及吸附剂的问题；
2、同时由于空气过滤器及吸附剂的阻力较大，本发明可以降低空气流动阻力，减小风机 功耗；
3、同时具备4种功能模式；
4、造价大大低于常规装置(常规装置通常价格在3000-5000元，本发明成本仅需约500 元)
5、用半导体热端翅片加热被处理后的空气，以保证出口空气温湿度基本不变，解决了喷 雾导致空气相对湿度增大及空气被半导体制冷片冷端翅片降温的问题。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为本发明基于低温冷凝的多功能空气净化装置的俯视结构示意图；
图2为图1中A-A方向的剖视图。
图中：1-空气入口；2-冷流道5入口；3-喷雾室；4-半导体制冷片；5-冷流道；6-冷端翅 片6；7-冷端翅片缝隙；8-分流口；9-热端翅片；10-冷热流道分隔板；11-热流道；12-变速风 机；13-空气出口；14-外壳；15-超声波加湿器；16-泄水管；17-加湿器水箱；18-接水盘。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1、基于低温冷凝的多功能空气净化装置，如图1-2所示，包括空气入口1、空气 出口13、变速风机12、超声波加湿器15、喷雾室3、半导体制冷片4、热端翅片9、冷端翅 片6、分流口8、冷流道5、冷端翅片缝隙7、热流道11、冷热流道分隔板10、泄水管16和 外壳14。
外壳14类似一个圆盘型，从中心到边缘依次分隔成喷雾室3、冷流道5和热流道11。冷 流道5和热流道11均为回形的通道。
冷流道5和热流道11之间通过冷热流道分隔板10和半导体制冷片4分隔，冷热流道分 隔板10和半导体制冷片4交替设置，围成分隔层，分隔层为一个设置有缺口的圈，缺口处为 分流口8，冷流道5通过分流口8与热流道11连通，这样可以提高制冷量及空气处理的流量。 半导体制冷片4的数量为四组，冷热流道分隔板10的数量为三个，缺口(分流口8)位于两 个半导体制冷片4之间。半导体制冷片4的冷端翅片6和热端翅片9分别位于冷流道5和热流道11中。
冷端翅片6与喷雾室3的外壁留有间隙作为冷端翅片缝隙7，以便于冷凝水排出至冷凝 水接水盘18。半导体制冷片4的冷端翅片6向下倾斜，倾斜角度约5度，以便于冷端翅片6 上的冷凝水排至冷端翅片缝隙7，最终排至冷凝水接水盘18。如果倾斜角度过小，不利于冷 凝水的排除；如果倾斜角度过大，会导致最上面的冷端翅片6与外壳14上部之间的缝隙7和 最下面的冷端翅片6与冷凝水接水盘18的缝隙过大，不利于换热，同时，使得安装困难。假 如冷端翅片6向下倾斜5度、冷端翅片6高度50mm计算，冷端翅片6终端的下沉尺寸为4.4mm，既不影响冷凝水的排除，也不会造成缝隙过大及影响安装。冷流道5和热流道11的底部设置有冷凝水接水盘18。外壳14外侧壁装有与冷凝水接水盘18连通的泄水管16及泄水阀，必要时可以打开泄水阀将冷凝水接水盘18内的水排出。
半导体制冷片4的热端翅片9水平设置，因为在热端翅片9上没有冷凝水析出，因此不 需要排除冷凝水，加工制作方便。热端翅片9与外壳14的内侧壁紧贴即可。
外壳14顶部设置有与喷雾室3连通的空气入口1，外壳14一侧设置有与热流道11连通 的空气出口13，空气入口1及空气出口13均设有格栅。
变速风机12设置在空气出口13上。
喷雾室3为一矩形空腔，喷雾室3底部设有超声波加湿器15，超声波加湿器15与加湿 器水箱17连接，加湿器水箱17为超声波加湿器15提供水源，通过打开喷雾室3上部盖板可 以进行补水。喷雾室3的其中一个边角上开设有冷流道入口2，空气通过冷流道入口2进入 冷流道5后分左右两路，经过四组半导体制冷片4的冷端翅片6降温冷凝后在分流口8汇集， 再分左右两路进入热流道11，在变速风机12的驱动下，然后从空气出口13流出。
分流口8和冷流道入口2设置在外壳14的相对两侧，空气出口13和分流口8设置在外 壳14的相对两侧，即为冷流道入口2和空气出口13设置在外壳14同一侧。
本发明空气净化装置具有四种功能，其工作过程分别为：
PM2.5净化：
室内空气在变速风机12的驱动下从空气入口1进入喷雾室3，在超声波加湿器15的作 用下，空气相对湿度增加，超声波加湿器15由加湿器水箱17提供水源。加湿后的空气经过 冷流道入口2进入冷流道5分左右两路；
两路加湿后的空气被冷端翅片6冷却降温，加湿后的空气中的水蒸气以细颗粒物为凝结 核凝结成水并不断生长，发生碰撞、粘连、跌落等现象，从而将空气中的PM2.5消除。空气 相对湿度降低，成为降温后的空气；降温后的空气的湿度与从空气入口1流入的室内空气的 湿度相同。
两路降温后的空气经过在分流口8汇集后进入热流道11，并再次分为左右两路，
两路降温后的空气被热端翅片9加热升温，成为回温后的空气，回温后的空气的温度与 从空气入口1流入的室内空气温度相同。回温后的空气从空气出口13流出。
由于冷端翅片6向下侧倾斜，水蒸气凝结水可以沿着冷端翅片缝隙7流入冷凝水接水盘 18，必要时可以打开泄水管16上的泄水阀将冷凝水接水盘18内的水排出。
由于超声波加湿器15的喷雾加湿作用，使得空气相对湿度增加，通过冷端翅片6降温冷 凝，使得空气得以干燥，不会影响室内空气的相对湿度。由于冷端翅片6降温作用，使得空 气温度降低，通过热端翅片9的加热升温，空气温度基本回复原来温度。由于半导体制冷片 4的散热量等于制冷量和输入功率之和，而半导体制冷片4的输入功率一般都比较小，因此 其散热量只是略大于制冷量，空气升温极小，对房间温度几乎没有影响。由于分流口8和冷 流道入口2设置在外壳14的相对两侧，左右两股气流流过冷流道5和热流道11为同程式流 程，可以使左右分流的空气流量均衡。室内空气相对湿度较大时，无需开启超声波加湿器15 即可进行PM2.5净化工作，当空气相对湿度较小时，需开启超声波加湿器15。
甲醛及其他易溶于水的污染气体净化：
室内空气在变速风机12的驱动下从空气入口1进入喷雾室3，在超声波加湿器15的作 用下，空气中布满细小雾滴，超声波加湿器15由加湿器水箱17提供水源。细小雾滴比表面 积大，增加了与空气的接触面积，由于甲醛气体易溶于水，雾滴可以吸收甲醛气体，使得甲 醛浓度降低。加湿后的空气经过冷流道入口2进入冷流道5，分为左右两路，
两路加湿后的空气，被冷端翅片6冷却降温，空气中的水蒸气以细颗粒物或雾滴为凝结 核凝结成水，并不断生长，发生碰撞、粘连、跌落等现象，从而将空气中的甲醛消除。两路 降温后的空气在分流口8汇集后进入热流道11，并再次分为左右两路；
两路降温后的空气被热端翅片9加热升温，成为回温后的空气，回温后的空气的温度与 从空气入口1流入的室内空气温度相同，再从空气出口13流出。
由于冷端翅片6向内侧倾斜，水蒸气凝结水可以沿着冷端翅片缝隙7流入冷凝水接水盘 18，必要时可以打开泄水管16上的泄水阀将冷凝水接水盘18内的水排出。由于超声波加湿 器15的喷雾加湿作用，使得空气相对湿度增加，通过冷端翅片6降温冷凝，使得空气得以干 燥，不会影响室内空气的相对湿度。由于冷端翅片6降温作用，使得空气温度降低，通过热 端翅片9的加热升温，空气温度基本回复原来温度。由于半导体制冷片4的散热量等于制冷 量和输入功率之和，而半导体制冷片4的输入功率一般都比较小，因此其散热量只是略大于 制冷量，空气升温极小，对房间温度几乎没有影响。冷流道5和热流道11呈对称布置，流程 为同程式，以确保左右分流的空气流量均衡。以上方法同样适用于其他易溶于水的污染气体 净化。事实上，在进行PM2.5净化的同时，就可以将甲醛及其他易溶于水的污染气体净化， 无需单独操作。
空气除湿：
如果将超声波加湿器15关闭，就成了一台空气除湿机。
室内空气在变速风机12的驱动下从空气入口1进入喷雾室3，此时超声波加湿器15关 闭，空气经过冷流道入口2进入冷流道5，分为左右两路，
两路室内空气中的水蒸气被冷端翅片6冷降温除湿，凝结成水；成为降温后的空气；
两股降温后的空气在分流口8汇集后进入热流道11，并再次分左右两路，降温后的空气 空气被热端翅片9加热升温，成为回温后的空气，回温后的空气的温度与从空气入口1流入 的室内空气温度相同。回温后的空气从空气出口13流出。
由于冷端翅片6向内侧倾斜，水蒸气凝结水可以沿着冷端翅片缝隙7流入冷凝水接水盘 18，必要时可以打开泄水管16上的泄水阀将冷凝水接水盘18内的水排出。由于冷端翅片6 降温作用，使得空气温度降低，通过热端翅片9的加热升温，空气升温极小，对房间温度几 乎没有影响。冷流道5和热流道11呈对称布置，流程为同程式，以确保左右分流的空气流量 均衡。
空气加湿：
将半导体制冷片4关闭，就成了一台空气加湿机。
室内空气在变速风机12的驱动下从空气入口1进入喷雾室3，在超声波加湿器15的作 用下，空气被喷雾加湿，然后依次经过冷流道入口2、冷流道5、分流口8和热流道11，再从空气出口13流出。
空气中的水蒸气在低于露点温度的情况下，会冷凝成液态水，凝结核对冷凝过程起到重 要的作用，可以加快冷凝过程。将含有PM2.5的空气冷凝到露点温度以下，空气中的细颗粒 物就成了水蒸气的凝结核，水蒸气不断凝结在细颗粒物上。随着颗粒物的生长，会发生碰撞、 粘连、跌落等现象，通过这一过程可以将空气中的PM2.5除去。实验测试发现，使用本发明 采用低温冷凝方法(PM2.5净化)在60分钟内将一密闭空间的PM2.5浓度从900μg/m3降低 到了60.5μg/m3，每分钟的净化率为1.55％。甲醛是一种易溶于水的污染气体，当空气中有 水雾的时候，甲醛就会溶于水雾中。实验测试发现，使用本发明(甲醛及其他易溶于水的污 染气体净化)在该密闭空间内用超声波加湿器喷雾，再将其低温冷凝，能在32分钟内将甲醛 的浓度从0.68mg/m3降低到0，每分钟的净化率为3.13％；而采用常见的活性炭空气净化装置， 24小时的平均净化率为85％，每分钟的净化率为0.06％。
实验测试发现，采用本发明的低温冷凝方法(PM2.5净化)在60分钟内将一密闭空间的 PM2.5浓度从900μg/m3降低到了60.5μg/m3，每分钟的净化率为1.55％。
甲醛是一种易溶于水的污染气体，当空气中有水雾的时候，甲醛就会溶于水雾中。实验 测试发现，在该密闭空间内用超声波加湿器喷雾，再将其低温冷凝(甲醛及其他易溶于水的 污染气体净化)，能在32分钟内将甲醛的浓度从0.68mg/m3降低到0，每分钟的净化率为 3.13％；而采用现有常见的活性炭空气净化装置，净化24小时后甲醛的浓度降低到0.102mg/m3，24小时的平均净化率为85％，每分钟的净化率为0.06％。
对比例1：冷端翅片6的倾斜角度改为“向下倾斜10度”或者“向下倾斜2度”，其余等同于实施例1；
在向下倾斜2度时，不利于冷凝水的排除；在向下倾斜10度时，导致最上面的冷端翅片 6与外壳14上部之间的缝隙和最下面的冷端翅片6与冷凝水接水盘18的缝隙过大，不利于 换热，同时，使得安装困难。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不 限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导 出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于低温冷凝的多功能空气净化装置，其特征在于：包括外壳(14)；
所述外壳(14)从中心到边缘依次设置有喷雾室(3)、冷流道(5)和热流道(11)；
所述冷流道(5)和热流道(11)之间设置有冷热流道分隔板(10)和半导体制冷片(4)；所述隔板(10)和半导体制冷片(4)交替设置，从而围成设置有缺口的分隔层，分隔层的缺口作为分流口(8)；所述冷流道(5)通过分流口(8)与热流道(11)连通；
所述半导体制冷片(4)上设置有冷端翅片(6)和热端翅片(9)，冷端翅片(6)和热端翅片(9)分别位于冷流道(5)和热流道(11)中；
所述喷雾室(3)通过冷流道入口(2)与冷流道(5)连通；
所述外壳(14)上设置有空气入口(1)和空气出口(13)，空气入口(1)与喷雾室(3)连通，空气出口(13)与热流道(11)连通；
所述喷雾室(3)中设置有超声波加湿器(15)。
2.根据权利要求1所述的基于低温冷凝的多功能空气净化装置，其特征在于：
所述分流口(8)和冷流道入口(2)分别设置在外壳(14)的相对两侧，空气出口(13)和分流口(8)分别设置在外壳(14)的相对两侧。
3.根据权利要求2所述的基于低温冷凝的多功能空气净化装置，其特征在于：
所述冷端翅片(6)斜向下设置，倾斜角度为5°，冷端翅片(6)与喷雾室(3)的外侧壁之间设置有冷端翅片缝隙(7)；所述热端翅片(9)水平设置，热端翅片(9)与外壳(14)的内侧壁紧贴。
4.根据权利要求3所述的基于低温冷凝的多功能空气净化装置，其特征在于：
所述半导体制冷片(4)的数量为四个，冷热流道分隔板(10)的数量为三个，分流口(8)位于两个半导体制冷片(4)之间。
5.根据权利要求4所述的基于低温冷凝的多功能空气净化装置，其特征在于：
所述冷流道(5)和热流道(11)均为回形的通道。
6.根据权利要求5所述的基于低温冷凝的多功能空气净化装置，其特征在于：
所述空气出口(13)上设置有变速风机(12)。
7.利用如权利要求1-6任一所述的基于低温冷凝的多功能空气净化装置的空气净化方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)、室内空气从空气入口(1)进入喷雾室(3)，在超声波加湿器(15)的作用下，空气相对湿度增加，加湿后的空气经过冷流道入口(2)进入冷流道(5)分左右两路；
2)、两路加湿后的空气被冷端翅片(6)冷却降温，去除加湿后的空气中的水蒸气，空气相对湿度降低，成为降温后的空气；
3)、两路降温后的空气在分流口(8)汇集后进入热流道(11)，在热流道(11)中分为左右两路；两路降温后的空气被热端翅片(9)加热升温，成为回温后的空气；
4)、两路回温后的空气在空气出口(13)汇集后流出。
8.根据权利要求7所述的空气净化方法，其特征在于：
步骤2)所得的降温后的空气的湿度与从空气入口(1)流入的室内空气湿度相同。
9.根据权利要求8所述的空气净化方法，其特征在于：
步骤3)所得的回温后的空气的温度与从空气入口(1)流入的室内空气温度相同。
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